翻譯：祖瑋佳
好不容易記住的內容，一覺起來就忘了大半？大腦是怎樣在睡眠狀態中權衡需要記住或遺忘的信息？近期一項在大鼠上的研究發現，當我們處於睡眠狀態時，一種慢波腦電波幫助強化記憶，而另一種與之對抗的腦電波削弱記憶。兩種腦波的動態平衡完成了大腦中信息的重組。通過更深入的研究，未來我們或許能夠通過干預這個過程，找到強化學習或改善認知能力的方法。
大腦中有一組“鉛筆”和“橡皮擦”，在我們睡眠時有選擇地強化或消除記憶 | Pixabay
大腦收集的記憶遠比它能保存的要多。我們一整天都在吸收新的信息，但第二天只有一部分得到保留。睡眠在這種習得與遺忘的平衡中似乎至關重要，在睡眠中大腦通過發射電信號的模式使某些記憶得到加強，其他的被抹除，但我們尚不瞭解這個過程的具體機制。10 月 3 日發表的一項研究初步解開了這個謎團，研究分離出兩種功能相反的腦波，它們一個強化記憶，一個弱化記憶。
僅僅通過分離這兩種腦電波，研究人員就能初步解釋大腦如何處理記憶，從而有選擇性地保留或遺忘，他們為這個領域相互競爭的理論提供了一個協調方案。加州大學舊金山分校（USCF）的神經學副教授、該研究的資深作者卡魯內什·甘古利（Karunesh Ganguly）說，過去我們的理解中存在一道鴻溝，我們無法解釋睡眠為什麼對記憶和遺忘都同等重要。
關於記憶強化的各種理論通常被劃為兩大陣營，每個陣營都有一些證據作為支撐。其中一個陣營將學習的長時記憶形成歸因於睡眠狀態中重現的大腦活動 。這些神經元集群模仿了最初學習過程的信號，這種重複加強了神經元之間的突觸連接，從而加強了記憶。理論上，其他神經元之間的連接沒有被再次激活，因此不會得到強化，由它們控制的記憶就會淡化。
另一個陣營的許多研究人員則提出“突觸削弱”（synaptic downscaling）的概念，這類理論認為大腦會更加積極地清除不太有用的記憶。因為學習過程涉及加強腦內突觸連接的神經活動，會十分消耗能量；而在睡眠狀態中，流入這些突觸連接的能量減少，那些長期而言重要性較低的連接因此弱化。通過除去這些作為背景噪音的無用記憶，大腦過濾出有用的信號，從而提高了效率。
在加州大學舊金山分校的實驗室裡，神經科學家卡魯內什·甘古利與一位同事交談。顯示器上是他們研究的慢振盪和 δ 波圖樣 | Steve Babuljak for UCSF, 2016
通過觀察睡眠相關的不同腦電波模式在記憶保持中的作用，新的研究彌合了這些理論之間的分歧。
幾十年來，關於記憶強化與遺忘的研究主要著眼於兩種腦電波模式：慢振盪（slow oscillations）和睡眠紡錘波（sleep spindles），它們共同對記憶的鞏固起著至關重要的作用。慢振盪的特徵是高峰值和低頻率，它會掃過大腦的大部分區域。而睡眠紡錘波發生在非快速眼動睡眠中，即睡眠週期中缺乏快速眼動、通常是無夢狀態的階段，是每隔幾秒就會爆發一次的高頻腦波。還有一種 δ 波，它比慢振盪振幅略小一點，往往只在大腦的局部出現。由於慢震盪和 δ 波通常在睡眠中一同出現，人們很難區分這兩者，所以它們通常被一起劃歸為慢波。
認識到慢振盪和 δ 波之間的差別，恰恰是新發表的這篇研究中發現的關鍵。
加州大學舊金山分校（UCSF）的神經學博士後、該項研究的主要作者金傑容（音，Jaekyung Kim）與來自西達賽奈醫療中心（Cedars-Sinai Medical Center）的生物醫學和神經學助理教授塔努吉·古拉蒂（Tanuj Gulati）合作。通過提供獎賞，他們訓練大鼠學習一種新的技能，這種技能涉及運動皮質的特定神經活動。晚上，大鼠睡覺的時候，他們對其腦中特定的波形加以抑制。第二天，他們測試了大鼠對新技能的記憶是否有所加強或淡化，以此探尋不同腦電波的功能。
金在他的大鼠腦電波圖中用精確的標準區分了慢振盪和 δ 波，總結出兩者的區別；他的結論與 20 多年前一項對貓的研究相符，那是人們首次發現二者的區別。當他和同事們消去了慢振盪後，大鼠的學習效果下降了，這點與預期相符，因為慢振盪對於鞏固記憶的重要性是已知的。
但令研究人員驚訝的是，干擾 δ 波後，他們看到了相反的效果：大鼠的記憶增強了。
加州大學洛杉磯分校（UCLA）生物學與生理學綜合教授吉娜·坡（Gina Poe）說：“我完全沒有料到，抑制慢振盪會產生與抑制 δ 波不同的結果。”她沒有預料到這二者之間的差異足以造成如此顯著不同的結果，但她表示，這項研究的結果與其他許多發現是吻合的。“這有點像整個拼圖丟失的那一塊，”她補充說。
這些相互競爭的功能背後的機制為兩個關於記憶鞏固的核心理論都提供了支持。古拉蒂的研究小組之前發現，伴隨慢振盪的紡錘波與神經活動組合的再次激活和記憶強化有關。與此同時，δ 波似乎能夠使記憶淡化，或許是通過某種形式的突觸削弱，削弱了腦內連接。
睡眠腦波與記憶的關係。慢振盪（左）能夠強化記憶，它比較罕見，出現時遍佈整個大腦，有著較高的峰值和較低的頻率； δ 波（右）能夠削弱記憶，它更為常見，產生在大腦的局部地區，和慢振盪相比有著較低的峰值和相似的頻率。紡錘波是較高頻率的大腦活動爆發，在非快速眼動睡眠階段每幾秒鐘出現一次，通常發生在慢振盪的負峰之後、δ 波的負峰之前 | Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
古拉蒂說，δ 波在這方面的作用還沒有得到詳盡的研究。通過將其納入考慮範圍，這兩類波之間的平衡得以被揭示，記憶與遺忘之間的平衡也浮出水面。他說：“這是一個推拉系統。大腦中有一種動態調節機制，能夠根據其他信息調整（記憶的）開關。”
事實上，慢振盪和 δ 波互相競爭，以爭取和紡錘波在時間上同步。慢振盪與紡錘波的同步率與大鼠對新技能的記憶效果相關，但如果將慢振盪和 δ 波的同步率都納入考慮的話，預測準確度還能大大提高。影響記憶的不只是慢振盪，δ 波似乎也產生了影響。“這兩者或許不止關係到‘記得’，更對‘在正確的時間記住正確的事情’至關重要，”加州大學爾灣分校（University of California, Irvine）精神病學和人類行為學助理教授布萊斯·曼德（Bryce Mander）說。
但這種平衡是精細而微妙的，腦損傷或睡眠剝奪等情況都可能破壞這種平衡。古拉蒂說，由於經歷腦損傷的人常出現腦波改變，δ 波和慢振盪的比例變化可能導致持續性記憶缺陷。並且，這些波之間的關係可能還體現在一個遠比這更普遍的現象中——年齡增長伴隨的認知能力下降。
古拉蒂和他的團隊在研究中觀察到，睡眠紡錘波與不同波伴隨出現時有不同的表現。和慢振盪一起時，紡錘波傾向於和它的一個相位耦合，但它和 δ 波的耦合卻發生在另一個相位。曼德說，在衰老的大腦中，紡錘波顯示出類似的變化，因為它開始在慢波不同的點上駐紮。如果 δ 波在衰老的大腦中更普遍的話，這種變化或許能得到解釋。
δ 波也與痴呆症有更直接的聯繫。在表現出澱粉樣斑塊（阿爾茨海默病的一個標誌）堆積的大腦中，δ 波更加常見。在晚期阿爾茨海默病患者中，不僅在睡眠狀態中，清醒狀態下也能檢測出 δ 波。曼德說：“你會看到到處都是 δ 波。”它們的存在暗示了大腦中記憶障礙如何形成。
能否將關於腦波如何互相競爭的研究拓展到類似衰老這樣的新領域中，將取決於這種機制是否也能解釋其他類型的學習過程。比如說，學習運動技巧所涉及的大腦區域對其他類型的學習過程參與不多，所以我們還不清楚這種腦波對抗機制是否存在於所有類型的記憶中，坡說。
認識到 δ 波可能具備與慢振盪不同的功能，這一概念也為睡眠與記憶領域的許多其他研究提供了前景光明的方法。比如，一些旨在改善睡眠的藥物仍無法加強學習和記憶，未來的研究或許能通過探索慢波如何在兩種波的影響下保持平衡，找到其中的原因。在睡眠中跟蹤慢波的數據可能將提供新的線索，分別解釋慢振盪和 δ 波的影響。我們最終甚至有可能證明，通過干擾 δ 波來強化記憶才是可行的，而不是專注產生更多的慢振盪。通過對記憶超常人群的大腦活動進行研究，或許還能得到加強記憶的干預方法。“這篇論文開闢了一個嶄新的研究領域，”曼德說。
不過，金的工作之後，還有一個問題懸而未決，那就是為什麼人類以及其他一些動物需要這麼多的睡眠。有證據表明，慢波和睡眠紡錘波的耦合只佔據數小時睡眠中的幾秒鐘，而這種耦合只需要發生幾次，就能使記憶持久性發生長期改變。“讓我們的腦回路進行重構，這麼短的時間就夠了，”坡說。
原文標題：《你為啥總是邊學邊忘？這個研究或許找到了答案》
Kim J, Gulati T, Ganguly K. Competing Roles of Slow Oscillations and Delta Waves in Memory Consolidation versus Forgetting. Cell. 2019;179(2):514-526.e13. doi:10.1016/j.cell.2019.08.040
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