生 命 奥 秘 图 1 记 忆 系 统 的 分 类 陈 述 性 记 忆 可 以 进 一 步 分 为 情 景 记 忆 (episodic memory) 和 语 义 记 忆 (semantic memory) 情 景 记 忆 指 的 是 我 们 对 某 些 特 定

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1 四 睡 眠 依 赖 性 的 记 忆 巩 固 机 制 想 必 大 多 数 人 都 曾 有 过 带 着 问 题 入 睡 的 经 历 但 是 在 不 同 的 睡 眠 阶 段 的 各 种 记 忆 类 型 以 及 记 忆 编 码 及 巩 固 的 机 制 等 多 种 复 杂 因 素 产 生 了 一 个 问 题, 那 就 是 睡 眠 是 如 何 帮 助 我 们 巩 固 记 忆 的? 汇 集 来 自 各 方 的 研 究 成 果, 从 分 子 生 物 学 到 现 象 学, 各 方 证 据 都 表 明, 在 睡 眠 过 程 中 发 生 的 离 线 记 忆 再 处 理 过 程 是 我 们 人 类 记 忆 形 成 机 制 中 非 常 重 要 的 组 成 部 分 睡 眠 如 何 帮 助 我 们 学 习 和 巩 固 记 忆 是 一 个 困 惑 我 们 许 久 的 问 题 早 在 公 元 1 世 纪, 古 罗 马 雄 辩 家 Quintilian 就 对 睡 眠 的 作 用 有 过 评 价, 他 说 : 在 睡 了 一 觉 之 后, 之 前 无 法 记 住 的 内 容 突 然 间 就 清 晰 地 出 现 在 脑 海 中 很 多 人 认 为 睡 眠 的 过 程 正 是 导 致 人 们 遗 忘 的 过 程, 但 事 实 上, 通 过 睡 眠 却 恰 恰 可 以 加 强 我 们 的 记 忆 虽 然 这 个 现 象 对 他 来 说 可 能 是 显 而 易 见 的, 但 是 对 科 研 工 作 者 却 并 非 如 此 简 单 直 到 1994 年,Karni 和 Sagi 等 人 发 表 了 一 篇 非 常 重 要 的 论 文, 不 过 这 篇 论 文 的 内 容 却 并 未 引 起 睡 眠 研 究 领 域 及 记 忆 研 究 领 域 同 行 的 关 注 但 是 在 最 近 这 10 年 里, 有 关 睡 眠 对 学 习 及 记 忆 功 能 作 用 的 论 文 发 表 数 量 激 增, 比 以 前 增 加 了 5 倍 这 是 因 为 分 子 生 物 学 细 胞 生 物 学 生 理 学 以 及 行 为 科 学 等 各 个 学 科 都 发 现, 睡 眠 的 确 与 记 忆 强 化 巩 固 过 程 有 关 现 在 该 研 究 领 域 面 临 的 主 要 问 题 是 睡 眠 记 忆 以 及 巩 固 记 忆 这 些 现 象 都 非 常 复 杂, 而 且 并 非 都 是 独 立 事 件 本 篇 综 述 将 首 先 对 上 述 复 杂 的 生 理 现 象 及 术 语 进 行 解 释, 然 后 将 介 绍 一 些 既 往 对 人 类 程 序 性 学 习 现 象 的 研 究 中 所 取 得 的 更 为 可 靠 的 证 据 而 后, 将 从 更 广 阔 的 视 角, 对 能 支 持 睡 眠 能 帮 助 巩 固 知 觉 技 能 程 序 记 忆 (perceptual skill procedural memory) 运 动 技 能 程 序 记 忆 (motor skill procedural memory) 陈 述 性 记 忆 (declarative memory) 和 复 杂 认 知 程 序 记 忆 (complex cognitive procedural memory) 的 行 为 学 证 据 进 行 阐 述 本 文 汇 集 了 分 子 生 物 学 细 胞 生 物 学 神 经 生 理 学 脑 成 像 学 以 及 睡 眠 梦 境 研 究 等 各 学 科 的 证 据, 并 发 现 所 有 这 些 研 究 成 果 都 支 持 一 个 观 点, 即 睡 眠 能 帮 助 巩 固 记 忆 1. 睡 眠 与 记 忆 的 关 系 记 忆 的 类 型 不 只 一 种 比 如 法 国 首 都 是 哪 里? 你 昨 晚 吃 了 什 么? 怎 么 骑 自 行 车? 要 回 答 上 述 这 三 个 问 题, 你 必 须 调 动 你 学 过 的 知 识 和 储 存 的 记 忆, 但 这 三 种 记 忆 完 全 不 同 我 们 大 脑 里 有 多 重 记 忆 系 统, 它 们 分 门 别 类 地 将 不 同 种 类 的 记 忆 储 存 到 大 脑 中 不 同 的 地 方, 而 且 很 有 可 能 是 以 不 同 的 形 式 储 存 这 些 记 忆 的 通 常, 我 们 可 以 将 记 忆 分 成 陈 述 性 记 忆 和 非 陈 述 性 记 忆, 其 中 陈 述 性 记 忆 指 的 是 人 们 可 以 说 得 出 的 记 忆, 比 如 法 国 的 首 都 是 哪 里 或 者 昨 晚 吃 的 什 么 东 西 之 类 ; 而 非 陈 述 性 记 忆 指 的 是 那 些 我 们 可 以 不 需 要 思 考, 下 意 识 就 能 做 出 来 的 那 些 事 情, 比 如 骑 自 行 车 或 者 说 服 警 察, 免 除 罚 单 等 ( 图 1) 关 于 记 忆 巩 固 过 程 究 竟 包 括 哪 些 过 程, 到 目 前 为 止 还 没 有 得 出 一 致 意 见 最 开 始, 记 忆 巩 固 指 的 是 记 忆 稳 定 的 过 程, 经 过 了 这 个 过 程, 记 忆 就 变 得 牢 固, 不 再 容 易 被 干 扰 但 是 人 体 在 对 感 觉 运 动 经 历 过 最 初 的 编 码 之 后, 经 过 一 段 时 间 会 发 生 一 系 列 细 胞 分 子 和 系 统 水 平 的 改 变, 这 些 过 程 都 是 无 意 识 的 自 动 发 生 的, 经 过 了 这 些 变 化, 记 忆 得 到 了 稳 固 和 加 强, 变 成 了 持 久 的 最 佳 的 整 合 记 忆 这 个 过 程 里 不 只 是 在 突 触 局 部 会 发 生 细 胞 和 分 子 水 29

2 生 命 奥 秘 图 1 记 忆 系 统 的 分 类 陈 述 性 记 忆 可 以 进 一 步 分 为 情 景 记 忆 (episodic memory) 和 语 义 记 忆 (semantic memory) 情 景 记 忆 指 的 是 我 们 对 某 些 特 定 事 件 的 记 忆, 比 如 你 昨 晚 吃 的 什 么 ; 而 语 义 记 忆 指 的 是 我 们 对 普 通 信 息 的 记 忆, 比 如 法 国 的 首 都 是 哪 里 非 陈 述 性 记 忆 也 分 为 好 几 种 记 忆 亚 类, 比 如 程 序 性 技 能 等 记 忆 研 究 领 域 的 其 他 人 对 记 忆 一 词 的 定 义 更 为 严 格, 他 们 认 为 的 记 忆 含 义 更 局 限, 比 如 记 忆 指 的 就 是 情 景 记 忆 平 的 变 化, 而 是 整 个 系 统 水 平 对 单 个 的 记 忆 进 行 重 组 和 整 合 这 些 额 外 的 记 忆 巩 固 过 程 非 常 需 要 睡 眠 的 参 与, 本 文 把 上 述 所 有 的 过 程 都 归 到 记 忆 巩 固 这 个 词 的 概 念 下 不 过 需 要 注 意 的 是, 到 底 有 多 少 种 不 同 的 记 忆 后 编 码 (post-encoding) 过 程 我 们 还 不 得 而 知, 也 不 知 道 如 何 定 义 这 些 过 程, 更 不 知 道 应 该 把 哪 些 过 程 收 纳 到 记 忆 巩 固 的 过 程 中 来 比 如 记 忆 稳 定 过 程 并 非 绝 对 的 概 念, 因 为 这 就 可 能 意 味 着 没 有 其 它 记 忆 增 强 或 重 组 等 巩 固 过 程 了 我 们 说 记 忆 巩 固 需 要 依 赖 睡 眠, 是 因 为 我 们 认 为 记 忆 巩 固 过 程 是 睡 眠 中 最 首 要 的 过 程 但 是 大 部 分 与 睡 眠 相 关 的 过 程 都 可 以 发 生 在 觉 醒 状 态 下, 而 与 睡 眠 无 关 的 活 动 也 可 以 出 现 在 睡 眠 过 程 中, 比 如 清 醒 时 出 现 的 幻 觉 和 梦 游 等 不 过 无 论 如 何, 试 验 发 现 在 大 多 数 情 况 下, 睡 眠 依 赖 性 的 过 程 都 只 发 生 在 睡 眠 状 态 下 虽 然 我 们 对 记 忆 过 程 以 及 记 忆 巩 固 过 程 还 一 无 所 知 不 同, 但 是 我 们 对 人 体 睡 眠 过 程 还 是 研 究 得 比 较 清 楚 的 整 晚 的 睡 眠 是 由 REM 睡 眠 和 NREM 睡 眠 交 替 组 成 的, 每 个 周 期 ( 一 次 REM 睡 眠 和 一 次 NREM 睡 眠 ) 约 90 分 钟 其 中 NREM 睡 眠 又 可 进 一 步 分 为 I 期 至 IV 期 ( 图 2) III 期 睡 眠 和 IV 期 睡 眠 是 整 个 睡 眠 过 程 中 睡 眠 程 度 最 深 的 睡 眠, 这 两 期 睡 眠 也 被 称 作 慢 波 睡 眠 (SWS), 因 为 此 时 的 脑 电 波 为 慢 波, 频 率 为 0.5~4Hz 睡 眠 的 分 期 不 仅 表 现 在 睡 眠 深 浅 程 度 上 的 不 同, 还 表 现 在 做 梦 的 频 率 和 强 度 上 有 所 差 异 而 且 在 不 同 睡 眠 期 里, 脑 电 图 眼 球 运 动 肌 张 力 大 脑 皮 质 回 路 的 神 经 调 节 局 部 脑 兴 奋 程 度 以 及 记 忆 系 统 之 间 的 相 互 联 系 等 等 这 些 指 标 都 会 有 所 差 异 REM 睡 眠 II 期 睡 眠 和 SWS 睡 眠 都 与 睡 眠 依 赖 性 记 忆 过 程 有 关, 因 为 在 这 些 睡 眠 期 中 都 有 特 异 性 大 脑 皮 质 神 经 元 同 步 活 动, 比 如 脑 桥 - 枕 状 膝 脑 电 波 (ponto-occipitogeniculate wave) 活 动 REM 睡 眠 期 中 的 θ 节 律 II 期 睡 眠 中 的 睡 眠 梭 状 波 (sleep spindle) 以 及 SWS 睡 眠 期 中 的 慢 波 脑 电 波 图 2 不 同 睡 眠 时 期 分 类 30

3 2. 睡 眠 依 赖 性 的 记 忆 强 化 机 制 有 三 个 实 验 室 召 集 了 志 愿 者 进 行 了 三 项 不 同 的 实 验 这 三 项 实 验 分 别 是 视 觉 表 面 特 征 分 辨 实 验 (visual texture discrimination test) 运 动 顺 序 实 验 (motor sequence test) 以 及 运 动 适 应 实 验 (motor adaptation test) 所 有 这 些 实 验 都 证 明, 志 愿 者 在 经 过 一 夜 的 睡 眠 之 后 表 现 都 会 好 很 多 实 验 结 果 还 表 明, 经 过 整 晚 的 睡 眠 之 后, 志 愿 者 试 验 成 绩 的 改 善 程 度 与 他 们 的 某 些 特 定 睡 眠 阶 段 或 睡 眠 事 件 相 关, 而 且 部 分 或 完 全 剥 夺 志 愿 者 的 睡 眠 均 会 影 响 试 验 成 绩 的 提 高 这 些 结 果 都 确 定 无 误 地 表 明, 睡 眠 有 助 于 记 忆 巩 固, 尤 其 是 有 助 于 记 忆 增 强 但 是 这 其 中 的 细 节 还 不 清 楚 视 觉 表 面 特 征 分 辨 实 验 成 绩 的 提 高 与 REM 睡 眠 及 SWS 睡 眠 的 水 平 有 关 ; 运 动 顺 序 实 验 的 成 绩 则 与 II 期 NREM 睡 眠 相 关 ; 而 运 动 适 应 实 验 的 成 绩 则 与 SWS 睡 眠 相 关 因 此, 虽 然 这 些 程 序 性 技 能 是 依 靠 睡 眠 来 巩 固 的, 但 似 乎 它 们 并 不 只 依 赖 某 一 期 特 定 的 睡 眠 相 反, 每 一 期 睡 眠 似 乎 都 与 这 些 记 忆 巩 固 过 程 有 关 于 是 我 们 猜 想, 在 漫 长 的 进 化 历 程 中, 各 期 睡 眠 各 自 为 不 同 的 记 忆 巩 固 过 程 提 供 了 一 种 相 应 的 大 脑 活 性 状 态 下 面, 我 们 将 依 次 详 细 介 绍 上 述 这 三 个 实 验 过 程 2.1 视 觉 表 面 特 征 分 辨 实 验 好 几 项 研 究 都 已 表 明 睡 眠 可 以 增 强 志 愿 者 在 前 后 景 分 辨 实 验 (foreground background discrimination task) 中 的 成 绩 ( 图 3a-c) 本 项 实 验 中, 志 愿 者 需 要 从 水 平 网 格 条 块 背 景 中 分 辨 出 斜 纹 条 块 的 方 向 虽 然 早 期 有 研 究 显 示, 如 果 剥 夺 志 愿 者 的 REM 睡 眠 会 影 响 他 们 成 绩 的 提 高 水 平, 而 剥 夺 SWS 睡 眠 不 会 造 成 影 响, 但 是 后 来 的 研 究 发 现, 实 际 上 REM 睡 眠 和 SWS 睡 眠 都 会 对 实 验 成 绩 造 成 影 响 比 如, 成 绩 提 高 的 水 平 与 整 晚 睡 眠 前 1/4 段 时 间 里 SWS 睡 眠 的 长 度 (r=0.70,p=0.01) 以 及 整 晚 睡 眠 后 1/4 段 时 间 里 REM 睡 眠 的 长 度 (r=0.76, P=0.004) 均 有 关, 这 说 明, 这 种 记 忆 巩 固 过 程 是 需 要 两 个 不 同 的 睡 眠 阶 段 的, 首 先 是 SWS 睡 眠, 然 后 是 REM 睡 眠 而 这 两 个 指 标 的 乘 积 SWS1 REM4 与 志 愿 者 的 成 绩 相 关 性 更 高 (r=0.89,p<0.0001, 图 3b) 此 外, 在 志 愿 者 经 过 训 练 之 后 的 当 晚 剥 夺 他 们 的 睡 眠 也 会 影 响 成 绩 的 提 高, 哪 怕 之 后 再 经 过 两 晚 睡 眠 的 修 整, 到 训 练 之 后 的 72 小 时 进 行 测 试, 成 绩 依 然 不 理 想 ( 图 3c 中 绿 色 条 块 ) 如 果 保 证 了 训 练 后 头 3 个 小 时 的 睡 眠 ( 主 要 是 SWS 睡 眠, 平 均 SWS 睡 眠 时 间 为 74 分 钟,REM 睡 眠 时 间 为 24 分 钟 ), 会 对 成 绩 提 高 起 到 明 显 的 帮 助 作 用, 但 是 保 证 最 后 3 小 时 睡 眠 ( 主 要 是 REM 睡 眠, 平 均 SWS 睡 眠 时 间 为 32 分 钟,REM 睡 眠 时 间 为 58 分 钟 ) 则 无 法 起 到 这 么 明 显 的 作 用 但 是 如 果 保 证 了 整 晚 的 睡 眠, 成 绩 提 高 的 效 果 要 比 保 证 头 3 个 小 时 睡 眠 高 出 3 倍 在 训 练 后 的 当 晚, 记 忆 得 到 巩 固 之 后, 在 第 二 晚 再 也 无 法 获 得 提 高 了 ( 图 3a) 但 是 随 后 的 睡 眠 又 会 带 来 一 些 帮 助 ( 图 3c) 因 此, 睡 眠 依 赖 性 的 记 忆 增 强 过 程 持 续 至 少 48~96 小 时, 这 比 记 忆 巩 固 过 程 中 的 稳 定 步 骤 需 要 的 时 间 要 多 出 一 个 数 量 级 2.2 运 动 顺 序 实 验 在 这 项 叩 指 测 试 (finger-tapping task) 中, 志 愿 者 需 要 尽 可 能 又 快 又 准 地 在 电 脑 键 盘 上 敲 击 出 一 系 列 数 字 字 符, 比 如 等 或 者 要 求 志 愿 者 用 拇 指 按 一 定 顺 序 碰 触 其 它 手 指 在 键 盘 敲 击 试 验 中, 经 过 1 分 钟 的 练 习, 志 愿 者 的 成 绩 都 会 稳 步 提 高, 随 后 就 会 达 到 平 台 期 (asymptote), 经 过 12 个 为 期 30 秒 的 练 习 之 后, 成 绩 只 能 提 高 约 60% 间 隔 4 至 12 个 小 时 之 后 再 次 检 测, 成 绩 也 没 有 明 显 提 高 ( 只 提 高 了 4%,P=0.13)( 图 3d 左 侧 绿 色 柱 状 图 ) 不 过 如 果 经 过 了 一 晚 的 睡 眠, 我 们 发 现 31

4 生 命 奥 秘 视 觉 表 面 特 征 分 辨 实 验 运 动 顺 序 学 习 实 验 运 动 适 应 学 习 实 验 图 3 睡 眠 依 赖 性 程 序 记 忆 巩 固 研 究 a-c: 视 觉 表 面 特 征 分 辨 实 验 结 果 显 示, 志 愿 者 在 接 受 训 练 之 后 只 有 保 证 睡 眠, 才 能 提 高 测 试 成 绩 成 绩 的 提 高 与 睡 眠 中 最 开 始 的 慢 波 睡 眠 和 最 后 的 REM 睡 眠 有 关 d-f: 运 动 顺 序 手 指 敲 击 试 验, 该 实 验 同 样 发 现 与 a 中 一 样 的 睡 眠 依 赖 性 成 绩 提 高 现 象, 不 过 此 时 的 成 绩 提 高 现 象 与 II 期 NREM 睡 眠 有 关 g-j: 运 动 适 应 实 验, 同 样 发 现 了 睡 眠 依 赖 性 成 绩 提 高 现 象, 此 时 的 成 绩 提 高 现 象 是 和 与 运 动 相 关 的 大 脑 皮 层 局 部 区 域 的 慢 波 脑 电 波 活 跃 程 度 相 关 图 中 所 有 的 误 差 棒 都 代 表 标 准 误 差 (s.e.m.) 参 见 文 中 相 关 文 字 可 以 获 取 更 多 内 容 图 中 绿 色 棒 表 示 没 有 干 扰 睡 眠 或 在 训 练 后 的 当 晚 没 有 睡 眠 时 的 成 绩 暗 红 色 棒 表 示 的 是 正 常 睡 眠 后 的 成 绩 志 愿 者 的 成 绩 可 以 提 高 20%(P>0.0001, 图 3d 左 侧 红 色 柱 状 图 ) 这 种 成 绩 的 提 高 与 整 晚 睡 眠 中 最 后 1/4 时 间 里 的 II 期 NREM 睡 眠 的 时 间 长 度 有 关 (r=0.72,p=0.008, 图 3e) 虽 然 白 天 的 训 练 不 能 显 著 提 高 成 绩, 但 晚 上 90 分 钟 的 打 盹 却 可 以 让 志 愿 者 的 成 绩 比 白 天 提 高 16% 72 小 时 32

5 之 后 再 次 测 试 的 成 绩 提 高 了 26%, 而 24 小 时 之 后 测 试 的 成 绩 只 提 高 了 17%(P=0.07) 这 说 明, 与 视 觉 表 面 特 征 分 辨 实 验 一 样, 除 了 第 一 晚, 后 面 的 几 晚 睡 眠 同 样 对 提 高 记 忆 有 帮 助 在 手 指 触 碰 试 验 中, 如 果 在 训 练 后 当 晚 剥 夺 志 愿 者 的 睡 眠, 相 比 保 证 了 睡 眠 的 志 愿 者, 成 绩 提 高 的 幅 度 会 大 幅 下 降 超 过 75%(P<0.001, 图 3f 右 侧 图 ) 同 样, 给 与 相 同 时 间 的 睡 眠 与 给 与 相 同 时 间 的 练 习 相 比, 成 绩 也 会 显 著 提 高 (P<0.001, 图 3f 左 侧 图 ) 睡 眠 除 了 能 提 高 反 应 速 度 之 外, 还 能 提 高 准 确 性 虽 然 志 愿 者 经 过 了 12 个 小 时 的 训 练, 但 是 测 试 速 度 及 准 确 性 成 绩 都 没 有 明 显 的 提 高, 速 度 成 绩 只 提 高 了 4%(P=0.13); 出 错 率 反 而 增 加 了 9%(P=0.46) 但 是 如 果 经 过 了 一 晚 的 睡 眠, 情 况 则 完 全 不 同, 速 度 成 绩 提 高 了 20%(P<0.0001); 出 错 率 减 少 了 36% (P=0.01) 与 记 忆 强 化 过 程 相 比, 记 忆 稳 定 (memory stabilization) 过 程 要 复 杂 得 多 在 手 指 触 碰 试 验 中, 在 第 一 次 训 练 ( 顺 序 1) 之 后 10 分 钟 如 果 再 以 一 种 不 同 的 顺 序 ( 顺 序 2) 进 行 干 扰 训 练, 那 么 至 少 在 短 期 内 如 果 马 上 再 对 顺 序 1 进 行 测 试, 是 不 会 影 响 到 测 试 成 绩 的 从 这 个 实 验 结 果 来 看, 记 忆 巩 固 过 程 似 乎 在 训 练 结 束 后 的 10 分 钟 之 内 就 完 成 了 但 是 如 果 在 第 二 天 再 对 顺 序 1 进 行 测 试, 结 果 就 完 全 不 同 了 顺 序 2 干 扰 训 练 影 响 了 顺 序 1 测 试 的 准 确 性 成 绩 虽 然 对 两 种 顺 序 检 测 的 速 度 结 果 都 有 所 提 高 ( 顺 序 1 的 成 绩 提 高 了 12%,P<0.005; 顺 序 2 的 成 绩 提 高 了 6%, P<0.001), 但 是 顺 序 1 的 出 错 率 只 减 少 了 1% (P=0.90), 这 比 未 被 干 扰 的 成 绩 差 了 很 多, 顺 序 2 的 出 错 率 减 少 了 39%(P<0.001) 因 此, 干 扰 训 练 不 只 是 干 扰 了 志 愿 者 近 期 完 成 任 务 的 能 力, 还 干 扰 了 睡 眠 依 赖 性 的 记 忆 增 强 作 用 不 过, 这 种 干 扰 作 用 似 乎 只 能 在 一 段 时 间 之 内 起 作 用, 因 为 在 顺 序 1 训 练 之 后 的 6 小 时 再 次 给 予 顺 序 2 干 扰 训 练 就 不 会 对 睡 眠 记 忆 增 强 作 用 造 成 任 何 影 响 了 这 时 再 对 两 种 顺 序 进 行 测 试, 结 果 都 很 好, 顺 序 1 的 准 确 性 提 高 了 20%(P<0.05); 顺 序 2 的 准 确 性 提 高 了 37% (P<0.005) 我 们 还 不 知 道 记 忆 稳 定 过 程 是 否 在 训 练 后 6 小 时 之 内 完 成, 顺 序 1 干 扰 实 验 组 准 确 性 成 绩 提 高 的 比 例 只 有 对 照 组 的 一 半 (54%), 但 这 种 差 异 没 有 统 计 学 意 义 然 而 另 一 个 试 验 却 发 现, 记 忆 稳 定 过 程 发 生 在 觉 醒 状 态 下 而 不 是 睡 眠 状 态 下 目 前 还 不 清 楚 哪 一 期 睡 眠 与 记 忆 稳 定 过 程 有 关 通 过 这 种 程 序 性 运 动 顺 序 实 验 我 们 可 以 发 现, 此 过 程 中 的 睡 眠 依 赖 性 的 记 忆 强 化 过 程 与 视 觉 表 面 特 征 分 辨 实 验 中 的 结 果 是 一 样 的 经 过 整 晚 的 睡 眠, 测 试 成 绩 会 大 幅 度 的 提 高, 但 相 同 时 间 的 训 练 或 者 剥 夺 睡 眠 则 没 有 这 种 效 果 这 种 成 绩 提 高 与 一 种 或 几 种 不 同 期 的 睡 眠 相 关 如 果 白 天 打 个 盹, 成 绩 也 会 有 所 提 高 相 反, 记 忆 稳 定 过 程 发 生 在 觉 醒 状 态 下 2.3 运 动 适 应 实 验 在 这 种 旋 转 适 应 实 验 ( r o t a t i o n adaptation task) 中, 志 愿 者 使 用 一 种 比 掌 上 电 脑 大 一 些 的 数 字 手 写 板 进 行 试 验 他 们 需 要 在 板 上 从 一 点 画 一 条 直 线 连 接 到 另 一 点, 整 个 过 程 中 会 有 一 定 的 虚 拟 阻 力 不 断 朝 一 个 方 向 推 动 这 个 线 条, 志 愿 者 需 要 克 服 这 种 阻 力 和 前 面 两 项 测 试 一 样, 经 过 一 晚 的 休 息 之 后, 志 愿 者 的 成 绩 都 会 有 所 提 高, 但 是 如 果 不 睡 觉 就 不 会 取 得 这 么 好 的 成 绩 ( 图 3g) 与 视 觉 表 面 特 征 分 辨 实 验 中 进 行 的 打 盹 测 试 一 样, 训 练 会 影 响 到 随 后 的 睡 眠 在 本 项 测 试 中, 在 大 脑 右 侧 顶 叶 皮 质 (parietal cortex) 区 域 ( 该 区 域 与 本 项 测 试 成 绩 相 关 ),SWS 睡 眠 相 关 的 慢 波 脑 电 波 的 幅 度 会 出 现 局 部 提 高 的 现 象 ( 图 3j) 而 且 这 种 脑 电 波 的 改 变 与 随 后 的 睡 眠 依 赖 性 成 绩 提 高 现 象 也 有 关 系 (r=0.86, P<0.005, 见 图 3h) 这 些 频 率 为 0.5~4Hz 的 脑 电 波 代 表 了 SWS 睡 眠 期, 该 期 睡 眠 可 能 与 记 忆 巩 固 有 关 2.4 其 它 发 现 和 经 验 用 其 它 学 习 试 验 方 法 进 行 的 研 究 帮 助 我 们 更 进 一 步 的 了 解 了 睡 眠 对 记 忆 的 作 用 比 33

6 生 命 奥 秘 如, 连 续 反 应 时 间 测 试 (serial reaction-time task) 是 一 种 视 觉 运 动 程 序 学 习 测 试 (visuomotor procedural learning task) 在 本 测 试 中, 有 四 种 不 同 的 光 以 一 种 复 杂 的 顺 序 闪 烁, 每 一 束 光 闪 烁 时, 受 试 者 应 该 迅 速 按 下 与 之 对 应 的 按 钮 光 束 闪 烁 的 顺 序 实 际 上 包 含 了 某 种 规 律, 受 试 者 会 逐 渐 掌 握 这 种 规 律 用 正 电 子 发 射 断 层 摄 影 术 (PET) 对 受 试 者 的 大 脑 进 行 扫 描, 结 果 发 现, 在 经 过 训 练 后 的 当 晚, 大 脑 中 在 训 练 时 特 别 活 跃 的 区 域 在 REM 睡 眠 期 也 特 别 活 跃, 这 与 运 动 适 应 实 验 中 发 现 的 在 SWS 睡 眠 期 大 脑 部 分 区 域 的 脑 电 波 特 别 活 跃 现 象 非 常 相 似 上 述 所 有 这 些 检 测 项 目 都 发 现 了 一 个 非 常 明 显 的 现 象, 即 似 乎 只 有 在 经 过 睡 眠 之 后, 检 测 成 绩 才 会 提 高 虽 然 可 能 有 人 会 认 为 睡 不 睡 觉 都 有 可 能 提 高 成 绩, 但 实 际 情 况 并 非 如 此 如 果 不 睡 觉, 没 有 一 个 志 愿 者 的 成 绩 会 显 著 提 高 但 这 也 不 是 绝 对 的 比 如 经 过 复 杂 的 语 调 听 觉 顺 序 检 测 (auditory tone sequence task) 训 练 之 后 24 小 时, 哪 怕 不 睡 觉, 成 绩 也 会 得 到 提 升 但 是 即 使 在 这 种 情 况 下, 事 件 相 关 电 位 (ERP) 信 号 表 明, 睡 眠 依 赖 性 现 象 仍 然 在 起 作 用 ERP 测 量 的 是 某 个 特 定 刺 激 ( 此 处 是 语 调 声 音 顺 序 刺 激 信 号 ) 下 的 脑 电 波 活 跃 程 度, 能 够 以 非 常 高 的 分 辨 率 监 测 大 脑 对 刺 激 信 号 的 处 理 过 程 在 这 项 试 验 中 没 有 发 现 明 显 的 睡 眠 依 赖 性 成 绩 提 高 现 象, 但 是 训 练 后 的 ERP 信 号 发 生 了 改 变, 这 表 明 在 系 统 水 平 的 记 忆 巩 固 过 程 还 是 睡 眠 依 赖 性 的 虽 然 我 们 没 能 从 成 绩 上 看 出 差 别, 但 是 实 际 上 有 一 些 睡 眠 依 赖 性 的 记 忆 巩 固 过 程 仍 然 发 生 了 在 另 一 项 听 觉 辨 别 试 验 (auditory discrimination task) 中, 志 愿 者 需 要 学 会 从 白 噪 声 (white noise) 背 景 中 辨 别 出 元 音 - 辅 音 相 结 合 的 声 音 该 实 验 同 样 证 实 了 睡 眠 依 赖 性 的 记 忆 巩 固 现 象 但 是 前 面 用 过 的 系 列 反 应 实 时 检 测 (serial reaction-time task) 却 让 情 况 变 得 复 杂 起 来 在 序 列 续 反 应 时 检 测 中, 根 据 任 务 执 行 情 况 的 不 同, 显 示 出 的 睡 眠 依 赖 性 也 不 同 在 试 验 开 始 时, 志 愿 者 被 告 知, 试 验 中 会 出 现 重 复 的 刺 激 信 号, 那 么 这 些 志 愿 者 掌 握 检 测 内 容 的 情 况 就 会 好 一 些, 在 被 告 知 的 情 况 下, 他 们 完 成 训 练 之 后 至 少 都 能 部 分 地 说 出 这 种 信 号 模 式 但 是 如 果 不 告 诉 他 们 会 出 现 重 复 的 刺 激 信 号, 那 么 志 愿 者 的 表 现 就 不 会 那 么 好 虽 然 这 两 组 实 验 都 表 现 出 睡 眠 依 赖 性 成 绩 提 高 现 象, 但 是, 在 与 睡 眠 时 间 相 同 长 度 的 觉 醒 期 间, 未 告 知 组 的 志 愿 者 仍 然 表 现 出 成 绩 的 提 高 现 象, 只 有 告 知 组 才 只 表 现 出 睡 眠 依 赖 性 的 成 绩 提 高 现 象 因 此, 虽 然 我 们 知 道 在 觉 醒 状 态 下 不 会 出 现 离 线 程 序 (offline procedural) 成 绩 提 高 情 况, 但 是 有 些 证 据 显 示, 在 觉 醒 状 态 下 的 确 也 会 改 善 记 忆 成 绩 的 还 要 提 醒 最 后 一 点, 虽 然 我 们 目 前 差 不 多 能 肯 定, 睡 眠 能 够 增 强 程 序 性 记 忆, 但 还 缺 乏 证 据 支 持 睡 眠 能 增 强 记 忆 巩 固 过 程 中 的 记 忆 稳 定 作 用 倒 是 有 不 少 证 据 表 明 觉 醒 状 态 与 记 忆 稳 定 作 用 有 关 从 上 述 这 些 研 究 中 我 们 可 以 得 出 一 个 重 要 结 论, 那 就 是 能 观 察 到 睡 眠 依 赖 性 的 记 忆 巩 固 作 用, 是 由 训 练 如 何 进 行 以 及 如 何 评 价 记 忆 巩 固 作 用 来 决 定 的 因 此, 在 手 指 触 碰 试 验 中 进 行 的 干 扰 训 练 会 影 响 睡 眠 依 赖 性 的 准 确 性 成 绩, 但 是 不 会 影 响 到 速 度 成 绩 训 练 后 剥 夺 睡 眠 不 会 影 响 到 复 杂 的 语 音 顺 序 实 验 成 绩, 但 是 会 影 响 到 用 于 衡 量 记 忆 巩 固 成 绩 的 ERP 幅 度 而 在 系 列 反 应 实 时 实 验 中, 只 需 要 提 前 告 诉 志 愿 者 一 定 的 信 息 或 者 不 告 诉 他 们, 就 能 将 睡 眠 依 赖 性 现 象 中 的 时 间 依 赖 性 成 绩 提 高 现 象, 转 变 到 睡 眠 非 依 赖 性 过 程 中 总 之, 程 序 性 知 觉 技 能 学 习 (procedural learning of perceptual skill) 成 绩 和 程 序 性 运 动 技 能 学 习 成 绩 都 会 在 睡 眠 过 程 中 得 到 提 高, 在 某 些 情 况 下, 只 需 要 一 段 时 间 的 睡 眠 就 够 了, 但 是 在 大 多 数 情 况 下, 需 要 某 些 特 定 时 期 的 睡 眠 参 与 才 行 但 是 究 竟 是 记 忆 的 何 种 特 性 决 定 了 这 种 独 一 无 二 的 睡 眠 依 赖 性 记 忆 巩 固 过 程 呢? 这 个 问 题 和 哪 些 睡 眠 阶 段 参 与 了 记 忆 巩 34

7 固 过 程 一 样, 到 今 天 还 没 找 到 答 案 记 忆 巩 固 过 程 中 哪 些 阶 段 是 睡 眠 依 赖 性 的 我 们 也 不 清 楚 2.5 临 床 应 用 所 有 主 要 的 精 神 病 理 疾 病, 即 所 谓 的 Axis I 类 疾 病 (Axis I diagnoses), 比 如 精 神 分 裂 症 (schizophrenia) 双 相 性 精 神 障 碍 (bipolar disorder) 以 及 严 重 抑 郁 症 (major depression) 等 等, 这 些 疾 病 都 与 睡 眠 障 碍 有 关 不 过 睡 眠 障 碍 只 是 患 有 上 述 疾 病 的 后 遗 症, 而 不 是 致 病 因 素 但 是 这 种 疾 病 与 睡 眠 障 碍 之 间 的 相 互 作 用 也 可 能 是 双 向 的, 互 相 影 响 的 比 如, 有 人 认 为 精 神 分 裂 症 患 者 表 现 出 的 认 知 缺 陷 (cognitive deficit) 可 能 就 是 由 于 部 分 的 简 单 的 自 动 程 序 学 习 (automate simple procedural learning) 能 力 障 碍 导 致 的, 而 这 种 学 习 能 力 又 是 与 睡 眠 依 赖 性 的 记 忆 巩 固 过 程 相 关 实 际 上, 经 过 长 期 治 疗 的 精 神 分 裂 症 患 者 能 够 在 上 述 手 指 触 碰 试 验 中 表 现 出 正 常 的 训 练 后 成 绩 提 高 现 象, 但 是 不 会 表 现 出 睡 眠 依 赖 性 成 绩 提 高 现 象 ( 图 4) 因 此, 我 们 至 少 能 在 这 种 主 要 的 精 神 疾 病 中 发 现, 睡 眠 依 赖 性 记 忆 巩 固 过 程 似 乎 是 不 起 作 用 了 3. 学 习 机 制 图 4 运 动 学 习 试 验 指 数 模 型 数 据 结 果 图 中 方 块 形 表 示 对 照 组 结 果 ( 对 照 组 共 1 4 人 ), 三 角 形 表 示 精 神 分 裂 症 患 者 结 果 ( 该 组 20 人 ) 对 照 组 经 过 一 晚 睡 眠 之 后 成 绩 明 显 提 高 了 15% ( P < ), 而 精 神 分 裂 症 患 者 实 验 组 则 没 有 明 显 改 善 (M<0.1%; P=0.998) 图 中 灰 色 部 分 表 示 训 练 后 24 小 时 的 检 测 结 果 3.1 叙 述 式 学 习 机 制 及 海 马 区 学 习 机 制 虽 然 对 于 程 序 性 学 习 来 说, 睡 眠 依 赖 性 记 忆 巩 固 现 象 似 乎 是 确 定 存 在 的, 但 是 对 于 叙 述 式 记 忆 来 说 却 没 有 什 么 证 据 支 持 这 种 观 点 叙 述 式 记 忆 的 形 成 需 要 大 脑 海 马 区 和 内 侧 颞 叶 区 (medial temporal lobe) 的 参 与 叙 述 式 记 忆 主 要 是 对 一 些 事 件 和 事 实 的 记 忆 对 叙 述 式 记 忆 是 否 具 有 睡 眠 依 赖 性 记 忆 巩 固 作 用 的 研 究 通 常 都 是 检 测 诸 如 对 无 意 义 音 节 的 记 忆 或 者 对 词 对 的 关 联 记 忆 早 在 1885 年, 我 们 就 知 道 与 觉 醒 状 态 下 相 比, 在 睡 眠 状 态 下 能 更 好 地 维 持 叙 述 式 记 忆 但 是 当 时 人 们 认 为, 这 是 因 为 在 白 天 觉 醒 状 态 下 会 有 其 它 事 情 干 扰 记 忆, 而 晚 上 睡 觉 的 时 候 记 忆 没 有 被 干 扰 因 为 这 种 记 忆 不 会 随 着 时 间 的 流 逝 而 加 深, 所 以 研 究 人 员 都 想 在 记 忆 的 稳 定 和 增 强 过 程 以 及 记 忆 干 扰 和 丢 失 过 程 之 间 找 到 一 个 平 衡 点 直 到 不 久 前, 大 35

8 生 命 奥 秘 部 分 词 对 关 联 记 忆 研 究 都 没 有 发 现 睡 眠 对 叙 述 式 记 忆 有 什 么 好 处 虽 然 我 们 还 不 清 楚 SWS 睡 眠 在 记 忆 巩 固 过 程 中 起 什 么 作 用, 但 是 最 近 的 一 系 列 研 究 表 明, 在 睡 眠 早 期, 主 要 是 SWS 睡 眠 期, 会 对 叙 述 式 记 忆 的 稳 定 作 用 有 帮 助, 可 能 还 对 记 忆 的 增 强 作 用 有 帮 助 在 夜 晚, 人 体 内 皮 质 激 素 类 应 激 性 激 素 的 水 平 最 低, 在 此 时 给 予 该 激 素 会 抑 制 睡 眠 对 词 对 关 联 记 忆 的 帮 助 作 用 同 样, 在 夜 晚, 乙 酰 胆 碱 的 水 平 也 是 最 低 的, 如 果 此 时 给 予 胆 碱 酯 酶 抑 制 剂 也 会 抑 制 睡 眠 对 词 对 关 联 记 忆 的 帮 助 作 用 其 它 研 究 也 发 现,II 期 NREM 睡 眠 的 脑 电 波 信 号 与 夜 晚 对 非 文 字 记 忆 (verbal memory) 的 加 强 作 用 有 关 尽 管 如 此, 还 是 有 人 认 为, 这 种 记 忆 增 强 作 用 只 是 因 为 在 SWS 睡 眠 期 没 有 干 扰 信 号 的 刺 激, 所 以 才 会 被 动 地 被 加 强 因 此, 我 们 仍 然 不 清 楚 睡 眠 是 否 能 巩 固 叙 述 式 记 忆 另 一 种 研 究 叙 述 式 记 忆 的 方 法 是 研 究 海 马 依 赖 性 的 空 间 记 忆 (hippocampus-dependent spatial memory) 参 与 虚 拟 导 航 任 务 的 志 愿 者 也 表 现 出 睡 眠 相 关 性 的 成 绩 提 高 现 象, 而 且 这 种 成 绩 提 高 现 象 与 SWS 睡 眠 期 海 马 区 的 活 跃 程 度 增 加 有 关 (r=0.94,p=0.005) 借 助 PET 对 这 种 睡 眠 中 的 记 忆 再 激 活 作 用 进 行 检 测, 同 时 结 合 大 量 动 物 数 据, 发 现 在 处 理 空 间 任 务 时 海 马 区 神 经 元 活 跃 程 度 的 时 间 模 式 在 SWS 睡 眠 期 和 REM 睡 眠 期 又 再 次 重 复 出 现 在 人 体 视 觉 分 辨 力 检 测 (human visual discrimination task) 结 果 中 发 现, 在 SWS 睡 眠 期 画 面 重 现 的 时 间 要 比 在 REM 睡 眠 期 早, 而 且 只 有 在 SWS 睡 眠 期 重 现 的 画 面 是 按 时 间 轴 高 度 压 缩 过 的, 在 REM 睡 眠 期 没 有 这 种 现 象 其 它 的 大 鼠 旋 臂 (radial arm) 试 验 和 Morris 水 迷 宫 (Morris water maze) 试 验 也 都 发 现 了 REM 依 赖 性 空 间 记 忆 巩 固 作 用 因 此, 虽 然 有 关 人 类 的 证 据 还 不 多, 但 是 已 经 有 足 够 的 证 据 表 明 睡 眠 对 于 海 马 区 依 赖 性 的 空 间 记 忆 具 有 巩 固 作 用 令 人 吃 惊 的 是, 虽 然 人 体 研 究 已 经 表 明 SWS 睡 眠 在 海 马 区 依 赖 性 的 叙 述 式 记 忆 巩 固 过 程 中 的 作 用, 但 是 大 鼠 试 验 却 表 明 REM 睡 眠 才 起 到 关 键 的 作 用 其 中 可 能 的 解 释 来 自 于 一 项 人 体 试 验, 该 实 验 发 现,REM 睡 眠 对 于 充 满 了 情 感 的 叙 述 式 记 忆 才 有 巩 固 作 用 在 这 个 实 验 中, 对 情 感 的 回 忆 在 REM 睡 眠 期 得 到 了 增 强 (P<0.001); 而 不 带 感 情 色 彩 的 回 忆 在 REM 睡 眠 期 则 没 有 增 强 (P=0.58) 因 此, 大 鼠 试 验 中 在 REM 睡 眠 期 得 到 巩 固 的 记 忆 可 能 表 示 它 正 在 经 历 感 情 的 折 磨 综 上 所 述, 即 使 没 有 太 多 的 证 据, 我 们 也 可 以 得 出 结 论, 叙 述 式 记 忆 和 海 马 区 记 忆 都 与 前 述 程 序 性 记 忆 一 样 至 少 有 一 些 叙 述 式 记 忆 和 海 马 区 记 忆 是 会 在 睡 眠 期 得 到 巩 固 的, 而 且 在 某 些 情 况 下, 这 种 巩 固 过 程 是 与 某 种 特 定 的 睡 眠 有 关 的 但 是 还 是 存 在 同 样 的 一 个 问 题, 即 我 们 还 是 不 知 道 是 哪 些 因 素 决 定 了 这 些 记 忆 具 有 这 种 睡 眠 依 赖 性 的 记 忆 巩 固 过 程, 我 们 也 不 知 道 哪 些 阶 段 ( 时 期 ) 的 睡 眠 参 与 了 这 种 记 忆 巩 固 过 程 与 否 认 睡 眠 只 是 防 止 了 干 扰 信 号 的 作 用 这 种 机 制 相 比, 我 们 还 不 能 确 定 睡 眠 是 否 真 的 在 记 忆 巩 固 过 程 中 起 到 了 积 极 的 作 用, 这 才 是 更 为 基 础 的 问 题 3.2 复 杂 的 认 知 程 序 性 学 习 机 制 迄 今 为 止, 所 有 的 实 验 数 据 都 表 明, 实 验 越 复 杂 越 高 级, 我 们 就 越 难 相 信 睡 眠 依 赖 性 记 忆 巩 固 作 用 难 道 睡 眠 真 的 不 能 帮 助 我 们 加 强 复 杂 的 记 忆 吗? 答 案 是 否 定 的 暂 且 不 论 运 动 技 能 形 成 了 舞 蹈 和 音 乐 的 基 础, 人 类 特 有 的 表 达 方 式 以 及 其 它 更 为 复 杂 的 运 动 技 能 都 表 现 出 睡 眠 依 赖 性 的 增 强 作 用 好 几 项 研 究 都 显 示, 睡 眠 能 够 帮 助 人 类 独 有 的 复 杂 的 认 知 程 序 性 学 习 图 5a 中 展 示 了 河 内 塔 问 题 (Tower of Hanoi task) 受 试 者 在 接 受 训 练 后 1 周 再 次 参 与 实 验, 结 果 成 绩 提 高 了 40%(P=0.03) 但 是, 如 果 在 训 练 后 减 少 了 志 愿 者 的 REM 睡 眠 时 间, 他 们 的 成 绩 就 不 会 提 高 这 么 多 了 图 5b 展 示 的 是 另 一 个 复 杂 的 程 序 性 学 习 题 目, 志 愿 者 先 学 习 了 一 种 复 杂 的 算 法 来 解 决 一 组 数 学 难 题 但 研 究 人 员 没 有 告 诉 他 们 实 际 上 还 有 一 种 简 单 得 多 的 解 法 结 果, 在 12 个 小 时 之 后 的 再 次 测 试 中, 有 一 些 人 就 会 用 这 种 更 36

9 简 单 的 方 法 解 题 经 过 一 夜 的 睡 眠 之 后, 志 愿 者 发 现 这 种 更 为 简 单 方 法 的 可 能 性 会 翻 倍 ( 图 5b 右 侧 图,P=0.01) 因 此, 睡 眠 能 增 加 发 现 新 方 法 的 可 能 性, 即 使 志 愿 者 并 不 知 道 有 这 种 新 方 法 存 在 这 些 研 究 都 表 明, 在 记 忆 巩 固 过 程 中 睡 眠 能 起 到 更 为 复 杂 精 细 的 作 用 人 们 可 以 从 所 处 的 环 境 中 发 现 新 的 更 为 复 杂 的 规 律, 形 成 记 忆 网 络 并 加 强 这 种 网 络 作 用 不 过, 睡 眠 是 否 对 更 为 高 级 的 人 类 认 知 活 动 也 具 有 类 似 的 作 用 还 在 探 讨 之 中 图 5 复 杂 认 知 程 序 性 学 习 研 究 a: 河 内 塔 问 题 受 试 者 必 须 一 次 只 能 从 一 根 杆 移 动 一 块 积 木 到 另 一 根 杆, 积 木 只 能 移 动 到 空 杆 上 或 者 移 动 到 的 那 根 杆 上 再 没 有 比 自 己 更 小 的 积 木 最 终 目 标 是 用 最 少 的 步 数 将 最 左 边 杆 上 的 所 有 积 木 都 移 动 到 最 右 边 的 杆 上 如 果 积 木 数 为 n, 那 么 最 少 需 要 移 动 2n-1 次 b: 发 现 新 算 法 志 愿 者 都 会 学 到 一 种 标 准 算 法, 按 照 这 种 算 法 经 过 6 次 中 间 运 算, 可 以 将 最 初 8 个 数 字 组 成 的 数 列 运 算 得 出 最 后 的 结 果, 即 图 中 右 侧 粗 体 显 示 的 9 但 实 际 上 还 有 一 种 更 好 的 算 法, 因 为 最 后 的 3 次 运 算 实 际 上 与 最 初 的 3 次 运 算 互 为 镜 像, 因 此 第 二 次 中 间 运 算 就 已 经 得 出 了 最 后 的 结 果 右 侧 的 图 表 示 经 过 一 晚 睡 眠 之 后 的 志 愿 者 相 比 没 有 睡 觉 的 那 些 人 发 现 新 算 法 的 比 例 明 显 提 高 4. 其 它 证 据 上 文 中 我 们 一 直 在 集 中 讨 论 有 关 睡 眠 依 赖 性 记 忆 巩 固 作 用 的 人 类 行 为 学 证 据 但 是, 还 有 其 它 研 究 也 提 供 了 证 据, 支 持 睡 眠 在 经 验 依 赖 性 大 脑 塑 造 方 面 起 到 了 重 要 作 用 4.1 分 子 证 据 在 大 鼠 实 验 中, 觉 醒 状 态 下 和 睡 眠 状 态 下 的 基 因 表 达 呈 现 一 种 状 态 依 赖 性 的 调 控 作 用 高 密 度 芯 片 实 验 数 据 表 明, 在 大 鼠 大 脑 皮 质 和 小 脑 中 都 表 达 的 基 因 中, 有 10% 与 昼 夜 功 能 有 关, 而 这 其 中 又 有 一 半 是 特 异 性 的 受 睡 眠 - 觉 醒 状 态 控 制 的 有 几 个 基 因, 包 括 编 码 钙 调 节 蛋 白 依 赖 性 蛋 白 激 酶 IV(CaMKIV) 的 基 因 和 编 码 细 胞 钙 调 蛋 白 神 经 磷 酸 酶 (calcineurin) 的 基 因, 这 些 基 因 在 睡 眠 期 表 达 上 调 我 们 认 为 这 些 基 因 与 大 脑 可 塑 性 和 记 忆 巩 固 过 程 有 关 其 它 基 因 与 37

10 生 命 奥 秘 细 胞 膜 及 髓 鞘 合 成 和 维 持 作 用 有 关 此 外, 这 些 睡 眠 期 表 达 上 调 的 基 因 还 以 一 种 行 为 依 赖 性 的 方 式 上 调 立 即 早 期 基 因 zif-268 是 参 与 活 性 依 赖 性 突 触 可 塑 性 过 程 的 基 因, 如 果 实 验 动 物 暴 露 在 丰 富 环 境 (enriched-environment) 中, 那 么 该 基 因 在 REM 睡 眠 期 会 被 诱 导 表 达 ( 图 6) 该 基 因 也 在 REM 睡 眠 期 受 海 马 区 长 时 程 增 强 作 用 (long term potentiation) 诱 导 表 达, 最 开 始 在 杏 仁 核 区 内 嗅 区 和 听 觉 投 射 区 表 达, 随 后 到 了 REM 睡 眠 期 则 在 躯 体 感 觉 及 运 动 皮 层 区 表 达 4.2 细 胞 学 证 据 睡 眠 对 猫 和 大 鼠 视 觉 系 统 正 常 的 经 验 依 赖 性 可 塑 性 调 控 过 程 (experiencedependent plasticity) 有 所 帮 助 如 果 遮 挡 小 猫 一 只 眼 睛 6 小 时, 就 会 降 低 大 脑 皮 质 神 经 元 对 该 眼 光 信 号 的 反 应 性 如 果 在 遮 挡 后 让 小 猫 再 睡 6 个 小 时, 而 不 是 让 小 猫 在 黑 暗 的 环 境 中 醒 着 呆 6 个 小 时, 那 么 上 述 反 应 性 降 低 的 效 果 会 更 明 显, 就 好 像 继 续 遮 挡 了 6 个 小 时 一 样 同 样, 在 大 鼠 试 验 中, 如 果 剥 夺 REM 睡 眠, 那 么 大 鼠 视 觉 系 统 经 验 依 赖 性 可 塑 性 调 控 过 程 的 关 键 时 段 会 延 长 4.3 神 经 生 理 学 证 据 正 如 前 面 提 到 的 那 样, 在 空 间 导 航 测 试 中 看 到 的 海 马 区 神 经 元 活 跃 现 象 在 随 后 的 睡 眠 过 程 中 又 再 次 出 现 同 样 的 现 象 也 发 生 在 斑 胸 草 雀 的 歌 唱 系 统 中 斑 胸 草 雀 歌 唱 时 的 神 经 元 活 化 现 象 在 它 们 睡 觉 时 也 会 出 现 这 时, 睡 眠 会 让 歌 唱 质 量 暂 时 下 降, 但 是 这 种 暂 时 的 下 降 会 提 高 整 体 的 学 习 能 力 该 现 象 说 明, 睡 眠 在 平 衡 记 忆 稳 定 过 程 ( 记 忆 歌 唱 ) 和 重 塑 大 脑, 以 及 进 一 步 改 善 学 习 能 力 的 过 程 中 起 到 了 重 要 作 用 图 6 经 验 依 赖 性 突 触 可 塑 性 上 调 作 用 相 关 的 立 即 早 期 基 因 Zif-268 在 试 验 大 鼠 觉 醒 SWS 睡 眠 以 及 REM 睡 眠 等 各 个 不 同 状 态 下 的 表 达 情 况 大 鼠 大 脑 冠 状 面 放 射 自 显 影 图 像, 显 示 基 因 表 达 情 况 在 对 照 组,Zif-268 基 因 表 达 水 平 从 觉 醒 (A) SWS 睡 眠 期 (A') 以 及 REM 睡 眠 期 (A'') 依 次 降 低 在 丰 富 环 境 组,Zif-268 基 因 表 达 水 平 从 觉 醒 (B) 到 SWS 睡 眠 期 (B') 降 低, 但 是 到 了 REM 睡 眠 期 (B'') 反 而 升 高 这 种 现 象 在 大 脑 皮 层 和 海 马 区 尤 其 明 显 4.4 大 脑 成 像 证 据 指 触 碰 试 验 都 发 现, 与 任 务 完 成 相 关 的 大 脑 区 域 局 部 活 跃 程 度 会 随 着 时 间 而 38

11 发 生 改 变, 而 经 过 一 晚 的 睡 眠 之 后, 人 体 会 对 参 与 视 觉 分 辨 和 运 动 顺 序 学 习 的 大 脑 相 关 区 域 进 行 重 组 正 如 我 们 猜 想 的 那 样, 睡 眠 会 增 加 大 脑 视 觉 相 关 区 域 和 运 动 相 关 区 域 的 活 跃 程 度, 但 是 大 脑 边 缘 叶 (limbic) 额 叶 (frontal) 和 顶 叶 (parietal) 等 区 域 也 发 生 了 变 化 这 说 明, 睡 眠 能 通 过 改 变 大 脑 工 作 的 策 略, 调 动 更 多 的 自 动 行 为 来 改 善 测 试 成 绩 4.5 梦 境 证 据 睡 眠 依 赖 性 记 忆 巩 固 作 用 还 有 一 个 出 乎 我 们 意 料 之 外 的 证 据, 那 就 是 梦 哪 怕 只 是 根 据 一 个 受 试 者 的 梦 境 报 告 芯 片 基 因 表 达 谱 数 据 单 细 胞 及 神 经 网 络 信 号 记 录 证 据 以 及 大 脑 成 像 数 据 等 等, 我 们 也 可 以 对 睡 眠 中 大 脑 的 活 跃 情 况 有 所 了 解 有 两 项 这 种 研 究 发 现, 在 人 做 梦 时 并 没 有 出 现 情 节 记 忆 再 现 的 情 况, 这 可 能 也 出 乎 大 家 的 想 象 当 让 受 试 者 从 梦 境 中 找 出 白 天 发 生 的 事 件 元 素 时, 我 们 发 现, 只 有 不 到 2% 的 情 节 记 忆 元 素 会 在 梦 境 中 重 现 在 第 二 项 对 入 睡 初 期 梦 境 进 行 的 研 究 中 发 现, 一 直 在 玩 Tetris 电 脑 游 戏 的 受 试 者 报 告, 他 们 在 梦 境 中 看 到 了 游 戏 的 画 面, 但 是 仍 然 没 有 出 现 情 节 记 忆 再 现 的 情 况 患 有 重 度 遗 忘 症 的 受 试 者 也 参 与 了 这 个 实 验, 他 们 根 本 不 记 得 玩 过 游 戏, 但 也 报 告 在 梦 境 中 看 到 了 游 戏 的 画 面, 不 过 仍 然 没 有 出 现 情 节 记 忆 再 现 的 情 况, 这 个 实 验 结 果 进 一 步 证 实 了 前 面 的 结 论 这 两 个 实 验 结 果 表 明, 梦 境 的 构 建 并 不 需 要 海 马 区 控 制 的 情 节 记 忆 的 参 与, 在 梦 境 中 只 会 出 现 抽 象 的 图 像 来 表 示 代 表 白 天 事 物 的 关 键 性 元 素 PET 检 测 同 样 证 实, 没 有 情 节 记 忆 出 现, 因 为 在 睡 眠 时, 尤 其 是 REM 睡 眠 期, 与 记 忆 重 现 有 关 的 额 前 皮 质 背 外 侧 区 (dorsolateral prefrontal cortex) 处 于 不 活 跃 状 态 动 物 实 验 也 表 明, 在 REM 睡 眠 期, 海 马 区 向 皮 质 区 传 递 的 信 息 流 也 被 截 断 了 5. 总 结 在 过 去 的 10 年 里, 我 们 对 于 睡 眠 与 记 忆 的 了 解 有 了 一 个 爆 炸 式 的 增 长 我 们 发 现, 睡 眠 对 于 记 忆 巩 固 的 确 是 有 帮 助 作 用 的 表 1 中 就 列 举 了 几 个 例 子, 这 些 例 子 用 不 同 的 检 测 方 法 都 表 明 如 果 干 扰 睡 眠, 就 会 影 响 到 程 序 性 记 忆 任 务 的 完 成 情 况 在 这 6 个 例 子 中 最 值 得 关 注 的 是, 所 有 项 目 的 相 关 性 都 在 0.56 至 0.95 之 间, 平 均 r 2 =0.69, 这 在 记 忆 巩 固 研 究 中 是 非 常 好 的 一 个 结 果 表 1 睡 眠 依 赖 性 学 习 任 务 和 大 脑 检 测 结 果 相 关 性 一 览 表 大 脑 检 测 方 法 学 习 任 务 r r 2 p 定 量 脑 电 图 运 动 适 应 任 务 <0.005 PET 视 觉 导 航 任 务 SWS 睡 眠 及 REM 睡 眠 时 间 视 觉 分 辨 任 务 < II 期 睡 眠 时 间 运 动 顺 序 学 习 任 务 <0.01 桥 脑 膝 枕 部 (PGO) 脑 电 波 密 度 大 鼠 穿 梭 箱 躲 避 任 务 <0.001 梭 状 脑 电 波 密 度 关 联 配 对 学 习 任 务 <0.05 平 均 相 关 性 上 述 相 关 系 数 指 的 是 睡 眠 后 成 绩 提 高 程 度 与 睡 眠 时 获 得 的 大 脑 检 测 数 据 之 间 的 相 关 性 最 后 平 均 相 关 性 表 示 上 述 6 种 所 有 检 测 结 果 不 支 持 睡 眠 具 有 记 忆 巩 固 作 用 的 可 能 性 非 常 低 39

12 生 命 奥 秘 为 了 及 时 收 集 生 命 科 学 最 新 资 讯 提 高 生 命 奥 秘 办 刊 质 量, 现 面 向 从 事 生 命 科 学 或 对 这 学 科 有 浓 厚 兴 趣 的 科 研 人 员 学 生 诚 聘 特 约 编 辑 ( 兼 职 ) 职 位 职 责 : 独 立 完 成 生 命 奥 秘 专 题 的 策 划 : 对 基 因 组 学 蛋 白 组 学 生 物 信 息 学 和 细 胞 生 物 学 等 学 科 的 发 展 以 及 生 物 医 学 领 域 相 关 技 术 ( 例 如 基 因 诊 断 技 术 干 细 胞 和 克 隆 技 术 生 物 芯 片 技 术 等 ) 的 应 用 进 行 翻 译 及 深 入 评 述 选 题 要 求 内 容 新 颖 评 述 精 辟 注 重 时 效 和 深 入 浅 出 尤 其 欢 迎 以 自 身 系 统 研 究 为 基 础 的 高 水 平 译 述 与 评 论, 结 合 所 从 事 的 科 研 工 作 提 出 自 己 的 见 解 今 后 设 想 或 前 瞻 性 展 望 要 求 : 1. 具 备 基 因 组 学 蛋 白 组 学 生 物 信 息 学 细 胞 生 物 学 等 生 命 科 学 学 科 背 景 ; 2. 具 备 良 好 的 生 命 科 学 前 沿 触 觉 ; 3. 具 备 较 高 的 外 文 文 献 翻 译 编 译 水 平 ; 4. 具 备 较 强 的 选 题 策 划 资 料 搜 集 组 织 能 力, 以 及 专 业 稿 件 撰 写 能 力 ; 5. 具 有 高 级 职 称 ; 或 者 拥 有 ( 正 在 攻 读 ) 该 领 域 的 最 高 学 位 有 意 者 请 将 个 人 简 历 发 送 至 editor@lifeomics.com 联 系 人 : 蔡 小 姐 40

13 6. 未 来 发 展 方 向 虽 然 我 们 取 得 了 一 些 成 果, 但 是 还 有 一 些 问 题 没 有 解 决 比 如 在 睡 眠 时, 哪 种 记 忆 得 到 了 巩 固? 我 们 现 在 有 足 够 的 证 据 表 明, 有 一 些 ( 不 是 全 部 ) 程 序 性 学 习 在 睡 眠 时 的 确 得 到 了 巩 固, 我 们 也 有 部 分 证 据 表 明, 陈 述 性 记 忆 在 睡 眠 时 得 到 了 巩 固 但 是 还 是 不 清 楚 究 竟 是 何 种 机 制 在 控 制 哪 些 记 忆 得 到 巩 固 而 且, 我 们 也 不 知 道 在 睡 眠 时 发 生 了 哪 种 巩 固 睡 眠 依 赖 性 记 忆 巩 固 作 用 何 时 出 现, 在 夜 晚 的 什 么 时 候 出 现, 在 哪 一 期 睡 眠 时 出 现, 我 们 都 不 知 道 最 后, 为 什 么 这 种 记 忆 巩 固 过 程 只 发 生 在 睡 眠 时, 这 也 需 要 我 们 研 究 在 下 一 个 10 年 里, 寻 找 上 述 问 题 的 答 案 就 是 我 们 工 作 的 重 点 而 且 我 们 还 是 不 知 道 什 么 是 带 着 问 题 入 睡 原 文 检 索 : Robert Stickgold(2005)Sleep-dependent memory consolidation. Nature, 437: YORK/ 编 译 五 睡 眠 障 碍 研 究 进 展 睡 眠 问 题 是 患 者 就 医 最 为 常 见 的 一 个 原 因 我 们 可 以 从 对 动 物 睡 眠 的 研 究 中 获 悉 人 类 睡 眠 的 相 关 信 息, 这 些 信 息 对 帮 助 我 们 诊 断 并 治 疗 人 类 睡 眠 障 碍 非 常 重 要 同 时, 我 们 从 对 人 类 自 身 睡 眠 障 碍 的 研 究 中 也 获 益 匪 浅 临 床 上, 觉 醒 - 睡 眠 障 碍 是 仅 次 于 疼 痛 位 居 第 二 的 促 使 患 者 就 医 的 原 因 如 果 觉 醒 - 睡 眠 障 碍 没 有 得 到 及 时 的 诊 断 和 治 疗, 不 仅 会 给 患 者 本 人 带 来 极 大 的 痛 苦, 还 会 给 社 会 经 济 造 成 很 大 的 影 响 在 过 去 半 个 世 纪 里, 我 们 对 人 类 睡 眠 以 及 人 类 睡 眠 障 碍 的 了 解 都 有 了 长 足 的 进 展, 这 其 中 最 大 的 成 就 就 是 我 们 发 现 睡 眠 并 非 一 种 非 觉 醒 状 态 睡 眠 状 态 下, 我 们 的 大 脑 不 仅 处 于 活 跃 状 态, 而 且 是 包 括 REM 睡 眠 和 NREM 睡 眠 这 两 种 睡 眠 模 式 的 它 们 彼 此 之 间 完 全 不 同, 就 好 像 它 们 与 觉 醒 状 态 不 同 一 样 在 觉 醒 REM 睡 眠 期 与 NREM 睡 眠 期 这 三 种 状 态 下, 人 体 大 脑 中 大 部 分 的 区 域 都 是 活 跃 的, 只 是 活 跃 的 方 式 不 同, 正 是 这 些 不 同 的 活 跃 方 式 才 构 成 了 三 种 状 态 下 不 同 的 大 脑 功 能 与 活 性 从 对 动 物 睡 眠 的 研 究 工 作 中, 研 究 人 员 了 解 到 大 量 的 与 人 体 睡 眠 现 象 相 关 的 知 识, 这 些 信 息 极 大 地 推 动 了 与 人 体 睡 眠 障 碍 相 关 的 诊 断 与 治 疗 工 作 的 发 展 此 外, 我 们 从 对 人 体 本 身 的 睡 眠 研 究 工 作 中 也 了 解 到 了 许 多 有 关 人 体 睡 眠 现 象 的 基 础 知 识 比 如, 我 们 了 解 到 在 睡 眠 状 态 下 并 非 全 脑 活 跃, 只 是 有 部 分 区 域 的 大 脑 处 于 活 跃 状 态, 我 们 还 发 现 觉 醒 REM 睡 眠 期 与 NREM 睡 眠 期 这 三 种 状 态 彼 此 之 间 并 非 以 往 认 为 的 那 样 是 完 全 隔 绝 互 不 交 叉 的 这 些 发 现 帮 助 人 们 解 释 了 各 种 令 人 费 解 的 临 床 现 象, 例 如 很 多 睡 眠 障 碍 就 是 由 于 上 述 三 种 状 态 之 间 相 互 分 离 或 交 叉 所 导 致 的 图 1 中 所 展 示 的 这 种 模 棱 两 可 的 睡 眠 状 态 就 是 相 互 交 叉 导 致 的, 在 这 种 病 理 睡 眠 状 态 下 我 们 可 以 发 现, 患 者 同 时 存 在 REM 睡 眠 与 NREM 睡 眠 这 两 种 状 态 41