眾人皆醉我獨醒 – δ波、δ脈衝(δ-spike)與記憶固化
----
清醒時產生的記憶，會在深度睡眠時由海馬迴的神經群進行重播(replay)，隨後活化新皮質(neocortex)的神經元，整個活動稱為“海馬迴-皮質對話(hippocampal-cortical dialogue)”，被認為和記憶固化(memory consolidation)有密切關係。此活動常伴隨著皮質層δ波(0.5 - 4 Hz)的產生，δ波是慢波睡眠(slow-wave sleep)，也就是深度睡眠的特徵之一，此睡眠時期主要由兩個狀態組成，一個是“up state”，神經元處於活化期，另一個是“down state”，δ波即發生在此時期，多數神經元靜默無活性。因此，過去認為δ波對應到神經活動的靜默期，即使此時有量測到一些神經元動作電位，也被視為隨機出現或是沒有被成功抑制下來的活動。但法蘭西公學院(Collège de France)的研究團隊提出不同看法，他們認為δ波能夠隔絕其他神經元的干擾，讓少數的神經元活動可以被突顯，並執行重要的功能，研究成果發表在Science期刊。
➤ δ脈衝(δ-spike)現身於δ波中
作者同時記錄內側前額葉皮質(medial prefrontal cortex, mPFC)的局部場電位(local field potential, LFP)和單神經元膜電位(Fig. 1)，虛線框起來的時間段標示了δ波的產生，可以看到在此時期，絕大多數被量測到的神經都在靜默期，但確實有少數神經元會在此時產生動作電位(Fig. 1. 圓圈標示處)，作者將之稱作“δ脈衝”，並以統計結果說明這是個常見的現象，只是過去可以同時量測的細胞數不多，因此被看成隨機現象。
➤ 海馬迴漣漪活動(ripple activity)與δ脈衝
在訓練大鼠進行空間任務後，作者再次同時紀錄前額葉皮質的LFP和神經元電位，這次還增加了海馬迴(HPC)的神經元電位(Fig. 2)。除了觀察到δ脈衝出現在δ波發生時，還看到先前研究已知的現象，δ波前面常有海馬迴的漣漪活動，漣漪是一種高頻率震盪，代表短時間內海馬迴神經活躍的活動。作者使用廣義線性模型分析(generalized linear model, GLM)，結果顯示海馬迴的漣漪活動可以預測出δ脈衝，但是若以進行空間任務前的資料進行分析，就無法得出一樣的結果，因此作者推論海馬迴漣漪-δ脈衝是和空間任務產生的記憶有關聯性的。
➤ 空間物件識別測試(spatial object-recognition task)
如Fig. 3，訓練時讓大鼠熟悉兩個物件，測試時移除一個舊物件並放入新物件，若大鼠待在新物件附近的時間愈長，代表記憶愈佳。在訓練期和測試期之間的睡眠時間，作者以儀器偵測海馬迴漣漪活動，並以人工方式給予δ波，實驗分為兩種條件，一是在海馬迴漣漪活動後立即誘發δ波(coupled, 約間隔130ms)，二是隔一小段時間才誘發δ波(delayed, 約間隔290-370ms)，前者隔離出和記憶相關的神經元，後者則是隨機隔離其他神經元。結果顯示，前者有較好的記憶表現，進一步驗證海馬迴漣漪活動後誘發δ波，會隔離出和記憶測試關聯的神經元進行記憶固化之運算。
從另一個角度看，δ波的作用是提升訊噪比，使攜帶重要資訊的神經元，能不被其他神經元活性干擾，順利進行記憶固化的運算。好比說，在吵雜的班級裡，老師想要和班長討論班級事務，讓全班同學安靜下來，能更有效率的互相對話。魔鬼藏在細節裡，過去可能被忽略的δ脈衝在形成長期記憶的過程中扮演了重要角色，這讓我們對睡眠與記憶又多了一些瞭解，但δ脈衝究竟進行了何種運算、底層的機制為何，仍有待未來進一步的研究！
撰稿：黃宣霈 H.P. Huang
原始論文：
R. Todorova, M. Zugaro, Isolated cortical computations during delta waves support memory consolidation. Science. 366, 377–381 (2019).
https://science.sciencemag.org/content/366/6463/377
參考文獻：
1. Spikes in the sleeping brain
https://science.sciencemag.org/content/366/6463/306
----
清醒時產生的記憶，會在深度睡眠時由海馬迴的神經群進行重播(replay)，隨後活化新皮質(neocortex)的神經元，整個活動稱為“海馬迴-皮質對話(hippocampal-cortical dialogue)”，被認為和記憶固化(memory consolidation)有密切關係。此活動常伴隨著皮質層δ波(0.5 - 4 Hz)的產生，δ波是慢波睡眠(slow-wave sleep)，也就是深度睡眠的特徵之一，此睡眠時期主要由兩個狀態組成，一個是“up state”，神經元處於活化期，另一個是“down state”，δ波即發生在此時期，多數神經元靜默無活性。因此，過去認為δ波對應到神經活動的靜默期，即使此時有量測到一些神經元動作電位，也被視為隨機出現或是沒有被成功抑制下來的活動。但法蘭西公學院(Collège de France)的研究團隊提出不同看法，他們認為δ波能夠隔絕其他神經元的干擾，讓少數的神經元活動可以被突顯，並執行重要的功能，研究成果發表在Science期刊。
➤ δ脈衝(δ-spike)現身於δ波中
作者同時記錄內側前額葉皮質(medial prefrontal cortex, mPFC)的局部場電位(local field potential, LFP)和單神經元膜電位(Fig. 1)，虛線框起來的時間段標示了δ波的產生，可以看到在此時期，絕大多數被量測到的神經都在靜默期，但確實有少數神經元會在此時產生動作電位(Fig. 1. 圓圈標示處)，作者將之稱作“δ脈衝”，並以統計結果說明這是個常見的現象，只是過去可以同時量測的細胞數不多，因此被看成隨機現象。
 |
| Figure 1. δ脈衝 (原論文Fig. 1) |
➤ 海馬迴漣漪活動(ripple activity)與δ脈衝
在訓練大鼠進行空間任務後，作者再次同時紀錄前額葉皮質的LFP和神經元電位，這次還增加了海馬迴(HPC)的神經元電位(Fig. 2)。除了觀察到δ脈衝出現在δ波發生時，還看到先前研究已知的現象，δ波前面常有海馬迴的漣漪活動，漣漪是一種高頻率震盪，代表短時間內海馬迴神經活躍的活動。作者使用廣義線性模型分析(generalized linear model, GLM)，結果顯示海馬迴的漣漪活動可以預測出δ脈衝，但是若以進行空間任務前的資料進行分析，就無法得出一樣的結果，因此作者推論海馬迴漣漪-δ脈衝是和空間任務產生的記憶有關聯性的。
 |
| Figure 2. 海馬迴漣漪活動與δ脈衝 (原論文Fig. 2) |
➤ 空間物件識別測試(spatial object-recognition task)
如Fig. 3，訓練時讓大鼠熟悉兩個物件，測試時移除一個舊物件並放入新物件，若大鼠待在新物件附近的時間愈長，代表記憶愈佳。在訓練期和測試期之間的睡眠時間，作者以儀器偵測海馬迴漣漪活動，並以人工方式給予δ波，實驗分為兩種條件，一是在海馬迴漣漪活動後立即誘發δ波(coupled, 約間隔130ms)，二是隔一小段時間才誘發δ波(delayed, 約間隔290-370ms)，前者隔離出和記憶相關的神經元，後者則是隨機隔離其他神經元。結果顯示，前者有較好的記憶表現，進一步驗證海馬迴漣漪活動後誘發δ波，會隔離出和記憶測試關聯的神經元進行記憶固化之運算。
 |
| Figure 3. 空間物件識別測試與人工注入δ波 (原論文Fig. 4) |
從另一個角度看，δ波的作用是提升訊噪比，使攜帶重要資訊的神經元，能不被其他神經元活性干擾，順利進行記憶固化的運算。好比說，在吵雜的班級裡，老師想要和班長討論班級事務，讓全班同學安靜下來，能更有效率的互相對話。魔鬼藏在細節裡，過去可能被忽略的δ脈衝在形成長期記憶的過程中扮演了重要角色，這讓我們對睡眠與記憶又多了一些瞭解，但δ脈衝究竟進行了何種運算、底層的機制為何，仍有待未來進一步的研究！
撰稿：黃宣霈 H.P. Huang
原始論文：
R. Todorova, M. Zugaro, Isolated cortical computations during delta waves support memory consolidation. Science. 366, 377–381 (2019).
https://science.sciencemag.org/content/366/6463/377
參考文獻：
1. Spikes in the sleeping brain
https://science.sciencemag.org/content/366/6463/306
留言
張貼留言