整夜持续摆动能够引发有益于睡眠和记忆的神经震荡

发布时间:2019-04-25 14:57:19 来源: 威尼斯人安卓版下载

文章简介:本篇文章于2019年02月发表于Current Biology(IF:9.251),题目为

Whole-Night Continuous Rocking Entrains Spontaneous Neural Oscillations with Benefits for Sleep and Memory,Perrault等研究者发现,整晚持续施加温和的摆动刺激促进健康睡眠者的深度睡眠和记忆巩固,通过有节奏的感觉刺激如何积极引发与睡眠相关的脑电波,这项新研究揭示了摆动对睡眠和认知影响的神经机制。


研究背景

在睡着的时候,我们可能觉察不到外界的刺激,但感觉加工却不会停止。此外,感觉刺激可能干扰睡眠,例如交通噪音,但也可能促进睡眠,例如吊床的轻柔摇摆。本研究的主要目的是:持续节律性的感觉刺激如何影响夜晚的睡眠结构以及相关大脑神经振荡是否所引起的大脑神经振荡可以解释对睡眠的潜在影响

非快速动眼期(non-rapid eye movement, NREM)睡眠,分为三个阶段(后文中的N1、N2、N3)主要特征为对皮质(SOs,慢波振荡<1Hz)、丘脑(纺锤振荡)、海马(尖波,100-250Hz)节律的锁相,在感觉刺激时丘脑纺锤振荡以及慢波振荡的增加与改善长时记忆有关,因此,如果摆动刺激能够增加纺锤振荡和慢波振荡,将说明其可能有利于睡眠记忆巩固。


实验方法

18名健康被试,在一个持续晃动的吊床(频率为0.25Hz)上睡一晚(平静vs摆动),测量持续摆动对

(1)睡眠结构和睡眠持续性

(2)引发的大脑神经振荡,如纺锤振荡、慢波振荡等

(3)记忆巩固效果的影响。具体实验步骤如下图所示:


图 实验设计 1周的活动记录-3天活动记录-习惯夜晚-3天活动记录-实验夜晚。灰色表示习惯夜晚,实验夜晚包括静止的夜晚(黑色表示)和摆动的夜晚(红色表示),两个实验条件顺序随机。警惕性任务和记忆任务在实验条件的晚上和第二天早晨进行。

实验结果

两个实验条件下,记录被试的脑电(EEG)、眼电(EOG)和肌电(EMG)。

摆动缩短入睡并增强深度睡眠

从关灯到N1的时间间隔称到N1的睡眠潜伏期(SL1)没有受到显著影响(SL1: t检验, p = 0.2),但发现了感觉刺激(摇摆vs静止)和到不同睡眠阶段潜伏期(N1、N2、N3、快速动眼[REM])之间的交互作用(F(3,51)= 2.7; p = 0.049),这是由于到N2潜伏期的缩短(p = 0.006),而N3和REM不受影响(如下图A);摆动刺激影响了不同睡眠阶段的时间,N1+N2时间的缩短,N3时间的增加,具体如下图B所示;摆动使夜间觉醒密度每(30秒钟的觉醒次数)显著下降,其中主要为N3时期的觉醒次数降低。


图 摆动对睡眠结构和觉醒的影响

摆动刺激增加纺锤振荡和皮层振荡

首先对睡眠纺锤波进行分析(数量、振幅、频率和持续时间),具体数据如下图A所示,N2未发现显著改变,摆动刺激使N3阶段的慢纺锤波和快纺锤波的数量和密度均增加,但并未发现交互作用,如下图B所示;同样的效应也放生在sigma频段上(12-13.5Hz),如下图C所示;sigma功率增加与N3中快速纺锤波在摆动夜晚密度增加相关(r2 = 0.242; p = 0.044);纺锤振荡能够促进感觉通道进而提升睡眠持续性在N3中慢纺锤波和快纺锤波密度增加与降低的觉醒密度相关,如下图E所示(r2 = 0.295; p = 0.024)。



图 摆动对纺锤振荡的影响

慢波振荡(SOs,<1Hz)分析发现(Fz、Pz导),在N1、N2阶段两种睡眠状态并无显著差异,在摆动刺激下N3阶段中慢波振荡数量显著增加(+18.78%; p = 0.002),如下图A所示;并且在振幅上,两种状态并无显著差异,如下图B所示。


图 摆动对皮层振荡的影响

摆动刺激可保持皮层振荡和纺锤振荡之间的相位-频率耦合


图 相位-频率在皮层振荡和纺锤振荡间的耦合

图C 样本被试静止(左)和摆动(右)时,N3阶段顶部慢波振荡下行状态锁定功率的平均值(0.4~30Hz),在慢波振荡特定阶段期间嵌套的sigma功率(从向下—上升状态)。

图D 静止(黑色)和摆动(红色)期间所有被试在N3期间从-1.5至+1.5秒的慢波振荡向下状态周围发生的快速纺锤振荡(12.5-15.5 Hz,Pz导)的概率。

图E  静止(黑色)和摆动(红色),单位圆每个被试的SO-快速纺锤振荡功率的第一相位,小圆圈代表每个被试非均匀性的Rayleigh检验是显著的(p <0.01)。

引发大脑神经振荡的证据
摆动对N3阶段和睡眠纺锤振荡的有益影响,怎样的神经机制可以解释这一效应呢?首先
摆动刺激直接引发诱发EEG响应,如下图A所示。


图 摆动刺激引发的ERP

其次,在吊床的节律运动过程中慢波振荡和纺锤振荡(均在Pz上检测到)在特定时间点聚集,如下图摇摆周期附近的事件时间直方图中的强峰所示。


图 在摆动刺激(从运动的每个左转折点处之后SO的平均数(±SEM)(Pz)以及快纺锤振荡的事件周期时间直方图。

整夜的摆动刺激增强陈述性记忆的巩固

具体结果如下图所示:


图A 静止(黑色)、摆动(红色)条件下记忆准确性的表现;

图B 在N3阶段顶叶EEG sigma(12.5-15.5Hz)功率的改变(摆动-静止)与记忆表现改变显著相关。


总结

总之,在整个睡眠期间使用摇床进行有节奏的感官刺激,能够促进健康睡眠者的深度睡眠和记忆巩固,这些影响可能依赖于慢波振荡和睡眠纺锤振荡(如快速纺锤振荡)的增加,研究者认为这可归因于摆动诱发了丘脑皮质的节律性活动。这些结果对失眠或情绪障碍患者的非药物疗法的开发有帮助,甚至可能对于经常患有深度睡眠减少和/或记忆障碍的老年人群同样适用。


参考文献

Perrault et al., Whole-Night Continuous Rocking Entrains Spontaneous Neural Oscillations with Benefits for Sleep and Memory, Current Biology (2019), https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.12.028



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