|
日前，发表在Naturecommunications 杂志的一项研究表明，大脑皮质区与丘脑区上的神经电信号具有特殊的时序相关性。这一研究进一步证明了在人类的记忆回放过程中，存在着一个完整的神经生理学回路。 过往研究表明，在人类睡眠过程中的非REM（rapideyes movement，快速眼动）睡眠期间会产生数以千计的慢波和纺锤波。其中，纺锤波的出现主要集中在丘脑区，而由downstate（锥形神经元、中间神经元及突触的活动都很低的状态）现象产生的慢波则更容易出现在大脑皮质区域。但在非REM睡眠期内,我们对丘脑和大脑皮质区之间的相互作用以及两种波的产生机理仍然知之甚少。 来自加利福尼亚大学神经科学研究所的学者们使用颅内电极采集了三名正在接受癫痫评估患者在非REM睡眠阶段2和阶段3期间的特征信号，对皮质和丘脑的慢波和纺锤波的产生与传递过程进行了深入研究，研究发现，在非REM睡眠期的记忆巩固阶段，大脑皮质区与丘脑间存在着一条以慢波与纺锤波为主体的皮层区-丘脑区-皮质区的时序关系。 为了进一步研究二者之间的关系，研究人员依次分析了慢波和纺锤波在两个区域间的关联性，并得到了以下四点结论： 1）首先，大脑皮质区由downstate现象产生的慢波会通过去促酌的作用（disfacilitation）诱发丘脑产生相应慢波（如图 1所示）。其原因在于大脑皮质区域神经元细胞的downstate现象诱发丘脑区域产生相应的downstate现象。以图1中所示的显著区域为例，从皮质区慢波波峰的产生到丘脑区产生相应的慢波波峰，其平均延迟时间为218±66ms。 图1皮质的慢波诱发的丘脑的慢波（a）整体框架：（1）皮质downstate现象引起丘脑downstate现象，（2）丘脑慢波的downstate现象引发了丘脑纺锤波的产生，（3）丘脑纺锤波驱动皮质纺锤波；（b）皮质的downstate现象引起丘脑downstate现象的单个实例；（c）皮质区测点位置；（d）丘脑测点位置；（e）皮质区双极对位置示例；（f）丘脑downstate现象化产生的慢波被锁定在0ms，在±2秒内出现的皮质区的慢波峰值的数量绘制在红色的50ms的区域中；（g）当两个皮质位置与一个皮质位置相比时，downstate现象的概率显着增加。 2）随后，在睡眠期回放记忆的过程中，丘脑产生downstate现象会进一步影响丘脑纺锤波的产生。而导致这一现象产生的原因是在非REM睡眠期间，丘脑自身的神经元细胞并不能产生足够的超极化，它们需要来自慢波的超极化来共同产生纺锤波。 3）此外，丘脑产生的纺锤波会进一步诱发大脑皮质区产生相应的纺锤波。这一现象的产生机理是因为纺锤波产生的震荡现象会被投射在皮质区域，从而诱发皮质区产生相应的纺锤波。 图2丘脑纺锤波诱发了皮层纺锤波的产生。（a）皮质测点；（b）丘脑纺锤波发生被锁定在0ms，在±2秒内出现皮层纺锤波的数量绘制在红色的50ms的区域中；（c）单个试验下重叠的内侧/外侧丘脑枕和连接回纺锤波；（d）10-16Hz波段的81%已探测重叠纺锤波定位于丘脑枕纺锤波的产生;（e）在同一极对中，定位于单个丘脑枕纺锤波波谷的局部场电位，皮质局部场电位纺锤波的波谷与左侧丘脑枕是同步的。 4）最后，研究人员通过分析，证明了皮质区的纺锤波的出现发生在其downstate向upstate（神经元活跃程度可与清醒时相比的状态）转换的瞬间，并在慢波峰值出现约250ms后达到纺锤波的峰值。科研人员在皮质区的快纺锤波与慢纺锤波中均发现了相同的现象。 综上所述，丘脑与大脑皮质区域之间存在着一个动态的皮层-丘脑-皮质区的相互依存的关系。科研人员希望这一实验结果可以帮助人类进行记忆回放。
参考文献：Rachel A.Mak-McCully. Coordination of cortical and thalamicactivity during non-REM sleep in humans. Nature Communications. 2017.5 |
|
|
