動物的記憶是儲存在腦部的海馬旋(hippocampus),被儲存的記憶包括了空間,而海馬旋中管理空間的神經細胞叫 place cells,可以說是腦中的 GPS,能夠記錄你到過的地方,幫你辨認方位,讓你不會迷路,發現此細胞的 Dr. John O'Keefe 還因此得了去年(2014)的諾貝爾獎。Place cells 是怎麼做用的呢?海馬旋裡的 place cells 像是一個小小地圖,在不同的地方會有不同的細胞被激活(firing),例如你到 A 地買早餐的時候 A 細胞會被激活,到 B 地看電影的時候 B 細胞會被激活,這些東西就會被儲存在海馬旋裡,之後當你想到去 A 地買早餐的時候,A 細胞就會活耀起來,讓你能夠從儲存的記憶中把 A 的地點翻出來,或是當你想要看電影的時候,B 細胞就會活耀起來,讓你想到看電影可以去 B 地看。

睡覺跟記憶有什麼關係呢?睡覺的功能除了前兩年發現的,除了可以幫你清洗腦部、清除廢物外,由之前的研究得知睡眠還可以幫助形成記憶(memory consolidation)。睡眠分成好幾個階段,大致可分為快速動眼期(REM, rapid eye movement)和非快速動眼期(non-REM),REM 緊接在非快速動眼期中的慢波期(SWS, Slow Wave Sleep)之後,SWS 是睡眠中最深沉的一段,最難叫醒,SWS 其中有一段是 sharp wave ripple (SPW-R),白天經歷過的事情會在 SPW-R 的時候重跑一遍,記憶的形成和強化在這個時間發生。以管理空間的 place cells 來說,例如你早上去完 A 和 B 地之後跑去 C 吃下午茶,晚上睡覺的時候,A, B 和 C 細胞會依時間序重新活耀起來 [1, 2],形成和加深你的記憶。那如果在睡覺的時候用外力刺激 D 細胞呢?會讓你在醒來後多出有關 D 地點的記憶嗎?上個月有個研究團隊在知名國際期刊《Nature Neuroscience》發表了一篇研究論文,表示可以在睡夢中人造記憶 [3]。

作者把老鼠分成兩組,一組測試醒時的 place cells 活動,另一組測試睡覺時的活動。他們在老鼠腦部安裝兩組針,一組裝在海馬旋的 CA1 區紀錄腦部活動,另一根針裝在腦前額(MFB, medial forebrain bundle),MFB 是老鼠腦中管理回饋的,得到獎賞(例如食物)的時候會刺激 MFB,帶給老鼠愉悅的感覺,這個感覺也可以人造出來,只要用電刺激 MFB,就會讓老鼠有得到獎賞時的愉悅感。


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整個實驗過程大致分成四個階段:(如上圖 a, b)

1) 定位 place field:作者們先讓老鼠在一個空間裡自由活動十五分鐘,如上面所說,每個不同的點都會引發不同 place cells 活動,活躍的程度也不一,可能在 A 點的時候 A 細胞特別活耀,在 B 點的時候 B 細胞活耀,但沒 A 細胞那麼活耀,或是在 C 點的時候沒有細胞特別活耀,細胞活耀的區域就是 place field,這些都會被安裝在 CA1 的針記錄下來分析,然後選定活動突出、容易分辨的 place cells 做觀察,也在此階段設定一個基準點(threshold),在之後的階段裡,如果 place cells 超過基準點,就會觸動裝在 MFB 的針刺激 MFB,讓老鼠有愉悅的感覺。

2) PRE:這個的階段由八組一分鐘的試驗組成,每分鐘一開始會把老鼠放在空間裡的某一個點,讓牠們由由那個點開始自由活動,每個分鐘都是依順時針方向輪流(如上圖 d-2),例如第一個分鐘是從 "1" 這個點開始活動,第二個分鐘就放在 "2",由那個點讓老鼠開始自由活動。老鼠在活動的其間會激化不同的 place cells,每個細胞的活躍程度都不一樣,這些都會被記錄下來,和之後的 POST 階段做比較。這些活動和 place cells 的活躍度都是自由發生,可以觀察到老鼠平均花在各點的時間都差不多。

3) 刺激:醒的那組有十五分鐘的自由活動時間(Fig a),這十五分鐘裡,如果走動到某個點時腦中的 place cells 活躍度超過基準點就會刺激 MFB,讓老鼠有愉悅的感覺,這個人為的愉悅感會讓老鼠會想要停留在那個點。睡覺的那組有一個小時的時間(Fig b),同樣的,在睡覺的那個小時,腦中的 place cells 活躍程度如果超過基準點就會刺激 MFB,造成人為的愉悅感。

由之前的研究知道,睡覺時腦中會把白天經歷過的事再跑一遍,如果老鼠在 PRE 的階段依序走過 A, B, C, D 四個點,刺激了 A, B, C, D 四個細胞,睡覺時 A, B, C, D 四個細胞就會依序在活動一遍。其中如果 A 細胞的活躍度超過基準點,就會刺激 MFB,其他三點沒有超過的話,則不會刺激 MFB,也就是說 A, B, C, D 四個點,只有 A 點會讓老鼠在睡夢中有愉悅感。

4) POST:這個階段和 PRE 同樣是八個一分鐘,測驗方法也跟 PRE 相同,然後觀察老鼠在哪區待的時間久,還有他們的 place cells 活躍情形。醒的那組老鼠,如所預期的,在這個階段裡,因為刺激 MFB 讓老鼠在 place field 有愉悅感而花在 place field 的時間是 PRE 時候的四到五倍。有趣的是睡覺時接受 MFB 刺激的老鼠,醒來後就立刻衝向 place field (例如上面 #3 舉例的四點中的 A 點),花在 place field 的時間也是 PRE 時的四、五倍,而沒有接受刺激的老鼠,POST 和 PRE 花在 place field 的時間則差不多。

這個結果顯示,老鼠在睡覺時接受人為刺激而感受到的快樂也會被記憶下來,牠們記得他們在夢中時逛到某點時會出現的愉悅感,所以一醒來就衝去那個地點,而沒有接受刺激的老鼠,即便睡覺時會把在 PRE 時走過的點再走一次,但因為沒有點會讓牠們有像得到獎賞時的快樂感覺,也沒有這個記憶點,所以醒來後不會有對某個地點有偏好。


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睡覺和記憶的關係還滿神奇的,白天經歷過或記的東西晚上睡覺會再跑過一次,形成和強化白天所接受到的訊息,而睡夢中所感覺到的,醒來後還記得(雖然很多時候都忘記自己做了什麼夢),也許這也是為什麼有時候會現實和夢境分不清楚吧?有的時候覺得某個場景很熟悉,好像之前經歷過,但也許只是之前某個晚上睡覺時夢到的。

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References

1. K Louie & MA Wilson. Temporally Structured Replay of Awake Hippocampal Ensemble Activity during Rapid Eye Movement Sleep. Neuron (2001)

2. AK Lee and MA Wilson. Memory of Sequential Experience in the Hippocampus during Slow Wave Sleep. Neuron (2002)

3. G Lavilleon & MM Lacroix et al. Explicit memory creation during sleep demonstrates a causal role of place cells in navigation. Nature Neuroscience (2015)










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