呼吸在协调睡眠振荡和记忆巩固中的作用：新发现与意义

《TRENDS IN Neurosciences》：A role for respiration in coordinating sleep oscillations and memory consolidation

为探究睡眠振荡与记忆巩固的协调机制，研究人员研究呼吸作用，发现其或为睡眠记忆功能的起搏器。

　　在我们的生活中，睡眠就像一个神秘的 “记忆工厂”，在人们进入梦乡时，记忆在这里被加工、巩固，成为长期存储的信息。然而，大脑如何在睡眠中协调各种神经活动来完成这一复杂的记忆巩固过程，一直是神经科学领域的未解之谜。目前已知，记忆巩固被认为依赖于与睡眠相关的大脑振荡的相互作用，尤其是在非快速眼动睡眠（NREM）阶段，皮质慢振荡（<1Hz）、丘脑睡眠纺锤波（12 - 16Hz）和海马尖波涟漪（SWRs，人类中为 80 - 120Hz）之间的时间协调，对海马体和皮质之间的信息交流以及记忆表征在皮质网络中的强化至关重要。但问题在于，睡眠中的大脑与外部感官输入基本隔离，那么它究竟是如何协调这些关键振荡的同步性的呢？这一疑问促使研究人员展开探索。

来自德国路德维希 - 马克西米利安大学（Ludwig - Maximilians-Universit?t München）心理学系、奥地利萨尔茨堡帕拉塞尔苏斯医科大学（Paracelsus Medical University）基督教多普勒大学医院神经科以及奥地利萨尔茨堡巴黎 - 洛德伦大学（Paris - Lodron - University of Salzburg）认知神经科学中心（CCNS）心理学系的研究人员 Fabian Schwimmbeck、Esteban Bullón Tarrasó 和 Thomas Schreiner，针对这一问题进行了深入研究。他们的研究成果发表在《TRENDS IN Neurosciences》杂志上，为理解睡眠与记忆的关系带来了新的视角。

研究人员开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。在动物实验方面，对头部固定的小鼠进行了同步单单元和局部场电位（LFP）记录，以此来观察呼吸对小鼠边缘系统和前额叶皮质神经元活动的影响。在人体实验中，则通过头皮脑电图（EEG）记录来分析呼吸对 NREM 睡眠阶段慢振荡和纺锤波出现的影响，部分研究还利用了颅内脑电图（iEEG）来研究呼吸对人类海马 SWRs 及其与慢振荡耦合的作用 。

研究结果主要围绕以下几个方面展开：

• 呼吸影响清醒时的神经活动和认知：大量来自啮齿动物和人类的研究表明，呼吸对清醒时的神经活动有着深远影响。在啮齿动物和人类中，都能观察到呼吸夹带的振荡存在于不同频率和脑区。例如，在啮齿动物中，嗅觉感觉神经元中的机械感受器会对气流做出反应，引发嗅球中的呼吸锁定振荡，这些振荡沿着嗅觉通路传播到新皮质和海马区域。虽然呼吸影响大脑功能的具体机制尚未完全明确，但当前证据显示，呼吸锁定的抑制可能在局部回路中调节节律同步，进而驱动呼吸振荡。
• 呼吸在调节睡眠相关振荡和记忆再激活中的作用：研究发现，呼吸可能在 NREM 睡眠中充当一种内部起搏器。在小鼠实验中，同步单单元和 LFP 记录显示，呼吸能够夹带小鼠边缘系统和前额叶皮质的神经元活动，使前额叶皮质中与慢振荡相关的上下状态与吸气阶段对齐，并使海马 SWRs 在皮质慢振荡下降状态之前出现，同时还能调节前额叶群体对海马 SWRs 的反应。在人体实验中，呼吸同样影响 NREM 睡眠节律。头皮 EEG 记录表明，呼吸会顺序性地调节慢振荡和纺锤波的出现，慢振荡下降状态更可能在吸气峰值前出现，而睡眠纺锤波倾向于在其之后聚集，并且呼吸与慢振荡 - 纺锤波事件的耦合强度与记忆再激活的保真度紧密相关。此外，一项针对癫痫患者的颅内 EEG 研究提示，呼吸可能还会影响人类海马 SWRs 及其与慢振荡的耦合。

研究结论指出，呼吸在协调睡眠振荡和记忆巩固方面有着重要作用，它可能作为一种起搏器，通过调节慢振荡、纺锤波和 SWRs 在呼吸周期特定阶段的出现，促进海马 - 皮质回路中记忆的传递和强化。不过目前，虽然有研究表明呼吸在睡眠相关记忆处理中发挥作用，但因果证据仍然有限。呼吸对认知过程的功能意义还存在推测成分，而且其对记忆巩固的真实影响程度，还需要与其他生理过程和内在起搏器区分开来。未来研究若能进一步解答诸如睡眠呼吸障碍对睡眠相关振荡耦合的影响、能否利用呼吸增强无创脑刺激对记忆的作用等问题，将有助于更全面地理解系统记忆巩固及其相关病理机制，把以大脑为中心的研究框架拓展到涵盖全身相互作用的层面，为改善睡眠质量、治疗记忆相关疾病提供新的思路和方向。