整夜持續擺動能夠引發有益于睡眠和記憶的神經震蕩

發布時間:2019-04-25 14:57:19 來源: 北京賽博爾醫藥科技有限公司

文章簡介:本篇文章于2019年02月發表于Current Biology(IF:9.251),題目為

Whole-Night Continuous Rocking Entrains Spontaneous Neural Oscillations with Benefits for Sleep and Memory,Perrault等研究者發現,整晚持續施加溫和的擺動刺激促進健康睡眠者的深度睡眠和記憶鞏固,通過有節奏的感覺刺激如何積極引發與睡眠相關的腦電波,這項新研究揭示了擺動對睡眠和認知影響的神經機制。


研究背景

在睡著的時候,我們可能覺察不到外界的刺激,但感覺加工卻不會停止。此外,感覺刺激可能干擾睡眠,例如交通噪音,但也可能促進睡眠,例如吊床的輕柔搖擺。本研究的主要目的是:持續節律性的感覺刺激如何影響夜晚的睡眠結構以及相關大腦神經振蕩是否所引起的大腦神經振蕩可以解釋對睡眠的潛在影響

非快速動眼期(non-rapid eye movement, NREM)睡眠,分為三個階段(后文中的N1、N2、N3)主要特征為對皮質(SOs,慢波振蕩<1Hz)、丘腦(紡錘振蕩)、海馬(尖波,100-250Hz)節律的鎖相,在感覺刺激時丘腦紡錘振蕩以及慢波振蕩的增加與改善長時記憶有關,因此,如果擺動刺激能夠增加紡錘振蕩和慢波振蕩,將說明其可能有利于睡眠記憶鞏固。


實驗方法

18名健康被試,在一個持續晃動的吊床(頻率為0.25Hz)上睡一晚(平靜vs擺動),測量持續擺動對

(1)睡眠結構和睡眠持續性

(2)引發的大腦神經振蕩,如紡錘振蕩、慢波振蕩等

(3)記憶鞏固效果的影響。具體實驗步驟如下圖所示:


圖 實驗設計 1周的活動記錄-3天活動記錄-習慣夜晚-3天活動記錄-實驗夜晚。灰色表示習慣夜晚,實驗夜晚包括靜止的夜晚(黑色表示)和擺動的夜晚(紅色表示),兩個實驗條件順序隨機。警惕性任務和記憶任務在實驗條件的晚上和第二天早晨進行。

實驗結果

兩個實驗條件下,記錄被試的腦電(EEG)、眼電(EOG)和肌電(EMG)。

擺動縮短入睡并增強深度睡眠

從關燈到N1的時間間隔稱到N1的睡眠潛伏期(SL1)沒有受到顯著影響(SL1: t檢驗, p = 0.2),但發現了感覺刺激(搖擺vs靜止)和到不同睡眠階段潛伏期(N1、N2、N3、快速動眼[REM])之間的交互作用(F(3,51)= 2.7; p = 0.049),這是由于到N2潛伏期的縮短(p = 0.006),而N3和REM不受影響(如下圖A);擺動刺激影響了不同睡眠階段的時間,N1+N2時間的縮短,N3時間的增加,具體如下圖B所示;擺動使夜間覺醒密度每(30秒鐘的覺醒次數)顯著下降,其中主要為N3時期的覺醒次數降低。


圖 擺動對睡眠結構和覺醒的影響

擺動刺激增加紡錘振蕩和皮層振蕩

首先對睡眠紡錘波進行分析(數量、振幅、頻率和持續時間),具體數據如下圖A所示,N2未發現顯著改變,擺動刺激使N3階段的慢紡錘波和快紡錘波的數量和密度均增加,但并未發現交互作用,如下圖B所示;同樣的效應也放生在sigma頻段上(12-13.5Hz),如下圖C所示;sigma功率增加與N3中快速紡錘波在擺動夜晚密度增加相關(r2 = 0.242; p = 0.044);紡錘振蕩能夠促進感覺通道進而提升睡眠持續性在N3中慢紡錘波和快紡錘波密度增加與降低的覺醒密度相關,如下圖E所示(r2 = 0.295; p = 0.024)。



圖 擺動對紡錘振蕩的影響

慢波振蕩(SOs,<1Hz)分析發現(Fz、Pz導),在N1、N2階段兩種睡眠狀態并無顯著差異,在擺動刺激下N3階段中慢波振蕩數量顯著增加(+18.78%; p = 0.002),如下圖A所示;并且在振幅上,兩種狀態并無顯著差異,如下圖B所示。


圖 擺動對皮層振蕩的影響

擺動刺激可保持皮層振蕩和紡錘振蕩之間的相位-頻率耦合


圖 相位-頻率在皮層振蕩和紡錘振蕩間的耦合

圖C 樣本被試靜止(左)和擺動(右)時,N3階段頂部慢波振蕩下行狀態鎖定功率的平均值(0.4~30Hz),在慢波振蕩特定階段期間嵌套的sigma功率(從向下—上升狀態)。

圖D 靜止(黑色)和擺動(紅色)期間所有被試在N3期間從-1.5至+1.5秒的慢波振蕩向下狀態周圍發生的快速紡錘振蕩(12.5-15.5 Hz,Pz導)的概率。

圖E  靜止(黑色)和擺動(紅色),單位圓每個被試的SO-快速紡錘振蕩功率的第一相位,小圓圈代表每個被試非均勻性的Rayleigh檢驗是顯著的(p <0.01)。

引發大腦神經振蕩的證據
擺動對N3階段和睡眠紡錘振蕩的有益影響,怎樣的神經機制可以解釋這一效應呢?首先
擺動刺激直接引發誘發EEG響應,如下圖A所示。


圖 擺動刺激引發的ERP

其次,在吊床的節律運動過程中慢波振蕩和紡錘振蕩(均在Pz上檢測到)在特定時間點聚集,如下圖搖擺周期附近的事件時間直方圖中的強峰所示。


圖 在擺動刺激(從運動的每個左轉折點處之后SO的平均數(±SEM)(Pz)以及快紡錘振蕩的事件周期時間直方圖。

整夜的擺動刺激增強陳述性記憶的鞏固

具體結果如下圖所示:


圖A 靜止(黑色)、擺動(紅色)條件下記憶準確性的表現;

圖B 在N3階段頂葉EEG sigma(12.5-15.5Hz)功率的改變(擺動-靜止)與記憶表現改變顯著相關。


總結

總之,在整個睡眠期間使用搖床進行有節奏的感官刺激,能夠促進健康睡眠者的深度睡眠和記憶鞏固,這些影響可能依賴于慢波振蕩和睡眠紡錘振蕩(如快速紡錘振蕩)的增加,研究者認為這可歸因于擺動誘發了丘腦皮質的節律性活動。這些結果對失眠或情緒障礙患者的非藥物療法的開發有幫助,甚至可能對于經常患有深度睡眠減少和/或記憶障礙的老年人群同樣適用。


參考文獻

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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