【醉翁之艺】睡眠剥夺对年轻和老年小鼠的位置细胞、睡眠结构和记忆的不同影响

大量研究表明，睡眠在记忆巩固中起着关键作用，训练后即睡眠的实验动物记忆能力更佳，而训练后被睡眠剥夺的实验动物记忆能力受损。然而，睡眠剥夺的影响因素极其复杂，且随着年龄增长而发生变化，在年轻和老年个体中作用并不一致。来自美国Brigham妇女医院神经医学科的Robin K Yuan等研究者们，针对睡眠剥夺对年轻和老年小鼠睡眠结构、海马位置细胞及记忆的影响进行研究，研究结果于2021年6月发表在Cell Reports杂志上。

睡眠包括交替穿插的非快速眼动（Non-rapid eye movement，NREM）和快速眼动（Rapid eye movement，REM）。NREM对于记忆形成很重要，信息被转移到皮层进行长期存储；而REM与新信息的巩固和先前编码信息的遗忘有关。在NREM期间，短时间的快速活动爆发（10-14Hz）称为纺锤波，其有助于记忆的重新激活，对记忆巩固非常关键。此外，海马在片段记忆的形成中也必不可少，即对特定时间发生在特定背景下事件的回忆。睡眠和认知都与年龄变化相关，与年龄相关的认知能力下降可能也受到睡眠变化的影响。 

1、睡眠剥夺改善了老年小鼠的记忆能力

图1 年轻和老年大鼠OPR记忆改变

实验小鼠分为四组：年轻对照组（Young controls，YC）、年轻睡眠剥夺组（Young sleep deprivation，YSD）、老年对照组（Old controls，OC）、老年睡眠剥夺组（Old sleep deprivation，OSD）（图1A）。新物体／位置记忆（Objective place recognition，OPR）实验结果发现，睡眠剥夺损害了年轻小鼠OPR记忆，而睡眠剥夺却使老年小鼠OPR记忆进一步加强（图1B）。为了进一步确定睡眠剥夺在老年小鼠记忆中的潜在益处，研究者在另一组年轻和老年小鼠中进行实验，不同的是在睡眠剥夺前增加5h的睡眠时间，结果显示，老年小鼠OPR记忆显著低于年轻小鼠（图1F）。以上结果提示，在某个时间窗内，睡眠剥夺会导致年轻小鼠记忆受损，同时改善老年小鼠的年龄相关性认知能力下降。 

2、小鼠记忆增强与海马位置细胞频率重映射改变有关

图2 OPR实验中，年轻和老年大鼠频率重映射和整体重映射的变化

接着，研究者记录了年轻和老年小鼠的位置细胞（Place cell）活性，发现在OPR训练和测试过程中，位置细胞的活性与年龄和睡眠状态均没有明显相关性（图2B）。既往研究证实，海马细胞通过增加或减少放电频率（Firing rate）对环境变化进行编码，这一现象称为频率重映射（Rate remapping）。为了排除平均放电频率对频率重映射的掩盖作用，研究者计算了四组小鼠频率重映射的绝对差异，发现在OPR测试过程中，与YSD组小鼠（OPR记忆结果较差）相比，YC和OSD两组小鼠（OPR记忆结果较好）发生更多的频率重映射（图2C）。

研究者进一步通过重映射模式对细胞进行分类：情景细胞（Context cells）、物体布局细胞（Object configuration cells）和不稳定细胞（Unstable cells），结果发现，年轻小鼠中，三种细胞类型占比相当，而在老年小鼠中，具有高度稳定性的情景细胞占比显著减少（图2E和2F）。

图3 OPR实验中，不同细胞类型的频率重映射  

接着，研究者评估了以上三种细胞在年轻和老年小鼠中发生频率重映射的情况。结果发现，YC和OSD组小鼠在实验中表现出的这种记忆更佳，与情景细胞的稳定性（图3B）和物体布局细胞的灵活性（图3C）有关，与不稳定细胞无明显相关性（图3D）。

图4 静止物体实验中，位置细胞的稳定性

为了进一步探索年轻和老年小鼠的记忆过程，进行了静止物体实验（Unmoved object control task），结果同样发现，与老年小鼠相比，年轻小鼠的情景细胞和物体布局细胞具有更高的稳定性（图4C和4D），而不稳定细胞在两组中无明显差异（图4E）。 

3、老年小鼠呈现碎片化NREM睡眠，睡眠剥夺后NREM次数减少

图5 年轻和老年小鼠训练后和恢复睡眠期间的睡眠模式、平均功率谱、相对δ功率和相对θ功率

研究者对YC和OC两组小鼠学习后自由睡眠阶段的睡眠模式进行分析，发现两者的觉醒、NREM和REM时间百分比无明显差异（图5A），但是老年组中表现出NREM和REM次数增加（图5B）以及NREM时长缩短趋势（图5C），即老年小鼠表现为更加碎片化的NREM睡眠。

在睡眠剥夺干预下，YSD和OSD两组小鼠均表现为NREM时长增加（图5D）。与OC组相比，OSD组小鼠的NREM次数减少（图5E），提示NREM次数减少可能与记忆巩固存在密切相关。睡眠剥夺对REM的影响并不显著。 

4、年轻小鼠训练后睡眠早期纺锤波增加，老年小鼠睡眠剥夺恢复期纺锤波增加

图6 纺锤波特征

既往研究发现，纺锤波（Spindles）能通过对记忆重新激活，在记忆巩固中发挥作用。研究者通过高精度纺锤波检测方法（图6A），分析了年轻和老年小鼠NREM睡眠阶段，结果发现，在训练后自由睡眠的第1个小时，年轻小鼠出现更多的纺锤波（图6B），而其余时间段年轻和老年小鼠纺锤波的平均数量、频率或持续时间均无明显差异（图6B-6D）。结果提示，年轻小鼠训练后睡眠早期出现的大量纺锤波现象，可能有助于记忆巩固。

随后，研究者进一步评估了睡眠剥夺后恢复睡眠期间，各组小鼠的纺锤波特征差异，结果发现，与年轻小鼠相比，老年小鼠出现更多的纺锤波（图6E），且频率更低（图6G）。结果提示，老年小鼠睡眠剥夺恢复过程中，出现较多纺锤波，也与记忆巩固密切相关。

图7 NREM/REM切换期间的纺锤波数量和记忆表现

最后，研究者为了探究在NREM/REM切换的前60s期间出现的纺锤波数量，是否与记忆增强相关，并通过相关性进行分析。结果发现，记忆增强与纺锤波数量之间呈正相关（图7），提示在NREM/REM切换之前进行纺锤波分析，可能对记忆结果有很好的预测作用。

醉翁之艺 点评

该研究发现，睡眠剥夺损害了年轻小鼠OPR记忆，但增强了老年小鼠的记忆。这种记忆增强与情景细胞（编码环境中静态部分）与物体布局细胞（编码环境中物体布局）的频率重映射有关。此外，老年小鼠表现为NREM碎片化睡眠。年轻小鼠训练后睡眠早期纺锤波增加，老年小鼠睡眠剥夺恢复期纺锤波增加，也与记忆增强的表现密切相关。在NREM/REM切换之前进行纺锤波分析，可能对记忆结果有很好的预测作用。这些结果都提示，睡眠剥夺对年轻和老年小鼠的作用截然不同，急性睡眠剥夺能够改变睡眠微结构，并有助于改善年龄相关性认知受损，一定程度上提高海马细胞的灵活性和稳定性。

通过上述结果发现，在一定程度上减少睡眠对老年人来说也许是有利的，适当减少睡眠可以巩固NREM并增加纺锤波数量，进一步增加海马位置细胞重映射，进而巩固记忆。而对于年轻人来说，减少睡眠可能导致纺锤波数量减少，损害海马细胞灵活性，从而出现记忆力减退的情况。该研究发现有助于我们更好地理解睡眠与记忆之间的关系，并对改善年龄相关性认知受损提供了依赖于睡眠的潜在治疗方法。 

李小筱，吕卓辰

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