Trends in Cognitive Sciences综述：睡眠中的记忆再激活
原创Trends in Cognitive Sciences综述：睡眠中的记忆再激活
原创
新编码的记忆痕迹会在睡眠中自动重新激活。自从在20世纪90年代被发现以来，这些记忆再激活作为梦经历的潜在神经基础被讨论。来自动物和人类研究的新结果，以及快速发展的睡眠和梦工程领域的新结果，为这个问题提供了重要的见解，并揭示了这两种现象之间强烈的相似之处和差异。我们认为，尽管记忆再激活可能有助于不同意识状态下的主观体验，但它们不太可能是做梦的主要神经基础。我们确定了当前研究范式的重要局限性，并提出了新的策略来解决这个问题。
1.?记忆重现是在梦中经历的吗?
几十年的研究表明，睡眠在记忆巩固中起着重要作用，在这个过程中，短期记忆得到加强，并整合到长期记忆网络中。记忆再激活，即新形成的记忆痕迹在编码后再次自发激活，被认为是主动系统巩固模型中睡眠期间记忆巩固的一种机制。一种公开讨论的观点是，做梦(即睡眠期间的任何有意识体验)可能是睡眠期间这些记忆再激活的表现。然而，尽管我们大多数关于记忆再激活的知识是基于啮齿动物的研究，但梦的研究依赖于主观报告，这只有在人类身上才有可能。尽管如此，脑成像的最新进展已经提供了人类类似的神经再激活过程的证据。再加上啮齿动物研究的新发现，我们现在对这些记忆重新激活如何在神经层面展开有了更好的了解。与此同时，梦境研究的新方法为我们提供了关于睡眠中的主观体验与学习和记忆巩固之间关系的见解。在这篇综述中，我们比较了记忆再激活的神经现象与做梦的经验现象的几个关键方面(图1，关键图)。我们认为，在经典的快速、自发和海马体驱动的再激活定义中，神经重放不太可能是梦的主要神经基础，但可能仍然代表了梦经历发展的触发事件或影响。
图1 尽管这两种现象有一些共同的特征(阴影区域)，但做梦(蓝色)和记忆再激活(橙色)之间也存在一些差异。此外，研究做梦和记忆再激活的方法也截然不同。虽然记忆再激活研究主要是在啮齿动物中进行的，但也有一些研究使用颅内脑电图、高密度脑电图和功能磁共振成像来研究人类的记忆再激活。另一方面，梦的研究依赖于参与者的主观报告，使用问卷调查、日记或在睡眠实验室中醒来。缩写:EEG，脑电图;NREM，非快速眼动;REM，快速眼动;SW-R，尖锐的波浪波纹。
2.?记忆再激活:啮齿动物的开创性工作
睡眠期间记忆重新激活的第一个经验证据来自啮齿动物研究。通过对迷宫探索过程中海马的记录，这些研究表明，在探索过程中协同活动的细胞在随后的非快速眼动(NREM)睡眠期间具有相关的活动模式，并且在睡眠期间部分保留了原始空间序列的时间顺序。从那时起，越来越多的研究证实了海马记忆再激活在多种物种中的发生，包括在睡眠和安静休息期间。记忆再激活与海马产生的尖波涟漪(swr)活动密切相关，但这些活动也被记录在广泛的大脑区域。记忆再激活在记忆巩固中的直接作用表明，它们与改善睡眠后表现有关，并且它们的抑制(例如，通过破坏swr）会损害记忆表现。
3. 捕捉人类记忆的重新激活
很长一段时间以来，人类记忆再激活的证据仅限于神经成像研究，表明在随后的睡眠中，由一段经历产生的广泛的大脑活动模式会重复出现。在非快速眼动睡眠和快速眼动睡眠中发生的再激活与学习能力的提高有关。在过去的5年中，对癫痫和四肢瘫痪患者的颅内脑电图(EEG)记录的研究首次提供了人类神经再激活的直接证据，这些神经再激活也与海马swr有关。此外，多元模式分析的进步使得使用高密度脑电图或同时记录脑电图和功能磁共振成像来捕捉特定记忆的自发再激活成为可能，并将它们与记忆性能的提高联系起来。
4.?记忆融入梦境
记忆痕迹在人类睡眠中被重新激活的事实引发了关于重新激活过程是否可以被主观地体验为梦的讨论。长期以来，人们一直认为梦在记忆过程中起着重要作用。超过80%的梦包含可识别的记忆来源，但这些记忆“合并”是否反映了自发的、海马体驱动的神经再激活仍然未知。一些研究通过调查将记忆元素融入梦境是否与更好的记忆力有关，间接解决了这个问题。一组表明，在探索虚拟迷宫后，将任务元素融入梦境的参与者比没有梦到任务的参与者表现出更大的进步。其他研究也显示了类似的效果。与睡眠阶段在记忆巩固中的作用一致，非快速眼动梦合并与更好的睡眠后陈述性记忆有关，而快速眼动梦合并与改善的程序学习有关。然而，任务合并率通常很低，并不是所有的研究都发现梦合并对记忆表现的影响；因此，做梦在记忆巩固中的作用仍不清楚。
我们将比较神经再激活和做梦的几个关键方面，包括(i)什么类型的记忆被重新激活，(ii)何时发生，(iii)它们是如何被重新激活的，以及(iv)它们各自在宏观和微观层面上的神经关联。
5.?什么正在被重新激活?
5.1?再激活内容
我们对再激活过程的大部分知识都是基于对啮齿动物空间任务(例如，运行线性轨道)的研究。尽管如此，啮齿类动物的运动学习和社会记忆的神经再激活也有报道。最近对人类的一些研究也将再激活的证据扩展到其他类型的经验，如运动学习、视觉记忆、联想记忆和陈述性记忆。然而，原始记忆的哪些方面被重新激活仍不清楚。此外，再激活的内容可能不仅反映了过去学到的经验，也反映了预期的经验。在啮齿类动物中，模拟新体验的神经模式的激活——例如，基于以前的经验的新轨迹，这些经验在空间上是合理的，但在清醒时没有被探索过——在清醒时和睡眠时都被记录下来。这些“想象的”再激活可能反映了认知地图的维持或对预期情况的探索。其他啮齿动物研究表明，在探索之前的睡眠中，也会发生预玩，换句话说，用于编码新空间体验的细胞序列支架的激活。
与神经再激活的研究相反，一项研究表明，只有17%的已识别记忆源的梦包含了原始记忆源的位置，而且梦的环境往往是模糊和不连续的。尽管如此，梦境自我在空间中的投射是梦境体验的一种常见结构机制。寻路行为，即梦者探索梦境环境的行为，在实验室收集的梦境中很常见，参与者在接受虚拟迷宫任务测试后会梦到迷宫或其他探索行为。除了空间体验之外，梦还包括基于近期和遥远过去的社会、情感、认知和感知体验的复杂梦境世界的构建。非空间任务，如视觉嗅觉、运动和陈述性学习也被纳入梦境。有趣的是，梦不仅与过去清醒时的生活事件有关，而且还可以包含预期的事件，特别是在深夜做梦时，这可能类似于想象或预期的重播。对潜在未来情景的模拟甚至被认为是梦的核心生物学功能。
5.2?选择性
睡眠中记忆的重新激活似乎是一个选择性的过程。在啮齿类动物中，与睡眠中熟悉的经历相比，新经历的海马记忆痕迹优先被重新激活，并且持续时间更长。啮齿类动物的神经再激活也会因与情绪反应或奖励相关的经历而被放大，这可能是由于再激活与多巴胺奖励信号或杏仁核活动的耦合。目前尚不清楚在人类神经再激活中是否存在类似的选择过程。许多研究调查了不同的清醒生活事件如何影响随后的梦境内容。根据对记忆再激活的观察，梦优先包含新奇的、情感强烈的和对个人有意义的经历。然而，一项研究发现，提高所学信息的奖励价值并没有增加其与梦的结合。总之，尽管空间记忆的再激活研究得最多，但较新的研究表明，其他类型的记忆也会被再激活。这与梦的内容更一致，梦的内容包含空间方面，但通常以社会、感知和情感体验为中心。除了重新激活过去，记忆的重新激活和梦也可以指向未来，模拟预期的轨迹或场景。一些因素，如近代性、情感强度和新颖性，调节着哪些经历被处理为记忆再激活和梦。
6. 什么时候神经再激活和做梦发生?
6.1?不同睡眠阶段的差异
啮齿类动物的神经再激活在非快速眼动睡眠和静息清醒动物中都有记录。事实上，再激活的记录通常局限于学习后的短睡眠开始期。在人类中，在睡眠开始时发现了颅内记录的记忆再激活的直接证据，以及在轻度和深度非快速眼动睡眠中。尽管记忆再激活似乎与swr密切相关，swr主要发生在这些阶段，但它们也可以在纹波事件之外发现。到目前为止，只有少数研究报告了快速眼动睡眠中的神经再激活。一项对啮齿动物的研究表明，在快速眼动睡眠期间，海马体可以发生神经重放，即按照特定顺序重新激活信息，但它们是否存在于这一阶段仍存在争议。尽管如此，其他方法的应用暗示了啮齿动物和人类在快速眼动睡眠中可能发生最近学习材料的非顺序再激活(即，神经系统或大脑活动模式的无时间顺序的再激活)的可能性。
与再激活文献相反，研究一致表明，与非快速眼动睡眠相比，快速眼动睡眠中的梦更突出，更频繁地被回忆起来。然而，已经确定的是，在睡眠开始时(N1睡眠)可以发生生动的梦境，并且在非快速眼动睡眠期间报告了各种各样的梦境体验。除了回忆的频率，梦的内容也随着睡眠阶段的不同而变化。睡眠阶段N2和N3的梦报告通常更短，更像思考，更真实，包含更多的情节材料。相比之下，快速眼动梦报告更长，更像“故事”，离奇和情绪化，包含更多的语义知识。这表明快速眼动睡眠的神经生理学(例如，它的神经递质环境和较高的皮层激活)为产生生动的梦和唤醒时回忆所必需的认知过程提供了最佳条件。
6.2?时间过程
我们对记忆在一个或多个夜晚重新激活的时间过程知之甚少。大多数关于记忆再激活的研究只分析了短时间的学习后睡眠，因为在较长时间内追踪特定的神经元集合在技术上具有挑战性。这些研究表明，记忆再激活的强度通常在入睡的第一个小时内迅速衰减。然而，最近一项对啮齿动物的研究报告称，记忆痕迹可以在一次新的经历后重新激活长达10小时。神经活动模式的更持久的“回响”也被记录为在新体验后长达2天，但尚不清楚这些延长的影响是否是由于该研究中使用的分析技术。在啮齿类动物中，快速眼动睡眠更有可能重播与熟悉的空间体验相关的活动模式，而不是在跑迷宫之前发生的新体验。这个时间过程不同于非快速眼动睡眠，后者倾向于在跑完迷宫后立即重放最近清醒的行为。尽管证据有限，但神经再激活的时间可能因睡眠阶段和夜间时间而异。
最近的经历也会强烈影响其与梦的结合。日残留，即前一天发生的事件，在梦中尤为常见，50% - 70%的梦与前一天有关。研究表明，最近的记忆在夜间早睡时更为频繁，尤其是在临睡N1梦中。相比之下，深夜的梦包含了更多遥远的记忆。睡眠滞后效应，即5-7天前发生的事件更有可能被纳入梦境，已经报道了快速眼动梦，但非快速眼动梦没有报道。此外，许多天、几个月甚至几年前的记忆仍然可以被纳入梦境。有人认为，这些遥远的记忆可以通过与近期事件的联系在梦中被调用，要么将新的经历整合到已有的记忆网络中，要么维持和更新记忆模式。总之，记忆再激活与睡眠或非快速眼动早期梦的特征最一致，因为它们主要记录在早期睡眠中，主要包括最近的记忆。然而，缺乏对非快速眼动和快速眼动睡眠中远程记忆再激活的研究，使得与梦境中存在的各种记忆源的比较变得复杂。
7. 记忆是如何重新激活的?
7.1?速度和持续时间
一些啮齿类动物的研究表明，睡眠期间的神经元再激活可以以比原始活动更快的时间尺度发生，海马的压缩因子高达5-10。睡眠中的神经再激活大多是向前的，但有时也会向后运行。它们很短，可以在swr事件中发生，大约为100毫秒。然而，它们也可以组合成更长的序列，从而持续更长时间。在人类中，在睡眠期间，习得的运动模式可以在运动皮层中以快1 - 4倍的速度重播。然而，其他人类颅内研究未发现颞叶受压的迹象。啮齿类动物也有证据表明，在快速眼动睡眠、非快速眼动睡眠和清醒休息中，神经再激活可以以现实世界的速度展开。目前还不清楚为什么以及在什么情况下神经再激活会在不同的时间尺度上发生。
类似的时间动态是否存在于梦中尚不清楚。事实上，梦的时间性问题长期以来一直是许多争论的对象。一项研究报告称，梦可能被认为比相关的快速眼动睡眠时间要长得多。然而，这可能是由于清醒期间也发生了时间感知偏差。一些实验研究挑战了时间压缩或“加速做梦”的观点，表明参与者对做梦持续时间的估计通常与清醒前的快速眼动睡眠的长度相对应。更直接的证据来自于对清醒梦者的研究，他们可以使用梦中预先建立的眼信号(例如，从左到右移动眼睛三次)，给出一个可靠的、可记录的梦活动时间戳。这些研究表明，清醒梦中计数的速度与清醒时相似，而进行运动活动(如走路)的速度甚至比清醒时还要慢。然而，意识体验的时间尺度可能会因清醒程度、梦境中的行为和认知活动或梦境发生时的睡眠阶段而有所不同。尽管快速眼动和非快速眼动的梦通常被描述为涉及一些持续时间的感觉，但在睡眠开始时发生的睡眠意象——当大多数神经再激活被研究时——可以被体验为瞬时的、短暂的和快速变化的图像。
7.2?回放保真度
越来越多的啮齿类动物研究表明，除了时间压缩之外，记忆再激活通常不能忠实地再现清醒经历中的神经活动。清醒时的再激活往往比睡眠时的再激活更忠实于原始体验。据推测，清醒时的高保真度再激活可能支持记忆的初始稳定，而睡眠时的低保真度再激活可能在跨经历的记忆整合和概括中发挥更广泛的作用。一些研究进一步表明，发生在早期睡眠周期的NREM神经再激活比发生在后期睡眠周期的NREM神经再激活更忠实于原始记忆。记忆序列的片段比完整序列更容易被重新激活，并且经常被组合成更长的序列。最近的一项研究也表明，相关记忆可以在睡眠中被共同重新激活，这种破坏会阻止对最近学习的同化和概括。神经元再激活的碎片性和低保真性可以解释关于快速眼动睡眠中记忆再激活存在/不存在的混合结果:这一阶段的不太可靠的再激活将更难以检测，并且使它们是否为实际的再激活更具争议性。
同样，梦也经常包含记忆元素，但很少完整地再现它们。事实上，只有不到2%的梦的内容与实际情景经历高度相似。一个例外是在非快速眼动和快速眼动阶段的重复性噩梦，有时会在回忆创伤记忆时重演。记忆在非快速眼动和早夜的梦中表现得更为密切。相比之下，快速眼动和深夜的梦更具超联想性，换句话说，更奇怪，更隐喻，与遥远的记忆有关。研究将学习任务纳入梦境与表现的关系也表明，最初的记忆任务并没有直接或完全纳入梦境，而是以间接、联想和碎片化的方式纳入梦境。梦倾向于在同一叙述中共同激活多个记忆，这可能反映了记忆痕迹的整合和转化，而不是纯粹的稳定。
总之，时间压缩的存在和大多数再激活事件的短暂持续时间很难与梦的时间结构相协调。虽然在清醒状态下，当复杂的刺激只持续50-100毫秒时，可能会产生一定程度的知觉，但这些事件可能太快，无法在梦中产生稳定的、有意识的表征。然而，记忆再激活和梦的相似之处在于，它们可以以一种转换和碎片化的方式发生，尤其是在深夜，并且可以同时激活多个记忆。
8. 神经关联
8.1?解剖学关联
啮齿类动物的记忆再激活被记录在海马水平和不同的皮层和皮层下区域。皮层和皮层下的再激活可以在不同的区域同步进行，并且可能由海马再激活驱动。在人类中，在海马区和皮质区也实现了神经再激活的颅内记录。已经提出了几种理论来解释梦是如何从大脑活动中产生的，但是梦的神经关联仍然是一个有争议的问题。尽管如此，大脑皮层的活动似乎对有意识睡眠体验的出现至关重要。事实上，通过不同的技术收集的证据，包括高密度脑电图、功能磁共振成像和直接脑刺激，表明梦的内容可能反映了在清醒时通常参与类似经历的相同大脑区域的激活。海马体在梦境体验产生中的可能作用尚不清楚，但海马体损伤患者的案例研究部分地支持了这一点。
8.2?功能关联
在非快速眼动睡眠期间，啮齿类和人类的再激活事件与海马swr密切相关。swr与皮质纺锤波(10-16 Hz)和慢振荡(<1 Hz)相协调。与此相一致的是，在人类中已经发现了与学习相关的时间锁定纺锤体的再激活和慢振荡纺锤体复合体。重要的是，慢振荡和纺锤波发生并受到局部调控，因此被认为维持了回路特异性的海马体-皮层耦合和记忆巩固。虽然频率远低于非快速眼动睡眠，但在快速眼动睡眠期间，swr也可能嵌入theta波(4-12 Hz)和锯齿波(2-6 Hz)中。此外，在分阶段快速眼动期间，θ波活动的短暂增加与海马和皮质区域的协调能力增强有关。根据这些观察结果，在人类中所谓的靶向记忆再激活(TMR)方案，诱导记忆再激活，可能导致纺锤波、慢波活动和/或θ波活动的增加。
与没有做梦的人相比，做梦后的睡眠时间似乎与非快速眼动和快速眼动睡眠期间的相对皮层激活和慢波活动减少有关。在非快速眼动睡眠中，梦的回忆与相对“激活”的快速纺锤波背景上出现的少量和大量慢波有关。在快速眼动睡眠中，θ波活动与梦境回忆之间的关联也得到了部分支持。此外，据报道，θ波能量与将近期记忆纳入快速眼动梦之间存在正相关，但在清醒-睡眠过渡期间发现相反的情况。
总的来说，所描述的研究结果表明，记忆再激活的解剖和功能相关因素与那些有助于梦境体验出现的相关因素之间存在部分重叠。然而，表明特定的再激活模式对应于同样特定的意识体验的直接证据仍有待获得。
9.?结束语和未来展望
总之，记忆再激活的几个特征在梦境中没有明确的现象学对等物。大多数神经重放事件发生在安静的清醒、困倦或早期非快速眼动睡眠中，与慢振荡活动有关，并在整个睡眠期间趋于衰减。相比之下，当慢振荡活动较低时，尤其是在快速眼动睡眠的后期，做梦是最明显的(和“梦一样的”)。此外，大多数证据表明，梦以现实生活的速度进行，并在几秒钟和几分钟内发生，而重新激活通常被压缩，并在数百毫秒的范围内发生。最后，海马体损伤并不会阻止做梦，尽管它可能会影响做梦的频率和内容。总的来说，这些发现对梦直接反映快速、自发和海马体驱动的神经重放作为记忆巩固的一部分的解释提出了质疑，并表明梦，特别是在快速眼动睡眠期间，依赖于其他机制。
然而，这两种现象无疑有一些共同的特点：都包含近期经历的片段，都偏爱突出的和新颖的记忆，在睡眠后期表现出较低保真度的重新激活，共享一些潜在的神经关联，并且与改善的记忆表现有关。尽管快速回放事件不太可能是梦境体验的主要基础，但再激活过程可能以不同的方式与梦境相关。梦的各种记忆来源——尤其是快速眼动梦——在某种程度上意味着潜在记忆痕迹的重新激活或重组。记忆巩固过程可能包括几种类型的神经再激活，例如，以不同的速度、大脑区域或认知水平发生。可能只有在火车或非压缩速度下发生的神经再激活，或者是那些携带皮层再激活的选择，才会在睡眠中有意识地经历。然而，梦的有意识和互动体验可能超越了自发记忆再激活的单纯反映，因此支持记忆整合、意义构建、情绪调节和为未来做准备的更广泛功能。在这个观点中，一些神经再激活甚至可能在梦的构建过程中被积极地寻找，从而有助于记忆元素被加工和整合到丰富的多感官梦体验中。另外，记忆再激活，包括快速回放，可能不会在梦中立即或直接被感知，而是在选择或启动记忆痕迹时发挥作用，以便在梦中(或白日梦)在后期阶段。事实上，利用TMR操纵记忆再激活的研究，虽然范围有限，但已经显示了对梦的直接和延迟影响的证据。最后，有可能在睡眠期间标记记忆以供后期处理的唤醒机制同时影响记忆巩固过程和梦。未来的研究将需要克服一些限制，以促进我们对这两种现象之间的关系的理解，并最终支持一种解释。
记忆巩固是一个随时间展开的过程;然而，我们对记忆在一个晚上和多个晚上重新激活的时间过程的理解仍然缺乏。最近提出的框架表明，在一个晚上内，在早期非快速眼动睡眠中高保真重放近期记忆与低保真重放相结合，并在后期快速眼动睡眠中整合更远的记忆，可以随着时间的推移优化记忆巩固。用实验数据验证这些模型将需要开发新的方法来追踪远程和低保真度的记忆再激活，以及在较长时间内检测多个记忆源的共同再激活的方法。进一步研究非空间神经再激活(例如，情绪或认知)将揭示与梦经历的潜在相似性。除了样本量小和梦回忆能力多变之外，梦与记忆研究中一个常见的限制是它对相关设计的依赖。设计梦境内容或直接操纵记忆再激活的新方法将允许对它们之间的关系有更机械的理解。值得注意的是，在收集NREM梦境之前立即应用TMR将测试重新激活特定记忆是否会导致它们从这一阶段立即并入梦境。相反，研究可以测试操纵梦的内容(例如，在清醒梦中练习一个任务)是否能以自上而下的方式诱发再激活事件。在完成记忆任务后，通过颅内记录收集患者的梦境报告，也将提供一个将神经层面与主观体验直接联系起来的令人兴奋的机会。这些新颖的方法，加上对梦经历的深度神经现象学研究，将是揭示睡眠中记忆巩固的复杂机制以及梦的产生和功能的核心方面的关键。
参考文献：Memory reactivations during sleep: a neural?basis of dream experiences?
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