Nat Commun：日有所思，夜有所梦！科学家揭示睡眠双加工机制

好书推荐！《动物行为实验指南》电子版pdf，网盘发货

《动物行为实验指南》共674页，涵盖了常见的实验动物，如小鼠、大鼠和斑马鱼，详细描述了每一种行为测试的实验设计、测试设备、实验流程、评估指标、预期结果、常见问题及解决方法、数据分析、模型应用与局限性等各个方面。它通过快速引导，帮助研究人员高效地掌握实验的每个阶段，减少了查阅文献和寻找方法的时间，成为各类科研人员的重要参考资料。

《动物行为实验指南》共计收录了16种动物行为类型，包括焦虑抑郁、学习记忆、痛觉、运动、恐惧、社交、癫痫、操作、成瘾、视觉、痒觉、味觉、嗅觉、睡眠、斑马鱼行为以及常见动物模型等内容。每一类动物行为下，都详细介绍了多个经典的实验范式，涵盖了超过100种实验方法。

www.behaviewer.com

2025年4月28日，日本富山大学Kaoru Inokuchi在Nature communications发表：Parallel processing of past and future memories through reactivation and synaptic plasticity mechanisms during sleep，揭示了睡眠期间通过记忆重现和突触可塑性机制对过去和未来记忆的并行处理。

每天都会经历新的事件并存储新的记忆，尽管记忆存储在相应的印记细胞中，但不同组的印记细胞如何被选择用于当前和下一个事件以及它们如何创造记忆，仍然尚不明确。作者展示了在雄性小鼠中，海马CA1神经元在学习前的静息睡眠期间表现出一种有组织的同步活动，这种活动仅在印记细胞中与学习集合相关，称为预配置集合。此外，在学习之后，一部分非印记细胞发展出群体活动，这种活动是在学习后的离线阶段构建的，并随后出现以代表新学习的印记细胞。作者的模型表明，突触抑制和突触缩放可能在非印记细胞活动的重组中发挥了潜在作用。综合来看，在离线阶段存在两个并行的过程：通过记忆重现来保存过去的记忆，以及通过离线突触可塑性机制为即将到来的记忆做准备。

图一 在学习前的睡眠中激活的神经元群体会被招募到即将形成的记忆印迹中

作者通过使用微型显微镜和钙成像技术来追踪自由活动小鼠中印记细胞和非印记细胞在不同记忆处理阶段的活动情况。研究者们特别关注了学习前睡眠期间激活的神经元群体如何被招募到即将形成的新记忆印迹中。采用双转基因Thy1-G-CaMP7小鼠与c-fos-tTA小鼠杂交，并结合mini显微镜进行Ca2+成像以跟踪和标记海马CA1区的印记细胞和非印记细胞的活动。利用光转换荧光蛋白KikGR标记激活的细胞，使用非负矩阵分解分析方法解析复杂模式活动为一系列活跃神经元群及其时间活动模式。印记细胞比非印记细胞展现出更高的重复性和稳定性，在学习前的睡眠阶段尤其明显。这些细胞在接触到新的学习情境时会被招募进入新的记忆印迹中。此外，研究还表明睡眠对于这一过程至关重要，因为只有在睡眠而非清醒状态下，才能观察到这种特异性的神经元活动模式。研究表明，特定的记忆是由一组预先配置好的神经元群体在学习前的睡眠过程中被选择并激活，这组神经元随后参与到新的记忆形成中，且这种现象是印记细胞特有的。这也暗示了睡眠在记忆巩固和准备新记忆中的重要作用。

图二 即将形成记忆痕迹的神经元群体从非记忆痕迹群体中产生，以表征未来的记忆

基于记忆分配理论，兴奋性较高的神经元更有可能成为记忆的载体。研究旨在探究这些非印记细胞是否在记忆处理的不同阶段经历了从随机到协调活动模式的时间转变。通过分析非印记细胞池，寻找可能在未来事件中成为印记细胞的候选群体。利用高余弦相似度筛选出在学习后睡眠（N2和R2）期间显示出与学习前睡眠（N1和R1）不同活动模式的候选集合，定义为“即将成为印记细胞”集合。发现这些即将成为印记细胞在新学习事件（B）中展示了更高的相关矩阵活动，表明它们具有类似于已知印记细胞的行为特征。即将成为印记细胞在新的学习事件中表现出特异性的增强活动，这种变化特别体现在学习后的睡眠阶段，而非清醒状态。学习后的睡眠对即将成为印记细胞的准备和下一次学习至关重要，因为这些细胞在随后的睡眠中重新激活，巩固了记忆。研究还指出，一部分非印记细胞在首次学习后大幅改变了其活动模式以适应即将到来的学习，这强调了学习后睡眠在这一过程中的重要性。总结来说，该研究揭示了一部分非印记细胞能够通过特定的学习体验调整其活动模式，成为未来的印记细胞，并且学习后的睡眠在这一转换过程中起到了关键作用。这不仅支持了记忆巩固过程中睡眠的重要性，也进一步阐明了记忆形成机制中神经元的选择和重组过程。

图三 离线期间的突触可塑性机制调控即将形成记忆痕迹细胞的出现

为了理解印记细胞群集时间转移背后的可塑性机制，作者创建了一个神经网络模型来模拟“即将成为印记细胞”可能出现的过程。具体来说，假设在离线期间发生的突触可塑性支持了这些即将成为印记细胞的出现。在这个模型中，模拟了CA1神经元在四个阶段对来自CA3的情境依赖输入的响应：学习前睡眠、情境A、学习后睡眠和情境B。在情境暴露期间，高度激活的CA1神经元会变为印记细胞，并且与这些印记细胞相连的突触会被增强。基于这一学习规则，在学习之前活跃的预存集合更倾向于成为印记细胞，而在学习之后，它们对情境A的输入模式表现出强烈的响应。在学习后的睡眠期间，应用了在CA1中实验观察到的离线突触可塑性机制，包括由尖波涟漪引起的非印记细胞突触抑制以及稳态突触缩放。经过这种离线突触调节后，CA1中的非印记细胞停止对情境A的CA3模式作出反应，而这些模式在SWRs期间频繁重放。相反，非印记细胞对不同的CA3模式（非重放模式）表现出强烈反应从而导致CA1中新集合的出现。这些新集合预计会在下一次经历（如果与之前的经历不同）时被招募为印记细胞，其中一部分集合被观察到表现为即将成为印记细胞。先前的研究表明，这种在睡眠期间发生的突触去增强和突触缩放对于未来记忆的学习至关重要。首先，根据情境A将模拟的CA1神经元分类为印记细胞和非印记细胞，然后进一步根据它们在情境B中的活动将非印记细胞细分为“即将成为印记细胞”和其他非印记细胞。将情境A中的印记细胞进一步划分为共同印记和特定印记两种类型，依据是它们在情境B中的活动。作者分析了情境A中的活动模式与学习前后睡眠期间活动模式之间的匹配度，发现印记细胞与情境A的匹配度高于非印记细胞，其匹配得分与在体内Ca²⁺记录中观察到的结果相似。对情境B中的印记细胞和即将成为印记细胞群体重复了相同的分析，并将其得分与其他非印记细胞进行比较。结果表明，印记细胞和即将成为印记细胞的活动模式仅在学习后睡眠期间与情境B高度匹配，这表明情境B中激活的集合是在学习情境A之后形成的。当分别分析印记细胞和即将成为印记细胞时，也得到了定性相同的结果，尽管由于群体规模有限，匹配比例变得不稳定。使用更高的阈值（0.7）重复分析后，仍然显示出相同趋势，进一步证实了情境B中激活的新集合是在第一次学习（情境A）之后出现的。此外，还模拟了情境B之后的睡眠阶段，并评估了情境B与随后睡眠期间活动模式之间的匹配度。确认即将成为印记细胞的匹配度高于非印记细胞，这与实验结果一致。印记细胞在学习前后睡眠期间的相关性均高于非印记细胞，这模仿了学习前后实验观察到的同步相关活动。即将成为印记细胞仅在学习后睡眠期间表现出高相关性，在学习前睡眠期间则没有，这进一步验证了非印记细胞活动的时间转移以及即将成为印记细胞仅在第一次学习后出现的现象。

作者提出，该研究提出在学习后的离线期间（例如睡眠或休息时），大脑同时进行两个重要的过程：一方面通过重新激活已有的记忆痕迹神经元群体来巩固过去的记忆，另一方面通过突触机制产生新的即将成为记忆痕迹的神经元群体，为未来的记忆编码做准备。这种双重机制不仅有助于理解大脑如何处理和存储信息，还对多个领域有着深远的研究意义。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-58860-w