日前，發(fā)表在Naturecommunications 雜志的一項研究表明，大腦皮質區(qū)與丘腦區(qū)上的神經電信號具有特殊的時序相關性。這一研究進一步證明了在人類的記憶回放過程中，存在著一個完整的神經生理學回路。
過往研究表明，在人類睡眠過程中的非REM（rapideyes movement，快速眼動）睡眠期間會產生數以千計的慢波和紡錘波。其中，紡錘波的出現主要集中在丘腦區(qū)，而由downstate（錐形神經元、中間神經元及突觸的活動都很低的狀態(tài)）現象產生的慢波則更容易出現在大腦皮質區(qū)域。但在非REM睡眠期內,我們對丘腦和大腦皮質區(qū)之間的相互作用以及兩種波的產生機理仍然知之甚少。
來自加利福尼亞大學神經科學研究所的學者們使用顱內電極采集了三名正在接受癲癇評估患者在非REM睡眠階段2和階段3期間的特征信號，對皮質和丘腦的慢波和紡錘波的產生與傳遞過程進行了深入研究，研究發(fā)現，在非REM睡眠期的記憶鞏固階段，大腦皮質區(qū)與丘腦間存在著一條以慢波與紡錘波為主體的皮層區(qū)-丘腦區(qū)-皮質區(qū)的時序關系。
為了進一步研究二者之間的關系，研究人員依次分析了慢波和紡錘波在兩個區(qū)域間的關聯(lián)性，并得到了以下四點結論：
1）首先，大腦皮質區(qū)由downstate現象產生的慢波會通過去促酌的作用（disfacilitation）誘發(fā)丘腦產生相應慢波（如圖 1所示）。其原因在于大腦皮質區(qū)域神經元細胞的downstate現象誘發(fā)丘腦區(qū)域產生相應的downstate現象。以圖1中所示的顯著區(qū)域為例，從皮質區(qū)慢波波峰的產生到丘腦區(qū)產生相應的慢波波峰，其平均延遲時間為218±66ms。
圖1皮質的慢波誘發(fā)的丘腦的慢波（a）整體框架：（1）皮質downstate現象引起丘腦downstate現象，（2）丘腦慢波的downstate現象引發(fā)了丘腦紡錘波的產生，（3）丘腦紡錘波驅動皮質紡錘波；（b）皮質的downstate現象引起丘腦downstate現象的單個實例；（c）皮質區(qū)測點位置；（d）丘腦測點位置；（e）皮質區(qū)雙極對位置示例；（f）丘腦downstate現象化產生的慢波被鎖定在0ms，在±2秒內出現的皮質區(qū)的慢波峰值的數量繪制在紅色的50ms的區(qū)域中；（g）當兩個皮質位置與一個皮質位置相比時，downstate現象的概率顯著增加。
2）隨后，在睡眠期回放記憶的過程中，丘腦產生downstate現象會進一步影響丘腦紡錘波的產生。而導致這一現象產生的原因是在非REM睡眠期間，丘腦自身的神經元細胞并不能產生足夠的超極化，它們需要來自慢波的超極化來共同產生紡錘波。
3）此外，丘腦產生的紡錘波會進一步誘發(fā)大腦皮質區(qū)產生相應的紡錘波。這一現象的產生機理是因為紡錘波產生的震蕩現象會被投射在皮質區(qū)域，從而誘發(fā)皮質區(qū)產生相應的紡錘波。
圖2丘腦紡錘波誘發(fā)了皮層紡錘波的產生。（a）皮質測點；（b）丘腦紡錘波發(fā)生被鎖定在0ms，在±2秒內出現皮層紡錘波的數量繪制在紅色的50ms的區(qū)域中；（c）單個試驗下重疊的內側/外側丘腦枕和連接回紡錘波；（d）10-16Hz波段的81%已探測重疊紡錘波定位于丘腦枕紡錘波的產生;（e）在同一極對中，定位于單個丘腦枕紡錘波波谷的局部場電位，皮質局部場電位紡錘波的波谷與左側丘腦枕是同步的。
4）最后，研究人員通過分析，證明了皮質區(qū)的紡錘波的出現發(fā)生在其downstate向upstate（神經元活躍程度可與清醒時相比的狀態(tài)）轉換的瞬間，并在慢波峰值出現約250ms后達到紡錘波的峰值?？蒲腥藛T在皮質區(qū)的快紡錘波與慢紡錘波中均發(fā)現了相同的現象。
綜上所述，丘腦與大腦皮質區(qū)域之間存在著一個動態(tài)的皮層-丘腦-皮質區(qū)的相互依存的關系。科研人員希望這一實驗結果可以幫助人類進行記憶回放。
參考文獻：Rachel A.Mak-McCully. Coordination of cortical and thalamicactivity during non-REM sleep in humans. Nature Communications. 2017.5
聯(lián)系客服
