靠睡觉就能增强记忆！NC研究发现：膜电位状态能在慢波睡眠中增强记忆巩固！
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科学
2024-12-16 18:03
中国香港
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人类大脑的记忆巩固机制仍然是神经科学领域中的未解之谜。已知巩固过程与慢波睡眠密切相关，然而其具体的突触机制却一直不明。德国柏林医科大学的研究团队在他们的最新研究中，通过分析人类新皮质组织，揭示了慢波睡眠中UP和DOWN状态在突触巩固过程中的作用。这篇名为《Membrane potential states gate synaptic consolidation in human neocortical tissue》的论文发表在《Nature Communications》期刊上，为研究神经活动耦合与记忆性能之间的联系提供了新的视角。
记忆的巩固依赖于特定的睡眠状态，特别是在非快速眼动睡眠期间的大脑缓波活动。UP和DOWN状态作为神经元膜电位的特点，是这些缓波活动中的明显特征。这些状态不仅影响神经元的去极化和超极化，还可能在神经网络中引发持久的突触变化。从认识这些状态如何调节突触传递的角度，可以更好地理解人类大脑中记忆的巩固过程。通过对术中获取的人类新皮质脑切片进行详细的神经元膜片钳记录，研究人员发现UP和DOWN状态能显著增强锥体神经元间的突触传递。这种增强作用使得后续的动作电位得以更有效地招募，从而实现突触强度的长期稳定。尤其是在UP到DOWN的过渡阶段，这种突触传递的效率提升尤为明显。这些发现不仅揭示了人类大脑记忆巩固的潜在机制，还为开发新的脑刺激策略提供了指导方向。这些策略旨在通过调节缓波活动来改善记忆性能，这可能对治疗与记忆相关的神经疾病具有重要意义。研究团队利用从患者手术切除的脑组织，采用了多神经元膜片钳技术来探查不同膜电位状态下的轴突动作电位和突触传递变化。研究侧重于分析膜电位的UP和DOWN状态如何影响突触传递的可靠性和强度。 数据解读
图1：突触前亚阈值去极化通过扩大轴突动作电位增加突触强度图1展示了在新皮质切片中，含有突触连接的两个锥体神经元的结构图，以及它们之间的突触传递情况。突触前膜电位的去极化导致动作电位（AP）宽度的增加。这种增加导致较大的EPSP，说明突触传递强度的增强。去极化持续时间越长，突触传递增强效果越显著。![]()
图2：人类第2和3层锥体神经元的轴突包含Kv1钾通道，在亚阈值电压范围内表现缓慢失活图2显示了人类新皮质切片中，第2和3层锥体神经元轴突中存在的Kv1钾通道的特性。这些通道在亚阈值电压范围内显示出缓慢的失活。Kv1通道的失活在某种程度上影响轴突AP的宽度，并因此影响突触传递。
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图3探讨了突触可靠性如何影响突触前膜电位的亚阈值去极化对突触传递的增强效果。突触在“控制”条件下的可靠性越低，在“去极化”条件下增强的幅度越大。使用DCG-IV降低高可靠性突触的释放概率，结果显示这些突触也表现出增强效应。![]()
图4：突触前去极化和超极化序列恢复轴突动作电位幅度并进一步增加突触传递图4展示了去极化和超极化序列如何影响轴突动作电位的形态及突触传递。超极化恢复了经过去极化而减弱的轴突AP幅度。经过这种序列的突触传递得以进一步增强，超极化后的传递增强尤为明显。![]()
图5：突触前去极化和超极化序列增强突触后动作电位的募集，导致突触的持久稳定化图5表明通过多神经元膜片钳记录，展示了突触前的AP序列如何能显著增强突触后AP的募集，从而实现突触强度的长期稳定。同步的UP→DOWN→UP状态增加了突触后神经元的动作电位募集。这种募集是突触长时巩固的前提，未能驱动突触后神经元AP的突触则表现出持久的减弱。![]()
主要结论
UP和DOWN状态在突触传递中的调节作用是通过改变轴突动作电位的形状和同步性实现的。这一机制为理解大脑在睡眠状态下如何通过特定的电位变化增强记忆提供了新的视角。 讨论总结
研究指出，UP和DOWN状态通过提升突触传递的可靠性，创造了有利的“机会窗口”，极大地方便了神经网络的再激活。这种机制可能是大脑在睡眠中进行有效记忆巩固的基础。未来的研究和脑刺激手段需要关注如何在这些“机会窗口”中优化突触传递，以促进记忆的长久储存。注：本公众号仅针对学术文献进行解读，无任何指导及建议
