睡眠脑电研究：纺锤波在动作记忆的巩固中起到重要作用

来自蒙特利尔大学的Samuel Laventure等人在Sleep上发文，其研究认为睡眠纺锤波在动作记忆的巩固中起到重要的作用。该研究采用嗅觉定向记忆重激活范式和动作序列学习任务，探究在睡眠纺锤波期间，不同频段下有气味线索与无气味线索的动作序列学习的巩固情况。随后，分别采用时频分解分析与相干分析的方法，旨在研究睡眠纺锤波是否与脑区区域内（局部）和区域间（连通性）的高低频活动有关。结果表明，睡眠纺锤波与相关脑区高频或低频活动之间的同步性，是动作记忆重激活的一个重要原因。同时，研究者强调了在评估记忆重激活变化的过程中，寻找有效的方法测量纺锤波的特性以及从时频域角度研究睡眠振荡均较为重要。

关键字：脑电；睡眠；记忆；重激活；动作序列学习；睡眠纺锤波；相干；theta；high-beta

本研究从前期TMR（targeted memory reactivation）实验中抽取49名被试，来研究睡眠阶段纺锤波在序列运动学习巩固中的作用。其中，25名被试被随机分配到Cond组（在实验过程中呈现嗅觉刺激，NREM2（non-rapideye movement stage 2）睡眠阶段呈现相同嗅觉线索；平均年龄：24.8±5岁；11名女性），24名被试被分配到NoCond组中（实验过程中不呈现嗅觉刺激，仅在NREM2阶段呈现气味线索；平均年龄：24.9±4岁；11名女性）。所有被试均为右利手，年龄在20-35岁之间，无任何神经、心理、精神疾病或睡眠障碍的病史。排除接受过乐器练习以及作曲训练的个体。所有被试贝克抑郁与焦虑量表得分均低于10分。

图1呈现了本研究的实验流程。被试进入实验室后，需要填写斯坦福睡眠量表来评估其主观睡眠质量。10:30pm时，被试进行动作序列学习(MotorSequence Learning, MSL)，期间给被试呈现或不呈现玫瑰香味刺激。被试在进行过MSL训练后，采用PSG（多导睡眠描记）记录其8小时整夜睡眠状况。记录4小时后，在NREM2阶段释放玫瑰味道气味刺激，时间最长60min分钟。在睡眠结束的2小时后，再进行MSL测试。

图1实验设计。

(A)实验设计概述。被试参与了目标记忆重激活(TMR)任务，其中包括在动作序列训练任务关联（或不关联）嗅觉刺激。在随后的下半夜睡眠期间，被试重新暴露于与嗅觉刺激线索条件下。通过比较被试在训练与重测阶段被试的表现，进而评估TMR的调节效应。

(B)实验分组。被试被随机分配到两个组内，其中，“Cond”组首先在动作序列学习(MSL)训练过程中接受气味刺激，随后在进入NREM2期后接受同样的气味刺激。与之相反，“Nocond”组在MSL训练期间不接受气味刺激，俄而在进入NREM2期后接受嗅觉刺激。所有的被试均在第二天早上再次进行MSL测验。

(C)睡眠期。刺激阶段指向被试呈现味觉刺激的睡眠阶段。与之相反，刺激前阶段是指呈现嗅觉刺激线索之前的NREM2睡眠期，其与刺激阶段时间长度匹配。

数据采集与分析

采用16导V-Amp16系统的PSG采集脑电数据。对于EEG数据预处理，首先，根据注册多导睡眠技术(RegisteredPolysomnographic Technologist, RPSGT)来进行睡眠建构分析（见图1C）；其次，对实验过程中的睡眠期进行重新定义，以呈现气味刺激的时间点为标准，将睡眠周期划分为两个阶段，分别为刺激前(pre-stim)与刺激后(stim)；随后，进行睡眠纺锤波的检测与选择，将持续时间在0.3s-2s之间，频率范围在11Hz-17Hz之间的事件定义为睡眠纺锤波。其中，本研究采用了一个可信性较高的睡眠成分的检测工具(https://github.com/Sinergia-BMZ/swa-matlab)，该工具可以检测出睡眠纺锤波开始的时间，继而将EEG数据划分为5s一段（纺锤波出现时刻2s前和3s后），后续剔除伪迹、假阳性检验以及5s中包含多个纺锤波事件的分段，最后整体检查数据质量。

对于EEG数据分析，分别进行了事件相关信号扰动分析(Event-relatedsignal perturbation analyses, ERSP)与相干分析(Coherenceanalyses)。ERSP分析为了评估功率谱相较于基线的均值变化，该方法将包含睡眠纺锤波的分段转化为时频域矩阵（频率范围为3-36Hz,时间范围为-1000-2000ms），仅涵盖10个电极点(F3,Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz, P4, Oz)。而后在数据分析事件之前，将ERSP标准化，从-1440到-1000ms。相干分析则是为了分析睡眠纺锤波期间脑区间的连通性变化。采用该方法探究不同组别间，在刺激前(pre-stim)和刺激后(stim)睡眠纺锤波之间发生的相位和振幅同步的变化。

结果

首先，本研究对被试的睡眠结构以及纺锤波特征进行分析。表1呈现了被试睡眠结构的情况。结果表明不同组别在总睡眠时间(TST)，总记录时间(TRT)等均没有显著差异，说明实验操作对两个组的睡眠结构的影响几乎没有差异。对刺激后阶段不同组别之间进行独立样本t检验，结果表明不同组别之间各变量差异均不显著(t(47)=1.325,p=0.19; Cond: 38.7±13.8min; NoCond: 33.7±12.8min)。对纺锤波特征进行分析，共纳入12235段数据，对不同组别刺激前后进行分析，结果表明不同组别刺激前后纺锤波时长、幅值、频率以及密度值均无显著差异。

表1睡眠结构

除睡眠效率之外，所有测量的睡眠指标均以分钟作为单位。睡眠效率指TST与TRT比率的百分比。该表同时呈现了标准误(SE)。对各个组之间的每个睡眠特性进行独立t检验分析，以确定睡眠结构中是否存在显著差异。正如预测的那样，在各睡眠期与睡眠特性中，各组之间均未出现显著性差异。

其次，采用时频分解的方法，探究不同条件、不同组别功率谱的局部变化。使用多重独立分析校正的线性回归生成刺激前和刺激期之间的ERSP变化的组差异图。Pz点处的组对比图（见图2B）表示在纺锤波（0-1000ms）期间sigma频带无显著性差异。而纺锤波出现前(-500ms到-300ms)在theta频带中发现显著的ERSP差异(Cond＞NoCond)，并且纺锤波出现后(1200ms-1600ms)在delta和theta频段均存在显著差异（见图2A）。与此同时，theta频段中，NoCond组比Cond组存在更大的ERSP变化。此外，回归分析表明纺锤波出现后(0-2000ms)在high-beta频段(20-30Hz)，NoCond组与Cond组之间长存在这显著差异。各频段的具体结果如下：

图2依赖刺激的睡眠纺锤波的时频分解。对Pz睡眠纺锤波进行事件相关谱扰动分析(ERSP)，以研究事件过程中信号刺激依赖性的变化。

(A)平均纺锤波。分析中包含所有纺锤波的事件相关谱扰动的平均值。以纺锤波启动的时刻（x轴上的零点）将每个事件进行对齐。时频图像的时间范围为-1000到2000ms（以启动时刻为零点）。频率段分布（y轴）为3-36Hz，其中分析中预先设定的频率带允许叠加——delta (δ), theta (θ), sigma(σ)与high-beta (hi-β)。每个像素的单位以分贝(dB)定义。

(B)Pz处刺激前后变化的组间比较。通过比较条件（刺激与刺激前）对比图，对不同组之间的差异进行线性回归。回归系数beta为正（红色）且显著（p＜0.001，FDR矫正；颜色条上的虚线代表显著的阈值）代表”Cond”组比“NoCond”组ERSP变化更大，而回归系数为负（蓝色）时情况则相反。

(C)拓扑图表示了组间的显著变化。利用线性回归所得到的图，生成了组间显著的回归系数beta拓扑图。（非绿色区域代表显著值）。图像被划分为三个时间段(-1000ms-0ms, 0ms-1000ms,1000ms-2000ms)以及三个预设的频率段(delta-theta, sigma和high-beta)。C图所采用的单位与B图一致。因此，只有显著的结果才会被表示为从红色（正值）（Cond＞NoCond）到蓝色（负值）（NoCond＜Cond）的颜色谱。颜色条上的虚线代表显著的阈值。

High-beta.首先，纺锤波出现前，拓扑图显示ERSP差异显著降低，与NoCond组相比，Cond在右顶部区域差异显著增大；其次，纺锤波出现后的1000ms内，与NoCond组相比，Cond在顶部区域(Pz)和右部中央区(C4)差异显著增大；最后，纺锤波出现后的1000ms-2000ms内，与NoCond组相比，Cond在后侧区域(P3,Pz, Oz)和中央区(Cz和C4)差异显著增大。

Sigma.Sigma频段在不同的时间段没有发现任何显著的组间差异。

Delta-theta.地形图表示与NoCond组相比，Cond组在纺锤波出现前（-1000ms到0ms）和纺锤波出现后(1000ms-2000ms)阶段，中央区与顶叶区在delta和theta频带上ERSP存在更强的差异。与之相反，在纺锤波出现后(0– 1000ms)，与NoCond组相比，Cond组在顶叶和右中央区存在更小的差异。

最后，采用相干分析的方法，探究在睡眠纺锤波期间不同频段(delta,theta, sigma, high-beta)不同脑区之间的连接性变化的情况。（见图3）各频段具体结果如下：

图3在睡眠纺锤波期间各脑区之间的一致性变化。刺激前后Pz处睡眠纺锤波的相干系数矩阵存在显著差异(p＜0.00001)，其中，每个组区域之间的相关采用有颜色的连线表示——红色表示增加，蓝色表示降低。以四个不同的频段进行分析：(A)SWA(0.25-4Hz),(B)theta(4-8Hz), (C)sigma(11-16Hz), (D)high- beta(20-30Hz)

Delta.结果表明，在delta频段下，Cond组沿前后轴方向的几个区域连接性增加；与之相反，NoCond组表现为两个半球间、左额叶右后部(C4、P4)的连接性降低。

Theta.结果表明，在theta频段下，Cond组在各个电极点间均表现为连接性增加，而在NoCond组表现为部分区域间连接性增加，部分区域间连接性降低。

Sigma.结果表明，在sigma频段下，仅Cond组脑区的连接性发生显著变化，其中连接性的增加主要集中于中央顶部区域。与之相比，NoCond组连通性无显著性变化。

High-beta.结果表明，在High-beta频带中，仅在NoCond中发现连接性的改变。其中，在四组连接性发生变化的脑区，三组连接表现为相干系数降低(C4-P3,C4-Oz, P3-Pz)。

一句话总结：睡眠纺锤波在动作记忆的巩固中起到重要的作用，睡眠纺锤波与相关脑区高频或低频节奏活动之间的同步性可以促进动作记忆重激活。

参考文献

Laventure,S., Pinsard, B., Lungu, O., Carrier, J., Fogel, S., & Benali, H., et al.(2018). Beyond spindles: interactions between sleep spindles and boundaryfrequencies during cued reactivation of motor memory representations. Sleep(2).