睡眠中如何增强记忆？ tDCS电刺激篇

当研发出假肢，让截肢的患者能够重新走路的时候，同样的科技就能用来为健康人进化升级，如果能够发现防止记忆力衰退的方法，同样的方法也能用来为年轻人增强记忆力，治愈与进化之间并没有明确的界限，医学一开始几乎总是要拯救那些低于正常下限的人，但同样的工具和知识也能用来超越正常的上限。

《未来简史》尤瓦尔赫拉利

数十年来，医学与神经科学在精神类疾病治疗上取得了很多突破性进展，比如说：用有创的DBS/深部脑刺激技术取代病灶切除手术来治疗癫痫，用无创的TMS/经颅磁刺激技术和tDCS/经颅直流电刺激技术，通过刺激大脑皮层来缓解抑郁症和精神分裂症患者的病情，反过来，临床上用于治病的技术，也可能被科学家搬进实验室，用于研究如何增强正常大脑的功能。

近年来，类似的研究屡见报端，例如：2014年美国Newsweek曾报道：Northwest大学研究人员用TMS增强正常人的记忆功能。2006年印度DNA（DailyNews&Analysis）曾报道：德国Lubeck大学研究人员通过电刺激使正常人增强记忆。同年新华社也对做了相关报道：科普：睡眠时刺激大脑可能提高记忆力。

我的上一篇文章提到，1924年两位美国科学家发现睡眠能有效地减缓遗忘。经过多年的研究，科学家逐步将睡眠的抗遗忘功能与睡眠早期的慢波睡眠联系在一起，研究发现清醒时存储在海马内的短期记忆，在慢波睡眠中会逐步向长期记忆存储中心-新皮层转移，而睡眠当中新皮层-丘脑-海马的“交流对话”，即slowoscillation-spindle-sharpwaveripple同步振荡为此提供了实验依据。

本文便以2006年德国Lubeck大学的科学家在国际顶级期刊nature发布了一篇了文章：睡眠中调节慢波振荡增强记忆为例，阐述睡眠中增强记忆巩固的方法。

Question

先前的研究中作者发现，在大脑皮层施加微弱的delta直流电流刺激，能增强皮层的脑电振荡，而在慢波睡眠中，新皮层的慢波振荡以“从上到下”的方式驱动丘脑和海马同步活动，促进短期记忆向长期记忆不断转化。能否通过低频电刺激的方式，改变新皮层的慢波振荡，进而增强陈述性记忆巩固呢？

Part1实验设计

慢波睡眠中新皮层的慢波振荡频率为0.5-4Hz（delta波），主频率为0.7-0.8Hz，在学习后的慢波睡眠中，通过微弱电流刺激前额叶新皮层，改变新皮层的慢波振荡，探究慢波振荡改变与记忆巩固之间的联系。

Part2实验流程

医学生因为在学习中需要记忆很多知识的缘故，通常都有着出色的记忆能力，因此研究人员招募了一批医学生作为被试。实验分为刺激组和非刺激组，在研究人员的引导下，被试带上电极帽，睡前完成单词记忆任务（能用语言表达的）和程序性记忆任务（说不出但会做的），进入睡眠后第一个睡眠周期的慢波睡眠阶段，刺激组接受微弱的0.75Hz电流刺激（人体完全感受不到），而非刺激组则只带电极帽不施加电流刺激。早上被唤醒后，被试接受记忆提取测试，评价记忆结果。

Part3实验结果

陈述性记忆任务中，刺激组与非刺激组在睡眠觉醒后记忆单词数均增多，但刺激组表现更好（4.77>2.08），而程序性记忆任务中，两组被试没有表现出显著性差别。

与非电刺激组相比，电刺激组在电刺激之后的1小时内，睡眠结构发生改变，慢波睡眠和REM睡眠均显著增多，而浅睡眠减少。

功率谱分析显示：0.5-1Hz的慢波、8-12Hz的慢spindle能量均有不同程度提高，12-15Hz的快spindle能量则没有提升。

Part4实验结论

1.新皮层delta电刺激有效提升了海马依赖性的陈述性记忆，而与REM睡眠有关的程序性记忆，因其巩固不在慢波睡眠阶段进行，因此巩固没有得到增强。

2.新皮层delta电刺激有效增强了新皮层的慢波振荡，改变睡眠结构使慢波睡眠增多，加强了“新皮层-丘脑-海马”之间的交流对话，为慢波睡眠促进记忆巩固提供了实验依据。

3.慢波睡眠中新皮层的慢波振荡增强，会引发源自丘脑的spindle振荡也随之增强，致使海马内存储的短期记忆向皮层存储的长期记忆转化增强，这为slowoscillation-spindle同步振荡增强记忆巩固提供了实验依据。

而清醒和REM睡眠时新皮层振荡频率为4-8Hz（theta波），主频率为5Hz，能否通过theta电刺激改变慢波睡眠中新皮层的慢波振荡和REM睡眠中新皮层的theta振荡，进而增强记忆巩固呢？

2011年该研究团队又发表了另一篇文章，睡眠中theta电刺激抑制了记忆巩固。

在被试学习后的睡眠中，早期慢波睡眠和睡眠后期REM睡眠阶段，用5Hz的微弱电流刺激前额叶皮层，研究theta刺激对慢波睡眠和REM睡眠的影响。

陈述性记忆任务中，刺激组与非刺激组在睡眠觉醒后记忆单词数均增多，但刺激组表现更差（2.80<5.16），而程序性记忆任务中，两组被试没有表现出显著性差别。

在慢波睡眠中，theta电刺激导致刺激当时睡眠结构发生显著改变，慢波睡眠显著减少，而浅睡眠显著增多。电刺激之后的1小时内，慢波睡眠和浅睡眠结构逐步恢复到正常。

功率谱分析显示：受theta电刺激影响，slowoscillation和慢spindle能量均发生不同程度降低，而停止刺激之后的1小时内，慢波和慢spindle能量先代偿性升高，再逐渐恢复到正常水平。

功率谱分析显示：REM睡眠中theta电刺激诱发gamma频段的能量提升，这与学习过程中新皮层theta-gamma耦合现象一致。

实验结论

慢波睡眠中theta电刺激显著抑制了新皮层的慢波振荡，使海马依赖性的陈述性记忆巩固变差，REM睡眠中theta电刺激对程序性记忆没有显著影响。

文章小结

在慢波睡眠中用tDCS在新皮层施加低频电刺激，能增强新皮层slowoscillation，增强陈述性记忆巩固，而theta电刺激，会削弱新皮层slowoscillation，抑制陈述性记忆巩固。

近年来国内外许多研究团队都在积极研发研tDCS设备，由波音和通用公司共同持股的HRLLaboratories和美国加州Thync公司都曾研发出商用可穿戴tDCS设备，但略显遗憾的是，因其使用安全可靠性未能得到广泛验证，目前国内外tDCS设备均未能通过医疗认证，而个人DIYtDCS设备和商用tDCS设备也常因使用不当，造成使用者皮肤烧伤、暂时性视力丧失等安全问题，因此需要谨慎对待。

写在最后

人类脑计划的终极使命“认识脑-保护脑-创造脑”，经过一代代科学家的努力，正在一步步变成现实，神经科学技术的不断革新和发展，使我们能进一步窥探大脑深邃的奥秘。