摘要

睡眠通过重新激活新形成的记忆痕迹来巩固记忆。研究睡眠中记忆再激活的一种方法是让睡眠中的大脑再次暴露于听觉检索线索(定向记忆再激活范式)。然而，记忆线索的声学特性在多大程度上影响定向记忆再激活的有效性，目前还没有得到充分探索。本研究通过探索言语和非言语记忆线索如何影响睡眠中与记忆再激活相关的振荡活动来解决这个问题。五十一名健康男性成年人学会了将视觉刺激与言语词汇(言语线索)和环境声音(非言语线索)相关联。然后，在睡眠期间重复播放言语和非言语记忆线索的子集。言语线索的声音要么与学习的线索匹配，要么不匹配。记忆线索(相对于未听过的控制线索)促进了θ/α和纺锤波功率的增加，这与睡眠相关的记忆加工有很大关系。此外，与非言语记忆线索相比，言语记忆线索与纺锤波功率的增加相关。匹配与不匹配的言语线索之间无显著差异。本研究结果表明，言语记忆线索可能是触发睡眠中记忆再激活最有效的方法，这一点可以通过纺锤波反应的增强来证实。

前言

睡眠有助于记忆巩固，即将信息保存在长期记忆中的过程。与睡眠相关的记忆增益最初被认为源于一种被动保护机制，即睡眠保护新获得的记忆免受觉醒的干扰。然而，近期研究表明，睡眠在离线记忆处理中也发挥着积极作用，例如依赖于海马体的记忆被反复再激活，并逐渐与新皮质中的先前表征相融合。

根据这一主动系统巩固框架，睡眠中的记忆加工依赖于慢波睡眠(SWS)的基本神经振荡之间的精细调节作用：＜1Hz的新皮层慢波振荡(SOs)，11-16Hz的丘脑皮层睡眠纺锤波和~80-100Hz的海马涟漪。嵌入SOs中的睡眠纺锤被认为将以涟漪的形式将重新激活的记忆单元聚集起来，以协调它们从海马体转移到新皮质进行长期储存。一些研究为这一观点提供了有力的支持，证明学习时观察到的大脑活动模式会在纺锤波期间再次出现，突显了纺锤波作为睡眠记忆再激活的候选神经标志物。

除了纺锤波、慢波和涟漪外，4-8Hz的θ节律也与夜间记忆巩固有关。主动系统框架的改进表明，在慢波睡眠期间，纺锤波和θ振荡协同作用以支持记忆再激活和稳定，其中θ活动代表新形成记忆的初始再激活，而纺锤波则标志着其后续的再加工和迁移到新皮质。

睡眠在离线记忆加工中的作用在很大程度上受到了记忆线索范式(即定向记忆再激活(TMR))的影响。在一项典型的TMR研究中，参与者在学习时将新记忆和声音相关联。然后，在SWS期间，其中一部分声音被重放以触发其相关联的记忆痕迹的再激活。大量研究表明，相对于未被提示的记忆，受到TMR提示的记忆在睡眠中的保留效果更好，这为记忆再激活是睡眠相关巩固的核心机制提供了因果证据。

除了记忆再激活的行为表现之外，TMR还为睡眠纺锤波和θ振荡在夜间巩固中的作用提供了重要证据。在人类中，在慢波睡眠期间传递的记忆提示会引发纺锤波活动的短暂增加，这种增加的幅度能够预测后续的记忆表现。TMR诱发的纺锤波活动增加通常会在θ活动激增之前出现，这与θ和纺锤波节律在离线记忆加工中发挥互补作用的观点一致。

尽管大多数TMR研究使用环境声音(例如狗叫声)作为记忆提示，但也有一些研究在睡眠期间使用言语刺激(即口头语言)。虽然目前对于言语和非言语线索提示的TMR效果是否有所差异的研究还很有限，但这仍然是一个重要问题：通过确定哪种类型的记忆提示对离线记忆加工产生最大影响，我们可以优化TMR协议并增强其在教育和医疗保健领域中的潜在效用。

在以往的研究中，我们比较了言语和非言语记忆线索对与睡眠相关巩固过程的影响。参与者在学习时将视觉刺激与口语单词(言语线索)或环境声音(非言语线索)相关联，然后在慢波睡眠期间重复播放这些刺激。虽然在慢波睡眠期间的线索提示改善了记忆保持效果，但这种行为改善的幅度在不同的言语和非言语线索提示条件下是非常相似的，这表明线索提示类型对TMR的记忆增强效果没有影响。

然而，我们之前研究中使用的行为测量指标(成对联想遗忘)可能不足以检测言语和非言语TMR提示的有效性差异。鉴于最近的证据表明，睡眠中的纺锤波活动提供了离线记忆回放的神经标记，因此睡眠纺锤波(以及其他与慢波睡眠中记忆再激活相关的神经振荡)可能提供了一个更可靠的方法来揭示睡眠大脑对不同类型记忆线索的反应性。

本研究对先前研究(Cairney等人，2017)获得的睡眠EEG数据进行了二次分析。该研究比较了言语和非言语记忆线索的TMR效果(实验1)，以及听觉匹配和不匹配的言语记忆线索的影响(实验2)。由于本研究的TMR方案包括在学习时未呈现的言语和非言语控制刺激，因此我们可以分离出与睡眠中记忆再激活相关的时频响应(即记忆线索＞控制线索)。本研究利用这些时频表征来考察睡眠中的大脑对言语或非言语记忆线索提示的反应性(即基于诱发的纺锤波/θ响应)，并评估匹配线索和不匹配线索在行为上产生的差异影响是否伴随着不同的神经活动特征。

材料与方法

参与者

本研究分析了51名健康男性的数据(实验1：n=28，平均年龄±标准差=20.32±1.54；实验2：n=23，平均年龄±标准差=20.96±2.38)。筛选问卷显示参与者无睡眠障碍、神经或精神疾病史，不吸烟，也未使用任何精神活性药物。由于伦理委员会要求至少有一名实验者与在实验室过夜的参与者性别相同，所以只包括男性参与者。由于主要实验者是男性且独自完成工作，所以只能纳入男性参与者。按照本实验室的标准做法，要求参与者在研究开始前24小时内避免饮酒和咖啡因。匹兹堡睡眠质量指数显示，所有参与者在研究前一个月的睡眠模式均正常。所有参与者都提供了书面知情同意书，并且该研究获得了约克大学心理学系研究伦理委员会的批准。

程序

实验1

夜晚

实验程序如图1所示。参与者于晚上9:30(±30分钟)到达睡眠实验室，并接受睡眠脑电监测。他们被告知该研究是关于睡眠在记忆巩固中的作用，但未被告知TMR操作。训练包括两个配对联想任务，一个带有言语提示，另一个带有非言语提示(分别执行且顺序在参与者之间平衡)。这两个任务都包括学习阶段和测试阶段。在学习阶段，参与者将28个视觉呈现的单词与听觉刺激相关联。所有言语提示都以男性或女性的声音呈现(在参与者之间平衡)。在测试阶段，参与者会再次听到每个听觉刺激(言语或非言语)，并被指示输入相关联的单词。如果参与者无法正确回忆起＞60％的目标词，则重复训练。然后，参与者完成最后的睡前测试，在此测试中，评估了参与者对所有56个以随机顺序呈现的言语和非言语配对联想词汇的掌握程度(遵循与之前测试阶段相同的程序)。

图1.实验程序。

TMR线索

对于在最后的睡前测试中得分为正确的配对联想中，随机选择一半的言语线索和一半的非言语线索，并在慢波期间混合回放。另外两个在学习阶段没有出现过的控制线索提示(单词“surface”和吉他弹奏声)随机地穿插在记忆线索中。这些控制线索的播放次数与其对应的言语和非言语线索重播的次数相同，并且在TMR测试开始时（两个言语和两个非言语）播放，以确保参与者的睡眠在听觉刺激期间不会受到干扰。

整夜睡眠

大约在晚上11点左右熄灯。整晚播放白噪声以使参与者习惯听觉刺激(39dB)。在参与者出现至少2min的连续SWS(通过在线睡眠脑电图监测确定)后，开始TMR。记忆线索以5s的间隔播放，在回放每个线索时降低白噪声的强度以提高声音清晰度。由于参与者之间的记忆线索提示数量有所不同，因而在线索之间随机混合无刺激事件(即没有刺激的事件)，以确保每轮TMR始终持续290s。TMR会在SWS的前两个周期中重复进行，每个周期之间间隔1min。如果参与者从SWS睡眠状态转换到其他睡眠阶段或清醒状态，或者出现微觉醒迹象，则提示会停止，但如果参与者重新回到SWS睡眠状态，则线索提示会重新开始。大约早上7点，参与者被叫醒，除非他们处于SWS或者快速眼动(REM)睡眠状态中，在这种情况下，将允许他们继续睡眠，直到他们醒来或进入N1或N2睡眠阶段。

实验2

实验2遵循与实验1相同的程序，不同之处在于训练和测试时均以男性声音提供言语线索，睡眠时以女性声音提供言语线索(言语线索训练和非言语线索训练达到标准所需的平均轮数分别为(1.39±0.12)和(1.74±0.09)，t(22)=2.34；p=0.029)。

刺激

言语线索

本研究使用了来自南佛罗里达大学(USF)的35个单音节和双音节词汇(平均音节数为1.54±0.51)作为言语线索。这些词汇由两位不同的说话者录制，分别为一名男性和一名女性。男性和女性的录音持续时间相近(平均值±标准差：男性=769.29±104.95ms，女性=774.80±99.14ms，t(34)=0.49；P=0.63)。另外，从USF标准中选取了一个控制词汇(“surface”)作为言语控制线索(男性持续时间=990ms；女性持续时间=950ms)。选择一个抽象(而不是具体)的控制词是有意为之的，以确保它与言语记忆线索有所区别。

非言语线索

从先前的研究和http://freesound.org上选取了35个环境声音作为非言语线索。这些声音的长度与男性和女性版本的言语线索相似(平均持续时间±标准差=740.97±156.29，F(2，102)=0.76；P=0.47)。此外，还从Rudoy等人(2009)的研究中选取了吉他弹奏的声音(524ms)，用作非言语控制线索。

视觉刺激

从USF标准中选取了70个单音节和双音节词汇，用作言语和非言语配对的视觉目标。每个词语都与言语和非言语的听觉线索进行配对，结果形成了两组包含35个言语配对的项目(言语A和言语B)，以及两组包含35个非言语配对的项目(非言语A和非言语B)。在实验中，如果言语配对来自A组，那么非言语配对来自B组，反之亦然(在参与者之间平衡)。所有配对项目之间没有明显的语义联系。在35对言语/非言语配对项目中，3对用于练习试次，4对用于填充试次，剩下的28对刺激则用于主要任务。

设备

睡眠EEG

使用Embla N7000 PSG系统和RemLogic 3.4软件进行睡眠监测。按照国际10-20系统，将镀金电极连接到头皮，分别位于额部(F3和F4)、中央(C3和C4)和枕部(O1和O2)位置，并以双侧乳突(M1和M2)作为参考电极。连接左右眼电图电极和双侧颏下肌电图电极，同时在前额上加入接地电极。每个电极的连接阻抗均小于5kΩ，所有在线信号均以200Hz的采样率进行采集。使用中央电极(C3和C4)进行睡眠分期评分。

定向记忆再激活(TMR)

采用Presentation v17.0(eurobehavioral Systems，Inc.)实施TMR。听觉线索提示通过放置在床上方约1.5m处的扬声器播放，与放置在单独控制室中的放大器相连接。

EEG分析

所有脑电数据预处理和分析均在MATLAB 2019a版本中使用FieldTrip工具箱10/04/18版和EEGLAB 2023进行。

预处理

将睡眠脑电数据进行双侧乳突重参考(M1和M2的平均值)，进行了49-51Hz的陷波滤波、0.5Hz的高通滤波，并进行分段(提示开始前-1到3.5s范围内)。使用FieldTrip的Databrowser函数，首先对数据进行目测检查以排除噪声通道(未发现)。然后使用FieldTrip的自动化伪迹拒绝函数(ft_artifact_zvalue)进行自动伪迹拒绝。在这一步骤中，使用滤波器和Z变换放大了15-32Hz的肌肉伪迹(伪迹两侧各有0.1s的填充)，然后将其删除(两个实验中所有参与者被删除的试次为(平均±SD=3.96±2.26))。剩余伪迹通过FieldTrip的Databrowser进行目测检查，并进行手动剔除(两个实验中所有参与者的噪声试次均被剔除=4.14±5.23)。在分析之前，排除了不属于N2或SWS睡眠阶段的试次(两个实验中所有参与者被删除试次=7.55±10.84)。表1显示了伪迹拒绝和试次删除后每种条件下的试次数。

表1.每种条件下的TMR试次数。

时频分析

计算频率范围为4-30Hz的时频表征(TFRs)。使用自适应窗长(即窗长随频率增加而减小，如4Hz时为1.25s，5Hz时为1s等，依此类推)，将数据在0.5Hz频率步长和5ms时间步长下与5周期汉宁锥进行卷积。将TFRs转换为相对于一个-0.3至-0.100s的提示前基线窗的功率变化百分比。选择该窗口是为了减轻刺激后活动对基线的污染，同时保持接近提示开始的时间。

事件相关电位

对于事件相关电位(ERPs)，数据进行了0.5Hz的高通滤波和30Hz的低通滤波。对-0.2到0s的时间窗进行基线校正，以保持与提示开始的接近性。

纺锤波检测

使用基于小波的检测器在每个通道自动检测纺锤波。连续原始数据被重参考到双侧乳突(M1和M2的平均值)，进行了49-51Hz的陷波滤波、0.5Hz的高通滤波，并使用复Morlet小波进行时频分解。小波的峰值频率设置为13.5Hz，带宽为3Hz(即12-15Hz的“快速”纺锤波范围)。采用阈值算法对提取的小波尺度(fun_sleep_spindles)进行纺锤波识别。每当小波信号超过信号中位数的九倍阈值并持续至少0.4s时，会检测到纺锤波。创建事件周期直方图来检查言语和非言语提示后纺锤波事件的发生时间。每个检测到的纺锤波根据其相对于提示起始点(t0)的峰值振幅被分成0.5 s的时间分段(T1：0-0.5s，T2：0.5-1s，T3：1-1.5s，T4：1.5-2s，T5：2-2.5s)。

结果

记忆线索和控制线索

首先，本研究考察了睡眠大脑对记忆线索(图2a)和控制线索(图2b)的反应。观察到记忆线索的时频表征(TFR)与控制线索存在显著差异(P＜0.05，图2c)。这些簇显示，大约在0.3-0.9s时(F3和C3：dz=0.56，F4和C4：dz=0.48)，两个半球的θ/α(约4-11.5Hz)功率均增加，随后在大约0.8-1.7s时(F3和C3：dz=0.51，F4和C4：dz=0.53)，纺锤波/β(约10.5-20Hz)功率也增加了。此外，在两个半球(约1.8-2.5s，F3和C3：dz=-0.39，F4和C4：dz=-0.46)中，较宽的纺锤波/β频段(~12-26Hz)中随后出现了功率下降，尽管这与控制线索中纺锤波功率的增加相对应。由于纺锤波与慢振荡之间的耦合被认为与记忆巩固有关，因此本研究考察了慢振荡与纺锤波之间的相位-幅值耦合。然而，记忆线索和控制线索条件之间没有显著差异。

图2.记忆线索和控制线索。

值得注意的是，记忆线索ERP(图2a)显著高于控制线索ERP(图2b，p＜0.05)，在约0.4-0.7s(负向，dz=-0.70)、约0.9-1.3s(正向，dz=0.59)和约1.4-1.8s(负向，dz=-0.64)处有三个聚类。因此，记忆线索和控制线索之间在时频响应上的任何差异都可归因于习惯化(因为控制线索始终相同，而记忆线索包含广泛的言语和非言语刺激)。然而，对TMR窗口前半段和后半段的时频表征(记忆线索＞控制线索)分别进行的分析(习惯化效应可能在后半段更强)显示了高度相似的模式，这表明本研究的时频结果不能仅归因于习惯化效应。

言语和非言语记忆线索

接下来，本研究检查了言语和非言语记忆线索在睡眠期间是否引发不同的振荡活动模式。对于言语和非言语线索，分别从记忆线索响应(图3a和c)中减去控制线索响应(图3b和d)，从而得到2×2的析因设计(言语记忆线索＞控制线索＞非言语记忆线索＞控制线索)。右半球(F4和C4)在约0.5-1s(dz=0.27，图3e和f)处的纺锤波(~10.5-16.5Hz)活动显著增加。有趣的是，事后检验显示，与非言语记忆线索(P=0.008)和言语控制线索(P＜0.001)相比，言语记忆线索产生了更强烈的纺锤波响应。非言语记忆线索与非言语控制线索之间没有显著差异(P=0.800)，言语和非言语控制线索之间也没有显著差异(P=0.129，均为Bonferroni校正)。需要注意的是，当我们将分析限制在睡前完成相同数量的言语和非言语配对训练的参与者时，也出现了相同的结果。

图3.言语线索和非言语线索。

为了研究言语和非言语记忆线索(相对于控制线索)引发的纺锤波事件的时间特征，本研究将纺锤波峰值振幅分成了5个时间段(线索提示开始后0.5、0.5-1、1-1.5、1.5-2和2-2.5s)。然后，本研究使用线性混合效应模型(spindles ~ condition×timebin)+(1 | participant)来检验条件(言语记忆线索＞控制线索＞非言语记忆线索＞控制线索)和时间段对纺锤波峰值振幅的影响。结果显示两者的交互作用显著(P＜0.05)，事后两两比较发现，在早期时间段(0.5-1s)，言语线索相对于非言语线索引发的纺锤波峰值振幅更频繁(P＜0.001，d=1.06)，这表明言语线索比非言语线索更加有效地促进了大脑中与纺锤波有关的神经活动。

为了检查言语和非言语线索在ERP上是否存在差异，本研究采用了与时频分析相同的析因方法(言语记忆线索＞控制线索＞非言语记忆线索＞控制线索)进行了ERP分析。研究结果发现两者之间存在显著差异(P＜0.05)，在约0.8-1s(正向，dz=0.47)和1.2-1.5s(负向，dz=-0.50)出现了两个明显的聚类。

匹配和不匹配的记忆线索

最后，本研究考察了匹配的言语记忆线索(声音与学习时听到的完全匹配)是否引起了不同于不匹配言语线索(即相同vs不同声音)所产生的神经反应。本研究分别对匹配条件(实验1)和不匹配条件(实验2)进行了诱发控制线索响应减去记忆线索响应的操作，从而得到一个2×2的混合因子设计(匹配记忆线索＞控制线索＞不匹配记忆线索＞控制线索)。然而，未出现显著交互作用。将同样的方法应用于ERP分析中，也同样未出现显著交互作用。

结论

本研究发现记忆线索会引起θ波和纺锤波功率的增加，这在之前被认为与睡眠期间的记忆重塑和巩固相关联。本研究还首次展示了TMR所引发的纺锤波响应对言语记忆线索比非言语记忆线索更强烈，这表明言语刺激更有效地触发了睡眠大脑中的记忆再激活。然而，当比较与学习过程中匹配或不匹配言语记忆线索的神经反应时，未观察到任何显著差异。综上所述，这些发现为睡眠大脑如何处理具有不同声学特性的记忆线索提供了新的见解。

参考文献：Anna á V Guttesen, Dan Denis, M Gareth Gaskell, Scott A Cairney, Delineating memory reactivation in sleep with verbal and non-verbal retrieval cues, Cerebral Cortex, Volume 34, Issue 5, May 2024, bhae183, https://doi.org/10.1093/cercor/bhae183

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