2025年4月28日，日本富山大學Kaoru Inokuchi在Nature communications發表：Parallel processing of past and future memories through reactivation and synaptic plasticity mechanisms during sleep，揭示了睡眠期間通過記憶重現和突觸可塑性機制對過去和未來記憶的并行處理。

每天都會經歷新的事件并存儲新的記憶，盡管記憶存儲在相應的印記細胞中，但不同組的印記細胞如何被選擇用于當前和下一個事件以及它們如何創造記憶，仍然尚不明確。作者展示了在雄性小鼠中，海馬CA1神經元在學習前的靜息睡眠期間表現出一種有組織的同步活動，這種活動僅在印記細胞中與學習集合相關，稱為預配置集合。此外，在學習之后，一部分非印記細胞發展出群體活動，這種活動是在學習后的離線階段構建的，并隨后出現以代表新學習的印記細胞。作者的模型表明，突觸抑制和突觸縮放可能在非印記細胞活動的重組中發揮了潛在作用。綜合來看，在離線階段存在兩個并行的過程：通過記憶重現來保存過去的記憶，以及通過離線突觸可塑性機制為即將到來的記憶做準備。

 圖一 在學習前的睡眠中激活的神經元群體會被招募到即將形成的記憶印跡中

作者通過使用微型顯微鏡和鈣成像技術來追蹤自由活動小鼠中印記細胞和非印記細胞在不同記憶處理階段的活動情況。研究者們特別關注了學習前睡眠期間激活的神經元群體如何被招募到即將形成的新記憶印跡中。采用雙轉基因Thy1-G-CaMP7小鼠與c-fos-tTA小鼠雜交，并結合mini顯微鏡進行Ca2+成像以跟蹤和標記海馬CA1區的印記細胞和非印記細胞的活動。利用光轉換熒光蛋白KikGR標記激活的細胞，使用非負矩陣分解分析方法解析復雜模式活動為一系列活躍神經元群及其時間活動模式。印記細胞比非印記細胞展現出更高的重復性和穩定性，在學習前的睡眠階段尤其明顯。這些細胞在接觸到新的學習情境時會被招募進入新的記憶印跡中。此外，研究還表明睡眠對于這一過程至關重要，因為只有在睡眠而非清醒狀態下，才能觀察到這種特異性的神經元活動模式。研究表明，特定的記憶是由一組預先配置好的神經元群體在學習前的睡眠過程中被選擇并激活，這組神經元隨后參與到新的記憶形成中，且這種現象是印記細胞特有的。這也暗示了睡眠在記憶鞏固和準備新記憶中的重要作用。

 圖二 即將形成記憶痕跡的神經元群體從非記憶痕跡群體中產生，以表征未來的記憶 

基于記憶分配理論，興奮性較高的神經元更有可能成為記憶的載體。研究旨在探究這些非印記細胞是否在記憶處理的不同階段經歷了從隨機到協調活動模式的時間轉變。通過分析非印記細胞池，尋找可能在未來事件中成為印記細胞的候選群體。利

用高余弦相似度篩選出在學習后睡眠（N2和R2）期間顯示出與學習前睡眠（N1和R1）不同活動模式的候選集合，定義為“即將成為印記細胞”集合。發現這些即將成為印記細胞在新學習事件（B）中展示了更高的相關矩陣活動，表明它們具有類似于已知印記細胞的行為特征。即將成為印記細胞在新的學習事件中表現出特異性的增強活動，這種變化特別體現在學習后的睡眠階段，而非清醒狀態。學習后的睡眠對即將成為印記細胞的準備和下一次學習至關重要，因為這些細胞在隨后的睡眠中重新激活，鞏固了記憶。研究還指出，一部分非印記細胞在首次學習后大幅改變了其活動模式以適應即將到來的學習，這強調了學習后睡眠在這一過程中的重要性。總結來說，該研究揭示了一部分非印記細胞能夠通過特定的學習體驗調整其活動模式，成為未來的印記細胞，并且學習后的睡眠在這一轉換過程中起到了關鍵作用。這不僅支持了記憶鞏固過程中睡眠的重要性，也進一步闡明了記憶形成機制中神經元的選擇和重組過程。

 圖三 離線期間的突觸可塑性機制調控即將形成記憶痕跡細胞的出現

為了理解印記細胞群集時間轉移背后的可塑性機制，作者創建了一個神經網絡模型來模擬“即將成為印記細胞”可能出現的過程。具體來說，假設在離線期間發生的突觸可塑性支持了這些即將成為印記細胞的出現。在這個模型中，模擬了CA1神經元在四個階段對來自CA3的情境依賴輸入的響應：學習前睡眠、情境A、學習后睡眠和情境B。在情境暴露期間，高度激活的CA1神經元會變為印記細胞，并且與這些印記細胞相連的突觸會被增強。基于這一學習規則，在學習之前活躍的預存集合更傾向于成為印記細胞，而在學習之后，它們對情境A的輸入模式表現出強烈的響應。在學習后的睡眠期間，應用了在CA1中實驗觀察到的離線突觸可塑性機制，包括由尖波漣漪引起的非印記細胞突觸抑制以及穩態突觸縮放。經過這種離線突觸調節后，CA1中的非印記細胞停止對情境A的CA3模式作出反應，而這些模式在SWRs期間頻繁重放。相反，非印記細胞對不同的CA3模式（非重放模式）表現出強烈反應從而導致CA1中新集合的出現。這些新集合預計會在下一次經歷（如果與之前的經歷不同）時被招募為印記細胞，其中一部分集合被觀察到表現為即將成為印記細胞。先前的研究表明，這種在睡眠期間發生的突觸去增強和突觸縮放對于未來記憶的學習至關重要。首先，根據情境A將模擬的CA1神經元分類為印記細胞和非印記細胞，然后進一步根據它們在情境B中的活動將非印記細胞細分為“即將成為印記細胞”和其他非印記細胞。將情境A中的印記細胞進一步劃分為共同印記和特定印記兩種類型，依據是它們在情境B中的活動。作者分析了情境A中的活動模式與學習前后睡眠期間活動模式之間的匹配度，發現印記細胞與情境A的匹配度高于非印記細胞，其匹配得分與在體內Ca2?記錄中觀察到的結果相似。對情境B中的印記細胞和即將成為印記細胞群體重復了相同的分析，并將其得分與其他非印記細胞進行比較。結果表明，印記細胞和即將成為印記細胞的活動模式僅在學習后睡眠期間與情境B高度匹配，這表明情境B中激活的集合是在學習情境A之后形成的。當分別分析印記細胞和即將成為印記細胞時，也得到了定性相同的結果，盡管由于群體規模有限，匹配比例變得不穩定。使用更高的閾值（0.7）重復分析后，仍然顯示出相同趨勢，進一步證實了情境B中激活的新集合是在第一次學習（情境A）之后出現的。此外，還模擬了情境B之后的睡眠階段，并評估了情境B與隨后睡眠期間活動模式之間的匹配度。確認即將成為印記細胞的匹配度高于非印記細胞，這與實驗結果一致。印記細胞在學習前后睡眠期間的相關性均高于非印記細胞，這模仿了學習前后實驗觀察到的同步相關活動。即將成為印記細胞僅在學習后睡眠期間表現出高相關性，在學習前睡眠期間則沒有，這進一步驗證了非印記細胞活動的時間轉移以及即將成為印記細胞僅在第一次學習后出現的現象。

作者提出，該研究提出在學習后的離線期間（例如睡眠或休息時），大腦同時進行兩個重要的過程：一方面通過重新激活已有的記憶痕跡神經元群體來鞏固過去的記憶，另一方面通過突觸機制產生新的即將成為記憶痕跡的神經元群體，為未來的記憶編碼做準備。這種雙重機制不僅有助于理解大腦如何處理和存儲信息，還對多個領域有著深遠的研究意義。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58860-w

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