腦電研究：睡眠中的嬰兒大腦預(yù)測(cè)發(fā)育情況
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為九個(gè)月大之后的嬰兒才能建立真正詞匯的語(yǔ)義長(zhǎng)程記憶，之前都處在呀呀學(xué)語(yǔ)的原詞狀態(tài)。來(lái)自德國(guó)柏林洪堡大學(xué)的學(xué)者M(jìn)anuela?Friedrich等人探索了嬰兒的睡眠對(duì)其第一個(gè)詞義出現(xiàn)的影響，發(fā)現(xiàn)嬰兒在睡眠中記憶經(jīng)歷了不同的階段，特別是六個(gè)月大的嬰兒大腦已經(jīng)足夠成熟去建立詞匯-語(yǔ)義的長(zhǎng)時(shí)程記憶。這項(xiàng)研究發(fā)表在Current?Biology雜志上。
實(shí)驗(yàn)一共有162位6-8個(gè)月大的嬰兒參與，最終有107位的數(shù)據(jù)被采納。在實(shí)驗(yàn)之前，嬰兒受試者被分為睡眠組和清醒組，即在學(xué)習(xí)階段完成之后是否進(jìn)入睡眠狀態(tài)，其中睡眠組又根據(jù)其睡眠的長(zhǎng)短（35分鐘為標(biāo)準(zhǔn)）分為長(zhǎng)睡眠組和短睡眠組。
實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段：學(xué)習(xí)階段、記憶鞏固階段和記憶測(cè)試階段，如圖1所示，在學(xué)習(xí)階段，嬰兒被暴露于128對(duì)不同的物體-詞語(yǔ)對(duì)，即屏幕上呈現(xiàn)視覺(jué)的物體，隨后同時(shí)呈現(xiàn)一個(gè)詞語(yǔ)。而這些配對(duì)分為兩種情況：分別是一致配對(duì)和不一致配對(duì)。配對(duì)刺激分為八大類，每一類有12張類似的物體，其中八個(gè)出現(xiàn)在學(xué)習(xí)階段，四個(gè)出現(xiàn)在記憶測(cè)試階段，以考察嬰兒對(duì)同一個(gè)詞配對(duì)相似物體的歸類推廣能力。不配對(duì)刺激也是這八類刺激，只是物體和詞語(yǔ)不配對(duì)，每種出現(xiàn)一次。兩種情況混雜隨機(jī)呈現(xiàn)。記憶鞏固階段，睡眠組嬰兒開(kāi)始睡覺(jué)，清醒組嬰兒保持清醒，最后是記憶測(cè)試階段。在這三個(gè)階段都同時(shí)記錄EEG數(shù)據(jù)。
圖1：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（A）在學(xué)習(xí)階段，一半呈現(xiàn)的物體-詞語(yǔ)對(duì)是配對(duì)一致的情況，一個(gè)詞與八個(gè)新的但是相似的物體配對(duì)，實(shí)現(xiàn)歸類詞匯配對(duì)的學(xué)習(xí)。另外一半是配對(duì)不一致的情況，一個(gè)詞與八個(gè)不相似的物體配對(duì)，這樣被試就不能學(xué)習(xí)到穩(wěn)定的物體詞語(yǔ)對(duì)。（B）在記憶測(cè)試階段，特定類別的四個(gè)新的物體呈現(xiàn)在配對(duì)詞匯中或者不配對(duì)詞匯中。
? 研究人員首先發(fā)現(xiàn)睡眠的長(zhǎng)度影響嬰兒新記憶的發(fā)展階段。如圖2所示，經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)階段后，清醒組嬰兒在記憶測(cè)試時(shí)對(duì)配對(duì)刺激和不配對(duì)刺激沒(méi)有不同的大腦響應(yīng)，而短睡眠組：正確的配對(duì)則呈現(xiàn)出晚期負(fù)波成分，這暗示著嬰兒出現(xiàn)記憶中較為低級(jí)的感知相關(guān)記憶；而長(zhǎng)睡眠組：不正確的配對(duì)刺激呈現(xiàn)出類似于成年人的N400成分，暗示著成熟的詞匯-語(yǔ)義記憶完成。表1列出影響嬰兒大腦成熟和認(rèn)知發(fā)育的變量，長(zhǎng)短睡眠組在這些因素上并沒(méi)有顯著性差異，提示長(zhǎng)睡眠組觀察到的N400記憶效應(yīng)并非來(lái)源于兩組被試的大腦成熟度不同。
圖2：在學(xué)習(xí)和記憶測(cè)試階段的歸類詞語(yǔ)配對(duì)效應(yīng)。嬰兒對(duì)與新物體配對(duì)的詞的ERP反應(yīng)。在N400啟動(dòng)效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分析之后，我們計(jì)算了所有未啟動(dòng)和啟動(dòng)情況之差的記憶效應(yīng)（例如，不一致-一致；不正確-正確）；負(fù)值向上畫(huà)。（A）在學(xué)習(xí)階段沒(méi)有證據(jù)顯示學(xué)習(xí)的推廣。（B）清醒組的記憶測(cè)試中沒(méi)有證據(jù)顯示學(xué)習(xí)的推廣。（C）短睡眠組的記憶測(cè)試出現(xiàn)晚期負(fù)波成分，暗示著針對(duì)歸類詞語(yǔ)配對(duì)的較低發(fā)展階段的感知相關(guān)記憶的出現(xiàn)。（D）長(zhǎng)睡眠組的記憶測(cè)試出現(xiàn)N400成分，暗示著高級(jí)發(fā)展階段的語(yǔ)義記憶的出現(xiàn)。
表1：影響嬰兒大腦成熟和認(rèn)知發(fā)育的變量。
隨后，研究人員分析嬰兒睡眠各個(gè)階段的長(zhǎng)短和長(zhǎng)睡眠組觀察到的N400記憶效應(yīng)之間的相關(guān)性，雖然長(zhǎng)短睡眠組在非快速眼動(dòng)睡眠總時(shí)間、非快速眼動(dòng)睡眠階段2和3，以及總睡眠時(shí)長(zhǎng)上均有顯著性差異（見(jiàn)表2），但是分析發(fā)現(xiàn)只有非快速眼動(dòng)睡眠2階段的長(zhǎng)短與該效應(yīng)相關(guān)。短-N2組觀察到晚期負(fù)波成分，而長(zhǎng)N2組則能觀察到N400成分。并且再將N2時(shí)長(zhǎng)細(xì)化，發(fā)現(xiàn)0.5-4分鐘的N2睡眠，無(wú)記憶效應(yīng)，4.5-9.5分鐘的N2睡眠，呈現(xiàn)感知相關(guān)記憶效應(yīng)；10-17.5分鐘的N2睡眠，記憶效應(yīng)消失，提示可能是記憶重組正在進(jìn)行；18-35分鐘的N2睡眠，出現(xiàn)詞匯-語(yǔ)義記憶效應(yīng)。因此，感知記憶到語(yǔ)義記憶的轉(zhuǎn)換需要延長(zhǎng)的非快速眼動(dòng)睡眠2（N2）階段。
如表3所示，長(zhǎng)短N(yùn)2睡眠組被試在影響大腦發(fā)育的各個(gè)變量上也不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，可以排除大腦發(fā)育成熟度的影響。
圖3：在睡眠階段2中記憶形成的時(shí)間進(jìn)程。
（A）在短N(yùn)2睡眠組（N2階段睡眠時(shí)長(zhǎng)不大于9.5分鐘的嬰兒）的晚期負(fù)波的記憶效應(yīng)；
（B）長(zhǎng)N2睡眠組（N2階段睡眠時(shí)長(zhǎng)大于9.5分鐘的嬰兒）的N400記憶效應(yīng);
（C）N2階段只有0.5-4分鐘的嬰兒沒(méi)有證據(jù)顯示記憶效應(yīng)；
（D）N2階段有4.5-9.5分鐘長(zhǎng)的嬰兒出現(xiàn)的晚期負(fù)波成分，暗示著感知相關(guān)記憶的出現(xiàn)；
（E）N2階段有10-17.5分鐘長(zhǎng)的嬰兒未觀察到記憶效應(yīng)，暗示著記憶重組正在進(jìn)行；
（F）N2階段有18-35分鐘長(zhǎng)的嬰兒出現(xiàn)的N400效應(yīng)，證實(shí)語(yǔ)義記憶的建立；
表2：長(zhǎng)短睡眠組不同睡眠階段時(shí)長(zhǎng)的描述和統(tǒng)計(jì)。
表3：長(zhǎng)短N(yùn)2睡眠組的睡眠情況描述和發(fā)育變量對(duì)比。
?最后研究人員關(guān)注了局部睡眠紡錘波，發(fā)現(xiàn)只有N2階段出現(xiàn)的睡眠紡錘波與N400效應(yīng)相關(guān)，參與真正詞語(yǔ)記憶的形成。如圖4C-D所示，局部睡眠紡錘波無(wú)論是峰峰幅度還是均方根都和N400效應(yīng)相關(guān)；如圖5A-B所示，中頂部位電極處的睡眠紡錘波功率密度也與N400效應(yīng)相關(guān)。
圖4：睡眠紡錘波和詞匯-語(yǔ)義記憶的關(guān)系。（A）在非快速眼動(dòng)睡眠中，前額（F3、FZ和F4的平均），中部（C3、CZ和C4的平均）和頂葉（P3、PZ和P4的平均）電極部位的EEG功率。（B）短-和長(zhǎng)-N2組的平均非快速眼動(dòng)睡眠紡錘波；（C）長(zhǎng)-N2睡眠組在睡眠N2階段的右中腦區(qū)（C4）的睡眠紡錘波平均峰-峰幅度與記憶測(cè)試階段N400語(yǔ)義推廣效應(yīng)的相關(guān)性（r=-0.488,p=0.006）;（D）長(zhǎng)-N2睡眠組在睡眠N2階段的C4電極處的睡眠紡錘波平均均方根幅度與記憶測(cè)試階段N400語(yǔ)義推廣效應(yīng)的相關(guān)性（r=-0.526,p=0.003）;注意：由于N400效應(yīng)極性呈負(fù)，因此相關(guān)性也呈負(fù)。
紡錘波平均功率不受嬰兒年齡的影響（r=-0.118,p>0.2）,但是紡錘波功率的個(gè)體差異可能是由大腦成熟和智力差異引起的。為了排除這方面的影響，我們計(jì)算了每個(gè)被試右中側(cè)腦區(qū)和其余腦區(qū)的紡錘波功率的歸一化局部偏差。發(fā)現(xiàn)紡錘波右中側(cè)腦區(qū)的增加或者降低在長(zhǎng)、短N(yùn)2睡眠組間并沒(méi)有差異（t59=-0.619，p>0.1），但是仍和長(zhǎng)-N2睡眠組的N400效應(yīng)相關(guān)（r=-0.553,p=0.002）。
圖5：長(zhǎng)-N2睡眠組在睡眠階段的紡錘波功率和記憶測(cè)試階段的N400語(yǔ)義推廣效應(yīng)之間的關(guān)系。（A）C4電極處非快速眼動(dòng)睡眠紡錘波功率和N400效應(yīng)之間的關(guān)系；（B）P4電極處非快速眼動(dòng)睡眠紡錘波功率和N400效應(yīng)之間的關(guān)系；（C）單個(gè)被試右側(cè)中頂腦區(qū)的紡錘波功率與所有其他腦區(qū)的平均紡錘波功率的歸一化局部偏差和N400效應(yīng)之間的關(guān)系。
綜上所述，本文亮點(diǎn)在于：1.嬰兒睡眠階段的記憶鞏固和詞匯發(fā)展的早期階段同步；2.非快速眼動(dòng)睡眠2階段的長(zhǎng)度決定了嬰兒新記憶的發(fā)展階段；3.
N2階段的局部睡眠紡錘波參與詞匯-語(yǔ)義長(zhǎng)時(shí)程記憶的形成；4.?睡眠依賴的記憶鞏固（6個(gè)月）早于已知的發(fā)育正常進(jìn)程（九個(gè)月）。
參考文獻(xiàn)：Friedrich M, WilhelmI, M?lle M, et al. The Sleeping Infant Brain Anticipates
Development[J].Current Biology, 2017, 27(15): 2374-2380. e3.
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