摘要
通過目標記憶再激活（targeted memory reaction，TMR）實現記憶鞏固，TMR在睡眠期間重現訓練線索或是內容。但是不清楚TMR對睡眠皮層振蕩的作用是局部的還是整體的。本文利用嗅覺的獨特功能神經解剖學及其同側刺激處理，在一個腦半球進行局部TMR。在最初就有氣味刺激條件下，受試者學習單詞與出現在左右視野中的位置間的聯系。本文發現在任務訓練期間，側向的時間相關電位表示單半球的記憶過程。在學習后的小睡中，在非快速眼動（non-rapid eye movement，NREM）睡眠中進行氣味刺激。在睡眠期間進行局部TMR后，cued半球（與受刺激鼻孔同側）處理特定單詞的記憶得到改善。單側氣味刺激調控局部慢波（slow-wave，SW）功率，即相較于uncued半球，cued半球的區域SW功率增加較慢，且與提示單詞的選擇記憶呈負相關。另外，在cued半球中，局部TMR改善了慢震蕩和睡眠紡錘波間的相位振幅耦合（PAC）。在學習期間沒有氣味刺激條件下，睡眠期間進行單側氣味刺激，結果表明記憶表現和皮層睡眠振蕩間并不存在任何效應。因此，睡眠中TMR通過選擇性地促進與局部睡眠振蕩相關的特定記憶，而超過了整體活動。
引言
研究表明，睡眠對記憶鞏固很重要，在清醒時編碼的新的和不穩定的記憶轉化為不太穩定的表征，這些表征被整合到預先存在的知識中。根據系統整合的標準模型以及它的一些后續變化，依賴海馬記憶的整合發生在兩階段的過程中，其中清醒時，在海馬中編碼新的記憶，然后在涉及與新皮質的交互過程（主要在非快速眼動（NREM）睡眠期間）中進一步鞏固。這種海馬-新皮質間的通信可能涉及新皮質慢波（SWs）、丘腦-皮質睡眠紡錘波和海馬尖波漣漪（SWRs）間的協調耦合。根據這個模型，皮層SW上行狀態促使海馬SWR和神經元的重新激活。海馬重新激活誘導延遲的皮質反應，促進向逐漸增強的依賴新皮質的轉變。同時，睡眠紡錘波為皮層回路提供可塑性。因此，SW-spindle-SWR事件的分層嵌套可能會促進從新激活的海馬記憶向各自的新皮質網絡發生轉化。
有研究表明，在NREM睡眠期間的記憶鞏固可以通過重新的刺激（如，與學習期間進行特定氣味或聲音）進行外部調節。“目標記憶再激活（TMR）”這種方法可以促進記憶鞏固并誘導海馬活動，這表明涉及重新激活新的記憶或其中一部分。雖然氣味和聲音都是有效刺激，但氣味的好處是很少喚醒睡眠受試者。
然而，TMR中一個主要沒有解決的問題是，選擇性記憶對皮層睡眠振蕩產生的影響是局部的還是整體的。目前并不清楚潛在的局部效應，為了克服這個問題，理想情況下，人們會在選定的皮層區域進行特定刺激，而將其他區域的同步活動作為控制。有研究明確了局部睡眠振蕩的概念及其與記憶鞏固的關系。因此，原則上，皮層睡眠振蕩可能因局部TMR區域而存在差異。
為了對與特定大腦區域活動相關的特定記憶進行TMR，本文利用嗅覺系統的獨特功能神經解剖學，其刺激處理主要是同側的。嗅覺記憶是可以存儲在一個半球中，只有通過連合通路才能進入另一半球。由于在NREM睡眠期間跨皮質區域的有效連接減少，本文假設睡眠期間跨皮質半球的整合可能會受到損傷。因此，本文預測在睡眠中向單個鼻孔進行氣味刺激會增強記憶并調節同側半球相關的睡眠振蕩。
基于上述理論，本文在睡眠時通過對單個鼻孔進行氣味刺激來局部激活單個半球的記憶（圖1）。這種方法可以評估局部刺激對相應半球的行為記憶和電生理影響，而與另一半球相關的記憶和活動作為對照組（圖1A）。本文使用了一個空間記憶任務，該任務需要對單詞和左右視覺特定位置間的配對聯系進行編碼，這些聯系與對側大腦半球的處理相關（圖1C、1D和1F）。結果表明，通過單側嗅覺刺激在睡眠中的局部TMR超過了整體效應，并改善了與局部皮層睡眠振蕩相關的選擇性記憶。

圖1 實驗設計。（A）試驗過程的時間示意表。（1）受試者首先在對兩個鼻孔進行氣味刺激的情況下，學習word-location關聯。（2）學習后，立刻進行記憶測試。（3）受試者在實驗室小睡（~1-2h）。在NREM睡眠期間，通過特制面罩對單個鼻孔進行氣味刺激。（4）睡眠后，進行記憶測試。（B）從左到右：學習期，對兩個鼻孔進行氣味刺激；在記憶測試期，不帶面罩和沒有氣味刺激；睡眠期，進行單個鼻孔氣味刺激；記憶測試期，不帶面罩和沒有氣味刺激。（C）學習實驗的時間線。單詞依次出現在屏幕中心，并朝八個圓形目標之一移動。（D）記憶測試時間線。單詞依次出現在屏幕中央，受試者使用光標選擇與每個單詞相關的目標位置。綠色虛線表示示例光標的軌跡。（E）“單側鼻孔面罩”展示。（F）術語說明：睡眠期間，氣味傳遞到cued鼻孔（本例中是右鼻孔）。同側半球就是cued半球（嗅覺通路主要是同側的）。學習過程中，與cued半球對側視野中的目標位置（本例中是左側視野中的目標）相關聯的單詞是cued單詞（視覺通路主要是對側的）。（G）對照實驗的時間示意表。在沒有任何嗅覺刺激的情況下進行記憶編碼，隨后在睡眠期間進行單側氣味刺激。
結果
在睡眠期間通過單側嗅覺刺激進行TMR，以探究它如何影響提示記憶和相應的局部睡眠振蕩。本文使用cued/uncued半球來分別指睡眠期間受刺激鼻孔的同側/對側半球。cued/uncued單詞分別表示在cued半球的對側/同側視覺呈現的單詞刺激，本文預測單側提示能改善主要在刺激鼻孔半球處理的記憶鞏固，呈現在對側視覺（圖1F）。氣味和單個單詞的處理不僅限于一個半球。因此，本文還進行了一項對照實驗，受試者在沒有氣味刺激的情況下進行記憶編碼，然后在睡眠期間進行單側嗅覺刺激（圖1G）。該對照實驗可以確定哪些行為和電生理效應源于睡眠中的單側嗅覺刺激和由單側TMR引起的。
學習時的側化EEG活動表明單半球記憶過程
首先，本文測試了任務是否在記憶編碼期間引發了側化腦活動。隨后，本文檢測了任務學習期間的腦電圖（EEG）（圖1A-1C中的記憶編碼）是否顯示側化活動及其隨學習過程的動態。本文采集30名受試者（參與對照實驗）的EEG數據，他們記住了在六輪學習中重復的32個word-location關聯。比較了每個單詞目標位置的對側/同側中央電極（C3和C4）中的事件相關電位（ERP），在前三輪（“早期學習”）和后三輪（“后期學習”）學習中分別進行實驗。本文發現對側和同側ERP的振幅在早期和后期學習輪次中顯著不同，表明在任務學習期間存在側化EEG活動（圖2A和2B；早期：t=8.938，p<10-5；后期：t=8.064，p<210-5；Monte-Carlo permutation test[MCPT]）。隨后測試三個不同的實驗期，以檢驗它們對這種效應的貢獻：單詞出現在屏幕中心（0-800ms）；單詞朝目標位置移動（目標放大+單詞移動；800-1350ms）；單詞到達目標位置（1350-1750ms）。在早期和后期學習輪次，對側和同側ERPs只有在單詞移動（圖2A；t=3.706；p=0.006）和單詞到達目標位置期間（t=11.261；p<10-5；MCPT）存在顯著性差異，可能表明了當單詞移動并到達目標位置時的側化視覺處理。然而，在后期學習輪次中，對側和同側ERPs在三種不同實驗期都存在顯著性差異（圖2B，單詞在屏幕中心：t=2.985，p=0.018；單詞移動：t=6.879，p=210-4；單詞到達目標位置：t=9.509，p<10-5）。重要的是，側化性在后期學習實驗中出現得更早，并在單詞移動前/間更明顯（圖2C和2D；單詞在屏幕中心和移動期間的600-800ms，t=2.477，p=0.007and t=2.321，p=0.016；MCPT）。因此，在后期學習階段，一旦發生一些學習行為，EEG就會顯示出更早的側化活動，此時單詞還在屏幕中心。這種較早的側化現象解釋了單詞與其左/右視野中的相應位置間的關聯的電生理關系。額葉和頂枕葉EEG顯示相似的結果。總之，本文在任務期間發現EEG的明顯側化隨學習過程而增加，與假設一致，即任務涉及單半球記憶過程。

圖2 任務學習期間的EEG側化性。（A）在每次實驗中，同側電極（粉色）和對側電極（綠色）的學習任務的前三輪中，中央EEG ERP（n=30）時間鎖定到單詞呈現。陰影表示標準錯誤。黃色突出顯示同側和對側ERP之間存在顯著性差異的區域（p<0.05）。（B）與（A）相同，只不過是表示后三輪學習。在后期學習期間，同側和對側ERP出現更早的差異。（C）早期學習和后期學習輪次的ERP側向比較（同側和對側ERP間差異的均方根[RMS]）。（D）分別在學習任務的早期（亮綠圈）和后期（暗綠圈）學習輪次中的單詞在屏幕中心（600-800ms）和目標放大及單詞移動（800-1350ms）條件下，每個受試者數據的同側和對側ERP間的平均誤差（紅條）。后期學習輪次的同側和對側ERP間的差異更大，反映了側化記憶過程。
睡眠時的局部TMR選擇性地改善大腦半球相關記憶
立即評估訓練后（pre-sleep）和小睡后（post-sleep，_{2.5h）的word-location關聯的記憶（}5min）。為了測試TMR對cued單詞記憶的影響，本文進行了一項雙向重復測量方差分析，包括時間條件（pre-sleep/post-sleep）和線索條件（cued/uncued）。發現時間（F(1，18)=2.847；p=0.109）和線索（F(1，18)=0.049；p=0.827）都不存在顯著性效應，但是時間和線索間存在顯著的交互作用（F(1，18)=8.579；p=0.009）。這種相互作用反映了對cued單詞的記憶維持（two-tailed paired t test；t(18)=-0.956；p=0.352），但是對uncued單詞的記憶在睡眠后顯著降低（two-tailed paired t test；t(18)=2.842；p=0.011；effectsize：Cohen’s d=0.652）。非參數統計進一步證實了對cued單詞（Wilcoxon sign-rank=48.5；Z=-1.024；p=0.306）的記憶是穩定的，而對uncued單詞的記憶下降（Wilcoxon sign-rank=114；Z=-2.415；p=0.016；effectsize：rank biserial correlation [RBC] r=0.484）。為了進一步評估記憶表現，將每個受試者的post-sleep記憶表現歸一化為pre-sleep表現（set to 100%）。結果（圖3A）表明，睡覺后，對cued單詞的記憶（mean）比uncued單詞（mean）的記憶更好（t(18)=3.05，p=0.007，effect size：Cohen’sd=0.699；Wilcoxon sign-rank=145，Z=2.593，p=0.009，effect size：RBCr=0.674），在大多數受試者中都是這樣（13/19）。
相比之下，對照實驗中的單側氣味刺激沒有表現出顯著的行為效應。由于一名受試者的異常分數（圖3C中用黑色標出），使分布偏離了正態，本文報告了除他之外的數據的參數檢驗，以及包括該受試者的非參數檢驗。雙向重復測量ANOVA顯示在時間和嗅覺刺激間不存在顯著的相互作用（F=1.74；p=0.205）。“cued”（mean）和“uncued”（mean）單詞間的歸一化post-sleep記憶表現不存在顯著性差異。對cued和uncued單詞的記憶進行非參數檢驗同樣沒有顯著性差異（圖3C；Wilcoxon sign-rank=40；Z=-1.728；p=0.084）。為了確定本文觀察到的行為效應是由單側TMR操作引起的，本文進行了混合ANOVA，將實驗（TMR/control）和視野（cued/uncued）作為參數，發現二者間存在顯著的相互作用（F(1,36)=9.257；p=0.004）。通過非參數檢驗來比較每個受試者在不同實驗中的視野得分的差異，這種相互作用也是顯著的（Z=3.008；ranked sum=474；p=0.003；Wilcoxon ranked sum test）。
本文通過主觀評分測量了睡眠后氣味的感知強度，以測試睡眠期間的氣味刺激是否會影響其他認知方面。在TMR實驗中，感知氣味強度與N2睡眠期間的30s氣味刺激的數量成正相關（參數：rp=0.672，p=0.001；非參數：rs=0.649，p=0.002；圖3B）。而對照組實驗中并不存在相關性（參數：rp=0.083，p=0.734；非參數：rs=0.033，p=0.892；圖3D）。本文還證實了，不論是左鼻孔還是右鼻孔提示，或是左視野和右視野的關聯間，記憶表現都沒有顯著差異。
總之，行為結果表明，當氣味在學習過程中作為刺激并在睡眠中重新單側呈現時，它會影響氣味的表現并改善與特定半球處理相關的記憶。

圖3 睡覺期間，單側氣味刺激的行為效應。（A）在TMR實驗中，cued單詞（紫色，左）和uncued單詞（灰色，右）的post-sleep記憶測試。用線連接的圓圈表示每個受試者的數據。黑線表示對cued單詞的記憶更好（13/19名受試者）；虛線表示對uncued單詞的記憶更好。（B）TMR實驗中，睡眠后主觀氣味強度等級間的相關性（y軸）是N2睡眠期間30s氣味刺激時期（cues）數量（x軸）的函數。（C）對照實驗中的cued單詞（紫，左）和uncued單詞（灰，右）的post-sleep記憶測試的比較并沒有顯著效應。（D）對照試驗中，睡眠后的主觀氣味強度等級（y軸）是N2睡眠時期30s氣味刺激時期（cues）的數量（x軸）的函數，但是并沒有相關性。
睡眠期間的局部TMR調節跨半球的EEG SW和紡錘波頻率
為了測試單側氣味刺激是如何調節皮質睡眠振蕩的，本文首先評估了30s氣味刺激時期（“odor-on”）較基線時期（“odor-off”）的EEG頻譜功率改變（圖4A和4E）。在腦電中央電極上，本文發現氣味刺激顯著增加了兩個半球和兩個實驗的SW（0.5-4Hz）功率（TMR實驗，圖4B；cued半球：Wilcoxonsign-rank=144，Z=1.972，p=0.049，effect size: RBC r=0.516；uncued半球：Wilcoxon sign-rank=159，Z=2.576，p=0.01，effect size：RBCr-0.674；對照實驗，圖4F：cued半球：Wilcoxon sign-rank=167，Z=2.879，p=0.004，effect size：RBCr=0.758；uncued半球：Wilcoxonsign-rank=175，Z=3.219，p=0.001，effect size：RBC r=0.842）。
僅在TMR實驗中，兩個半球的紡錘波（12-16Hz）功率明顯增加（圖4B和4F：cued半球：Wilcoxon sign-rank=195，Z=2.576，p=0.01，effect size：RBCRBC-r=0.674；uncued半球：Wilcoxonsign-rank=157，Z=2.495，p=0.013，effect size：RBC RBC-r=0.653）。對照實驗中，單側嗅覺刺激并不會顯著調節紡錘波功率。因此，SW功率受嗅覺刺激影響，而紡錘體功率僅在涉及記憶再激活時升高。
隨后，本文使用兩種方式測試了cued半球和uncued半球間的功率差異：首先，TMR實驗中，cued半球較uncued半球的SW功率呈現少量增加（Wilcoxon sign-rank=31；Z=-2.575；p=0.01；effectsize：RBC r=-0.674）。對照實驗顯示同樣的結果（圖4G；Wilcoxon sign-rank=47；Z=-1.932；p=0.053；effectsize：RBC r=-0.505）。將SW分為SO和delta波表明，在uncued半球中更高的功率受delta波（1-4Hz）升高的影響（TMR實驗：Wilcoxon sign-rank=34，Z=-2.455，p=0.014，effect size：RBCr=-0.642；對照組實驗：Wilcoxon sign-rank=29，Z=-2.656，p=0.008，effectsize：RBC r=-0.695）。兩半球間的基線水平都沒有顯著差異，表明cued半球中的較低SW功率不受基線調節。兩半球間的紡錘波功率增加沒有顯著性差異。其次，使用cluster-based permutation across time-frequency bins比較由氣味刺激引起的半球間的功率改變。在TMR實驗中，發現在氣味刺激的13-20s期間，uncued半球存在一個明顯具有高SW功率的cluster（圖4A中的紅圈：clusterstatistics=-347.546；p=0.003），對照組實驗中并沒有顯著的clusters（圖4E）。
為了評估實驗類型（TMR/control）和半球（cued/uncued）間的交互作用，從每個受試者的uncued側減去cued側的SW功率增加，并比較實驗間的這些差異分數。本文發現紡錘波功率升高存在顯著性相互作用（Z=-2.248；ranked-sum=293；p=0.025；Wilcoxon rank-sum test；使用Wilcoxon rank-sum test在SW中并沒有發現交互作用）且在額葉電極的SW的相互作用存在顯著cluster（clusterstatistics=-237.858；p=0.015；two-samplecluster permutation test；在中央電極或測試紡錘波時并沒有顯著的cluster）。這些結果表明，半球間的EEG功率差異由單側TMR引起的。
在TMR實驗中，本文發現SW功率改變和記憶間存在關系，在cued半球的SW功率和對cued單詞的記憶提高呈負相關（rs=-0.49；p=0.033；圖4D）。因此，在cued半球中SW功率越低，關聯記憶越好。相反，在uncued半球中氣味引起的SW功率與對uncued單詞的記憶提高沒有相關性（rs=0.107；p=0.664）。在SO頻段（對cued單詞的記憶和cued半球的SO功率：rs=-0.513，p=0.025；對uncued單詞的記憶和uncued半球中的SO功率：rs=0.165，p=0.5；使用one-tail Fisher r-to-ztransformation計算相關性間的差異：z=-2.074，p=0.019），SW功率和記憶的相關性更強，但不包含delta波。在對照實驗中，睡覺期間的功率改變和記憶表現沒有任何相關性（圖4H）。
因此，在TMR實驗中，氣味刺激差異性的調節cued和uncued半球中的SW功率，cued半球中越低的SW功率增加與該半球選擇cued單詞處理的記憶相關。

圖4 睡眠期間單側氣味刺激引起的EEG功率改變。（A-D）為TMR實驗中的結果。（A）睡眠期間氣味刺激引起的cued（左）和uncued（右）半球的中央EEG功率改變的時頻分解（在761個時期和19名受試者中取平均）。黑條表示30s的氣味刺激。紅圈表示半球間存在顯著差異。（B）SW（左）和紡錘波（右）活動中中央EEG的功率改變，對兩個半球取平均。白圈表示受試者。（C）在cued半球（紫，左）和uncued半球（灰，右）的SW功率的平均變化。實線/虛線分別表示在cued半球具有較低/較高的功率。（D）對cued單詞的post-sleep記憶的回歸散點圖（pre-sleep基線的百分比；y軸）和在氣味刺激期間的cued半球的SW功率（基線的SD；x軸），二者呈負相關。（E-H）為對照組實驗結果。（E）對照試驗中，在睡眠期間有氣味刺激引起的對cued（左）和uncued（右）的中央EEG功率變化的時頻分解（n=678時期和19名受試者）。（F）對兩個半球的上的中央EEG SW（左）和紡錘波（右）取平均，得到對照實驗的功率變化。氣味刺激不會提高紡錘波功率。（G）對照實驗中，SW功率在cued半球（紫，左）和uncued半球（灰，右）的平均變化。（H）氣味刺激期間，對cued單詞的post-sleep的回歸散點圖和cued半球中的SW功率，顯示二者沒有顯著相關性。
在睡眠期間，局部TMR跨半球差異性調節SOs和紡錘波間的相位振幅耦合
本文測試了單側氣味刺激是否會影響睡眠紡錘波和前額電極SO上行狀態間的相位振幅耦合（PAC），這和記憶鞏固有關。通過分析在氣味刺激期間SOs的典型相位，本文發現紡錘波緊挨著SO上行狀態（圖5A；平均優選相位值為0，所有試驗和電極中，相位范圍為-67°和15°之間）。Rayleightest for non-uniformity證實存在緊密的SO-spindle 耦合（TMR實驗，cued 半球：Z=7.842，p=1.772×10-4；uncued半球：Z=8.66，p=5.667×10-5；對照組實驗，cued半球：Z=5.18，p=0.004；uncued半球：Z=4.656，p=0.008）。
為了評估單側氣味刺激如何影響PAC，本文在每個實驗中分別比較了半球間的SO-spindle PAC（圖5B和5C）。本文使用一種within-subject、within-session的方法，將cued半球的PAC和同時出現在uncued半球的PAC進行比較。使用參數和非參數circular data 2-sample測試，來測試半球間標準化優選相位的差異。本文發現，在TMR實驗中，優選相位存在顯著性差異（Watson-Williams test：F=10.297，p=0.003；common-mediantest：p=12.7368，p=3.585×10-4）。大多受試者（15/19）的結果表明cued半球的優選相位比uncued半球發生得晚（圖5B）。氣味停止期間半球間的優選相位并沒有顯著性差異。對照實驗中，半球間的PAC不存在顯著性差異。PAC效應與功率調節不存在相關性，說明這些都是獨立的現象。總之，本文發現單側TMR導致在SOs和紡錘波間存在不同的PAC，cued半球中的前額皮層的紡錘波發生得更晚。對中央電極的PAC分析，同樣表現出相似特征。

圖5 睡眠期間的單側氣味刺激的相位振幅耦合。（A）跨實驗（TMR實驗，深色；對照組，淺色）和半球（cued半球，紫；uncued半球，灰）的前額EEG電極中SO上行狀態相位周圍的紡錘波振幅峰值。圓圈表示每個受試者的優先相位，綠條表示跨實驗和半球的優先相位的直方圖，紅線表示平均相位（角度）和矢量（半徑）。（B）TMR實驗中，cued半球和uncued半球的平均標準化優先相位。（C）對照組實驗的平均標準化優先相位，此時半球間沒有顯著性差異。
討論
本文使用局部TMR來增強與單個腦半球處理相關的記憶。確認學習范式產生單側大腦半球記憶過程的側化EEG標記后，睡眠期間的單個鼻孔氣味刺激為重建睡眠前的學習內容，并導致對選定單詞的記憶鞏固的差異效應。單側氣味刺激調節兩個半球間的區域睡眠振蕩。在氣味刺激期間，兩個半球的紡錘波和SW功率都增加，但是SW功率在cued半球增加更慢，且與對cued單詞的記憶提高呈負相關。睡眠紡錘波與SO上行狀態間的時間耦合，與依賴睡眠的記憶鞏固有關，并在局部發生變化，即在cued半球，紡錘波更晚達到峰值且接近SO峰值。對照實驗測試了結果是由局部TMR還是僅僅由睡眠期間的單側氣味刺激引起的。在學習期間并沒有氣味刺激，結果表明在cued半球和uncued半球處理單詞時的記憶表現并沒有差異。氣味刺激在睡眠期間能提高SW功率（即使不進行TMR實驗），但是這種功率增加與記憶表現無關，且其在半球間明顯不同。除此之外，睡眠期間，紡錘波不受單側氣味刺激影響，表明紡錘波效應與學習相關。最后，在進行配對（within-subject）分析時，對照實驗中的SO-spindle PAC在cued半球和uncued半球間并沒表現出一致性變化。通過單側TMR實驗證實實驗類型（TMR/control）和半球（cued/uncued）間的相互作用。總之，結果表明睡眠中進行局部TMR超過了只有睡眠期間單側氣味刺激的影響，并通過選擇性地促進與區域睡眠振蕩相關的特定記憶鞏固并超越整體影響。
在最近的幾輪學習中，當一些學習已經發生時，大腦半球的側化ERPs已經在實驗早期變得不同（然而單詞刺激仍然呈現在屏幕中央），表明word-location關聯的記憶過程主要發生在大腦半球。學習時的側化EEG活動表明記憶過程主要是單半球的。
本文結果與TMR和局部睡眠振蕩有什么關系？對cued單詞的記憶在睡覺前和睡覺后表現出相似結果，而對uncued單詞表現出明顯的記憶減退。本文通過選擇性地調節局部振蕩和改善對相應單詞的記憶。本文研究與局部記憶重激活一致，并對其使用單獨的解剖路徑來闡明局部處理：單側氣味刺激能控制得到提示的區域，并將它們與未得到提示的處理平行記憶的同源區域進行比較，從而更詳盡地分離和研究睡眠中的記憶重激活過程。
本文發現SW功率在cued半球增加得更慢，且與對cued單詞的記憶呈負相關。可能是由于單側氣味刺激選擇性處理與EEG不同步和較低SW功率相關的cued半球。也就是說，cued半球的活動可能代表整體SW功率增加和局部SW功率降低的疊加。因此，越少的SW功率增加表示對cued刺激具有更好的記憶。
本文結果表明睡眠紡錘波和SO上行狀態間的時間耦合是有效的依賴睡眠的記憶鞏固的非侵入性代替。本文認為局部TMR影響SO-spindle耦合：與uncued半球相比，cued半球的紡錘波振幅峰值出現更晚和接近SO峰值（up-state），強調睡眠振蕩的區域質量及其與記憶的鞏固的關系。
雖然受試者無意識的感知到，N2睡眠期間氣味刺激次數與隨后在TMR實驗中對氣味強度的主觀評價顯著相關。但在對照實驗中并未觀察到此現象，說明可能不是與受體受氣味相關的純粹生理效應。想反，睡眠期間與記憶相關的氣味提示可能會影響刺激表征，超出對記憶鞏固的影響。也可能是睡眠期間，TMR的氣味刺激是第二次接觸氣味（而不是對照試驗中第一次）。事實上，反復接觸氣味會降低某些氣味劑的檢測閾值，而感知閾值的相似變化可能是本文觀察到的影響的基礎。
總之，本文報道的一種新的非侵入性技術，用于特定區域記憶的局部TMR，為睡眠和記憶研究以及潛在的臨床應用開辟了新的途徑。例如，單側睡眠TMR可用于調節創傷后應激障礙（PTSD）中被側化的創傷記憶的不同成分或幫助側化腦損傷（如單側中風）患者進行康復。
方法
受試者
32名健康受試者參加TMR實驗（18名女性，mean age27.873.8歲，range 21-46），另外32名健康受試者參加對照實驗（17名女性，mean age 27.284.71歲，range 21-41）。所有受試者都沒有精神、神經、睡眠或呼吸障礙史，都是有良好的習慣性睡眠者和以希伯來語為母語的人。排除標準為(ⅰ)NREM睡眠時間不足（<20min）（TMR實驗中排除10名受試者，對照實驗中排除11名受試者），或（ⅱ）氣味傳輸系統有問題（TMR實驗中排除2名受試者，對照試驗中排除1名受試者）或行為記憶數據有問題（TMR實驗中排除1名受試者，對照實驗中排除1名受試者）。對剩余受試者進行后續分析（TMR實驗：n=19，10名女性，meanrange21-30；對照實驗：n=19，10名女性，mean=27.64.3years，range 21-38）。
實驗程序
TMR實驗
在圖1A和1B中給出了目標記憶再激活（TMR）實驗過程的概述。受試者在下午12:00-14:00間到達實驗室。高效空氣凈化器保證受試者處于無異味環境。受試者進行空間記憶任務的訓練，同時通過覆蓋兩個鼻孔的面罩傳遞雙側氣味刺激（圖1B）。5min后進行沒有氣味面罩的記憶恢復測試（圖1B）。隨后，對受試者安裝多導睡眠電極和單獨鼻孔面罩，在床上睡兩小時（圖1B和1E）。在NREM睡眠期間，對一個鼻孔施加玫瑰氣味刺激（受試者左右鼻孔刺激間平衡，n=10和9）。醒來后，~15min的恢復，受試者進行post-sleep記憶測試。該測試中的氣味刺激強度和在任務和睡眠中的強度一樣。總實驗時長約4.5h。
對照實驗
對照實驗和TMR實驗類似，只不過在學習期間沒有氣味刺激（圖1G）。在NREM睡眠期間，單側氣味刺激出現30s，和TMR實驗一樣。另外，在初始學習任務期間進行EEG采集，依據10-20導聯系統采集6個頭皮電極：F3、F4、C3、C4、PO3和PO4。兩個EOG電極，一個在眼睛下方，一個在眼睛側面，記錄眨眼和運動，以便去除偽影。對所有30名受試者（16名女性，mean age26.96 years，range 20-38）在清醒學習期間分析ERP的側向性。
記憶任務
學習階段
每個trail從固定期開始，固定期為白色十字出現在黑屏中央，八個小的八邊形為目標（200ms、400ms或600ms、偽隨機）。隨后，白色單詞出現在屏幕中央（800ms），然后將目標之一放大（400ms）。然后，單詞逐漸變小朝目標移動，目標逐漸變大（150ms）。最后，在下一trail開始之前，單詞完全移動到目標框內（400ms）。受試者需要記住單詞和目標位置間的關系（圖1C）。每個目標接收到的單詞數量一樣。單詞都是常見的希伯來語的具體名詞（3-5個字母）。在TMR實驗中，13名受試者記住了32個單詞的word-location關系，6名記住了48個單詞的關系。對照實驗中的受試者記住了32個word-location關系。目標被分為左視野4個圓圈，右視野4個圓圈，用于左右半球處理（圖1C）。受試者需要始終注視屏幕中央的十字。單詞分為兩個block，每個block包含16個單詞（學習了48組關系的受試者的單詞分為24個為一個block），并在6輪學習中重復。受試者間的單詞順序、word-target關系，word-block分配都是隨機的，只有一個限制：同樣的目標位置不能連續出現兩次，以限制與同一位置關系詞間形成認知聯系。在每個block后進行非海馬“分心”任務（從屏幕上出現的三位數字開始，以三步的方式大聲倒數），以最大限度地減少主動記憶并盡可能保持視覺記憶。每輪學習后都會有一分鐘的停頓。根據試點實驗（n=28名受試者）確定學習輪次，睡前成功率約為60%（chance level為12.5%）。只有在TMR實驗中，在整個學習blocks中，通過鼻罩將玫瑰氣味傳遞到兩個鼻孔（而不在分心任務blocks和休息間期）（圖1B）。在每個學習block后，受試者通過按兩個按鈕中的一個來說明他們是否能在任務期間聞到氣味（mean=93.3%0.12of 12 blocks）。
記憶測試
在兩個實驗中，學習后立刻進行記憶測試（pre-sleep記憶測試），并在睡覺后~15min進行記憶測試（post-sleep記憶測試）。每個測試trail（圖1D）都以八個目標和白色十字都出現在屏幕開始（200ms、400ms、600ms、偽隨機）。然后，一個單詞出現在屏幕中間（2500ms），之后，一個白點光標代替這個單詞，受試者可以使用計算機觸摸板將其移向與這個詞關聯的目標。當光點靠近目標時，目標會逐漸變大到中等大小，當在觸摸板上確定是該目標時，目標會變得更大并持續2500ms直到下一trail開始。受試者如果不記得有10s去選擇目標。10s后，如果沒有選擇目標，下一trail開始（圖1D）。不會告訴受試者選擇是否正確。單詞以隨機順序出現。在post-sleep記憶測試階段沒有氣味刺激（圖1A和1B）。
氣味刺激
在相鄰房間準備一氣味機器，連接管道，管道另一端為面罩（清醒和睡覺佩戴的面罩不一樣）。氣體流速為每分鐘5L(lpm)。只有在TMR實驗中的面罩覆蓋兩個鼻孔（圖1B，左）。在TMR和睡眠期間使用的面罩能分離鼻孔的嗅覺環境。
睡覺期間的氣味刺激
在TMR實驗和對照實驗中都會在睡覺期間進行氣味刺激。在整個睡眠階段，實驗者監測多導睡眠圖以識別睡眠階段并提供氣味刺激。在至少10分鐘的睡眠后開始進行氣味刺激，并且受試者要保持NREM睡眠。只要受試者有一點覺醒信號就停止刺激。刺激遵循30s-on/30s-off的模式以減少習慣。
多導睡眠圖和睡眠評分
在睡眠期間使用PowerLab監測系統以1KHz的采樣率和50Hz陷波濾波器采集得到生理測量。根據10-20導聯系統，得到C3、C4、F3、F4的EEG信號，參考電極位于對側乳突A2和A1。EOG位于每只眼睛上方或下方和側面1cm處，參考電極位于對側乳突。EMG位于雙側頦下肌附近。心電圖電極位于腹部左側和右側，參考電極位于左腳上的接地電極。使用兩個肺活量計分別測量鼻孔的鼻呼吸。根據2012 American Academy of Sleep Medicine（AASM），分別由兩名評分員在線對睡眠階段進行視覺評分。得到實驗組和對照組的睡眠參數，包括睡眠潛伏期、總睡眠時間和不同睡眠階段的時間。
EEG數據分析
使用0.5Hz的FIR高通濾波（Hamming窗和transition band為0.5Hz）對EEG信號進行濾波，以去除噪聲。隨后對其使用30Hz的FIR低通濾波（Hamming窗和transitionband為2Hz）去除高頻噪聲。對于PAC分析并沒有進行濾波，以最小化信號失真。濾波后，信號降采樣到250Hz并分為REM睡眠時期和NREM睡眠時期。預處理后，所有后續EEG分析都基于NREM睡眠時期。
本文將每個‘odor-on’30s期間歸一化為‘odor-off’30s期間的功率，以便將無氣味時期作為基線，從而計算兩個半球間的功率變化。為了確保半球間的差異不是基線差異的結果，本文首先在以下頻段使用Wilcoxon signed rank tests比較了半球間最后25s的‘odor-off’期間的功率：SW（0.5-4Hz）、SO（0.5-1Hz）、delta（1-4Hz）和spindles（12-16Hz）、前額電極和中央電極。半球間的這些比較都沒有顯著性差異（all p>0.2）。
使用事件相關光譜擾動（ERSP）對動態光譜進行分析，實現如下：分別對每個通道，圍繞氣味刺激提取55s間期（25s‘odor-off’基線時期，隨后為30s‘odor-on’時期）。使用FIR濾波器（Hamming窗）將信號分為0.5Hz頻率bins（59 bins0.5-30Hz）。對每個頻率bins進行希爾伯特變化，隨后歸一化到前面的25s基線。然后，對每一受試者分別提取所有氣味刺激的中值歸一化功率。對所有受試者和trails進行ERSP平均，如圖4A、4E所示。為了進一步量化氣味刺激引起的功率變化，并在半球間比較這種變化，評估了感興趣頻段的功率：SW（0.5-4Hz）、SO（0.5-1Hz）、delta（1-4Hz）和spindles（12-16Hz）。另外，使用non-parametric cluster-based permutation testing進行測試。
檢測慢波（SO）振蕩事件
使用基于光譜內容和持續時間的定制腳本，用已建立的檢測算法，自動檢測單個SO時間。使用雙向最小二乘FIR濾波將每個單獨通道的腦電信號帶通濾波到SO頻率范圍（0.5-1Hz）。兩個過零點間的負偏轉為一個半波。下一階段只考慮連續過零點相隔0.25-1.0s的波。然后提取正負峰值振幅。最后，將15%的最高振幅（從負到正的峰值）事件認為是SO事件。將SO事件定義為距離負峰值2.5s。
檢測睡眠紡錘波事件
對于睡眠紡錘波的檢測和與SO相關的PAC分析，本文使用未過濾的原始數據來排除可能影響PAC分析的潛在相位失真。首先，使用過濾帶寬為2Hz的零相位雙向最小二乘FIR濾波器，在紡錘波范圍（12-16Hz）內對NREM腦電信號進行帶通濾波，用希爾伯特變換計算信號包絡。對其使用高斯核（s=40ms）進行平滑。在所有NREM睡眠信號中，當包絡幅度超過每個電極和每個受試者分別計算的mean+3SD的檢測閾值時，就認為檢測到該事件。將在1s內檢測到的事件合并。將信號超過NREM睡眠期間紡錘波功率的閾值mean+1SD確定為事件開始/結束。持續時間在0.5s到2s之間的事件用于下一分析。為了降低檢測到虛假紡錘波的概率，使用對無噪聲的原始信號的快速傅里葉變換來計算檢測到的事件的頻譜功率。僅考慮與相鄰頻帶（7-9Hz和18-20Hz）相比，峰值頻譜功率在紡錘波頻率范圍（12-16Hz）內的事件，以避免寬帶功率增加的事件。
SO-spindle相位幅度耦合
通過在單側氣味提示（‘odor-on’）期間檢測到的SO事件子集，檢測睡眠紡錘波發生的優先SO相位。首先對鎖相數據進行濾波（雙向最小二乘FIR濾波）得到SO成分（0.5-1Hz），希爾伯特變換提取瞬時相位角。然后對同樣的鎖相數據進行濾波得到紡錘波（12-16Hz），用希爾比特變換提取瞬時振幅。時間范圍為-2到2s以避免濾波器邊緣偽影。對每個受試者、通道、事件檢測最大紡錘波振幅和相應的SO相位角。對每個受試者的通道計算mean circular direction，以確定‘優選相位’。
量化和統計分析
對行為數據和PAC進行參數和非參數統計。由于對照實驗中有一名受試者的分數導致數據不是正態分布，所以參數統計并沒有包含該受試者，而非參數統計包含該受試者。將時間（pre-sleep/post-sleep）和提示（cued/uncued）作為因素，通過雙向重復測量ANOVA分析評估睡眠期間記憶表現的變化，然后使用雙尾配對t檢驗和Wilcoxon sign-rank tests進行事后比較。隨后，將個體post-sleep記憶表現標準化為pre-sleep記憶表現（pre-sleep表現設置為100%），并使用配對t檢驗和Wilcoxonsign-rank test比較雙側間單詞記憶變化。使用Cohen’s d和非參數rank-biserial correlation（RBC）計算得到效應大小。使用Pearson和Spearman相關評估氣味刺激時期數和刺激強度間的相關性。使用參數（two-way，mixed design ANOVA）和非參數（計算cued和uncued分數間的個體差異，并使用Wilcoxon ranked-sum test對實驗間分數進行比較）檢驗測試實驗類型（TMR/對照）和單詞刺激的視野（cued/uncued）間的相互作用。
將四個trail間隔中對側和同側ERP間的RMS差異量化為ERP側向化（圖2）：Entire-trail（0-1750ms）、Word-at-center（0-800ms）、Word moving-to-target-location（target enlargement+word-moving，800-1350ms）和Word-at-target-location（1350-1750ms）。為了測試是否具有顯著統計性（圖2A和2B），將真實數據與1000000個代替樣本進行比較，隨機混合受試者內的對側和同側標簽，隨后計算RMS差異。通過計算兩個任務的‘ERP側向化’間的差異，來測試后三輪學習任務中的ERP側向化是否大于前三輪學習（圖2C）。
非參數統計檢驗用于EEG功率譜分析。對氣味刺激期間的標準化EEG活動進行單樣本Wilxocon sign-rank檢驗，以測試氣味刺激對EEG功率的影響。使用Spearman相關來測試SW功率和記憶改善間的相關性，使用單尾Fisher r-to-Z變換檢驗相關性間的差異。使用聚類校正的跨時頻bins的非參數置換檢驗探究半球間的振蕩功率差異。對所有測試進行1000次隨機迭代Monte-Carlo permutation方法。
使用CircStat toolbox計算circular統計，用于SO-spindle耦合分析。首先使用Kuper two-samples檢驗比較所有通道中受試者的‘preferred-phases’分布與von Mises分布沒有顯著差異。然后使用Rayleigh tests測試均勻性。隨后，使用參數Watson-Williams多樣本檢驗和非參數common-median檢驗來測試equal circular means。使用參數Watson-Williams測試和非參數common-median檢驗比較實驗間每個半球preferred-phases間的差異，來評估PAC上實驗類型（TMR/對照）和半球間（cued/uncued）的相互作用。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的睡眠时的局部目标记忆再激活的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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