解開白天和晚上記憶的秘密

今天，我們有一篇由 Frank Raven 撰寫的文章，他在Groningen 生命科學研究所 (GELIFES) 完成了關於睡眠剝奪對記憶和可塑性影響的研究。

他的論文描述了一系列實驗來表徵大腦的特定變化，以及這如何幫助他深入了解睡眠剝奪及其潛在機制。未來，Frank 希望進一步深入睡眠神經生物學的研究。

記憶處理的晝夜節律

人類和動物的大多數物種都具有形成、儲存以提取記憶的基本能力。記憶體處理非常微妙，會受到許多不同因素的影響。其中之一是晝夜節律。

這種節律性可能源自於細胞、神經生物學層面或行為層面的節律變化，例如睡眠和清醒之間的交替[1,2]。後者提出了一個重要的觀點，因為將一天中的時間對記憶儲存的影響與睡眠與覺醒週期的變化分開討論是具有挑戰性的。此外，睡眠本身對於正常的記憶功能也非常重要[3]。

然而，1998 年發表的一項研究表明，在夜間的最初幾個小時內產生新蛋白質對於記憶形成非常重要[4] 。其他研究中發現，某些對記憶形成很重要的蛋白質水平也有晝夜節律[5,6]。

蛋白質合成和訊息的儲存

目前尚未釐清這些蛋白質基礎作用在白天晚上的差異是否表示新記憶的儲存在白天和夜上也存在差異。因此，我們研究了蛋白質合成抑制在白天和晚上對記憶鞏固的影響是否不同。

為什麼使用小鼠？

這個研究使用小鼠作為受試，是因為牠們與我們經歷相同的睡眠階段，而且它們的海馬體（對記憶處理至關重要的大腦區域）的結構也非常相似。

小鼠與其他夜行性動物一樣，在晚上的時候較活躍，在白天時活動力下降。在這個實驗當中，一半的受試於晚上接受實驗，另一半的受試於白天接受實驗。

如何研究小鼠的記憶？

為了研究記憶，研究者使用Noldus/Ugo 的恐懼制約箱。使用海馬迴依賴的恐懼制約實驗程序，小鼠必須將一個中性環境(恐懼制約箱)與不愉快的事件(微電流) 連接起來。

在小鼠被放置在制約箱約過放30秒後，實驗者將EthoVision XT 編程，系統會傳送一個2mV 的電流去刺激小鼠的腳底。過2 分鐘後，小鼠會回到飼養籠當中，過24 小時後，小鼠會再度回到制約箱，實驗者將測試小鼠是否對制約箱產生恐懼制約。

量測肢體僵硬(freezing) 的行為

在訓練和測驗的期間，實驗者會量測肢體僵硬的行為，也就是被定義為完全沒有動作的行為 (除了呼吸以外)，並由EthoVision XT 進行自動判定與分析。當動物在負面經驗(電擊) 和環境(制約箱) 之間建立連結時，動物會表現出這種典型的肢體僵硬的行為，這是已學習過和已形成記憶的跡象。實驗者也有在訓練其間量測動物凍結(frezzing) 的現象來作為baseline，而在此其間frezzing 的表現是非常低的。

在白天和晚上抑制蛋白質合成

訓練後立即在不同時間點給小鼠注射（皮下）茴香黴素 (anisomycin, 一種蛋白質合成抑制劑) 或生理食鹽水作為對照。在光照（不活動）階段進行測試的小鼠在 T0（訓練後立即）、T4（訓練後 4 小時）和 T8（訓練後 8 小時）注射茴香黴素後表現出較少的凍結。然而，在 T12（訓練後 12 小時）注射的小鼠表現出與對照動物一樣的僵硬程度，因此能夠記住這種關聯。

蛋白質在記憶形成中扮演重要的腳色

由此我們可以得出結論，在光照階段訓練後至少 8 小時內，新蛋白質的產生對於情境恐懼記憶的儲存非常重要。令人驚訝的是，我們發現在黑暗（活躍）階段訓練的小鼠也得到了相同的結果。此外，雄性和雌性小鼠在這方面似乎沒有差異。這個研究結果顯示在學習過後的8小時內，蛋白質的合成對形成記憶至關重要。

此外，並非所有記憶儲存的基本機制會因為學習時間在白天或晚上而所不同[8]。深入了解白天和晚上的記憶鞏固對於記憶儲存的潛在分子機制的研究至關重要。未來的研究應該調查調節記憶儲存的其他分子過程（例如轉錄、翻譯和泛素化）是否遵循晝夜節律。最後，技術進步允許採用更複雜的方法（例如光遺傳學），研究哪些特定記憶如何形成、何時形成與保存等問題[9, 10]。

引用文獻

1. Snider, K.H., K.A. Sullivan, and K. Obrietan, Circadian Regulation of Hippocampal-Dependent Memory: Circuits, Synapses, and Molecular Mechanisms. Neural Plast, 2018. 2018: p. 7292540.
2. Abel, T. and K.M. Lattal, Molecular mechanisms of memory acquisition, consolidation and retrieval. Curr Opin Neurobiol, 2001. 11(2): p. 180-7.
3. Abel, T., et al., Sleep, plasticity and memory from molecules to whole-brain networks. Curr Biol, 2013. 23(17): p. R774-88.
4. Bourtchouladze, R., et al., Different training procedures recruit either one or two critical periods for contextual memory consolidation, each of which requires protein synthesis and PKA. Learn Mem, 1998. 5(4-5): p. 365-74.
5. Eckel-Mahan, K.L., et al., Circadian oscillation of hippocampal MAPK activity and cAmp: implications for memory persistence. Nat Neurosci, 2008. 11(9): p. 1074-82.
6. Jouffe, C., et al., The Circadian Clock Coordinates Ribosome Biogenesis. PLOS Biology, 2013. 11(1): p. e1001455.
7. Phillips, R.G. and J.E. LeDoux, Differential contribution of amygdala and hippocampus to cued and contextual fear conditioning. Behav Neurosci, 1992. 106(2): p. 274-85.
8. Raven, F., et al., Elucidating the role of protein synthesis in hippocampus-dependent memory consolidation across the day and night. Eur J Neurosci, 2020.
9. Ryan, T.J., et al., Memory. Engram cells retain memory under retrograde amnesia. Science, 2015. 348(6238): p. 1007-13.
10. Tonegawa, S., et al., Memory engram storage and retrieval. Curr Opin Neurobiol, 2015. 35: p. 101-9.