腦電研究：睡眠中的嬰兒大腦預測發育情況
文章來源：思影科技
作者：楊曉飛，齊韞藝
傳統觀點認為九個月大之後的嬰兒才能建立真正辭彙的語義長程記憶，之前都處在呀呀學語的原詞狀態。來自德國柏林洪堡大學的學者Manuela Friedrich等人探索了嬰兒的睡眠對其第一個詞義出現的影響，發現嬰兒在睡眠中記憶經歷了不同的階段，特別是六個月大的嬰兒大腦已經足夠成熟去建立辭彙-語義的長時程記憶。這項研究發表在Current Biology雜誌上。
實驗一共有162位6-8個月大的嬰兒參與，最終有107位的數據被採納。在實驗之前，嬰兒受試者被分為睡眠組和清醒組，即在學習階段完成之後是否進入睡眠狀態，其中睡眠組又根據其睡眠的長短（35分鐘為標準）分為長睡眠組和短睡眠組。
實驗分為三個階段：學習階段、記憶鞏固階段和記憶測試階段，如圖1所示，在學習階段，嬰兒被暴露於128對不同的物體-詞語對，即屏幕上呈現視覺的物體，隨後同時呈現一個詞語。而這些配對分為兩種情況：分別是一致配對和不一致配對。配對刺激分為八大類，每一類有12張類似的物體，其中八個出現在學習階段，四個出現在記憶測試階段，以考察嬰兒對同一個詞配對相似物體的歸類推廣能力。不配對刺激也是這八類刺激，只是物體和詞語不配對，每種出現一次。兩種情況混雜隨機呈現。記憶鞏固階段，睡眠組嬰兒開始睡覺，清醒組嬰兒保持清醒，最後是記憶測試階段。在這三個階段都同時記錄EEG數據。
圖1：實驗設計。（A）在學習階段，一半呈現的物體-詞語對是配對一致的情況，一個詞與八個新的但是相似的物體配對，實現歸類辭彙配對的學習。另外一半是配對不一致的情況，一個詞與八個不相似的物體配對，這樣被試就不能學習到穩定的物體詞語對。（B）在記憶測試階段，特定類別的四個新的物體呈現在配對辭彙中或者不配對辭彙中。
研究人員首先發現睡眠的長度影響嬰兒新記憶的發展階段。如圖2所示，經過學習階段後，清醒組嬰兒在記憶測試時對配對刺激和不配對刺激沒有不同的大腦響應，而短睡眠組：正確的配對則呈現出晚期負波成分，這暗示著嬰兒出現記憶中較為低級的感知相關記憶；而長睡眠組：不正確的配對刺激呈現出類似於成年人的N400成分，暗示著成熟的辭彙-語義記憶完成。表1列出影響嬰兒大腦成熟和認知發育的變數，長短睡眠組在這些因素上並沒有顯著性差異，提示長睡眠組觀察到的N400記憶效應並非來源於兩組被試的大腦成熟度不同。
圖2：在學習和記憶測試階段的歸類詞語配對效應。嬰兒對與新物體配對的詞的ERP反應。在N400啟動效應的標準分析之後，我們計算了所有未啟動和啟動情況之差的記憶效應（例如，不一致-一致；不正確-正確）；負值向上畫。（A）在學習階段沒有證據顯示學習的推廣。（B）清醒組的記憶測試中沒有證據顯示學習的推廣。（C）短睡眠組的記憶測試出現晚期負波成分，暗示著針對歸類詞語配對的較低發展階段的感知相關記憶的出現。（D）長睡眠組的記憶測試出現N400成分，暗示著高級發展階段的語義記憶的出現。
表1：影響嬰兒大腦成熟和認知發育的變數。
隨後，研究人員分析嬰兒睡眠各個階段的長短和長睡眠組觀察到的N400記憶效應之間的相關性，雖然長短睡眠組在非快速眼動睡眠總時間、非快速眼動睡眠階段2和3，以及總睡眠時長上均有顯著性差異（見表2），但是分析發現只有非快速眼動睡眠2階段的長短與該效應相關。短-N2組觀察到晚期負波成分，而長N2組則能觀察到N400成分。並且再將N2時長細化，發現0.5-4分鐘的N2睡眠，無記憶效應，4.5-9.5分鐘的N2睡眠，呈現感知相關記憶效應；10-17.5分鐘的N2睡眠，記憶效應消失，提示可能是記憶重組正在進行；18-35分鐘的N2睡眠，出現辭彙-語義記憶效應。因此，感知記憶到語義記憶的轉換需要延長的非快速眼動睡眠2（N2）階段。
如表3所示，長短N2睡眠組被試在影響大腦發育的各個變數上也不存在統計學差異，可以排除大腦發育成熟度的影響。
圖3：在睡眠階段2中記憶形成的時間進程。
（A）在短N2睡眠組（N2階段睡眠時長不大於9.5分鐘的嬰兒）的晚期負波的記憶效應；
（B）長N2睡眠組（N2階段睡眠時長大於9.5分鐘的嬰兒）的N400記憶效應;
（C）N2階段只有0.5-4分鐘的嬰兒沒有證據顯示記憶效應；
（D）N2階段有4.5-9.5分鐘長的嬰兒出現的晚期負波成分，暗示著感知相關記憶的出現；
（E）N2階段有10-17.5分鐘長的嬰兒未觀察到記憶效應，暗示著記憶重組正在進行；
（F）N2階段有18-35分鐘長的嬰兒出現的N400效應，證實語義記憶的建立；
表2：長短睡眠組不同睡眠階段時長的描述和統計。
表3：長短N2睡眠組的睡眠情況描述和發育變數對比。
最後研究人員關注了局部睡眠紡錘波，發現只有N2階段出現的睡眠紡錘波與N400效應相關，參與真正詞語記憶的形成。如圖4C-D所示，局部睡眠紡錘波無論是峰峰幅度還是均方根都和N400效應相關；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效應相關。
圖4：睡眠紡錘波和辭彙-語義記憶的關係。（A）在非快速眼動睡眠中，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-N2組的平均非快速眼動睡眠紡錘波；（C）長-N2睡眠組在睡眠N2階段的右中腦區（C4）的睡眠紡錘波平均峰-峰幅度與記憶測試階段N400語義推廣效應的相關性（r=-0.488,p=0.006）;（D）長-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試階段N400語義推廣效應的相關性（r=-0.526,p=0.003）;注意：由於N400效應極性呈負，因此相關性也呈負。
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，我們計算了每個被試右中側腦區和其餘腦區的紡錘波功率的歸一化局部偏差。發現紡錘波右中側腦區的增加或者降低在長、短N2睡眠組間並沒有差異（t59=-0.619，p>0.1），但是仍和長-N2睡眠組的N400效應相關（r=-0.553,p=0.002）。
圖5：長-N2睡眠組在睡眠階段的紡錘波功率和記憶測試階段的N400語義推廣效應之間的關係。（A）C4電極處非快速眼動睡眠紡錘波功率和N400效應之間的關係；（B）P4電極處非快速眼動睡眠紡錘波功率和N400效應之間的關係；（C）單個被試右側中頂腦區的紡錘波功率與所有其他腦區的平均紡錘波功率的歸一化局部偏差和N400效應之間的關係。
綜上所述，本文亮點在於：1.嬰兒睡眠階段的記憶鞏固和辭彙發展的早期階段同步；2.非快速眼動睡眠2階段的長度決定了嬰兒新記憶的發展階段；3. N2階段的局部睡眠紡錘波參與辭彙-語義長時程記憶的形成；4. 睡眠依賴的記憶鞏固（6個月）早於已知的發育正常進程（九個月）。
參考文獻：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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