好书推荐！《动物行为实验指南》电子版pdf，网盘发货
《动物行为实验指南》共674页，涵盖了常见的实验动物，如小鼠、大鼠和斑马鱼，详细描述了每一种行为测试的实验设计、测试设备、实验流程、评估指标、预期结果、常见问题及解决方法、数据分析、模型应用与局限性等各个方面。它通过快速引导，帮助研究人员高效地掌握实验的每个阶段，减少了查阅文献和寻找方法的时间，成为各类科研人员的重要参考资料。 《动物行为实验指南》共计收录了16种动物行为类型，包括焦虑抑郁、学习记忆、痛觉、运动、恐惧、社交、癫痫、操作、成瘾、视觉、痒觉、味觉、嗅觉、睡眠、斑马鱼行为以及常见动物模型等内容。每一类动物行为下，都详细介绍了多个经典的实验范式，涵盖了超过100种实验方法。
生物和人工神经网络面临的一个突出问题是新旧记忆之间的干扰，可能导致灾难性遗忘。现有理论指出，初始记忆巩固限制在海马体，逐渐转移到新皮层，与已有知识整合；然而，研究表明，海马体在学习后数天内继续重放记忆，可能干扰新信息的整合。非快速眼动（non-rapid eye movement, NREM）睡眠中的尖波涟漪（sharp-wave ripples, SWRs）被认为是海马体记忆巩固的候选机制，但仅有一小部分SWRs包含最近经历的重放事件。理论和实验表明，随机交替重放新旧记忆有助于无干扰的巩固，但是现有研究主要集中在NREM睡眠的整体状态，而忽略了其内部可能存在的微结构。人类和动物的NREM睡眠表现出不同阶段，可能涉及特定的子状态支持记忆巩固，但这些阶段与记忆过程的具体关联尚不明确。此外，瞳孔动态作为大脑状态变化的敏感标志，其在小鼠NREM睡眠中的数据仍然稀缺。
康奈尔大学的Azahara Oliva和Antonio Fernandez-Ruiz团队研究人员开发了一套创新的方法，结合电生理学、闭环光遗传学和瞳孔测量技术，以全面监测小鼠在自由活动和睡眠状态下的大脑动态，能够精确捕捉小鼠在NREM睡眠中的微小变化，从而揭示睡眠和记忆重放的时间组织结构。该研究成果Sleep microstructure organizes memory replay于2025年1月1日发表在Nature上，这些发现不仅填补了现有研究的空白，还为理解大脑如何在不同睡眠阶段处理和巩固记忆提供了新的视角。这项研究的突破性进展，有望推动记忆增强技术的发展，并为人工神经网络的优化提供重要参考。
图源 Nature
为了探究睡眠微结构在海马体记忆重放中的作用，研究人员结合瞳孔测量、高密度电生理学和实时瞳孔依赖的光遗传干预技术，开发了一种定制的小型头戴装置。该装置配备光纤、高密度硅探针、摄像头、红外LED和镜子，能够在小鼠自由活动和自然睡眠期间同时记录数百个单神经元、局部场电位（local-field potentials, LFP）和瞳孔动态。通过实时瞳孔追踪方法，研究人员发现小鼠在睡眠期间瞳孔直径缩小，尤其在快速眼动（REM）睡眠期间最小，而在非快速眼动（NREM）睡眠期间，瞳孔直径在收缩和扩张之间以约0.015Hz的频率振荡。研究表明，瞳孔大小的波动可以作为NREM睡眠微结构的指示器，这种微结构调节了尖波涟漪（SWRs）的特性。研究人员进一步通过高密度电生理学和实时瞳孔依赖的光遗传干预技术，详细观察了小鼠在NREM睡眠和清醒状态下的SWRs与瞳孔大小之间的关系，发现尽管在特定SWR期间瞳孔直径可以有任何大小，但在NREM和清醒状态下，SWR的发生率与瞳孔大小呈显著负相关。这意味着，当瞳孔较小时，SWR的发生率较高，反之亦然。这种负相关关系表明，瞳孔大小的波动不仅反映了NREM睡眠的微结构，还调节了SWR的特性，从而为理解记忆巩固过程提供了新的视角。
图1 振荡的瞳孔扩张揭示了自然睡眠的微体系结构
为了探究NREM睡眠微结构与记忆重放内容的关系，研究人员训练小鼠进行T迷宫延迟交替记忆任务，并在任务前后进行2小时的睡眠记录。他们使用贝叶斯解码器，根据海马体细胞的空间速率图分类睡眠期间的重放事件，结果显示只有约10%的睡眠SWRs具有显著的重放事件，且这些重放事件更倾向于发生在小瞳孔子状态的NREM睡眠期间。重放概率与瞳孔大小呈负相关，只有在小瞳孔子状态下的SWRs才有较高的重放概率。进一步分析表明，瞳孔大小的波动不仅反映了NREM睡眠的微结构，还调节了SWR的特性。通过广义线性模型（GLM）分析，研究人员发现重放概率对瞳孔大小的预测贡献最大，提示了重放与瞳孔动态之间存在紧密关系。这些结果表明，NREM睡眠中的小瞳孔子状态为最近记忆的重放提供了一个特权时间窗口。
图2 小瞳孔替代促进了最近记忆的重播
为了评估小瞳孔子状态期间重放最近经历在记忆表现中的因果作用，研究人员尝试以瞳孔依赖的方式干扰SWRs。先前研究表明，干扰学习后睡眠中的SWRs会损害记忆巩固，但未明确链接SWR相关的最近记忆重放与其巩固。因此，研究人员选择性地干扰小瞳孔子状态期间的SWRs，假设这足以损害记忆巩固，而在大瞳孔子状态期间干扰相似比例的SWRs则不会影响记忆。通过实时追踪瞳孔动态和检测SWRs，他们训练小鼠进行空间学习任务，并在任务后进行2小时的休息。结果显示，仅干扰小瞳孔相关的SWRs（SWRpupilS）就足以损害记忆巩固，而干扰大瞳孔相关的SWRs（SWRpupilL）对行为没有影响。进一步分析表明，记忆损害主要与SWRs发生的瞳孔状态有关，而不是干扰的SWRs数量。这一发现支持了小瞳孔子状态在记忆重放和巩固中的关键作用，也支持了记忆巩固的关键机制不是SWRs及其相关的群体爆发，而是特定任务相关活动模式的协调重放。
图3 SWR在小瞳孔状态中的光学遗传破坏，但没有选择性破坏最近的记忆
研究人员为了评估SWRpupilS干扰后观察到的记忆缺陷是否代表海马体依赖的记忆表现的一般性破坏，还是仅仅是新获得记忆巩固的特定缺陷，他们修改了实验任务，包含两个奖励位置。小鼠在前三天学习一个熟悉的目标位置，在第四天引入一个新的目标位置。结果显示，SWRpupilS干扰在训练后睡眠期间导致了新目标记忆的受损，而熟悉目标的记忆未受影响。这表明SWRpupilS干扰主要影响新记忆的巩固，而不是对所有海马体依赖的记忆表现产生普遍性破坏。
图4 新记忆与旧记忆的重新激活在时间上被小瞳孔和大瞳孔子状态隔离
为了确定 SWRpupilS和SWRpupilL相关活动的潜在电路机制，研究人员还对CA1区域的不同输入进行了探讨。研究人员通过电流源密度（current source density, CSD）分析，评估了CA3、CA2和内嗅皮层3层（entorhinal layer 3, EC3）在SWRpupilS和SWRpupilL期间的输入强度，结果显示SWRpupilS期间CA3和EC3输入更强，而CA2输入无显著差异；此外，尖波在SWRpupilS期间的幅度更高，表明CA3输入的增强。EC3输入与SWR爆发的生成有关，研究发现SWR爆发的发生率和持续时间与瞳孔大小呈负相关，进一步支持了SWRpupilS期间EC3输入的增强。研究人员还发现，CA1锥体细胞（pyramidal cells, PYRs）和中间神经元INTs的整体放电率与瞳孔大小呈负相关，但在SWRpupilL期间抑制增强。通过分析单突触对（PYR-INT）的尖峰传输概率，发现SWRpupilL期间的反馈抑制更强。综合这些结果，研究人员发现SWRpupilS期间更强的兴奋性输入和较弱的反馈抑制，认为CA1在小瞳孔子状态下处于更高的兴奋状态，有助于最近活跃的神经元集合的重放。
图5 小瞳孔和大瞳孔子状态中不同的输入和局部电路特性
在该研究中，研究人员揭示了睡眠微结构在记忆重放和巩固中的关键作用，发现小瞳孔子状态期间，大脑海马体的尖波涟漪（SWRs）更强，且与新记忆的重放密切相关，而大瞳孔子状态则主要涉及旧记忆的重放。通过选择性干扰小瞳孔子状态下的SWRs，研究人员证明了这种干扰会显著损害新记忆的巩固，而干扰大瞳孔子状态下的SWRs对记忆没有影响。这表明记忆巩固的关键机制在于特定任务相关活动模式的协调重放，而非SWRs本身。这一发现不仅有助于开发更有效的记忆增强技术，还可能为人工神经网络的优化提供新思路。此外，瞳孔动态作为大脑状态变化的敏感标志，可能在其他认知功能研究中发挥重要作用。
原文地址
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08340-w
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