学习后不同时间睡眠剥夺对大鼠记忆能力的影响

中国行为医学科学 2000年第1期第9卷 论著

作者：宋国萍　皇甫恩　苗丹民　冯学文

关键词：睡眠剥夺；异相睡眠窗；大鼠；记忆

　　【摘要】目的　通过学习穿梭实验后的不同时间点睡眠剥夺(sleep deprivation,SD)，探讨特定时间内，睡眠对记忆及其保持的意义。方法　用小平台水环境（Flower Pot）法建立大鼠SD模型。学习穿梭实验后的不同时间点，共6个时间点，给予4小时的SD，其余时间在饲养笼中自由活动。分为GR1～4（学习后第1～4小时SD），GR5～8（学习后第5～8小时SD），GR9～12（学习后第9～12小时SD），GR13～16（学习后第13～16小时SD），GR17～20（学习后第17～20小时SD），GR21～24（学习后第21～24小时SD），每组有其正常对照组，观察记忆情况，并在3天后测记忆保持情况。结果　 GR5～8组学习穿梭实验后记忆能力最差，并且在3天后记忆保持也最差。大鼠在学习穿梭实验后5～8小时对记忆及其保持影响最大。结论　同学习记忆有关的睡眠集中于学习后一段时间。

Effects of postraining sleep deprivation on rat's memory

Song Guoping,Hangpu En,Miao Danmin,et al.

　　(Department of Psychology,Faculty of Aerofore,Fourth Military Medical University.710032)

　　【Abstract】Objective　To investigate effects of sleep on memory and long-term retention within a specific time after Sprague-Dawley rats learned shuttle-box avoidance.Methods Sleep deprivation (SD) was induced in male Sprague-Dawlay rats by housing them on small platforms over water.Controls were housed in normal cages (CC).After learning the shuttle-box avoidance,experimental groups were sleep deprived for four hours at six different time points.They were divided into six groups:GR1～4 (SD Hr1～4 after training),GR5～8 (SD Hr5～8 after training),GR9～12 (SD Hr9～12 after training),GR13～16 (SD Hr13～16 after training),GR17～20 (SD Hr17～20 after training),GR21～24 (SD Hr21～24 after training).Then memory of the rats from both experimental and control groups was tested immediately following SD,and tested again 3 days later.Results GR5～8 had the worst memory after SD.Paradoxical sleep window (PSW) in these rats occurs 5～8 hours after training.Conclusion The results verify the proposition that the learning-related sleep has a characteristic of confining itself to a specific phase.

　　【Key words】Sleep deprivation　Paradoxical sleep window(PSW)　Rats　Memory

　　睡眠剥夺（sleep deprivation，SD）是一种在特殊职业环境中存在的特殊生理心理反应，在生活节奏日益加快的今天，发生率明显升高。目前已有许多证据表明，睡眠与记忆关系密切^［1，2］。在动物学会任务后可见异相睡眠（paradoxical sleep，PS）明显增多^［3］。异相或完全性SD后，记忆力损失。进一步研究表明，PS增多集中于学习后的某段时间，并称之为异相睡眠窗（paradoxical sleep window，PSW）。该PSW随动物的种类、任务的性质及每阶段的数目不同而不同。对于人来说，现在已经证明不同类型的学习记忆对SD有不同的敏感性^［4］。在国外进行了大量的有关研究，我国在此方面的研究甚少，但此方面的研究对于揭示睡眠的功能及其与记忆的关系有重要的意义，并且具有军事意义。

　　本文拟用穿梭箱（shuttle-box）研究大鼠在学习后不同时间点SD对短时记忆的影响，并进一步研究对记忆保持能力的影响。

　　材料和方法

　　一、材料

　　1． 实验动物及分组：成年、雄性、健康上海产Sprague-Dawley大鼠51只，体重180±15g（由第四军医大学动物研究所提供）。删除在穿梭实验中在明箱中停留时间超过3分钟的大鼠3只及对电击不敏感的大鼠1只。将余47只大鼠随机分为6组，每组8只，其中SD组4只，正常单独饲养组4只，GR21～24的正常对照组为3只。 学习穿梭实验后的不同时间点,共6个,给予4小时的SD,其余时间在饲养笼中自由活动分为GR1～4（学习后第1～4小时SD），GR5～8（学习后第5～8小时SD），GR9～12（学习后第9-12小时SD），GR13～16（学习后第13～16小时SD），GR17～20（学习后第17～20小时SD），GR21～24（学习后第21～24小时SD）。

　　2．动物模型的制备：采用小平台水环境法（flower pot）^［5，6］建立大鼠SD模型。本教研室根据文献，制作30×30×30cm的鼠箱，其中有一直径为6.3cm，高8.0cm的平台，在平台周边注满水，水温保持在20℃左右，水面距平台面约1.0cm。鼠在平台上可自行饮食饮水。若其睡眠，则由于肌肉张力松弛而落入水中。在大鼠活动空间内持续40W日灯光照射，室内温度控制在18～22℃。实验前，让鼠熟悉适应环境1wk。

　　3．行为实验装置：穿梭实验箱由第四军医大学预防医学系防原教研室提供。实验箱由明、暗两个箱子组成，箱底铺以铜丝网，其中暗箱有可控制式电源开关，可通以36v交流电。暗箱与明箱相连的壁中央有8×8cm洞，大鼠可以自由通过。穿梭实验：首先将大鼠放入明箱中，则由于其钻洞及趋黑本性，钻入暗箱中，此时给予36v交流电，大鼠因遭受电击而逃回明箱中，此即为一次学习。以大鼠在明箱中停留时间超过3分钟为学会。实验指标有：动物学会后进入暗箱前，在明箱中停留的时间为潜伏期。以学会后重新进入暗箱为一次错误，记数在10分钟内动物错误的次数。

　　二、 行为实验程序

　　学习：各组大鼠均自适应环境后开始学习，训练时间为每天上午8：00～12：00，以10次训练为一单元，休息15分钟，每日共训练80次，共训练3天。

　　学习后不同时间SD后的记忆：在第3天训练结束后，各组于所规定的时间给予4小时SD，并各自在SD后立即测试记忆力。

　　记忆能力的保持：在测试记忆后，令大鼠在独自饲养的箱中自由活动。在3天后重新测试记忆力。

　　三、数据处理

　　潜伏期、错误次数取每组中各只大鼠的平均值，实验数据采用SPSS软件包进行单因素方差检验，两两比较用Neuman-Keuls检验。

　　结　果

　　无论SD后立即测试还是3天后测试，GR5～8组同控制组相比错误次数、潜伏期有显著差异（P＜0.01），其他各组均无明显差异，3天后测试各组错误次数增多、潜伏期缩短，但差异不显著，见表1～4。

　　一、学习后不同时间SD后的记忆

表1　SD后立即测试各组错误次数

表2　SD后立即测试各组潜伏期（s）

　　二、记忆能力的保持

表3　SD三天后测试各组错误次数

表4　SD三天后测试各组潜伏期（s）

　　讨　论

　　结果表明，大鼠穿梭实验中，训练后5～8小时睡眠增多，在此期间阻止睡眠将会导致记忆能力下降，所以该实验的异相睡眠窗（PSW）在训练后5～8小时。以前的研究表明，PSW的出现同训练的强度和频率有关。不同的任务，PSW出现的时间不同，强度较大的训练会使PSW出现时间提前。例如：当大鼠被给予每日20次的穿梭实验，共5天，PSW出现在训练后17～20小时^［7］；当训练为每日50次，共2天，PSW出现在训练后9～12小时；当训练为100次，仅一日时，PSW出现在训练后1～4小时。综上所述，若在一个训练单元中包含越多的信息，PSW便出现地越早，对训练后PSD出现越敏感。

　　Carlyle^［8］观察到学习快而多的大鼠较学习慢而少的大鼠有更多的异相睡眠。学习简单的任务受睡眠剥夺的影响较小，并且若动物在实验前便有所准备，则受睡眠剥夺的影响也较小^［9］。在训练后某一时期睡眠剥夺，记忆能力降低，从而说明睡眠和记忆及学习之间的关系，睡眠对于短时记忆是不可缺少的。动物和人在此期进行信息编码加工。

　　PSW不仅影响短时记忆能力也影响记忆能力的保持。在本次实验后72小时，我们发现，PSW时给予睡眠剥夺的大鼠记忆保持能力同样下降。这可能是因为PSW期的睡眠对于记忆的固化处理有特殊重要的作用。

　　记忆根据认知过程可以分为两类：一类是说明性或外显型记忆，需要意识参与，依赖于评价，比较和推理等认知过程；另一类是非说明性或内隐型记忆。睡眠中所涉及的记忆主要是外显型记忆。不同类型的学习记忆对睡眠剥夺有不同的敏感性，对于人而言，不涉及意义理解的任务记忆不受睡眠剥夺的影响，但对于涉及认知过程或意义性的材料，睡眠可增强记忆^［4］。

　　我们已知，异相睡眠的出现往往伴随着海马有节奏的慢波，即θ波的出现。并且已有证据表明，海马θ波的丧失使记忆受损。另外，电刺激海马联系处便会出现长时间突触传递LTP增强，而目前认为这是记忆编码的基础^［10］。清醒时完成学习记忆任务所产生的Fmθ波和睡眠中的θ波特性类似。所以推论：PSW 时，内源性适应机制的激活可能是记忆编码的一部分。若在此期睡眠剥夺便会产生记忆障碍。本实验中，训练后5～8小时剥夺异相睡眠记忆力下降的原因同此可能也有很大的关系。

　　另有实验表明，穿梭箱实验后某段时间内乙酰胆碱(Ach)的活性增加，在训练后给予破坏Ach活性的药物，学习记忆能力下降^{［11、12］}。因此，实验后5～8小时记忆力下降可能同此也有一定关系。也有可能睡眠同记忆无一定的关系，此期间内Ach活性下降和记忆力下降有无可能共同由另外一种介质引起，这需要进一步探讨。对于学习后为什么出现PSW，及睡眠对记忆的影响的生理基础是什么等问题需要我们继续研究。

　　在军事领域，执行某些涉及认知过程和意义理解的任务时，由于战争或任务的需要存在睡眠剥夺时，心理学家能否根据任务的性质确定PSW存在的时间段，在此时段内允许短时间睡眠，从而提高工作效率和战斗力，提高睡眠的效率。

　　参考文献

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　　12，Tenn C.,Smith C.& Annett R.The effects of protein synthesis inhibition on learning when applied at the REM window.Sleep Research,1989,18:46～50.

收稿日期：1999—07—19