可卡因戒斷對(duì)大鼠睡眠結(jié)構(gòu)和腦電功率譜的影響*

洪芬芳， 涂桂林， 楊樹龍, 賀長(zhǎng)生

(南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院1實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，2生理教研室,江西 南昌 310006;3井岡山市衛(wèi)生監(jiān)督所,江西 井崗山 343600)

可卡因戒斷對(duì)大鼠睡眠結(jié)構(gòu)和腦電功率譜的影響*

洪芬芳1▲， 涂桂林1▲， 楊樹龍2△, 賀長(zhǎng)生3

(南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院1實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，2生理教研室,江西 南昌 310006;3井岡山市衛(wèi)生監(jiān)督所,江西 井崗山 343600)

目的探索可卡因戒斷對(duì)睡眠覺醒活動(dòng)的影響。方法大鼠體內(nèi)植入無線發(fā)射器，用藥前、停藥第1 d(急性)、8 d(亞急性)、14 d(亞慢性)記錄自由活動(dòng)大鼠腦電波24 h。結(jié)果停藥第1 d睡眠覺醒周期上升(P<0.05)。停藥第8 d夜晚和白天，非快動(dòng)眼睡眠(NREM)增加(P<0.05)，快動(dòng)眼睡眠(REM)下降(P<0.01)；停藥第14 d，NREM睡眠夜晚顯著增加(P<0.01)而白天僅略加強(qiáng)，白天和夜間REM睡眠均明顯下降(P<0.01)。停藥期間白天和夜間總睡眠無明顯變化。整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，NREM、REM睡眠和覺醒狀態(tài)的δ、θ 和α腦電功率譜均無顯著變化。結(jié)論可卡因戒斷所致睡眠障礙主要由于快、慢波睡眠間而非睡眠與覺醒間異動(dòng)。急性戒斷造成睡眠覺醒間轉(zhuǎn)換異常，而睡眠結(jié)構(gòu)失調(diào)則發(fā)生在亞急性和亞慢性戒斷期間。

可卡因； 快動(dòng)眼睡眠； 非快動(dòng)眼睡眠； 腦電圖

可卡因停藥常導(dǎo)致戒斷癥狀，如煩躁不安、食欲改變、疲勞、做生動(dòng)或不愉快的夢(mèng)，以及增加或減少睡眠和精神活動(dòng)[1]。國外有一些來自臨床濫用可卡因和/或戒斷該藥物造成睡眠失調(diào)的報(bào)道。在可卡因戒斷第1周，快動(dòng)眼睡眠(rapid eye movement, REM)潛伏期顯著縮短、REM睡眠所占百分比和REM密度增加，總睡眠時(shí)間延長(zhǎng)[2]。在可卡因戒斷第3周，其睡眠模式類似慢性失眠，譬如睡眠潛伏期延長(zhǎng)，睡眠起始后覺醒時(shí)間異常增加，以及睡眠效率差。急性和亞急性戒斷后，可卡因?yàn)E用者總睡眠和REM睡眠增加[3]。用6個(gè)頻帶(δ、θ、慢速和快速α、慢速和快速β)腦電功率分析顯示可卡因?yàn)E用者沒有腦電圖異常[4]。盡管有這些研究進(jìn)展，但其中不確定性甚至相矛盾是顯見的[5-8]。目前國外有關(guān)研究多集中在人吸食可卡因成隱方面，有關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少，而國內(nèi)未見類似研究報(bào)道。本研究擬在大鼠體內(nèi)植入無線發(fā)射器，采用國際先進(jìn)的皮層腦電遙測(cè)技術(shù)，進(jìn)一步探討可卡因戒斷對(duì)睡眠活動(dòng)的影響規(guī)律。

材 料 和 方 法

1試劑和儀器

可卡因鹽酸鹽(Sigma)溶于0.9%無菌生理鹽水中，并經(jīng)1個(gè)微過濾器對(duì)可卡因進(jìn)行過濾后使用。SN-2型腦立體定位儀，Tokyo Narishige科學(xué)儀器實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)；TA11CTA- F40型無線發(fā)射器，DSI公司生產(chǎn)(由韓國忠北大學(xué)藥理毒理研究室吳教授提供)；Eagle PC30型AD轉(zhuǎn)換器，DSI公司生產(chǎn)；睡眠分析軟件SleepSign 2.1，KISSEI Comtec公司生產(chǎn)。

2方法

2.1動(dòng)物和手術(shù) 雄性SD大鼠(250-350 g,n=30)，購于南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心。單獨(dú)飼養(yǎng)，活動(dòng)不受限制，自由攝食飲水。所有大鼠均置于明∶暗為12 h∶12 h(光照07∶00-19∶00)通風(fēng)環(huán)境中，室溫 (22±2) ℃。經(jīng)過3 d馴化期，大鼠腹腔注射戊巴比妥鈉 (50 mg/kg)麻醉后，將頭部固定于立體定位儀上，暴露顱骨，雙氧水清潔顱骨表面。將1個(gè)無線發(fā)射器植入皮下偏離中線肩胛骨后面，發(fā)射器導(dǎo)聯(lián)經(jīng)皮下走行，其裸露的終端通過頭骨孔，按Paxinos和Watson大鼠立體定位圖譜安放在硬腦膜接觸處[A: 2.0 mm (前囟), L: 1.5 mm; P: 7.0 mm(前囟), L: 1.5 mm對(duì)側(cè)]，該電極以牙科水泥固定于顱骨上。如文獻(xiàn)[9]所述，發(fā)射器通過遙感勘測(cè)記錄腦電活動(dòng)。

2.2實(shí)驗(yàn)分組和可卡因給藥 雄性SD大鼠30只按隨機(jī)方法分為可卡因急性戒斷、亞急性戒斷和亞慢性戒斷3組，每組10只。手術(shù)恢復(fù)1周后，按20 mg/kg給大鼠皮下注射可卡因，每天1次共7 d。在用藥前(基礎(chǔ)記錄作為對(duì)照組)、可卡因停藥第1 d(急性戒斷)、第8 d(亞急性戒斷)和第14 d(亞慢性戒斷)分別記錄各組自由活動(dòng)大鼠睡眠覺醒腦電活動(dòng)24 h,見圖1A。

2.3數(shù)據(jù)采集 皮層腦電遙測(cè)和活動(dòng)記錄按照以前報(bào)道方法[9]。腦波信號(hào)檢測(cè)時(shí)，信號(hào)發(fā)射機(jī)增益定為-0.5 /+0.5V/U× 2，從發(fā)射器產(chǎn)生的原始信號(hào)頻率范圍為0.5-20.0 Hz。這些信號(hào)由數(shù)據(jù)科學(xué)模擬轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理并傳遞給連接在計(jì)算機(jī)上的1個(gè)AD轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器在128 Hz將腦電活動(dòng)信號(hào)數(shù)字化，數(shù)字化的數(shù)據(jù)再傳輸?shù)诫娔X以圖像的形式顯示出來。經(jīng)Hanning窗處理后，一種在線快速傅立葉變換(fast Fourier transformation, FFT)以每2 s 256個(gè)樣本完成對(duì)腦電數(shù)據(jù)加工。該FFT以0.5 Hz分辨率分析產(chǎn)生的功率強(qiáng)度從0.0到20.0Hz。FFT數(shù)據(jù)每10 s為單位在0-20 Hz范圍進(jìn)一步平均。每10 s睡眠數(shù)據(jù)和FFT結(jié)果保存到計(jì)算機(jī)硬盤以備進(jìn)一步離線分析。與遙測(cè)接收器有關(guān)的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生晶體管邏輯(transistor-transistor logic, TTL)脈沖可以收集來計(jì)數(shù)動(dòng)物活動(dòng)。

2.4行為狀態(tài)和腦電功率譜分析測(cè)定 使用睡眠分析軟件SleepSign 2.1，從10 s作為時(shí)間參考標(biāo)準(zhǔn)的特定瞬時(shí)的數(shù)字化數(shù)據(jù)中，分析測(cè)定覺醒、非快動(dòng)眼睡眠(non-rapid eye movement, NREM)和REM睡眠狀態(tài)下各自所用的時(shí)間量。簡(jiǎn)單來說，如圖1B 所示，該軟件將覺醒識(shí)別為高頻低幅腦電圖; NREM睡眠是基于腦電慢波內(nèi)散布梭形波來計(jì)分的。REM睡眠腦電功率是低頻δ波(0.8-4.0 Hz)明顯減少，θ波(活動(dòng)范圍5.0-9.0 Hz，峰值在7.5 Hz)則增加。先對(duì)NREM、REM和總睡眠(NREM+REM)狀態(tài)所用的時(shí)間和睡眠覺醒周期進(jìn)行處理，以獲得每只大鼠白天和夜間各12 h總量。再進(jìn)一步計(jì)算覺醒、NREM和REM睡眠狀態(tài)各自所占用的時(shí)間。以0.5赫茲為單元從0.5-20.0 Hz，計(jì)算每只大鼠腦電記錄整個(gè)白天和夜間各12 h覺醒、NREM和REM睡眠期間腦電絕對(duì)功率譜。選擇3個(gè)頻段[δ波(0.8-4.5 Hz)、θ波(5.0-9.0 Hz)和α波(8.0-13.0 Hz)]，對(duì)每只大鼠覺醒、NREM和REM睡眠狀態(tài)下的腦電功率譜進(jìn)行評(píng)估。

3統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

結(jié) 果

1可卡因戒斷對(duì)睡眠/覺醒周期數(shù)的影響

通過檢測(cè)可卡因停藥第1、8和14 d后睡眠/覺醒周期數(shù)，研究了睡眠覺醒過渡轉(zhuǎn)變是否受可卡因停藥影響。我們觀察到停藥第1 d的日間和夜間，睡眠/覺醒周期數(shù)均顯著升高(P<0.05)，但在戒斷后的第8、14 d，睡眠/覺醒周期又返回到基礎(chǔ)水平,見圖2。

Figure 1. Schematic representation of the experimental design and electroencephalogram (EEG) patterns in the stages of rat sleep. A：a time-line illustration of the sequence of events throughout all the experiments and the number for each examination; B：a representative EEG pattern of NREM, REM sleep and wakefulness stage.

圖1整體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和大鼠動(dòng)眼、非動(dòng)眼睡眠和覺醒狀態(tài)腦電特征記錄圖

2可卡因戒斷對(duì)大鼠睡眠結(jié)構(gòu)的影響

我們接著考察了急性、亞急性和亞慢性可卡因戒斷對(duì)睡眠結(jié)構(gòu)的影響。在用藥前(對(duì)照組)和可卡因停藥后第1、第8和第14 d，我們測(cè)量了24 h不受打擾的大鼠睡眠覺醒活動(dòng)。如圖3所示，可卡因停藥第1 d，無論白天和夜間NREM睡眠輕微減少，而REM睡眠略有增加(P>0.05)；停藥第8 d的夜晚和白天，NREM睡眠明顯增加(分別為P<0.01和P<0.05)，REM睡眠則顯著下降(P<0.01)；戒斷第14 d，NREM睡眠在夜晚顯著增加(P<0.01)而白天僅略微增加，無論白天和夜間REM睡眠均明顯下降(P<0.01)。但在可卡因停藥期間，總睡眠時(shí)間無論白天和夜間均未見明顯變化。

圖2可卡因戒斷第1、第8和第14d睡眠/覺醒周期變化

圖3可卡因戒斷第1、第8和第14d睡眠結(jié)構(gòu)的變化

3可卡因戒斷對(duì)NREM和REM睡眠和覺醒期間腦電功率譜的影響

與用藥前的基礎(chǔ)水平相比較，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，無論白天或夜間，在NREM(圖4 A、B)、REM(圖4 C、D)睡眠和覺醒(圖4 E、F)狀態(tài)下的δ、θ和α波功率譜百分比均沒有因可卡因戒斷而發(fā)生顯著變化(P>0.05)。

圖4可卡因戒斷第1、第8和14d，NREM、REM睡眠和覺醒狀態(tài)腦電功率譜變化

討 論

在目前的實(shí)驗(yàn)中，我們使用先進(jìn)的無線遙測(cè)技術(shù)對(duì)大鼠的腦電活動(dòng)進(jìn)行了研究，這在國內(nèi)尚無先例。我們觀察到可卡因急性戒斷降低了睡眠/覺醒周期數(shù)，及至亞急性和亞慢性戒斷，睡眠/覺醒周期從紊亂重新回歸正常，見圖2。此結(jié)果與以前的報(bào)道一致[10]，表明急性戒斷期間睡眠質(zhì)量較低，睡眠和覺醒狀態(tài)之間存在過渡轉(zhuǎn)變障礙。

有證據(jù)表明可卡因給藥當(dāng)晚快動(dòng)眼睡眠被抑制[5-7]。停藥后數(shù)天內(nèi)出現(xiàn)反彈，表現(xiàn)為REM睡眠潛伏期減少和REM睡眠時(shí)間增加。另外，可卡因?qū)嶒?yàn)室給藥在當(dāng)晚增加了慢波睡眠活動(dòng)，但由于在停藥頭幾天快波睡眠增加，慢波睡眠降低了[5,8]。當(dāng)停藥進(jìn)入第3周時(shí)，快動(dòng)眼睡眠則降低到非常低的水平，慢波活動(dòng)相應(yīng)地增加。同樣，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示急性可卡因戒斷降低了白天和夜間NREM睡眠，REM睡眠則略有上升。亞急性戒斷增加NREM睡眠；亞慢性戒斷明顯增加夜間NREM，僅略加強(qiáng)日間NREM睡眠；亞急性和亞慢性戒斷同時(shí)降低了白天和夜間REM睡眠；但總的睡眠時(shí)間并沒有明顯變化，見圖3。可見，急性、亞急性和亞慢性可卡因戒斷導(dǎo)致的睡眠結(jié)構(gòu)紊亂主要存在于NREM和REM睡眠之間，而睡眠和覺醒之間未見明顯的異常變化。此結(jié)果部分得到多數(shù)文獻(xiàn)支持[3, 7, 10-12]。但與個(gè)別報(bào)道[10]差異較大，該研究注意到每天早晨給大鼠注射可卡因能引起覺醒增加并伴隨慢波睡眠(slow-wave sleep, SWS)1、SWS2和快波睡眠(paradoxical sleep, PS)減少，隨后出現(xiàn)黑暗階段SWS2和PS反彈[10]。這些差異可能由于不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象、可卡因使用劑量不同，以及戒斷時(shí)間不一樣[5-8]?？煽ㄒ蚴亲钪募訌?qiáng)人精神活力藥物之一[13]。推測(cè)在本實(shí)驗(yàn)中，可卡因皮下注射(20 mg/kg，皮下給藥7 d)可能直接和/或間接地激活覺醒系統(tǒng)，如組胺、膽堿能和hypocretin神經(jīng)元，減少NREM睡眠。此作用與剝奪睡眠造成的結(jié)果類似。急性戒斷并不能抵消可卡因的這種影響，但亞急性和亞慢性戒斷則導(dǎo)致了NREM睡眠的反彈性增加。

此外，在整個(gè)戒斷期間，無論白天和夜晚，以及無論睡眠或覺醒狀態(tài)下，δ、θ和α波功率百分比均未見顯著改變，提示可卡因戒斷沒能造成腦電功率譜的異常變化。同樣，Bauer等[4]在可卡因依賴期間沒有發(fā)現(xiàn)腦電絕對(duì)功率存在明顯異常 ，支持我們的觀點(diǎn)。

總之，本實(shí)驗(yàn)顯示可卡因急性戒斷主要造成睡眠/覺醒狀態(tài)過渡紊亂，而睡眠結(jié)構(gòu)功能障礙則發(fā)生在亞急性和亞慢性戒斷期間。此結(jié)果進(jìn)一步揭示了與可卡因戒斷相關(guān)睡眠障礙的特點(diǎn)，提出了治療可卡因成癮的重要見解，從而為臨床更好地治療精神興奮劑成癮患者提供了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

(致謝:真誠感謝韓國忠北大學(xué)藥理毒理研究室吳教授在本實(shí)驗(yàn)完成中給予的大力支持和幫助。)

[1] Walsh SL, Stoops WW, Moody DE, et al.Repeated do-sing with oral cocaine in humans: assessment of direct effects, withdrawal, and pharmacokinetics[J]. Exp Clin Psychopharmacol，2009，17(4):205-216.

[2] Kowatch RA, Schnoll SS, Knisely JS, et al. Electroencephalographic sleep and mood during cocaine withdrawal[J].J Addict Dis，1992，11(4):21-45.

[3] Thompson PM, Gillin JC, Golshan S, et al. Polygraphic sleep measures differentiate alcoholics and stimulant abusers during short-term abstinence[J]. Biol Psychiatry，1995，38(12):831-836.

[4] Bauer LO, Kranzler HR. Electroencephalographic activity and mood in cocaine-dependent outpatients: effects of cocaine cue exposure[J]. Biol Psychiatry，1994，36(3):189-197.

[5] Morgan PT, Pace-Schott EF, Sahul ZH, et al. Sleep architecture, cocaine and visual learning[J]. Addiction，2008，103(8):1344-1352.

[6] Johanson CE, Roehrs T, Schuh K, et al. The effects of cocaine on mood and sleep in cocaine-dependent males[J]. Exp Clin Psychopharmacol，1999，7(4):338-346.

[7] Watson R, Bakos L, Compton P, et al. Cocaine use and withdrawal: the effect on sleep and mood[J]. Am J Drug Alcohol Abuse，1992，18(1):21-28.

[8] Morgan PT, Pace-Schott EF, Sahul ZH, et al.Sleep, sleep-dependent procedural learning and vigilance in chronic cocaine users: Evidence for occult insomnia[J]. Drug Alcohol Depend，2006，82(3):238-249.

[9] Sanford LD, Yang L, Liu X, et al. Effects of tetrodotoxin (TTX) inactivation of the central nucleus of the amygdala (CNA) on dark period sleep and activity[J]. Brain Res，2006，1084(1):80-88.

[10] Dugovic C, Meert TF, Ashton D, et al. Effects of ritanserin and chlordiazepoxide on sleep-wakefulness alterations in rats following chronic cocaine treatment[J].Psychopharmacology，1992，108(3):263-270.

[11] Pace-Schott EF, Stickgold R, Muzur A, et al. Sleep quality deteriorates over a binge-abstinence cycle in chronic smoked cocaine users[J]. Psychopharmacology，2005，179(4):873-883.

[12] Gillin JC, Pulvirenti L, Withers N, et al. The effects of lisuride on mood and sleep during acute withdrawal in stimulant abusers: a preliminary report[J]. Biol Psychiatry，1994，35(11):843-849.

[13] Hack SP, Christie MJ. Adaptations in adenosine signaling in drug dependence: therapeutic implications[J]. Crit Rev Neurobiol，2003，15(3-4):235-274.

Effectsofcocainewithdrawalonsleeparchitectureandcorticalelectroencephalogrampowerspectrainrats

HONG Fen-fang1, TU Gui-lin1, YANG Shu-long2, HE Chang-sheng3

(1DepartmentofExperimentalTeaching,2Departmentofphysiology,MedicalCollegeofNanchangUniversity,Nanchang310006,China;3HealthSupervisionStationofJinggangshan,Jinggangshan343600,China.E-mail:slyang@ncu.edu.cn)

AIM: To study the characteristics of sleep disturbances resulting from cocaine withdrawal.METHODSAdult rats were instrumented with sleep-wake recording electrodes. Polygraphic signs of undisturbed sleep-wake activities were recorded for 24 h before cocaine administration, on withdrawal day 1 (acute), day 8 (subacute), and day 14 (subchronic) during cocaine treatment.RESULTSThe sleep-wake cycles increased on withdrawal day 1 (P<0.05). Non-rapid eye movement (NREM) sleep increased during nighttime (P<0.01) and daytime (P<0.05) on withdrawal day 8. The increase in NREM sleep was significant during nighttime (P<0.01) and slight during daytime on withdrawal day 14, whereas the rapid eye movement (REM) sleep was reduced during both daytime and nighttime (P<0.01) on withdrawal day 8 and 14. In either daytime or nighttime period, no significant change was observed in the total sleep time during cocaine abstinence. During NREM and REM sleep as well as wakefulness, no difference was found in δ-, θ- and α-wave power density on withdrawal day 1, 8 and 14.CONCLUSIONSleep disturbance induced by acute, subacute, or subchronic cocaine withdrawal is predominantly due to abnormal alterations between NREM and REM sleep but not between sleep and wakefulness. The transition of sleep-wakefulness state is mostly disturbed during acute withdrawal, while sleep architecture dysfunction occurs during subacute or subchronic withdrawal.

Cocaine; Rapid eye movement; Non-rapid eye movement; Electroencephalogram

R363

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2011.01.015

1000-4718(2011)01-0077-05

2010-07-12

2010-09-25

江西省教育廳科研基金資助項(xiàng)目(No. 2008GJJ09038)；江西省衛(wèi)生廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(No. 20073183)；南昌大學(xué)引進(jìn)博士科研啟動(dòng)基金(No.300304)

△通訊作者 Tel：0791-8601308；E-mail: slyang@ncu.edu.cn

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