睡眠剝奪所致的警覺性受損及其可能機(jī)制

王忠 朱囡囡 陳文浩 謝雯

1安徽醫(yī)科大學(xué)精神醫(yī)學(xué)中心，安徽省精神衛(wèi)生中心（合肥 230032）；2安徽醫(yī)科大學(xué)精神衛(wèi)生臨床學(xué)院，安徽省精神衛(wèi)生中心（合肥 230022）；3北京大學(xué)第六醫(yī)院，北京大學(xué)精神衛(wèi)生研究所，衛(wèi)生部精神衛(wèi)生學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京 100191）

睡眠是一種自發(fā)、可逆的周期性狀態(tài)，人一生約1/3的時(shí)間都是在睡眠中度過(guò)，當(dāng)人體處在睡眠狀態(tài)時(shí)，全身放松，身體的各個(gè)器官都能得到很好的休息，是機(jī)體復(fù)原、信息整合和記憶鞏固的重要環(huán)節(jié)［1-2］。然而，隨著社會(huì)進(jìn)步、生活節(jié)奏的加快、夜生活豐富以及電子網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)品的使用，睡眠剝奪（sleep deprivation，SD）在現(xiàn)代社會(huì)尤其是年輕人中已成為普遍存在的現(xiàn)象［3］。一項(xiàng)橫斷面的調(diào)查報(bào)告［4］指出，70%以上的年輕人每天的睡眠時(shí)間都少于推薦的睡眠時(shí)間，且至少有60%被定義為睡眠嚴(yán)重缺乏。研究［5］表明，良好的睡眠對(duì)人體健康特別認(rèn)知功能的維持極其關(guān)鍵，警覺注意力作為認(rèn)知的一個(gè)最基本維度是完成其他高級(jí)認(rèn)知過(guò)程的必要條件，也是SD的高敏感指標(biāo)，其功能的維持受到晝夜節(jié)律及持續(xù)覺醒時(shí)間影響［6］。食欲素-A（Orexin?A）是一種下丘腦特定神經(jīng)元分泌釋放的神經(jīng)肽，在飲食攝入和能量代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)方面起重要作用，且參與睡眠與覺醒狀態(tài)的調(diào)控具有促進(jìn)和維持醒覺的作用［7］。有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)鼻給予Orexin?A還在改善由SD引起的認(rèn)知受損方面起重要作用［8］。目前，急性SD普遍存在于制造、醫(yī)療服務(wù)及運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)，SD導(dǎo)致的大腦警覺性與判斷力減弱以及思考能力下降會(huì)導(dǎo)致許多嚴(yán)重的安全事故的發(fā)生，這也使得長(zhǎng)期SD日益成為嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問(wèn)題［9］。本研究通過(guò)觀察SD及睡眠恢復(fù)（sleep recovery，SR）對(duì)人體警覺性節(jié)律及血清Orexin?A水平的影響，探究之間潛在的功能聯(lián)系，并探討其中可能的機(jī)制，為臨床提供可能的生物標(biāo)志物和治療靶標(biāo)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 （1）納入標(biāo)準(zhǔn)：漢族，年齡在18～25歲之間，男女不限，健康大學(xué)生；作息時(shí)間規(guī)律（上床時(shí)間在11：00 pm±30 min；起床時(shí)間7：00 am±30 min），每天睡眠時(shí)間在7～8 h范圍內(nèi)；匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)總分≤5分，Epworth嗜睡量表≤10分，漢密爾頓抑郁量表（24項(xiàng)）≤7分，漢密爾頓焦慮量表＜7分，蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估≥26分；體質(zhì)指數(shù)（body mass index，BMI）正常（18.5≤ BMI＜25）；腰臀比正常（男性 ＜ 0.9；女性 ＜ 0.88）；無(wú)煙酒嗜好或其他物質(zhì)濫用，無(wú)飲用茶、咖啡等功能飲料的習(xí)慣。

本臨床實(shí)驗(yàn)獲得北京大學(xué)第六醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)開始前向受試者詳細(xì)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)流程及注意事項(xiàng)，所有受試者均自愿參加本實(shí)驗(yàn)并簽署知情同意書。

（2）通過(guò)上述標(biāo)準(zhǔn)成功納入28名健康大學(xué)生，因中途退出及樣本缺失等原因，最終納入分析的有21名（19～24歲）被試，其中男11人，都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的問(wèn)卷評(píng)估及臨床篩查，排除一切可能存在的精神心理、睡眠疾病以及作息不規(guī)律、熬夜等不良生活習(xí)慣，此外存在癲癇、糖尿病等SD禁忌疾病的被試也被排除在外。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 正式實(shí)驗(yàn)之前，被試者被要求進(jìn)行1周的體動(dòng)記錄儀（wGT3x?BT，Actigraph，美國(guó)佛羅里達(dá)州）監(jiān)測(cè)及睡眠日記記錄，用以評(píng)估其日?；顒?dòng)及作息習(xí)慣。且被試會(huì)被提前到實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)1 d（d1），隨后將被要求在嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)室條件下保持連續(xù)40 h的清醒狀態(tài)（7：00 am～11：00 pm：自由活動(dòng)但限制劇烈運(yùn)動(dòng)；11：00 pm～7：00 am：半仰臥式），期間可以進(jìn)行閱讀、看視頻等活動(dòng)，在40 h SD期間受試者需要一直配戴體動(dòng)記錄儀記錄活動(dòng)狀況，如果因受試者未能保持40 h清醒，將不能繼續(xù)進(jìn)行剩下的研究，緊接著是8 h的SR。在SD過(guò)程中，被試被要求平均每2個(gè)小時(shí)進(jìn)行1次精神運(yùn)動(dòng)警覺性測(cè)試（psychomotor vigilance task，PVT）。在SD開始，SD 24 h及SR后的3個(gè)清晨8點(diǎn)進(jìn)行3次靜脈采血及匹配的PVT測(cè)試，分別對(duì)應(yīng)的是SD開始，SD 24 h及SR 8 h后3個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法 （1）本研究使用的是基于Eprime 1.0軟件編制的PVT任務(wù)，在SD期間，被試會(huì)被安排在一個(gè)安靜、舒適的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，指導(dǎo)語(yǔ)保持一致，任務(wù)開始屏幕上會(huì)有一個(gè)紅色方框，提示被試注意屏幕中央，接著會(huì)在隨機(jī)時(shí)間間隔下（1 000～9 000 ms）出現(xiàn)一個(gè)黃色的計(jì)時(shí)器，數(shù)字由0開始以毫秒（ms）為單位遞增，要求被試者盡可能快地按鼠標(biāo)左鍵反應(yīng)，時(shí)限為30 s，超時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入下一試次，按鍵后計(jì)時(shí)器會(huì)停下來(lái)，方框變成黃色，被試者可以看到自己的反應(yīng)時(shí)間（reac?tion time，RT），時(shí)間呈現(xiàn)2 s后消失，方框再次變成紅色，下一試次開始，整個(gè)任務(wù)共計(jì)90試次，整個(gè)任務(wù)大概持續(xù)10 min，測(cè)試結(jié)束后會(huì)得到每個(gè)被試每一試次的RT，當(dāng)RT≥500 ms時(shí)被定義為走神，當(dāng)RT≤150 ms被定義為一次錯(cuò)誤反應(yīng)。（2）使用酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法（enzyme linked immuno?sorbent assay，ELISA）測(cè)定血清中Orexin?A的濃度，Orexin?A ELISA試劑盒購(gòu)于武漢伊萊瑞特生物科技有限公司，檢測(cè)靈敏度約是37.50 pg/mL。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 所有數(shù)據(jù)分析均使用基于Windows的IBM SPSS 20.0軟件進(jìn)行，連續(xù)變量均以±s形式表示。使用Kolmogorov?Smirnov和Levene檢驗(yàn)分別進(jìn)行正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)。采用重復(fù)測(cè)量方差分析（ANOVA）分析PVT參數(shù)及血清Orexin?A水平，采用Pearson相關(guān)分析SD前后PVT參數(shù)及血清學(xué)參數(shù)變化（Δ）之間的相關(guān)性（Δ被定義為在SD 24 h后的參數(shù)減去相對(duì)應(yīng)的基線參數(shù)），P＜0.05被認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 人口學(xué)及臨床一般資料 所有被試的年齡、BMI等人口學(xué)信息以及一般臨床資料見表1，被試年齡在19～24歲之間，且都有良好的睡眠作息習(xí)慣（體動(dòng)記錄儀記錄每天平均上床時(shí)間：11：01 pm；平均起床時(shí)間：7：18 am），沒有任何精神軀體疾病史以及任何SD禁忌疾病。

2.2 SD對(duì)警覺性的影響 重復(fù)測(cè)量ANOVA發(fā)現(xiàn)，SD后被試的PVT中位反應(yīng)時(shí)（intermediate RT）及走神次數(shù)（lapses）顯著增加（圖1A、B），發(fā)現(xiàn)天數(shù)因素存在主效應(yīng)（RT：F1，40=8.05，P=0.007；laps?es：F1，40=15.67，P＜ 0.001），提示與基線（d2）相比，SD第2天（d3）出現(xiàn)顯著的PVT中位反應(yīng)時(shí)及走神次數(shù)的增加。進(jìn)一步標(biāo)注40 h SD期間每個(gè)個(gè)體的PVT走神次數(shù)，闡明PVT走神次數(shù)隨SD時(shí)間延長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化（圖1C），結(jié)果發(fā)現(xiàn)幾乎所有的被試從零點(diǎn)（12：00 am）直到SD結(jié)束時(shí)，PVT走神次數(shù)都顯著增加，提示持續(xù)的SD導(dǎo)致警覺性表現(xiàn)的不穩(wěn)定。為了與血清學(xué)指標(biāo)匹配，分析基線，24 h SD后和SR后8：00 am的PVT數(shù)據(jù)（圖2A、B），發(fā)現(xiàn)PVT的中位反應(yīng)時(shí)（F1.52，30.42=13.85，P＜0.001）及走神次數(shù)（F1.43，28.66=13.26，P＜ 0.001）經(jīng)過(guò)SD后3個(gè)時(shí)間點(diǎn)差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。多重比較發(fā)現(xiàn)，與基線相比，經(jīng)過(guò)24 h的SD，中位反應(yīng)時(shí)及走神次數(shù)都顯著增加（intermediate RT：P=0.002；lapses：P=0.001），提示被試警覺性表現(xiàn)顯著受損，且經(jīng)過(guò)8 h SR后（d4）與基線相比差異仍有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（intermediate RT：P=0.002；lapses：P=0.011）。

表1 人口學(xué)信息及臨床一般資料Tab.1 Participant demographics and clinical characteristics（n=21）±s

表1 人口學(xué)信息及臨床一般資料Tab.1 Participant demographics and clinical characteristics（n=21）±s

參數(shù)年齡（年）性別（男%）BMI（kg/m2）MEQ腰臀比睡眠效率（%）#結(jié)果22.33±0.35 11（52.40）21.74±0.44 57.29±1.13 0.80±0.01 86.29±1.12參數(shù)PSQI HAMD HAMA ESS FFS總睡眠時(shí)間（min）#結(jié)果2.67±0.27 1.38±0.33 1.71±0.29 3.67±0.50 5.57±0.54 428.24±7.01

圖1 PVT反映的睡眠剝奪導(dǎo)致的被試警覺性連續(xù)變化Fig.1 Effects of sleep deprivation on alertness，reflected by performance on the PVT

2.3 睡眠剝奪對(duì)于血清學(xué)指標(biāo)的影響 重復(fù)測(cè)量ANOVA顯示3個(gè)時(shí)間點(diǎn)下的Orexin?A水平存在顯著差異（F2，40=3.66，P=0.035；圖2C），多重比較發(fā)現(xiàn)與基線相比，24 h SD后，血清Orexin?A水平（P=0.023）顯著升高，且在8 h SR后與基線水相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

2.4 警覺性變化與Orexin?A變化的關(guān)系 為了探索SD相關(guān)警覺性變化與血清標(biāo)志物之間的關(guān)系，評(píng)估了PVT參數(shù)變化和血清Orexin?A濃度變化之間的關(guān)系。Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：SD后血清Orexin?A水平（ΔOrexin?A）增加與PVT中位RT增加（ΔIntermediate RT）之間呈負(fù)相關(guān)（r=-0.53，P=0.014；圖2D）。

3 討論

睡眠是生物機(jī)體的本能行為之一，對(duì)機(jī)體具有非常重要的意義，SD是研究睡眠功能與發(fā)生機(jī)制的重要方法。本實(shí)驗(yàn)利用睡眠醫(yī)學(xué)常用的SD范式研究急性SD對(duì)認(rèn)知警覺性的影響并進(jìn)一步探究其可能的機(jī)制。眾所周知，一定的警覺性及注意力，對(duì)完成復(fù)雜的認(rèn)知過(guò)程是極其重要的，是完成其他更高層次認(rèn)知功能的基礎(chǔ)。此外，機(jī)體警覺性也是SD最能持續(xù)和顯著影響的認(rèn)知能力之一［10］。在正常睡眠情況下，健康人在正常清醒時(shí)間里警覺性是保持相對(duì)穩(wěn)定的，且只要保證足夠的睡眠，在正常生理節(jié)律情況下，警覺性的波動(dòng)也是微不足道的，且這種波動(dòng)也只有在十分敏感的指標(biāo)下才能檢測(cè)到。SD期間評(píng)價(jià)警覺性最常用的方法是PVT［11］。PVT的反應(yīng)時(shí)間（RT）及走神次數(shù)等指標(biāo)對(duì)SD或慢性睡眠限制導(dǎo)致的警覺注意力下降非常敏感且檢測(cè)效度高、學(xué)習(xí)效應(yīng)小，已成為評(píng)估SD對(duì)認(rèn)知警覺影響的“金標(biāo)準(zhǔn)”［10］。有研究證明當(dāng)連續(xù)覺醒的時(shí)間超過(guò)16 h時(shí)，大多數(shù)人都開始出現(xiàn)RT顯著增加等PVT表現(xiàn)明顯受損的現(xiàn)象，且隨著覺醒時(shí)間的持續(xù)會(huì)繼續(xù)惡化［12］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著SD時(shí)間的延長(zhǎng)，人體的警覺性穩(wěn)態(tài)遭受破壞，主要表現(xiàn)為反應(yīng)時(shí)及走神次數(shù)都顯著增加，且短期的恢復(fù)睡眠不能完全恢復(fù)，這就提示人們?cè)诩毙許D后即使經(jīng)歷了短暫SR也不應(yīng)繼續(xù)從事對(duì)注意警覺性有要求的工作，比如駕駛、登高及高危車床等。但目前關(guān)于SD如何去影響這種節(jié)律以及其受損的潛在生理機(jī)制還不清楚。Orexin-A是一種下丘腦特定神經(jīng)元分泌釋放的神經(jīng)肽且可以迅速通過(guò)血腦屏障進(jìn)入到外周血里，在飲食攝入和能量代謝穩(wěn)態(tài)方面起重要作用，且參與睡眠與覺醒狀態(tài)的調(diào)控具有促進(jìn)和維持醒覺的作用［8-9］。通過(guò)對(duì)發(fā)作性嗜睡癥的患者的腦組織進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，相比于正常人，患者下丘腦中食欲素神經(jīng)元數(shù)量明顯減少（85% ～95%）［13］。此外，通過(guò)評(píng)估正常人及發(fā)作性嗜睡癥患者腦脊液Orexin?A溶度發(fā)現(xiàn)，相比正常人，患者腦脊液中幾乎無(wú)法檢測(cè)到Orexin?A，這就提示了食欲素神經(jīng)元分泌的Orexin?A可能與睡眠覺醒調(diào)控有關(guān)［14］。近年來(lái)，一些研究還發(fā)現(xiàn)，Orexin?A在緩解SD引起的認(rèn)知受損方面也起重要作用［9］。這就提示SD后機(jī)體食欲素-A的水平與認(rèn)知行為學(xué)的改變可能存在某種聯(lián)系，且SD會(huì)導(dǎo)致小鼠相關(guān)腦區(qū)食欲肽神經(jīng)元的Orexin釋放及活性的顯著增加［14］。本研究也發(fā)現(xiàn)SD后Orexin?A水平顯著增加。此外，已有研究發(fā)現(xiàn)食欲肽神經(jīng)元的數(shù)量可以影響警覺性及持續(xù)注意力任務(wù)表現(xiàn)［15］。本研究發(fā)現(xiàn)SD導(dǎo)致的Orexin?A水平的變化與PVT中位反應(yīng)時(shí)變化之間呈負(fù)相關(guān)，這就提示越高的Orexin?A水平變化會(huì)導(dǎo)致越小的PVT中位反應(yīng)時(shí)受損。這可能由于在清醒期間，Orexin合成神經(jīng)元通常是活躍的，反過(guò)來(lái)，這些神經(jīng)元的激活也會(huì)增加覺醒［16］，SD導(dǎo)致的持續(xù)清醒時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致這些神經(jīng)元的Orexin合成與維持覺醒之間的平衡被破壞，在同等的PVT表現(xiàn)下，越高的Orexin?A分泌變化，提示相應(yīng)神經(jīng)元持續(xù)覺醒的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，警覺性表現(xiàn)越穩(wěn)定［15］。這一發(fā)現(xiàn)可能為后續(xù)進(jìn)一步研究SD導(dǎo)致的認(rèn)知警覺性受損的機(jī)制提供參考。

圖2 睡眠剝奪及睡眠恢復(fù)對(duì)PVT參數(shù)及血清Orexin?A水平的影響及兩者相關(guān)性Fig.2 Effects of sleep deprivation and sleep recovery on PVT parameters and serum Orexin?A level and their correlation

綜上所述，本研究通過(guò)嚴(yán)格控制SD及被試納入的條件，以探究SD/SR對(duì)警覺性和血清Orexin?A水平變化的影響及兩者相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)SD會(huì)破壞人體正常的警覺性節(jié)律，且這種警覺性受損與血清Orexin?A的水平有關(guān)，但Orexin?A是如何影響警覺性的表現(xiàn)及其具體神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制還需要進(jìn)一步探索。本研究希望能為后續(xù)研究SD導(dǎo)致的認(rèn)知受損和警覺性下降的可能機(jī)制提供參考及為臨床可能的SD導(dǎo)致認(rèn)知受損生物標(biāo)志物和治療靶標(biāo)。本研究也存在不足之處：由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本研究未能與PVT測(cè)試進(jìn)行匹配靜脈多次采血，進(jìn)一步深入探究警覺性節(jié)律與血清Orexin?A濃度之間的關(guān)系。此外，研究的樣本量也太小。本課題組后續(xù)將進(jìn)行外周給予Orexin?A能否緩解SD所致的警覺性受損的大樣本研究來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證本的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。