36 h完全睡眠剝奪對客體工作記憶相關(guān)電位的影響*

彭子伊, 陳學(xué)偉, 張 穎, 楊業(yè)兵， 張立偉, 邵永聰△

(1. 北京體育大學(xué)心理學(xué)院, 北京 100084; 2. 軍事醫(yī)學(xué)研究院環(huán)境醫(yī)學(xué)與作業(yè)醫(yī)學(xué)研究所軍事作業(yè)醫(yī)學(xué)研究室, 天津 300050； 3. 中國人民解放軍總醫(yī)院， 北京 100853; 4. 中國科學(xué)院心理研究所， 北京 100101)

睡眠剝奪(sleep deprivation，SD) 一般指在24 h中的睡眠時(shí)長小于4 h[1]，是一種由于環(huán)境或自身原因引起的睡眠缺失狀態(tài)。睡眠剝奪損害了認(rèn)知功能、增加了認(rèn)知能力下降發(fā)生的頻率。睡眠剝奪會嚴(yán)重?fù)p害注意力、記憶力和決策等認(rèn)知功能，尤其會影響需要高度專注和快速響應(yīng)的執(zhí)行任務(wù)[2]。以往研究表明，睡眠剝奪會引起情緒、學(xué)習(xí)、記憶、免疫功能等一系列變化，個(gè)體疲勞的增加會導(dǎo)致一系列生理、心理、甚至行為的變化[3]，例如出現(xiàn)微睡眠、注意力分散、反應(yīng)時(shí)增長、工作績效下降等現(xiàn)象[4,5]。持續(xù)作業(yè)下的睡眠剝奪將不可避免地導(dǎo)致作業(yè)人員生物節(jié)律紊亂，增加其主觀疲勞感,使其認(rèn)知功能降低,工作績效下降,失誤率增加[6]。操縱高、精、尖武器的特殊技術(shù)兵種人員更易發(fā)生嚴(yán)重事故。

工作記憶是一種對信息進(jìn)行暫時(shí)加工和存儲的容量有限的記憶系統(tǒng)[7]?，F(xiàn)有的工作記憶模型不僅強(qiáng)調(diào)其對于視覺空間系統(tǒng)和言語系統(tǒng)的劃分，而且指出針對不同類型的信息，工作記憶會表現(xiàn)出不同的加工特性。視覺信息包括空間和客體兩方面, 進(jìn)而出現(xiàn)空間工作記憶和客體工作記憶的劃分?？腕w工作記憶主要強(qiáng)調(diào)對形狀、顏色、大小的存儲和加工。n-back任務(wù)是最常用的關(guān)于工作記憶的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)之一[8]。在2-back任務(wù)中，要求受試者將當(dāng)前刺激與向前數(shù)第2個(gè)呈現(xiàn)的刺激進(jìn)行比較。

目前大多數(shù)有關(guān)睡眠剝奪的研究都關(guān)注其對語音工作記憶和執(zhí)行控制能力的影響。對于客體工作記憶在睡眠剝奪條件下如何受到影響，受損害到什么程度，目前研究還很少。本研究應(yīng)用2-back工作記憶研究范式, 以事件相關(guān)電位(event related potential, ERP)技術(shù)探討36 h完全睡眠剝奪對客體工作記憶影響,從而為睡眠缺失條件下認(rèn)知功能的損害及干預(yù)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 對象

16名健康男性大學(xué)生(平均年齡23歲，年齡范圍21-28歲)自愿參加本試驗(yàn)。受試者均為右利手，視力或矯正視力正常。受試者之前未參加過心理生理相關(guān)試驗(yàn)，并且經(jīng)嚴(yán)格的體格檢查，排除精神及軀體疾患。受試者智商處于人群平均水平以上(IQ>110分)。受試者的匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)問卷測驗(yàn)得分(PSQI<5分)，表明受試者睡眠質(zhì)量良好。在實(shí)驗(yàn)前由主試人員對受試者詳細(xì)解釋實(shí)驗(yàn)流程及試驗(yàn)中注意事項(xiàng)。所有受試者均填寫知情同意書，并在試驗(yàn)結(jié)束后領(lǐng)取相應(yīng)的受試費(fèi)。試驗(yàn)經(jīng)過了原第四軍醫(yī)大學(xué)倫理委員會的批準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)采用自身前后對照設(shè)計(jì)。受試者參與一次36h完全睡眠剝奪試驗(yàn)。在試驗(yàn)前讓受試者對試驗(yàn)的認(rèn)知測試進(jìn)行充分練習(xí)，直到準(zhǔn)確度達(dá)到90%以上，以排除練習(xí)效應(yīng)。

受試者于測試前1 d到達(dá)實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)晚在實(shí)驗(yàn)室睡眠，保證睡眠時(shí)間為8 h。受試者于第2日早上8點(diǎn)開始睡眠剝奪，進(jìn)行第1次客體工作記憶測驗(yàn)任務(wù)，設(shè)為基線測量，同時(shí)記錄受試者腦電數(shù)據(jù)。在剝奪36 h后(記作36 h值)完成第2次客體工作記憶測驗(yàn)任務(wù)，同時(shí)記錄腦電數(shù)據(jù)。每次有2名受試者同時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，在整個(gè)睡眠剝奪過程中確保有3人(包括醫(yī)護(hù)人員各1名，以及主試人員1名)監(jiān)督受試者并阻止其睡眠(包括打盹)。行為學(xué)指標(biāo)包括被試完成任務(wù)的反應(yīng)時(shí)、正確率、單位時(shí)間正確個(gè)數(shù)，腦電指標(biāo)主要包括被試完成任務(wù)時(shí)記錄的P2、N2、P3成分。

1.3 檢測方法

1.3.1 客體工作記憶測驗(yàn) 試驗(yàn)采用2-back客體工作記憶測驗(yàn)來對受試者的客體工作記憶子系統(tǒng)認(rèn)知功能進(jìn)行測量。刺激材料由12幅幾何圖形組成，圖形視角為圖形視角為 2o×2o，測驗(yàn)共有122個(gè)，測驗(yàn)時(shí)間約為 5 min。實(shí)驗(yàn)中在顯示器的中央呈現(xiàn)一個(gè)提示信息，白色“+”，持續(xù)時(shí)間為200 ms，提示信息消失1 s后，將幾何圖形逐個(gè)呈現(xiàn)在屏幕中央。刺激呈現(xiàn)時(shí)間為400 ms。刺激間隔(SOA)時(shí)間為1 600 ms。要求受試者從第3個(gè)刺激開始對當(dāng)前呈現(xiàn)的幾何圖形和向前數(shù)第2個(gè)呈現(xiàn)的幾何圖形進(jìn)行匹配，判斷幾何圖形是否一致，如果當(dāng)前幾何圖形與前面的幾何圖形“匹配”，以右手食指按鼠標(biāo)“左鍵”；當(dāng)前幾何圖形與前面的幾何圖形“不匹配”，則用右手中指按鼠標(biāo)“右鍵”?！捌ヅ洹迸c“不匹配”刺激的比例為50%，以隨機(jī)方式呈現(xiàn)(圖1)。

Fig. 1 Schematic diagram of objective working memory task

在正式試驗(yàn)開展前，所有受試者均進(jìn)行測驗(yàn)培訓(xùn)，以確保受試者理解這項(xiàng)任務(wù)。試驗(yàn)要求所有參與者在正式測試前的正確率都在95%或以上。

1.3.2 腦電記錄 腦電記錄在光線較暗、隔音并有電子屏蔽的腦電試驗(yàn)室中進(jìn)行。在受試者面前75 cm處安放21英寸顯示屏，用以呈現(xiàn)視覺刺激。受試者的視野中心與顯示器中心齊平。客體工作記憶任務(wù)以美國NeuroScan公司的Stim-2軟件編寫并呈現(xiàn)，腦電數(shù)據(jù)采用Scan 4.5(Neuroscan Products)64導(dǎo)腦電記錄分析系統(tǒng)。安裝電極參考國際標(biāo)準(zhǔn)10-20系統(tǒng)電極放置法，在采集過程中記錄受試者的水平眼電和垂直眼電，并以雙側(cè)乳突作為參考電極。腦電采樣頻率為1 000 Hz，電極阻抗保持在5 kΩ以下。分別在睡眠剝奪36 h前后，被試完成客體工作記憶任務(wù)的同時(shí)記錄其腦電數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中對腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤處理，便于后續(xù)離線分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 行為學(xué)數(shù)據(jù)分析 2名受試者因技術(shù)問題導(dǎo)致ERP數(shù)據(jù)未能正確采集，其數(shù)據(jù)在后期處理中予以剔除。行為學(xué)數(shù)據(jù)測量指標(biāo)主要有平均正確反應(yīng)時(shí)、正確反應(yīng)率、單位時(shí)間正確個(gè)數(shù)。

1.4.2 ERP數(shù)據(jù)預(yù)處理 ERP數(shù)據(jù)采用SCAN4.3軟件進(jìn)行預(yù)處理和統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析。經(jīng)腦電預(yù)覽后，采用回歸分析去除眼電偽跡，經(jīng)濾波(帶通為0.05～17 Hz)、腦電分段(ERP分析窗選用900 ms，以刺激前100 ms用于基線校正)、平衡基線后，對所有正確反應(yīng)的腦電誘發(fā)電位進(jìn)行疊加平均。

2 結(jié)果

2.1 行為學(xué)結(jié)果

對于每個(gè)受試者針對目標(biāo)刺激的正確反應(yīng)計(jì)算平均反應(yīng)時(shí)、正確率和單位時(shí)間正確個(gè)數(shù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)。與基線組相比，36 h完全睡眠剝奪后平均反應(yīng)時(shí)有延長趨勢,未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P> 0.05)。正確反應(yīng)的正確率顯著下降(P<0.05)，單位時(shí)間正確個(gè)數(shù)顯著下降(P<0.05)。

Tab. 1 Performance data on the 2-back task in baseline and after n=14)

2.2 ERP結(jié)果

2.2.1 波幅 對F3、Fz、F4、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4電極的N2、P3的波幅的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，與基線相比，36h完全睡眠剝奪后，N2波波幅和P3波波幅有下降趨勢，但未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。對F3、Fz、F4、C3、Cz、C4電極的P2的波幅的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)無明顯變化(P>0.05, 表2)。

Tab. 2 Grand-average peak amplitude (μv) of the P2, N2, and P3 components in the correct response condition across multiple electrode sites in baseline and after 36 n=14)

2.2.2 潛伏期 對F3、Fz、F4、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4電極的N2、P3的潛伏期的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，與基線相比，36 h完全睡眠剝奪后，N2潛伏期顯著增長(P< 0.05)，P3潛伏期有增長趨勢，未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P> 0.05)。對F3、Fz、F4、C3、Cz、C4電極的P2的潛伏期的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，P2潛伏期顯著增長(P<0.05，表3)。

Tab. 3 Grand-average peak latency (ms) of the P2, N2, and P3 components in the correct response condition across multiple electrode sites in baseline and after 36 n=14)

清醒狀態(tài)及睡眠剝奪后N2、P3的潛伏期及波幅的差異(F3、Fz、F4、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4)見圖2。

Fig. 2 ERP amplitude between baseline and 36h-TSD for the correct response in object working memory. The channels are ordered left-right and top-bottom as follows: F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz, and P4

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)在睡眠剝奪的條件下，受試完成客體工作記憶任務(wù)的正確率和單位時(shí)間正確個(gè)數(shù)出現(xiàn)顯著下降。這是因?yàn)樵谕耆邉儕Z36 h后,受試者疲憊感增加，警覺性下降,注意力資源可利用性降低，因此導(dǎo)致客體工作記憶能力受損。睡眠缺失會影響注意網(wǎng)絡(luò)的沖突效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致認(rèn)知控制功能的下降[9]。個(gè)體長時(shí)間處于清醒狀態(tài)會出現(xiàn)喚醒水平下降,喚醒閾限上升的現(xiàn)象。當(dāng)可利用的認(rèn)知資源低于當(dāng)前完成作業(yè)需要的要求時(shí),就會出現(xiàn)工作績效的下降[10，11]。

已有大量研究選用n-back范式來測量工作記憶的容量，本研究通過ERP技術(shù)測量睡眠剝奪前后，受試者進(jìn)行2-back客體工作記憶任務(wù)時(shí)產(chǎn)生的P2、N2、P3成分的差異來考察睡眠剝奪對客體工作記憶的影響。在本研究中，雖然36 h完全睡眠剝奪后的P3潛伏期變化未達(dá)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著，但其表現(xiàn)出了增加的變化趨勢。說明受試者在TSD后分配注意力資源需要更多的時(shí)間。P3波幅降低的趨勢可能反映了受試者的注意力降低，對目標(biāo)刺激的辨別力也降低了[12]。P3成分反映了注意力資源的部署，P3潛伏期被認(rèn)為反映了刺激分類和評估的時(shí)間窗。大量研究認(rèn)為，長時(shí)間的清醒與P3成分的潛伏期延長和波幅降低有關(guān)[13-15]。

P2成分反映了注意力和視覺加工過程，一般認(rèn)為與選擇性注意、工作記憶有關(guān)，反映知覺過程的早期判斷[16]。我們發(fā)現(xiàn)P2的潛伏期在完全睡眠剝奪后顯著增加,說明受試者睡眠剝奪后辨認(rèn)和加工刺激信息的速度降低,大腦對信息的選擇、注意、及抗干擾能力減弱。N2波作為與個(gè)體精神狀態(tài)、注意力和注意程度有關(guān)的內(nèi)源性成分，完全睡眠剝奪后，其潛伏期顯著增加、波幅降低的變化趨勢也說明了個(gè)體的認(rèn)知功能受損。這些結(jié)果從腦電生理指標(biāo)方面，反映了睡眠剝奪對客體工作記憶加工的負(fù)面影響，這與行為學(xué)的結(jié)果是一致的：睡眠剝奪后，大腦可利用的注意資源減少，客體工作記憶能力受損。并且這種負(fù)面影響可能發(fā)生在認(rèn)知加工的早期階段。

本研究的不足是試驗(yàn)采用的都是男性志愿者，結(jié)論推廣到女性志愿者時(shí)需要注意。由于受志愿者數(shù)量的影響，研究僅發(fā)現(xiàn)P3波的波幅存在下降趨勢，潛伏期存在延長的趨勢。在增加受試者數(shù)量后可能會得到更穩(wěn)定的結(jié)果。另外，增加針對客體工作記憶的功能磁共振成像的研究，對于睡眠剝奪影響工作記憶的機(jī)制闡述有重要的幫助作用。以往的研究表明,晝夜生物節(jié)律[17,18]會影響個(gè)體行為表現(xiàn)，且存在個(gè)體差異。由于本試驗(yàn)基線測量時(shí)間未能選用與睡眠剝奪后進(jìn)行試驗(yàn)相同的時(shí)間點(diǎn)，因此不能完全排除生物節(jié)律對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

本研究試驗(yàn)表明，36 h完全睡眠剝奪會損害個(gè)體的客體工作記憶能力。在睡眠剝奪過程中，個(gè)體認(rèn)知功能的變化是動(dòng)態(tài)的，個(gè)體的表現(xiàn)也會受到任務(wù)復(fù)雜程度和大腦代償功能等因素的影響。但隨著睡眠剝奪過程的深入，其對高級功能的損害會進(jìn)一步加重，以往研究指出這可能是由于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的后扣帶回皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)連接紊亂造成的[19]。睡眠不足會降低記憶中存儲的信息質(zhì)量，而且這可能是伴隨注意力的退化過程發(fā)生的[20]。因此有必要考慮睡眠缺失造成的客體工作記憶能力受損對職業(yè)安全和個(gè)體健康的不利影響，以及對這種損害的有效干預(yù)。