經(jīng)顱電刺激對(duì)睡眠剝奪后雙側(cè)后扣帶回皮質(zhì)功能連接紊亂干預(yù)作用的初步研究*

孟晴晴, 李繼元， 郭大龍, 邵永聰, 張 熙

(1. 中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院睡眠醫(yī)學(xué)中心， 北京 100853; 2. 中央軍委機(jī)關(guān)事務(wù)管理總局保健處， 北京 100034; 3. 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京世紀(jì)壇醫(yī)院磁共振室， 北京 100038; 4. 空軍航空醫(yī)學(xué)研究所航空醫(yī)學(xué)工程研究中心， 北京 100037; 5. 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所， 北京 100850)

24 h內(nèi)睡眠時(shí)間少于4 h，稱之為睡眠剝奪(sleep deprivation, SD)。SD能夠可逆性損害個(gè)體認(rèn)知、情感等功能[1]。既往研究稱，SD后認(rèn)知、情感等高級(jí)功能的損害可能是由于腦內(nèi)不同功能區(qū)間網(wǎng)絡(luò)連接紊亂導(dǎo)致的，其中以默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default mode network, DMN)中的后扣帶回皮質(zhì)(posterior cingulate cortex, PCC)網(wǎng)絡(luò)連接紊亂最常見[2]。經(jīng)顱電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)作為一種腦神經(jīng)干預(yù)手段，近年來在醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[3]。因此本研究?jī)H從靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)功能連接的角度，初步分析tDCS對(duì)SD后雙側(cè)PCC功能連接紊亂的干預(yù)作用。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象

16名健康在校大學(xué)生參加本試驗(yàn)，其中男性7名，女性9名，年齡18～23歲，平均年齡(20.94± 1.73)歲。均為右利手，視力或矯正視力正常。試驗(yàn)過程中要求受試者不得攝入酒精、咖啡等刺激性食品。試驗(yàn)開始前均已向受試者詳細(xì)說明試驗(yàn)流程及注意事項(xiàng)，所有受試者均自愿參加試驗(yàn)并簽署了知情同意書。

1.2 研究設(shè)計(jì)

16名受試者均分別參加2次睡眠剝奪試驗(yàn)，同一受試者相鄰兩次睡眠剝奪試驗(yàn)間隔為3周。受試者于試驗(yàn)前1 d下午15：00進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，晚上22：00后進(jìn)入正常睡眠。試驗(yàn)第1日早7：00進(jìn)行靜息態(tài)功能磁共振成像(resting state function magnetic resonance imaging, rs-fMRI)掃描，然后開始24 h睡眠剝奪。受試者于第2日早7：00再次進(jìn)行rs-fMRI掃描。掃描完成后給予tDCS干預(yù)(隨機(jī)給予真刺激或假刺激)，經(jīng)顱電刺激由德國(guó)NeuropathyConn公司生產(chǎn)的DC-STIMULATOR治療儀提供，兩電極片分別置于右側(cè)前額部(陽極)及左側(cè)乳突水平(陰極)，電流大小為1 mA，真刺激電流作用時(shí)間為20 min，假刺激電流作用時(shí)間為20 s[3]，整個(gè)干預(yù)實(shí)驗(yàn)持續(xù)20 min，tDCS結(jié)束后立刻進(jìn)行rs-fMRI掃描。3周后進(jìn)行第二次試驗(yàn)，受試者仍于正常睡眠后進(jìn)行24 h SD，SD后給予tDCS干預(yù)(假刺激或真刺激)，并于tDCS結(jié)束后立刻再次進(jìn)行rs-fMRI掃描，研究結(jié)束。SD試驗(yàn)全程均由主試人員監(jiān)督，受試者不允許無故離開實(shí)驗(yàn)室。

1.3 儀器與方法

研究采用GE 3.0T MR750discovery成像設(shè)備，8通道專用頭線圈。受試者平臥于檢查床上，頭部固定。在rs-fMRI掃描期間，囑受試者盡力保持頭部不動(dòng)、閉眼不想任何事，同步記錄受試者的心率和呼吸頻率。結(jié)構(gòu)像采用SE-T1WI序列，參數(shù)：重復(fù)時(shí)間 2 000 ms, 回波時(shí)間 9 ms, 翻轉(zhuǎn)角150°，層厚5 mm，層間距 1 mm，矩陣320×320。rs-fMRI采用平面回波成像(echo-planar imaging, EPI)序列，參數(shù)：重復(fù)時(shí)間 2 000 ms，回波時(shí)間 30 ms，視野 256×256 mm，層厚5 mm，層間距1 mm，翻轉(zhuǎn)角為90°，采集矩陣64×64。

1.4 fMRI數(shù)據(jù)處理及分析

磁共振原始數(shù)據(jù)采用MATLAB 及統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖(www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8)軟件包進(jìn)行處理。功能數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括：時(shí)間校正、頭動(dòng)校正以及功能像與結(jié)構(gòu)像之間的配準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化。

種子點(diǎn)的選?。焊鶕?jù)REST(http://www.restfmri.sourceforge.net)軟件自動(dòng)化解剖標(biāo)記模板(automated anatomical labeling template, AAL)進(jìn)行感興趣區(qū)定位[4]，選取雙側(cè)后扣帶回為種子點(diǎn)(圖1)。

Fig. 1 Extraction of seed points of bilateral posterior cingulate cortex based on ALL template

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

靜息態(tài)腦功能成像數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，分別提取種子點(diǎn)及全腦時(shí)間序列，利用全腦體素水平的組內(nèi)t檢驗(yàn)得到靜息狀態(tài)下雙側(cè)PCC種子點(diǎn)與全腦功能連接模式圖[P<0.01，錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate, FDR)校正，體素大小>20]。運(yùn)用配對(duì)t檢驗(yàn)比較tDCS真、假刺激干預(yù)后雙側(cè)PCC種子點(diǎn)與全腦功能連接模式的差異(P<0.01，F(xiàn)DR校正, 體素大小>20) 。

2 結(jié)果

2.1 正常睡眠后靜息狀態(tài)下，雙側(cè)PCC種子點(diǎn)與全腦功能連接分析結(jié)果

正常睡眠后靜息狀態(tài)下，左側(cè)PCC主要與雙側(cè)顳中回、額上回、角回以及右側(cè)海馬旁回和楔前葉呈正功能連接；而與雙側(cè)島葉、右側(cè)顳葉及左側(cè)額中回呈負(fù)功能連接。右側(cè)PCC主要與雙側(cè)額上回、顳中、下回、海馬旁回、角回以及楔前葉呈正功能連接；而與雙側(cè)島葉、左側(cè)額下回及右側(cè)顳中回呈負(fù)功能連接(表1，圖2)。

Tab. 1 The connection between the seed points and the whole brain function during resting state (n=16)

Fig. 2 The connection between bilateral posterior cingulate cortex and whole brain function in resting state

2.2 24 h SD后雙側(cè)PCC種子點(diǎn)與全腦功能連接變化情況

24 h SD后左側(cè)PCC種子點(diǎn)與全腦的功能連接在雙側(cè)額葉、島葉及左側(cè)丘腦間連接上升；與右側(cè)楔前葉、海馬旁回及雙側(cè)顳葉間連接下降。右側(cè)PCC與全腦的功能連接在雙側(cè)丘腦、額葉及左側(cè)島葉間連接上升；在雙側(cè)顳葉、右側(cè)楔前葉、海馬旁回及右側(cè)島葉間連接下降(表2，圖3)。

Tab. 2 The connection between the seed points and the whole brain function after 24 h SD (n=16)

Fig. 3 The connection between bilateral posterior cingulate cortex (PCC) and whole brain function after 24 hours sleep deprivation

2.3 tDCS真、假刺激干預(yù)后，雙側(cè)PCC種子點(diǎn)與全腦功能連接變化情況

與tDCS假刺激干預(yù)相比，真刺激干預(yù)后左側(cè)PCC種子點(diǎn)表現(xiàn)為：與右側(cè)楔前葉間連接上升；與雙側(cè)丘腦、島葉及右側(cè)大腦皮質(zhì)間連接下降。右側(cè)PCC種子點(diǎn)表現(xiàn)為：與雙側(cè)丘腦、右側(cè)島葉及大腦皮層間連接下降(表3，圖4)。

Tab. 3 The changes of the connection between the seed points and the whole brain function after tDCS true or sham stimulation(n=16)

Fig. 4 The changes of bilateral PCC and whole brain functional connection after tDCS true orsham stimulation

3 討論

rs-fMRI作為近年來新興的無創(chuàng)腦功能檢查技術(shù)，已在腦功能區(qū)定位、癡呆等鄰域中廣泛應(yīng)用。功能連接(functional connectivity, FC)為rs-fMRI數(shù)據(jù)分析中的重要方式，其主要依賴于rs-fMRI時(shí)間序列的相關(guān)性來構(gòu)建的，代表著位于不同位置的腦區(qū)(神經(jīng)元)在血氧水平信號(hào)變化的時(shí)間依賴性，以此來說明相應(yīng)腦區(qū)間"激活"的一致性[5]。在FC的計(jì)算過程中，種子點(diǎn)的選擇對(duì)于研究結(jié)果存在著直接的影響。既往研究[6]表明，處于靜息狀態(tài)下的個(gè)體，DMN是維持機(jī)體各種神經(jīng)活動(dòng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而PCC在DMN中為核心節(jié)點(diǎn)，因此本研究選擇雙側(cè)PCC為種子點(diǎn)，觀察24 h SD和tDCS真/假刺激干預(yù)之間對(duì)雙側(cè)PCC種子點(diǎn)FC的影響。

首先本研究發(fā)現(xiàn)：在正常睡眠后靜息狀態(tài)下，雙側(cè)PCC種子點(diǎn)主要與雙側(cè)額、顳葉皮質(zhì)、海馬旁回、角回以及右側(cè)楔前葉等呈正功能連接；而與雙側(cè)島葉、部分額、顳葉皮質(zhì)及小腦半球呈負(fù)功能連接。當(dāng)受試者經(jīng)過24 h SD后，雙側(cè)PCC種子點(diǎn)與雙側(cè)丘腦功能連接明顯增強(qiáng)。既往臨床研究[7]推測(cè)PCC為DMN中重要的樞紐節(jié)點(diǎn)，該區(qū)域主要與人腦對(duì)內(nèi)外環(huán)境的監(jiān)測(cè)、情緒的加工、自我內(nèi)省、維持意識(shí)的覺知、情景記憶的提取等功能密切相關(guān)，因此其與其它腦區(qū)間存在廣泛的功能連接，以實(shí)現(xiàn)上述功能正常"運(yùn)轉(zhuǎn)"。Dai等學(xué)者研究[8]稱，在SD狀態(tài)下，個(gè)體情緒調(diào)控、記憶能力以及注意水平等高級(jí)功能的下降與DMN不同功能區(qū)間的功能連接下降有關(guān)。因此，本研究認(rèn)為：24 h SD可引起雙側(cè)PCC種子點(diǎn)的功能連接紊亂。

另外本研究還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)SD后給予tDCS干預(yù)，tDCS真刺激后，左側(cè)PCC種子點(diǎn)與右側(cè)楔前葉間功能連接上升；與雙側(cè)丘腦、島葉及右側(cè)大腦皮質(zhì)間功能連接下降。右側(cè)PCC種子點(diǎn)與雙側(cè)丘腦、右側(cè)島葉及大腦皮層間也存在下降。當(dāng)前研究[9-11]表明tDCS在提高個(gè)體的認(rèn)知能力方面有重要作用，研究認(rèn)為tDCS通過電極間微弱的電流刺激作用，增強(qiáng)神經(jīng)元纖維傳導(dǎo)能力。同時(shí)也有研究[12]提出tDCS的治療效果取決于其電極片放置的位置以及其刺激電流的強(qiáng)度，本研究設(shè)計(jì)時(shí)參考了國(guó)內(nèi)外常用的電極片放置方法和刺激強(qiáng)度[3]。另外部分學(xué)者[12-14]則認(rèn)為tDCS可改善局部的腦血流量，增加腦血流灌注，從而進(jìn)一步改善局部腦功能水平。結(jié)合本研究結(jié)果，tDCS干預(yù)作用后雙側(cè)PCC種子點(diǎn)因SD作用出現(xiàn)的功能紊亂得到了一定程度的“糾正”，這與MarilyneJoyal[15], Peter E Turkeltaub[16]等學(xué)者的研究結(jié)論相一致，因此筆者認(rèn)為tDCS干預(yù)能夠在一定程度上改善SD后雙側(cè)PCC種子點(diǎn)與全腦間功能連接的紊亂，但具體的干預(yù)作用效果，尚待結(jié)合相關(guān)行為學(xué)資料分析。

本研究的不足主要為：研究結(jié)果分析過程中缺乏相關(guān)心理、認(rèn)知測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行相關(guān)分析，無法確定腦影像指標(biāo)變化與行為的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在未來研究中，將完善相關(guān)測(cè)試，進(jìn)一步分析腦影像網(wǎng)絡(luò)變化同行為學(xué)指標(biāo)之間的相互關(guān)系。

綜上所述，本研究認(rèn)為：tDCS可改善SD后雙側(cè)PCC種子點(diǎn)的功能連接紊亂，主要表現(xiàn)為雙側(cè)PCC種子點(diǎn)與丘腦間的功能連接下降，說明tDCS對(duì)SD后雙側(cè)PCC功能連接紊亂具有一定的正性干預(yù)作用。