短期睡眠剝奪影響持續(xù)性注意力的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制：基于靜息態(tài)功能MRI低頻振幅分?jǐn)?shù)分析

徐永強(qiáng)，王興瑞，胡文鐘，印弘，朱元強(qiáng)

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖。

隨著社會(huì)節(jié)奏的加快，個(gè)體的壓力與日俱增，睡眠不足或睡眠剝奪(sleep deprivation,SD)已經(jīng)成為一種常見的社會(huì)現(xiàn)象和公共衛(wèi)生問題[1]。大量的研究結(jié)果顯示SD給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人類帶來了較大的損失[2]。《2018中國睡眠質(zhì)量調(diào)查報(bào)告》對(duì)10萬人的調(diào)查結(jié)果顯示有83.8%的被調(diào)查者經(jīng)常受到睡眠問題困擾，16%的被調(diào)查者夜間睡眠時(shí)間不足6 h。SD會(huì)導(dǎo)致個(gè)體多種認(rèn)知能力的下降，如注意力、決策能力、記憶力等[3-5]。其中持續(xù)性注意力是受SD影響最為嚴(yán)重的注意力功能[6]，但其損傷背后的神經(jīng)影像機(jī)制尚不清楚。靜息態(tài)功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)可無創(chuàng)性檢測(cè)大腦局部腦區(qū)神經(jīng)功能活動(dòng)情況，已被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)及精神等多種疾病的影像機(jī)制研究。低頻振幅分?jǐn)?shù)(fractional amplitude of low frequency fluctuations, fALFF)是在低頻振幅基礎(chǔ)上得到的衡量各個(gè)體素在靜息狀態(tài)下自發(fā)活動(dòng)水平的指標(biāo)，在一定程度上避免了ALFF易受腦室內(nèi)腦脊液及生理噪聲影響等弊端，能有效抑制靜息態(tài)fMRI中的非特異性信號(hào)成分，顯著提高對(duì)局部自發(fā)腦活動(dòng)檢測(cè)的敏感性和特異性[7]。本研究擬采用rs-fMRI技術(shù)及fALFF分析方法，分析SD后健康成人局部腦區(qū)活動(dòng)及持續(xù)性注意力的變化情況，揭示SD導(dǎo)致持續(xù)性注意力降低的神經(jīng)影像機(jī)制。

材料與方法

1.研究對(duì)象

通過廣告向西安市高校招募54例健康志愿者，男29例，女25例，年齡(22.46±1.81)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①右利手；②18～30歲；③智力水平正常；④體內(nèi)無金屬植入物，無磁共振掃描禁忌證。排除標(biāo)準(zhǔn)：①有酒精或藥物濫用史；②有神經(jīng)系統(tǒng)或精神疾病史；③曾經(jīng)或目前患嚴(yán)重心、腦、肝、腎疾病及其它嚴(yán)重軀體疾病；④有睡眠障礙；⑤有幽閉恐懼癥；⑥絕對(duì)“清晨型”或者絕對(duì)“夜晚型”(使用中文版清晨型/夜晚型量表[8]評(píng)估每例志愿者的睡眠習(xí)慣)。要求每例志愿者在磁共振掃描前的1周內(nèi)不能攝取任何含有咖啡因或酒精的刺激性飲料。睡眠日記結(jié)果顯示本組被試的平均入睡時(shí)間為22點(diǎn)29分±17分，早上起床時(shí)間為6點(diǎn)27分±11分，夜間持續(xù)睡眠時(shí)間為7小時(shí)57分±21分。此外，所有研究對(duì)象的匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)(Pittsburgh sleep quality index, PSQI)得分小于5分，表明睡眠質(zhì)量良好。

本研究經(jīng)本院臨床試驗(yàn)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)前向每例志愿者詳細(xì)說明研究目的、方法及注意事項(xiàng)，所有志愿者均為自愿參加并簽署知情同意書。

2.實(shí)驗(yàn)流程

研究期間每例研究對(duì)象需到訪實(shí)驗(yàn)室3次，主要的實(shí)驗(yàn)流程(圖1)：第1次到訪的主要內(nèi)容為了解研究目的并簽署知情同意書，每例研究對(duì)象領(lǐng)取一塊腕表，用于記錄每天的睡眠情況；另外2次分別為正常睡眠后清醒狀態(tài)(rest wakefulness, RW)和SD后進(jìn)行MRI掃描。為保證研究結(jié)果不受節(jié)律信號(hào)的影響，磁共振掃描的時(shí)間均為早上8點(diǎn)。為防止SD持續(xù)效應(yīng)的干擾，每例研究對(duì)象兩次MRI掃描的間隔時(shí)間為1周，掃描的先后順序采用偽隨機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以盡量減少掃描順序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[9]。

SD過程從第一天的早上8點(diǎn)整開始至第二天早上8點(diǎn)整結(jié)束。每例研究對(duì)象在SD實(shí)驗(yàn)的第一天，先進(jìn)行正常的工作和學(xué)習(xí)，但中午不能午休(研究人員通過檢查研究對(duì)象腕表記錄的活動(dòng)情況來確認(rèn))。每例研究對(duì)象于18點(diǎn)抵達(dá)實(shí)驗(yàn)室，至第二天早上MRI掃描結(jié)束后離開實(shí)驗(yàn)室。在此期間要求研究對(duì)象必須一直保持清醒狀態(tài)，可以進(jìn)行看書、上網(wǎng)等活動(dòng)，但是不能進(jìn)行劇烈活動(dòng)。餐飲食物由實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一提供，但 22點(diǎn)后不再提供夜宵。整個(gè)SD過程由兩名研究人員共同監(jiān)視，避免研究對(duì)象入睡。對(duì)于RW，要求研究對(duì)象MRI掃描當(dāng)天早上7點(diǎn)40前抵達(dá)實(shí)驗(yàn)室。

3.行為學(xué)數(shù)據(jù)采集

所有研究對(duì)象在MRI掃描之前進(jìn)行10 min的精神運(yùn)動(dòng)警覺性任務(wù)(psychomotor vigilance test,PVT)[10]。PVT通過E-prime 3.0軟件呈現(xiàn)，研究對(duì)象端坐在14寸筆記本電腦屏幕前，眼睛距離屏幕中心50～60 cm，在2～10 s的隨機(jī)時(shí)間間隔內(nèi)，電腦屏幕中心會(huì)出現(xiàn)一個(gè)紅點(diǎn)，要求研究對(duì)象觀察屏幕并在紅點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)迅速按壓鍵盤的空格鍵(即作出反應(yīng))，記錄其反應(yīng)時(shí)間(圖2)。將反應(yīng)時(shí)間大于500 ms的試次定義為注意力脫漏(attention lapses，AL)，記錄每例研究對(duì)象兩次實(shí)驗(yàn)中的AL數(shù)量并將兩次數(shù)量的差值(ALSD-ALRW)作為評(píng)估持續(xù)性注意力損傷的指標(biāo)[11-12]。本研究PVT任務(wù)中紅點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)的均值為54.68±2.49。

圖2 PVT任務(wù)示意圖。

4.MRI數(shù)據(jù)采集和后處理

使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀和8通道頭線圈進(jìn)行磁共振掃描。掃描時(shí)要求研究對(duì)象安靜平臥于檢查床，佩戴耳塞，保持清醒，放松睜眼，盡量避免思維活動(dòng)。使用棉墊及膠帶將研究對(duì)象頭部固定以減少頭動(dòng)。每次掃描時(shí)通過麥克風(fēng)提醒研究對(duì)象保持清醒，掃描結(jié)束后詢問研究對(duì)象在掃描過程中是否保持清醒、有無睡著，同時(shí)記錄心率及呼吸頻率等數(shù)據(jù)。掃描序列和參數(shù)如下。矢狀面3D Bravo T1WI(結(jié)構(gòu)像)掃描參數(shù)：TE 3.2 ms，TR 8.2 ms，視野256 mm×256 mm，層厚1.0 mm，矩陣256×256，翻轉(zhuǎn)角12°，圖像分辨率1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm，共采集196幀圖像，總掃描時(shí)間6 min 17 s；靜息態(tài)fMRI橫軸面掃描參數(shù)：GRE EPI序列，TE 30 ms，TR 2000 ms，層厚3.0 mm，層間距0 mm，視野240 mm×240 mm，翻轉(zhuǎn)角90°，層數(shù)45，矩陣128×128，210個(gè)時(shí)間點(diǎn)共采集9450幀圖像，總掃描時(shí)間7.0 min。

由同一位高年資放射科醫(yī)師MRI圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并確保所有研究對(duì)象的腦部無器質(zhì)性病變。首先，使用基于Matlab 2016b和SPM12的腦影像標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算平臺(tái)(DPABI_V4.5)對(duì)MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理[13]。具體步驟：①手動(dòng)去除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的圖像；②時(shí)間校正；③頭動(dòng)校正，排除MRI掃描中頭動(dòng)大于1 mm(橫移)和/或旋轉(zhuǎn)角度大于1°的數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步減少微小頭動(dòng)對(duì)fALFF測(cè)量結(jié)果的影響，我們采用了更高級(jí)別的Friston-24模型對(duì)微小頭動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行回歸處理(24個(gè)參數(shù)，包括每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的6個(gè)頭動(dòng)參數(shù)，相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)之前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的6個(gè)頭動(dòng)參數(shù)以及上述12個(gè)頭動(dòng)參數(shù)對(duì)應(yīng)的平方項(xiàng))；④空間標(biāo)準(zhǔn)化，與T1WI(結(jié)構(gòu)像)聯(lián)合配準(zhǔn)；⑤采用4 mm半高全寬的高斯核進(jìn)行平滑處理；⑥去線性漂移。然后將每個(gè)體素的時(shí)間序列轉(zhuǎn)換成頻率域，計(jì)算0.01～0.08 Hz頻段的功率譜，接著對(duì)功率譜數(shù)據(jù)進(jìn)行開方，得到ALFF值，再將各個(gè)頻段的ALFF值相加獲得全頻段總和值，每個(gè)體素的ALFF值除以全頻段ALFF總和值即得到fALFF值[7]。

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用IBM SPSS 23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。所有AL的數(shù)量以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用配對(duì)樣本的Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)對(duì)RW后和SD后的AL值進(jìn)行比較，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

影像學(xué)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析共3步：第一步，使用DPABI軟件對(duì)RW和SD后腦組織內(nèi)fALFF的空間分布情況進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)，體素水平采用錯(cuò)誤檢出率(false discovery rate,FDR)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05；在簇(cluster)水平使用AlphaSim多重比較進(jìn)行校正，設(shè)置P<0.05且體素閾值>54個(gè)為結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。第二步，使用DPABI軟件對(duì)RW和SD后腦組織的fALFF變化進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，同樣在體素水平采用FDR檢驗(yàn)，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在簇水平使用AlphaSim多重比較進(jìn)行校正，設(shè)置P<0.05且體素閾值>54個(gè)為結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。第三步，將第二步得到的有差異腦區(qū)的fALFF值提取出來，計(jì)算SD后與RW后fALFF的差值，采用Bonferroni多重校正方法，與ALSD-ALRW進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)各腦區(qū)的定位和描述統(tǒng)一使用大腦自動(dòng)解剖標(biāo)記(anatomical automatic labeling，AAL)圖譜進(jìn)行命名[14]。

結(jié) 果

在對(duì)所有研究對(duì)象的MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行頭動(dòng)校正后發(fā)現(xiàn)，4例(男1例，女3例)研究對(duì)象的MRI數(shù)據(jù)因頭動(dòng)大于1 mm(橫移)和/或旋轉(zhuǎn)角度大于1°而被剔除。后續(xù)研究基于50例研究對(duì)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中男28例，女22例，平均年齡(22.38±1.76)歲，男、女性組之間平均年齡的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-0.263，P=0.794)。

行為學(xué)檢查結(jié)果：RW后執(zhí)行PVT任務(wù)的平均AL數(shù)量為(1.18±1.47)次，SD后平均AL次數(shù)為(7.82±6.36)次，兩次測(cè)試中AL次數(shù)的差值(ALSD-ALRW)為6.64±5.87，兩次測(cè)試之間AL次數(shù)的差異有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-6.104，P<0.001)，表明SD后持續(xù)性注意力水平明顯下降。但男性組與女性組之間AL次數(shù)的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=1.427，P=0.16)。

圖3 RW及SD后全腦fALFF圖。注：圖像左側(cè)代表實(shí)際的右側(cè)；暖色調(diào)代表fALFF較高，冷色調(diào)代表fALFF較低；RW: rest wakefulness正常睡眠后清醒狀態(tài)，SD: sleep deprivation睡眠剝奪；P<0.05，圖中Z值代表層數(shù)。

不同睡眠狀態(tài)下腦組織fALFF分析結(jié)果：對(duì)RW及SD后的腦組織fALFF數(shù)據(jù)進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)，兩種狀態(tài)下大腦自發(fā)活動(dòng)模式相似，均表現(xiàn)為灰質(zhì)區(qū)fALFF較高，白質(zhì)區(qū)域fALFF較低。fALFF較高的腦區(qū)包括額葉、頂葉、枕葉和顳葉等新皮層區(qū)域，fALFF較低的腦區(qū)包括丘腦、尾狀核、殼核和蒼白球等皮層下灰質(zhì)區(qū)域(圖3)。

SD后fALFF分析結(jié)果：配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，SD對(duì)不同腦區(qū)fALFF存在顯著影響。與RW后相比，既有fALFF顯著升高的腦區(qū)，也有顯著降低的腦區(qū)；顯著升高的腦區(qū)包括左側(cè)丘腦、左側(cè)顳中回、右側(cè)中央后回、右側(cè)腦干，其中以左側(cè)丘腦的改變最為顯著；fALFF顯著降低的腦區(qū)包括右側(cè)額中回、右背外側(cè)額上回、右側(cè)小腦、右側(cè)角回、右側(cè)楔前葉、右側(cè)顳下回、右側(cè)眶部額中回、左側(cè)角回合左側(cè)小腦等區(qū)域(表1，圖4)。

表1 SD與RW比較fALFF值顯著變化的腦區(qū)

4.相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示(圖5)：SD和RW后左側(cè)顳中回fALFF的差值與AL次數(shù)的差值(ALSD-ALRW)之間呈正相關(guān)(r=0.34，P=0.01)；右背外側(cè)額上回fALFF的差值與AL數(shù)量的差值(ALSD-ALRW)之間呈負(fù)相關(guān)(r=-0.32，P=0.02)；其它腦區(qū)fALFF的差值與AL數(shù)量的差值之間無顯著相關(guān)性(P>0.05)。

討 論

本研究采用自身前后對(duì)照試驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用rs-fMRI技術(shù)探討SD對(duì)全腦fALFF的影響及fALFF與持續(xù)性注意力水平的相關(guān)性。行為學(xué)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與清醒狀態(tài)相比，SD嚴(yán)重影響持續(xù)性注意力水平，表現(xiàn)為AL數(shù)量的顯著增加；腦MRI結(jié)果顯示，SD后額頂區(qū)域的fALFF顯著下降，丘腦等皮層下灰質(zhì)區(qū)域的fALFF顯著上升；進(jìn)一步的相關(guān)性分析結(jié)果表明，背外側(cè)額上回及顳中回fALFF的變化與AL數(shù)量的差值直接具有顯著相關(guān)性。

持續(xù)性注意力指在持續(xù)的一段時(shí)間內(nèi)，個(gè)體保持穩(wěn)定警覺水平的能力，是進(jìn)行高級(jí)認(rèn)知功能的基礎(chǔ)[15]。AL是衡量注意力穩(wěn)定性的一個(gè)非常敏感的指標(biāo)，我們發(fā)現(xiàn)SD后持續(xù)性注意力AL數(shù)量顯著增加，表明SD對(duì)持續(xù)性注意力的影響除了減弱平均反應(yīng)速度以外，另一個(gè)影響是顯著增加了認(rèn)知表現(xiàn)的不穩(wěn)定性。

圖4 SD后全腦fALFF值變化(P<0.05)。圖像左側(cè)代表實(shí)際的右側(cè)；暖色調(diào)代表RW時(shí)fALFF大于SD時(shí)的腦區(qū)，冷色調(diào)代表RW時(shí)fALFF小于SD時(shí)的腦區(qū)；Z值代表層數(shù)。

圖5 相關(guān)性分析散點(diǎn)圖。a)SD和RW后左側(cè)顳中回fALFF差值與AL次數(shù)的差值之間呈正相關(guān)；b)SD和RW后右背外側(cè)額上fALFF差值與AL次數(shù)的差值之間呈負(fù)相關(guān)。

近年來有大量研究表明SD引起注意力、記憶及執(zhí)行功能等行為學(xué)改變可能與特殊腦功能區(qū)變化有關(guān)[16-18]。本組結(jié)果顯示：相對(duì)于RW，SD后fALFF顯著降低的腦區(qū)主要有額中回、背外側(cè)額上回、角回和顳下回；而fALFF顯著升高的腦區(qū)主要為丘腦及腦干。基于上述結(jié)果，筆者認(rèn)為SD對(duì)人腦的主要影響為負(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知功能的額頂網(wǎng)絡(luò)區(qū)域受SD影響較大，而丘腦等負(fù)責(zé)覺醒水平的皮層下區(qū)域可能通過增強(qiáng)自發(fā)活動(dòng)水平，以一種補(bǔ)償機(jī)制來保證注意力水平。

丘腦與睡眠和覺醒控制等意識(shí)的維持機(jī)制有關(guān)[19]。已有來自損傷、藥理學(xué)和遺傳學(xué)等多方面研究的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明丘腦在睡眠-覺醒狀態(tài)維持的多個(gè)方面發(fā)揮作用[20]。本研究結(jié)果顯示丘腦在SD后fALFF顯著升高，在一定程度上驗(yàn)證了丘腦在睡眠覺醒狀態(tài)及注意力水平的維持上發(fā)揮重要作用。

本研究的相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SD后左側(cè)顳中回fALFF的變化與AL數(shù)量的差值呈正相關(guān)，右背外側(cè)額上回fALFF的變化與AL數(shù)量的差值呈負(fù)相關(guān)。顳葉是大腦中多種感知覺信息早期加工的主要腦區(qū)，其中顳中回又是視聽覺信息的整合處理中樞，有研究認(rèn)為顳中回等區(qū)域在SD之后活動(dòng)程度的變化是個(gè)體在持續(xù)覺醒的條件下維持清醒和警覺的需要[21-23]，本研究結(jié)果提示SD后顳中回區(qū)域的局部自發(fā)活動(dòng)水平的下降會(huì)導(dǎo)致PVT任務(wù)AL數(shù)量的增加，也就是個(gè)體注意力的穩(wěn)定性水平下降。注意力受自上而下(top-down)的認(rèn)知因素和自下而上(bottom-up)的感覺因素的影響[24]，作為大腦中負(fù)責(zé)認(rèn)知控制功能的核心腦區(qū)，背外側(cè)前額葉是注意力自上而下調(diào)控的重要區(qū)域。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)SD后背外側(cè)前額葉的葡萄糖代謝水平顯著下降，并且與PVT任務(wù)的平均反應(yīng)時(shí)呈顯著相關(guān)[25]。這與本研究的結(jié)果基本一致，提示SD之后背外側(cè)前額葉局部神經(jīng)元整合能力出現(xiàn)了下降，這可能是導(dǎo)致SD之后高級(jí)認(rèn)知等能力下降的重要原因，SD后機(jī)體需要募集更多的與高級(jí)認(rèn)知功能相關(guān)的特異性腦區(qū)參與完成一系列的功能活動(dòng)，使機(jī)體保持警覺狀態(tài)并完成認(rèn)知任務(wù)。本研究主要存在以下3點(diǎn)不足：首先，在研究對(duì)象的選取上以高校大學(xué)生為主，年齡在19～26歲，年齡偏小，具有一定的選擇偏倚；其次，在研究對(duì)象的睡眠質(zhì)量評(píng)價(jià)上僅使用了睡眠日記，缺少相關(guān)睡眠儀器的使用，如腦電圖檢測(cè)等，進(jìn)一步的研究中可選擇使用；最后，本研究僅采集了24h SD后的功能MRI數(shù)據(jù)，未進(jìn)行多時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，另外，在今后的研究中也會(huì)考慮延長SD的時(shí)間來觀察后續(xù)變化。

綜上所述，本研究結(jié)果顯示短期睡眠剝奪后健康成人的持續(xù)性注意力顯著下降，PVT任務(wù)AL數(shù)量顯著增加。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)SD后代表自發(fā)活動(dòng)水平的fALFF有顯著變化，主要表現(xiàn)為額頂網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的下降以及丘腦覺醒區(qū)域的增加，并且背外側(cè)額上回與顳中回fALFF指標(biāo)的差值與反映持續(xù)性注意力水平的PVT任務(wù)中AL次數(shù)的差值之間具有顯著相關(guān)性，可能是SD后持續(xù)性注意力下降的重要神經(jīng)機(jī)制。