睡眠過渡過程中的腦態分析及過渡自適應控制

黃曉樂，謝水清

中南民族大學 生物醫學工程研究所，湖北 武漢 430074

睡眠過渡過程中的腦態分析及過渡自適應控制

黃曉樂，謝水清

中南民族大學 生物醫學工程研究所，湖北 武漢 430074

目的采用自適應的外部干預刺激，分析人腦在睡眠過渡過程中的狀態，并在此基礎上，改變刺激來抑制被試者的有害認知活動，縮短其入睡潛伏期。方法給15名睡眠良好者/失眠者提供自適應外部干預刺激，獲取他們在睡眠行為反應實驗中的行為反應量。結果睡眠正常組的10名被試者，在實驗中都喪失了對外部刺激的感知和反應能力，主觀上也認為自己都睡著了，該組被試者的入睡潛伏期通常都在20min左右，在實驗中縮短到11min左右。睡眠異常組中，3名輕度失眠者通常的入睡潛伏期都在30min以上，在實驗中均被縮短到20min左右；另外的2名嚴重失眠者的入睡潛伏期通常都在120min左右，實驗中有1人在50min內入睡，另1人未睡著。結論采用自適應的外部干預刺激，能夠有效地縮短人的入睡潛伏期；便攜式睡眠監控儀，操作簡單可靠，能達到無喚醒、無干擾的目的。

睡眠控制儀；自適應控制； 入睡潛伏期； 生物鐘

0 前言

睡眠-覺醒周期是機體生命的高級生理活動，它是感知覺與環境分離并喪失反應能力的一種可逆轉狀態。人類的生命有 1/3 的時間是處于睡眠狀態中，睡眠時機體的運動和有意識活動減弱并逐漸消失[1]。然而，據統計，有大約 30%～40% 的成年人遭受著不同程度的失眠困擾[2]。失眠被定義為入睡困難，維持睡眠困難，或者盡管有足夠的機會睡覺，但睡眠持續時間短，或者由白天功能降低而引起的睡眠抱怨[2-3]。失眠癥是最普遍的心理學障礙之一，它使患者極為痛苦，也使社會，人與人之間的關系和工作受到損害[4]。并且，大約一半的失眠病人都有基本的精神疾病，例如抑郁或者焦慮。此外，失眠還會增加患者出現新的或者復發的精神疾病的風險，也會增強白天的睡意，這些情況往往會導致認知能力受損害，生活質量的降低以及更高的醫療保健財政負擔[5]。因此，研究失眠的發病機制和尋找治療失眠的有效方法顯得尤為重要。

當前治療心理生理性失眠的方法包括：藥物療法和認知行為干涉療法。其中，藥物療法在治療暫時性或短時性睡眠困難時有作用，但在治療長期性失眠時效果不佳，并且容易產生負面影響。認知行為療法（CBT）由多方面的干擾組成，包括行為的，認知的和教育性的內容。行為的內容包含有睡眠限制和刺激控制程序的結合[2]。實際上，失眠者大都因不能抑制延綿不斷的思緒而無法入睡，許多失眠者報告了那些阻止他們進入或者維持睡眠的心理活動，例如侵入的思維或者跑馬似的思緒。這些不良的認知在長久失眠中扮演著重要的角色[6-7]，大量的實驗表明，控制前睡眠認知活動，可以改變入睡潛伏期，從而解除失眠困擾[8]。圍繞著這個主題，研究人員嘗試了多種心理控制策略，但始終不能達到理想的效果。 他們以失眠認知模型：① 煩惱和沉思 ；② 注意偏向和監控與睡眠有關的威脅 ；③與睡眠有關的有害觀念；④ 對睡眠和白天虧空的錯誤知覺；⑤ 維持有害觀念的安全行為的使用[4]。以此為基礎進行了關于失眠認知治療的公開實驗，他們的目標是在白天和晚上反轉這5種維持過程。結果表明，反轉失眠認知維持過程是減少失眠的一種途徑。但是，這些實驗也存在一些局限性，如 ：① 由于沒有對比組，他們無法排除那些改善是由于時間流逝或者不明確的治療效果而引起的可能性；②盡管它包含了來自多個族群的多個年齡段的個體，但是樣本太小[9]。實際上，無論是心理控制還是各種各樣的認知療法，基本都是依靠自己來轉移自己的注意，這種做法往往難度較大且效果不佳。在這種情況下，有人另辟蹊徑，提出了依靠外部干預來轉移注意并達到縮短入睡潛伏期的目的。結果表明，這的確是一種有效的方法，易控制且無喚醒[10-13]。但是，他們沒有針對睡眠過渡過程中的腦態給予自適應的刺激，而且實驗設備也不能便攜，無法廣泛應用于大眾。因此，本文的目的就是在其基礎上進一步討論腦態的不同階段，加上自適應的刺激，對其進行實時控制；改進試驗設備，進一步提高睡眠效率。

1 對象和方法

1.1 對象

選取我校在讀碩士生 15名進行睡眠實驗。納入標準：有午睡習慣，除睡眠障礙無其他疾病，對實驗知情同意。根據匹茲堡睡眠質量指數將被試分為2組：睡眠良好組-匹茲堡睡眠質量指數得分≤ 7（10 人 )，睡眠障礙組 - 匹茲堡睡眠質量指數得分＞ 7（5 人）。

1.2 試驗儀器

實驗采用的設備為自主研發的便攜式睡眠監控儀。該儀器由4個主要部分組成。這4個部分分別為產生聲音刺激的蜂鳴器、采集被試者動作反應的加速度傳感器、負責計算分析的主控單位以及數據存儲單位。其中主控單位根據加速度傳感器獲取的被試者反應，分析出被試狀態，然后給出相應的聲音刺激。

1.3 實驗原理

1.3.1 控制原理

人的睡眠-覺醒機制是由大腦意識活動和生物鐘共同作用的結果。白天大腦意識活動強烈，生物鐘作用較弱，因此，人處于清醒狀態；相反的，夜晚生物鐘作用較強，而大腦意識活動較弱，人就會睡著。失眠的人常常在夜間受到“有害的認知活動”的打擾而無法入睡。因此，治療失眠就應該轉移失眠者的注意、抑制這種“有害的認知活動”，以突出生物鐘的作用。

1.3.2 腦態假設

入睡潛伏期的腦狀態可以分為3個階段：清醒階段，過渡階段和入睡階段。其中入睡階段難以壓縮，因此，為了縮短入睡潛伏期，必須縮短清醒階段和過渡階段所持續的時間。

1.4 自適應控制

為了縮短這兩個階段的持續時間，我們采用給被試者提供自適應刺激。具體來說，在實驗的開始階段，我們給被試者提供標準刺激（刺激間隔為 7 ～ 10s,目標與非目標刺激比例為 1：1），以便確定被試者在實驗開始時的腦狀態。在清醒階段給予適當獎勵刺激（刺激間隔增大為標準刺激的 2 倍，目標與非目標刺激比例減小為標準刺激的 2/3），以突出生物鐘作用。在過渡階段（可分為有雜念和無雜念兩種狀態）中，對于有雜念的狀態，給予適當懲罰刺激（刺激間隔縮短為標準刺激的 2/3，目標與非目標刺激比例增大為標準刺激的 1.5 倍），加強注意轉移 ；對于無雜念的狀態，給予適當獎勵刺激（刺激間隔增大為標準刺激的3倍，目標與非目標刺激比例減小為標準刺激的 1/2），進一步突出生物鐘作用。

1.5 實驗過程

在睡眠實驗過程中，讓被試者佩戴睡眠儀，將帶有傳感器的探頭綁于中指。由運行于睡眠儀上的自適應控制程序給被試者提供自適應刺激，刺激類型和刺激間隔在一定范圍內隨機呈現。在實驗過程中，被試者的任務是監測刺激類型并做出相應的反應。具體地說，如果監測到刺激類型為目標刺激 - 長聲音（500ms），要求有意識地輕輕抖動中指-做出反應，目的是加強注意轉移。相反的，如果為非目標刺激 - 短聲音（200ms），不要求作任何反應，目的是突出生物鐘作用。

為了不讓被試者有不適應的感覺，每次實驗都由被試者將睡眠儀帶回宿舍進行，實驗時間為中午或者晚上。每次實驗前均給予被試者合理的實驗指導語，讓其明白實驗操作方法，以得到客觀正確的數據，每次實驗后均詢問其睡眠感覺，做出記錄。

1.6 數據記錄

實驗數據由便攜式睡眠監控儀自動存儲在數據存儲單元中。記錄的內容包含給予刺激的時間（格式為年-月-日 - 時 - 分 - 秒）、刺激的類型（目標刺激、非目標刺激）、被試者反應時（被試者未反應則為空白）。

主要觀察指標：反應時間分布；反應正確率；反應的波動性；入睡潛伏期；主觀睡眠報告。

數據分析方法 ：本文作者采用 SPSS17.0 版統計軟件對實驗結果進行 Mean 均值檢驗，數據用 -x±s 表示。

2 結果

2.1 描述性統計

表1 睡眠正常組的數據統計

表2 睡眠異常組的數據統計

在睡眠正常組的 10次試驗中，每個被試者在睡眠過程中都喪失了對刺激的反應能力，且每個被試者都是入睡后自然醒來的，根據他們描述的主觀睡眠感覺，我們判斷他們在實驗過程中睡著了。在這 10次試驗中，被試者的入睡潛伏期均值為（10.66±3.33）min，其中最大值為16.47min，最小值為 6.95min ；在睡眠異常組的 5 次試驗中，對于 3 名間歇性失眠者，入睡潛伏期由平時的 45～60min 縮短為 23min 以內，均值為（18.37±5.67）min，其中最大值為 22.58min，最小值為 11.92min；對于另外 2 名嚴重失眠者，他們平時的入睡潛伏期均在 120min 左右，其中 1 名在實驗過程中睡著了，入睡潛伏期縮短為 50min，另 1 名在實驗過程中未睡著。數據統計如表1～2 所示。

2.2 睡眠過渡過程行為反應特性圖

對實驗得到的數據進行分析，結果如圖1所示：

圖1 睡眠過渡過程行為反應特性

實驗過程分為 A、B、C、D、E、F 6 個階段。根據人體對聲音刺激的反應特點，去掉反應時小于 300ms的誤動作，并且把反應時間超過 2000ms的反應視為無反應。

A 階段被試者的反應時間均值為（718.00±352.52）ms，B 階 段 為（627.14±53.76）ms，C 階 段 為（588.75±126.88）ms，E 階段為（1067.14±296.29）ms，D 和 F 階段被試者無反應。

3 討論

3.1 睡眠過渡過程的確定

覺醒在行為上以變化多端的各種運動活動和活躍的思維活動為特征，對環境刺激非常敏感，能迅速做出各種適應性反應。睡眠時則相反，機體對刺激的敏感性降低，肌張力下降，反射閾增高，雖然還保持著自主神經系統的功能調節，但是一切復雜的高級神經活動，如學習、記憶、邏輯思維等活動均不能進行，如圖1中的F階段，被試者已經喪失了對外部刺激的感知和行為反應能力，表明被試者已經進入了睡眠狀態。由覺醒狀態到睡眠狀態的 B、C、D、E階段，則屬于睡眠過渡過程。

3.2 睡眠過渡過程中腦狀態的分析和自適應控制

在這6個階段中，A和D階段并不是所有被試者都會出現的，A階段表示被試者對該行為反應實驗的適應過程，其特征是反應時波動較大；D階段表示被試者在實驗過程中出現的短暫的無反應現象，此時被試者可能由于小睡（打盹）無法做出反應。B、C、E 為睡眠過渡過程。在 B 階段，我們提供給被試者的刺激時間間隔為 7～10s，目標與非目標刺激的比例為 1：1。由于經過 A 階段，被試者此時已經適應實驗操作方法，可以發現反應正確率高，且反應時較為穩定，波動比較小，這些現象表明被試者處于清醒狀態。針對這一狀態，我們應該給予被試者一定的獎勵，減小其認知行為反應任務，也就是要增加刺激時間間隔和減小目標與非目標刺激的比例。因此，在C階段，我們提供給被試者的刺激時間間隔增大到 14～18s，目標與非目標刺激比例減小為 1 ：1.5。在這個階段的開始，反應還比較穩定，但在致睡物質和生物鐘的作用下，反應時和波動性都呈現出增大的趨勢，這說明被試者對外部刺激的感知和反應的能力在下降。在這種情況下，我們應該進一步增大刺激時間間隔和減小目標與非目標刺激比例。因此，在E階段（由清醒到入睡過程中最為重要的過渡階段），我們提供給被試者的刺激時間間隔增大為 20～30s，目標與非目標刺激比例減小為1：2。由于刺激時間間隔較大且非目標刺激較多，在接下來的實驗過程中可能會出現兩種對立的結果。一種結果是，被試者的反應時，波動性以及錯誤率都有較大幅度的增大，此時被試者對外部刺激的反應能力越來越弱，最后將過渡到F階段。另一種結果是，由于此時的認知行為反應任務過小，被試者可能被侵入的“有害認知活動”打擾而再次進入清醒階段。一旦進入清醒階段，我們就要重新給被試者提供B階段的刺激類型，如果這種情況反復出現幾次，被試者就可能進入 B、C、E 階段的死循環而無法到達F階段，這樣就必然導致被試者失眠。因此要想縮短入睡潛伏期，必須從E階段入手，尋找出最佳的刺激時間間隔和目標與非目標刺激比例，以達到既不喚醒被試者，又不讓被試者被有害思維打擾而重新回到清醒狀態。

4 結論

本文采用的通過外部自適應干預刺激實時控制被試者認知活動的策略，較為明顯地縮短了被試者的入睡潛伏期，與以往的心理控制策略相比，它具有更好的可重復性，易控制性，無干擾性和無喚醒性。但是，本方法雖然對睡眠良好者和輕度失眠者有很顯著的效果，也顯著地縮短了嚴重失眠者的入睡潛伏期，但卻沒有使嚴重失眠者在 30min內（失眠與非失眠的時間區分）入睡，這表明，我們采用的刺激類型還存在著不足之處。進一步的研究應該找出更加合理有效的刺激類型。此外，我們在實驗中使用的睡眠儀，盡管有了便攜性，易操作性和客觀有效性，但是在智能化和穩定性上都還存在著缺陷。因此，應該進一步改良，讓其成為能夠服務于大眾的科技產品。

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The Analysis of Brain States in Sleep Transition and the Adaptive Control of Sleep Transition

HUANG Xiao-le, XIE Shui-qing
Institute of Biomedical Engineering, South Central University for Nationalities, Wuhan Hubei 430074, China

ObjectiveWe analysed the states of brain in sleep transition by using adaptive external intervention stimuli. On this basis, we controlled the harmful cognitive activity of sleepers and shortened their sleep latency by changing stimuli.MethodsGiving adaptive external intervention stimuli to 15 good sleeps/insomnias, and then we got the amount of behavioral response of these subjects in sleep behavioral response test.ResultsIn the normal sleepers group, all of the ten good sleepers lost their perception of external stimuli and their responsiveness in the test, and they all believe that they had fell asleep in the test subjectively. The normal sleep latency of these good sleeps were at about 20 minutes, but they all had been shortened at about 11 minutes. In the insomnia group, the normal sleep latency of three mild insomnias were all above 30 minutes, but they were shortened in 20 minutes in the sleep test; The normal sleep latency of the other two severe insomnias were at about 120 minutes, one fell asleep in 50 minutes in the sleep test, but the other one did not fall asleep in the sleep test.ConclusionIt is useful to shorten sleep latency of these subjects by using adaptive external intervention stimuli. The portable sleep machine is easy to operate and very reliable. We can use it without awakening and obstruction.

sleep controller; self-adaptive control; sleep incubation period; body clock

R338.63；R33-33

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.03.007

1674-1633(2011)03-0018-04

2010-08-27

2011-01-04

中南民族大學中央高校基本科研業務費專項資金項目(ZZQ10006)資助；廣東省產學研項目(2010B090400047)資助。

本文作者：黃曉樂，中南民族大學在讀碩士研究生。

謝水清，碩士研究生導師。

通訊作者郵箱：xieshuiqing@qq．com