兒童非快速動眼睡眠相腦血流動力學改變

彭炳蔚 李嘉鈴 梁秀瓊 鄭志英 麥堅凝

·臨床研究·

兒童非快速動眼睡眠相腦血流動力學改變

彭炳蔚 李嘉鈴 梁秀瓊 鄭志英 麥堅凝

目的 探討正常健康兒童在睡眠剝奪后自然睡眠期間非快速動眼睡眠(NREM相)的血流動力學的動態演變，了解NREM睡眠周期的神經血管偶聯，有助于對睡眠的生理機制的進一步理解。方法 2015年1月至2015年3月在我院保健的5～14歲健康正常兒童，無神經系統及神經心理疾患，智力正常，入組標準：1)清醒期經顱多普勒(TCD) 檢查為正常頻譜，且血流速度雙側對稱，2)配合檢查，3)腦電圖(EEG)為同年齡組正常范圍，4)TCD顯示雙側血流速度對稱，排除標準：1)顳窗不良，2)頻譜異常的顱內動脈狹窄，3)家庭成員有偏頭痛史，4)神經心理疾患：如注意缺陷多動障礙(ADHD)、抽動、抑郁、焦慮等行為異常。5)神經系統疾病：癲癇、腦炎、精神運動發育遲緩、偏頭痛等。6)可能影響血流動力學的其它疾病：如頸椎病等。所有兒童為剝奪睡眠自然入睡，檢查前一天晚上根據患兒年齡予以不同時間的剝奪睡眠。清醒期腦電圖均為安靜閉眼描記，睡眠NREM分期判斷：I期：陣發θ節律，頂尖波；II期：睡眠紡錘、K-綜合波，III期：2 Hz以下δ波占20%～50%，少量睡眠紡錘，IV期：2 Hz以下δ波占50%以上。I/II期為淺睡期，III/IV期為深睡期。在兒童從清醒至睡眠的過程中，利用TCD監測大腦中動脈/大腦前動脈/大腦后動脈的血流動力學改變。清醒期、淺睡(I/II)期、深睡(III/IV)期、喚醒期每期以獲得MCA、ACA、PCA每條顱內血管穩定的TCD頻譜達30 s，最終取Vs，Vd，PI，RI的30 s的平均測量值進行數據分析。喚醒階段由于時間短暫，僅記錄MCA的參數變化。應用重復測量資料的多變量分析分析LMCA/LACA/LPCA從清醒至睡眠各期(LMCA含喚醒期)的血流動力參數(Vs，Vd，PI，RI)的變化趨勢。組內變異采用多變量的Hotelling T2檢驗，以P<0.05判為有統計學差異。再應用LSD法進行兩兩比較。結果 每條血管的各參數值分布與年齡和性別無關。在MCA和PCA，淺睡期收縮期和舒張期血流速度均明顯高于清醒期和深睡期，深睡期和喚醒期的PI和RI明顯高于淺睡期和清醒期。隨腦電圖同步的喚醒節律出現，喚醒期的收縮期和舒張期血流速度最低，同時PI/RI升高。而在PCA，除了在深睡期收縮期血流速度減慢外，其它狀態下的血流速度和PI、RI均無明顯變化。結論 我們研究的新發現證明了TCD能夠很好的顯示在睡眠期的血管神經藕聯，特別對于剝奪睡眠后NREM相的血流變化機制進行了很好的解釋，這將促進今后對于發作間期放電下睡眠的生理機制進一步深入研究。

健康兒童；NREM睡眠；TCD；剝奪睡眠的常規腦電圖

人的一生中，大約1/3的時間用于睡眠，睡眠對于機體是十分重要的，根據睡眠多導腦電圖將睡眠分為兩種不同時相，即NREM睡眠相和快速動眼(REM)睡眠相。NREM相一般認為全身代謝減慢，腦血流量減少，大部分區域的神經元活動減少。NREM相被認為促進生長，恢復疲勞，但其確切的生理作用卻沒有闡明。

腦的功能依賴于足夠的血流灌注，因此，神經血管耦聯是微觀神經元活動實現腦功能的重要環節，神經血管耦聯即隨著神經元電活動的局灶的有效的，固有的，腦的血管調節機制，主要表現為活性神經元功能改變也導致了腦血流調節的變化。因此，通過對睡眠中神經血管耦聯的研究將加深我們對睡眠的生理機制的理解。本研究在正常兒童的腦電圖(EEG)記錄時，在兒童清醒期和NREM期的不同時期進行經顱多普勒(TCD)檢測，獲得不同睡眠周期下腦血流動力學參數，了解正常睡眠周期的神經血管偶聯。

1 研究方法

1.1 研究對象 2015年1月至2015年3月在我院保健的5～14歲健康正常兒童32例，無神經系統及神經心理疾患，智力正常，入組標準：1)清醒期TCD檢查為正常頻譜，2)配合檢查，3)EEG為同年齡組正常范圍，4)TCD顯示雙側血流速度對稱，排除標準：1)顳窗不良，2)頻譜異常的顱內動脈狹窄，3)家庭成員有偏頭痛史，4)神經心理疾患：如ADHD、抽動、抑郁、焦慮等行為異常。5)神經系統疾病：癲癇、腦炎、精神運動發育遲緩、偏頭痛等。6)可能影響血流動力學的其它疾病：如頸椎病等。

1.2 睡眠腦電記錄 所有兒童為剝奪睡眠自然入睡，檢查前一天晚上根據患兒年齡予以不同時間的剝奪睡眠。使用Electrocap International電極帽，按國際10-20標準法安放電極。接地導線至于Fpz，雙側耳電極為參考電極，在雙眼旁邊各放置1個眼動電流圖(EOG)電極，EOG的排除標準為50 μv，阻抗水平<5 kΩ。采用美國NicoletOne數字化腦電圖儀記錄EEG，記錄清醒和睡眠期腦電圖，總描記時間0.5 h，后予以喚醒。清醒期腦電圖均為安靜閉眼描記，睡眠NREM分期判斷：I期：陣發θ節律，頂尖波；II期：睡眠紡錘、K-綜合波，III期：2 Hz以下δ波占20～50%，少量睡眠紡錘，IV期：2 Hz以下δ波占50%以上。I/II期為淺睡期，III/IV期為深睡期。

1.3 TCD檢測 采用德國DWL2000彩色經顱多普勒儀，探頭頻率2 MHz。經雙側顳窗檢測大腦中動脈(MCA)、大腦前動脈(ACA)、大腦后動脈(PCA)，記錄參數包括收縮峰流速(Vs)，舒張末期流速(Vd)，平均流速(Vm)，搏動指數(PI)和阻力指數(RI)，同時觀察血流頻譜形態的改變。取樣深度MCA為4.8～6.0 cm，ACA為6.0～7.0 cm，PCA為6.0～7.0 cm。在檢查前獲得兒童清醒時3條血管在雙側血流動力學對稱。在兒童從清醒至睡眠的過程中，僅監測左側顱內血管的血流動力學改變。清醒期、淺睡(I/II)期、深睡(III/IV)期、喚醒期每期以獲得左側MCA、左側ACA、左側PCA每條顱內血管穩定的TCD頻譜達30 s，最終取Vs，Vd，PI，RI的30 s的平均測量值進行數據分析。喚醒階段由于時間短暫，僅記錄MCA的參數變化。

圖1

表1 LMCA/LACA/LPCA在清醒期、淺睡期、深睡期、喚醒期的Vs、Vd、PI、RI的比較

1.4 統計學方法 應用重復測量資料的多變量分析分析LMCA/LACA/LPCA從清醒至睡眠各期(LMCA含喚醒期)的血流動力參數(Vs，Vd，PI，RI)的變化趨勢。組內變異采用多變量的Hotelling T2檢驗，以P<0.05判為有統計學差異。再應用LSD法進行兩兩比較。

2 結果

2.1 參與檢測的共32名健康兒童，年齡5～14歲，獲得LMCA清醒期-淺睡期-深睡期-喚醒期有效數據17例，獲得LACA及LPCA清醒期-淺睡期-深睡期有效數據12例。

2.2 LMCA/LACA/LPCA的各期血流參數比較：在MCA，淺睡期收縮期和舒張期血流速度均明顯高于清醒期和深睡期，喚醒期的收縮期和舒張期血流速度最低，深睡期和喚醒期的PI和RI明顯高于淺睡期和清醒期。在ACA，清醒、淺睡、深睡狀態下的PI、RI無明顯變化，但是淺睡期收縮期和舒張期血流速度均明顯高于清醒期和深睡期，而在PCA，3種狀態下的血流速度和PI、RI均無明顯變化。

8歲健康男孩，從清醒至全NREM睡眠相至喚醒的VEEG記錄及同步的LMCA/LACA/LPCA頻譜演變。可見I期至II期變化不明顯，III期和IV期變化不明顯。I/II期MCA及ACA血流較清醒期明顯加快，深睡期減慢，而從清醒至淺睡深睡期，PCA血流改變不明顯。見圖1。LMCA/LACA/LPCA的各期血流參數演變趨勢，見圖2。

圖2 LMCA/LACA/LPCA的各期血流參數演變趨勢

3 討論

睡眠大腦皮質電活動的發現，使得人們可以通過腦電圖記錄研究睡眠的深度，并且結果準確可靠，可以連續觀察自然睡眠的特征。目前國際通用的方法是，將睡眠分為2種不同時相，即NREM睡眠相和REM睡眠相。NREM相一般認為全身代謝減慢，腦血流量減少，大部分區域的神經元活動減少。NREM相被認為促進生長，恢復疲勞，但其確切的生理作用卻沒有闡明。根據腦電圖的特征變化可以分為4期，I期、II期睡眠為淺睡期，容易喚醒，III期、IV為深睡期，不容易被喚醒。其中II期睡眠占至整個NREM期約50%。近來研究表明NREM第II期僅與動作行為有關的記憶有關。

正常人I期睡眠的時間短，平均1～7 min，兒童入睡較快，難以獲得完全的I期的TCD頻譜數據，同時由于描記時間有限，32例檢測者只有17例在30 min內達到III期以上，由于顳窗影響，能夠獲得ACA和PCA有效數據者更少，而且大多數記錄到的為III期的血流變化。不過，在檢測中我們發現I期和II期，III期和IV期的血流動力學變化不顯著。故在分析數據時，我們將I期和II期統作為淺睡期，III/IV期統作為深睡期。通過清醒-淺睡-深睡期正常兒童腦血流和腦血管調節的研究，由于神經血管藕聯的存在，可以間接反映睡眠期大腦神經元活動的狀態。

我們的研究發現，與以往的認為不同，在NREM相的淺睡期，腦血流并非減少，而是明顯增加，特別是在大腦中動脈和大腦前動脈區，這兩條血管供應我們大腦的額、顳、頂的大片區域，說明在早期睡眠時，我們的大部分腦區的神經元活動更加活躍了。因為大腦后動脈在人類主要供應枕葉的血流，主管視覺，常規的睜閉眼試驗可以看到大腦后動脈區的血流變化，而我們的兒童從清醒至睡眠均為閉眼描記，減少了視覺刺激的影響，發現睡眠對大腦后動脈區的血流動力學影響不明顯，可見睡眠中兒童的神經元活動是有空間分布差異的。

舒張末血流速度是舒張期殘存的血流速度，反映遠端血管床阻抗，PI=(Vs-Vd)/Vm，RI=(Vs-Vd)/Vs，因此遠端血管阻抗增高時，PI、RI增高，本研究還發現MCA的PI在深睡期和喚醒期增高，說明此時遠端血管有收縮，導致遠端血管阻抗增高，也反應此時大腦動脈遠端分布區域的供血減少。其神經元的活動也相應減少，因此腦電圖上在喚醒時和深睡期時均顯示廣泛的δ慢波。在學齡期兒童和成人比較，喚醒期的腦電圖變化也更顯著，我們的結果也表明喚醒期的血流改變十分突出，也能夠解釋在不成熟的大腦，喚醒時大腦皮層有更長時間的抑制。

NREM淺睡期即是癲癇放電最容易出現的時期，同時這期人們容易被喚醒，同時喚醒時無睡眠的體驗，都說明NREM淺睡期和深睡期的生理意義不盡相同。進入深睡眠，我們的主要的腦血流開始逐漸下降，III期時的水平與清醒期的水平相似，如果繼續深入，的確將獲得血流減慢10%～20%，表明人真正進入大腦的休息狀態，與以往對NREM相的認識相仿。由于神經血管藕聯的存在，通過腦血流的檢測可以間接推斷神經元活動的變化，NREM相淺睡期，腦血流增加，重要腦區的神經元活動意味著增加，看來NREM相淺睡期對于人類認知行為的意義不僅僅只與簡單的動作行為記憶有關。一個反證是，在NREM期，有一種現象稱為睡眠期癲癇性腦電持續狀態，這種異常的神經電活動僅出現在NREM相，而REM期和覺醒期消失，而且從淺睡期一直貫穿NREM全相，同時這類患兒的NREM的分期不清晰，這種異常的放電常使兒童發生廣泛性的高級皮質功能的損傷，由此可以推斷，NREM相的生理意義遠不止目前人類的認識。

以往曾經有一個健康成人正常睡眠周期中血流動力學的研究，研究表明隨著睡眠的發生，NREM相各期的大腦中動脈的血流速度均低于清醒期，與我們對兒童的研究結果不同，兒童的睡眠結構和成人是有差別的，腦的成熟度也不同，腦電圖的表現也有差別，因此可能兒童睡眠中的血流動力學變化趨勢不同于成人。一些NREM中出現的疾病，如ESES等也僅出現在兒童，因此我們猜測，在發育中的大腦，睡眠的生理意義復雜得多。

本研究的限制在于研究的是剝奪睡眠狀態下的睡眠周期，而且由于描記時間短，未能評估REM睡眠，今后需要對生理狀態下的自然睡眠做長程的血流動力學監測，將會對兒童睡眠的神經血管藕聯的研究更加深入。如果要進一步明確睡眠與腦功能的關系，還需要選擇一些認知行為障礙的患兒做長程的睡眠TCD監測。不論如何，通過本研究，我們發現了TCD對于睡眠研究中的價值。

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投稿網址：www.sjsmyxzz.com:8080

Changes in cerebral hemodynamics during NREM sleep in healthy children

PENGBingwei，LIJialing，LIANGXiuqiong，ZHENGZhiying，MAIJianning.DepartmentofNeurology，GuangZhouWomenandChildren'sMedicalCenter，China

MAIJianning，E-mail：gzchmjn@126.com

Objective To investigate cerebral hemodynamic changes during non-rapid eye movement(NREM)sleep following sleep deprivation in healthy children.Methods Thirty-two children with normal intelligence(full-scale intelligence quotient>80)，5～14 years of age，were enrolled.Electroencephalograms(EEGs)were within the normal range.Each subject was deprived of routine night sleep then examined in the spontaneous sleep during daytime.Awake and sleep stages were evaluated using EEGs according to Rechtschaffen and Kales.Each subject was woken up in stage IV sleep.Stable transcranial Doppler ultrasonography(TCD)tracings through the temporal bone window were recorded for at least 30 seconds(s)per stage except the awaken stage(only the left middle cerebral artery(LMCA)was examined because of twinkling moment).The mean systolic cerebral blood flow velocity(sCBFV)，diastolic CBFV(dCBFV)，pulsatility index(PI)，and resistance index(RI)of each artery were analyzed for 30 s per stage.Multivariant analysis of variance(MANOVA)was conducted to compare hemodynamic parameters in waking versus light sleep，deep sleep，and awaken stages.Results NREM sleep in children was associated with increased CBFV in the MCA and anterior cerebral artery(ACA)during light sleep(stages 1 and 2)，reduced sCBFV in all vascular arteries during deep sleep，and sustained increased PI during deep sleep.Reduced CFV and increased PI in the awakening stage occurred synchronously with the EEG reaction.Conclusion These novel findings indicate distinct alterations in cerebral hemodynamics during NREM sleep in children.Thus，TCD may facilitate an understanding of neurovascular coupling during sleep.

Healthy children;Cerebral hemodynamics;NREM sleep;Transcranial Doppler ultrasonography(TCD);Sleep-derivated VEEG;Neurovascular coupling

510120，廣州市婦女兒童醫療中心神經科

麥堅凝，E-mail：gzchmjn@126.com