睡眠剝奪及相關研究

劉艷驕 胡志安 陳芳 吳慧涓

(1.中國中醫科學院廣安門醫院睡眠中心，北京市中醫睡眠診療中心，北京，100053； 2.解放軍陸軍醫科大學神經生物學教研室，重慶，400038； 3.解放軍海軍醫科大學長征醫院神經科，上海，200003)

睡眠剝奪(Sleep Deprivation)是現代社會中存在的一種普遍的、人為地導致睡眠減少的現象。睡眠剝奪伴隨情緒、警覺、工作能力的顯著變化。研究睡眠剝奪現象對于改善人類睡眠環境，提高工作效率具有重要意義。

1 睡眠剝奪的基本概念及簡史

睡眠剝奪(Sleep Deprivation)指各種原因所導致的睡眠缺少或睡眠時間嚴重不足。睡眠剝奪在現代社會中普遍存在，與人們的工作、生活密切相關。經常性的睡眠剝奪，大多數被診斷為睡眠不足綜合征(國際睡眠分類307.494-4)。睡眠剝奪也是研究睡眠重要方法之一，已經廣泛應用于實驗動物和部分人群的的研究[1]。睡眠剝奪實驗不能實行盲法對照，實驗者和受試者的動機對實驗結果會產生很大的影響，尤其是在行為和主觀認識上的研究。動物實驗研究對主觀期望效應不太敏感，但由于動物實驗中包含著應激的附加因素，這些附加因素和睡眠缺失相互作用，因此在動物實驗研究中不能用于應激控制組作為對照[2]。睡眠剝奪試驗較早見于1894年，人對幼犬進行了睡眠剝奪實驗；1896年，進行了人類全睡眠剝奪試驗研究。

對人類實施睡眠剝奪的方式有兩種，一種是通過人為地置受試者于強直性不眠狀態，觀察其反應；另一種，是對臨床失眠患者的觀察，特別是對哪些自稱為通宵不眠患者的觀察。由于睡眠剝奪涉及人體實驗問題，國際上已經基本不再進行人體睡眠剝奪的實驗，但常把因為科研或者工作，人為進行睡眠剝奪的人群作為觀察對象，加以記錄，并進行研究。

2 睡眠剝奪的分類

2.1 根據睡眠剝奪時間分類 可分為兩類，一類為短時間睡眠剝奪，睡眠被剝奪時間小于24 h；另外一類為長時間睡眠剝奪，睡眠被剝奪時間大于24 h。

2.2 根據睡眠剝奪特點分類

2.2.1 完全睡眠剝奪 有報道，連續數天睡眠剝奪后，被試者會出現強烈的困倦、疲勞、容易激怒，情緒不穩定，喪失精細工作能力，定向力障礙，有80%的受試者出現錯覺和幻覺，通常以視覺性和觸覺性幻覺為多，與精神分裂癥患者的幻覺有明顯的區別。睡眠剝奪時間超過100 h以上者，癥狀反應更加明顯。隨著剝奪睡眠時間的延長，工作操作能力越趨降低，特別是長時間從事單調的工作時，常常會出現差錯，甚至引發事故。

在全睡眠剝奪64 h以后，恢復正常睡眠的首夜，非快速動眼(Non-rapid Eye Movements，NREM)睡眠的第3、4期的百分比明顯地增加，第1、2期睡眠減少，年輕人比老年人表現的更加明顯；在恢復睡眠的第二夜，深睡眠的數量已經接近正常，年輕人可以表現為快速動眼(Rapid Eye Movements,REM)睡眠增加，但兩天總睡眠時間只增加2 h，說明沒有補足的只有淺睡眠；第三夜各階段睡眠量接近正常。睡眠剝奪112 h，有少數偏執妄想行為出現，并在凌晨加重。EEG描記顯示，α波隨著睡眠的剝奪時間的延長呈現線性下降。

Rodin等報道，睡眠剝奪24 h后，受試者的α波持續不會超過10 s；72 h和120 h睡眠剝奪后，α波只能維持4～6 s和1～3 s；睡眠剝奪更長時間以后，及時令受試者閉眼，也不會出現α波，說明腦警戒水平降低。隨著α波逐漸減少，波和波比列增加，甚至當受試者說話或者完全清醒時也會出現波，這就是所謂的“微睡眠”(Miero Sleep)現象，缺眠過程中操作失誤與此有關。

2.2.2 部分睡眠剝奪 是指特異性減少整個睡眠期某段時間的睡眠量。包括：急性部分睡眠剝奪和慢性部分睡眠剝奪。

(1)急性部分睡眠剝奪：一般只用1個～2個晚上的睡眠剝奪，測試對受試者作業和睡眠的影響。Rosonthal等發現，如果一個晚上只睡眠4 h，相對每天8 h睡眠的人來說，第二天，完成警戒作業成績明顯下降；如果一個人連續每天晚上少睡眠3 h，或者連續2個晚上少睡眠5 h，白天完成警戒作業的成績顯著變差。急性睡眠剝奪的多導睡眠圖特點是：除慢波睡眠意外的所有睡眠時相都縮短。

(2)慢性部分睡眠剝奪:連續幾個晚上睡眠剝奪，則睡眠剝奪的累計效應就會累計起來，這些不良反應與每個晚上睡眠時間的長短有關。

實驗一：受試者每天晚上睡眠時間保持6 h，連續42天，沒有發現日常生活出現異常。每天晚上睡眠減少至5.5 h，連續60天，可以發現最后2周出現瞌睡，完成警戒作業的成績下降。多導睡眠圖：慢波睡眠依舊保留，并逐漸提前，快速動眼(rapid eye movements,REM)睡眠減少25%，睡眠潛伏期縮短10～30 min，一般人的睡眠潛伏期只在實驗的最后一周才表現為明顯縮短。

實驗二：受試者每天睡眠時間從8 h開始，每2周遞減30 min，直到受試者不能忍受為止。在4個月內，當受試者的每天晚上的睡眠時間減少到6～6.5 h，受試者開始出現不適現象，如乏力、精力不足、上課時瞌睡、駕車時難以保持警覺狀態，精神運動測試未發現明顯的下降，受試者感覺“學習、工作效率明顯下降；精神振奮不起來，辦事力不從心，容易疲勞；在困難面前氣餒，容易泄氣，感覺沮喪；有時會出現輕度抑郁情緒，如同患了感冒一樣。”

2.2.3 選擇性睡眠剝奪 選擇性睡眠剝奪是指在盡可能對總睡眠時間和其他睡眠時相影響小的情況下，剝奪1個或2個睡眠時相，旨在了解各睡眠時相的功能。

(1)REM睡眠剝奪:實驗選擇剝奪健康人的REM睡眠，隨著REM睡眠的剝奪，受試者每夜企圖進入REM的次數呈現遞增的趨勢，一旦允許不受干擾的睡眠時，就表現出REM睡眠明顯增多，持續時間延長，這成為REM睡眠反彈(REM Sleep Rebound)REM睡眠反彈效應與剝奪REM睡眠的數量有關。

在剝奪REM睡眠期間，表現為本能行為的增強，如食欲、性欲亢進。易激惹，攻擊行為增強，這些現象支持REM睡眠與本能行為有關。

腦生化研究表明，REM睡眠剝奪期間腦組織的糖酵增強，說明此時腦神經活動增強。腦內某些區域，如網狀結構和視丘部分氨基酸含量增加，蛋白質合成減少，分解加強，神經細胞內蛋白質及RNA含量降低，說明REM睡眠的一個重要生理功能是促進腦內蛋白質的合成，這正是中樞神經生長發育所必須的。

(2)NREM睡眠剝奪:選擇性剝奪NREM睡眠較少，但4期睡眠被剝奪時，受試者表現為第4期的睡眠反彈強烈，是為換取慢波睡眠剝奪所需要的喚醒次數是REM睡眠剝奪的5～7倍。慢波睡眠剝奪的第一個晚上慢波睡眠增加。第2、3個晚上REM睡眠增多，而REM連續剝奪后的3個晚上REM睡眠增加，慢波睡眠沒有影響。臨床失眠患者及存在嚴重失眠的抑郁患者，多導睡眠圖提示慢波睡眠減少或缺如，表現為白晝功能受損，倦怠乏力，精力不濟，情緒壓抑，記憶力減退，注意力不能集中等腦功能受損的表現。

2.3 根據睡眠剝奪的特點分類 (1)持續性睡眠剝奪：是指連續24 h以上的睡眠剝奪持續進行3天以上。

(2)間斷性睡眠剝奪：是指不是連續進行24 h以上的睡眠剝奪，包括部分睡眠剝奪、完全性睡眠剝奪。

3 動物睡眠剝奪

動物睡眠剝奪是研究睡眠的主要手段之一。通過不同階段的睡眠剝奪，可以研究睡眠結構中的某一階段對人體的影響。如研究REM睡眠對記憶的影響等。

3.1 動物睡眠剝奪模型

3.1.1 改良的多平臺法制作大鼠睡眠剝奪的動物模型 睡眠剝奪箱中央放置4個高15 cm圓形平臺，直徑6 cm，平臺向中間凹陷，僅夠大鼠在平臺上站立。剝奪箱內注有水，水高5 cm，水溫保持恒定。大鼠進入睡眠時，由于骨骼肌的松弛使大鼠掉入水中而驚醒，又跳上平臺，造成睡眠剝奪。空白組大鼠平臺直徑15 cm，大鼠可以在平臺上睡眠，其余與實驗組環境相同。

3.1.2 行為檢測 用曠場反應箱測試大鼠行為的變化，將曠場反應箱放置在一個較封閉的屋內。曠場反應箱為一個底部面積為100 cm×100 cm，高30 cm的方形容器，曠場正上方有一個攝像頭監視大鼠活動，并可以將實驗數據和圖像信息輸入計算機。觀察大鼠在曠場反應箱中5 min內的運動。靜止總時間(Total Still Time，TST)表示大鼠在曠場反應箱中5 min內靜止的總時間，運動總距離(Total Movemnet Distance，TMD)表示大鼠在曠場反應箱中5 min內運動的總距離。中心逗留時間(Center Stay Time，CET)表示大鼠在曠場反應箱中5 min內在內環的停留時間，角落逗留時間(Corner Stay Time，COT)表示大鼠在曠場反應箱中5 min內在曠場四角的停留時間。內環是指以曠場中心點為圓心，以10 cm為半徑的圓。

3.1.3 學習記憶能力的測試 用Morris水迷宮法進行大鼠學習記憶的訓練與測試，其主要測試大鼠的空間學習記憶能力。水迷宮為一直徑120 cm、高50 cm的圓形水池，池內水深25 cm，水池按方位平均分為4個象限，設定4個入水點。在一個象限內置一個直徑7 cm、高23 cm的白色平臺，平臺沒于水面下2 cm。水溫保持在20 ℃左右。實驗過程中水池及周圍環境保持不變。

實驗時，將大鼠面向池壁從4個入水點分別放入水池，用秒表記錄大鼠的逃避潛伏期：即從大鼠入水到找到水下隱蔽平臺并站立于其上所需時間(s)，大鼠找到平臺后，讓其在平臺上站立10 s。若入水后60 s大鼠未能找到平臺，則將其輕輕從水中拖上平臺，并停留10 s，然后進行下一次實驗。將每只大鼠從4個入水點分別放入水池為1輪訓練，1輪訓練進行4次，訓練2輪，共訓練8次，每次60 s，2次訓練之間間隔30 s。訓練成功的標志是大鼠在60 s內能夠找到平臺，淘汰訓練未成功的大鼠。記錄每只大鼠逃避潛伏期(Escape Latency,EL)的時間。

4 導致睡眠剝奪的常見原因

4.1 光線 睡眠前的光線太強，可以延長入睡潛伏期的睡眠時間。午夜的光亮是通過抑制具有促進睡眠作用的褪黑素分泌，或者使24 h晝夜節律發生紊亂，使機體的性能有所改變。

現代居室一般窗面向南，清晨太陽冉冉升起，房間逐漸光亮，午后太陽西下，光線逐漸變暗，夜晚臥室睡眠的燈光應當保持在10～30燭度，流明(Lumen/Im)：光通量的單位。相當于一燭光的均勻點輻射源穿過一個立體角(球面)的通量，也相當于一燭光的均勻點輻射源等距的所有點所在的表面上的光通量。所以一根蠟燭點燃大概就是1流明)室內環境照明用熒光燈，局部照明用白熾燈。屋頂和墻面的光反射系數宜低于60%，地面宜為15～35%.過分明亮的裝飾面，會使反射系數高達90%，超過人體的承受范圍。

4.2 噪聲 噪聲是導致睡眠被間斷剝奪的重要原因之一。間斷性噪聲使人容易產生間斷性睡眠剝奪。中國對噪聲污染是分級控制，住宅區零噪音，通常在居民區或文教區，要求白晝的噪音不超過55 dB,夜間不超過50 dB。超過60 dB的噪聲就將影響睡眠。

4.3 溫度 高溫和嚴寒都可以影響睡眠，在夏季，特別是暑伏天，人們的睡眠明顯地減少；嚴寒季節，室內溫度偏低時，睡眠常被催醒；室內溫度過高，容易導致睡眠減少，夜間憋醒，甚至呼吸暫停。

4.4 職業 容易出現睡眠剝奪的職業，如經常倒班的醫師、護士、士兵、倒班工作人員、哺乳期婦女、長途汽車司機等。

4.5 姿勢 坐姿比平臥時的睡眠潛伏期增加6.6 min。肥胖人合并睡眠呼吸暫停時，經常因為上氣道被增長的軟腭所遮蓋，進而導致夜間不能失眠，或容易覺醒。

4.6 藥物 興奮性藥物，如苯丙胺、咖啡因、哌甲酯(利他林)、匹莫林、煙堿、可卡因等。

4.7 飲食因素 濃茶(可以保持4 h覺醒)、咖啡(可以保持7 h覺醒)、莫非達尼(可以保持12 h覺醒或更長時間)。莫非達尼200 mg和400 mg的劑量相當于服用咖啡因40 h后的效果。

4.8 行為 經常玩撲克、玩游戲，可以最高達到50 h的覺醒狀態。整夜打麻將，可以使血壓升高，并誘發腦血管疾病。

5 影響睡眠剝奪的因素

(1)睡眠和24 h晝夜節律:如先前的睡眠量與睡眠分配、覺醒時間的長短，以及24 h晝夜節律的時間變化；

(2)覺醒的影響:如活動、亮光、噪音、姿勢、藥物、興趣、內在動力以及睡眠剝奪史等；

(3)測試方法的類型及特征:如測試時間、對測試結果的認識、測試節奏、熟練程度水平、測試難度、短期記憶、主觀手段(相對客觀)以及腦電描記方法(在多次睡眠潛伏期試驗中)等[1]。

6 睡眠剝奪對人腦功能的影響

6.1 睡眠剝奪對中樞神經和精神的影響 研究表明[3]，睡眠剝奪影響正常人的腦電生理活動，不同腦區的腦電功率改變不同，以額前區、中央區、頂區和顳中區的改變最為明顯，左半球較右側明顯。睡眠剝奪期間，由于能量消耗的增加，導致甲狀腺分泌活動加強。而某些受晝夜節律影響的激素，如去甲腎上腺素、催乳素、生長激素，在睡眠剝奪期間喪失了分泌的節律性，出現激素分泌紊亂，引起相關的癥狀。睡眠剝奪恢復以后，生長激素可見回升。

睡眠與覺醒有不同的基因表達，研究發現睡眠剝奪期或者清醒期有44個基因上調。在不同行為狀態下基因表達不同，可能會影響體內RNA和蛋白質的合成、神經可塑性、神經信號傳遞、代謝等細胞的基本功能。對個體進行長時間的睡眠剝奪后(250 h甚至更長時間)，可以發現患者出現手抖、間歇性口齒不清、上下眼瞼下垂，角膜反射遲鈍、嘔吐反應活躍，深反射亢進、痛閾下降等表現。[2]

6.2 對免疫功能的影響 睡眠剝奪后機體的免疫功能亦受影響，睡眠剝奪抑制機體細胞的免疫能力、脾細胞抗體分泌減少、胸腺和脾臟質量下降等[4]。研究發現，在短期睡眠剝奪后自然殺傷細胞(NK細胞)的數目減少，但全睡眠剝奪后NK細胞的數目增加。全睡眠剝奪后，白介素1和6增加。這說明睡眠剝奪會影響人體的免疫系統，也說明減少睡眠以后，人對疾病的抵抗力會下降。

6.3 對學習記憶的影響 一般認為睡眠參與了“記憶痕跡“的轉化，即在睡眠時短時記憶被再次激活、分析并逐漸融合為長時記憶。在整個睡眠階段中，異相睡眠對學習和記憶的影響特別大，在學習較復雜或較多的學習任務后，異相睡眠增加較多；而完成簡單的或較少的學習任務后，異相睡眠增加并不多。

研究者發現[5]，慢性不完全性睡眠剝奪會影響幼鼠的學習記憶能力，而這種影響可能與前額皮質和海馬中的神經元——一氧化氮合酶(nNos)表達水平的下降有關。近年來認為一氧化氮(NO)作為中樞神經系統細胞間的信使分子，在學習記憶中具有重要作用，而nNos是催化產生內源性NO的唯一酶類，睡眠剝奪可以導致NO及nNos升高，這可能與學習障礙有關，NO可能參與大鼠的睡眠調節。另外，近年來，睡眠剝奪與細胞因子之間的關系以及睡眠剝奪后腦內基因變異等的研究也愈來愈受到重視。

王博文，等人[6]探討不同睡眠剝奪方式對大鼠學習記憶能力的影響及其可能機制。方法是將24只大鼠用隨機數字法分為空白組(不做任何處理140 h)、對照組(連續睡眠剝奪120 h)、實驗1組(睡眠剝奪共計120 h，3次進行，每次40 h；間歇2次，每次10 h，共間歇20 h)和實驗2組(睡眠剝奪共計120 h，分6次進行，每次20 h；間歇5次，每次4 h，共間歇20 h)。睡眠剝奪后用曠場反應箱測試大鼠的行為，用Morris水迷宮法測試大鼠學習記憶能力，用試劑盒檢測大鼠大腦皮層、海馬和血漿中超氧化物歧化酶(SOD)和丙二醛(MAD)含量以及大腦皮層和海馬中乙酰膽堿酯酶(TChE)含量。結果發現：曠場反應測試大鼠興奮性和探索性行為，實驗組明顯強于對照組，且實驗2組強于實驗1組(P<0.01)；水迷宮測試大鼠學習記憶能力，實驗組明顯強于對照組，且實驗2組強于實驗1組(P<0.01)；實驗組大鼠大腦皮層、海馬和血漿中SOD含量明顯高于對照組，且實驗2組高于實驗1組(P<0.01)；實驗組大鼠大腦皮層、海馬和血漿中MDA含量明顯低于對照組(P<0.01)，且實驗2組低于實驗1組；實驗組大鼠大腦皮層和海馬TChE含量明顯低于對照組，且實驗2組低于實驗1組(P<0.01)。這表明不同的間斷性睡眠剝奪方式對大鼠學習記憶能力有不同的影響，一次性睡眠剝奪時間越長、間歇次數越少，學習記憶能力越差。這種作用可能與睡眠剝奪抑制了大腦皮層、海馬和血漿中SOD活性，提高了MAD含量及TChE活性有關。

6.4 睡眠剝奪對生化的影響 根據實驗研究報告，睡眠剝奪對皮質醇、腎上腺素及相關復合物、兒茶汾胺降解產物等激素類物質，血液成分中的紅細胞計數、血細胞比容(紅細胞壓積)及血糖、肌酐均無明顯的影響。

7 睡眠剝奪的特殊用途

(1)通過干擾對方的睡眠，實現持續睡眠剝奪，造成人為性疲勞，消減敵方的戰斗力；

(2)通過人為的睡眠剝奪，治療精神疾病，如躁狂癥、精神分裂癥等精神疾病；

(3)通過人為的部分的睡眠剝奪，用以調節因時差轉化而帶來的睡眠問題；

(4)通過有計劃剝奪睡眠，治療睡眠節律紊亂，特別是睡眠時相前移綜合征、睡眠時相后移綜合征、睡眠顛倒等。

8 睡眠剝奪的預防

8.1 睡眠補償與休息制度 在一定時間內的睡眠剝奪，可以通過增加睡眠時間，補償睡眠剝奪失去的時間。持續夜班的人，通過增加夜間的睡眠時間，可以補充丟失的睡眠。同時，減少夜間工作的時間，如將8小時工作變成6小時工作。這對于研究極地中極夜或極晝對人體的影響有一定的積極意義。洪軍[7]認為，大多數人每晚需睡7～8 h。白天睡眠的恢復性作用比夜間睡眠小。連續性睡眠比多次短時間小睡效果更好。但是，由于諸如作戰、工作需要、不良的睡眠習慣等因素的影響，經常不能保證有效數量的睡眠的情況，可以通過小睡以及適宜的作息制度加以補償，這是對抗睡眠剝奪最有效的手段。

8.2 睡眠剝奪前的短暫睡眠 在睡眠剝奪前進行預防性睡眠，將有良好的預防作用，并且與預防性睡眠的持續時間呈正相關。在軍事行動之前一周若能保證每24 h持續睡眠7～8 h，可有助于減緩作業能力下。[7]

8.3 睡眠剝奪間的小睡 在部分睡眠剝奪期間所允許的睡眠就是小睡，短則幾分鐘，長至數小時。不論是有限的或日間的小睡，均有助于機體各種功能的恢復,維持良好的作業能力和警覺水平。小睡有助于緩解疲勞，但小睡不宜進入真正的睡眠狀態。將小睡安排在最容易睡的時候取得的效果將更好，尤其是兩個睡眠高峰期，即03:00～06:00和14:00～17:00，在此期間進行小睡,慢波睡眠3期更多,睡眠惰性更小。睡眠惰性(Sleep Inertia)是指清醒后持續5～30 min的遲鈍期,在此期間可出現作業能力下降，故應避免重要的作業任務。

8.4 睡眠剝奪后恢復性睡眠 正常人持續睡眠剝奪，或失眠者恢復自然睡眠以后，或疾病康復以后，睡眠都有增加的趨勢。24～48 h全部睡眠剝奪后進行8～10 h的恢復性睡眠就可恢復原有的工作能力；72 h或更長時間的睡眠剝奪后則需要12～20 h的恢復性睡眠[3]。但恢復性睡眠并非愈多愈好，過長時間的睡眠反而增加了睡眠惰性。[7]

8.5 睡眠剝奪間的作息制度 通過改善睡眠習慣，利用自我調節放松療法得到更多的休息和恢復性睡眠、建立固定而舒適的就寢常規。睡眠之前應避免某些活動和服用某些藥物。部隊由于作戰情況經常變化,可事先制定多個工作——休息——睡眠預案供選擇。平時訓練軍事人員習慣于所處的睡眠環境。在戰斗期間，睡眠管理必須理想化，避免所有軍事人員都同時處于精疲力竭的狀態。在睡眠剝奪期間，應合理安排時間睡眠或小睡，同時可改變常規工作或轉換工作等[7]。

8.6 睡眠剝奪改善措施 中藥中的人參、西洋參、刺五加、紅景天等均有安魂鎮魄的中藥對睡眠有促進作用，而某些補益中藥黃芪、淫羊藿、枸杞等長期使用以后，患者的覺醒時間明顯延長。提高免疫力、抗應激、抗缺氧、增強學習、增加記憶類的作用中藥，不僅可以因為睡眠剝奪導致的幻覺和各種精神癥狀有一定的幫助。對抗睡眠剝奪應采用綜合性措施，行為治療、合理作息，健康睡眠，才能取得最佳效果。

[1]趙忠新主編.睡眠醫學[M].人民衛生出版社，2016.37-41.

[2]Meir H.Kryger，Thoms Roth，William C.Dement.Principles and practice of sleep medicine(睡眠醫學的原理與實踐)(中文版)[M].第四版.人民衛生出版社，2010:51-52.

[3]洪軍,劉玲.睡眠剝奪對人視覺反應時間延長的影響[J].中國行為醫學科學,1999,8:1.

[4]章茜,閻艷琴.部分睡眠剝奪對大鼠免疫功能的影響[J].河南醫科大學學報,2001，36:5.

[5]江帆,吳勝虎.慢性不完全性睡眠剝奪對幼鼠學習記憶的影響[J].中國心理衛生雜志,2003,17:9.

[6]王博文，徐兆慧，杜勇，等.不同方式的睡眠剝奪對大鼠學習記憶的影響[J].西安交通大學學報(醫學版).2014，(2)：214-215.

[7]Giam GC.Effects of sleep with reference to Military operations[J].Ann Acad Med Singapore,1997,2(1):88-93.