短期睡眠剝奪影響持續性注意力的認知神經機制：基于靜息態功能MRI低頻振幅分數分析

徐永強，王興瑞，胡文鐘，印弘，朱元強

圖1 實驗流程圖。

隨著社會節奏的加快，個體的壓力與日俱增，睡眠不足或睡眠剝奪(sleep deprivation,SD)已經成為一種常見的社會現象和公共衛生問題[1]。大量的研究結果顯示SD給社會、經濟和人類帶來了較大的損失[2]。《2018中國睡眠質量調查報告》對10萬人的調查結果顯示有83.8%的被調查者經常受到睡眠問題困擾，16%的被調查者夜間睡眠時間不足6 h。SD會導致個體多種認知能力的下降，如注意力、決策能力、記憶力等[3-5]。其中持續性注意力是受SD影響最為嚴重的注意力功能[6]，但其損傷背后的神經影像機制尚不清楚。靜息態功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)可無創性檢測大腦局部腦區神經功能活動情況，已被廣泛應用于神經及精神等多種疾病的影像機制研究。低頻振幅分數(fractional amplitude of low frequency fluctuations, fALFF)是在低頻振幅基礎上得到的衡量各個體素在靜息狀態下自發活動水平的指標，在一定程度上避免了ALFF易受腦室內腦脊液及生理噪聲影響等弊端，能有效抑制靜息態fMRI中的非特異性信號成分，顯著提高對局部自發腦活動檢測的敏感性和特異性[7]。本研究擬采用rs-fMRI技術及fALFF分析方法，分析SD后健康成人局部腦區活動及持續性注意力的變化情況，揭示SD導致持續性注意力降低的神經影像機制。

材料與方法

1.研究對象

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。納入標準：①右利手；②18～30歲；③智力水平正常；④體內無金屬植入物，無磁共振掃描禁忌證。排除標準：①有酒精或藥物濫用史；②有神經系統或精神疾病史；③曾經或目前患嚴重心、腦、肝、腎疾病及其它嚴重軀體疾病；④有睡眠障礙；⑤有幽閉恐懼癥；⑥絕對“清晨型”或者絕對“夜晚型”(使用中文版清晨型/夜晚型量表[8]評估每例志愿者的睡眠習慣)。要求每例志愿者在磁共振掃描前的1周內不能攝取任何含有咖啡因或酒精的刺激性飲料。睡眠日記結果顯示本組被試的平均入睡時間為22點29分±17分，早上起床時間為6點27分±11分，夜間持續睡眠時間為7小時57分±21分。此外，所有研究對象的匹茲堡睡眠質量指數(Pittsburgh sleep quality index, PSQI)得分小于5分，表明睡眠質量良好。

本研究經本院臨床試驗倫理委員會批準。實驗前向每例志愿者詳細說明研究目的、方法及注意事項，所有志愿者均為自愿參加并簽署知情同意書。

2.實驗流程

研究期間每例研究對象需到訪實驗室3次，主要的實驗流程(圖1)：第1次到訪的主要內容為了解研究目的并簽署知情同意書，每例研究對象領取一塊腕表，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(rest wakefulness, RW)和SD后進行MRI掃描。為保證研究結果不受節律信號的影響，磁共振掃描的時間均為早上8點。為防止SD持續效應的干擾，每例研究對象兩次MRI掃描的間隔時間為1周，掃描的先后順序采用偽隨機的實驗設計，以盡量減少掃描順序對實驗結果的影響[9]。

SD過程從第一天的早上8點整開始至第二天早上8點整結束。每例研究對象在SD實驗的第一天，先進行正常的工作和學習，但中午不能午休(研究人員通過檢查研究對象腕表記錄的活動情況來確認)。每例研究對象于18點抵達實驗室，至第二天早上MRI掃描結束后離開實驗室。在此期間要求研究對象必須一直保持清醒狀態，可以進行看書、上網等活動，但是不能進行劇烈活動。餐飲食物由實驗室統一提供，但 22點后不再提供夜宵。整個SD過程由兩名研究人員共同監視，避免研究對象入睡。對于RW，要求研究對象MRI掃描當天早上7點40前抵達實驗室。

3.行為學數據采集

所有研究對象在MRI掃描之前進行10 min的精神運動警覺性任務(psychomotor vigilance test,PVT)[10]。PVT通過E-prime 3.0軟件呈現，研究對象端坐在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的隨機時間間隔內，電腦屏幕中心會出現一個紅點，要求研究對象觀察屏幕并在紅點出現時迅速按壓鍵盤的空格鍵(即作出反應)，記錄其反應時間(圖2)。將反應時間大于500 ms的試次定義為注意力脫漏(attention lapses，AL)，記錄每例研究對象兩次實驗中的AL數量并將兩次數量的差值(ALSD-ALRW)作為評估持續性注意力損傷的指標[11-12]。本研究PVT任務中紅點出現次數的均值為54.68±2.49。

圖2 PVT任務示意圖。

4.MRI數據采集和后處理

使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀和8通道頭線圈進行磁共振掃描。掃描時要求研究對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。使用棉墊及膠帶將研究對象頭部固定以減少頭動。每次掃描時通過麥克風提醒研究對象保持清醒，掃描結束后詢問研究對象在掃描過程中是否保持清醒、有無睡著，同時記錄心率及呼吸頻率等數據。掃描序列和參數如下。矢狀面3D Bravo T1WI(結構像)掃描參數：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，總掃描時間6 min 17 s；靜息態fMRI橫軸面掃描參數：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，翻轉角90°，層數45，矩陣128×128，210個時間點共采集9450幀圖像，總掃描時間7.0 min。

由同一位高年資放射科醫師MRI圖像質量進行評價，并確保所有研究對象的腦部無器質性病變。首先，使用基于Matlab 2016b和SPM12的腦影像標準化計算平臺(DPABI_V4.5)對MRI數據進行圖像預處理[13]。具體步驟：①手動去除前10個時間點的圖像；②時間校正；③頭動校正，排除MRI掃描中頭動大于1 mm(橫移)和/或旋轉角度大于1°的數據。為了進一步減少微小頭動對fALFF測量結果的影響，我們采用了更高級別的Friston-24模型對微小頭動效應進行回歸處理(24個參數，包括每個時間點的6個頭動參數，相應時間點之前一個時間點的6個頭動參數以及上述12個頭動參數對應的平方項)；④空間標準化，與T1WI(結構像)聯合配準；⑤采用4 mm半高全寬的高斯核進行平滑處理；⑥去線性漂移。然后將每個體素的時間序列轉換成頻率域，計算0.01～0.08 Hz頻段的功率譜，接著對功率譜數據進行開方，得到ALFF值，再將各個頻段的ALFF值相加獲得全頻段總和值，每個體素的ALFF值除以全頻段ALFF總和值即得到fALFF值[7]。

5.統計學分析

使用IBM SPSS 23.0軟件對數據進行統計分析。所有AL的數量以均數±標準差表示，采用配對樣本的Wilcoxon符號秩檢驗對RW后和SD后的AL值進行比較，以P<0.05為差異有統計學意義。

影像學數據的統計分析共3步：第一步，使用DPABI軟件對RW和SD后腦組織內fALFF的空間分布情況進行單樣本t檢驗，體素水平采用錯誤檢出率(false discovery rate,FDR)檢驗，檢驗水準α=0.05；在簇(cluster)水平使用AlphaSim多重比較進行校正，設置P<0.05且體素閾值>54個為結果具有統計學意義。第二步，使用DPABI軟件對RW和SD后腦組織的fALFF變化進行配對t檢驗，同樣在體素水平采用FDR檢驗，以P<0.05為差異具有統計學意義；在簇水平使用AlphaSim多重比較進行校正，設置P<0.05且體素閾值>54個為結果具有統計學意義。第三步，將第二步得到的有差異腦區的fALFF值提取出來，計算SD后與RW后fALFF的差值，采用Bonferroni多重校正方法，與ALSD-ALRW進行皮爾遜相關性分析，以P<0.05為差異有統計學意義。對各腦區的定位和描述統一使用大腦自動解剖標記(anatomical automatic labeling，AAL)圖譜進行命名[14]。

結 果

在對所有研究對象的MRI數據進行頭動校正后發現，4例(男1例，女3例)研究對象的MRI數據因頭動大于1 mm(橫移)和/或旋轉角度大于1°而被剔除。后續研究基于50例研究對象的數據進行分析，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計學意義(t=-0.263，P=0.794)。

行為學檢查結果：RW后執行PVT任務的平均AL數量為(1.18±1.47)次，SD后平均AL次數為(7.82±6.36)次，兩次測試中AL次數的差值(ALSD-ALRW)為6.64±5.87，兩次測試之間AL次數的差異有顯著統計學意義(Z=-6.104，P<0.001)，表明SD后持續性注意力水平明顯下降。但男性組與女性組之間AL次數的差異無統計學意義(t=1.427，P=0.16)。

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

不同睡眠狀態下腦組織fALFF分析結果：對RW及SD后的腦組織fALFF數據進行單樣本t檢驗，兩種狀態下大腦自發活動模式相似，均表現為灰質區fALFF較高，白質區域fALFF較低。fALFF較高的腦區包括額葉、頂葉、枕葉和顳葉等新皮層區域，fALFF較低的腦區包括丘腦、尾狀核、殼核和蒼白球等皮層下灰質區域(圖3)。

SD后fALFF分析結果：配對t檢驗結果顯示，SD對不同腦區fALFF存在顯著影響。與RW后相比，既有fALFF顯著升高的腦區，也有顯著降低的腦區；顯著升高的腦區包括左側丘腦、左側顳中回、右側中央后回、右側腦干，其中以左側丘腦的改變最為顯著；fALFF顯著降低的腦區包括右側額中回、右背外側額上回、右側小腦、右側角回、右側楔前葉、右側顳下回、右側眶部額中回、左側角回合左側小腦等區域(表1，圖4)。

表1 SD與RW比較fALFF值顯著變化的腦區

4.相關性分析

相關性分析結果顯示(圖5)：SD和RW后左側顳中回fALFF的差值與AL次數的差值(ALSD-ALRW)之間呈正相關(r=0.34，P=0.01)；右背外側額上回fALFF的差值與AL數量的差值(ALSD-ALRW)之間呈負相關(r=-0.32，P=0.02)；其它腦區fALFF的差值與AL數量的差值之間無顯著相關性(P>0.05)。

討 論

本研究采用自身前后對照試驗設計，運用rs-fMRI技術探討SD對全腦fALFF的影響及fALFF與持續性注意力水平的相關性。行為學檢測結果發現，與清醒狀態相比，SD嚴重影響持續性注意力水平，表現為AL數量的顯著增加；腦MRI結果顯示，SD后額頂區域的fALFF顯著下降，丘腦等皮層下灰質區域的fALFF顯著上升；進一步的相關性分析結果表明，背外側額上回及顳中回fALFF的變化與AL數量的差值直接具有顯著相關性。

持續性注意力指在持續的一段時間內，個體保持穩定警覺水平的能力，是進行高級認知功能的基礎[15]。AL是衡量注意力穩定性的一個非常敏感的指標，我們發現SD后持續性注意力AL數量顯著增加，表明SD對持續性注意力的影響除了減弱平均反應速度以外，另一個影響是顯著增加了認知表現的不穩定性。

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

圖5 相關性分析散點圖。a)SD和RW后左側顳中回fALFF差值與AL次數的差值之間呈正相關；b)SD和RW后右背外側額上fALFF差值與AL次數的差值之間呈負相關。

近年來有大量研究表明SD引起注意力、記憶及執行功能等行為學改變可能與特殊腦功能區變化有關[16-18]。本組結果顯示：相對于RW，SD后fALFF顯著降低的腦區主要有額中回、背外側額上回、角回和顳下回；而fALFF顯著升高的腦區主要為丘腦及腦干。基于上述結果，筆者認為SD對人腦的主要影響為負責高級認知功能的額頂網絡區域受SD影響較大，而丘腦等負責覺醒水平的皮層下區域可能通過增強自發活動水平，以一種補償機制來保證注意力水平。

丘腦與睡眠和覺醒控制等意識的維持機制有關[19]。已有來自損傷、藥理學和遺傳學等多方面研究的實驗證據表明丘腦在睡眠-覺醒狀態維持的多個方面發揮作用[20]。本研究結果顯示丘腦在SD后fALFF顯著升高，在一定程度上驗證了丘腦在睡眠覺醒狀態及注意力水平的維持上發揮重要作用。

本研究的相關分析結果發現，SD后左側顳中回fALFF的變化與AL數量的差值呈正相關，右背外側額上回fALFF的變化與AL數量的差值呈負相關。顳葉是大腦中多種感知覺信息早期加工的主要腦區，其中顳中回又是視聽覺信息的整合處理中樞，有研究認為顳中回等區域在SD之后活動程度的變化是個體在持續覺醒的條件下維持清醒和警覺的需要[21-23]，本研究結果提示SD后顳中回區域的局部自發活動水平的下降會導致PVT任務AL數量的增加，也就是個體注意力的穩定性水平下降。注意力受自上而下(top-down)的認知因素和自下而上(bottom-up)的感覺因素的影響[24]，作為大腦中負責認知控制功能的核心腦區，背外側前額葉是注意力自上而下調控的重要區域。最近一項研究發現SD后背外側前額葉的葡萄糖代謝水平顯著下降，并且與PVT任務的平均反應時呈顯著相關[25]。這與本研究的結果基本一致，提示SD之后背外側前額葉局部神經元整合能力出現了下降，這可能是導致SD之后高級認知等能力下降的重要原因，SD后機體需要募集更多的與高級認知功能相關的特異性腦區參與完成一系列的功能活動，使機體保持警覺狀態并完成認知任務。本研究主要存在以下3點不足：首先，在研究對象的選取上以高校大學生為主，年齡在19～26歲，年齡偏小，具有一定的選擇偏倚；其次，在研究對象的睡眠質量評價上僅使用了睡眠日記，缺少相關睡眠儀器的使用，如腦電圖檢測等，進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數據，未進行多時間點的數據采集，不能進行動態觀察，另外，在今后的研究中也會考慮延長SD的時間來觀察后續變化。

綜上所述，本研究結果顯示短期睡眠剝奪后健康成人的持續性注意力顯著下降，PVT任務AL數量顯著增加。進一步研究發現SD后代表自發活動水平的fALFF有顯著變化，主要表現為額頂網絡區域的下降以及丘腦覺醒區域的增加，并且背外側額上回與顳中回fALFF指標的差值與反映持續性注意力水平的PVT任務中AL次數的差值之間具有顯著相關性，可能是SD后持續性注意力下降的重要神經機制。