夜班環境中睡眠剝奪對成年人認知表現的影響

宋艷平, 覃 偉, 呂芯芮, 王子堯, 黨衛民, 陳志忠, 劉寶花,董問天

睡眠對于保持良好的精神狀態和身體健康至關重要，睡眠充足的成年人認知表現更佳，比如思維敏捷、注意力集中，并具有良好的記憶力[1]。但是，醫院、航空等服務行業由于工作的特殊性，常采取輪班制工作。調查顯示，發達國家中約21%的勞動人口從事輪班工作，此類從業人員存在不同程度的睡眠剝奪[2]。輪班工作人員的輪班工作通常與晝夜節律紊亂有關，輪班工作中的夜班須在夜間進行，與晝夜節律之間的沖突通常會導致認知能力下降[3]，甚至降低工作效率，增加工作中的失誤和事故風險；因而困倦、判斷力不佳成為造成夜班工作場所事故的主要原因[4]。既往有人研究睡眠剝奪對認知能力的影響，但是多為動物實驗，且國內相關研究較少。該研究模擬輪班環境，以探究夜班中的睡眠剝奪對輪班工作人員的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗對象通過網絡招募北京高校學生為試驗對象，試驗開始前獲得了北京大學第六醫院倫理委員會的批準，并獲得了試驗對象的書面知情同意。試驗時間為2019年6月24日—2019年7月31日。試驗對象均符合以下標準：① 年齡：18～50歲；② 心理篩查(明尼蘇達多相人格量表和抑郁自評量表)測試未見異常；③ 既往無影響認知功能的器質性疾病病史(包括腦血管疾病、顱內腫瘤、癲癇等病史)；④ 既往無神經或精神系統疾病(包括焦慮、抑郁、失眠、特殊恐怖癥、神經衰弱、酒精及藥物依賴等)；⑤ 近半年內未服用助眠藥物(包括地西泮、硝西泮等)。

1.2 試驗設計試驗對象在北京大學第六醫院醫生辦公室模擬輪班工作，模擬四天制的輪班工作周期，即1個白班結束后，接1個夜班，然后休息2 d，每次夜班持續9 h；本研究進行1個周期的研究。辦公室是光線和溫度受控的環境，光線照度為300 lux，環境溫度維持在(25±1)℃。因為本文旨在研究輪班期間睡眠剝奪對認知表現的影響，因此所有評估測試均在夜班期間進行。

試驗采用重復測量設計，試驗對象在夜班期間完成認知表現測試，包括持續注意力測試(continuous performance test, CPT)和數字廣度測試 (digit span test, DST)(測試時間分別為22∶00、02∶00、07∶00)，以及卡羅林斯卡嗜睡量表自評 (Karolinska sleepiness scale, KSS) (測試時間分別為22∶00、02∶00、04∶00、06∶00、07∶00)，每個測試開始前均有標準化測試說明。

此外，要求試驗對象從上班前的4 h到下班結束期間，避免食用含咖啡因、尼古丁、酒精的食物或飲料，同時避免在夜班前及夜班期間打盹。試驗對象在試驗期間自行完成日常工作，對內容不做要求。

1.3 持續注意力CPT應用于在一段時間內持續注意力的定量評估，是目前具有足夠可靠性指標的標準化計算機測試，有學者使用該測試評價輪班制人群的注意力[5]。該研究中該測試在手機上操作，屏幕上會顯示150個數字，其中20%為目標數字，當目標數字出現，要求研究對象要求點擊屏幕，當研究對象點擊目標數字時，計為正確數量，點擊非目標數字時，計為錯誤數量，未點擊目標數字時，計為錯失數量。每個數字出現時間為150 ms，數字之間的時間間隔為550 ms。在該測試中，評價指標為正確數量、錯誤數量、錯失數量和反應時間。在夜班開始、中間以及結束時行進該測試。

1.4 工作記憶DST不僅有助于評估注意力表現，還可以評估短期記憶，該測試包括正序測試和倒序測試。DST在晝夜節律紊亂人群中應用較多，有關住院醫師的輪班工作研究表明[6]，夜間輪班后記憶、執行力下降，DST能夠有效評價工作記憶表現。研究對象在聽完一組隨機數字后，將其用正序和倒序重復，直到不能正確復述為止，以正確的最高數字位數記分。例如，如果受試者正確地正序復述5位數字序列，但是在復述6位數時失敗，則將在正序測試中得到5分，以得分主要評價受試者的聽覺語言工作記憶和執行功能。在夜班開始、中間以及結束時行進該測試。

1.5 卡羅林斯卡嗜睡量表對于警覺性的研究，應用比較廣泛的是KSS，其有效性已經得到了主客觀指標的驗證，KSS與腦電圖及精神運動警戒任務(psychomotor vigilance task，PVT)結果的高度相關性表明其是方便可靠的評估工具，與其他主觀嗜睡量表的高度相關結果則證明KSS有很大的信效度[7]。KSS是一種主觀的嗜睡指標，通常用于評估受試者的嗜睡狀態，在輪班制人群的研究中得到了廣泛應用。KSS評分包括：1=非常警覺，3=警覺，5=既不警覺也不困，7=困(可以保持清醒)，9=非常困(努力保持清醒)。在夜班期間，每2 h測試1次。

1.6 統計學處理采用SPSS 24.0統計軟件對所有數據進行處理，分類變量使用頻數及構成比表示(性別)，數值變量符合正態分布以表示，不符合正態分布用中位數及四分位數[M(P25,P75)]描述。使用單因素重復測量方差分析比較測試結果，以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 基本情況本文最終共納入48例試驗對象。其中，男性33例(68.75%)，女性15例(31.25%)。年齡分布在20～45歲，平均年齡25.75歲，教育水平以碩士研究生以上為主，占比50.08%。

2.2 持續注意力試驗對象的持續注意力表現如表1所示，夜班工作對正確數量的影響具有統計學意義[F(2,90)=4.16，P=0.02]，夜班開始、中段及結束時測試的正確數量分別為24.41個、25.17個及22.89個，不同時間的正確數量存在差異，相較夜班中段時，夜班結束時減少了2.28個(95%CI：0.78～3.78)。夜班工作對錯誤數量的影響具有統計學意義[F(1.67,74.96)=4.36，P=0.02]，夜班期間錯誤數量分別為4.26個、4.07個及5.87個，相較夜班開始時，夜班結束時增加1.61個(95%CI：-0.06～-3.16)。夜班工作對錯失數量的影響具有統計學意義[F(1.45,65.14)=9.40，P<0.01]，夜班期間錯失數量分別為5.35個、4.30個及7.11個，相較夜班開始時，結束夜班時錯失數量增加1.76個(95%CI：-0.09～-3.43)。夜班工作對反應時間的影響具有統計學意義[F(2,90)=30.74，P<0.01]，夜班期間各時點的反應時間分別為390.98、409.21及422.62 ms，相較夜班開始時，夜班中段的反應時間增加18.23 ms(95%CI：-10.09～-26.37)，夜班結束時增加31.64 ms(95%CI：-23.13～-40.14)。見表1、圖1。

表1 CPT及DST的重復測量方差分析結果

圖1 持續注意力表現A:正確數量平均數; B:錯誤數量平均數; C:錯失數量平均數; D:反應時間平均數

2.3 工作記憶試驗結果顯示，夜間工作對工作記憶表現總分的影響差異無統計學意義[F(2,94)=1.28，P=0.28]，夜班期間的總分分別為26.27、27.02及26.64。對正序得分[F(1.76,82.52)=1.48，P=0.24]及倒序得分[F(1.45,68.25)=1.19，P=0.30]的影響差異無統計學意義，夜班期間正序得分分別為13.88、14.40及14.21，倒序得分分別為12.40、12.68及13.21。見圖2。

圖2 工作記憶及警覺性表現A:DST總分平均數；B:DST正序得分平均數；C:DST倒序得分平均數； D:KSS評分平均數

2.4 警覺性由表2可知，夜班工作對KSS評分有顯著影響[F(3.34，157.11)=60.32，P<0.01]，夜班期間各個時間點的KSS評分差異具有統計學意義，相較夜班開始時，KSS評分均有所增加，0 ∶00時增加了0.52(95%CI：-0.91～-0.13)，2 ∶00時增加了1.83(95%CI：-1.33～-2.33)，4 ∶00時增加了3.41(95%CI：-2.87～-3.97)，6 ∶00時增加了3.50(95%CI：-2.80～-4.20)，7 ∶00時增加了3.52(95%CI：-2.83～-3.65)。

表2 警覺性的重復測量方差分析結果

3 討論

該試驗結果顯示，夜班工作對注意力表現有顯著影響，試驗對象在夜班后注意力表現較差。與夜班開始時相比，試驗對象在夜班結束時出現更多的持續注意力測試錯誤情況、反應時間明顯增加，表明夜班后，其持續注意力能力明顯下降，這與Franzen et al[8]的結果一致，隨著睡眠剝奪時間的延長，認知表現會受到更為明顯的影響。結果還顯示，與夜班開始相比，睡眠剝奪明顯增加了試驗對象的反應時間，與以往研究[9]一致。反應時間的增加反映了相關腦區的活動狀態變化，有研究發現睡眠剝奪會導致海馬、中央后回等區域活動減弱[10]，提示存在腦區代謝率下降，同時葡萄糖顯著減少，進而影響機體的注意力等認知表現[11]。因此，腦區相關的活動減弱可能是導致認知表現下降的潛在機制。此外，認知能力下降可能與晝夜節律紊亂有關，工作時間表與晝夜節律產生沖突，難以維持正常的認知表現。

工作記憶表現結果未發現明顯差異，短暫的睡眠剝奪尚未對試驗對象的工作記憶產生顯著影響，與國外以往研究結果一致[12]，部分和完全睡眠剝奪對視覺工作記憶沒有影響。但是，Quigley et al[13]研究表明，睡眠剝奪會使反映復雜任務功能的工作記憶測試表現下降。工作記憶對于學習和工作很重要，因此在今后的研究中，有必要補充其他工作記憶測試，進一步明確夜班期間睡眠剝奪的影響。

該研究同時發現，夜班環境下的睡眠剝奪會增加試驗對象的疲倦程度，降低警覺性。以往使用客觀或主觀嗜睡測量方法的研究均表明，睡眠剝奪會降低警覺性[14]。睡眠覺醒節律與褪黑激素節律相似，會隨著光照條件改變而變化，在夜間，褪黑激素增加會導致嗜睡感增強[15]，由于夜班工作改變了睡眠習慣，在夜班期間褪黑激素分泌增加，增加嗜睡感，因此在夜班期間，警覺性會隨著時間而下降，夜班工作也會因嚴重的困倦而容易引發事故。

該研究存在著以下不足。首先，模擬夜班環境與真正的夜班環境有所差別，雖然真實的夜班工作人員(如保安、護士)結果更為可靠，但是因為研究對象的招募等問題導致可操作性較差，使得前期在保安及護士人群的預試驗難以進行，因此，本研究通過采取各種質量控制手段進行了模擬夜班試驗。其次，因為同樣的原因，選取的研究對象為健康且睡眠良好的大學生，效果可能與真實的輪班工作人群存在偏差，但是結果顯示，模擬夜班表現與真實環境相似，均有持續注意力、警覺性表現的不良影響。最后，由于場地有限、監督工作人員較少等客觀條件的限制，僅研究了一個夜班周期，時間較短，使得對工作記憶的影響尚未顯現，未來的研究仍需在真實的工作環境下研究輪班工作的影響。

該文結果證實了睡眠剝奪對認知表現的影響，夜間工作時間表和晝夜節律之間的沖突會影響夜班期間的認知表現，包括持續注意力水平降低、警覺性減弱。睡眠剝奪后，反應時間明顯變慢，警惕性降低，這表明機體無法對刺激及時做出快速反應。因此有必要對輪班制人群制定有效的措施加以干預，維持正常的認知表現能力，減少事故發生，降低風險。