睡眠潜伏期中生物钟作用时效的测量方法

李清华 谢水清 中南民族大学生物医学工程学院脑认知科学实验室 (武汉 430074)

0 引言

失眠是指长期存在的入睡困难，并且白天感觉精神和体力没有得到恢复，感到身心疲惫[1]。失眠最常见的是睡眠抱怨，影响着大约30～40%的成年人[2～4]，且研究发现在1～2%的普通人群和12～15%睡眠疾病中心的病人中，失眠是导致抑郁症的一个已知的、独立的危险因素[5]。

尽管失眠广泛流行，且严重损害白天工作的效率，甚至可能导致严重的后果，但是，失眠常常没有得到有效地治疗。即使在那些接受了治疗的失眠者中，大多数是接受的药物治疗[6]，并认为药物治疗失眠是最有效的[7]。然而，药物的效应是双向的，它在解除失眠的同时，往往也削弱了白天正常工作学习的效率，且经常服用不利于健康。因此，非药物治疗失眠是一个很好的选择。

失眠大多数都是因不能抑制延绵不断的思绪而无法入睡。延绵不断的思绪，如不愉快的想法、对睡眠质量的担忧等等，被称为“失控的认知活动”[8～10]。抑制失控的认知活动，成为解除失眠的关键。

当前，非药物治疗失眠中，被认为比较有效的方法是认知行为治疗(Cognitive behavior therapy )。这种方法实际上是多种方法的综合，包括刺激控制(stimuluscontrol)(只有当困倦的时候才上床睡觉)、 睡眠限制(sleep restriction)(估计平均每晚睡眠的时间，并限制躺在床上的时间，使其与估计的时间大致相等)、睡眠保健(sleep hygiene)(教失眠者怎么干预睡眠)、放松(relaxation)、认知重建(cognitive restructuring)(改变关于睡眠的失去理性的信念)、似是而非的意图(paradoxical intention)(明确告知失眠者上床睡觉时努力保持清醒)或者想象训练(imagery training)(例如，在大脑中想象一个普通物体的形状、颜色、运动和质感)[11～12]。这些方法本质上都是减少失控认知活动的发生，或者通过自主进行的认知活动与失控认知活动相互作用，转移失控认知活动占用的脑注意资源，中断失控的认知活动来解除失眠[13]。虽然认知行为治疗失眠已经取得了很大进展，然而实际治疗效果并非理想，这种方法没有为失眠者提供最有效的心理治疗[12]，甚至对于不同的失眠者差异很大[14]。

通过分析认知行为治疗失眠的方法，存在三个问题：一是通过自身进行的认知活动来抑制失控的认知活动，虽然为抑制失控认知活动提供了依据，但却没有为维持注意转移、阻止失控状态的反弹提供指导，也无法避免自身进行的认知活动转化为新的失控认知活动。二是忽视了在抑制失控认知活动的同时，人体生物钟的作用，且自身进行的认知活动本身就干扰了生物钟的作用。失控认知活动实际上打断了生物钟的作用时间，导致人无法入睡。抑制失控认知活动的目的就在于满足生物钟的作用时间，使其不被有害认知活动干扰。众所周知的一种现象是猝睡现象，这种现象表明，即使十分困倦，只要处于静息的时间很短，脑也不会从觉醒状态进入睡眠状态；但是，静息的时间一旦超过一定长度，脑将瞬间进入睡眠状态，例如，在繁忙的十字路口等待绿灯放行时，长途跋涉的汽车司机常常会睡着。三是这种方法无法给出使人入睡需要抑制失控认知活动的时间长度。

因此，我们认为要控制从觉醒状态(认知-反应水平高)向睡眠状态(认知-反应水平低)转化，必须用外部间歇式的刺激，来替代积极连续自主进行的认知活动，并适当调整外部刺激的特性，抑制失控认知活动来满足生物钟作用的时间(即，在这段时间中，无认知活动发生)，我们把生物钟作用的这种特性，简称为生物钟作用时效；更重要的是测量出生物钟作用时效，并用测量的结果调整外部刺激间隔，就能更好地促进向睡眠方向发展。本文设计了三组实验来测量生物钟作用时效，并验证以上的设想，所有实验被试者一样，用以对比。

1 实验方法

1.1 被试者

我校16名研究生，其中男14例，女2例，年龄23～28岁。根据匹兹堡睡眠质量指数(Pittsburgh sleep quality index,PSQI)测量，他们的PSQI值均小于7，属于睡眠正常。

1.2 实验设备

实验采用的设备为自主研发的便携式睡眠监控仪。该仪器由4个主要部分组成。这4个部分分别为产生声音刺激的蜂鸣器、采集被试动作反应的加速度传感器、负责计算分析的主控单位以及数据存储单位。其中主控单位根据加速度传感器获取的被试反应，存储数据，分析出被试状态，然后给出相应的声音刺激。

1.3 实验程序

为测量出人在真实睡眠环境下的生物钟作用时间，睡眠仪由被试者带回自己的宿舍，并在晚上睡觉时戴上。实验时，仪器戴在食指上。仪器开机之后，会通过蜂鸣器向人体提供两种声音刺激。一种为“短声音”，声音时间长度为200ms,此声音刺激不需要人体作出反应，我们称之为非目标刺激；另一种为“长声音”，声音时间长度为500ms，此声音刺激要求人体作出反应，我们称之为目标刺激。两种声音刺激的时间长度差别比较明显，使人在睡觉时能容易地辨别目标刺激和非目标刺激，且将声音强度调整到人在清醒状态下，刚好能听到声音。当听到目标刺激时，戴仪器的食指轻轻动一下。

1.4 实验刺激物及呈现方式

1.4.1 实验1刺激物及呈现方式

睡眠仪只向被试者提供目标刺激，且刺激间隔为随机产生的6～25s之间。因为只有一种声音刺激，不需要辨别不同的声音刺激。为了减少声音对人睡眠的干扰，将目标刺激的声音时间长度调整为200ms。当人体对连续6次刺激未做出反应，则关机。

1.4.2 实验2刺激物及呈现方式

睡眠仪提供的声音刺激同实验1相比，只是将刺激间隔调整为随机产生的16到35s之间。

1.4.3 实验3刺激物及呈现方式

睡眠仪向人体提供的声音刺激同实验2相比，增加了非目标刺激，且非目标刺激声音时间长度为200ms，目标刺激声音的时间长度为500ms。目标刺激和非目标刺激等概率出现。

1.5 实验数据处理

睡眠仪的数据存储单位存储的实验数据包括提供声音刺激的时刻、刺激类型、人的反应时间和反应正误。如果反应时间超过2s，则认为没有对刺激做出反应。

对实验数据进行分析时，首现将数据绘制成图形。图形以时间为横坐标，人的反应时间为纵坐标。其中对目标刺激的反应绘制成黑点，对非目标刺激的反应绘制成叉。为了更直观地观察人对刺激反应的快慢，我们做了这样的处理：反应时间越长(反应慢)，点就越靠近横坐标；反应时间越短(反应快)，点就越远离横坐标。

实验1的数据图形如图1所示。

图1 实验1的数据图形

实验2的数据图形与实验1相似。如图2

图2 实验2的数据图形

实验3增加了非目标刺激，其数据图形如图3。

图3 实验3的数据图形

2 结果

2.1 生物钟作用时效统计

生物钟作用时效的测量方法是通过睡眠仪存储单位存储的实验数据，找到被试者在睡着前最后一次对目标刺激作出反应的时刻，以及睡着(关机前，连续6次对目标刺激失去反应，其中第一次未反应的时刻)的时刻，计算它们的时间差，这个差值就是我们需要测量的生物钟作用时效。实验1中，测得的生物钟作用时效平均值为18.67±2.24s，最大值为22s，最小值为16s。实验2中，测得的生物钟作用时效平均值为25±6.54s，最大值为33s，最小值为16s。

实验1测得的生物钟作用时效数据统计如下表所示：

被试者编号性别匹兹堡睡眠质量指数生物钟作用时效(男:M 女:F)(PSQI)(单位：分)(单位：秒)2 M 4 16 5 M 4 20 6 M 5 17 7 M 5 17 9 M 4 21 10 M 4 16 11 M 6 22 12 M 4 20 15 F 5 19均值(X±s) 4.56±0.73 18.67±2.24

实验2测得的生物钟作用时效数据统计如下表所示：

被试者编号性别匹兹堡睡眠质量指数生物钟作用时(PSQI)(单位：分)(男:M 女:F)效(单位：秒)1 M 5 30 2 M 4 25 3 M 4 31 5 M 4 19 6 M 5 16 7 M 5 20 9 M 4 33 10 M 4 29 11 M 6 32 12 M 4 18 13 M 5 17 15 F 5 30均值(X±s) 4.58±0.67 25±6.54

2.2 睡眠潜伏期统计

睡眠潜伏期是指开始睡觉到睡着所经历的时间。它的测量方法是根据睡眠仪存储的实验数据，找到实验开始的时刻和睡着的时刻，这两个时间差就是我们要测量的睡眠潜伏期的值。实验1中,有9名被试者在30min以内睡着，另外7名，由于在超过30min以后还不能睡着，结束实验。睡眠潜伏期的平均值为25.6±4.19min，最大值为30.2min，最小值为19.1min。实验2中，有12名被试者在30min以内睡着。睡眠潜伏期的平均值为19.73±4.66min，最大值为27.47min，最小值为11.42min。实验3，有14名被试者在30min以内睡着。睡眠潜伏期的平均值为18.24±6.24min，最大值28.47min，最小值10.2min。

实验1测得的睡眠潜伏期数据统计如下表所示。

被试者编号性别匹兹堡睡眠质量指数生物钟作用时(PSQI)(单位：分)( 男:M 女:F)效(单位：秒)2 M 4 30.18 5 M 4 30.2 6 M 5 23.47 7 M 5 20.8 9 M 4 22.58 10 M 4 28.5 11 M 6 19.1 12 M 4 26.83 15 F 5 28.72均值(X±s) 4.56±0.73 25.6±4.19

实验2测得的睡眠潜伏期数据统计如下表所示。

被试者编号性别匹兹堡睡眠质量指数生物钟作用时效(单位：秒)1 M 5 22.2(男:M 女:F)(PSQI)(单位：分)M 2 4 15.55 3 M 4 27.47 5 M 4 11.42 6 M 5 18.28 7 M 5 24.15 9 M 4 17.72 10 M 4 19.78 11 M 6 16.43 12 M 4 16.05 13 M 5 24.95 15 F 5 22.73均值(X±s) 4.58±0.67 19.73±4.66

实验3测得的睡眠潜伏期数据统计如下表所示。

3 讨论

3.1 生物钟作用时效测量的误差分析

被试者编号性别匹兹堡睡眠质量指数生物钟作用时效 (单位：秒)1 M 5 16.58 2 M 4 27.13( 男:M 女:F)(PSQI)(单位：分)3 M 4 10.2 4 M 6 14.55 5 M 4 10.8 6 M 5 28.47 7 M 5 20.37 M 9 4 11.08 10 M 4 15.3 11 M 6 13.42 12 M 4 17.5 13 M 5 20.75 14 M 6 26.9 15 F 5 22.35均值(X±s) 4.79±0.8 18.24±6.24

实验1与实验2测得的生物钟作用时效有较大的差别，其原因是它们的刺激间隔不同。假设在上次目标刺激发生后16s，被试者刚好睡着，而本次目标刺激却在16s之后才出现，那么测得的生物钟作用时效就会大于16s，因此就会产生误差。目标刺激间隔越大，误差就越大。实验1测得的生物钟作用时效是最精确的，却对睡眠的干扰是最大的。实验3加入了非目标刺激，因为两次目标刺激中间可能存在若干个非目标刺激，无法准确测量生物钟作用时效。

3.2 缩短入睡潜伏期比较

实验1只有目标刺激，由此被试者无需对目标和非目标进行识别，这会减少脑的认知信息处理，即将人脑的意识活动降低，突出了生物钟的作用。但是，另一方面，由于机控的脑的认知信息处理的减少，不能有效地转移注意力，且刺激间隔比较短，不能满足生物钟作用时间的要求。实验仅有一半人能睡着，对睡眠干扰较大，不能有效地缩短入睡潜伏期。

实验2仍然只有目标刺激，根据实验1的结果，将刺激间隔范围调整到16到35s。与实验1相比，刺激间隔变长了，满足了生物钟作用时间的要求。但是，只有目标刺激，被试者不用对目标和非目标刺激进行辨别，无法有效地中断原来的失控认知活动，生物钟也就不能完全起作用。因此，对于存在失控认知活动的被试者，仍然不能满足生物钟作用时间。

实验3不仅有目标刺激，还增加了非目标刺激，这就要求被试者对刺激进行辨别，可有效中断原来的失控认知活动；刺激间隔16到35s，能满足生物钟作用的时间，有很好的实验效果，能有效缩短入睡潜伏期。

本文仅对一般人群睡眠的生物钟作用时间进行了测量，尚未对失眠者进行类似的测量，以后的研究应测量更多的失眠者。此外，睡眠仪器还不够智能，未来的睡眠仪应具有分析判断人睡眠时大脑的不同状态，并根据不同的状态，智能地调整刺激。

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