睡眠剥夺对视觉短时记忆的脑电信息传输影响研究

李宁+张九妹+刘锡禹

[摘 要] 目的：睡眠剥夺（SD）影响脑电波，基于脑电方法研究SD对视觉刺激下的认知的影响，建立一条评价大脑功能状态受到的影响的途径，探索睡眠对认知的作用机制。方法：在正常状态下和一夜睡眠剥夺状态下，分别对10名受试者进行视觉短时记忆测试，记录其多导诱发脑电。通过计算各导联之间的互相干程度，研究SD对大脑功能区域的同步化交互联系作用。

结果： SD造成了大脑各功能区之间的关联程度下降，对大脑半球额叶间的关联影响较大。结论：从脑电信号分析，睡眠剥夺对视觉短时记忆损害主要体现在对额叶影响上，引起记忆编码阶段功能的降低。

[关键词] 睡眠剥夺；脑电；互相干；记忆

中图分类号：R741.02 B842 文献标识码：A 文章编号：2055-5200（2014）01-005-04

Doi：10.11876/mimt201401002

Research of EEG Features Induced by the Effects of Sleep Deprivation on Vision Shortterm Memory LI Ning1，ZHANG Jiu-mei1，LIU Xi-yu2. （1. Ningxia Peoples Hospital， Yinchuan， 750001；2. Neusoft Corporation， Shenyang 110179）

[Abstract] Objective：Sleep deprivation （SD） affects electroencephalography （EEG）， by studying its effect on visual cognition based on EEG， we tried to establish a way to evaluate this kind of effect， and to investigate the mechanism underlying sleep regulation. Method： We finished experiments under two states including normal state and one nights sleep deprived state. Evoked related potential of 10 volunteers were recorded during the visual short-term memory tests. By calculating cross coherence between leads， we studied the synchronous communication between cerebral cortex areas. Result： SD caused a decline of correlation between each functional area of brain， especially on the frontal lobes. Conclusion： By the analysis of EEG activity， SD affects the correlation between the frontal lobes on visual short-term memory， may reduce and function of encoding stage of memory.

[Key words] Sleep deprivation；EEG；cross coherence；memory

前 言

睡眠剥夺（Sleep deprivation，SD）对多种认知造成影响，包括记忆、判断、计算能力和逻辑推理等，其中记忆广泛存在于认知过程中，人脑所直接面对的常常是关于感觉和心理的记忆，既使在没有明显回忆时也有感觉记忆和短时记忆起作用。研究SD对短时记忆带来的影响，可以为评价睡眠对认知的影响建立一条途径，从而探究作用机制。

大脑作为一个复杂的网络系统，脑皮层的细胞在功能上相互作用[2]。研究SD影响大脑的协同活动程度，可以从更系统的层面揭示睡眠剥夺对记忆造成的损害。因此，将相干性应用到SD状态下短时记忆影响的研究中，对视觉刺激诱发的脑电信号进行分析。

1 材料和方法

受试者为10名男性学生志愿者，年龄为22～26岁，身体健康，均为右利手。通过奥地利EMS公司生产的数字脑电记录仪完成脑电信号的采集，采用国际标准10/20系统放置电极，以左耳为参考电极，采集Fp1、Fp2、F3、F4、C3、C4、P3、P4、T3、T4、T5、T6、O1、O2等19导EEG数据和1导眼电数据。EEG频率范围为0.05～70 Hz，采样频率为512 Hz，各导联阻抗小于5KΩ。

在正常睡眠状态和一夜睡眠剥夺后，对受试者分别进行测试和脑电信号的采集。从上午8点开始，实验内容包括：①记录8分钟安静闭眼自发脑电；②视觉短时记忆再认实验，受试者坐在离屏幕0.5m处的椅子上，首先屏幕上展示给受试者的是需要记忆的图片，共16幅（P1～P16），间隔为2s，记忆其中的颜色信息；之后是再认图片，屏幕开始出现P1组，即上下左右四幅仅颜色区别的图片，其中一幅为P1，3S钟后出现P2组，依此类推，要求受试者从这4幅图片中找出刚才的记忆图片，按上下左右键进行选择。正确提示RIGHT，错误提示FALSE。

2 分析方法

脑电信号的相干性（coherence）假定脑区的功能整合是通过神经元群之间保持某特定频率的锁相过程形成的，此过程可用功率相干函数来表示，客观地反映出两个脑功能部位之间的机能关联性[3]。

3 结果分析及讨论

3.1 行为数据对比

统计受试者的反应时间和正确率，如表1所示。

从行为数据可以看出，在正常情况下平均反应时间为2034.747ms（S=978.4853），正确率为62.5%；睡眠剥夺情况下平均反应时间为1672.969ms（S=798.8787），正确率为39.58%。（F=1.50，P<0.05），虽然在睡眠剥夺之后反应时间减少，但正确率大大降低，可能是由于受试者在睡眠剥夺状态下的心理状态有关，以牺牲正确率来获得短的反应时间。

3.2 视觉记忆结果分析各时段记忆活动的相干性数据分析

对短时记忆过程的EEG信号中选取1500ms时长的一段，从刺激前300ms选取至刺激后的1200ms。

信号进行分析，进行相干性数据的配对t检验分析后得到的部分数据见表2和表3。

由表中数据可见，在睡眠剥夺后，这4个电极对的相干性绝对值都有明显降低，说明这4个区域的皮质联络程度受到了一定的抑制，大脑协同程度降低。其中左右前额叶间（F3-F4）的相干性下降较大，可认为抑制主要发生在该区域。对左右前额叶间（F3-F4）SD前后t=3.940，p=0.00013<0.05，可认为有明显差异，即具有明显统计学意义，说明SD前后相干性变化较大。睡眠剥夺前后的数据相关度为-0.064，可认为此配对变量无相互关系，具有统计学意义。

将0.5～30Hz分为4个频段，分频段计算相干性，选取去除绝对值小于0.2的相干性较小的数据后得到的数据，并将正确记忆的结果与导联对应在头部的分布显示，如图1所示。

由图1可发现，SD之后，在两个较低频段，各偶极子的联络增多，相干性提高，说明出现很大的相关，反应脑部在低频部分活动增强，特别是在δ波部分（0.5-2.5Hz）SD后，出现了很大程度上的联络。

与之相反，SD之后，高频部分的联络减少，相干性降低。特别是β波段（12.5-30.0Hz）联络减少更为明显，甚至有消失的迹象，说明脑部在高频部分得到一定抑制，大脑处在一种非正常的受抑制状态。

从部位分析，额叶的活动性有一定程度降低，这可以认为是对记忆造成影响的主要原因。由于额叶主要认为参与了记忆的编码过程[6]，所以考虑，SD对视觉短时记忆的影响可以体现在对记忆编码方面产生了影响。

4 讨论

睡眠缺失导致困倦的程度增加和警觉水平下降，对记忆编码和记忆巩固过程都会造成影响。在编码过程中，困倦会影响刺激的等级，研究表明[7]，睡眠困扰和由此造成的困倦程度与记忆损害的程度直接相关，而记忆障碍是刺激等级不足的结果；睡眠缺失及随后的困倦同样影响[8]记忆的巩固过程，完全SD和仅仅限制部分睡眠都会使得记忆巩固过程受损[9]。

由图1中可看出，睡眠剥夺之后，大脑前额叶的活动减弱较为明显。从生理角度上推断，引起大脑皮层的此类抑制现象存在两种可能性。第一，睡眠剥夺可能造成了初级感觉中枢神经细胞的电生理感应阈值的升高。对于刺激响应阈值的升高，大脑表现为皮层各区域相干性数值减小，活动性越低。大脑对视觉信息输入响应节律被阈值的升高所限制，将正常状态下一般信息的处理对待成了一种超负荷信息干扰，这样才能在SD状态下维持一定的有效信息处理，由于刺激等级的存在，所以只有提高刺激等级，才能使大脑进行有效的响应。

第二，大脑对信息的处理过程是一种从初级中枢到高级中枢的流程，该处理流程的迁移伴随着注意力的转移，来维持处理工作的继续。在SD状态下，可能会由于抑制而损害了这种转移的过程，从而影响转移的正确方式。由于大脑对信息处理的过程是一个流动的过程，而推动和维持此过程的机制是由相互交叉连接的神经细胞和中枢之间通过各自电兴奋节律的耦合来传递任务和推动任务处理，直至最后完成整个流程。本研究推测，SD造成了这种相互的关联耦合一定程度的降低，从而会使流程出现混乱和缺陷，导致大脑并行处理的能力降低、错误记忆增多。

5 结论

本文通过脑电信号的相干分析，来评价SD对大脑短时记忆的影响，推断影响机制。睡眠剥夺对视觉短时记忆的损害可以主要体现在对额叶的影响上，从而降低记忆编码阶段的作用及功能。

参 考 文 献

[1] 施壮华，沈模卫.心理学中脑电研究方法探讨[J].心理科学，2002，25（1）：88-90.

[2] Steven L. Bressler.Large-scale cortical networks and cognition[J].Brain Res Rev，1995，20（3）：288-304.

[3] JIANG Zhengyan，ZHENG Leilei.Inter-and intrahemispheric eeg coherence in patients with mild cognitive impairment at rest and during working memory task[J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE B，2006，7（5）：357-364.

[4] Michael J. Hogan，Gregory R.J. Swanwick，Jochen Kaiser，et al. Memory-related eeg power and coherence reductions in mild alzheimers disease[J].International Journal of Psych ophysiology，2003，49（2）：147-163.

[5] JIANG Z Y.Study on eeg power and coherence in patients with mild cognitive impairment during working memory task.[J].J Zhejiang Univ Sci B，2005，6（12）：1213-9.

[6] 王福顺，冯鉴强，郭瑞鲜，等.前额叶皮层在学习记忆中的作用[J].心理科学，2003，26（3）：468-470.

[7] DéCARY A，ROULEAU I，MONTPLAISIR J.Cognitive deficits associated with sleep apnea syndrome： a proposed neuropsychological test battery.[J].Sleep（Print），2000，23（3）：369-81.

[8] ROEHRS T，ROTH T.Sleep-wake state and memory function.[J].Sleep （Print），2000，（23）：64-8.

[9] Irene Daum，Susanne Gr？ber，Markus M. Schugens，et al.Memory dysfunction of the frontal type in normal ageing[J].Neuroreport，1996，7（1517）：2625-2628.

[10] CHEE W L M，CHUAH M L Y.Functional neuroimaging and behavioral correlates of capacity decline in visual shortterm memory after sleep deprivation[J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2007，104（22）：9487-9492.

3 结果分析及讨论

3.1 行为数据对比

统计受试者的反应时间和正确率，如表1所示。

从行为数据可以看出，在正常情况下平均反应时间为2034.747ms（S=978.4853），正确率为62.5%；睡眠剥夺情况下平均反应时间为1672.969ms（S=798.8787），正确率为39.58%。（F=1.50，P<0.05），虽然在睡眠剥夺之后反应时间减少，但正确率大大降低，可能是由于受试者在睡眠剥夺状态下的心理状态有关，以牺牲正确率来获得短的反应时间。

3.2 视觉记忆结果分析各时段记忆活动的相干性数据分析

对短时记忆过程的EEG信号中选取1500ms时长的一段，从刺激前300ms选取至刺激后的1200ms。

信号进行分析，进行相干性数据的配对t检验分析后得到的部分数据见表2和表3。

由表中数据可见，在睡眠剥夺后，这4个电极对的相干性绝对值都有明显降低，说明这4个区域的皮质联络程度受到了一定的抑制，大脑协同程度降低。其中左右前额叶间（F3-F4）的相干性下降较大，可认为抑制主要发生在该区域。对左右前额叶间（F3-F4）SD前后t=3.940，p=0.00013<0.05，可认为有明显差异，即具有明显统计学意义，说明SD前后相干性变化较大。睡眠剥夺前后的数据相关度为-0.064，可认为此配对变量无相互关系，具有统计学意义。

将0.5～30Hz分为4个频段，分频段计算相干性，选取去除绝对值小于0.2的相干性较小的数据后得到的数据，并将正确记忆的结果与导联对应在头部的分布显示，如图1所示。

由图1可发现，SD之后，在两个较低频段，各偶极子的联络增多，相干性提高，说明出现很大的相关，反应脑部在低频部分活动增强，特别是在δ波部分（0.5-2.5Hz）SD后，出现了很大程度上的联络。

与之相反，SD之后，高频部分的联络减少，相干性降低。特别是β波段（12.5-30.0Hz）联络减少更为明显，甚至有消失的迹象，说明脑部在高频部分得到一定抑制，大脑处在一种非正常的受抑制状态。

从部位分析，额叶的活动性有一定程度降低，这可以认为是对记忆造成影响的主要原因。由于额叶主要认为参与了记忆的编码过程[6]，所以考虑，SD对视觉短时记忆的影响可以体现在对记忆编码方面产生了影响。

4 讨论

睡眠缺失导致困倦的程度增加和警觉水平下降，对记忆编码和记忆巩固过程都会造成影响。在编码过程中，困倦会影响刺激的等级，研究表明[7]，睡眠困扰和由此造成的困倦程度与记忆损害的程度直接相关，而记忆障碍是刺激等级不足的结果；睡眠缺失及随后的困倦同样影响[8]记忆的巩固过程，完全SD和仅仅限制部分睡眠都会使得记忆巩固过程受损[9]。

由图1中可看出，睡眠剥夺之后，大脑前额叶的活动减弱较为明显。从生理角度上推断，引起大脑皮层的此类抑制现象存在两种可能性。第一，睡眠剥夺可能造成了初级感觉中枢神经细胞的电生理感应阈值的升高。对于刺激响应阈值的升高，大脑表现为皮层各区域相干性数值减小，活动性越低。大脑对视觉信息输入响应节律被阈值的升高所限制，将正常状态下一般信息的处理对待成了一种超负荷信息干扰，这样才能在SD状态下维持一定的有效信息处理，由于刺激等级的存在，所以只有提高刺激等级，才能使大脑进行有效的响应。

第二，大脑对信息的处理过程是一种从初级中枢到高级中枢的流程，该处理流程的迁移伴随着注意力的转移，来维持处理工作的继续。在SD状态下，可能会由于抑制而损害了这种转移的过程，从而影响转移的正确方式。由于大脑对信息处理的过程是一个流动的过程，而推动和维持此过程的机制是由相互交叉连接的神经细胞和中枢之间通过各自电兴奋节律的耦合来传递任务和推动任务处理，直至最后完成整个流程。本研究推测，SD造成了这种相互的关联耦合一定程度的降低，从而会使流程出现混乱和缺陷，导致大脑并行处理的能力降低、错误记忆增多。

5 结论

本文通过脑电信号的相干分析，来评价SD对大脑短时记忆的影响，推断影响机制。睡眠剥夺对视觉短时记忆的损害可以主要体现在对额叶的影响上，从而降低记忆编码阶段的作用及功能。

参 考 文 献

[1] 施壮华，沈模卫.心理学中脑电研究方法探讨[J].心理科学，2002，25（1）：88-90.

[2] Steven L. Bressler.Large-scale cortical networks and cognition[J].Brain Res Rev，1995，20（3）：288-304.

[3] JIANG Zhengyan，ZHENG Leilei.Inter-and intrahemispheric eeg coherence in patients with mild cognitive impairment at rest and during working memory task[J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE B，2006，7（5）：357-364.

[4] Michael J. Hogan，Gregory R.J. Swanwick，Jochen Kaiser，et al. Memory-related eeg power and coherence reductions in mild alzheimers disease[J].International Journal of Psych ophysiology，2003，49（2）：147-163.

[5] JIANG Z Y.Study on eeg power and coherence in patients with mild cognitive impairment during working memory task.[J].J Zhejiang Univ Sci B，2005，6（12）：1213-9.

[6] 王福顺，冯鉴强，郭瑞鲜，等.前额叶皮层在学习记忆中的作用[J].心理科学，2003，26（3）：468-470.

[7] DéCARY A，ROULEAU I，MONTPLAISIR J.Cognitive deficits associated with sleep apnea syndrome： a proposed neuropsychological test battery.[J].Sleep（Print），2000，23（3）：369-81.

[8] ROEHRS T，ROTH T.Sleep-wake state and memory function.[J].Sleep （Print），2000，（23）：64-8.

[9] Irene Daum，Susanne Gr？ber，Markus M. Schugens，et al.Memory dysfunction of the frontal type in normal ageing[J].Neuroreport，1996，7（1517）：2625-2628.

[10] CHEE W L M，CHUAH M L Y.Functional neuroimaging and behavioral correlates of capacity decline in visual shortterm memory after sleep deprivation[J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2007，104（22）：9487-9492.

3 结果分析及讨论

3.1 行为数据对比

统计受试者的反应时间和正确率，如表1所示。

从行为数据可以看出，在正常情况下平均反应时间为2034.747ms（S=978.4853），正确率为62.5%；睡眠剥夺情况下平均反应时间为1672.969ms（S=798.8787），正确率为39.58%。（F=1.50，P<0.05），虽然在睡眠剥夺之后反应时间减少，但正确率大大降低，可能是由于受试者在睡眠剥夺状态下的心理状态有关，以牺牲正确率来获得短的反应时间。

3.2 视觉记忆结果分析各时段记忆活动的相干性数据分析

对短时记忆过程的EEG信号中选取1500ms时长的一段，从刺激前300ms选取至刺激后的1200ms。

信号进行分析，进行相干性数据的配对t检验分析后得到的部分数据见表2和表3。

由表中数据可见，在睡眠剥夺后，这4个电极对的相干性绝对值都有明显降低，说明这4个区域的皮质联络程度受到了一定的抑制，大脑协同程度降低。其中左右前额叶间（F3-F4）的相干性下降较大，可认为抑制主要发生在该区域。对左右前额叶间（F3-F4）SD前后t=3.940，p=0.00013<0.05，可认为有明显差异，即具有明显统计学意义，说明SD前后相干性变化较大。睡眠剥夺前后的数据相关度为-0.064，可认为此配对变量无相互关系，具有统计学意义。

将0.5～30Hz分为4个频段，分频段计算相干性，选取去除绝对值小于0.2的相干性较小的数据后得到的数据，并将正确记忆的结果与导联对应在头部的分布显示，如图1所示。

由图1可发现，SD之后，在两个较低频段，各偶极子的联络增多，相干性提高，说明出现很大的相关，反应脑部在低频部分活动增强，特别是在δ波部分（0.5-2.5Hz）SD后，出现了很大程度上的联络。

与之相反，SD之后，高频部分的联络减少，相干性降低。特别是β波段（12.5-30.0Hz）联络减少更为明显，甚至有消失的迹象，说明脑部在高频部分得到一定抑制，大脑处在一种非正常的受抑制状态。

从部位分析，额叶的活动性有一定程度降低，这可以认为是对记忆造成影响的主要原因。由于额叶主要认为参与了记忆的编码过程[6]，所以考虑，SD对视觉短时记忆的影响可以体现在对记忆编码方面产生了影响。

4 讨论

睡眠缺失导致困倦的程度增加和警觉水平下降，对记忆编码和记忆巩固过程都会造成影响。在编码过程中，困倦会影响刺激的等级，研究表明[7]，睡眠困扰和由此造成的困倦程度与记忆损害的程度直接相关，而记忆障碍是刺激等级不足的结果；睡眠缺失及随后的困倦同样影响[8]记忆的巩固过程，完全SD和仅仅限制部分睡眠都会使得记忆巩固过程受损[9]。

由图1中可看出，睡眠剥夺之后，大脑前额叶的活动减弱较为明显。从生理角度上推断，引起大脑皮层的此类抑制现象存在两种可能性。第一，睡眠剥夺可能造成了初级感觉中枢神经细胞的电生理感应阈值的升高。对于刺激响应阈值的升高，大脑表现为皮层各区域相干性数值减小，活动性越低。大脑对视觉信息输入响应节律被阈值的升高所限制，将正常状态下一般信息的处理对待成了一种超负荷信息干扰，这样才能在SD状态下维持一定的有效信息处理，由于刺激等级的存在，所以只有提高刺激等级，才能使大脑进行有效的响应。

第二，大脑对信息的处理过程是一种从初级中枢到高级中枢的流程，该处理流程的迁移伴随着注意力的转移，来维持处理工作的继续。在SD状态下，可能会由于抑制而损害了这种转移的过程，从而影响转移的正确方式。由于大脑对信息处理的过程是一个流动的过程，而推动和维持此过程的机制是由相互交叉连接的神经细胞和中枢之间通过各自电兴奋节律的耦合来传递任务和推动任务处理，直至最后完成整个流程。本研究推测，SD造成了这种相互的关联耦合一定程度的降低，从而会使流程出现混乱和缺陷，导致大脑并行处理的能力降低、错误记忆增多。

5 结论

本文通过脑电信号的相干分析，来评价SD对大脑短时记忆的影响，推断影响机制。睡眠剥夺对视觉短时记忆的损害可以主要体现在对额叶的影响上，从而降低记忆编码阶段的作用及功能。

参 考 文 献

[1] 施壮华，沈模卫.心理学中脑电研究方法探讨[J].心理科学，2002，25（1）：88-90.

[2] Steven L. Bressler.Large-scale cortical networks and cognition[J].Brain Res Rev，1995，20（3）：288-304.

[3] JIANG Zhengyan，ZHENG Leilei.Inter-and intrahemispheric eeg coherence in patients with mild cognitive impairment at rest and during working memory task[J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE B，2006，7（5）：357-364.

[4] Michael J. Hogan，Gregory R.J. Swanwick，Jochen Kaiser，et al. Memory-related eeg power and coherence reductions in mild alzheimers disease[J].International Journal of Psych ophysiology，2003，49（2）：147-163.

[5] JIANG Z Y.Study on eeg power and coherence in patients with mild cognitive impairment during working memory task.[J].J Zhejiang Univ Sci B，2005，6（12）：1213-9.

[6] 王福顺，冯鉴强，郭瑞鲜，等.前额叶皮层在学习记忆中的作用[J].心理科学，2003，26（3）：468-470.

[7] DéCARY A，ROULEAU I，MONTPLAISIR J.Cognitive deficits associated with sleep apnea syndrome： a proposed neuropsychological test battery.[J].Sleep（Print），2000，23（3）：369-81.

[8] ROEHRS T，ROTH T.Sleep-wake state and memory function.[J].Sleep （Print），2000，（23）：64-8.

[9] Irene Daum，Susanne Gr？ber，Markus M. Schugens，et al.Memory dysfunction of the frontal type in normal ageing[J].Neuroreport，1996，7（1517）：2625-2628.

[10] CHEE W L M，CHUAH M L Y.Functional neuroimaging and behavioral correlates of capacity decline in visual shortterm memory after sleep deprivation[J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2007，104（22）：9487-9492.