不同缺氧模式对青年男性睡眠结构的影响*

吴 旸， 包大鹏， 刘富征， 刘 也， 王志峰， 侯成杰

(1. 北京体育大学运动人体科学学院， 2. 北京体育大学中国运动与健康研究院， 北京 100084)

睡眠是机体最基本的生理需求，人的一生约有1/3的时间是在睡眠中度过的。人体的睡眠结构是由快速眼动(rapid eyes movement, REM)期睡眠和非快速眼动(non-rapid eyes movement, NREM)期睡眠构成的，其中NREM又可以分为浅睡眠(N1、N2期睡眠)和深睡眠(N3期睡眠)，深睡眠又因为其睡眠过程中脑电图呈现同步化的慢波而被称为慢波睡眠(slow-wave sleep, SWS)。睡眠对于人类的生理过程、认知、学习和记忆都具有十分重要的生物学意义[1-2]。其中REM期睡眠有助于机体记忆的存储、情绪的调节，而深睡眠则对于机体的恢复和生长发育至关重要。

长时间的睡眠不足将会损害白天的认知表现和情绪[3]。机体的睡眠会受到外周不同环境的影响。近年来越来越多的人开始进入高海拔地区进行观光和工作，世居平原的人在初登高海拔地区时常常面临一些急性高原反应，其中睡眠障碍便是其中的一种[4]。以往研究表明，高海拔低氧环境会使人体睡眠结构发生变化，碎片化睡眠[5～8]、呼吸暂停及低通气的次数增加[9]。阻塞型呼吸暂停综合征(obstructive sleep apnoea, OSA)是由睡眠期间上呼吸道重复性塌陷引起的睡眠综合征，表现为血氧饱和度下降和睡眠中断相关的呼吸暂停或呼吸不足等[10]。OSA患者会出现心功能受损，且在睡眠过程中常出现睡眠碎片化、间歇性觉醒等症状[9，11]。

缺氧将在一定程度上影响机体的睡眠，但对于海拔高度上升引起的外源性低氧和OSA引起的内源性缺氧对机体睡眠影响的区别尚不清楚。因此本研究试图通过对是否存在OSA的受试者在平原、模拟海拔2 000 m、4 000 m环境下的睡眠进行监控和分析，探讨内源性摄取受限与外源性环境缺氧两种不同因素引起的机体不同程度缺氧对人体睡眠结构的影响。为低氧环境下的睡眠研究和针对OSA患者的睡眠研究提供一定的理论依据，为OSA患者前往高海拔地区工作、观光提供一定的参考价值。

1 对象与方法

1.1 受试对象

选取46名高校在校大学生，均为世居平原人群，并通过匹兹堡睡眠质量指数量表筛选出评分低于15分(无明显睡眠障碍)的受试者23名。随后对受试者进行平原环境下的多导睡眠监测(polysomnography, PSG)，确定其睡眠过程中的AHI，根据AHI评分筛选出16名受试者。受试者的基本信息如表1所示。

Tab. 1 Subject basic information n=16)

NOR： Normal group; OSA: Obstructive sleep apnoea

1.2 试验分组

在平原环境下的第一次试验中测得每名受试者睡眠过程中的AHI，根据美国睡眠医学会(AASM)对于阻塞性呼吸暂停综合征的判定标准：0

1.3 试验方案

本研究采用吸入低O2混合气的方法模拟不同海拔高度，每位受试者在每次测试当天的22:00进入低氧舱，并被要求在24:00之前将灯关闭并尝试自然睡眠，次日早上8:00完成睡眠测试，在此过程中，受试者需要连续吸入10 h O2混合气以进行模拟高海拔环境下的睡眠测试。在每次测试的当天，要求受试者避免过量或过少的进食，并至少在12 h内不摄入咖啡、酒精或吸烟。

本研究的所有测试均由同一实验人员在同一低氧舱中进行，低氧舱的温度恒定为(25±1)℃。每位受试者的第一次测试均为平原环境下的睡眠测试。在平原环境下测试的一周后在O2浓度为16.3%(模拟海拔2 000 m)的常压低氧环境下进行睡眠测试，两周后在O2浓度为12.7%(模拟海拔4 000 m)的常压低氧环境下进行睡眠测试。在睡眠测试过程中，受试者佩戴SOMNO公司的PSG多导睡眠监测仪进行整个睡眠过程的监控。

1.4 统计学处理

2 结果

2.1 不同海拔高度睡眠参数的变化

表2给出的是不同人群在不同海拔高度下各睡眠变量差异情况的比较结果。由表2可知，随着海拔高度从平原上升至2 000 m、4 000 m，研究对象睡眠过程中的HR和AHI均出现增加(P<0.05)，REM期睡眠占比和SPO2则呈现下降趋势(P<0.01)，且OSA组SPO2下降的幅度小于NOR组(P<0.01)。此外，NOR组的深睡眠占比及睡眠效率均高于OSA组(P<0.05)，而NOR组的REM期睡眠占比低于OSA组(P<0.05)。

Tab. 2 Sleep parameters at different altitudes n=16)

REM: Rapid eyes movement; SWS: Slow wave sleep; AHI: Apnoea hypopnoea index; SPO2: Percutaneous oxygen saturation

*P<0.05,**P<0.01vsNOR;#P<0.05,##P<0.01vsthe plain

2.2 不同人群睡眠结构随海拔上升的变化

由表3可以看出，平原睡眠过程中NOR组的REM期占比低于OSA组，深睡眠占比高于OSA组，浅睡眠无明显区别。当海拔达到2 000 m时，两组受试者REM期占比均出现显著性下降，但NOR组仍低于OSA组。此时，NOR组的深睡眠占比高于OSA组，而浅睡眠则无明显区别。海拔4 000 m时，REM期睡眠占比进一步下降，但NOR组仍低于OSA患者，而NOR组的深睡眠占比高于OSA组，但差距随着海拔高度的上升逐渐减少。

GroupAltitudeREMStages 1 and 2SWSNORThe plain9.1±3.045.6±13.629.3±12.32000 m8.0±4.341.4±6.632.1±6.64000 m5.6±3.945.4±11.929.4±12.0OSAThe plain14.6±5.844.9±9.411.9±8.12000 m10.5±4.439.0±15.721.0±8.44000 m8.5±5.535.6±11.024.5±9.8

3 讨论

研究表明，OSA的严重程度会受到年龄的影响[12]，且因为女性睡眠会受到生理周期的影响，所以本研究采用青年男性受试者作为研究对象。

本研究发现随着海拔高度的上升，外界环境缺氧加重，受试者表现为睡眠过程中REM期减少、AHI升高，同时生理反应为SPO2降低、心率增加。世居平原的人群在初登高海拔地区时，常出现一些急性的高原反应，睡眠障碍便是其中较为常见的一种。在以往的研究中，虽然低氧暴露的剂量不同，但也发现了这样的情况[1，2]。

持续的缺氧会引起交感神经的兴奋和副交感神经的抑制，导致睡眠过程中心率提高[8]。此外，一些研究表明高海拔低氧环境会使得O2分解曲线下降，导致动脉血液中的CO2浓度降低。低氧血症伴随着低碳酸血症被认为会引起睡眠结构的改变[1，2]。

在本研究中，持续缺氧使得机体睡眠过程中出现周期性呼吸的现象，这是一种类似于陈-施呼吸的极其不稳定的异常性呼吸[9]。且随着海拔高度的上升进一步加重。在以往研究中也出现了相同的报道[8，13]。呼吸模式的紊乱也被认为是影响睡眠结构的重要原因，异常的呼吸模式带来的过度换气会引起低碳酸血症。与此同时，控制缺氧的负反馈系统会与其综合作用抑制呼吸[14]，从而引起呼吸暂停。由缺氧引起的呼吸暂停将会加重低氧血症、刺激通气、引发唤醒，使得睡眠发生碎片化[15]，从而导致睡眠模式的恶性循环，REM期占比减少[16]。

本研究受试者睡眠过程中的深睡眠占比并没有随着海拔高度的上升而出现下降。这可能是因为当受试者面临急性高原低氧暴露时(时长1晚)，神经行为表现和睡眠不会受到显著影响[17]。此外，由于本试验是在模拟常压低氧环境下进行的，该环境对机体的刺激与自然低压低氧环境相比较小[18]，进而导致该环境对睡眠的影响程度较小。

本研究还发现，在相同条件下OSA组睡眠过程中的REM期占比高于NOR组，而深睡眠占比低于NOR组。同时随着海拔高度的上升，OSA组SPO2下降的幅度明显小于NOR组。OSA组通常具有较高的觉醒指数，入睡后清醒期(WASO)占比增加，N3期睡眠减少[15]。

有研究表明，REM期睡眠的阻塞性呼吸事件最长，动脉血氧饱和度下降最为明显，甚至很多患者只在REM睡眠期发生阻塞性呼吸事件[19]。OSA患者的REM睡眠会出现觉醒延迟[10]。这可能是导致OSA患者REM期较长的一个原因。此外，因为OSA所引起的低氧血症和机体呼吸模式的紊乱，进而导致患者睡眠过程中深睡眠占比与正常人群相比大大降低。OSA患者因为上气道的感知功能受损，导致上气道敏感性降低[15]，同时上气道肌肉的活动性较弱，不能在呼吸暂停事件发生时完成短暂而幅度较小的活动，从而无法打开上气道，进而引起呼吸努力程度的增加而导致频繁觉醒[20]。

但在本研究中，当海拔高度上升至4 000 m时，OSA组和NOR组的深睡眠占比并没有显著性差别。与之伴随的是OSA组的SPO2显著性高于NOR组。这种情况的发生可能与低氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)有关。HIF-1α普遍存在于人和哺乳动物细胞内，在缺氧条件下调控各组织内氧循环稳态的低氧诱导结合蛋白。虽然其在正常环境下也有表达，但合成的HIF-1α蛋白很快就被细胞内氧依赖性泛素蛋白酶降解途径所降解，只有在缺氧条件下HIF-1α才可稳定表达[21]。陈忠余[22]等人研究发现，未经治疗的OSA患者血清中HIF-1α高于正常水平，且与OSA的严重程度呈正相关。OSA患者由于缺氧脯氨酰羟化酶被抑制， HIF-1α不能被羟基化、泛素化，HIF-1α不能经该途径降解，致使HIF-1α表达水平增加，加速HIF-1α核易位，之后与HIF-1β形成稳定的二聚体并进入细胞核。然后，HIF-1二聚体在靶基因中与低氧反应元件(hypoxia responsive element, HRE)结合，促进转录，使得下游的EPO、VEGF、iNOS等增加，从而参与器官或组织的缺氧缺血性损伤的修复过程，进而帮助机体适应缺氧环境。

除此之外，本研究发现OSA组睡眠过程中的频繁清醒现象会导致睡眠效率显著性低于正常人群。这是因为呼吸暂停会刺激通气，当通气量到达觉醒阈时，就会引起觉醒[15]。

综上所述，两种模式的缺氧均会造成睡眠障碍，但OSA导致的内源性缺氧还将影响青年男性睡眠过程中的深睡眠和睡眠效率。此外，在低氧暴露的情况下内源性缺氧人群在睡眠中表现出更强的低氧耐受性。