极地特殊环境下的睡眠障碍研究进展

李鹏昊，谭兴，何颖，王伟忠，王杨凯

十八大确定了我国建设海洋强国的战略部署，极地作为远海战略的重要一环，势必成为我国军事安全的重点研究方向。 两极地区恶劣的自然条件（如极寒、极昼、极夜、强磁场、低氧等）与超静寂寞的环境会严重影响极地作业人员的生理、心理健康，其中以睡眠障碍最为显著［1］。 极地作业人群的睡眠问题已然成为维持队员身心健康、保障极地作业正常进行所急需解决的核心问题。 研究表明，极地睡眠障碍主要表现为主观上的睡眠质量下降、睡眠碎片化程度增加、入眠潜伏期增长、慢波睡眠减少以及昼夜节律的紊乱［2］，同时伴有不同程度的烦躁易怒、反应迟钝、人际关系紧张、认知能力和工作效率下降等心理和行为改变。 笔者就极地睡眠障碍的影响因素、研究手段、可能机制和解决措施进行综述，旨在为深入研究极地特殊环境下的睡眠障碍等其他相关问题提供理论基础。

1 极地睡眠障碍的影响因素

昼夜节律是一种动物界普遍存在的生理现象，内、外因素以及心理精神因素均可不同程度地影响昼夜节律［3］。 在极地，干扰正常昼夜节律并导致极地睡眠障碍的因素主要有以下3 点：异常的光暗周期、无规律的工作（生活）节奏以及长期与世隔绝所致的心理问题［1］。

1.1 光暗周期直接影响睡眠

在诸多影响昼夜节律的因素中，光照通过作用于下丘脑视交叉上核（SCN）调节生物节律，是最为重要的调节因素［4］。 极昼和极夜是两极地区特有的现象，并随着纬度的增高，这一现象的持续天数也随之增加。 例如，在南纬75°的哈雷湾，极夜将持续100 d，而极昼更是持续110 d 之多［5］。 这种极端的光暗周期将扰乱昼夜节律系统，影响睡眠质量。 极昼期间，室外的自然光照度可达40 000 lux［5］，这种异常明亮且持久的自然光使受试者的睡眠相位发生延迟，其中以昼夜节律的顶相延迟最为显著［6］，并伴随着睡眠时间的减少、入睡潜伏期的增长以及睡眠质量的下降［7］。 与夏季相比，在越冬期间，极地人员睡眠相位延迟的现象更加明显［1］。 极夜期间的室外照度不会超过100 lux（通常为1 lux 左右）［5］，这是极地越冬人员冬季昼夜节律延迟的最主要原因［5］，并且随着纬度的增高其延迟程度也更加显著［8］。

1.2 日程安排对睡眠节律的影响

研究表明，严格的工作安排能够独立地调节北极工作人员睡眠时间及睡眠节律，使睡眠相位趋于正常化［9］；规律的日程安排使钟基因的时间表达曲线振幅更高，顶相的标准差更低，提示其昼夜节律系统的同步性更好［6］。

1.3 心理问题对睡眠质量的影响

情绪与睡眠之间的关系十分复杂，二者你中有我，我中有你，彼此互为因果。 而当把情绪与睡眠问题放入极地这种与世隔绝的环境中进行研究则更为复杂：一方面，长期与世隔绝会导致情绪问题，而情绪问题会影响睡眠；另一方面，极地睡眠障碍本身就是消极情绪可能的独立危险因素［1］。 进一步研究发现，具备情绪异常和睡眠障碍等症状的极地作业人员血液中的T3、T4 水平降低，人们称之为南极综合征（the polar syndrome）或极地T3 综合征（the polar T3 syndrome）。即便综合考虑，二者的关系仍不明朗。 例如，褪黑激素作为调控人体生物钟的重要内分泌激素，能够同时改善睡眠障碍人群的睡眠质量与主观情绪［10］。 但也有报道称严重的睡眠障碍与褪黑激素相位延迟有关，但不对情绪产生显著影响［7］，因此，具体的机制还有待进一步阐明。

2 极地睡眠障碍的研究方法

2.1 问卷调查

2.1.1 常用问卷 在极地睡眠研究中，问卷调查常常被用来反映受试者的主观睡眠质量与情绪反应。 匹兹堡睡眠质量指数（Pittsburgh sleep quality index，PSQI）是评价睡眠质量时广泛采用的一种调查量表［4］，旨在测试受试者近1 个月内的睡眠质量，得分越高则反映受试者近1 个月来睡眠质量越差。 除此之外，相关的问卷还包括利兹睡眠评估问卷（Leeds sleep evaluation questionnaire，LSEQ）、卑尔根失眠量表（Ber⁃gen insomnia scale）、Horne⁃Ostberg 问卷（the Horne and Ost⁃berg morningness⁃eveningness questionnaire，MEQ）、积极和消极情绪影响量表（positive and negative affect scale，PANAS）和季节性评估问卷（seasonal pattern assessment questionnaire，SPAQ）等。 其中前2 种主要用于检测睡眠障碍程度，MEQ 被用来测量受试者对清晨和夜晚的偏好程度，PANAS 或SPAQ则分别被用来反映队员们的正面、负面情绪倾向或研究情绪与睡眠、社会活动等行为随季节的变化情况。

2.1.2 问卷调查的研究现状 问卷调查结果表明，在冬季，主观上的睡眠障碍是普遍存在的。 对北极高海拔地区13 名居民（包括8 名男性，5 名女性）越冬期间睡眠情况的调查结果显示［11］，男性受试者的PSQI 平均分为19.5 分，女性受试者的平均分为18.8 分，平均睡眠质量不容乐观。 与夏季相比，在缺少光暗周期的冬天，北极居民的失眠、抑郁等情况更加严重［12］。 对中国中山站的南极科考队员的调查表明［13］，随着科考的不断进行，队员们的平均全球季节性得分（global seasonality score，GSS）从离港时的（3.79 ±3.14）分上升到冬至期间的（6.71 ±1.94）分，提示随着冬季的到来，队员们经历了更多的睡眠障碍与抑郁症状。

在夏季，极地睡眠障碍的问卷调查结果与冬季并不完全一致。 对北极高纬度地区居民的夏季睡眠状况的研究表明［10］，夏季夜晚的光线会干扰入睡过程。 而在对南极暑期作业人员的睡眠调查中发现［4］，到达南极洲前后，受试者的睡眠质量并没有明显差异，这可能与有计划的日常活动能够作为外部时间线索对昼夜节律起到校正作用有关。

2.2 体动描计术（actigraphy）

2.2.1 体动描计术的作用 作为一种安全有效、无侵入性的研究手段，体动描计术已被广泛应用于昼夜节律与睡眠研究中。 实验过程中，受试者像佩戴手表那样将记录仪佩戴在手腕上，其中的微处理器能够记录包括睡眠开始（结束）时间、睡眠总时长、睡眠效率、睡眠潜伏期等各种睡眠指标。 该方法被用来衡量受试者的睡眠质量及评估某种干预因素（如光照、外源性服用褪黑素等）改善睡眠质量的有效程度。

2.2.2 应用体动描计术的研究现状 应用体动描计术评估极地睡眠障碍季节性特征的结果显示，在北极，与1 月组的平均睡眠时间［（419 ±38）min］相比，6 月组的平均睡眠时间［（369 ±43）min］显著下降，这可能与夏季夜晚的异常光照有关［14］。 进一步对不同夜间光照水平情况下的睡眠状况监测显示，高照度组的平均睡眠时间为368 min，显著低于低照度组的平均睡眠时间（406 min），提示夜间光照水平对平均睡眠时间有显著影响，而2 组的睡眠效率以及入睡潜伏期长短并无差异［10］。

对17 名南极中山站作业人员的体动描计术监测数据显示，与11 月离港时相比，队员们越冬期间的睡眠时相产生了明显的延迟。 在7 月，队员的平均睡眠开始、结束时间分别延迟了1.46 h 和1.80 h；在3 月，平均睡眠结束时间延后了1.39 h［13］。 通过监测德国南极科考站队员（37 名男性，17 名女性）的冬季睡眠情况，Steinach 等［15］发现，一些睡眠指标的变化程度与越冬时间的长短线性相关，即随着越冬时间的延长，所有受试者的睡眠时长不断下降，睡眠效率逐渐降低，苏醒次数随之增多。 此外，性别可能也对睡眠质量有所影响。相比于男性，女性的睡眠潜伏期更长，苏醒次数更多，睡眠质量更差。

2.3 褪黑素的节律评估

在昼夜节律的调节过程中，光暗周期发挥着至关重要的作用［4］。 人体内，响应昼夜变化的主要生物信号是褪黑素［11］，许多生命活动（例如睡眠、情绪以及雌激素的分泌情况）均与该激素的节律性密切相关。 褪黑激素与其主要代谢物——尿液中的6⁃羟基褪黑素磺酸盐（aMT6s）被广泛应用在昼夜节律的评估研究中。

诸多研究表明，极端的光照条件会影响正常的褪黑素节律。 对夏季北极作业人员的睡眠研究显示［6，14］：夜间光照的持续存在使褪黑素分泌的起始时相与顶相延迟，峰值降低。而类似的情况也在南极作业人员越冬过程中出现［13］。 进一步研究表明，自然光不足可能是越冬期间褪黑素节律延迟与睡眠障碍的主要原因［16］。 通过观察睡眠开始时间早于激素分泌时间的人群发现［14］，与睡眠行为正常的人相比，该群体的总睡眠时长与睡眠效率显著下降。

3 极地环境对睡眠障碍的可能作用机制

文献表明睡眠障碍可能与钟基因表达改变密切相关［17］。 研究发现，生物体内存在大量与生物钟相关的节律基因，分为钟基因（clock genes）和钟控基因（clock controlled genes， CCGs）2 种，前者对维持生物节律起关键作用。 哺乳动物体内存在多种钟基因，包括Clock、Mop3（Bmal1）、Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2。 而钟控基因位于钟基因下游并受到钟基因的调控，参与到细胞活动的各个方面，使得相关生理活动呈现节律性。 在昼夜节律调节过程中，Clock 和Bmal1基因表达产物CLOCK 和BMAL1 蛋白形成异二聚体，作为转录因子诱导Per、Cry 和其他钟基因的表达。 PER 和CRY 蛋白在一天中不断积累，达到临界阈值后反馈到细胞核并抑制Clock 和Bmal1 的转录。 该过程周期约为24 h 驱动昼夜节律的产生［18］。 此外，还有其他辅助环路与翻译后化学修饰过程参与钟基因表达调控［19］。

3.1 光照

实验证明，持续的夜间光照能够显著影响外周血单核细胞内关键钟基因hPer2 和hBmal1 的表达，并可能导致昼夜节律紊乱，具体表现为表达曲线的后移［20］。 其中hPer2 受到的影响更为显著，有3 名受试者的hPer2 表达节律完全丧失。在模拟夜班给予夜间光照的过程中，Kervezee 等［21］发现夜间光照能够使人体昼夜节律性转录组平均相位后移，其中有73%的基因表达节律性下降。 研究表明，睡眠不足（主要是睡眠时间减少）使血液中昼夜节律性基因表达谱数量从1 855 个下降到1 481 个并伴有节律性下降，加剧了昼夜节律的紊乱程度［22］。 一项小鼠的光暴露实验表明，单次光脉冲能够改变mPer1 的表达水平并通过相位依赖的方式重置昼夜节律［23］。 此外，极地光照引起的褪黑素水平变化可能作用于SCN 影响钟基因的表达［24］。 正是在SCN 的作用下，全身细胞的钟基因表达得以高度同步。 SCN 被破坏或其钟基因表达改变会对睡眠节律产生显著影响。 通过向大鼠体内注射褪黑素，研究人员发现SCN 内Per1 和Bmal1 表达发生了相移［25］。 类似地，Mattam U 等［26］发现外源褪黑素能够显著提高大鼠SCN 内Per1、Per2、Cry1、Cry2 和Bmal1 的mRNA日平均水平。 对此，Vriend 认为褪黑素能参与泛素－蛋白酶体途径对钟基因表达的调节过程，通过抑制蛋白酶体活性提高钟基因蛋白水平参与昼夜节律调节［24］。

3.2 低温

除光照外，低温也可能对中枢和周围钟基因表达产生影响。 通过对新生大鼠进行连续5 d 的冷暴露，研究人员发现SCN 中Per2 的昼夜节律发生温度依赖性延迟，随着温度的降低，延迟现象更为显著［27］。 其他研究表明，低温能够通过影响周围组织，尤其是棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT）内钟基因表达改变代谢水平以抵御寒冷［28］。 然而，这一过程是否对睡眠产生影响有待进一步研究。

3.3 低氧

由于南极是全世界平均海拔最高的大陆，对于在南极作业的科考队员来说，由高海拔造成的氧分压降低也有可能对睡眠产生影响。 相关研究表明，缺氧诱导因子⁃1（hypoxia in⁃ducible factor⁃1，HIF⁃1）在缺氧条件改变钟基因表达过程中发挥关键作用［29］。 HIF⁃1 由功能性亚基HIF⁃1α 与组成型表达亚基HIF⁃1β 构成，是细胞检测与适应外界氧浓度变化过程中的关键转录因子［30］。 小鼠的体内实验证明暴露于低氧环境使小鼠大脑内Per1 和Clock 蛋白水平提高并使Clock 节律遭到破坏。 在小鼠SCN 组织的体外缺氧模拟实验中，实验人员观察到Per2 和Bmal1 的表达周期延迟与振幅降低，而降低HIF⁃1α 基因表达能够使该效应大幅降低（89.2%），提示体外模拟的缺氧信号能够通过HIF⁃1α 途径影响生物钟的周期和振幅［31］。 大量研究证明昼夜节律与氧感觉通路之间的关系十分复杂，二者之间存在着大量的串扰与反馈通路［30］。而缺氧如何影响昼夜节律与睡眠仍需进一步研究。

4 目前应对“极地睡眠障碍”的措施

4.1 光照疗法

光照疗法是指受试者持续暴露在预设好色温、照度等参数的人造光源下一段时间并监测其睡眠相关指标（如情绪、褪黑素节律曲线）和评估治疗结果。 1984 年，实验人员成功利用人造白光延长了11 名季节性情绪失调（seasonal affec⁃tive disorder，SAD）患者的光周期并缓解了相应症状［32］。 随后，人工光照疗法便用于治疗因光照不足导致的昼夜节律问题。 对英国哈雷观测站工作人员的白光治疗结果显示［33］，虽然工作人员的整体睡眠质量没有明显变化，但清晨为期1 h 的光疗能够显著缓解昼夜节律的推迟并改善认知能力。其他研究表明，适当光疗能够恢复血液褪黑素水平、提高睡眠效率并减少负面情绪［11］。 与冬季相反，在夏季避免夜间照明不失为一种缓解极地睡眠障碍的好办法。 在一项临床试验中［10］，与对照组相比，夜间无照明组的睡眠总时间显著延长，提示避免夜间光照能够改善睡眠。 进一步研究显示，波长较短的可见光（蓝光、紫光等）能够更好地抑制褪黑激素的分泌并缓解褪黑素节律延迟。 与白光相比，蓝光能更有效地缩短入睡潜伏期并提高睡眠效率［34］。

4.2 外源褪黑素疗法

研究表明，外源褪黑素的摄入能够改变人体昼夜节律［10］。 根据给予剂量的不同，研究者已经开发出数条褪黑素相位响应曲线。 临床试验证明，在睡眠相位后移症候群中给予褪黑素治疗能够有效缓解节律延迟症状［35］。 对北极夏季睡眠困难人群进行褪黑素疗法的结果表明［15］，治疗后受试者的主观睡眠质量显著改善，但其客观指标变化不明显，因此该结果尚存在争议。 有研究分别通过实验证明了外源褪黑素疗法与日间光照疗法的结合能够纠正昼夜节律紊乱并解决因此带来的睡眠问题［36⁃37］。

5 总结与展望

两极地区恶劣的自然与地理条件会对极地作业人员的睡眠产生不良影响。 作为人体最重要的授时因子，光照在影响过程中尤为突出，极端的光暗周期将干扰昼夜节律的正常运行。 此外，日程安排、身体活动、情绪等因素也会影响队员的睡眠质量。 虽然研究人员尝试了包括光照疗法、外源褪黑素疗法在内的许多方法以缓解睡眠障碍并取得了一定效果，但仍有许多问题尚待解决，如睡眠障碍与情绪异常的关系仍不清楚、诸多不良因素如何在基因水平上影响睡眠也有待进一步研究。 因此，急需对极地睡眠障碍继续深入研究，才能更好地解决极地作业期间人员的睡眠问题，为提高作业效能提供有针对性的保障。