短期睡眠剥夺影响持续性注意力的认知神经机制：基于静息态功能MRI低频振幅分数分析

徐永强，王兴瑞，胡文鐘，印弘，朱元强

图1 实验流程图。

随着社会节奏的加快，个体的压力与日俱增，睡眠不足或睡眠剥夺(sleep deprivation,SD)已经成为一种常见的社会现象和公共卫生问题[1]。大量的研究结果显示SD给社会、经济和人类带来了较大的损失[2]。《2018中国睡眠质量调查报告》对10万人的调查结果显示有83.8%的被调查者经常受到睡眠问题困扰，16%的被调查者夜间睡眠时间不足6 h。SD会导致个体多种认知能力的下降，如注意力、决策能力、记忆力等[3-5]。其中持续性注意力是受SD影响最为严重的注意力功能[6]，但其损伤背后的神经影像机制尚不清楚。静息态功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)可无创性检测大脑局部脑区神经功能活动情况，已被广泛应用于神经及精神等多种疾病的影像机制研究。低频振幅分数(fractional amplitude of low frequency fluctuations, fALFF)是在低频振幅基础上得到的衡量各个体素在静息状态下自发活动水平的指标，在一定程度上避免了ALFF易受脑室内脑脊液及生理噪声影响等弊端，能有效抑制静息态fMRI中的非特异性信号成分，显著提高对局部自发脑活动检测的敏感性和特异性[7]。本研究拟采用rs-fMRI技术及fALFF分析方法，分析SD后健康成人局部脑区活动及持续性注意力的变化情况，揭示SD导致持续性注意力降低的神经影像机制。

材料与方法

1.研究对象

通过广告向西安市高校招募54例健康志愿者，男29例，女25例，年龄(22.46±1.81)岁。纳入标准：①右利手；②18～30岁；③智力水平正常；④体内无金属植入物，无磁共振扫描禁忌证。排除标准：①有酒精或药物滥用史；②有神经系统或精神疾病史；③曾经或目前患严重心、脑、肝、肾疾病及其它严重躯体疾病；④有睡眠障碍；⑤有幽闭恐惧症；⑥绝对“清晨型”或者绝对“夜晚型”(使用中文版清晨型/夜晚型量表[8]评估每例志愿者的睡眠习惯)。要求每例志愿者在磁共振扫描前的1周内不能摄取任何含有咖啡因或酒精的刺激性饮料。睡眠日记结果显示本组被试的平均入睡时间为22点29分±17分，早上起床时间为6点27分±11分，夜间持续睡眠时间为7小时57分±21分。此外，所有研究对象的匹兹堡睡眠质量指数(Pittsburgh sleep quality index, PSQI)得分小于5分，表明睡眠质量良好。

本研究经本院临床试验伦理委员会批准。实验前向每例志愿者详细说明研究目的、方法及注意事项，所有志愿者均为自愿参加并签署知情同意书。

2.实验流程

研究期间每例研究对象需到访实验室3次，主要的实验流程(图1)：第1次到访的主要内容为了解研究目的并签署知情同意书，每例研究对象领取一块腕表，用于记录每天的睡眠情况；另外2次分别为正常睡眠后清醒状态(rest wakefulness, RW)和SD后进行MRI扫描。为保证研究结果不受节律信号的影响，磁共振扫描的时间均为早上8点。为防止SD持续效应的干扰，每例研究对象两次MRI扫描的间隔时间为1周，扫描的先后顺序采用伪随机的实验设计，以尽量减少扫描顺序对实验结果的影响[9]。

SD过程从第一天的早上8点整开始至第二天早上8点整结束。每例研究对象在SD实验的第一天，先进行正常的工作和学习，但中午不能午休(研究人员通过检查研究对象腕表记录的活动情况来确认)。每例研究对象于18点抵达实验室，至第二天早上MRI扫描结束后离开实验室。在此期间要求研究对象必须一直保持清醒状态，可以进行看书、上网等活动，但是不能进行剧烈活动。餐饮食物由实验室统一提供，但 22点后不再提供夜宵。整个SD过程由两名研究人员共同监视，避免研究对象入睡。对于RW，要求研究对象MRI扫描当天早上7点40前抵达实验室。

3.行为学数据采集

所有研究对象在MRI扫描之前进行10 min的精神运动警觉性任务(psychomotor vigilance test,PVT)[10]。PVT通过E-prime 3.0软件呈现，研究对象端坐在14寸笔记本电脑屏幕前，眼睛距离屏幕中心50～60 cm，在2～10 s的随机时间间隔内，电脑屏幕中心会出现一个红点，要求研究对象观察屏幕并在红点出现时迅速按压键盘的空格键(即作出反应)，记录其反应时间(图2)。将反应时间大于500 ms的试次定义为注意力脱漏(attention lapses，AL)，记录每例研究对象两次实验中的AL数量并将两次数量的差值(ALSD-ALRW)作为评估持续性注意力损伤的指标[11-12]。本研究PVT任务中红点出现次数的均值为54.68±2.49。

图2 PVT任务示意图。

4.MRI数据采集和后处理

使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振扫描仪和8通道头线圈进行磁共振扫描。扫描时要求研究对象安静平卧于检查床，佩戴耳塞，保持清醒，放松睁眼，尽量避免思维活动。使用棉垫及胶带将研究对象头部固定以减少头动。每次扫描时通过麦克风提醒研究对象保持清醒，扫描结束后询问研究对象在扫描过程中是否保持清醒、有无睡着，同时记录心率及呼吸频率等数据。扫描序列和参数如下。矢状面3D Bravo T1WI(结构像)扫描参数：TE 3.2 ms，TR 8.2 ms，视野256 mm×256 mm，层厚1.0 mm，矩阵256×256，翻转角12°，图像分辨率1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm，共采集196帧图像，总扫描时间6 min 17 s；静息态fMRI横轴面扫描参数：GRE EPI序列，TE 30 ms，TR 2000 ms，层厚3.0 mm，层间距0 mm，视野240 mm×240 mm，翻转角90°，层数45，矩阵128×128，210个时间点共采集9450帧图像，总扫描时间7.0 min。

由同一位高年资放射科医师MRI图像质量进行评价，并确保所有研究对象的脑部无器质性病变。首先，使用基于Matlab 2016b和SPM12的脑影像标准化计算平台(DPABI_V4.5)对MRI数据进行图像预处理[13]。具体步骤：①手动去除前10个时间点的图像；②时间校正；③头动校正，排除MRI扫描中头动大于1 mm(横移)和/或旋转角度大于1°的数据。为了进一步减少微小头动对fALFF测量结果的影响，我们采用了更高级别的Friston-24模型对微小头动效应进行回归处理(24个参数，包括每个时间点的6个头动参数，相应时间点之前一个时间点的6个头动参数以及上述12个头动参数对应的平方项)；④空间标准化，与T1WI(结构像)联合配准；⑤采用4 mm半高全宽的高斯核进行平滑处理；⑥去线性漂移。然后将每个体素的时间序列转换成频率域，计算0.01～0.08 Hz频段的功率谱，接着对功率谱数据进行开方，得到ALFF值，再将各个频段的ALFF值相加获得全频段总和值，每个体素的ALFF值除以全频段ALFF总和值即得到fALFF值[7]。

5.统计学分析

使用IBM SPSS 23.0软件对数据进行统计分析。所有AL的数量以均数±标准差表示，采用配对样本的Wilcoxon符号秩检验对RW后和SD后的AL值进行比较，以P<0.05为差异有统计学意义。

影像学数据的统计分析共3步：第一步，使用DPABI软件对RW和SD后脑组织内fALFF的空间分布情况进行单样本t检验，体素水平采用错误检出率(false discovery rate,FDR)检验，检验水准α=0.05；在簇(cluster)水平使用AlphaSim多重比较进行校正，设置P<0.05且体素阈值>54个为结果具有统计学意义。第二步，使用DPABI软件对RW和SD后脑组织的fALFF变化进行配对t检验，同样在体素水平采用FDR检验，以P<0.05为差异具有统计学意义；在簇水平使用AlphaSim多重比较进行校正，设置P<0.05且体素阈值>54个为结果具有统计学意义。第三步，将第二步得到的有差异脑区的fALFF值提取出来，计算SD后与RW后fALFF的差值，采用Bonferroni多重校正方法，与ALSD-ALRW进行皮尔逊相关性分析，以P<0.05为差异有统计学意义。对各脑区的定位和描述统一使用大脑自动解剖标记(anatomical automatic labeling，AAL)图谱进行命名[14]。

结 果

在对所有研究对象的MRI数据进行头动校正后发现，4例(男1例，女3例)研究对象的MRI数据因头动大于1 mm(横移)和/或旋转角度大于1°而被剔除。后续研究基于50例研究对象的数据进行分析，其中男28例，女22例，平均年龄(22.38±1.76)岁，男、女性组之间平均年龄的差异无统计学意义(t=-0.263，P=0.794)。

行为学检查结果：RW后执行PVT任务的平均AL数量为(1.18±1.47)次，SD后平均AL次数为(7.82±6.36)次，两次测试中AL次数的差值(ALSD-ALRW)为6.64±5.87，两次测试之间AL次数的差异有显著统计学意义(Z=-6.104，P<0.001)，表明SD后持续性注意力水平明显下降。但男性组与女性组之间AL次数的差异无统计学意义(t=1.427，P=0.16)。

图3 RW及SD后全脑fALFF图。注：图像左侧代表实际的右侧；暖色调代表fALFF较高，冷色调代表fALFF较低；RW: rest wakefulness正常睡眠后清醒状态，SD: sleep deprivation睡眠剥夺；P<0.05，图中Z值代表层数。

不同睡眠状态下脑组织fALFF分析结果：对RW及SD后的脑组织fALFF数据进行单样本t检验，两种状态下大脑自发活动模式相似，均表现为灰质区fALFF较高，白质区域fALFF较低。fALFF较高的脑区包括额叶、顶叶、枕叶和颞叶等新皮层区域，fALFF较低的脑区包括丘脑、尾状核、壳核和苍白球等皮层下灰质区域(图3)。

SD后fALFF分析结果：配对t检验结果显示，SD对不同脑区fALFF存在显著影响。与RW后相比，既有fALFF显著升高的脑区，也有显著降低的脑区；显著升高的脑区包括左侧丘脑、左侧颞中回、右侧中央后回、右侧脑干，其中以左侧丘脑的改变最为显著；fALFF显著降低的脑区包括右侧额中回、右背外侧额上回、右侧小脑、右侧角回、右侧楔前叶、右侧颞下回、右侧眶部额中回、左侧角回合左侧小脑等区域(表1，图4)。

表1 SD与RW比较fALFF值显著变化的脑区

4.相关性分析

相关性分析结果显示(图5)：SD和RW后左侧颞中回fALFF的差值与AL次数的差值(ALSD-ALRW)之间呈正相关(r=0.34，P=0.01)；右背外侧额上回fALFF的差值与AL数量的差值(ALSD-ALRW)之间呈负相关(r=-0.32，P=0.02)；其它脑区fALFF的差值与AL数量的差值之间无显著相关性(P>0.05)。

讨 论

本研究采用自身前后对照试验设计，运用rs-fMRI技术探讨SD对全脑fALFF的影响及fALFF与持续性注意力水平的相关性。行为学检测结果发现，与清醒状态相比，SD严重影响持续性注意力水平，表现为AL数量的显著增加；脑MRI结果显示，SD后额顶区域的fALFF显著下降，丘脑等皮层下灰质区域的fALFF显著上升；进一步的相关性分析结果表明，背外侧额上回及颞中回fALFF的变化与AL数量的差值直接具有显著相关性。

持续性注意力指在持续的一段时间内，个体保持稳定警觉水平的能力，是进行高级认知功能的基础[15]。AL是衡量注意力稳定性的一个非常敏感的指标，我们发现SD后持续性注意力AL数量显著增加，表明SD对持续性注意力的影响除了减弱平均反应速度以外，另一个影响是显著增加了认知表现的不稳定性。

图4 SD后全脑fALFF值变化(P<0.05)。图像左侧代表实际的右侧；暖色调代表RW时fALFF大于SD时的脑区，冷色调代表RW时fALFF小于SD时的脑区；Z值代表层数。

图5 相关性分析散点图。a)SD和RW后左侧颞中回fALFF差值与AL次数的差值之间呈正相关；b)SD和RW后右背外侧额上fALFF差值与AL次数的差值之间呈负相关。

近年来有大量研究表明SD引起注意力、记忆及执行功能等行为学改变可能与特殊脑功能区变化有关[16-18]。本组结果显示：相对于RW，SD后fALFF显著降低的脑区主要有额中回、背外侧额上回、角回和颞下回；而fALFF显著升高的脑区主要为丘脑及脑干。基于上述结果，笔者认为SD对人脑的主要影响为负责高级认知功能的额顶网络区域受SD影响较大，而丘脑等负责觉醒水平的皮层下区域可能通过增强自发活动水平，以一种补偿机制来保证注意力水平。

丘脑与睡眠和觉醒控制等意识的维持机制有关[19]。已有来自损伤、药理学和遗传学等多方面研究的实验证据表明丘脑在睡眠-觉醒状态维持的多个方面发挥作用[20]。本研究结果显示丘脑在SD后fALFF显著升高，在一定程度上验证了丘脑在睡眠觉醒状态及注意力水平的维持上发挥重要作用。

本研究的相关分析结果发现，SD后左侧颞中回fALFF的变化与AL数量的差值呈正相关，右背外侧额上回fALFF的变化与AL数量的差值呈负相关。颞叶是大脑中多种感知觉信息早期加工的主要脑区，其中颞中回又是视听觉信息的整合处理中枢，有研究认为颞中回等区域在SD之后活动程度的变化是个体在持续觉醒的条件下维持清醒和警觉的需要[21-23]，本研究结果提示SD后颞中回区域的局部自发活动水平的下降会导致PVT任务AL数量的增加，也就是个体注意力的稳定性水平下降。注意力受自上而下(top-down)的认知因素和自下而上(bottom-up)的感觉因素的影响[24]，作为大脑中负责认知控制功能的核心脑区，背外侧前额叶是注意力自上而下调控的重要区域。最近一项研究发现SD后背外侧前额叶的葡萄糖代谢水平显著下降，并且与PVT任务的平均反应时呈显著相关[25]。这与本研究的结果基本一致，提示SD之后背外侧前额叶局部神经元整合能力出现了下降，这可能是导致SD之后高级认知等能力下降的重要原因，SD后机体需要募集更多的与高级认知功能相关的特异性脑区参与完成一系列的功能活动，使机体保持警觉状态并完成认知任务。本研究主要存在以下3点不足：首先，在研究对象的选取上以高校大学生为主，年龄在19～26岁，年龄偏小，具有一定的选择偏倚；其次，在研究对象的睡眠质量评价上仅使用了睡眠日记，缺少相关睡眠仪器的使用，如脑电图检测等，进一步的研究中可选择使用；最后，本研究仅采集了24h SD后的功能MRI数据，未进行多时间点的数据采集，不能进行动态观察，另外，在今后的研究中也会考虑延长SD的时间来观察后续变化。

综上所述，本研究结果显示短期睡眠剥夺后健康成人的持续性注意力显著下降，PVT任务AL数量显著增加。进一步研究发现SD后代表自发活动水平的fALFF有显著变化，主要表现为额顶网络区域的下降以及丘脑觉醒区域的增加，并且背外侧额上回与颞中回fALFF指标的差值与反映持续性注意力水平的PVT任务中AL次数的差值之间具有显著相关性，可能是SD后持续性注意力下降的重要神经机制。