睡眠剥夺对战士空间认知能力的影响

周子渝，付建斌，赵亚娟，丁明*，韩茂之*

（1.陆军第八十集团军医院，山东 潍坊 261053；2.潍坊市人民医院麻醉科，山东 潍坊 261053）

0 引言

近年来，随着社会的不断发展，人民生活节奏的不断加快，睡眠剥夺问题广泛存在于世界各地，如在日本，调查研究表明29%的人每日睡眠少于6h，23%的人表示睡眠不足，6%的人服用催眠药，21% 的人存在潜在的失眠症状，15% 的人白天过度瞌睡[1-3]。睡眠剥夺对人生命活动的影响大体上现在分为以下几种：①对基本生命活动的影响：睡眠剥夺对心血管系统的相关影响，柴慧娟等[4]利用大鼠SD 模型实验发现：睡眠剥夺会导致大鼠的心率加快，大鼠的心肌出现缺血的症状，也有心脏传导异常改变，且这些改变与睡眠剥夺时间成正相关。钟旭[5]等通过对18名健康青年男性进行24 小时完全睡眠剥夺的研究发现：睡眠剥夺可以通过干扰心血管交感和副交感神经系统，从而使心率发生异常改变；②对学习、记忆及空间感知的影响：睡眠剥夺可以影响大脑相关基因的表达、蛋白质及神经递质的合成从而影响大脑的学习记忆功能[6]；③对情绪变化的影响：睡眠剥夺会造成参试者的注意力和警觉性下降，此时参试者的注意力通常被分配到负性刺激，此时也会较容易的对情绪产生负性评估[7]。

目前，结合CLB 测验和定向越野对空间认知能力进行综合评估的实验较少。本文通过对24名战士进行睡眠剥夺前后的相关测试（定向越野及CLB 测试），来研究睡眠剥夺对战士的空间感知能力及定向越野能力的影响，为睡眠剥夺的机制研究提供实验依据。

1 对象与设备

1.1 研究对象

（1）汉族，年龄在18~22 岁之间，健康男性战士；（2）平素具有良好、稳定的越野成绩，且越野成绩相近（3 公里定向越野相差20s 以内）；（3）作息时间规律（入睡时间：10:00PM±30min；起床时间：6:00AM±30min），每天睡眠时间在7~8s 范围内；（4）匹兹堡睡眠质量指数（Pittsburgh sleep quality index,PSQI）通过量表评估得出。为了挑选睡眠质量较高的健康参试者，本研究以 PSQI ≤5 分为指标进行选择；（5）体重指数（BodyMassIndex,BMI）正常（18.5 ≤BMI<23.9）；（6）无烟酒嗜好或其他物质滥用，无饮用茶、咖啡等饮料的习惯；（7）无睡眠-觉醒障碍、神经精神等方面的疾病；（8）理解整个研究内容，自愿参加实验并签署知情同意书。

1.2 试验设备

（1）定向越野比赛所需器材:捷昇ZN02 指北针、地图、GPS 跑步记录装置（红米6）、星玛雅定向电子打卡器。（2）CLB 测试所需设备：测验用计算机是联想G470，处理器为英特尔Corei3，显示器为14 英寸纯平液晶显示器，分辨率为1366×768，测验程序均为C#编写而成。

2 实验方法

2.1 睡眠剥夺

睡眠剥夺的方法需要保持36h 的清醒状态，其中包括一整夜的睡眠剥夺，在睡眠剥夺过程中，在实验主试严格监督下要求参试战士保持清醒（第一日20:00 PM- 第二日8:00 AM；第二日20:00- 第三日8:00 AM 半仰卧式；第二日8:00 AM-第二日20:00 自由活动但限制剧烈运动），可以进行阅读、聊天、听音乐、看视频等活动，为了监测和记录参试战士在清醒状态时的活动情况，工作成员全程监督防止参试战士小睡，若参试战士小睡超过3 min 则视为TSD 质量不达标，将不能继续参与下一步的研究。

2.2 定向越野

2.2.1 定向越野路线设计

在某松树林选取ABCDEFG 七个点，ABCDEF六点依次相连可组成正六边形，G 点为正六边形中心点（图8A），AB 之间距离为467m，我们选取B-C-D-E-F-A-G、G-C-D-E-F-A-B、F-A-BC-D-E-G、C-D-E-F-A-B-G、D-E-F-A-B-C-G、E-F-A-B-C-D-G、A-G-B-C-D-E-F 七条越野路线，参试战士任选其一，且同一战士在睡眠剥夺前后不得选取同样路线。

2.2.2 定向越野实验

本次定向越野采用个人徒步定向越野的方式进行。首先在选地区域内指定ABCDEFG7 个打卡点，每个打卡点上放置颜色不同的气球，每两个打卡点之间的距离均为467m，参试者随机抽取任一打卡点作为起点，在剩余打卡点依次打卡，事先按照不同的打卡顺序组合出7 种不同的路线，要求每个路线的总路程相同，参赛者随机抽取自己的越野路线，根据手中地图及指北针寻找每个打卡点，依次打卡报到并记录打卡点所放气球颜色，参试战士不得交流测试内容，每个参赛战士随身携带GPS运动记录仪，赛后可通过软件清晰的看到每个战士的行进路线及总路程及本次越野的总时间。（见图1）

图1 定向越野路线

2.3 CLB 测试测验

测试材料是采用修订后的美国神经心理学家H.WGordon 编制的认知侧化成套测验（cognitive laterality battery，CLB）中的视觉一空间能力测验部分，包括空间定位测验、三维旋转测验、图画完形测验和积木连接测验四个分测验，用来评价个体的空间认知能力水平。本实验根据修订版CLB 测验中空间能力的四项分测验要求利用C#编写的软件程序，该测试程序由四部分组成，每部分都按要求给与测试者充分的时间。测试开始前给与每名战士编号，战士按编号依次答题，答题期间禁止交流，首次答题完毕后为保证下一次测试的准确性，所有参加测试的战士在整个实验期间禁止交流有关的CLB 测试相关题目。

第一题：每道题首先呈现一个含内有一个带有“·”图形的操作界面，持续3s 的时间后消失，测试者在3s 的空白操作界面内用鼠标点击原本操作界面中“·”图形出现的相应位置，测验结果为测试者操作点与参照点“·”图形的中心的偏差距离，单位以毫米计。本测验一共24 题，答对1 题得1 分，答错1 题得0 分，满分为24 分。练习测验演示结束后会显示练习测验的结果，双击任务说明界面开始正式测验。（测试开始后，鼠标统一放置在程序窗口的右下角，禁止提前将鼠标放置在“·”图形出现的位置，如有出现则测试结果作废）（见图2,3）。

图2 空间定位测验规则

第二题：本实验每次在计算机操作界面上呈现两个由多个小木块连接而成的三维图形，他们通过旋转后可能与原图形是一致的，也可能是不一致的，要求被测试这判定他们之间的关系，然后选择答案，答对1 题得1 分，错误得0 分，总共24 分，总共24 题（见图4,5）。

图4 三维旋转测验规则

第三题：操作界面将显示一组物体的剪影图，一组由6 个组成，总共2 组，这些图都丢失了部分信息，实验要求测试者在9s 内尽其所能将他们的本来面目辨认出来。测试程序会以测试者所填内容的关键字为依据与标准答案进行比较后得出结果，答对1 题得1 分，答错1 题得0 分。练习测验结束后会呈现练习测验的成绩，双击任务说明界面开始正式测验。（这个题总共24 个图，看图后在空白处填写所看图片是什么动物，动物答案的关键字为图片的名字，答案中有关键字的就正确，每个图的答案见图片名称）（见图6,7）。

图6 图画完形测验规则

第四题：操作界面显示的是由多个相同大小的长方形木块组成的立方体结构，其中有1 块长方形具有某种颜色，测试者被要求将与带颜色的木块直接接触的木块数目进行计数，记录到图片下方的文本框中，然后点击“提交”按键上交结果，每道题持续显示9s。答对1 题得1 分，错误得0 分，总共24分。测试完毕后所有测试者的测验结果存放于C盘score 文件夹里（见图8,9）。

图3 空间定位测验操作界面

图5 三维旋转测验操作界面

图7 图画完形测验操作界面

3 统计学分析

采用SPSS 19.0 统计学软件进行数据分析，检验数据的正态分布，符合参数条件的计量资料结果主要采用均数± 标准差（±s）表示，进行配对t检验和线性回归分析，以α=0.05 为检验水平，P<0.05 为差异具有统计学意义。

4 结果

4.1 睡眠剥夺对定向越野成绩的影响

与睡眠剥夺前比较，睡眠剥夺后战士定向越野路程增加，路程差异具有统计学意义（P<0.01）；与睡眠剥夺前比较，睡眠剥夺后战士完成定向越野所需时间增加，时间差异具有统计学意义（P<0.01）；与睡眠剥夺前比较，睡眠剥夺后战士定向越野中的平均速度变大，平均速度差异不具有统计学意义（P>0.05）。见表1。

表1 定向越野成绩（±s）

表1 定向越野成绩（±s）

注：**：P<0.01；*：P<0.05。

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4.2 睡眠剥夺对认知侧化成套测验成绩的影响

与睡眠剥夺前比较，睡眠剥夺后战士定位测验分值增加，定位测验分值差异具有统计学意义（P<0.05）；与睡眠剥夺前比较，睡眠剥夺后战士三维旋转测验分值减少，三维旋转测验分值差异具有统计学意义（P<0.05）；与睡眠剥夺前比较，睡眠剥夺后战士图画完形测验分值减少，图画完形测验分值差异不具有统计学意义（P>0.05）；与睡眠剥夺前比较，睡眠剥夺后战士积木连接测验分值减少，三维旋转测验分值差异具有统计学意义（P<0.05）。见表2。

表2 认知侧化成套测验成绩（±s，分）

表2 认知侧化成套测验成绩（±s，分）

注：**：P<0.01；*：P<0.05。

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4.3 认知侧化成套测验对定向越野成绩的预测状况

空间定位测验（B=1.26，β=0.32，t=2.30，P<0.05）和三维旋转测验（B=-9.99，β=-0.59，t=-4.97，P<0.01）可预测定向越野成绩，图画完形测验（B=-3.86，β=-0.12，t=-0.79，P>0.05）和积木连接测验（B=0.12，β=0.01，t=0.06，P>0.05）不能预测定向越野成绩。见表3。

表3 认知侧化成套测验对定向越野成绩的预测作用

5 讨论

本实验通过利用CLB 的四项分测验：空间定位测验、三维旋转测验、图画完形测验及积木连接测验，得出了24名战士36 小时完全睡眠剥夺前后四项分测验的成绩。通过比较测验成绩得知，36 小时完全睡眠剥夺后战士的空间定位测验、三维旋转测验和积木连接测验成绩明显降低，而图画完形测验成绩在36 小时完全睡眠剥夺前后变化不明显。空间定位测验的成绩反应了空间定向能力的强弱，三维旋转测验的成绩反应的是心理旋转能力的强弱，心理旋转是一种想象客体或自我旋转的空间表征转换能力，它以表征的产生为基础，并对表征进行旋转操作，大量权威专家已经将心理旋转测验作为测量空间能力强弱的重要标尺之一，积木连接测验的结果反应的是空间视觉化能力（部分专家称其为空间想象能力），因此，在空间认知能力的三个方面，36 小时完全睡眠剥夺对其影响显著，而图画完形测验所代表的图形分辨的能力未有明显变化，有可能是睡眠剥夺时间不足等方面的原因导致，而对空间视觉化能力改变贡献较大的是影响积木连接测验成绩的因素，具体影响积木连接测验成绩的因素有待进一步实验研究。

定向越野是依靠地图、使用指北针辨别方向，在野外按指定的顺序快速寻找目标点的一项军事体育项目，它也是一项既可以强健身体，磨练意志，又可以将军事与体育、识图与用图、智力与体力密切联系的运动。参加定向越野的前提是可以识别地图的比例和地物符号，然后构建出地图与现实环境之间的空间、几何的对应联系。首先地图是定向越野的重要依据和参考，而辨识地图的能力是至关重要的，这两个条件是上述联系建立的基础。所以，对于进行定向越野的战士来说，空间认知能力尤其关键，不管是以地图为基础的地图空间认知能力还是以现实环境为基础的地理空间认知能力，作为专项智力水平在竞赛中比体能水平更加突出和明显的影响竞赛结果[8]，所以定向越野的成绩好坏也在一定程度上间接代表了空间认知能力的强弱。速度作为军人重要的基础生物学能力，也是体能训练最基本的内容之一，一定程度上代表了军人的体能水平[9-11]。本项研究战士的定向越野平均速度，在36 小时完全睡眠剥夺前后并无明显差异，本项研究定向越野路程较短，可能不能准确测量出战士在36 小时完全睡眠剥夺前后的实际体能大小，但在一定程度上一定路程范围内反应了战士体能水平，因此我们认为在本次定向越野测验设计的路程范围内战士体能睡眠剥夺前后无明显变化。定向越野路程S 越大表明路线偏差越大，时间T 包括地向越野行进所需时间和识图及寻找目标方向的时间，时间T 的变化一方面反应了路程的变化，一方面反应了识图及根据地图寻找目标方向的时间变化。本研究结果表明，经过36h 睡眠剥夺，路程S 变大，时间T 也变大，因此我们认为空间认知能力是减弱的。这也提示我们，战士空间认知能力的减弱会使其定向越野成绩下滑。

本实验的结果表明一定时间的睡眠剥夺通过降低战士的空间认知能力进而削弱了战士识图和辨别方向的能力从而改变了定向越野成绩，战士空间定位测验、三维旋转测验和积木连接测验成绩的改变提示我们空间认知能力各部分不同的变化，但睡眠剥夺影响空间定向能力、心理旋转能力以及空间视觉化能力的具体生理机制还需进一步研究。