昼夜节律在脑的多模态MRI中的研究进展

邢寒棋，戴慧,2,3*

0 引言

昼夜节律是一种周期约为24 小时的生物节律，使生物能够适应昼夜节律周期带来的每日波动，保持内部节奏与环境变化同步[1]。下丘脑的视交叉上核被认为是哺乳动物中最主要的昼夜节律起搏器[2]。我们一天中的生理过程和行为变化即是由这个昼夜节律起搏器控制的。昼夜节律与人类关系十分密切，生物钟调节各种生理功能，驱动了大脑生理功能的日常波动，多种脑部疾病的发生发展也与昼夜节律密切相关[3-4]。我们将阐述人类和动物日常生活和疾病中存在的昼夜节律现象，来强调生物钟对地球生物的重要性。

目前，在大部分MRI 的研究中很大程度上忽视了时间这个生物变量。之前报道的一些神经成像的组间差异不能完全排除是由于扫描时间的差异造成的。我们认为，未能将一天中的时间视为关键的生物变量可能会影响神经影像科学实验的可重复性，并且会使基于动物研究的结果外推到人类时降低数据的价值[5]。了解昼夜节律影响脑MRI结构、功能的动态变化对于提高神经影像科学研究的可重复性是非常有价值的。越来越多的MRI技术被用于人脑昼夜节律的分析中，包括基于体素的形态学测量（voxel-based morphometry, VBM）、扩 散 MRI（diffusion MRI, dMRI）、功 能MRI（functional MRI,fMRI）、磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy,MRS）及动脉自旋标记（arterial spin labeling, ASL）等。鉴于多模态MRI的应用，笔者对近年来昼夜节律在脑的MRI中的研究进展进行综述，以提高大家对时间作为影响神经影像学研究的生物变量的认识。

1 人类和动物在日常生活和疾病中的昼夜节律简述

下丘脑视交叉上核被认为是哺乳动物主要的昼夜节律振荡器，昼夜节律在许多生物过程中起着至关重要的作用。人类的睡眠-觉醒周期[6]、激素分泌[7]、体温调节[8]、血压[9]、心率[10]及基因表达[11]在24 小时内都发生了节律性变化。移植器官的排斥反应和生物死亡的高峰时间也是具有时间节律的常见事件。注意力的所有组成部分[12]以及部分感知觉[13]也表现出了昼夜变化。

昼夜节律与人类的神经传递、新陈代谢、免疫等过程也密切相关[3]。多项研究已经表明昼夜节律可以影响多种疾病的发生、发展及对治疗的反应。一些病理状况在一天中的特定时间更为明显。慢性骨骼肌疼痛患者的血压[14]以及感染症状的严重程度[15]都表现出昼夜节律模式。多种脑部疾病的发生发展也与昼夜节律密切相关。偏头痛发作有昼夜变化，大多数研究表明清晨或深夜是发作的高峰时间[16]，这可能与皮质醇水平、下丘脑功能障碍及偏头痛触发因素的昼夜节律变化有关。荟萃分析表明缺血性脑卒中的发病有昼夜节律性，早晨频率较高，睡眠时频率较低[17]，这种时间生物学模式与急性心肌梗死相似，提示可能存在一些共同的潜在机制。有研究表明，双相模式的血压昼夜变化和同时出现的早晨高凝可能是缺血性脑卒中早晨风险增加的决定性因素[18]。日落综合征在痴呆患者中普遍存在，在下午晚些时候或傍晚发生频率更高，其特征是攻击性、不安、谵妄和激动增加[3]。青春期的节律延迟与抑郁和情绪症状的严重程度密切相关[19]。时间医学，旨在在一天中的最佳时间治疗患者，最大限度地提高治疗效果并减少副作用[20]。在凌晨到中午期间获得供体心脏的患者长期生存率更高[21]。晚上给予高血压药可以更有效地降低血压并降低心脏病发作的风险[22]。辛伐他汀在夜间服用能更有效的抑制胆固醇的合成[23]。许多药物的疗效或毒性根据用药时间的不同有显著不同的效果[20,24]。

在一些动物中也存在着明显的昼夜节律现象。啮齿动物的葡萄糖耐量表现出每日节律，相对于活动期（大多数啮齿动物的暗期），静息期（大多数啮齿动物的亮期）的耐受性降低[25]。在昼行性动物加利福尼亚水蚤中，中间记忆和长期记忆形成高峰出现在白天[26]，而在夜行性动物水蚤中，长期记忆的形成高峰出现在夜间。不同物种记忆的昼夜节律波峰和波谷阶段各不相同，这可能与相关行为和过程的协调有关。动物中的昼夜现象不仅表现在日常生理功能中，在一些疾病中也存在。有研究发现在小鼠的缺血模型中脑缺血半暗带体积在非活跃期比在活跃期的更大[5]，继而影响了神经保护剂在活跃期发挥保护的效能。啮齿动物的疼痛敏感性显示出日常节律，通常在夜间（即黑暗阶段）观察到较高的疼痛阈值[27]。这可能与内啡肽水平和涉及疼痛途径的代谢物在一天中不同有关。

生物钟是一个进化上保守的分子系统，从细菌到人类都有。身体的每个器官都有自己的一组转录振荡的基因[1]。许多生理功能，包括体温、激素分泌、睡眠和觉醒周期等，都受到生物钟的控制。因此，人类和动物在日常生活和一些疾病中都可以观察到昼夜变化的现象。

2 昼夜节律在脑的多模态MRI中的研究

2.1 sMRI

越来越多的研究报告基于MRI 的T1WI 结构像分析大脑结构的昼夜变化。一些研究发现脑容量、大脑灰白质体积、皮质厚度及皮质表面积存在潜在的昼夜波动。NAKAMURA 等[28]在一项纵向研究中回顾性分析了1 589 名参与者的3 个大型数据集，分析MRI 数据发现一天中的时间对脑容量有显著影响，早上的脑容量更大。TREFLER 等[29]通过研究19 名健康成年志愿者的小样本数据，发现灰白质体积、皮质厚度及皮质表面积都受到一天中时间的影响，也发现早上的脑容量显著增加。TUURA 等[30]在晚上8 点和早上8 点分别对18 名健康年轻的志愿者进行MRI 扫描，同样发现灰白质体积在早上显著增加。与之前报道一致，KARCH 等[31]也报道了与晚上相比，早上的脑容量增加。目前，还没有对于脑容量和灰白质在早上增加较好的解释，因此其机制仍需要进一步探讨。不同的是，ZAHID 等[32]选择了阿尔茨海默病神经成像倡议方案中的20名参与者的MRI数据，通过分析发现一天中扫描时间对大脑容量无明显影响。不一致的结果可能是由于被试选择的不同或者是磁共振扫描时间的差异。

脑脊液在调节整个生命的中枢神经系统中起着关键作用，包括促进生长因子的分布以及清除大脑中的废物[33]。脑脊液也被发现存在昼夜波动。脑脊液在脑实质间质、脑室和颈部淋巴结之间的分布会在一天24 小时内发生变化[34]。另外，有研究发现脑脊液产量存在昼夜波动。NILSSON 等[35]采用MRI技术测定6名正常志愿者在24小时内不同时间的脑脊液产量，所有志愿者在下午的脑脊液产量最低，午夜的产量最高。但TAKAHASHI 等[36]与NILSSON 等[35]的结果不一致，此团队用非触发相位对比MRI 测量了10 名正常志愿者通过大脑导水管的脑脊液流量，观察到脑脊液的分泌并没有昼夜变化。血管周围间隙（perivascular spaces, PVS）是脑清除系统的主要组成部分，容纳脑脊液通过动脉周围间隙流入脑实质，以及间质液通过静脉周围间隙流向淋巴系统[37]。PVS容量也受到一天中时间的影响。BARISANO 等[38]采用MRI 对来自人类连接组项目的897 名健康成年人进行PVS 定量分析。结果显示，与一天中较早时间扫描测得的 PVS 容量相比，下午和晚上测得的 PVS容量明显较高，这可能与脑脊液在下午和晚上产量较高有关，这表明血管周围脑脊液也存在昼夜波动。 最近，血管周围流动在小鼠中也被证明受到昼夜节律的调控[34]。这些变化可能与水通道蛋白-4 对流量进行昼夜节律调节有关[34]。

综合以上研究，大部分结果表明大脑结构的日变化是存在的，但大脑结构的日变化不尽相同，因此大脑结构的日变化仍有待进一步研究。

2.2 DTI

扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）是一种广泛使用的MRI方式，用于测量水分子在组织中的扩散，可以反映脑白质纤维束的特性[39]。各向异性分数（fractional anisotropy, FA）是水分子各向异性成分与整个扩散张量的比值[40]。表观扩散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）反映水分子扩散能力。轴向扩散（axial diffusion, AD）被用来反映轴突完整性，而径向扩散（radial diffusion, RD）反映了髓磷脂的完整程度[41]。

JIANG 等[42]在15 名健康成人受试者中用DTI 技术进行研究，组织微观结构的各种 DTI 测量指标都发生了显著的日变化。在广泛脑区中，早上的FA、ADC、AD和RD值都比晚上的显著增加。相比之下，VOLDSBEKK 等[43]发现从早上到晚上，FA 值增加，RD 值减小。类似的，ELVSÅSHAGE 等[44]报道一天清醒后FA 值增加，RD 值减小。THOMAS 等[45]没有发现FA值的显著日变化，而ADC值的变化呈现早上大于晚上，ADC 值的变化和JIANG 等[42]得出的结果类似。TUURA 等[30]采用DTI 技术进一步验证了ADC 值在早上增加。早上大脑的ADC 值增加可能是由于成像体素内脑脊液的变化或细胞内和细胞外脑室之间水的变化引起的。生物钟时钟基因在维持昼夜节律和睡眠-觉醒周期中起着关键作用，有研究表明CLOCK rs1801260*C 和Period 34/4会影响髓鞘形成过程[46]。因此，我们认为时钟基因的调节可能是白质微观结构出现昼夜变化的原因之一。

以上文献表明一天中脑白质微观结构会发生变化，它的变化可能是为了让神经活动与光-暗循环中的环境相适应。在以上研究中，DTI 的不同测量指标的昼夜变化存在着不一致的结果，因此，对于DTI的昼夜变化的进一步研究是有必要的。

2.3 血氧水平依赖成像

血氧水平依赖（blood oxygen level dependent,BOLD）成像通过神经血管耦合过程间接测量神经元的活动情况[47]，主要指标包括局部一致性（regional homogeneity, ReHo）[48]、低 频 振 幅（amplitude of low-frequency fluctuations, ALFF）[49]和 功 能 连 接（functional connectivity, FC）[50]等。越来越多的研究采用fMRI 技术分析了不同脑区或不同脑网络以及全脑BOLD信号的昼夜波动情况。

一些研究表明默认模式网络中的BOLD 信号存在昼夜变化。FAFROWICZ 等[51]发现默认模式网络的BOLD 信号激活在早晨更小。HODKINSON 等[52]的结果与之相反，发现默认模式网络的FC 在一天中持续下降，特别是在后扣带皮层和内侧前额叶皮层。FACER-CHILDS 等[53]报告了在早期和晚期睡眠型中默认模式网络中的FC 存在明显的差异。在一天中的08：00、14：00 和 20：00，与晚期型相比，早期型的默认模式网络中的FC显著增加。

一些研究表明感觉运动网络的BOLD 信号在一天内发生了变化。JIANG 等[54]发现，与早晨相比，晚上扫描时感觉运动区域的ALFF 和ReHo 有所降低。与JIANG 等结果不同，FACER-CHILDS 等[55]报告运动网络的FC 在早上较小。与FACER-CHILDS 等的结果相似，有研究报道在傍晚时大脑运动区域的FC增加[56]。另外，FARAHANI等[57]也报告随清醒时间的增加，感觉区域的FC 显著升高。与以上研究结果都不同，CORDANI 等[58]报道了早上和晚上时感觉运动区域的BOLD 信号减小。与CORDANI 等[58]研究结果类似，最近，XING 等[59]也报告了早上和晚上时感觉运动区域的ReHo有所减小。

也有研究报道视觉网络的BOLD 信号在一天内发生了变化。一些研究发现视觉网络从早到晚的静息态FC 降低[54,56,60-61]。相比之下，GRATTON 等[62]发现时间对视觉网络没有影响。而CORDANI 等[58]分析发现视觉皮层中的静息态BOLD 信号在8：00 至17：00显著增加，然后在20：00显著降低，并在23：00再次增加（但不显著）。CORDANI 等[58]认为，人类视觉皮层受到日光变化的调节，在黎明和黄昏时可能存在补偿机制。

还有研究发现壳核的BOLD 信号具有昼夜变化。MUTO 等[60]42小时内在33名健康参与者中进行了13 次fMRI，发现壳核的大脑反应存在昼夜节律性。与早晨相比，壳核在下午时分对奖励的反应较低[63-64]。FARAHANI 等[65]发现在晚上左侧壳核与其他大脑区域之间的FC 减小。因此，从早上到晚上壳核区域的大脑活动可能是降低的。

小脑的BOLD 信号也存在昼夜变化。MAGDALENA 等[51]进行的一项任务态fMRI 研究显示，晚上左侧小脑BOLD 信号激活更大，这与FARAHANI 等[65]的结果相似，后者揭示了在夜间fMRI期间小脑网络的效率更高。目前，静息态小脑活动的昼夜节律尚未得到充分检查，仍需要进一步研究。

与注意力、认知相关脑区的BOLD 信号也具有时间依赖性。SINGH 等[66]在记忆任务执行期间，发现在上午志愿者表现出更高的大脑激活。丘脑在维持注意力方面起着至关重要的作用[67]。MUTO 等[60]发现皮层下区域（包括丘脑）表现出和褪黑激素相关的昼夜节律调节。随后，MAIRE 等[68]也发现丘脑的BOLD激活中存在与褪黑素相关的昼夜节律调节，丘脑活动在夜间达到高峰。 前额叶皮层参与警觉性、注意力和高阶认知过程[69]。JIANG 等[54]报告了下午时前额叶皮层的BOLD 反应高于上午。颞叶也被认为与注意力和认知有关[70]。FARAHANI 等[57]报告随着清醒时间的增加，双侧颞上回的FC 显著升高。在静息态fMRI 的研究中，与早上相比，丘脑以及与感知相关的认知脑区在一天的晚些时候BOLD 信号会变大，这可能与晚些时候注意力的代偿机制有关。

全脑BOLD信号的昼夜波动也有被研究。最近，ORBAN等[71]揭示了一天中的时间对整体大脑活动的影响，并且此影响不能用唤醒状态或生理伪影来解释。他们报告全局信号波动、区域 BOLD 信号及全脑静息态FC在一天中稳步下降。VAISVILAITE等[72]利用人类连接组计划发布的数据，采用动态因果模型分析了时间对血流动力学和有效连通性参数的影响。结果表明有效连通性没有明显时间依赖性，而血流动力学参数表现出明显的时间依赖效应，表明在没有潜在神经元激活和有效连通性的日变化情况下，血管的昼夜效应可能会影响BOLD信号。

综上所述，不同脑区或不同脑网络BOLD 信号的日变化在不同的研究中仍然存在很多不一致的报道，因此有必要对fMRI 的昼夜变化进行进一步研究。大多数研究表明时间依赖性的代谢变化会导致fMRI研究的可靠性降低，因此有必要在未来的fMRI研究中考虑时间这个生物学变量。

2.4 MRS

质子MRS（proton MRS,1H-MRS）是一种研究人脑生化变化的非侵入性方法，广泛用于临床，研究各种体内神经代谢物，如γ-氨基丁酸、谷氨酸+谷氨酰胺或N-乙酰天冬氨酸[73]。已经报道了一些研究使用MRS来评估脑的主要代谢物的昼夜变化。有研究发现时间对1H-MRS 体外测量的影响并不显著[74]。VOLK 等[75]通过1H-MRS 技术评估16 名健康年轻人的脑代谢情况，发现左侧顶叶的谷氨酸+谷氨酰胺在一夜之后显著减少，而其他代谢物没有显著变化。ARM 等[76]在10 名健康受试者中使用MRS 的二维局部相关光谱技术评估后扣带皮层中多种代谢物的昼夜变化，观察到多种代谢物的浓度从早上到中午再到下午呈逐渐增加的趋势，但没有发现γ-氨基丁酸浓度的昼夜变化。大脑的这些神经代谢物在一天的晚些时候似乎比早些时候浓度更高，这可能与睡眠过程可以清除一些体内的神经代谢物有关。

以上文献表明MRS可以检测神经代谢物水平的昼夜变化。因此，在进行MRS 研究时应考虑一天中的时间。

2.5 ASL技术

ASL 技术以动脉血中自由扩散的水分子作为内源性示踪剂，使组织灌注可视化，可定量、无创地测量脑血流[77]。ELVSÅSHAGEN 等[78]在正常的睡眠觉醒周期下采用ASL技术研究38名健康成年人发现与早晨相比，晚上时双侧海马、杏仁核、丘脑和感觉运动皮质的脑血流显著升高。然而并非所有研究的结果都一致，HODKINSON等[52]分别在上午和下午采用ASL技术对13名健康成年男性进行扫描发现与早上相比，在默认网络核心区域中下午的脑血流显著下降。ASL 检测脑血流的昼夜变化尚未得到充分研究，仍需要未来的研究进一步探索。

3 小结与展望

多模态MRI的运用使大脑结构和功能的昼夜变化从宏观及微观多个角度进行了研究，能够全面了解时间因素对神经影像学研究的影响，能够更好地了解大脑生理学并为睡眠医学提供新的见解。具体来说我们概述了昼夜节律对大脑结构、功能、代谢的普遍性影响。由于生物钟的存在，大脑的宏观结构、脑白质微观结构、神经元活动、大脑代谢以及脑血流在一天中都会发生变化，但是目前报道的结果存在不一致，因此仍然需要进一步的研究来明确大脑生理功能的具体昼夜变化情况。现有研究仍存在不足：（1）大多数研究仅关注了白天的时间点而没有对夜间的时间点进行研究；（2）多数研究仅重复扫描了一天中的2～3个时间点，鲜有研究能够重复扫描一天中多个时间点，这使得我们无法了解大脑生理在一天中的变化趋势；（3）由于对志愿者重复多次进行MRI 扫描的成本比较大，目前多数研究的样本量较小，未来可以增加样本量来增加结论的可靠性。总之，一天中的时间是一个会影响神经科学研究的生物学因素，一天的时间依赖性的大脑生理变化可能会导致神经影像学研究结果的可靠性降低，因此迫切需要在未来的神经影像学研究中考虑数据采集的时间。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：戴慧设计本研究的方案，对稿件重要内容进行了修改，获得了国家自然科学基金项目的资助；邢寒棋起草和撰写稿件，获取、分析和解释本研究的文献，对稿件重要内容进行修改；全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本研究的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。