急性睡眠剥夺和慢性睡眠限制后个体调制睡眠稳态的压力增长

瑞士苏黎世大学的MaricAngelina、Huber Reto等人在Sleep杂志上发表了一项研究,用来解释急性睡眠剥夺、慢性睡眠限制对大脑的神经活动的影响及其与神经行为损伤的关系。

现代社会普遍存在慢性睡眠缺失的现象,每个人在睡眠缺失后表现出不同的症状,瑞士苏黎世医院大学的研究者,发现急性睡眠剥夺(ASD, acute sleep deprivation)和慢性睡眠限制(CSR, chronic sleep restriction)的慢波增长的程度在个体间的差异,并以此推测其与缺眠群体的认知功能损伤的关系。

研究者收集了14名健康被试,其中有9名有效数据,参加实验的被试分别进行了40小时的急性睡眠剥夺和7天每晚床上时间为5个小时的慢性睡眠限制,两种条件时间间隔为2个星期,在这个期间内进行一星期的每晚8小时的常规睡眠(睡眠手环控制),确保其睡眠状态的恢复。急性睡眠剥夺在实验室进行,慢性睡眠限制则是通过减少被试在自己床上的睡眠时间2小时。由于慢波的增长在不同脑区有差异,所以实验选择128导的高密度脑电帽,除此之外,被试还需要在清醒时进行警戒估计,该估计采用心理运动警戒任务(PVT; psychomotor vigilance task),记录视觉的警戒反应时,警戒任务中错失(反应时大于500 ms)能较为敏感的在ASD和CSR后的被试上体现。

所有被试在睡眠的时候用高密度电极帽记录EEG数据,慢波(SWA, slow waveform activity)增长与睡眠缺失关系十分密切,如非快速眼动阶段(NREM)的慢波活动,i.e. EEG在0.5-4.5的频段的强度代表了由于清醒时间过长的睡眠调控稳态的压力增长。

实验结果发现,实验发现了个体睡眠问题的调控稳态压力可以从慢波活动上观测出来,急性睡眠剥夺和慢性睡眠限制后大部分电极都有慢波增长的现象。在非快速眼动阶段的第一个小时的的慢波(图1 A )在ASD 后显著增强,而在CSR后没有显著增强的电极。由于非快速眼动阶段的时长在不同睡眠阶段的差异,研究者仅对在睡眠期间第一个快速眼动阶段的慢波活动进行分析(图1 B),发现在ASD后SWA在第一个非快速眼动阶段增强,而在CSR后只有在中央沟-顶叶和颞叶区域的电极有显著增强。而图1 C 表明所有电极在慢波初始增长时的平均增强强度,基于此实验表明,慢波增长在急性睡眠剥夺和慢性睡眠限制均有表现,并在广泛的大脑皮层上存在。

接着,研究者对比了两种睡眠剥夺的慢波在初始增强阶段时的增长强度,发现了ASD比CSR导致更多的慢波增长(图2A),因此ASD会比CSR产生更大的睡眠调控稳态的压力,发现了ASD的慢波的增长与CSR的慢波的增长显著正相关(图2B,C), 因此如果被试对ASD的反应更大,那么随之他对CSR的反应也会很大。

最后实验发现个体在急性睡眠缺失后表现出来的神经行为损伤也发生在慢性睡眠缺失后。SWA的增长和PVT错失的增长有着正相关,而且广泛存在于大脑皮层上。结果表明,在两种睡眠缺失条件下的慢波增长均与警戒错失有关,这也可能帮助我们解释不同个体在睡眠缺失后表现不同的原因,即个体对于睡眠缺失所引发的神经行为损伤的不同程度表现。

值得一提的是,实验结果发现SWA的时间窗对于研究慢性睡眠限制的影响十分重要,例如当在一个固定的时间窗内计算SWA 时,如果第一个非快速眼动期间的时长和第一个非快速眼动期间的N3的时长改变了,会导致这两种条件的SWA值的改变。因此在慢性睡眠限制后,处理时间窗的动态的变化尤为重要。如在快速眼动阶段的睡眠压力会与非快速眼动阶段的睡眠压力有交互作用,可能导致第一个非快速眼动阶段更短。在实验中研究员认为SWA在开始形成阶段的值发生偏向较少,因为它比较少的受到非快速眼动阶段的影响。实验因此

选择了这个时间窗--SWA 的初始阶段,这个阶段一方面反应了在慢波初始阶段的上升过程表明了维持清醒所积累的睡眠压力,另一方面慢波初始阶段的下降过程能反映在夜晚睡眠压力的消散。更大的时间窗-既包括SWA的初始增长阶段和后期降低阶段时,SWA的值可能是不准确的。

总结来说,个体的睡眠稳态调控反应—慢波的增长和急性睡眠缺失、慢性睡眠缺失有关,而且广泛存在于大脑皮层上。慢波的增长还和警戒任务的错失相关,这可能解释了不同个体在睡眠缺失后表现的差异,也帮助我们进一步理解个体由于睡眠缺失所影响的神经行为损伤程度。

图1慢波在急性睡眠剥夺和慢性睡眠限制后的活动增强,黑色圆点表示显著高于基线的电极位置。(A)在N2和N3睡眠阶段中第一个小时慢波活动增强。(B)在快速眼动第一个阶段时慢波增强。(C)慢波初始增长过程中的慢波的增强。

图2 显示SWA在急性睡眠剥夺和慢性睡眠限制后的相关与差异。黑点表明显著高于基线的电极位置。(A)表明两者的差异,急性睡眠剥夺后的慢波增长百分比–慢性睡眠限制后的慢波百分比(相较于基线)。(B)急性睡眠剥夺后的慢波增长和慢性睡眠限制后的慢波增长的皮尔逊相关系数拓朴图。(C)在B图中所有显著增长的电极在ASD和CSR后的慢波增长的相关图。

图3 慢波活动的增强与警戒任务错失增长的相关。(A)将ASD和CSR数据综合到一起后,慢波活动的增强和警惕任务错失的增长的皮尔逊相关系数的拓扑图,黑点表明显著高于基线的电极位置。(B)警戒任务错失的增长和(A图中ASD条件和CSR条件混合在一起的所有电极位置)SWA的增长的相关图,相同颜色表明同一被试,圆形代表ASD,三角形代表CSR。

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参考文献 :Maric A,Lustenberger C, Werth E, et al. Intra-individual increase of homeostatic sleeppressure across acute and chronic sleep loss: A high-density EEG study[J].Sleep, 2017.

原文发布于微信公众号 - 思影科技(siyingkeji)

原文发表时间:2017-08-18

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