睡眠剥夺后皮层微结构的广泛变化

大脑皮层的微观结构受到昼夜节律和睡眠剥夺的影响，但这些影响的确切基础尚不清楚。t1加权和t2加权磁共振图像之间的比率(T1w/T2w比率)与髓磷脂水平和树突密度有关，这可能为研究睡眠剥夺大脑的皮质内微观结构提供新的见解。在这里，我们检测了41名健康青年(26名女性)在睡眠剥夺(n = 18)或正常睡眠-觉醒周期(n = 23)前后32小时的皮质内T1w/T2w比值。线性模型显示，在32小时后，四组患者的T1w/T2w比值变化有显著的组间差异，包括岛叶、扣带回和颞上皮质的双侧效应，包括涉及注意、听觉和疼痛处理的区域。在整组中，睡眠剥夺组T1w/T2w比值增加，而正常睡眠-觉醒组T1w/T2w比值降低。这些变化不能用扫描仪内头部运动来解释，在调整皮质厚度和水合作用后，簇间95%的影响仍然显著。与正常的睡眠-觉醒周期相比，32小时的睡眠剥夺使皮质内T1w/T2w比值增加。虽然本研究检测到的皮质内变化可以反映髓磷脂或树突密度的变化，或两者的变化，但需要组织学分析来明确具体的皮质过程。

1. 简介

睡眠不足会导致认知和情感处理的缺陷，经常在神经退行性疾病和精神病患者中出现。长期睡眠不足在情绪和焦虑障碍中也很常见。矛盾的是，急性睡眠剥夺在一些患者中具有有趣的抗抑郁作用，在大约32小时后达到峰值。啮齿动物研究结果表明，急性睡眠剥夺与涉及髓磷脂和树突棘的大脑皮层结构改变有关。然而，我们对睡眠剥夺对人类影响的皮层机制缺乏清晰的理解。

利用磁共振成像(MRI)衍生指数，一些人类研究报告了急性睡眠剥夺后的皮质变化。一个晚上不睡觉与岛叶和顶叶皮层的体积减小以及内侧顶叶皮层的厚度减小有关。然而，对潜在机制的解释受到这些措施的宏观结构性质的限制。利用弥散加权成像(diffusion-weighted imaging, DWI)等微观结构成像技术，有研究报道了睡眠剥夺对白质通路的影响。这包括径向扩散系数(RD)的改变，这与髓鞘完整性有关。DWI也被用于测量睡眠剥夺对大脑皮层的影响，显示大脑皮层平均扩散系数(MD)下降。然而，大脑皮层MD变化的神经生物学相关性是复杂的，并没有很好地理解。

皮质内显微结构的另一个指标是t1加权图像与t2加权图像的比值(T1w/T2w比值)。T1w/T2w比值的区域性变化已被发现与组织学来源的髓磷脂水平的变化有关，最近还与树突密度有关。在等待进一步组织学比较的同时，T1w/T2w比值可能对剥夺睡眠后啮齿类动物的皮质内特性敏感。有趣的是，最近的一项横断面研究报告了在的几个皮层区域，T1w/T2w比率与自我报告的睡眠质量和睡眠时间之间的关联。虽然存在相关性，但这些发现可能表明，T1w/T2w比值对睡眠相关过程很敏感。因此，测试急性睡眠剥夺是否会导致T1w/T2w比值的改变，可能有助于阐明睡眠剥夺对人类影响的潜在基础。

在这项研究中，我们使用T1w/T2w比值来研究清醒和睡眠32小时对皮层微观结构的影响。总共有41名健康的年轻成年人在睡眠剥夺(n = 18)或正常的睡眠-觉醒周期(NSW, n = 23)前后进行了核磁共振检查。最近的研究报道了时间对其他MRI模式的影响，我们的目的是通过比较32小时睡眠剥夺对NSW的影响来控制这种影响。为此，我们首先估计了两次MRI扫描的受试者内部变化，然后评估了睡眠剥夺组和NSW之间是否存在显著差异。基于(i)睡眠剥夺与髓磷脂和树突改变之间的联系，以及(ii) T1w/T2w比值对后者微结构过程的敏感性，我们假设两组在T1w/T2w比值方面会出现显著不同的变化。为了减少潜在的混杂因素，我们监测了一些时间线索信号，如食物摄入量、咖啡因摄入量、体育活动和暴露在蓝光下。为了评估皮质变化的潜在功能相关性，我们还探索了T1w/T2w比值与嗜睡和注意力缺失之间的关系。

2. 方法简述

2.1 实验设计

图1展示了研究设计的概述。由于时间限制和减少受试者的紧张，仅在第一次和最后一次MRI扫描时获得T1w/T2w比值所需的t2加权MRI。受试者于第一天上午在Rikshospitalet的奥斯陆大学医院(Oslo University Hospital)时间点1 (TP1)接受了第一次MRI扫描。他们在自己家里规律地睡了一夜(大约上午9点)后空腹到达。在医院度过一天之后，参与者完成了他们的第二次核磁共振扫描(晚上8点左右)，并被随机分为两组:一组回家睡觉(NSW组)，另一组晚上在医院保持清醒(睡眠剥夺组)。早上，NSW组返回，两组都进行了第三次MRI扫描(大约上午8点)。然后他们在医院度过了第二天。最后一次扫描在研究开始约32小时后的下午进行(TP2时间下午4点左右)。

图1 研究方案概述。参与者在一晚睡眠后的早上(时间点(TP)1)和在第二天下午(TP2)在32小时的正常睡眠-觉醒或完全睡眠剥夺后进行MRI扫描，包括T1w-和T2w扫描。

在每次扫描后，从每个参与者身上获取血液样本，分析红细胞压积，以估计水合水平。参与者在研究助理的陪同下遵循标准化的活动计划。为了确保在MRI扫描过程中没有人睡着，在扫描仪孔内使用了一个摄像头来监测参与者的眼睛。

2.2 睡眠习惯评价

在研究开始前七天，参与者通过自我报告和活动记录仪记录他们的睡眠模式。NSW组的参与者也记录了他们在研究当晚的睡眠模式。自我报告的数据通过每天10个项目的半结构化睡眠日记记录下来，该日记评估了睡眠相关的行为和质量。该量表也进行了修改，包括咖啡因摄入量和尼古丁摄入量两项。此外，参与者还完成了五份关于他们睡眠习惯的标准化问卷:卑尔根失眠量表，爱普沃斯睡眠量表，匹兹堡睡眠质量指数和霍恩-Østberg晨昏问卷。这些问卷分别测量失眠相关症状、白天嗜睡、睡眠质量和睡眠类型。

2.3 评估急性嗜睡和警觉性

在整个研究过程中，每次扫描和每隔一小时，参与者都要完成卡洛琳斯卡困倦量表(KSS)，这是李克特9分量表中对困倦程度的一项自我报告评级。

2.4 MRI采集及处理

成像在3t Siemens Magnetom Prisma扫描仪(Siemens Healthcare, Erlangen, Germany)上使用32通道头线圈进行。

T1w/T2w图是使用人类连接组项目(HCP)处理管道(https://github.com/Washington-University/Pipelines)创建的，包括使用FreeSurfer版本5.3 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)进行处理，类似于由Grydeland和同事完成的处理。T1w体积除以对齐的和样条插值的T2w体积，得到T1w/T2w体积比。对于T1w/T2w区域图，采用多模态分区法将每个大脑半球划分为180个区域。T1w/T2w值取自皮层地幔中部附近三个皮层深度的白质/灰质边界(进入皮层的30%、50%和70%)。

3. 结果

3.1 睡眠模式评价

两组之间在人口统计特征或睡眠-觉醒特征上没有差异。所有的参与者在过去的一周中每晚大约睡7个小时，通过自我报告和活动检测仪的测量得到了证实。对于NSW组，研究的第一天和第二天的晚上总睡眠时间与研究开始前的晚上没有显著差异。从各组来看，与每周平均睡眠时间相比，参与者在研究前一晚的睡眠时间明显缩短。当比较研究前一晚组间每周平均值时，我们发现睡眠时间的主要影响，但对组没有影响，也没有交互影响。因此，随机抽样的结果是，在研究开始前，各组的睡眠时间相似。

3.2 32h睡眠剥夺与正常睡眠觉醒对皮层微结构的影响

在水合作用或扫描头运动方面，TP1到TP2的变化在两组之间没有差异。如图2A, B所示，组间比较显示四个皮质团在TP1到TP2的T1w/T2w比值变化上存在显著差异，右半球(RH)的roi为37%，左半球(LH)为16%。具体来说，在不同簇中，睡眠剥夺组T1w/T2w比例增加，而NSW组下降。在RH，两个聚类共有66个区域，主要分布在岛叶、扣带、顶叶和颞上皮质，而LH在两个簇中有28个区域，主要分布于岛叶、扣带回、颞上皮质和内侧额叶皮质。这些结果表明，睡眠剥夺组和NSW组的两次MRI扫描的受试者内部变化有显著差异。

图2 正常睡眠-觉醒(NSW)或睡眠剥夺32小时后，皮质内T1w/T2w比值改变

第一个敏感性分析显示，在控制水合作用和皮质厚度时，每个皮质簇的组间差异仍然显著，除最小的簇外，初始效应最低。为了评估结果是否受到睡眠剥夺组中某一参与者的不当影响，该参与者在四组中的三组中显示了高聚类值(见图2Bi)，我们排除了该参与者，并重新进行了组比较。如图S2所示，结果与主分析相似，有4个聚类，分别在RH和LH中由77个区域和14个区域组成，显示了组间差异。RH组的Hedge s g分别为0.96和0.70,LH组分别为0.83和0.84。

如图3所示，每个组的效应强度存在区域差异。具体来说，NSW组在内侧顶叶区域、梭状回和后扣带皮层表现出更强的减少，而睡眠剥夺组在前扣带皮层以及外侧和内侧额叶区域表现出更强的增加。正如neurosynth.org所确定的那样(图4)，观察到的变化涉及的区域与注意力、听力、运动和疼痛密切相关。

图3 右半球(RH，左侧)和左半球(LH，右侧)对正常睡眠-觉醒(NSW)或睡眠剥夺敏感性的区域差异。

图4 基于NeuroSynth跨组元分析地图的相关性的词云。

为了评估显示组间差异的RH区域较多是否部分由于阈值效应，我们总结了LH区域的p值，这些p值仅在RH区域显著。在这38个LH区域中，p值中值为0.10(最小最大值为0.02-0.55)，表明部分LH区域可能具有更高的统计学效力。

评估皮质深度影响的敏感性分析，如图5所示，使用30%和70%皮质深度提取的T1w/T2w比值值，发现了显著的组间差异。与50%深度的结果相比，在30%深度，组间显著差异的区域数量略高(97个RH区域和29个LH区域)，而在70%深度显著差异的区域数量略低(47个RH区域和14个LH区域)。

图5 作为皮层深度(p值)的函数的表面地图。

3.3 皮层微结构变化与嗜睡和注意力的关系

主观睡意和客观测量的32小时注意过失的差异见图S3，变化值的分布见图S4。两组之间主观嗜睡程度的变化不同(见表1)，睡眠剥夺组在TP2时表现出嗜睡程度增加(KSS更高)。注意失误的变化没有组间差异。来自PVT的其他注意力测量方法，即中位RT和RT方差，在警惕性方面显示了类似的组差异(见图S5)。

在fdr校正后，T1w/T2w比值变化与嗜睡和注意力缺失之间的相互作用分析未显示任何显著结果。

未校正的结果显示T1w/T2w比率的变化与嗜睡之间的关系(见图S6)，在9个区域的LH团簇中有影响，而其他团簇没有显示影响。这是由于睡眠剥夺组T1w/T2w变化与嗜睡变化呈负相关，而NSW组则相反，且相关性较弱。因此，在睡眠剥夺组中，T1w/T2w比值的增加与较低的主观睡意有关。

未校正的T1w/T2w比值变化和注意力缺失的结果(见图S7)显示，在4个区域的RH团簇中存在相互作用，而其他团簇没有显示影响。NSW组T1w/T2w变化与警觉性变化呈正相关，而睡眠剥夺组的相关性较弱。使用其他警戒措施的结果是相似的，只有4个区域的RH群集显示显著性或接近显著性的结果。

4. 讨论

本研究的结果表明，与NSW周期相比，32小时的睡眠剥夺会产生不同的T1w/T2w的皮质内变化。睡眠剥夺组与NSW组的差异在RH区域更为明显，但在两个半球的岛叶、扣带回和颞上皮质均有明显差异。这包括涉及注意力、听觉、运动和疼痛处理的区域。在各个区域，睡眠剥夺组的T1w/T2w比率增加，而NSW组的比率降低。这些影响不能用扫描仪内头部运动的估计来解释，它们存在于大脑皮层的不同深度，在调整皮质厚度和水合作用后，95%的影响仍然显著。虽然只是推测，但所观察到的皮质效应的候选神经生物学机制包括髓磷脂和树突密度，它们此前与T1w/T2w比值有关。

我们发现在双侧扣带、岛叶、颞上皮质以及右侧顶叶和左侧额中区T1w/T2w比值的变化存在组间差异。虽然这是第一项关于睡眠剥夺中T1w/T2w比值的研究，但这些结果与之前三项研究的结果重叠。第一项研究报告称，剥夺睡眠36小时后，主要是岛叶、顶叶、后扣带回、运动和体感皮质体积减小。第二项研究发现，睡眠剥夺24 h后，额叶极、额上回和额中回的灰质密度增加，颞极的体积和厚度减小。第三项研究报道了双侧内侧顶叶区厚度减少，但与NSW组相比，没有发现显著的时间交互作用组效应。因此，目前和以前的研究结果表明，急性睡眠剥夺与皮层改变有关，主要在额叶、颞叶、顶叶和岛叶皮层。目前的研究指出了双侧前扣带、颞上皮层(包括听觉皮层)和左内侧额叶区域的新效应。结果的差异可能反映了研究设计的差异，但也表明微观结构的T1w/T2w比值对清醒和睡眠剥夺的皮质内效应更敏感。

我们观察到在睡眠剥夺组T1w/T2w比值增加。需要进一步的组织学研究来阐明这些T1w/T2w比值变化的神经生物学基础，但它们可能与清醒相关的过程、昼夜节律机制或两种的组合有关。虽然清醒和睡眠的确切神经效应仍有待澄清，但突触稳态假说假设，清醒和睡眠分别与突触和树突密度的净增加和减少有关。与这一假设一致的是，动物自发和强制觉醒与树突分支和突触数量的增加有关，并减少突触修剪。因此，尽管只是推测，本研究中睡眠剥夺组的T1w/T2w比值的变化可能与清醒引起的突触和树突密度的增加有关。

睡眠剥夺后T1w/T2w比值增加的另一种解释是皮质髓磷脂的变化。T1w/T2w比值与皮层髓磷脂含量相关，多发性硬化症有髓皮质的T1w/T2w比值高于脱髓鞘皮质。

我们观察到NSW组的T1w/T2w比率从第一个研究日的上午到第二天下午下降。有几条证据表明，睡眠-觉醒是一个不分昼夜的活跃过程，可能涉及大脑微结构的改变。调节睡眠-觉醒的过程被认为是两个可分离但相互作用的过程:睡眠内环境稳定，随着清醒时间的增加，睡眠压力不断增加;以及昼夜节律，这是一个内在的24小时振荡周期，由暴露在日光下进行调节。

有趣的是，两组T1w/T2w比值的变化方向相反。同时需要进行MRI和组织学分析，以阐明规律的清醒长度(例如，从早上到下午)是否与睡眠剥夺引起的神经过程存在质的差异有关。觉醒长度与皮质改变之间的关系不一定是线性的。为了支持这一观点，一项研究观察到皮质厚度从早上到下午(2小时)下降，而另一项研究发现皮质厚度从早上到晚上(14小时)增加。此外，本研究中观察到的T1w/T2w比值的变化也可能反映了清醒诱发的神经过程与皮层昼夜节律之间可能存在的复杂和动态关系。

T1w/T2w比值组的差异包括与注意力过程有关的区域，这些区域是最先对睡眠剥夺做出反应的区域。然而，我们发现注意失误与T1w/T2w比值之间没有显著的关系。先前的研究报道了睡眠与剥夺睡眠后皮层厚度和皮层密度的变化之间的显著关联。与这些结果一致的是，我们发现在一个较小的团簇中，报告的嗜睡与T1w/T2w比率的变化之间存在微弱的关联，但这没有通过fdr校正。因此，尽管组间差异显示了睡眠剥夺的显著影响，但睡眠剥夺个体的皮质内T1w/T2w比值变化的功能后果仍有待阐明。

目前的研究提供的证据表明，与NSW相比，32小时的睡眠剥夺会导致皮层内微观结构的变化，其指标为T1w/T2w比值。这些效应是在与注意力、听觉、运动和疼痛处理相关的区域内观察到的，不能用扫描仪内头部运动的估计来解释，它受皮层厚度和水合作用的影响最小，并且存在于皮层的不同深度。T1w/T2w比值的变化可能反映髓磷脂或树突密度的改变，或两者都有，需要通过组织学分析来明确具体的皮质过程。

参考文献：Evidence for widespread alterations in cortical microstructure after 32 h of sleep deprivation