急性睡眠剝奪時程對青年男性軍人腦認知功能的影響*

李 晨劉 康陳 濤

①中國.中國人民解放軍第153中心醫院(河南鄭州) 450042 E-mail:pearorange2008@126.com ②解放軍第456中心醫院神經內科暨濟南軍區神經疾病專科中心(山東濟南) 250033 ③解放軍第91中心醫院全軍精神疾病防治研究所 △通訊作者 E-mail:lllkkkjjj12345@sina.com

·論 著·(職業心理)

急性睡眠剝奪時程對青年男性軍人腦認知功能的影響*

李 晨①劉 康②△陳 濤③

①中國.中國人民解放軍第153中心醫院(河南鄭州) 450042 E-mail:pearorange2008@126.com ②解放軍第456中心醫院神經內科暨濟南軍區神經疾病專科中心(山東濟南) 250033 ③解放軍第91中心醫院全軍精神疾病防治研究所 △通訊作者 E-mail:lllkkkjjj12345@sina.com

目的:研究急性睡眠剝奪(SD)不同時程對腦認知功能的影響。方法:76例軍醫大學男性健康志愿者學員,接受48小時持續睡眠剝奪,全程進行腦電監測,每12小時進行事件相關電位、記憶分離加工檢測。結果:①記憶測試:睡眠剝奪后外顯記憶成績(F=65.5732,P=0.0001)、內隱記憶成績(F=44.3333,P=0.0001)均較基線出現顯著性差異;②事件相關電位(ERP):睡眠剝奪后ERP潛伏期(F=61.0453～244.0524,P=0.0001)及波幅(F=10.5511～23.9379,P=0.0001)較基線出現顯著性差異;③腦電非線性動力學分析:睡眠剝奪后關聯維度(F=133.9194,P=0.0001)、近似熵(F=11.4091,P=0.0001)均較基線出現顯著性差異。結論:急性睡眠剝奪將會阻礙腦認知信息加工過程,促使外顯及內隱記憶消退,使得腦神經元信息網絡呈現更復雜的混沌模式,上述效應隨SD時程不同而程度各異。

軍事人員;急性睡眠剝奪;事件相關電位;外顯記憶;內隱記憶;非線性動力學分析;腦電圖

伴隨著高科技武器裝備的廣泛應用,現代化戰爭對參戰人員的身心素質提出了更高要求。睡眠剝奪(sleep deprivation,SD)是戰時環境下的常見現象[1],需要參戰人員在承受更高腦力負荷的背景下,保持心理結構穩定,從而保證軍事作業績效。目前國際上對軍事領域內睡眠剝奪所致生理/心理障礙,及其防護對策研究已經較為廣泛[2-5],國內該領域內此類研究尚顯局限[6-7]。本課題組招募睡眠剝奪48小時的男性軍人志愿者,擬通過事件相關電位、記憶加工分離測試、腦電非線性分析等多種手段,評估睡眠剝奪不同時程的腦認知功能變化,以期為睡眠剝奪的科學組訓及防護對策研究積累資料。

1 對象與方法

1.1 對象

研究對象76例,來自2011年6月-2015年6月在解放軍第153中心醫院實習的軍醫大學男性學員。年齡23～27歲,平均(24.1±1.1)歲;身高163～191cm,平均(174.4±7.1)cm;體重62～93Kg,平均(67.8±10.2)Kg。入選標準:①右利手;②基礎體檢合格;③保持規律作息至少6個月;④無煙酒嗜好,無咖啡、茶葉、可樂等飲用習慣;⑤近1月內未服用任何藥物;⑥無頭部外傷史;⑦無癲癇病史、精神疾患史。所有受試者均自愿參加本臨床研究,并簽署知情同意書。本研究經醫院倫理委員會批準。

1.2 方法

1.2.1 事件相關電位(event related potentials, ERP) ERP作為人腦認知或心理活動的客觀指標,是表述腦信息分析過程的皮層認知電位;其中P300是應用價值最廣、系統性和理論成熟度最高的技術手段之一[8]。

本研究應用上海海神NDI-092型電生理檢診儀,實驗設置如下:①電極安放:按照國際腦電圖學會10-20標準方法,測量電極置于額正中點(Fz)、中央中點(Cz)、頂中點(Pz),參考電極置于聲刺激同側耳垂(R1或R2),額極中點安置基線電極(Fpz)。皮膚電阻低于5千歐;②檢查環境:檢查在屏蔽隔音暗室(2～5 lx微光)中進行,受試者取坐位,全身放松,保持清醒及注意力集中;③信號編制:采用聽覺雙通道主動型“ODDBALL”刺激模式,設定靶刺激2000Hz/70dB,非靶刺激500Hz/70dB,靶:非靶=5:1,刺激頻率0.7c/s,持續10ms,靈敏度1μV,掃描100ms,靶刺激疊加50次終止。

1.2.2 記憶的加工分離程序(process dissociation procedure,PDP) PDP是認知心理學界公認的,用以區分外顯記憶與內隱記憶的高效方法[9]。由于此方法并不需要實時評估受試者的回憶、再認等外顯記憶特征,從而減少了外顯記憶與內隱記憶相互干擾的程度。

本研究中,研究者通過如下步驟編制試驗素材:①利用計算機,從《現代漢語大詞典(第六版)》中篩選出無明確褒貶色彩的中性詞,形成備選詞庫;②從備選詞庫中隨機抽取60個詞;③隨機排列生成詞序不同的“基線”、“研究”、“干擾”3類表單,其中“基線”表單供受試者開始試驗時使用,“研究”表單供其睡眠剝奪后使用,“干擾”表單同步使用以增加作業難度。為了排除重復利用同一表單繼發的學習效應,特此隨機生成4種表單“研究I-IV”、“干擾IIV”,供受試者在睡眠剝奪4個記錄時間點使用;④將每個記憶表單再隨機平均分配,選取相應詞干形成包含測試表和排除測試表;⑤為了避免實驗人員音質、語速等不同可能產生的系統性誤差,特此由同一人朗讀所有記憶表單,并錄音制作成音頻文件。

本研究PDP測試過程如下:①受試者聽取“基線”表單錄音,進行記憶學習15分鐘,隨即進行包含測試和排除測試。包含測試要求受試者根據詞干回憶剛才聽過的詞,或者最先想到的詞;排除測試要求受試者根據詞干回答第一個但不是最先想到的詞;②睡眠剝奪每個時間記錄點,相應完成“研究IIV”和“干擾I-IV”表單的包含測試及排除測試,方法同上。

1.2.3 腦電信號非線性動力學分析 腦電信號的非線性動力學分析,是對原始電信號經計算機賦值處理后,進行數據重建;通過分析數據的混沌自由度,描述皮層神經元網絡的節點耦聯及信息交互復雜程度,從而反映大腦皮層意識狀況及信息加工效率。本研究選取的主要指標是關聯維[10](correlation dimension,D2),以及近似熵[11](approximate entropy,ApEn)。其數值越高,表明原始腦電信號的復雜性(各向異性)越顯著,越趨于混沌不可測狀態,信息交互過程越活躍,因此腦高級智能活動也越強。

研究采用ZN16E型無線高頻腦電放大器(頻帶0.3-100Hz,采樣500Hz,模擬/數字轉換12位數),按照國際標準導聯10-20系統放置16導聯,全程記錄FP1、FP2、C3、C4、O1、O2、T3、T4的48小時腦電信號,參考電極置于雙側耳垂。非線性動力學分析軟件及算法來自解放軍總醫院神經信息中心,原始數據處理由解放軍第456醫院濟南軍區神經疾病專科中心完成。

1.3 施測過程

試驗前受試者需要熟悉測試程序,正確理解指導語。實驗前1周不安排高強度體力及腦力勞動,保持規律作息。試驗前2天受試者均在實驗室進行夜間睡眠,以熟悉測試環境。試驗當日8時開始在監督下進行睡眠剝奪,首先進行生理指標、ERP、PDP測試,結果作為基線;此后在12小時、24小時、36小時、48小時再次測試,其間受試者可以讀書、看電視、聽音樂,但不可進行劇烈體力活動;監督者需要密切觀察受試者反應及腦電波形,稍有睡意時應及時喚醒。試驗采用自身對照,所有結果均與基線進行比較。

1.4 統計處理

全部計量資料以(±s)表示,基礎生理指標、記憶測驗、事件相關電位、腦電非線性動力學分析結果均用F檢驗方法,以P＜0.05做為存在統計學的顯著性差異。所有數據分析均利用SPSS 17.0統計軟件。

2 結 果

2.1 基礎生理指標

基礎生理指標分析顯示,睡眠剝奪12小時后平均動脈壓較基線顯著性增高;24小時后舒張壓、平均動脈壓、心率較基線顯著性增高,血氧飽和度較基線顯著性降低;36小時及48小時后收縮壓、舒張壓、平均動脈壓、心率均較基線顯著性增高,血氧飽和度顯著性降低,見表1。

表1 睡眠剝奪不同時間點下受試者基礎生理指標比較(n=76,±s)

表1 睡眠剝奪不同時間點下受試者基礎生理指標比較(n=76,±s)

注:與基線比較,*P＜0.05,**P＜0.01,下同

時間SBP(mm Hg)DBP(mm Hg)MAP(mm Hg)HR(次/分)Sp O2(%)基線116±13 71±5 88±7 67±8 98.1±0.9 12h 115±14 72±8 91±9*68±10 98.3±0.6 24h 119±9 76±5**92±5**72±8**97.6±0.8**36h 121±11*78±7**94±7**79±6**95.9±0.9**48h 124±17**77±14**98±13**77±11**95.7±1.4**F5.9930 10.2674 14.0590 27.9325 126.2795P0.0001 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001

2.2 記憶測試結果

記憶測試結果顯示,①所有被試在睡眠剝奪前外顯及內隱記憶均存在(基線水平);②睡眠剝奪12小時后內隱記憶成績與基線存在顯著性差異,提示內隱記憶減退;③24小時后測試命中率、外顯記憶成績均較基線存在顯著性差異,提示外顯記憶減退;④36小時、48小時后測試命中率、外顯記憶及內隱記憶成績均較基線存在顯著性差異,提示這兩個時點的外顯及內隱記憶均減退,見表2。

2.3 ERPs結果

事件相關電位結果顯示,①睡眠剝奪12小時后P300的潛伏期較基線顯著性延長;②24小時、36小時、48小時N1及P300潛伏期均較基線顯著性延長;③36小時、48小時N1及P300波幅均較基線顯著性降低,見表3和表4。

2.4 腦電非線性動力學分析

腦電非線性動力學分析顯示,①睡眠剝奪12小時后關聯維較基線顯著性降低;②24小時、48小時后關聯維、近似熵均較基線顯著性降低;③36小時關聯維及近似熵較基線顯著性增高,見表5。

表2 睡眠剝奪不同時間點下受試者記憶測試結果比較(n=76,±s)

表2 睡眠剝奪不同時間點下受試者記憶測試結果比較(n=76,±s)

時間項 目包含測試命中率排除測試命中率外顯記憶成績內隱記憶成績基線基線表0.36±0.06 0.25±0.07 0.15±0.05 0.07±0.03 12h研究表I 0.34±0.07 0.26±0.06 0.14±0.07 0.03±0.01**干擾表I 0.19±0.02 0.11±0.03 24h研究表II 0.33±0.09*0.22±0.09**0.13±0.05*0.07±0.04干擾表II 0.22±0.03 0.12±0.04 36h研究表III 0.23±0.08**0.14±0.06**0.09±0.08**0.04±0.03**干擾表III 0.16±0.05 0.09±0.02 48h學習表IV 0.11±0.09**0.07±0.05**0.02±0.01**0.03±0.01**干擾表IV 0.08±0.02 0.04±0.01F133.5498 109.9824 65.5732 44.3333P0.0001 0.0001 0.0001 0.0001

表3 睡眠剝奪不同時間點下受試者ERPs潛伏期比較(n=76,單位:ms,±s)

表3 睡眠剝奪不同時間點下受試者ERPs潛伏期比較(n=76,單位:ms,±s)

時間N1_Cz N1_Fz N1_Pz P300_Cz P300_Fz P300_Pz基線104±17 102±16 107±17 313±42 311±39 317±36 12h 109±15 107±21 111±19 334±25**342±18**329±20*24h 116±24**114±27**119±31**357±33**351±32**364±32**36h 132±32**136±37**135±26**382±49**389±43**372±33**48h 162±28**167±34**160±25**442±18**427±21**458±31**F71.9614 68.7385 61.0453 152.3124 148.3466 244.0524P0.0001 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001

表4 睡眠剝奪不同時間點下研究人群ERPs波幅比較(n=76,單位:μv,±s)

表4 睡眠剝奪不同時間點下研究人群ERPs波幅比較(n=76,單位:μv,±s)

?

表5 睡眠剝奪不同時間點下受試者腦電圖非線性動力學結果比較(n=76,±s)

表5 睡眠剝奪不同時間點下受試者腦電圖非線性動力學結果比較(n=76,±s)

時間D2 Ap En基線4.96±0.54 0.81±0.22 12h 4.67±0.42**0.72±0.24 24h 4.12±0.45**0.67±0.49**36h 5.55±0.29**0.98±0.56**48h 3.87±0.72**0.62±0.09**F133.9194 11.4091P0.0001 0.0001

3 討 論

本研究顯示,隨著睡眠剝奪時程延長,受試者血壓、心率升高,血氧飽和度降低,這一結果符合生理規律,與現有研究并無差異[12],茲不贅述。70%以上的記憶需通過意識主導信息學習及提取過程,體現為外顯記憶;在潛意識狀態下完成的類似過程稱為內隱記憶。二者在腦認知活動中的作用不同,外顯記憶主要側重于對外界復雜信息的判斷評估,內隱記憶則側重于思維模式的構建進化,因此識別記憶類型有其現實意義[13]。本研究顯示,睡眠剝奪將導致外顯及內隱記憶顯著性減退,并且這種減退效應呈現非同步化趨勢,睡眠剝奪12小時后僅有內隱記憶減退,24小時僅有外顯記憶減退,36小時及48小時才出現二者同時減退。這一結果提示睡眠剝奪對記憶分離程序存在阻礙作用,其具體過程可能是與時間相關的非線性效應,有必要進行更為深入的研究。

ERPs的觀察位點主要是N1和P300[14],前者為刺激定勢,為非特異性激活過程,反映腦對傳入刺激的被動反應及早期加工過程[15];后者為反應定勢,為特異性激活過程,其產生依賴于意識主導的注意力投射[16],反映腦對N1窗位信息的再加工及決策過程,是外顯記憶產生的基礎。ERPs主要評測指標是潛伏期和波幅,前者為腦對外界信息刺激的反應時間,其數值取決于刺激識別及決策呈現的總時間[17];后者為腦信息加工的效率(數量),其數值取決于意識捕獲的信息數量及注意程度變化[18];二者呈現反變關系。本研究顯示,睡眠剝奪12小時后P300潛伏期即顯著性延長,24小時后N1及P300潛伏期均顯著延長,36小時后其波幅也顯著降低;提示急性睡眠剝奪對腦認知信息加工過程也產生阻礙作用,此種作用同樣存在時間相關性,可能首先表現為腦反應速度減慢,繼而信息處理效率下降。

本研究利用非線性腦電分析技術,進一步探究上述PDP及ERPs結果的神經電生理學機制。非線性指數具有準確識別腦電爆發-抑制聯動過程,對記錄偽差不敏感,個體內及個體間穩定性高的特點,較之常規腦電分析手段,能夠成為反映意識狀態的優良客觀指標[19]。本研究結果顯示,在睡眠剝奪12小時僅有D2降低,在24及48小時出現D2及Ap En降低,而在36小時D2及Ap En增高,表明它們并不存在典型的共變趨勢。我們有理由推測,隨著睡眠剝奪時程的延長,腦神經元信息加工過程并非呈現單一加強或抑制的線性模式,而是表現為非線性的復雜變化。

綜上所述,本研究定量描述了睡眠剝奪不同時間后腦認知活動的變化,以期在軍事訓練、心理防護等現實對策方面提供一定科學依據。受文章篇幅所限,本文未能涉及受試者情緒反應、人格特征、應對方式等心理因素對睡眠剝奪后認知活動的影響。

(志謝參與本研究的以下研究者:牛文書、張金焱、孟改、張振紅、李志運、陳梅、鄭世杰、呂蒙蒙、馬勇、趙曉娜、李明亮、汪志立、賈超群、段培楠、許文杰、趙芳)

[1]王麗杰,劉煒,唐杰,等.維和軍人軀體化癥狀:中國與巴基斯坦軍人之表現與影響因素[J].中國健康心理學雜志,2013,21(6): 841-843

[2]Olsen O K,Pallesen S,Torsheim T,et al.The effect of sleep deprivation on leadership behaviour in military officers:An experimental study[J].J Sleep Res,2016 May 27

[3]Eickhoff E,Yung K,Davis D L,et al.Excessive Video Game Use, Sleep Deprivation,and Poor Work Performance Among U.S.Marines Treated in a Military Mental Health Clinic:A Case Series [J].Mil Med,2015,180(7):e839-843

[4]Wickens C D,Hutchins S D,Laux L,et al.The Impact of Sleep Disruption on Complex Cognitive Tasks:A Meta-Analysis[J]. Hum Factors,2015,57(6):930-946

[5]Waits W M,Ganz M B,Schillreff T,et al.Sleep and the use of energy products in a combat environment[J].US Army Med Dep J, 2014 Oct-Dec:22-8

[6]鄧自和,陳玖,吳興曲,等.36小時睡眠剝奪對青年軍人表象旋轉加工機制的影響[J].中國健康心理學雜志,2013,21(2):234-236

[7]薛越,慈書平,陳大倉,等.新疆北部寒區241名駐城鎮軍人冬季睡眠異常及相關狀況調查分析[J].臨床軍醫雜志,2010,38(1): 113-116

[8]肖英霞.P300與認知加工:方法、機制和應用[J].中國健康心理學雜志,2015,23(9):1425-1430

[9]Park J L,Donaldson D I.Investigating the relationship between implicit and explicit memory:Evidence that masked repetition priming speeds the onset of recollection[J].Neuroimage.2016 Jun 9;139:8-16

[10]Kalauzi A,Vuckovic A,et al.Topographic distribution of EEG alpha attractor correlation dimension values in wake and drowsy states in humans[J].Int J Psychophysiol,2015,95(3):278-91

[11]Cao Y,Cai L,Wang J,et al.Characterization of complexity in the electroencephalograph activity of Alzheimer's disease based on fuzzy entropy[J].Chaos,2015,25(8):083116

[12]石亞君,王晉麗,楊庭樹,等.整夜完全睡眠剝奪對某部隊軍人動態血壓的影響[J].中國心血管雜志,2012,17(2):205-208

[13]Trewartha K M,Flanagan J R.Distinct contributions of explicit and implicit memory processes to weight prediction when lifting objects and judging their weights:An aging study[J].J Neurophysiol,2016 Jun 15-17

[14]張焱,貢京京,宋華淼.事件相關電位在腦力疲勞研究中的應用[J].中國健康心理學雜志,2014,22(9):1437-1439

[15]賈婷,陳玖,楊來啟,等.難治性與一般性抑郁癥患者沖突性負波的對比研究[J].中國健康心理學雜志,2013,21(11):1619-1621

[16]王喜蘋,蘇亮,蔡亦蘊,等.強迫癥患者認知電位P300研究的Meta分析[J].中國健康心理學雜志,2015,23(9):1281-1285

[17]甘景梨,梁學軍,馮納婷,等.軍人創傷后應激障礙探究性眼動與事件相關電位分析[J].中國健康心理學雜志,2014,22(6):804-806

[18]梁靜,曾波濤,孟祥軍.首發抑郁癥患者認知功能與事件相關電位P300研究[J].中國健康心理學雜志,2015,23(2):172-175

[19]張艷艷.近似熵理論及應用[J].中國醫學物理學雜志,2009,26 (6):1543-1546

Effects of Acute Sleep Deprivation on Brain Cognitive Function in Young Male Military Volunteer

LI Chen,LIU Kang,CHEN Tao
Department of Neurology,No.153Central Hospital of PLA,Zhengzhou450042,China

Objective:To research the effects of acute sleep deprivation(SD)on the cognitive function.Methods:76 military medical university male trainees officers,as the healthy volunteers,were received by the 48-hours sleep deprivation.They should been carried out to measure the Event-Related-Potentials(ERPs)and memory processdissociation-procedure(PDP).Results:The explicit and implicit memory scores were lower significantly than the baseline(F=44.3333～65.5732,P＜0.001).The incubation period of ERPs was longer significantly than the baseline (F=61.0453～244.0524,P＜0.001),and the amplitude of ERPs was lower than the baseline(F=10.5511～23.9379,P＜0.001).Conclusion:The effects of acute sleep deprivation may delay the initiation of cognitive processes in the brain,prompt the explicit and implicit memory fading,and present the more complex chaotic model in the process of information processing of brain.

Military personnel;Acute sleep deprivation;Event related potential;Explicit memory;Implicit memory;Nonlinear dynamics analysis;Electroencephalogram

R395.6

A

1005-1252(2017)02-0195-05

10.13342/j.cnki.cjhp.2017.02.011

2016-11-24)

http://www.cjhp.com.cn/

全軍“十二五”計劃重點項目(編號:BWS11J002)下屬課題“軍事特勤人員睡眠覺醒和認知功能狀況調研”