個體行為的晝夜節律效應：來自華南地區的證據

麥子峰 孫 瑞 張 群 梁 華 馬 寧,2,3

(1 華南師范大學心理學院，廣州 510631) (2 華南師范大學心理應用研究中心，廣州 510631)(3 廣東省心理健康與認知科學重點實驗室，廣州 510631)

1 前言

晝夜節律（circadian rhythm），指有機體在不同水平的生命活動以大約24小時為周期的規律性變化（Wehr, 2001）。之前的研究發現，人類個體的主觀感受（困倦程度, 疲勞程度）（Mollicone,Van Dongen, Rogers, & Dinges, 2008），行為任務（注意、工作記憶、以及執行功能等）（Valdez,Ramírez, García, Talamantes, & Cortez, 2010; Ramírez et al., 2006; Ramírez, García, & Valdez, 2012; Burke,Scheer, Ronda, Czeisler, & Wright, 2015），以及生理指標（體溫, 血壓）（Wright, Hull, & Czeisler, 2002;Fabbian et al., 2013）均呈現出規律的變化。具體而言，個體的認知能力在7:00-10:00表現較差，在10:00-14:00逐漸提升，在14:00-16:00呈下降趨勢，16:00-22:00又開始逐漸提高（Valdez, Ramírez,& García, 2012）。

1982年，由Borbély所提出的雙過程模型（Borbély, 1982）為晝夜節律的變化規律做出了解釋。該模型認為，個體睡眠或覺醒的狀態是由自平衡過程（homeostatic process, S過程）和節律過程（circadian process, C過程）相互作用的結果。這兩個過程在一天的24小時中的變化體現為睡眠壓力的累積，睡眠壓力越大，個體困倦程度越高，警覺性越低，相應的認知行為能力也會下降。其中，S過程的變化受覺醒時間的影響，隨著個體覺醒時間的累積，帶來的睡眠壓力越大（?kerstedt et al., 2004），當睡眠壓力累積到一定程度時會誘發個體的睡眠狀態，在睡眠狀態時S過程的睡眠壓力也會隨之下降。與S過程不同，C過程的變化以約24小時為周期呈現出先上升再下降的變化趨勢 （Roenneberg & Merrow, 2005），它所帶來的睡眠壓力會在下午達到峰值，而在清晨和傍晚則較低。該模型在睡眠和日間警覺性的研究中有著廣泛的應用（Goel, Basner, Rao, & Dinges, 2013）。

已有的研究證明了個體的行為受到晝夜節律的調節，但由于不同生理和心理指標對外界影響因素的敏感性不同，內部調節機制也可能存在一定的差異，因此不同的指標對晝夜節律的敏感性也可能有所差別（Chellappa, Morris, & Scheer,2018）。比如，對于疲勞的測量，主要依靠個體對自身狀態的綜合評估，相比于客觀的行為任務，主觀評價的測量方法更容易受晝夜節律外的因素的干擾，如，生理狀況，情緒感受，動機，社交，以及外部環境因素等（Goel, et al., 2013）。這使得在其他因素的干擾下，很難僅僅通過主觀評估的方式，準確考察節律對個體的影響。同時，晝夜節律可能對不同的心理任務產生不同程度的影響。由于需要更多自上而下認知資源的投入，相比于基礎認知任務（如, 警覺性注意），個體在執行功能的相關任務的表現（如, 推理任務，抑制控制）對睡眠缺失效應的敏感性較低 （Lim &Dinges, 2010）。而在雙過程模型中，S過程的變化即代表著隨覺醒時間累積的睡眠缺失效應的變化。因此，對于晝夜節律的研究，不僅需要主觀評估和客觀行為相結合，同時還需要考慮其對不同心理任務的影響。

此外，晝夜節律的相關研究大都以西方個體為對象，而針對我國人群的晝夜節律變化，研究人員尚未進行深入的探討。由于中西方群體在飲食習慣和作息規律等方面均存在著較大的差異，基于西方人口的研究成果未必完全適用于對我國人群的晝夜節律的變化。如我國人群中有超過百分之八十的人有午睡習慣（廖建橋, 許群珍, 袁子云, 吳彤, 李中海, 2006），西方國家則相對較少；飲食習慣方面，中國人的飲食多以清淡的食物為主（如谷物, 蔬菜），而西方國家則以肉食為主（馬瑾，2011）。不同的飲食習慣與作息規律，以及不同的外部環境因素（如光照、溫度、地理緯度等）都有可能對個體的晝夜節律變化造成較大的影響（Waterhouse, 2010）。

本研究采用主觀評估和客觀行為測量相結合的方式，對個體在一天內的不同時間的變化進行測量，探討雙過程模型在我國個體的適用性以及中西方人群在晝夜節律方面的異同。同時通過對個體一天內不同時段的疲勞程度報告，以及警覺性注意和抑制控制表現的對比，本研究嘗試揭示晝夜節律對我國人群在不同心理指標的潛在影響，從而有利于了解我國人群在一天內的心理與行為變化規律，有助于減少安全事故，規避風險，避免不必要的經濟和社會損失（Mitler et al., 1988）。

2 方法

2.1 被試

20名來自華南師范大學的在校大學生（9男,11女），年齡19-25歲（平均年齡21±1.56），均為右利手，視力或矯正視力正常。被試均自愿參與實驗，并簽署知情同意書。在實驗開始前的60天內，被試無倒班工作經歷，無跨越不同時區的出行，無不規律的作息時間。夜間睡眠時間在6.5-8.5個小時、早晨喚醒時間在6-8點之間，每周至少有3天午睡，每次午睡時間均在30-45分鐘內。被試均無睡眠障礙、心理和精神類障礙或疾病史，無吸煙酗酒嗜好，實驗前一周內未服用任何藥物。

2.2 實驗材料

2.2.1 疲勞程度

采用疲勞指數量表進行評定，該量表通過個體的自我報告對其疲勞程度進行評定。采用9點計分的方式，將疲勞程度分為1-9個量度，分數值越高表示個體越疲勞。在本實驗中，個體在每個時段均進行疲勞程度測量。

2.2.2 警覺性注意

采用精神運動警覺性任務（Psychomotor Vigilance Task, PVT; Dinges, et al., 1997） 測量個體的警覺性注意程度。PVT任務是一個簡單的按鍵任務，它具有操作簡單、無練習效應、對睡眠缺失和晝夜節律變化敏感度高等特點。在本實驗中，使用Matlab軟件編寫實驗程序。具體流程如下（圖1）：在電腦屏幕中央呈現刺激，任務時間為10分鐘，要求個體當目標刺激的屬性發生改變時（如電腦屏幕中央的紅色方框變成黃色方框）立即進行反應，目標刺激的間隔在2000-10000 ms中隨機變化。提前按鍵、按錯鍵均會被視為錯誤反應并自動記錄。該任務的測試指標為個體在目標刺激上的反應時（排除反應時小于100 ms的數據）和反應遲緩試次的數量（即lapse試次數量, 反應時在500 ms以上的試次數）（Lim & Dinges, 2008）。

2.2.3 抑制控制

采用Go/No go任務測量個體的行為抑制能力。在Go/No go任務中，個體需要對出現頻率較高的目標刺激（如“A”, 稱為Go刺激）快速做出按鍵反應，而對出現頻率較低的No go刺激（如“O”）進行抑制，即不作反應。用Matlab軟件編寫實驗程序，在黑色背景中央呈現白色“A”或“O”刺激。

任務分為兩個階段。其中一個階段的Go刺激為“A”，No go刺激為“O”；另一階段中，Go和No go刺激對調，即Go刺激為“O”，No go刺激為“A”。每階段任務包括45個試次，Go刺激與No go刺激出現的比例為2:1，兩種刺激隨機呈現，每次兩個階段的先后呈現順序隨機處理。每個試次的流程如下（圖2）。該任務的測試指標為正確率和反應時以及根據信號檢測論所計算出的辨別力指數（d'值）。

2.3 實驗程序

實驗采用被試內設計。被試需要在實驗開始前兩周進行睡眠日記的記錄，以確認被試是否具有穩定且規律的作息時間。在實驗前一天，被試需要到達實驗室，熟悉PVT精神運動警覺性任務，并進行5次以上的Go/No go任務練習以消除學習效應。正式實驗當天，被試需要在上午8:00前吃完早餐并到達實驗室，并一直在實驗室停留至晚上22點左右。9:00開始正式實驗，每間隔兩個小時（即9:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00、21:00）進行一次測量。每次測量要求個體完成PVT和Go/No go任務，并在PVT任務前完成疲勞指數量表的評分。在實驗過程中主試一直在實驗室留守，主試均經過系統培訓，以避免任務指導語說明不清，同時也避免主試與被試間不必要的社交因素對被試的動機、情緒所造成的影響。實驗期間，實驗室保持恒光恒溫（50lux, 26攝氏度）, 被試不能進行任何形式的睡眠或者離開實驗室，同時控制被試的食物攝入，被試僅在12:00和18:00時在實驗室就餐（具體流程見圖3）。食物均來自華南師范大學食堂，且均為國內常見的餐食，如雞腿，叉燒，豆腐，蔬菜等，搭配一般為一菜一肉或兩菜一肉，具體食物則根據被試的喜好進行選擇，但盡量避免十分油膩或辛辣的食物。

2.4 統計方法

采用SPSS 20.0軟件進行數據錄入和分析。采用單因素方差分析（ANOVA）的方法對個體不同時間點的疲勞指數、PVT任務中的反應時和反應遲緩數量（lapse）、Go/No go任務中的反應時，正確率，以及辨別力指數進行分析。

3 結果

3.1 主觀疲勞的晝夜節律差異

通過對不同時間點（即9:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00、21:00）的疲勞程度評分進行單因素方差分析，結果表明個體在不同時間點的疲勞程度具有顯著性差異，F（6,133）=3.356, p=0.004，結果見圖4。

事后比較的結果發現（表1、表2），個體在9:00時和11:00時的疲勞程度顯著低于13:00、15:00、19:00和21:00；17:00時的疲勞程度與其他時間點無顯著性差異。總體而言，個體在9:00-11:00時主觀精神狀態最佳，而在13:00-15:00時處于最疲勞的狀態。

表 1 疲勞指數量表評分事后檢驗描述統計

表 2 疲勞指數事后檢驗結果

3.2 警覺性注意的晝夜節律差異

將不同時間點（即9:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00、21:00）PVT任務反應時（大于100 ms）和反應遲緩數量（lapse）作為警覺性注意的指標分別進行單因素方差分析，結果顯示：不同時間點的PVT任務反應時具有顯著性差異，F（6,133）=5.240，p＜0.001（見圖 5），但反應遲緩數量（lapse）不存在顯著性差異，F（6,133）=1.021，p=0.790。

進一步對不同時間點的PVT任務反應時進行事后比較，結果發現（表3、表4），個體在9:00和11:00的PVT任務反應時均顯著低于13:00、15:00和19:00時的PVT任務反應時；而13:00和15:00時PVT的任務反應時均顯著高于17:00和21:00；19:00時的PVT任務反應時也顯著高于21:00時的PVT任務反應時。總體而言，在PVT任務中，個體在9-11:00時表現最好，15時表現最差。

表 3 精神運動警覺性任務反應時事后檢驗的描述性統計

表 4 精神運動警覺性任務反應時事后檢驗的結果

3.3 抑制控制的晝夜節律差異

將不同時間點（即9:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00、21:00）Go/No go 任務的反應時和正確率分別進行單因素方差分析，結果顯示，個體在不同時間點上的反應時具有顯著性差異，F（6, 133）=5.019，p＜0.001（結果見圖 6），但是正確率不存在顯著性差異，F（6, 133）=0.474，p=0.827。

對不同時間點的Go/No go任務反應時進一步進行事后比較，結果顯示（表5、表6），個體在9:00、11:00和13:00時的反應時均顯著低于15:00和19:00；在15:00時的反應時顯著高于17:00和21:00；在17:00時的反應時顯著高于19:00，而在19:00時Go/No go任務反應時顯著高于21:00。總體而言，在Go/No go任務中，個體在9-13:00時反應最快，在15：00時反應最慢。

除反應時和正確率外，本實驗選用了d'值作為重要指標，即將在Go試次上的正確率（擊中率）以及No go試次上的錯誤率（虛報率）轉化為標準分數后相減，所得到的差值即為d’值。d’值也稱感覺辨別力指標，它表示個體從噪音（No go試次）中區分信號（Go試次）的能力，分值越高表明個體對不同類別刺激的辨別力越好。對不同時間點上的d'值進行單因素方差分析結果發現個體在不同時間點上的表現具有顯著差異，F（6, 133）=2.238，p=0.043，結果見圖7。

表 5 Go/No go 任務反應時事后檢驗描述統計

表 6 Go/No go 任務反應時事后檢驗結果

對Go/No go任務的d' 值進行事后比較，結果發現（表7、表8），個體在9:00時的d’值會顯著低于11:00、13:00、19:00和21:00；在11:00時的d’值顯著高于15:00；其中，在17:00時上的d'值與其他任一時間點均無顯著差異。總而言之，在Go/No go任務中，個體9:00，15:00時辨別力最差，11:00辨別力最好。

表 7 Go/No go 任務 d'值事后檢驗描述統計

表 8 Go/No go 任務 d'值事后檢驗結果

4 討論

本研究探討個體在主觀疲勞程度，警覺性注意和抑制控制任務的晝夜節律變化，結果初步揭示了晝夜節律對中國個體的不同心理指標影響的差異和規律。以我國健康大學生群體作為被試的結果大體支持了雙過程模型的假設，在上午11:00-15:00時，S過程和C過程帶來的睡眠壓力均呈上升的趨勢，導致個體的主觀疲勞程度以及認知行為表現在這個時間過程中逐漸變差，在15點時C過程的睡眠壓力上升到最大值，同時這也是S過程與C過程共同累積的睡眠壓力的峰值，個體的主客觀表現也因此跌到谷底，而在隨后的15:00-17:00時間段中，個體的主觀感受與行為表現因C過程的睡眠壓力在下午時間段的回落而得到改善。

4.1 中西方晝夜節律變化的差異

但值得注意的是，本研究發現了中西方個體在晝夜節律變化上所存在的差異。在9:00時中國個體的主觀感受與認知能力均處于較好的狀態，而在西方研究中，7:00-10:00時個體由于睡眠惰性 （sleep inertia） 的影響仍未處于完全清醒的狀態（Wright, Lowry, & Lebourgeois, 2012），主觀感受，警覺性等認知能力也因此會處于最差的水平。這一結果的差異，可能是由于中西方作息規律以及文化背景的不同，中國群體中的個體受睡眠惰性的影響較小或睡眠惰性的持續時間較短所導致。

此外，相比于17點與21點，在19點時我國個體的主觀感受、警覺性注意和抑制控制能力均變差，在21點時重新有所好轉。19點時表現的下降可能是因為飯后嗜睡（postprandial somnolence）的影響。飯后嗜睡，指生物體在進食后容易進入嗜睡的狀態（Orr, Shadid, Harnish, & Elsenbruch,1997），從而可能導致個體疲勞感的增加以及行為能力的下降。而在西方研究中，晚上是個體行為表現最好的階段且不會出現在某個時間點變差的情況。這樣的差異可能是中西方飲食習慣上的不同所導致，中國人的飲食習慣相對比較清淡主食以谷類及其制品（如面食）為主，副食以蔬菜為主，輔以肉類，蛋白質、脂肪、糖的含量較低，西方飲食則以肉類為主同時蔬菜占較低，以高蛋白、高脂肪、高糖分為典型特征（馬瑾, 2011），而相關研究顯示，富含更多水果、蔬菜、谷類，以及低脂肪的膳食會含有更多能促進睡眠和疲勞的成分（如色氨酸, 維他命B, 礦物質等）（Peuhkuri,Sihvola, & Korpela, 2012），從而使我國人群在晚飯后會出現短暫的疲勞感增加和認知能力下降。

4.2 晝夜節律對個體主客觀行為影響的差異

首先，我國個體的客觀警覺性注意與主觀疲勞感受在晚間時段存在著差異。在上午到傍晚的時間段（9:00-19:00），個體客觀警覺性與主觀感受的變化趨勢相對穩定一致（見圖4、5）。但在21點時，個體的警覺性注意表現有所提升，而個體的主觀疲勞程度仍處于較高水平，并未出現降低，表現出主觀評估和客觀行為測量的明顯差異。相比于警覺性注意任務的表現，個體的主觀疲勞評估可能更容易受到其他因素（如, 生理因素,情緒狀態, 動機等）的干擾，表明在晚間，個體對晝夜節律變化的主觀敏感性降低 （Horne & Burley,2010）。

第二，我國個體在不同認知任務上的表現受晝夜節律的影響也存在一定差異。上午9點，個體在Go/No go任務中的辨別力處于較低水平，而個體的主觀感受與行為反應時處于較優的狀態，說明可能個體抑制控制能力在上午受睡眠惰性的影響時間較長。在11點時個體辨別力會恢復至最優水平，而在11:00-15:00時會與客觀警覺性的變化一樣逐漸下降，但不同的是，個體辨別力和抑制控制的反應時在13點與11點間的差異并不顯著，仍處于較好的水平，但個體的警覺性注意水平在13點時已經有顯著的下降。15點過后個體辨別力會逐漸回升，且在19點時個體辨別力不會出現再次變差的情況。這些結果說明，相比于客觀警覺性注意與主觀疲勞的評估，個體的抑制控制表現受晝夜節律影響的敏感性較低，這可能是因為相關的執行功能需要個體投入更多的認知資源，從而彌補了晝夜節律所帶來的睡眠壓力的影響，這與睡眠缺失研究的結果相一致。個體在急性睡眠剝奪前后的執行功能的行為表現并不會有顯著差異，但處于剝奪狀態時任務相關的腦區會有更強的激活，從而彌補了睡眠缺失效應對個體認知行為的影響（Drummond, Meloy, Yanagi, Orff, &Brown, 2005）。但這一觀點是否適用于解釋執行功能與其他指標在晝夜節律上的差異，還需要后續研究采取如fMRI、ERP等認知神經科學的技術進行進一步的驗證。

4.3 研究局限和未來方向

首先，本研究的被試主要集中于年輕的在校大學生，并且主要來源于華南地區，研究的結果未必適用于其他年齡段和我國其他地區的人群。未來的研究需要擴展到其他地區和其他年齡段，深入探究晝夜節律對我國人群的影響。研究成果不僅有利于了解我國人群在一天內的節律變化，而且可以有效地減少安全事故，規避風險，減少不必要的經濟和社會損失（Mitler et al., 1988）。

第二，本研究探索性地考察了晝夜節律從上午到晚間，對個體主觀感受、警覺性注意和抑制控制的影響。由于實驗條件的局限，尚未對個體睡眠期間（22:00-次日早上8：00）的相關指標進行測量和考察。未來的研究可以考慮將心理和生理指標的測量相結合，結合血液或唾液褪黑素的測量，更為全面地反映個體在一天24小時的生理和心理變化。此外，研究還可以從基因、能量代謝等角度入手，驗證人種、作息習慣、飲食結構是否對中西方人群的節律差異有顯著性的影響。

5 結論

本研究在恒光恒溫的實驗室環境下，通過主觀疲勞感評定，以及客觀的警覺性注意和抑制控制的行為測量，從多個方面探討了我國華南地區青年群體的晝夜節律變化，以及晝夜節律對個體行為的影響。研究發現我國人群的晝夜節律變化大致上符合西方雙過程模型的假設，但在9點和19點上，中西方群體的行為表現存在一定差異。未來的研究可以考慮在本研究的基礎上，進一步探討晝夜節律對我國不同年齡階段和地區人群的影響，以及通過生理、心理、腦機制和基因等的多模態數據深入探究人種差異、飲食結構和生活習慣等因素對我國與西方人群的晝夜節律差異的影響。