健康青年男性腦力疲勞模型構建以及基于節律類型的分析

邱 健，趙顯超，程金湘，江應聰，孫述昱，任佳封，宿長軍

睡眠不足、睡眠-覺醒節律紊亂和腦力活動都會導致困倦、嗜睡或主觀疲勞，稱為腦力疲勞(mental fatigue)，以倦怠、警覺性降低、動機缺乏、認知活動能力下降和工作效率降低為主要表現[1]。既往眾多研究探討睡眠限制/睡眠剝奪對認知功能以及作業能力的影響，在實驗期間，受試者常能自己選擇不會導致興奮性增高的活動，例如安靜的讀書，受試者處于放松狀態[2]。但在需要長時間高度集中注意力的作業活動中，如飛行員長時間飛行過程中，既存在睡眠限制，同時也要求高度集中注意力，保持高警覺性，對突發情況迅速反應，伴隨高強度的腦力活動消耗。同時，既往研究發現，青年人群的節律類型會顯著影響日間功能；夜晚型人群可能存在更多的白日嗜睡和睡眠問題，并且是抑郁狀態、自殺觀念等消極觀念的危險因素[3，4]。但不同節律類型青年人群日間主觀嗜睡和警覺反應能力的變化和關系尚未見報道。

為了最大限度模擬這種情況，我們使用睡眠限制聯合需要保持注意力集中的任務/游戲的方法，觀察受試者日間(早8點到晚20點)的警覺性以及反應能力，并分析不同節律類型受試者表現的差異。

1 資料與方法

1.1 研究對象及分組 2018年8月～2019年1月在我院見習、實習以及規培學員中，招募健康男性志愿者自愿參與實驗，共有49例志愿者納入分析。其年齡≥18歲，右利手，都為本科在讀及以上學歷，無高血壓、心臟病、糖尿病等基礎疾病，無睡眠障礙，近3個月無倒班工作，無神經科和精神科用藥病史，并填寫知情同意書。排除不能配合完成試驗的志愿者。

1.2 一般臨床資料的采集 招募時對所有志愿者詳細詢問其一般情況、睡眠情況、生活方式等，并完成睡眠相關癥狀量表、匹茲堡睡眠質量指數(Pittsburgh Sleep Quality Index，PSQI)、Epworth嗜睡量表(Epworth Sleeping Scale，ESS)、失眠嚴重指數(Insomnia Severity Index，ISI)、清晨夜晚型評定量表(Morningness-Eveningness Questionnaire，MEQ)、焦慮自評量表(Self-Rating Anxiety Scale SAS)、抑郁自評量表(Self-Rating Depression Scale，SDS)、疲勞嚴重程度量表(Fatigue Severity Scale，FSS)等精神心理評估。

1.3 方法

1.3.1 試驗前準備 對懷疑有睡眠問題的志愿者進行多導睡眠監測，排除睡眠障礙患者。所有志愿者于正式試驗前2周佩戴體動記錄儀并填寫睡眠日志，以保證正式測試前規律作息(臥床時間>7 h，且睡眠時間>6 h，上床時間根據個人習慣不做規定)。試驗前1～2 d抽血檢查血常規、肝腎功、血糖、尿常規等無明顯異常，確定試驗正式開始前志愿者無上呼吸道感染、腹瀉、發熱等急性疾病。

1.3.2 試驗方法 正式試驗從上午6點開始，首次測試從上午8點開始，期間有工作人員對受試者全程監督，保證受試者所有操作都在指定要求下進行。從上午8點開始，受試者需要每2 h按固定次序完成主觀嗜睡程度評價，包括嗜睡程度視覺模擬評分(Visual Analogue Scale，VAS)、斯坦福嗜睡量表(Stanford Sleepiness Scale，SSS)、Karolinska嗜睡量表(Karolinska Sleepiness Scale，KSS)，和精神運動警覺性任務(Psychomotor Vigilance Task，PVT)等其他與反應認知相關的測試。整個測試持續時間45 min～70 min，由工作人員監督完成，保證其不能使用手機，不能隨意交談。測試過程結束后，受試者需要進行需要持續注意力的小游戲(星圖、跳一跳等)，這些小游戲具有簡單易學且需要注意力集中的特點。受試者不能躺臥、不能聽音樂、不能自由閱讀、不能進行劇烈運動，需要減少交談；除吃飯、上廁所等必要的活動可以縮短游戲時間之外，其余時間都需要持續到下次正式測試開始。工作人員進行監督，保證受試者不能進行任何形式的休息。

分析49例受試者日間(上午8點～晚上20點)的主觀嗜睡評分(包括VAS、SSS和KSS)以及PVT測試結果隨時間的變化；并根據MEQ的結果，探索不同節律類型的受試者在主觀嗜睡評分與PVT任務測試結果的表現差異。

1.3.3 試驗內容 (1)疲勞嚴重程度視覺模擬量表：在紙上面劃一條10 cm的橫線，橫線的一端為0，表示精力充沛；另一端為10，表示極度疲勞；中間部分表示不同程度的疲勞。讓患者根據自我感覺在橫線上劃一記號，表示疲勞的程度。(2)斯坦福嗜睡量表[5]：1分表示精力充沛、頭腦清醒毫無倦意；2分表示精力較充沛，但不是最佳狀態，能夠集中注意力；3分表示清醒但有些松散，對外界的刺激有反應但不夠警覺；4分表示有一定程度的昏昏沉沉，不精神；5分表示昏昏沉沉，在清醒時對周圍事物興趣不大，遲鈍；6分表示瞌睡，很想躺下，但努力保持頭腦清醒，頭昏；7分表示不想再努力保持清醒，很快就入睡，有做夢的感覺；X表示睡著。要求受試者根據描述選擇當前時刻的嗜睡感受。(3)Karolinska嗜睡量表[6]：1分表示極度警覺；2分表示非常警覺；3分表示警覺；4分表示有點警覺；5分既不警覺也不嗜睡；6分表有些嗜睡的征象；7分表示嗜睡，但是還可以保持清醒；8分表示嗜睡，需要努力才能保持清醒；9分表示非常嗜睡，需要十分努力才能保持清醒，盡力克服不睡著；10分表示極速嗜睡，不能保持清醒。(4)清晨夜晚型量表：用來評估節律類型，共有19個條目。總分16-86分。根據中國大陸人群的劃分標準，劃分70～86分為絕對清晨型，63～69分為相對清晨型，50～62分為中間型，43～49分為相對夜晚型，16～42分為絕對夜晚型[7]。(5)PVT測試：使用PC-PVT 2.0版[8]，可以評估當前精神警覺性的測試，開始和結束時需要填寫瞌睡程度，0分表示完全不瞌睡，最清醒的狀態，10分為非常瞌睡。根據當前的狀態選擇一個合適數字作為評分。在屏幕正中隨機間隔2～10 s的時間出現阿拉伯數字，看見后立即單擊鼠標左鍵，最后顯示的數字是實際反應的時間(注：不能主觀預判數字可能出現的時間，否則系統會提示FS，即FASLE)，測試時間10 min，整個過程需要保持注意力高度集中，期間避免接打電話、與人交談等，保證環境安靜。

2 結 果

2.1 人口學及臨床一般資料 本研究共有49例受試者納入，所有受試者的平均年齡為(22.6±1.3)歲，平均身高為(175.3±4.6) cm，平均體重為(68.9±8.8) kg，BMI平均為(22.4±2.5) kg/m2，SAS平均為(55.4±5.8)分，SDS平均為(37.6±11.0)分，疲勞嚴重程度平均分(31.7±10.1)分，PSQI 均分(3.1±1.5)分，ESS均分(5.7±3.1)，ISI均分(3.0±2.4)。根據MEQ劃分，共有18例受試者屬于中間型人群，14例受試者屬于相對夜晚型人群，17例受試者屬于絕對夜晚型人群，3組的人口學資料見表1。

表1 基線資料

*在置信度(雙側)為0.05時，差異顯著；#非參數檢驗

2.2 主觀量表、PVT測試的日間變化 比較49例受試者日間的VAS、SSS、KSS分值變化，隨時間變化，受試者的主觀疲勞感逐漸增加(見圖1)。采用單因素重復測量方差分析方法，判斷受試者VAS、 SSS、 KSS 評分隨時間變化的差別。經Mauchly’s球形假設檢驗，因變量的方差協方差矩陣都不相等，VAS日間變化χ2= 90.201，P<0.001，通過Greenhouse & Geisser方法校正ε=0.610，VAS日間變化具有統計學意義，校正后F(3.663，175.808)=24.580，P<0.001，偏η2=0.339；SSS日間變化χ2=88.144，P<0.001，通過Greenhouse & Geisser方法校正ε=0.610，SSS日間變化具有統計學意義，校正后F(3.660，175.658)=20.031，P<0.001，偏η2=0.294；KSS日間變化χ2= 74.840，P<0.001，通過Greenhouse & Geisser方法校正ε=0.660，KSS日間變化具有統計學意義，校正后F(3.962，190.165 )=15.434，P<0.001，偏η2=0.243。受試者的VAS評分在14點(P=0.022)、16點(P=0.002)、18點(P<0.001)、20點(P<0.001)時分別與早8點相比顯著增加；受試者的SSS評分在14點(P=0.001)、16點(P<0.001)、18點(P=0.003)、20點(P<0.001)時分別與早8點相比顯著增加；受試者的KSS評分在14點(P=0.009)、16點(P=0.001)、18點(P=0.008)、20點(P<0.001)時分別與早8點相比顯著增加。在早上10點與下午18點時主觀疲勞感較前有好轉趨勢，未見統計學差異。如表2所示，比較了VAS、SSS、KSS在同一時間點測量的一致性，發現3個量表在人群測量的一致性較好。同一時間點不同節律類型志愿者主觀測試結果未見統計學差異。

比較49例受試者日間的PVT任務的平均反應時、最快10%反應時間、最慢10%反應時間和總遺漏數目隨著時間的變化(見圖2)。經單因素重復測量方差分析，PVT任務各項指標隨著時間變化未見統計學差異，但發現下午14點的PVT任務各項結果較差，上午10點和下午18點有較前好轉的趨勢。在同一時間點，主觀嗜睡程度與PVT任務不同指標之間進行相關性分析，未見統計學差異；但主觀嗜睡程度與PVT任務的各指標之間呈現出相同的日間變化趨勢。

表2 主觀量表的相關性分析

**在置信度(雙側)為0.01時，相關性顯著

2.3 不同節律類型受試者的PVT日間變化

2.3.1 中間型和夜晚型受試者PVT的日間變化 比較了18例中間型受試者和31例夜晚型受試者PVT任務測試結果日間變化(見圖3)。同一時間點比較，發現中間型人群平均反應時間、最快10%反應時間有優于夜晚型人群的趨勢。總遺漏數目和最慢10%反應時間同樣觀察到此趨勢，且在下午14點時的最慢10%反應時間(P=0.005)、下午14點總遺漏數(P=0.001)、下午18點總遺漏數(P=0.015)、以及下午20點總遺漏數(P=0.009)可見統計學差異。

2.3.2 中間型、相對夜晚型和絕對夜晚型受試者PVT的日間變化 為了進一步分析節律類型對PVT任務反應的作用，比較了中間型、相對夜晚型和絕對夜晚型受試者最慢10%反應時間(見圖4)、總遺漏數目(見圖5)。在下午14點時，絕對夜晚型的人群最慢10%反應時間(P=0.018)和總遺漏數目(P=0.009)明顯更差，下午18點總遺漏數(P=0.094)和下午20點總遺漏數(P=0.077)存在差異的趨勢。

*在置信度(雙側)為0.05時，差異顯著

A表示所有人PVT中平均反應時間隨時間的變化，B表示所有人PVT最快10%反應時間隨時間的變化，C表示所有人PVT最慢10%反應時間隨時間的變化，D表示所有人PVT總遺漏數目隨時間的變化

圖2 所有人PVT結果隨著時間變化的趨勢

A表示中間型和夜晚型人群PVT中平均反應時間隨時間的變化，B表示中間型和夜晚型PVT最快10%反應時間隨時間的變化，C表示中間型和夜晚型PVT最慢10%反應時間隨時間的變化，D表示中間型和夜晚型PVT總遺漏數目隨時間的變化

圖3 中間型和夜晚型(包括相對夜晚型和絕對夜晚型)人群PVT隨時間的變化

圖4 中間型、相對夜晚型和絕對夜晚型人群PVT最慢10%反應時間隨時間的變化

圖5 中間型、相對夜晚型和絕對夜晚型人群PVT總遺漏數目隨時間的變化

3 討 論

目前睡眠限制模型中受試者多可比較自主地從事活動，比如安靜地閱讀、聽音樂等，這些可能在一定程度上緩解睡眠限制的壓力。然而，實際中，高度集中注意力的作業人員既經歷睡眠限制，又面臨單調的環境，需要長時間保持高度的注意力。為了試圖模擬連續作業的情況，我們在對受試者睡眠限制的同時，又讓受試者進行認知相關測試聯合需要保持高度注意力的游戲的方法。本文分析了受試者在這種情況下主觀量表與PVT測試的日間變化，同時基于其內在的節律類型，觀察不同節律類型執行PVT任務的表現差異。

PVT任務是睡眠剝奪研究中評估警覺注意力的敏感測試，并且和其他認知測試相比，該測試由于不受到智力、才能的影響，沒有學習效應，所以更為可靠[9]。大量研究證實，睡眠不足和節律紊亂會影響PVT任務的結果，包括平均反應時間的減少和遺漏數目的增加等等[10]。而且PVT任務的不同參數代表的意義略有不同：最快10%反應時間是整個過程最優的表現，代表受試者警覺水平的變化；最慢10%反應時間以忽視范圍內的響應時間，代表受試者注意水平的變化；平均反應時間代表持續任務的時間效應，代表受試者認知控制的水平變化[11，12]。有文章報道PVT任務的總遺漏數目可以作為疲勞的客觀檢查，彌補目前只將受試者的主觀感受評判疲勞的不足[13]。所以本文對腦力疲勞模型的構建采用主觀評估聯合客觀警覺性測試的方式。盡管既往關于睡眠剝奪的研究已經證實，PVT測試結果會明顯變差，但本研究中所有受試者的主觀測試結果在下午14點之后較早上8點存在差異，而PVT測試的結果未見差異，可能由于睡眠限制時間較短，受試者主觀疲勞程度雖增加，卻未能引起PVT任務測試的結果發生改變，這在一定程度上提示了受試者的主觀、客觀疲勞并不完全一致。

不同節律類型的人具有不同的睡眠特征。有研究報道，清晨和夜晚型的工作日睡眠長度相似，但夜晚型有較多的內在睡眠需求，所以通過周末延長睡眠補償工作日的睡眠剝奪；矛盾的是夜晚型并沒有在工作日表現出更嚴重的睡眠剝奪癥狀(困倦、疲乏等)[14，15]。所以，我們觀察不同節律類型日間主觀嗜睡和警覺反應能力的變化和關系試圖發現是否夜晚型與其他類型相比表現更差。本研究受試者人群為在醫院見習、實習和規培的學生，由于環境的影響，夜晚型的比例更高，沒有出現清晨型。結果發現，夜晚型比中間型的人群日間的PVT任務結果更差，在下午14點時表現最為顯著，同時，絕對夜晚型比相對夜晚型更明顯。中國青少年人群的大型流行病調查顯示夜晚型偏好的青少年PSQI得分更高，睡眠質量更差，在上學日睡眠不足情況更為嚴重[16]，這也支持了我們的研究。下午14點前后是通常午睡的時間，當進行睡眠限制、改變既往午睡習慣時，夜晚型尤其是絕對夜晚型的人群受到影響更大。因此，對于突然改變午睡習慣進行作業的人員，例如出動緊急任務的飛行人員，采取其他適當方式緩解疲勞，提高反應能力和作業效率，對夜晚型尤其是絕對夜晚型的人群顯得尤為重要。

本試驗使用睡眠限制和認知相關測試聯合需要持續注意力的游戲建立模擬連續作業的腦力疲勞模型，隨著測試時間的延長，受試者的主觀疲勞感逐漸增加，受試者主觀感受與精神運動警覺性任務具有類似趨勢，但并不完全一致；初步發現了夜晚型人群尤其是絕對夜晚型的日間注意力和反應能力表現更差，更加需要采取適當干預方式緩解疲勞，保持一定的作業能力；針對不同節律類型人群，合理安排工作，在一定程度可以減少工作失誤。