靜息態fMRI觀察經顱電刺激對睡眠剝奪后青年志愿者后扣帶回皮質連接紊亂的干預作用

張 寧,李繼元,岳云龍*,邵永聰,金延方,劉洪亮

(1.首都醫科大學附屬北京世紀壇醫院磁共振室，北京 100038；2.軍事醫學科學院基礎醫學研究所，北京 100010)

隨著生活環境的變化，存在不同程度睡眠障礙者越來越多，睡眠問題已成為近年來的研究熱點[1]。睡眠剝奪(sleep deprivation, SD)指24 h睡眠時間少于4 h，已有研究[2-3]表明SD可導致認知、情感等腦高級功能可逆性損害，其機制可能與腦內網絡連接紊亂有關。默認網絡(default mode network, DMN)為靜息狀態下特定的功能網絡群，與靜息狀態下自發性思維、情感、記憶等功能密切相關，DMN各腦區的大小和作用并不一致，其中后扣帶回皮質(posterior cingulate cortex, PCC)在認知功能中起著最關鍵的作用[4]。經顱電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)為一種無創物理治療/干預手段，當前在醫學康復及心理學訓練領域應用廣泛[5]。本研究通過運用靜息態功能MRI(resting state functional MRI, rs-fMRI)分析tDCS對SD后腦網絡紊亂的干預作用。

1 資料與方法

1.1 研究對象 16名健康在校大學生，男7名，女9名，年齡18～23歲，平均(20.9±1.7)歲；既往身體健康，無遺傳性或近親無精神類疾病史，智力正常(瑞文智力測驗示IQ≥110)，睡眠習慣良好(匹茲堡睡眠質量指數<5分)。本研究獲醫院倫理委員會批準；受試者均自愿參加本研究并簽署知情同意書。

1.2 研究設計 采用自身前后對照的配對試驗設計，試驗流程見圖1。于專用室內進行SD試驗，每次入組3名受試者，由主試人員全程陪伴，防止其入睡或進行其他可能影響試驗結果的行為。

圖1 試驗流程圖 (正常睡眠指連續睡眠時間達7 h；■表示給予電刺激;■表示相應時間節點進行認知評估并采集rs-fMRI)

1.3 儀器與方法

1.3.1 采集 rs-fMRI數據 采用GE 3.0T MR750 Discovery成像設備，8通道專用頭線圈。囑受試者仰臥，頭部固定，閉目，不主動思考。掃描序列及參數：T1結構像，采用自旋回波(spin echo, SE)三維成像序列，TR 2 000 ms，TE 9 ms，層厚及層間距均 1 mm，矩陣320×320；rs-fMRI，采用平面回波成像序列，TR 2 000 ms，TE 30 ms，視野256×256，層厚5 mm，層間距1 mm，采集矩陣64×64，每個時間節點采集45層圖像，210個時間節點，共計9 450層圖像。使掃描定位線平行于前-后聯合間線，掃描范圍自頭頂至枕骨大孔區。掃描過程中同步記錄受試者心率和呼吸頻率。

1.3.2 tDCS 使用DC-STIMULATOR治療儀(Neuropathy Conn公司)，將其陽極電極片置于右側額部，陰極電極片置于左側乳突部，治療電流為1 mA[6]。真tDCS指電流持續時間為20 min，假tDCS指電流作用時間為20 s，干預試驗持續時間均為20 min。

1.4 fMRI數據預處理及功能鏈接分析 對原始數據采用Matlab 2010b及SPM 12(www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12)軟件進行處理。rs-fMRI數據主要預處理步驟包括刪除每名受試者前10幀圖像，進行時間校正、頭動校正及功能像與結構像之間的配準/標準化，如頭動校正后在x、y、z軸方向上平移超過1.5 mm或旋轉超過1°則剔除該受試者。

采用REST(http://www.restfmri.sourceforge.net)軟件自動化解剖標記模板定位ROI[7]，選取雙側PCC為種子點，獲得種子點區域和全腦各體素間時間序列的Pearson相關系數模式圖。以6 mm半高寬對所得數據進行平滑處理，得到種子點與全腦各體素間的功能連接模式圖。分析過程中采用呼吸、心率為協變量，以減弱心跳及呼吸等因素對結果的影響。

1.5 認知功能評價 對所有受試者均于正常睡眠清醒休息狀態(rest wakefulness, RW)、24 h SD后及真tDCS/假tDCS后進行蒙特利爾認知評估(Montreal cognitive assessment, MoCA)(北京版)。MoCA主要包括視空間與執行功能、命名、記憶-延時記憶、注意、語言、抽象及定向等測試內容，共計30分，總評分<26分表示認知功能存在損害。

1.6 統計學分析 利用全腦體素水平單樣本t檢驗得到RW狀態下雙側PCC種子點與全腦功能連接模式圖(P<0.001，FDR 校正，體素大小>20)。采用配對t檢驗分別比較SD前后、真假tDCS之間認知變化情況(以雙側P<0.05為差異有統計學意義)及雙側PCC種子點與全腦功能連接的模式差異(P<0.001，FDR校正，體素大小>20) 。

2 結果

2.1 認知功能變化 24 h SD后受試者平均MoCA分值(24.75±2.41)較RW(29.44±0.73)顯著降低(t=8.047，P<0.001)。真tDCS后平均MoCA分值(27.06±1.53)高于假tDCS后(25.13±1.86，t=-3.081，P=0.008)和SD后(24.75±2.41，t=3.306，P=0.005)，而假tDCS后與SD后差異無統計學意義(t=0.808，P=0.432)。

2.2 SD前后雙側PCC種子點與全腦功能連接情況 SD后雙側PCC與雙側丘腦功能連接較RW上升，而與右側楔前葉功能連接下降。見表1、圖2。

表1 SD前后雙側PCC種子點與全腦功能連接差異

圖2 SD前后雙側PCC與全腦功能連接模式差異圖 (暖色調表示正功能連接，冷色調表示負功能連接；L：左側；R：右側)

2.3 真、假tDCS后功能連接變化 真tDCS后雙側PCC與雙側丘腦之間功能連接較假tDCS后下降，而左側PCC與右側楔前葉間功能連接上升，見表2、圖3。

表2 真/假tDCS后雙側PCC種子點與全腦功能連接的差異

圖3 真/假tDCS后雙側PCC與全腦功能連接模式差異圖 (暖色調表示正功能連接，冷色調表示負功能連接；L：左側；R：右側)

3 討論

睡眠為機體維持正常生命活動所必需的生理過程，晝夜節律的調節作用對睡眠狀態、質量均具有顯著影響，凌晨2—6點為機體的生理性低谷期[8]。為避開晝夜節律調整對試驗結果的影響，本研究將MRI采集時間設定為早晨7點，同時檢測受試者呼吸和心率并進行分析，以最大程度降低其影響。

DMN為維持機體靜息狀態下保持覺醒、執行部分高級功能的重要網絡，主要包括內側前額葉皮質、頂葉皮質及前、后扣帶回皮質等，而PCC為DMN的重要節點，在覺醒調控與維持中發揮重要作用[9]。本研究發現24 h SD后MoCA平均得分為24.75±2.41，低于26分，表明SD導致受試者認知功能損害。rs-fMRI數據主要變化表現為與雙側丘腦間功能連接上升，而與楔前葉功能連接下降。ZHU等[10]認為丘腦是信息加工處理、中轉等高級功能的中樞，其與不同腦功能區間的連接呈現動態變化；雙側PCC與丘腦功能連接增強反映機體在SD后需要更多的“信息流”，以維持機體的覺醒狀態。另外，24 h SD后，雙側PCC與楔前葉功能連接下降。楔前葉位于頂上小葉，EIDELMAN-ROTHMAN等[11]認為楔前葉主要與學習、記憶等高級認知功能相關，本研究MoCA所得行為學結果與之相符。

施加tDCS干預后，雙側PCC與丘腦功能連接水平下降，但與楔前葉間功能連接增強；與此同時MoCA分值增高，提示tDCS可“改善”SD引起的功能紊亂，既往研究[12-13]認為上述現象可能與機體的代償性調節機制有關。在SD后的靜息狀態，機體以維持自身覺醒狀態為首要任務，高級認知功能則處于相對次要位置。楔前葉負責情景記憶、自我相關信息處理等高級認知功能的加工，故SD后出現代償性功能連接下降[14]。施加tDCS可能減弱了上述代償調節機制，從而干預或改善SD后所致腦網絡紊亂而提高MoCA分值[15]。上述結果提示，tDCS可在一定程度上“對抗”SD，為未來治療/干預睡眠障礙所致認知功能下降提供了新方法。

本研究存在不足：樣本量小，年齡范圍較局限，在一定程度上降低了結論的普適性；對rs-fMRI的監測缺乏客觀依據，均有待進一步完善。

綜上所述，24 h SD可引起PCC網絡連接紊亂；tDCS對SD所致PCC功能連接紊亂具有一定干預作用。