極地特殊環境下的睡眠障礙研究進展

李鵬昊，譚興，何穎，王偉忠，王楊凱

十八大確定了我國建設海洋強國的戰略部署，極地作為遠海戰略的重要一環，勢必成為我國軍事安全的重點研究方向。 兩極地區惡劣的自然條件（如極寒、極晝、極夜、強磁場、低氧等）與超靜寂寞的環境會嚴重影響極地作業人員的生理、心理健康，其中以睡眠障礙最為顯著［1］。 極地作業人群的睡眠問題已然成為維持隊員身心健康、保障極地作業正常進行所急需解決的核心問題。 研究表明，極地睡眠障礙主要表現為主觀上的睡眠質量下降、睡眠碎片化程度增加、入眠潛伏期增長、慢波睡眠減少以及晝夜節律的紊亂［2］，同時伴有不同程度的煩躁易怒、反應遲鈍、人際關系緊張、認知能力和工作效率下降等心理和行為改變。 筆者就極地睡眠障礙的影響因素、研究手段、可能機制和解決措施進行綜述，旨在為深入研究極地特殊環境下的睡眠障礙等其他相關問題提供理論基礎。

1 極地睡眠障礙的影響因素

晝夜節律是一種動物界普遍存在的生理現象，內、外因素以及心理精神因素均可不同程度地影響晝夜節律［3］。 在極地，干擾正常晝夜節律并導致極地睡眠障礙的因素主要有以下3 點：異常的光暗周期、無規律的工作（生活）節奏以及長期與世隔絕所致的心理問題［1］。

1.1 光暗周期直接影響睡眠

在諸多影響晝夜節律的因素中，光照通過作用于下丘腦視交叉上核（SCN）調節生物節律，是最為重要的調節因素［4］。 極晝和極夜是兩極地區特有的現象，并隨著緯度的增高，這一現象的持續天數也隨之增加。 例如，在南緯75°的哈雷灣，極夜將持續100 d，而極晝更是持續110 d 之多［5］。 這種極端的光暗周期將擾亂晝夜節律系統，影響睡眠質量。 極晝期間，室外的自然光照度可達40 000 lux［5］，這種異常明亮且持久的自然光使受試者的睡眠相位發生延遲，其中以晝夜節律的頂相延遲最為顯著［6］，并伴隨著睡眠時間的減少、入睡潛伏期的增長以及睡眠質量的下降［7］。 與夏季相比，在越冬期間，極地人員睡眠相位延遲的現象更加明顯［1］。 極夜期間的室外照度不會超過100 lux（通常為1 lux 左右）［5］，這是極地越冬人員冬季晝夜節律延遲的最主要原因［5］，并且隨著緯度的增高其延遲程度也更加顯著［8］。

1.2 日程安排對睡眠節律的影響

研究表明，嚴格的工作安排能夠獨立地調節北極工作人員睡眠時間及睡眠節律，使睡眠相位趨于正常化［9］；規律的日程安排使鐘基因的時間表達曲線振幅更高，頂相的標準差更低，提示其晝夜節律系統的同步性更好［6］。

1.3 心理問題對睡眠質量的影響

情緒與睡眠之間的關系十分復雜，二者你中有我，我中有你，彼此互為因果。 而當把情緒與睡眠問題放入極地這種與世隔絕的環境中進行研究則更為復雜：一方面，長期與世隔絕會導致情緒問題，而情緒問題會影響睡眠；另一方面，極地睡眠障礙本身就是消極情緒可能的獨立危險因素［1］。 進一步研究發現，具備情緒異常和睡眠障礙等癥狀的極地作業人員血液中的T3、T4 水平降低，人們稱之為南極綜合征（the polar syndrome）或極地T3 綜合征（the polar T3 syndrome）。即便綜合考慮，二者的關系仍不明朗。 例如，褪黑激素作為調控人體生物鐘的重要內分泌激素，能夠同時改善睡眠障礙人群的睡眠質量與主觀情緒［10］。 但也有報道稱嚴重的睡眠障礙與褪黑激素相位延遲有關，但不對情緒產生顯著影響［7］，因此，具體的機制還有待進一步闡明。

2 極地睡眠障礙的研究方法

2.1 問卷調查

2.1.1 常用問卷 在極地睡眠研究中，問卷調查常常被用來反映受試者的主觀睡眠質量與情緒反應。 匹茲堡睡眠質量指數（Pittsburgh sleep quality index，PSQI）是評價睡眠質量時廣泛采用的一種調查量表［4］，旨在測試受試者近1 個月內的睡眠質量，得分越高則反映受試者近1 個月來睡眠質量越差。 除此之外，相關的問卷還包括利茲睡眠評估問卷（Leeds sleep evaluation questionnaire，LSEQ）、卑爾根失眠量表（Ber?gen insomnia scale）、Horne?Ostberg 問卷（the Horne and Ost?berg morningness?eveningness questionnaire，MEQ）、積極和消極情緒影響量表（positive and negative affect scale，PANAS）和季節性評估問卷（seasonal pattern assessment questionnaire，SPAQ）等。 其中前2 種主要用于檢測睡眠障礙程度，MEQ 被用來測量受試者對清晨和夜晚的偏好程度，PANAS 或SPAQ則分別被用來反映隊員們的正面、負面情緒傾向或研究情緒與睡眠、社會活動等行為隨季節的變化情況。

2.1.2 問卷調查的研究現狀 問卷調查結果表明，在冬季，主觀上的睡眠障礙是普遍存在的。 對北極高海拔地區13 名居民（包括8 名男性，5 名女性）越冬期間睡眠情況的調查結果顯示［11］，男性受試者的PSQI 平均分為19.5 分，女性受試者的平均分為18.8 分，平均睡眠質量不容樂觀。 與夏季相比，在缺少光暗周期的冬天，北極居民的失眠、抑郁等情況更加嚴重［12］。 對中國中山站的南極科考隊員的調查表明［13］，隨著科考的不斷進行，隊員們的平均全球季節性得分（global seasonality score，GSS）從離港時的（3.79 ±3.14）分上升到冬至期間的（6.71 ±1.94）分，提示隨著冬季的到來，隊員們經歷了更多的睡眠障礙與抑郁癥狀。

在夏季，極地睡眠障礙的問卷調查結果與冬季并不完全一致。 對北極高緯度地區居民的夏季睡眠狀況的研究表明［10］，夏季夜晚的光線會干擾入睡過程。 而在對南極暑期作業人員的睡眠調查中發現［4］，到達南極洲前后，受試者的睡眠質量并沒有明顯差異，這可能與有計劃的日常活動能夠作為外部時間線索對晝夜節律起到校正作用有關。

2.2 體動描計術（actigraphy）

2.2.1 體動描計術的作用 作為一種安全有效、無侵入性的研究手段，體動描計術已被廣泛應用于晝夜節律與睡眠研究中。 實驗過程中，受試者像佩戴手表那樣將記錄儀佩戴在手腕上，其中的微處理器能夠記錄包括睡眠開始（結束）時間、睡眠總時長、睡眠效率、睡眠潛伏期等各種睡眠指標。 該方法被用來衡量受試者的睡眠質量及評估某種干預因素（如光照、外源性服用褪黑素等）改善睡眠質量的有效程度。

2.2.2 應用體動描計術的研究現狀 應用體動描計術評估極地睡眠障礙季節性特征的結果顯示，在北極，與1 月組的平均睡眠時間［（419 ±38）min］相比，6 月組的平均睡眠時間［（369 ±43）min］顯著下降，這可能與夏季夜晚的異常光照有關［14］。 進一步對不同夜間光照水平情況下的睡眠狀況監測顯示，高照度組的平均睡眠時間為368 min，顯著低于低照度組的平均睡眠時間（406 min），提示夜間光照水平對平均睡眠時間有顯著影響，而2 組的睡眠效率以及入睡潛伏期長短并無差異［10］。

對17 名南極中山站作業人員的體動描計術監測數據顯示，與11 月離港時相比，隊員們越冬期間的睡眠時相產生了明顯的延遲。 在7 月，隊員的平均睡眠開始、結束時間分別延遲了1.46 h 和1.80 h；在3 月，平均睡眠結束時間延后了1.39 h［13］。 通過監測德國南極科考站隊員（37 名男性，17 名女性）的冬季睡眠情況，Steinach 等［15］發現，一些睡眠指標的變化程度與越冬時間的長短線性相關，即隨著越冬時間的延長，所有受試者的睡眠時長不斷下降，睡眠效率逐漸降低，蘇醒次數隨之增多。 此外，性別可能也對睡眠質量有所影響。相比于男性，女性的睡眠潛伏期更長，蘇醒次數更多，睡眠質量更差。

2.3 褪黑素的節律評估

在晝夜節律的調節過程中，光暗周期發揮著至關重要的作用［4］。 人體內，響應晝夜變化的主要生物信號是褪黑素［11］，許多生命活動（例如睡眠、情緒以及雌激素的分泌情況）均與該激素的節律性密切相關。 褪黑激素與其主要代謝物——尿液中的6?羥基褪黑素磺酸鹽（aMT6s）被廣泛應用在晝夜節律的評估研究中。

諸多研究表明，極端的光照條件會影響正常的褪黑素節律。 對夏季北極作業人員的睡眠研究顯示［6，14］：夜間光照的持續存在使褪黑素分泌的起始時相與頂相延遲，峰值降低。而類似的情況也在南極作業人員越冬過程中出現［13］。 進一步研究表明，自然光不足可能是越冬期間褪黑素節律延遲與睡眠障礙的主要原因［16］。 通過觀察睡眠開始時間早于激素分泌時間的人群發現［14］，與睡眠行為正常的人相比，該群體的總睡眠時長與睡眠效率顯著下降。

3 極地環境對睡眠障礙的可能作用機制

文獻表明睡眠障礙可能與鐘基因表達改變密切相關［17］。 研究發現，生物體內存在大量與生物鐘相關的節律基因，分為鐘基因（clock genes）和鐘控基因（clock controlled genes， CCGs）2 種，前者對維持生物節律起關鍵作用。 哺乳動物體內存在多種鐘基因，包括Clock、Mop3（Bmal1）、Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2。 而鐘控基因位于鐘基因下游并受到鐘基因的調控，參與到細胞活動的各個方面，使得相關生理活動呈現節律性。 在晝夜節律調節過程中，Clock 和Bmal1基因表達產物CLOCK 和BMAL1 蛋白形成異二聚體，作為轉錄因子誘導Per、Cry 和其他鐘基因的表達。 PER 和CRY 蛋白在一天中不斷積累，達到臨界閾值后反饋到細胞核并抑制Clock 和Bmal1 的轉錄。 該過程周期約為24 h 驅動晝夜節律的產生［18］。 此外，還有其他輔助環路與翻譯后化學修飾過程參與鐘基因表達調控［19］。

3.1 光照

實驗證明，持續的夜間光照能夠顯著影響外周血單核細胞內關鍵鐘基因hPer2 和hBmal1 的表達，并可能導致晝夜節律紊亂，具體表現為表達曲線的后移［20］。 其中hPer2 受到的影響更為顯著，有3 名受試者的hPer2 表達節律完全喪失。在模擬夜班給予夜間光照的過程中，Kervezee 等［21］發現夜間光照能夠使人體晝夜節律性轉錄組平均相位后移，其中有73%的基因表達節律性下降。 研究表明，睡眠不足（主要是睡眠時間減少）使血液中晝夜節律性基因表達譜數量從1 855 個下降到1 481 個并伴有節律性下降，加劇了晝夜節律的紊亂程度［22］。 一項小鼠的光暴露實驗表明，單次光脈沖能夠改變mPer1 的表達水平并通過相位依賴的方式重置晝夜節律［23］。 此外，極地光照引起的褪黑素水平變化可能作用于SCN 影響鐘基因的表達［24］。 正是在SCN 的作用下，全身細胞的鐘基因表達得以高度同步。 SCN 被破壞或其鐘基因表達改變會對睡眠節律產生顯著影響。 通過向大鼠體內注射褪黑素，研究人員發現SCN 內Per1 和Bmal1 表達發生了相移［25］。 類似地，Mattam U 等［26］發現外源褪黑素能夠顯著提高大鼠SCN 內Per1、Per2、Cry1、Cry2 和Bmal1 的mRNA日平均水平。 對此，Vriend 認為褪黑素能參與泛素－蛋白酶體途徑對鐘基因表達的調節過程，通過抑制蛋白酶體活性提高鐘基因蛋白水平參與晝夜節律調節［24］。

3.2 低溫

除光照外，低溫也可能對中樞和周圍鐘基因表達產生影響。 通過對新生大鼠進行連續5 d 的冷暴露，研究人員發現SCN 中Per2 的晝夜節律發生溫度依賴性延遲，隨著溫度的降低，延遲現象更為顯著［27］。 其他研究表明，低溫能夠通過影響周圍組織，尤其是棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）內鐘基因表達改變代謝水平以抵御寒冷［28］。 然而，這一過程是否對睡眠產生影響有待進一步研究。

3.3 低氧

由于南極是全世界平均海拔最高的大陸，對于在南極作業的科考隊員來說，由高海拔造成的氧分壓降低也有可能對睡眠產生影響。 相關研究表明，缺氧誘導因子?1（hypoxia in?ducible factor?1，HIF?1）在缺氧條件改變鐘基因表達過程中發揮關鍵作用［29］。 HIF?1 由功能性亞基HIF?1α 與組成型表達亞基HIF?1β 構成，是細胞檢測與適應外界氧濃度變化過程中的關鍵轉錄因子［30］。 小鼠的體內實驗證明暴露于低氧環境使小鼠大腦內Per1 和Clock 蛋白水平提高并使Clock 節律遭到破壞。 在小鼠SCN 組織的體外缺氧模擬實驗中，實驗人員觀察到Per2 和Bmal1 的表達周期延遲與振幅降低，而降低HIF?1α 基因表達能夠使該效應大幅降低（89.2%），提示體外模擬的缺氧信號能夠通過HIF?1α 途徑影響生物鐘的周期和振幅［31］。 大量研究證明晝夜節律與氧感覺通路之間的關系十分復雜，二者之間存在著大量的串擾與反饋通路［30］。而缺氧如何影響晝夜節律與睡眠仍需進一步研究。

4 目前應對“極地睡眠障礙”的措施

4.1 光照療法

光照療法是指受試者持續暴露在預設好色溫、照度等參數的人造光源下一段時間并監測其睡眠相關指標（如情緒、褪黑素節律曲線）和評估治療結果。 1984 年，實驗人員成功利用人造白光延長了11 名季節性情緒失調（seasonal affec?tive disorder，SAD）患者的光周期并緩解了相應癥狀［32］。 隨后，人工光照療法便用于治療因光照不足導致的晝夜節律問題。 對英國哈雷觀測站工作人員的白光治療結果顯示［33］，雖然工作人員的整體睡眠質量沒有明顯變化，但清晨為期1 h 的光療能夠顯著緩解晝夜節律的推遲并改善認知能力。其他研究表明，適當光療能夠恢復血液褪黑素水平、提高睡眠效率并減少負面情緒［11］。 與冬季相反，在夏季避免夜間照明不失為一種緩解極地睡眠障礙的好辦法。 在一項臨床試驗中［10］，與對照組相比，夜間無照明組的睡眠總時間顯著延長，提示避免夜間光照能夠改善睡眠。 進一步研究顯示，波長較短的可見光（藍光、紫光等）能夠更好地抑制褪黑激素的分泌并緩解褪黑素節律延遲。 與白光相比，藍光能更有效地縮短入睡潛伏期并提高睡眠效率［34］。

4.2 外源褪黑素療法

研究表明，外源褪黑素的攝入能夠改變人體晝夜節律［10］。 根據給予劑量的不同，研究者已經開發出數條褪黑素相位響應曲線。 臨床試驗證明，在睡眠相位后移癥候群中給予褪黑素治療能夠有效緩解節律延遲癥狀［35］。 對北極夏季睡眠困難人群進行褪黑素療法的結果表明［15］，治療后受試者的主觀睡眠質量顯著改善，但其客觀指標變化不明顯，因此該結果尚存在爭議。 有研究分別通過實驗證明了外源褪黑素療法與日間光照療法的結合能夠糾正晝夜節律紊亂并解決因此帶來的睡眠問題［36?37］。

5 總結與展望

兩極地區惡劣的自然與地理條件會對極地作業人員的睡眠產生不良影響。 作為人體最重要的授時因子，光照在影響過程中尤為突出，極端的光暗周期將干擾晝夜節律的正常運行。 此外，日程安排、身體活動、情緒等因素也會影響隊員的睡眠質量。 雖然研究人員嘗試了包括光照療法、外源褪黑素療法在內的許多方法以緩解睡眠障礙并取得了一定效果，但仍有許多問題尚待解決，如睡眠障礙與情緒異常的關系仍不清楚、諸多不良因素如何在基因水平上影響睡眠也有待進一步研究。 因此，急需對極地睡眠障礙繼續深入研究，才能更好地解決極地作業期間人員的睡眠問題，為提高作業效能提供有針對性的保障。