睡眠剝奪對戰士空間認知能力的影響

周子渝，付建斌，趙亞娟，丁明*，韓茂之*

（1.陸軍第八十集團軍醫院，山東 濰坊 261053；2.濰坊市人民醫院麻醉科，山東 濰坊 261053）

0 引言

近年來，隨著社會的不斷發展，人民生活節奏的不斷加快，睡眠剝奪問題廣泛存在于世界各地，如在日本，調查研究表明29%的人每日睡眠少于6h，23%的人表示睡眠不足，6%的人服用催眠藥，21% 的人存在潛在的失眠癥狀，15% 的人白天過度瞌睡[1-3]。睡眠剝奪對人生命活動的影響大體上現在分為以下幾種：①對基本生命活動的影響：睡眠剝奪對心血管系統的相關影響，柴慧娟等[4]利用大鼠SD 模型實驗發現：睡眠剝奪會導致大鼠的心率加快，大鼠的心肌出現缺血的癥狀，也有心臟傳導異常改變，且這些改變與睡眠剝奪時間成正相關。鐘旭[5]等通過對18名健康青年男性進行24 小時完全睡眠剝奪的研究發現：睡眠剝奪可以通過干擾心血管交感和副交感神經系統，從而使心率發生異常改變；②對學習、記憶及空間感知的影響：睡眠剝奪可以影響大腦相關基因的表達、蛋白質及神經遞質的合成從而影響大腦的學習記憶功能[6]；③對情緒變化的影響：睡眠剝奪會造成參試者的注意力和警覺性下降，此時參試者的注意力通常被分配到負性刺激，此時也會較容易的對情緒產生負性評估[7]。

目前，結合CLB 測驗和定向越野對空間認知能力進行綜合評估的實驗較少。本文通過對24名戰士進行睡眠剝奪前后的相關測試（定向越野及CLB 測試），來研究睡眠剝奪對戰士的空間感知能力及定向越野能力的影響，為睡眠剝奪的機制研究提供實驗依據。

1 對象與設備

1.1 研究對象

（1）漢族，年齡在18~22 歲之間，健康男性戰士；（2）平素具有良好、穩定的越野成績，且越野成績相近（3 公里定向越野相差20s 以內）；（3）作息時間規律（入睡時間：10:00PM±30min；起床時間：6:00AM±30min），每天睡眠時間在7~8s 范圍內；（4）匹茲堡睡眠質量指數（Pittsburgh sleep quality index,PSQI）通過量表評估得出。為了挑選睡眠質量較高的健康參試者，本研究以 PSQI ≤5 分為指標進行選擇；（5）體重指數（BodyMassIndex,BMI）正常（18.5 ≤BMI<23.9）；（6）無煙酒嗜好或其他物質濫用，無飲用茶、咖啡等飲料的習慣；（7）無睡眠-覺醒障礙、神經精神等方面的疾病；（8）理解整個研究內容，自愿參加實驗并簽署知情同意書。

1.2 試驗設備

（1）定向越野比賽所需器材:捷昇ZN02 指北針、地圖、GPS 跑步記錄裝置（紅米6）、星瑪雅定向電子打卡器。（2）CLB 測試所需設備：測驗用計算機是聯想G470，處理器為英特爾Corei3，顯示器為14 英寸純平液晶顯示器，分辨率為1366×768，測驗程序均為C#編寫而成。

2 實驗方法

2.1 睡眠剝奪

睡眠剝奪的方法需要保持36h 的清醒狀態，其中包括一整夜的睡眠剝奪，在睡眠剝奪過程中，在實驗主試嚴格監督下要求參試戰士保持清醒（第一日20:00 PM- 第二日8:00 AM；第二日20:00- 第三日8:00 AM 半仰臥式；第二日8:00 AM-第二日20:00 自由活動但限制劇烈運動），可以進行閱讀、聊天、聽音樂、看視頻等活動，為了監測和記錄參試戰士在清醒狀態時的活動情況，工作成員全程監督防止參試戰士小睡，若參試戰士小睡超過3 min 則視為TSD 質量不達標，將不能繼續參與下一步的研究。

2.2 定向越野

2.2.1 定向越野路線設計

在某松樹林選取ABCDEFG 七個點，ABCDEF六點依次相連可組成正六邊形，G 點為正六邊形中心點（圖8A），AB 之間距離為467m，我們選取B-C-D-E-F-A-G、G-C-D-E-F-A-B、F-A-BC-D-E-G、C-D-E-F-A-B-G、D-E-F-A-B-C-G、E-F-A-B-C-D-G、A-G-B-C-D-E-F 七條越野路線，參試戰士任選其一，且同一戰士在睡眠剝奪前后不得選取同樣路線。

2.2.2 定向越野實驗

本次定向越野采用個人徒步定向越野的方式進行。首先在選地區域內指定ABCDEFG7 個打卡點，每個打卡點上放置顏色不同的氣球，每兩個打卡點之間的距離均為467m，參試者隨機抽取任一打卡點作為起點，在剩余打卡點依次打卡，事先按照不同的打卡順序組合出7 種不同的路線，要求每個路線的總路程相同，參賽者隨機抽取自己的越野路線，根據手中地圖及指北針尋找每個打卡點，依次打卡報到并記錄打卡點所放氣球顏色，參試戰士不得交流測試內容，每個參賽戰士隨身攜帶GPS運動記錄儀，賽后可通過軟件清晰的看到每個戰士的行進路線及總路程及本次越野的總時間。（見圖1）

圖1 定向越野路線

2.3 CLB 測試測驗

測試材料是采用修訂后的美國神經心理學家H.WGordon 編制的認知側化成套測驗（cognitive laterality battery，CLB）中的視覺一空間能力測驗部分，包括空間定位測驗、三維旋轉測驗、圖畫完形測驗和積木連接測驗四個分測驗，用來評價個體的空間認知能力水平。本實驗根據修訂版CLB 測驗中空間能力的四項分測驗要求利用C#編寫的軟件程序，該測試程序由四部分組成，每部分都按要求給與測試者充分的時間。測試開始前給與每名戰士編號，戰士按編號依次答題，答題期間禁止交流，首次答題完畢后為保證下一次測試的準確性，所有參加測試的戰士在整個實驗期間禁止交流有關的CLB 測試相關題目。

第一題：每道題首先呈現一個含內有一個帶有“·”圖形的操作界面，持續3s 的時間后消失，測試者在3s 的空白操作界面內用鼠標點擊原本操作界面中“·”圖形出現的相應位置，測驗結果為測試者操作點與參照點“·”圖形的中心的偏差距離，單位以毫米計。本測驗一共24 題，答對1 題得1 分，答錯1 題得0 分，滿分為24 分。練習測驗演示結束后會顯示練習測驗的結果，雙擊任務說明界面開始正式測驗。（測試開始后，鼠標統一放置在程序窗口的右下角，禁止提前將鼠標放置在“·”圖形出現的位置，如有出現則測試結果作廢）（見圖2,3）。

圖2 空間定位測驗規則

第二題：本實驗每次在計算機操作界面上呈現兩個由多個小木塊連接而成的三維圖形，他們通過旋轉后可能與原圖形是一致的，也可能是不一致的，要求被測試這判定他們之間的關系，然后選擇答案，答對1 題得1 分，錯誤得0 分，總共24 分，總共24 題（見圖4,5）。

圖4 三維旋轉測驗規則

第三題：操作界面將顯示一組物體的剪影圖，一組由6 個組成，總共2 組，這些圖都丟失了部分信息，實驗要求測試者在9s 內盡其所能將他們的本來面目辨認出來。測試程序會以測試者所填內容的關鍵字為依據與標準答案進行比較后得出結果，答對1 題得1 分，答錯1 題得0 分。練習測驗結束后會呈現練習測驗的成績，雙擊任務說明界面開始正式測驗。（這個題總共24 個圖，看圖后在空白處填寫所看圖片是什么動物，動物答案的關鍵字為圖片的名字，答案中有關鍵字的就正確，每個圖的答案見圖片名稱）（見圖6,7）。

圖6 圖畫完形測驗規則

第四題：操作界面顯示的是由多個相同大小的長方形木塊組成的立方體結構，其中有1 塊長方形具有某種顏色，測試者被要求將與帶顏色的木塊直接接觸的木塊數目進行計數，記錄到圖片下方的文本框中，然后點擊“提交”按鍵上交結果，每道題持續顯示9s。答對1 題得1 分，錯誤得0 分，總共24分。測試完畢后所有測試者的測驗結果存放于C盤score 文件夾里（見圖8,9）。

圖3 空間定位測驗操作界面

圖5 三維旋轉測驗操作界面

圖7 圖畫完形測驗操作界面

3 統計學分析

采用SPSS 19.0 統計學軟件進行數據分析，檢驗數據的正態分布，符合參數條件的計量資料結果主要采用均數± 標準差（±s）表示，進行配對t檢驗和線性回歸分析，以α=0.05 為檢驗水平，P<0.05 為差異具有統計學意義。

4 結果

4.1 睡眠剝奪對定向越野成績的影響

與睡眠剝奪前比較，睡眠剝奪后戰士定向越野路程增加，路程差異具有統計學意義（P<0.01）；與睡眠剝奪前比較，睡眠剝奪后戰士完成定向越野所需時間增加，時間差異具有統計學意義（P<0.01）；與睡眠剝奪前比較，睡眠剝奪后戰士定向越野中的平均速度變大，平均速度差異不具有統計學意義（P>0.05）。見表1。

表1 定向越野成績（±s）

表1 定向越野成績（±s）

注：**：P<0.01；*：P<0.05。

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4.2 睡眠剝奪對認知側化成套測驗成績的影響

與睡眠剝奪前比較，睡眠剝奪后戰士定位測驗分值增加，定位測驗分值差異具有統計學意義（P<0.05）；與睡眠剝奪前比較，睡眠剝奪后戰士三維旋轉測驗分值減少，三維旋轉測驗分值差異具有統計學意義（P<0.05）；與睡眠剝奪前比較，睡眠剝奪后戰士圖畫完形測驗分值減少，圖畫完形測驗分值差異不具有統計學意義（P>0.05）；與睡眠剝奪前比較，睡眠剝奪后戰士積木連接測驗分值減少，三維旋轉測驗分值差異具有統計學意義（P<0.05）。見表2。

表2 認知側化成套測驗成績（±s，分）

表2 認知側化成套測驗成績（±s，分）

注：**：P<0.01；*：P<0.05。

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4.3 認知側化成套測驗對定向越野成績的預測狀況

空間定位測驗（B=1.26，β=0.32，t=2.30，P<0.05）和三維旋轉測驗（B=-9.99，β=-0.59，t=-4.97，P<0.01）可預測定向越野成績，圖畫完形測驗（B=-3.86，β=-0.12，t=-0.79，P>0.05）和積木連接測驗（B=0.12，β=0.01，t=0.06，P>0.05）不能預測定向越野成績。見表3。

表3 認知側化成套測驗對定向越野成績的預測作用

5 討論

本實驗通過利用CLB 的四項分測驗：空間定位測驗、三維旋轉測驗、圖畫完形測驗及積木連接測驗，得出了24名戰士36 小時完全睡眠剝奪前后四項分測驗的成績。通過比較測驗成績得知，36 小時完全睡眠剝奪后戰士的空間定位測驗、三維旋轉測驗和積木連接測驗成績明顯降低，而圖畫完形測驗成績在36 小時完全睡眠剝奪前后變化不明顯。空間定位測驗的成績反應了空間定向能力的強弱，三維旋轉測驗的成績反應的是心理旋轉能力的強弱，心理旋轉是一種想象客體或自我旋轉的空間表征轉換能力，它以表征的產生為基礎，并對表征進行旋轉操作，大量權威專家已經將心理旋轉測驗作為測量空間能力強弱的重要標尺之一，積木連接測驗的結果反應的是空間視覺化能力（部分專家稱其為空間想象能力），因此，在空間認知能力的三個方面，36 小時完全睡眠剝奪對其影響顯著，而圖畫完形測驗所代表的圖形分辨的能力未有明顯變化，有可能是睡眠剝奪時間不足等方面的原因導致，而對空間視覺化能力改變貢獻較大的是影響積木連接測驗成績的因素，具體影響積木連接測驗成績的因素有待進一步實驗研究。

定向越野是依靠地圖、使用指北針辨別方向，在野外按指定的順序快速尋找目標點的一項軍事體育項目，它也是一項既可以強健身體，磨練意志，又可以將軍事與體育、識圖與用圖、智力與體力密切聯系的運動。參加定向越野的前提是可以識別地圖的比例和地物符號，然后構建出地圖與現實環境之間的空間、幾何的對應聯系。首先地圖是定向越野的重要依據和參考，而辨識地圖的能力是至關重要的，這兩個條件是上述聯系建立的基礎。所以，對于進行定向越野的戰士來說，空間認知能力尤其關鍵，不管是以地圖為基礎的地圖空間認知能力還是以現實環境為基礎的地理空間認知能力，作為專項智力水平在競賽中比體能水平更加突出和明顯的影響競賽結果[8]，所以定向越野的成績好壞也在一定程度上間接代表了空間認知能力的強弱。速度作為軍人重要的基礎生物學能力，也是體能訓練最基本的內容之一，一定程度上代表了軍人的體能水平[9-11]。本項研究戰士的定向越野平均速度，在36 小時完全睡眠剝奪前后并無明顯差異，本項研究定向越野路程較短，可能不能準確測量出戰士在36 小時完全睡眠剝奪前后的實際體能大小，但在一定程度上一定路程范圍內反應了戰士體能水平，因此我們認為在本次定向越野測驗設計的路程范圍內戰士體能睡眠剝奪前后無明顯變化。定向越野路程S 越大表明路線偏差越大，時間T 包括地向越野行進所需時間和識圖及尋找目標方向的時間，時間T 的變化一方面反應了路程的變化，一方面反應了識圖及根據地圖尋找目標方向的時間變化。本研究結果表明，經過36h 睡眠剝奪，路程S 變大，時間T 也變大，因此我們認為空間認知能力是減弱的。這也提示我們，戰士空間認知能力的減弱會使其定向越野成績下滑。

本實驗的結果表明一定時間的睡眠剝奪通過降低戰士的空間認知能力進而削弱了戰士識圖和辨別方向的能力從而改變了定向越野成績，戰士空間定位測驗、三維旋轉測驗和積木連接測驗成績的改變提示我們空間認知能力各部分不同的變化，但睡眠剝奪影響空間定向能力、心理旋轉能力以及空間視覺化能力的具體生理機制還需進一步研究。