吳興曲，陳 玖，楊來啟，賈 婷，吳銀霞，馬文濤，張 彥

中國(guó)人民解放軍第三醫(yī)院全軍精神病防治中心，陜西寶雞 721004

36小時(shí)睡眠剝奪對(duì)青年軍人視覺-運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)機(jī)制的影響

吳興曲，陳 玖，楊來啟，賈 婷，吳銀霞，馬文濤，張 彥

中國(guó)人民解放軍第三醫(yī)院全軍精神病防治中心，陜西寶雞 721004

目的探討36 h睡眠剝奪(SD)對(duì)青年軍人視覺-運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)機(jī)制的影響。方法10名健康青年軍人在36 h睡眠剝奪條件下，分別在SD前后進(jìn)行視覺空間旋轉(zhuǎn)任務(wù)的事件相關(guān)電位測(cè)定。測(cè)量P500的平均潛伏期、波幅及其錯(cuò)誤數(shù)和反應(yīng)時(shí)。結(jié)果與SD 0 h 相比，SD 36 h錯(cuò)誤率升高[(9.7±3.9)%比(18.3±4.5)%，P<0.05]、反應(yīng)時(shí)延長(zhǎng)[(632.5±53.6)ms比(693.6±65.7)ms，P<0.05]，波幅降低[(8.7±2.3)μV 比(5.2±1.6)μV，P<0.05]、潛伏期延遲[(489.6±42.6)ms比(530.2±51.9)ms，P<0.05]，視覺空間旋轉(zhuǎn)角度的典型線性(遞增或減)函數(shù)消失。結(jié)論36 h SD在一定程度上損害了軍人視覺-運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)機(jī)制，從而損害視覺空間認(rèn)知定位能力。

睡眠剝奪；青年軍人；視覺-運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)；事件相關(guān)電位

ActaAcadMedSin，2013,35(4)：439-443

睡眠剝奪(sleep deprivation，SD)是指由于各種原因引起的睡眠丟失狀態(tài)，一般指在24h中的睡眠小于4h，會(huì)引起情緒、學(xué)習(xí)記憶、免疫功能等一系列改變，伴隨疲勞的增加可以引起一系列生理、心理、甚至行為的變化[1]。心理旋轉(zhuǎn)是一種想象客體或自我旋轉(zhuǎn)的空間表征轉(zhuǎn)換能力，它以表征的產(chǎn)生為前提，并對(duì)表征進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，由Spepard等[2]于20世紀(jì)70年代初提出，已被很多學(xué)者證實(shí)可用于評(píng)價(jià)認(rèn)知能力中的視覺空間信息處理能力[3]。而高水平的視覺空間認(rèn)知活動(dòng)常是以表象為核心，對(duì)各種視覺空間信息進(jìn)行加工、處理的過程，常常涉及視覺再認(rèn)、空間定位、軌跡追蹤，以及表象轉(zhuǎn)換等高級(jí)認(rèn)知加工過程，并且涉及皮質(zhì)-皮質(zhì)下運(yùn)動(dòng)區(qū)(運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)前區(qū)和基底神經(jīng)節(jié))和感覺系統(tǒng)(軀體感覺和視覺)[3]。已有研究表明，SD在一定程度上影響著空間旋轉(zhuǎn)作業(yè)績(jī)效[4]，但并未對(duì)損害心理旋轉(zhuǎn)的信息加工機(jī)制的發(fā)生階段及電生理加工機(jī)制進(jìn)行分析。SD是戰(zhàn)時(shí)環(huán)境下常見的現(xiàn)象，本研究利用視覺空間認(rèn)知任務(wù)，從電生理指標(biāo)評(píng)價(jià)了SD對(duì)青年軍人心理旋轉(zhuǎn)信息加工的視覺-運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)機(jī)制的影響，以期為改善野外長(zhǎng)期SD軍事活動(dòng)效率提供實(shí)驗(yàn)室依據(jù)。

對(duì)象和方法

對(duì)象2012年3月至2012年5月在中國(guó)人民解放軍第三醫(yī)院志愿報(bào)名的職工及戰(zhàn)士陪護(hù)10人，均為青年軍人，其中，男7人，女3人，平均年齡(21.6±4.6)歲(18～28歲)。受試者均為右利手，智力、裸眼視力或矯正視力正常；平時(shí)起居規(guī)律，無飲用咖啡、茶及吸煙等習(xí)慣；近期無急性感染史或感染癥狀，近期未服用任何藥物。排除家族性癲痛病史、潰瘍病史、高血壓和心血管病史。本研究經(jīng)中國(guó)人民解放軍第三醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試者均簽署了知情同意書。

SD叮囑受試者于實(shí)驗(yàn)前晚按時(shí)休息，實(shí)驗(yàn)前1周內(nèi)禁止飲酒、茶、咖啡及劇烈運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)格禁止服用各種中樞抑制性或中樞興奮類藥物。實(shí)驗(yàn)從兩夜正常睡眠后開始，于實(shí)驗(yàn)當(dāng)天早9：00開始，第2天晚21：00結(jié)束，共36 h。每次SD實(shí)驗(yàn)納入3名受試者，并有共6名工作人員輪班陪同。實(shí)驗(yàn)過程中受試者可自由活動(dòng)，看電視和玩撲克，但不能離開實(shí)驗(yàn)室。工作人員全程監(jiān)督防止受試者小睡(小睡超過3 min視為SD質(zhì)量不達(dá)標(biāo))。

方法采用E-Prime 2.0軟件。在安靜、微暗的環(huán)境下(相對(duì)隔音、溫度約24℃)，受試者坐于與顯示器(17英寸彩色顯示器，刷新頻率75 Hz)距離約60 cm軟椅中。受試者先了解指導(dǎo)語，然后練習(xí)，受試者的按鍵正確率必須到達(dá)60%以上才能進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，“R”、“L”、“P” 和 “F” 4種刺激圖片隨機(jī)出現(xiàn)。圖片分為正像和鏡像，每種形式分別順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)：0°、60°、120°、180°。實(shí)驗(yàn)流程：首先在屏幕中央呈現(xiàn)注視點(diǎn)“+”1000 ms后，接著黑屏1000 ms，然后呈現(xiàn)刺激圖片400 ms，接著黑屏(做按鍵反應(yīng)時(shí)間區(qū)，最長(zhǎng)4000 ms)，受試者的任務(wù)是對(duì)圖片做出正鏡或鏡像的判斷，并相應(yīng)用優(yōu)勢(shì)手按鼠標(biāo)左鍵或右鍵。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，每類圖片呈現(xiàn)160次，每個(gè)角度隨機(jī)呈現(xiàn)20次，受試者一共要做640次旋轉(zhuǎn)判斷，將每一類任務(wù)分為兩段進(jìn)行，每段呈現(xiàn)80張圖片，兩段之間有1個(gè)間歇，間歇的時(shí)間長(zhǎng)短由受試者自己決定。與此同時(shí)進(jìn)行電生理測(cè)定。

電生理測(cè)定采用德國(guó)BrainAMP MR32便攜式事件相關(guān)電位(event-related potential，ERP)腦電系統(tǒng)，記錄電極參照國(guó)際腦電學(xué)會(huì)10/20標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，雙耳TP 9，TP10為參考電極，AFZ接地，采樣率為500 Hz，頭皮阻抗<5 kΩ，靈敏度5 μV，帶通低頻濾波0.1 Hz，高頻濾波30 Hz，疊加正確反應(yīng)的試次。分析時(shí)程為刺激呈現(xiàn)后800 ms，基線為刺激前200 ms，離線矯正眨眼等偽跡，波幅大于±70 μV者視為偽跡被剔除。測(cè)量P500(400ms - 600ms)的潛伏期和波幅(峰值)，并記錄其反應(yīng)時(shí)和錯(cuò)誤數(shù)。

統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件包，反應(yīng)時(shí)、錯(cuò)誤率、潛伏期和波幅用剝奪時(shí)間(0h、36h)×刺激方式(正像、鏡像)×角度(0°、60°、120°、180°)三因素重復(fù)測(cè)量方差分析，兩兩水平之間采用post-hoc Bonferroni法比較，方差分析的P值采用Greenhouse-Geisser法校正，線性回歸分析角度的遞增函數(shù)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

SD前后行為學(xué)結(jié)果比較方差分析結(jié)果顯示，錯(cuò)誤率睡眠剝奪時(shí)間主效應(yīng)顯著(F=7.30，P=0.021)，刺激方式主效應(yīng)顯著(F=6.21，P=0.034)，角度主效應(yīng)顯著(F=9.56，P<0.001)。反應(yīng)時(shí)SD時(shí)間主效應(yīng)顯著(F=10.12，P<0.001)，刺激方式主效應(yīng)顯著(F=8.21，P=0.018)，角度主效應(yīng)顯著(F=11.02，P<0.001)。錯(cuò)誤率、反應(yīng)時(shí)的剝奪時(shí)間與角度的交互作用均顯著(F=14.25、16.27，P<0.001)。Post-hoc比較結(jié)果顯示，與SD 0 h相比，SD 36 h錯(cuò)誤率升高[(9.7±3.9)%比(18.3±4.5)%，P<0.05]、反應(yīng)時(shí)延長(zhǎng)[(632.5±53.6)ms 比(693.6±65.7)ms，P<0.05]。SD 0 h、36 h所有角度鏡像錯(cuò)誤率均高于正像，反應(yīng)時(shí)均長(zhǎng)于正像，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)；與SD 0 h相比，SD 36 h所有角度正鏡像錯(cuò)誤率均升高，正鏡像反應(yīng)時(shí)均延長(zhǎng)，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。線性回歸分析結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，SD 0 h 正鏡像錯(cuò)誤率、反應(yīng)時(shí)均隨著旋轉(zhuǎn)角度遞增呈線性遞增函數(shù)(F=4.68、5.06，P=0.032、0.028；F=10.21、9.73，P<0.001)；SD 36 h正鏡像錯(cuò)誤率、反應(yīng)時(shí)均沒有隨著旋轉(zhuǎn)角度遞增呈線性遞增函數(shù)(F=1.13、1.06，P> 0.05；F=0.81、0.78，P> 0.05)(表1)。

SD前后事件相關(guān)電位數(shù)據(jù)比較SD前后不同正鏡像的角度刺激誘發(fā)的總波形圖比較(圖1)。方差分析結(jié)果顯示，P500潛伏期、波幅睡眠剝奪時(shí)間主效應(yīng)顯著(F=9.26、8.12，P=0.027、0.031)，刺激方式主效應(yīng)顯著(F=5.16、5.31，P=0.046、0.042)，角度主效應(yīng)顯著(F=11.22、9.07，P<0.001)。潛伏期、波幅的剝奪時(shí)間×角度的交互作用顯著(F=12.42、13.24，P<0.001)。Post hoc比較結(jié)果顯示，與SD 0 h相比，SD 36 h波幅降低[(8.7±2.3)μV 比(5.2±1.6)μV，P<0.05]、潛伏期延遲[(489.6±42.6)ms 比(530.2±51.9)ms，P<0.05]。與SD 0 h相比，SD 36 h所有正鏡像角度波幅降低、潛伏期均延遲，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)；與正像相比，SD 0 h、36 h 所有鏡像角度潛伏期均延遲、波幅均降低，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，SD 0 h 正鏡像潛伏期、波幅均隨著旋轉(zhuǎn)角度遞增呈線性(遞增或減)函數(shù)(F=8.21、9.02，P=0.022、0.018；F=11.56、12.33，P<0.001)；SD 36 h正鏡像潛伏期、波幅均沒有隨著旋轉(zhuǎn)角度遞增呈線性(遞增或減)函數(shù)(F=1.09、1.42，P> 0.05；F=1.37、1.48，P> 0.05)(表2)。

表 1 36 h SD前后的錯(cuò)誤率和反應(yīng)時(shí)比較(-±s)Table 1 Comparison of error rate and reaction time before and after SD for 36 hours(-±s)

SD：睡眠剝奪；與0 h比較，aP<0.05；與正像比較，bP<0.05

SD：sleep deprivation；aP<0.05 compared with 0h；bP<0.05 compared with normal

表 2 36 h SD前后的Pz電極的P500潛伏期和波幅比較(-±s)Table 2 Comparison of P500 latency and amplitude before and after SD for 36 hours at Pz electrode(-±s)

與0 h比較，aP<0.05；與正像比較，bP<0.05

aP<0.05 compared with 0h；bP<0.05 compared with normal

圖1 睡眠剝奪前后不同正鏡像的心理旋轉(zhuǎn)角度的總事件相關(guān)電位波形比較

Fig1 Comparison of grand-average event-related potentials for every angles of mental rotation before and after SD for 36 hours

討 論

SD是軍人野外軍事活動(dòng)必須適應(yīng)的一種條件。國(guó)內(nèi)外很多研究證實(shí)，36 h SD能引起認(rèn)知功能下降[1，5-6]，如注意力、工作記憶、執(zhí)行功能、情緒等下降，能導(dǎo)致工作績(jī)效下降，從而對(duì)高科技工作的效率、特殊職業(yè)的安全和軍事活動(dòng)的實(shí)施構(gòu)成了極大威脅。

ERP是一種長(zhǎng)潛伏期的腦誘發(fā)電位，是在受試者注意到某客體并對(duì)其進(jìn)行高級(jí)認(rèn)知加工時(shí)，如思維、情感、記憶、判斷等，在受試者頭皮記錄下來的電位。已有研究顯示，視覺空間旋轉(zhuǎn)任務(wù)與ERP之間存在1個(gè)電生理指標(biāo)，即頂葉大約在500 ms(P500)處出現(xiàn)1個(gè)旋轉(zhuǎn)相關(guān)性負(fù)波[7-8]。本研究統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，頂葉區(qū)電極點(diǎn)PZ、P3、P4 3點(diǎn)差異不顯著，故只選擇PZ電極點(diǎn)的P500分析。結(jié)果顯示，400～600 ms成分反映完成視覺空間旋轉(zhuǎn)的信息加工處理過程。高水平的視覺空間認(rèn)知活動(dòng)是常以表象為核心，對(duì)各種視覺空間信息進(jìn)行加工、處理的過程，多涉及視覺再認(rèn)、空間定位、軌跡追蹤，以及表象轉(zhuǎn)換等高級(jí)認(rèn)知加工過程，并涉及皮質(zhì)-皮質(zhì)下運(yùn)動(dòng)區(qū)和感覺系統(tǒng)的信息聯(lián)結(jié)與整合[3]，他們之間的聯(lián)結(jié)通過神經(jīng)環(huán)路發(fā)生作用，即感覺神經(jīng)元將信息通過中樞神經(jīng)元傳給運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元再將信息傳給手及發(fā)生行為反應(yīng)。因此可以通過神經(jīng)元的激活程度來判斷其聯(lián)結(jié)機(jī)制的情況。故ERP P500潛伏期和波幅能反映出神經(jīng)元的激活程度，即P500潛伏期反映視覺-運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)的信息加工處理速度，波幅反映其信息加工靈敏程度。本研究還發(fā)現(xiàn)，SD前后完成視覺空間旋轉(zhuǎn)任務(wù)的錯(cuò)誤率、反應(yīng)時(shí)均隨著視覺旋轉(zhuǎn)角度遞增而呈線性遞增函數(shù)，與Núez-Pea等[8]和Kung等[9]研究結(jié)果一致。說明所有被試均需要采用心理轉(zhuǎn)換的視覺-運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)機(jī)制來完成任務(wù)，即恰當(dāng)反映了視覺-運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)的心理過程。

本研究結(jié)果顯示，與SD前相比，SD 36 h后被試完成視覺空間旋轉(zhuǎn)任務(wù)時(shí)，錯(cuò)誤率顯著升高，反應(yīng)時(shí)顯著延長(zhǎng)，后者與王偉等[4]研究結(jié)果一致。而錯(cuò)誤率升高的同時(shí)反應(yīng)時(shí)也延長(zhǎng)，說明不會(huì)是因?yàn)楸辉囂岣哒_率而延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)，或不是減少反應(yīng)時(shí)而提高了錯(cuò)誤率的情況。出現(xiàn)同時(shí)錯(cuò)誤率的升高和反應(yīng)時(shí)的延長(zhǎng)，提示是因?yàn)镾D對(duì)完成這種認(rèn)知任務(wù)出現(xiàn)了損害所致，影響了完成視覺空間旋轉(zhuǎn)任務(wù)的作業(yè)績(jī)效。因?yàn)橐曈X刺激位置和運(yùn)動(dòng)反應(yīng)轉(zhuǎn)譯成認(rèn)知編碼的過程需要一定時(shí)間的積累，時(shí)間越長(zhǎng)則沖突變得越大。王力等[10]認(rèn)為感覺運(yùn)動(dòng)激活的啟動(dòng)加工有一些先決條件，激活是視覺的一個(gè)特性。在日常生活中，視覺系統(tǒng)對(duì)行為有重要的指導(dǎo)作用，比如，抓握需要對(duì)目標(biāo)精確的定位和反應(yīng)手的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，日常生活中的長(zhǎng)期練習(xí)使視覺系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)建立較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)，而聽覺系統(tǒng)與行為聯(lián)結(jié)之間則缺乏相應(yīng)的練習(xí)。進(jìn)而，在較自然的狀態(tài)下，只有視覺刺激才會(huì)發(fā)生感覺運(yùn)動(dòng)激活。

本研究還發(fā)現(xiàn)，SD 36 h后被試完成視覺空間旋轉(zhuǎn)任務(wù)時(shí)，P500潛伏期顯著延遲，波幅顯著降低。說明視覺刺激激活程度降低，視覺刺激編碼轉(zhuǎn)譯至運(yùn)動(dòng)反應(yīng)編碼的神經(jīng)環(huán)路可能出現(xiàn)了損害。此時(shí)，刺激特征編碼和運(yùn)動(dòng)反應(yīng)編碼的聯(lián)結(jié)、運(yùn)動(dòng)反應(yīng)編碼和執(zhí)行反應(yīng)的空間解剖結(jié)構(gòu)編碼的聯(lián)結(jié)需要重新建立，尤其后兩者的聯(lián)結(jié)特別重要。說明SD 36 h造成視覺-運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)信息加工處理過程受損，既損害了信息加工處理速度，也損害了信息加工靈敏程度，并說明SD在一定程度上不僅損害了被試的行為表現(xiàn)，即作業(yè)績(jī)效，而且損害想象運(yùn)動(dòng)的電生理機(jī)制水平。本研究中，SD 36 h后，軍人完成視覺空間任務(wù)時(shí)角度的典型線性(遞增或減)函數(shù)消失，即對(duì)視覺空間旋轉(zhuǎn)任務(wù)的角度失去了意義，說明可能被試心理表征時(shí)本體感受、想象運(yùn)動(dòng)、及視覺信息的整合聯(lián)結(jié)出現(xiàn)了損害。很多研究表明，視覺-運(yùn)動(dòng)想象涉及行為的預(yù)測(cè)，即運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的心理過程[11-13]，視覺-運(yùn)動(dòng)想象受損常涉及主要的軀體感覺皮質(zhì)的神經(jīng)改變，軀體感覺區(qū)域和高階頂葉運(yùn)動(dòng)區(qū)域的功能紊亂[3]。因?yàn)橐曈X空間旋轉(zhuǎn)任務(wù)能激活這些區(qū)域，感覺區(qū)域和高階頂葉皮質(zhì)聯(lián)結(jié)區(qū)域涉及執(zhí)行、觀察和想象力的運(yùn)動(dòng)，以及行為歸因[14]，所以提示SD造成的損害很可能反映了有意的想象運(yùn)動(dòng)及更新視覺-運(yùn)動(dòng)空間信息聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)換的功能紊亂。

人體生理功能的周期性變化與環(huán)境的晝夜交替保持著“同步化”關(guān)系。晝夜節(jié)律是指人體中生理、心理功能的近似以24 h為一周期的內(nèi)源性節(jié)律。SD前后測(cè)定時(shí)間點(diǎn)不同可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，缺乏一個(gè)正常對(duì)照，故本研究有一定的局限性。本研究選擇的36 h SD已經(jīng)超過一個(gè)內(nèi)源性節(jié)律周期，因?yàn)闊o法觀察視覺-運(yùn)動(dòng)信息加工處理過程是否受晝夜節(jié)律影響，即是否36 h睡眠剝奪過程中存在一個(gè)拐點(diǎn)，因此需要進(jìn)一步深入研究。

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Impactof36-hourSleepDeprivationonVisuo-motorCouplingMechanisminYoungSoldiers

WU Xing-qu，CHEN Jiu，YANG Lai-qi，JIA Ting，WU Yin-xia，MA Wen-tao，ZHANG Yan

Center for Mental Disease Control and Prevention，Third Hospital of PLA，Baoji，Shaanxi 721004，China

CHEN Jiu Tel：0917- 8957435，E-mail：ericcst@aliyun.com

ObjectiveTo explore the impact of 36-hour sleep deprivation(SD)on the brain electrophysiological indicators of visuo-motor coupling in young soldiers.MethodsDuring the 36-hour SD，10 healthy young soldiers were tested on visuospatial rotation tasks by event-related potentials system before and after SD.The incubation period and amplitude of P500 as well as their error number and reaction time were measured.ResultsCompared with subjects in SD 0-hour，subjects in SD 36-hour had significantly increased error rate [(9.7±3.9)%vs.(18.3±4.5)%，P<0.05] and significantly increased reaction time [(632.5±53.6)msvs.(693.6±65.7)ms，P<0.05].Subjects in SD 36-hour showed significantly reduced amplitudes than those in SD 0-hour [(8.7±2.3)μVvs.(5.2±1.6)μV，P<0.05].Additionally，subjects in SD 36-hour showed significantly increased P500 latencies than did those in SD 0-hour [(489.6±42.6)msvs.(530.2±51.9)ms，P<0.05].Compared with subjects in SD 0-hour，the deficit was an absence of a mental rotation function SD 36-hour in subjects.ConclusionsThe 36-hour SD in young soldiers can harm the processing mechanism of visuo-motor coupling in a certain extent.SD can affect the fixed position ability of visual space cognition in young soldiers.

sleep deprivation；young soldiers；visuo-motor coupling；event-related potentials

陳 玖 電話：0917- 8957435，電子郵件：ericcst@aliyun.com

R111

A

1000- 503X(2013)04- 0439- 05

2012- 07- 22)

蘭州軍區(qū)醫(yī)藥衛(wèi)生科研項(xiàng)目(LXH- 2009002)Supported by the Research Fund for Health and Medicine in Lanzhou Military Region of Chinese Army(LXH- 2009002)

10.3881/j.issn.1000- 503X.2013.04.015