張 寧,李繼元,岳云龍*,邵永聰,金延方,劉洪亮

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

隨著生活環(huán)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(tài)下特定的功能網絡群，與靜息狀態(tài)下自發(fā)性思維、情感、記憶等功能密切相關，DMN各腦區(qū)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(chuàng)物理治療/干預手段，當前在醫(yī)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(tài)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(yī)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(xù)睡眠時間達7 h；■表示給予電刺激;■表示相應時間節(jié)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(jié)點采集45層圖像，210個時間節(jié)點，共計9 450層圖像。使掃描定位線平行于前-后聯(lián)合間線，掃描范圍自頭頂至枕骨大孔區(qū)。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(xù)時間為20 min，假tDCS指電流作用時間為20 s，干預試驗持續(xù)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(qū)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(xié)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(tài)(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(zhí)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(tǒng)計學分析 利用全腦體素水平單樣本t檢驗得到RW狀態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)律的調節(jié)作用對睡眠狀態(tài)、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(jié)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(tài)下保持覺醒、執(zhí)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(jié)點，在覺醒調控與維持中發(fā)揮重要作用[9]。本研究發(fā)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(qū)間的連接呈現動態(tài)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(tài)。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(jié)機制有關。在SD后的靜息狀態(tài)，機體以維持自身覺醒狀態(tài)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(jié)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(jiān)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。