不同時長的睡眠剝奪對注意警覺功能的影響

殷 瑛，王家濤，周前祥

（北京航空航天大學生物與醫學工程學院，北京 100191）

1 引言

警覺度指標在航天、交通安全領域和軍事行動領域均發揮重要作用，而警覺度的降低可能導致任務績效下降，甚至危及人員安全［1-2］。隨著載人航天技術的不斷發展，航天員在軌工作的時間越來越長，維持警覺狀態對于個體保證工作績效十分重要［3-4］。在軌人員睡眠不足會影響認知表現［5-6］，從而引發安全事故［7］。因此，探討睡眠不足對認知功能影響的機制具有重要的現實意義。完全急性睡眠剝奪（Total Sleep Deprivation，TSD）作為操縱睡眠不足狀態的重要范式，被廣泛用于探索睡眠不足情況下，認知行為和神經功能變化的重要理論問題。睡眠剝奪期間參與者需要一直保持清醒，時長從24 h 到72 h 不等［8］。

警覺性注意（Vigilant Attention）反映了一定時間內將注意力維持在簡單反應任務上的能力［9-10］。作為一種基礎認知功能，警覺性注意的降低會影響執行功能的表現［11-12］。在睡眠剝奪影響注意的研究中，精神運動警覺性測試（Psychomotor Vigilance Test，PVT）因其靈敏性高，個體差異較小成為測量警覺性注意的首選范式［10］。

Mao 等［11］發現睡眠剝奪會嚴重影響多種認知過程，包括警覺性注意、工作記憶、執行功能［13-14］。這些發現支持了警惕注意力在睡眠不足后維持整體神經行為功能的關鍵作用。一晚的睡眠剝奪后個體完成go／no-go 任務和PVT 任務的行為表現顯著下降，且go／no-go 任務中增加的脫漏次數與PVT 任務中下降的反應時存在相關關系。睡眠不足后警覺注意力的損害部分解釋了睡眠剝奪對抑制控制的影響，并在一定程度上證實了警覺假說。警覺性注意對睡眠剝奪尤為敏感，具體表現在隨睡眠剝奪時間增加，PVT 任務的反應時和正確率都顯著下降，而受晝夜節律影響，在深夜和凌晨警覺性注意受損最嚴重［10］。在神經層面，睡眠剝奪后認知功能受損及大范圍α功率激活和功能連接減弱有關，其中默認網絡、頂枕網絡、感覺運動網絡和丘腦是影響認知功能表現的重要區域［15-17］。但睡眠剝奪對認知功能影響的時間累積效應并不一致。Skurvydas 等［18］研究發現，24 h 的睡眠剝奪不影響執行功能的表現，而在48 h 后表現顯著下降。同樣，30 h 睡眠剝奪后的工作記憶表現顯著低于24 h［19］。Stenson 等［20］發現參與者在39 h 的完全睡眠剝奪期間，警覺性注意的任務表現呈波動下降。

Lowe 等［21］分析表明，睡眠剝奪對跨認知領域的認知處理有顯著的負面影響，包括警覺性、簡單注意力、持續注意力。由于警覺注意力對于高級認知功能至關重要，并且最容易受到睡眠剝奪的影響，因此研究人員提出，警覺注意力可能是解釋睡眠剝奪后其他認知缺陷變化的基本因素［22］。從認知加工的角度分析，行為決策等認知過程是以個體對相關信息的前注意加工為基礎的。個體之所以在睡眠缺失后表現出操作失誤的行為，可能在于他們在做出認知決策之前，選擇性地注意了無關信息。盡管這一假設已經存在多年，但很少有研究明確地指出警覺注意力在整個睡眠剝奪中是如何變化的。目前還不清楚警覺注意力的受損隨著剝奪時間的增加線性下降是否動態變化。

本文以事件相關電位技術構建不同時長睡眠剝奪模型，明確不同時長的睡眠剝奪對警覺注意加工的損害特征。研究結果可為科學管控睡眠、科學應對失眠等睡眠障礙提供參考。

2 方法

2.1 志愿者

實驗共招募30 名志愿者，年齡22.79±2.27歲。志愿者均為右利手，視力或矯正視力正常，之前未參加過心理生理相關實驗，無精神神經疾病史，無焦慮和抑郁癥狀，近期無急性感染史或感染癥狀，近期無藥物治療史，體內無植入金屬。經數據篩查后，保留27 名志愿者的數據。志愿者智商處于人群平均水平以上（IQ＞110 分）［23］。使用匹茲堡睡眠質量指數問卷測驗（Pittsburgh Sleep Quality Index，PSQI）對志愿者睡眠情況進行篩查（PSQI＜5）。在實驗前所有志愿者詳細了解實驗流程及試驗中注意事項，并填寫了知情同意書。實驗經過了北京航空航天大學倫理委員會的批準。

2.2 實驗流程

研究采用單因素組內設計。志愿者在測試前一天到達實驗室，確保當晚在實驗室有至少8 h的睡眠。第二天8：00 睡眠剝奪開始，志愿者完成了第一次3 min 的閉眼靜息態數據采集和PVT 任務腦電數據的采集，作為基線測量（Baseline）。第三天8：00（記作24 h-TSD 值），志愿者完成了第二次靜息態腦電數據采集和PVT 任務腦電數據。第三天20：00（記作36 h-TSD 值），志愿者完成了第三次靜息態腦電數據采集和PVT 任務腦電數據，然后整個實驗結束。每次實驗同時有2名志愿者參與，整個睡眠剝奪過程中有2 名醫護人員和一名主試人員陪同監督。實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程示意圖Fig.1 Flow chart of the experiment

2.3 檢測方法

2.3.1 精神運動警覺性任務

在睜眼靜息狀態期間，志愿者目光集中到屏幕中央固定的十字上。在PVT 任務中，開始時屏幕出現一個固定在中央的十字，呈現時間為隨機2～10 s 的間隔時間隨后轉換到一個紅色圓點，志愿者被要求用右手食指盡快按空格鍵，按鍵后屏幕顯示反應時間，馬上再次轉換到十字顯示。任務示意圖見圖2。

圖2 PVT 任務示意圖Fig.2 Schematic diagram of PVT task

2.3.2 腦電記錄

驗程序采用E-prime 2.0 編寫和呈現。EEG信號則通過64 通道電極帽（10-20 系統標準位置）結合SynAmps2 放大器（Compumedics Neuroscan，Charlotte，NC，USA）通過Neuroscan 在線采集。采集過程中，采樣率為1000 Hz，電極阻抗保持在5 kΩ 以下，雙側乳突作為在線參考電極［23］。

2.4 數據處理

2.4.1 ERP 分析

ERP （Event Related Potential） 數 據 采 用SCAN4.3 軟件進行預處理和統計參數分析。經腦電預覽后，采用回歸分析去除眼電偽跡，經濾波（帶通為0.05～17 Hz）、腦電分段（ERP 分析窗選用900 ms，以刺激前100 ms 用于基線校正）、基線校正后，對所有正確反應的腦電誘發電位進行疊加平均。

選取F3、Fz、F4、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4 9 個電極點，提取P2、P3 成分的波幅和潛伏期［23］。選取刺激呈現后150 ～250 ms 作為提取P2 成分的時間窗，選取刺激呈現后250 ～400 ms 作為提取P3 成分的時間窗。計算9 個點的平均波幅和潛伏期納入到后續統計處理中。

2.4.2 EEG 頻譜分析

腦電相對功率的計算結果可以用于分析腦電信號在不同頻段內的能量分布情況，本文用此來探究特定頻段內的腦活動對于注意加工過程的貢獻。

使用MATLAB 中的EEGLAB 工具包進行預處理和相對功率計算?？紤]到在實驗剛開始時被試可能還沒有進入狀態，因此刪除前30 s 的數據。為了提高數據信噪比，將剩余的腦電數據分為2 s 一段進行分析。鑒于腦電信號是一種非平穩信號，為避免在每段邊緣處出現信號衰減和畸變，每段數據均加上一個等長的漢明窗（Hamming window）函數（重疊率為50%），以進行基于Welch算法的功率譜估計。對分段后的EEG 數據進行傅里葉變換。對α（8～14 Hz）頻段范圍內的EEG功率譜進行平均，得到該條件下該頻段的平均絕對功率。將該頻段的絕對功率除以整個目標頻率范圍的總功率，計算α 頻段的相對功率，以消除兩種條件下功率基線不同的情況。

2.4.3 統計學處理

3 結果

3.1 行為學結果

對于每個志愿者在睡眠剝奪前后完成PVT任務的平均反應時進行統計分析（表1）。結果顯示，時間主效應顯著（P＜0.001）。事后比較結果表明，與基線相比，24 h 完全睡眠剝奪后，被試完成任務的平均反應時顯著延長（P＜0.001），36 h完全睡眠剝奪后，被試完成任務的平均反應時顯著延長（P＜0.001）。24 h 完全睡眠剝奪后的反應時顯著大于36 h 完全睡眠剝奪后（P＝0.007）。

表1 不同時長睡眠剝奪下被試的任務反應時（）Table 1 Reaction time to task in subjects with different lengths of sleep deprivation（）

表1 不同時長睡眠剝奪下被試的任務反應時（）Table 1 Reaction time to task in subjects with different lengths of sleep deprivation（）

注：***P＜0.001 vs 基線；＃P＜0.01 vs 24 h-TSD

參數 基線 24h-TSD 36h-TSD反應時／ms 313.137±36.25 355.96±8.33***337.03±2.036***＃

3.2 ERP 結果

3.2.1 波幅

對3 個時間點的P2、P3 成分波幅分別進行單因素重復測量，結果表明，時間主效應對P2 波幅（P＝0.010）和P3 波幅（P＝0.006）影響顯著。即不同睡眠剝奪時長下，P2 和P3 成分的波幅存在顯著差異。

事后比較結果表明，與基線相比，24 h 完全睡眠剝奪后，志愿者的P2 波波幅和P3 波波幅均顯著下降（P＝0.012；P＝0.002），36 h 完全睡眠剝奪后，志愿者的P2 波波幅和P3 波波幅均顯著下降（P＝0.040；P＝0.037）。24 h 完全睡眠剝奪后的P2 波幅和P3 波幅與36 h 完全睡眠剝奪后無顯著差異。不同時長睡眠剝奪下腦電成分的波幅和潛伏期見表2，不同時長睡眠剝奪下被試完成警覺任務的腦電波形圖見圖3。

表2 不同時長睡眠剝奪下腦電成分的波幅和潛伏期（，n＝27）Table 2 Amplitudes and latencies of electroencephalographic components under different durations of sleep deprivation（，n＝27）

表2 不同時長睡眠剝奪下腦電成分的波幅和潛伏期（，n＝27）Table 2 Amplitudes and latencies of electroencephalographic components under different durations of sleep deprivation（，n＝27）

注：＃P＜0.05 vs 基線；＃＃P＜0.01 vs 基線

參數基線24h-TSD 36h-TSD P2 P3 P2 P3 P2 P3波幅 6.30±3.98 8.34±5.35 4.21±2.83＃ 5.90±3.70＃＃ 4.72±2.27＃ 6.59±4.98＃潛伏期 222.72±32.58 424.05±31.49 225.36±36.67 436.32±38.65 218.47±26.64 439.15±27.13

圖3 不同時長睡眠剝奪下志愿者完成警覺任務的腦電波形圖Fig.3 ERP waveforms under different durations of sleep deprivation

3.2.2 潛伏期

對3 個時間點的P2、P3 成分潛伏期分別進行單因素重復測量，結果表明，時間主效應對P2潛伏期（P＞0.05）沒有顯著影響。時間主效應對P3 潛伏期（P＝0.058） 有顯著影響。事后比較結果表明，與基線相比，24 h 完全睡眠剝奪后，P3 潛伏期顯著延長（P＝0.026）。

3.3 EEG 頻譜分析結果

對3 個時間點的α 頻段的相對功率進行單因素重復測量，結果表明時間主效應對α 頻段相對功率值有顯著影響（P＝0.022）。相較于基線和24 h 完全睡眠剝奪，36 h 睡眠剝奪后α 頻段相對功率顯著降低（P＝0.014）。不同時長睡眠剝奪下被試靜息態α 頻段相對功率見表3、圖4。

表3 不同時長睡眠剝奪下α 頻段相對功率值Table 3 Relative power values in the alpha band for different durations of sleep deprivation

圖4 不同時長睡眠剝奪下被試靜息態α 頻段相對功率Fig.4 Relative power in the resting alpha band under different durations of sleep deprivation

4 討論

本文比較了不同睡眠剝奪時長下個體的行為學指標、腦電成分以及腦電頻譜活動。研究發現，睡眠剝奪后，受試者任務反應時顯著下降，睡眠剝奪影響了個體的警惕性、動作準備和執行［24］。24 h 睡眠剝奪后，個體的反應時和腦電P2、P3 成分的波幅呈現出斷崖式下降，相較于基線狀態，大幅度降低。而與后續36 h 睡眠剝奪的結果相比，個體的注意警覺水平并未呈現出顯著差異。這說明警覺注意力并非會隨著剝奪時間的增加而線性下降，睡眠剝奪24 h 后，個體的認知能力進入一個平臺期。經過一定時間的睡眠剝奪后，個體可能已經適應了這種狀態，或者在某種程度上恢復了一些認知功能。這種適應可能表現為生理上的調整，例如改變神經化學物質的水平，以幫助維持警覺性。此外，心理適應也可能發揮作用，個體采取更積極的策略來應對疲勞和困倦，從而保持注意警覺水平。

α 頻段的功率是用來反映警覺能力的良好腦電指標［25］，該頻段的靜息態活動在閉眼過程中進行采集信號更好［26］。此外，α 頻段和抑制控制、注意力等功能密切相關［27-28］。Boonstra 等［29］研究表明，24 hTSD 額葉皮質的α 活性降低，高α 活性可能表明抑制任務無關的大腦區域或總體大腦活動的降低。本文結果表明，36 h 睡眠剝奪后大腦的自發α 活動顯著降低，而基線與24 h 睡眠剝奪后的α 頻段活動無顯著差異。結合行為學和ERP 分析的結果，24 h 睡眠剝奪后，個體認知能力急速下降，大腦采取了代償的活動模式以保證正常的認知活動。這一研究結果可為未來選取睡眠剝奪期間進行恢復性干預措施的時間點提供一定的實證證據。

P2 成分反映了注意力和視覺加工的早期過程，與早期信息加工和選擇性注意相關，反映了知覺過程中的早期判斷［30］。睡眠剝奪后，注意力資源的分配會發生變化。相較于清醒狀態，睡眠剝奪后大腦的顯著性網絡會將更多的注意力資源分配給默認模式網絡，以維持個體的警覺性［31-32］。睡眠剝奪后，個體感覺門控功能受損，信息濾出存在障礙，影響個體的認知功能［33］。本文的結果顯示，在經過24 h 睡眠剝奪后，志愿者的P2 波幅顯著增加，說明志愿者睡眠剝奪后辨別和加工刺激信息的速度和能力降低，大腦對信息的選擇、注意及抗干擾能力減弱［34］。睡眠剝奪后縮短的P2 潛伏期可能也說明了可支配注意力資源的減少［19］。以往研究表明，睡眠剝奪后最一致的負面影響是持續注意力的惡化，其對于高級認知功能的影響目前仍在討論中［35］。

本文雖然采取了簡單警覺性任務，但簡單的反應任務仍然包含著早期感知覺、警惕性、注意、動作執行與相應等一系列心理機制［36］。研究發現睡眠剝奪后，志愿者的P3 成分的波幅顯著下降。P3 成分在信息整合，傳輸有意注意、注意調節、反應后適應中起著重要的作用［37-38］。睡眠剝奪影響了后續的認知控制控制階段。

已有不少研究表明，睡眠剝奪對PVT 任務和其他持續注意力任務存在強烈而一致的負面影響［20］。因此有研究人員提出假設，即睡眠剝奪對認知功能的負面影響是睡眠不足后個體警覺注意力不穩定的結果［13］。換而言之，警覺注意最容易受到睡眠剝奪的影響。

本文研究發現，24 h 睡眠剝奪后的個體注意警覺水平就已經大幅度受損，表明了注意警覺功能的敏感性。任何需要獲取信息的認知任務的表現都可能因睡眠不足而受損；任務越需要保持警惕，睡眠不足造成的損害就越大［20］。警覺注意是一種會受到睡眠剝奪持續影響的認知成分［38］。注意模型強調警覺和持續性注意是進行高級認知加工時不可或缺的，并且如果個體不能很好地保持警覺水平時，其高級認知功能也會受到損害［39］。睡眠剝奪對工作記憶、執行功能的影響可能存在時間累積效應，只有當睡眠剝奪的時間足夠長時，負面效應才足夠明顯。個體維持清醒的能力卻是受到自上向下的皮層控制系統調節，尤其是前額葉的執行控制區域［40-41］。當睡眠壓力較低時，這個系統處于松弛狀態，清醒狀態的警覺表現也處于穩定狀態。當個體持續維持24 h 的清醒狀態時，逐漸增加的渴望睡眠的身體內穩態壓力和維持清醒的動機之間的沖突就會增加，從而導致了警覺系統的不穩定性和不可靠性。

本研究的不足是實驗采用的都是男性志愿者，增加女性樣本和功能磁共振成像的研究對于睡眠剝奪影響警覺注意的神經機制闡述和群體差異性有重要的幫助作用。

5 結論

1）完全睡眠剝奪會影響個體的注意警覺性，警覺認知任務表現出對睡眠剝奪的高敏感性。

2）警覺注意力并非會隨著剝奪時間的增加而線性下降，睡眠剝奪24 h 后，個體的認知能力進入一個平臺期，個體認知能力急速下降，大腦采用了代償活動模式以保證正常的認知活動。

3）在日常生活中，健康人在安靜覺醒的狀態下，警覺狀態的維持相對穩定，但平衡狀態一旦遭到破壞，個體的注意警覺狀態就會受到影響。