睡眠剥夺及剥夺后小睡对工作记忆任务的影响：基于大尺度脑网络的研究

摘要

睡眠剥夺（SD, sleep deprivation）这个概念最早来源于对持续工作状态所引起的睡眠缺失的描述，后来逐渐形成了一个独立的概念。睡眠剥夺指的是有机体由于环境的或自身的生理、心理原因所导致的正常睡眠部分或全部丧失的过程和状态，并导致多种认知能力的下降，如警觉性、记忆、情绪加工、决策等。工作记忆（WM, Working Memory）是认知加工中保持并处理信息的系统。目前在睡眠剥夺影响工作记忆的相关研究中具有较大的不一致性，有些研究发现睡眠剥夺后工作记忆的能力显著下降，但也有一些研究表明，睡眠剥夺对工作记忆的影响很小或没有。另一方面，小睡被认为是抵抗睡眠剥夺产生不良影响的有效方式之一，一般指时长在15-30min的短时睡眠。研究表明，小睡可以有效缓解疲劳状况，改善睡眠剥夺后的认知功能。但也有研究表明，小睡对任务的表现并没有明显的恢复作用。为探究以上所争论的观点，我们开展了以下两项实验研究：
　　研究一采用传统的行为学方法考察了36h睡眠剥夺前后工作记忆表现的差异性。实验采用并改编了OSPAN（Operation SPAN，操作广度）工作记忆范式。该范式可区分为简单的工作记忆任务，命名为字母记忆任务，包括了记忆保持阶段和简单加工阶段，以及复杂的工作记忆任务，命名为 OSPAN任务，包括记忆保持阶段与复杂加工阶段，两种任务皆以记忆的广度作为指标。此外我们把两种单独的加工阶段(简单加工阶段：命名为基线任务；复杂加工阶段：命名为算式任务)也放入了实验范式中进行了单独的考察，以进一步探讨是否加工阶段的难度调节影响任务的表现。该范式为我们考差睡眠剥夺对工作记忆的影响是否具有一致性提供了可能。结果表明，36h睡眠剥夺后，在两种任务和两个加工阶段中都没有引起反应时（RT，Reaction Time）的显著变化。在正确率（ACC，Accuracy）上，复杂任务和简单任务出现了行为分离现象，即睡眠剥夺对简单任务的ACC造成了损害，而复杂任务中的ACC在睡眠剥夺后得到了维持。同样的，对于两个单独的加工阶段，其RT也没有受到影响，而ACC也同样发现了行为分离现象，复杂加工阶段的行为表现在36h睡眠剥夺后得到了维持，而简单的加工阶段受到了影响，ACC显著降低。
　　研究二采用了同样的OSPAN范式，并结合了功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)技术，以期以大尺度脑网络的角度揭示36h睡眠剥夺后，简单-复杂工作记忆任务的行为分离现象。研究二中在睡眠剥夺后还进行了30min的小睡，主要想探讨小睡是否对简单和复杂工作记忆都具有恢复作用。结果表明，在行为上，剥夺前后得到了与研究一同样的结论，而30min小睡后并没有发现显著的恢复作用，反而还有行为表现下降的趋势。在神经层面上，我们研究了睡眠剥夺前后及30min小睡大脑额顶控制网络（ FPC， Frontoparietal Control），默认模式网络（ DMN， Default Mode Network），以及背侧注意网络（DAN，Dorsal Attention Network）之间交互作用的影响。我们首先利用独立成分分析方法得到大脑的上述三个功能网络，然后算出不同网络之间的功能连接。
　　通过比较睡眠剥夺前后及30min小睡后，FPC、DMN、DAN的活动以及它们之间的功能连接变化，我们发现：（1）睡眠剥夺后，FPC网络的活动在OSPAN这一复杂双任务中显著增强了，而在其它任务中尽管变化不显著，但活动有明显减小的趋势，小睡后FPC网络的活动变化不明显。DMN睡眠剥夺后的活动在复杂任务和简单任务上表现出了相反的变化，即在 OSPAN任务和算式任务中，DMN的活动在剥夺后显著减小，但在字母任务中，DMN活动则显著增加。DMN的活动在小睡后也未发现有明显的变化。对于DAN网络的活动，我们发现睡眠剥夺后在 OSPAN任务和算式任务中，其活动显著减弱。小睡后未发现三个网络在四种任务上有显著的活动变化。（2）对于网络对的功能连接，我们只在DMN-DAN中发现了剥夺效应，即在字母任务和基线任务中，DMN-DAN的功能连接强度在剥夺后显著减小。这说明了DMN-DAN网络在简单任务中容易受到睡眠剥夺的影响。（3）DMN-DAN在睡眠剥夺后的功能连接变化与字母任务的表现成显著的正相关，表明了DMN-DAN之间的功能连接变化可以作为预测简单工作记忆任务表现的可靠指标。小睡后DMN-DAN与字母任务表现之间的正相关更大了，这从一定程度上说明了30min小睡对于功能连接并没有表现出一种恢复效应。
　　本研究利用fMRI技术从大尺度脑网络交互的角度揭示了36h睡眠剥夺及30min小睡对简单-复杂工作记忆任务的影响，为目前研究上所争论的问题提供了新的影像学依据。研究结果对我们深入理解睡眠剥夺影响大脑认知功能的神经机制，开发有效的睡眠剥夺对抗措施具有重要意义。

目录

声明

1 文献综述

1.1 睡眠剥夺

1.2 工作记忆

1.3 睡眠剥夺影响工作记忆的研究分歧点

2 研究设计

2.1 研究目的

2.2 基本思路

2.3 研究价值及创新之处

3 研究一：睡眠剥夺对工作记忆任务的影响

3.1 研究目的

3.2 研究方法

3.3 实验结果

3.4 结果与讨论

4 研究二：剥夺后小睡对工作记忆任务的影响

4.1 研究目的

4.2 研究方法

4.3 数据分析

4.4实验结果

4.5 结果与讨论

5 研究讨论与总结

5.1 研究讨论

5.2 研究总结

6 研究不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的成果