睡眠剥夺对脑网络的影响

摘要

睡眠不足是当前十分普遍的社会现象，对个人的健康、生活、工作一定的影响。研究者通过睡眠剥夺实验研究发现：行为上人体的记忆、情绪、逻辑思考等认知功能受到睡眠的影响；生理上人脑部分皮层和皮下组织激活发生变化，已知影响有额顶控制区、颞叶区、海马、杏仁核、中央沟、顶下角回等人脑组织。睡眠剥夺是一种控制被试睡眠时间的实验手段。通过采集被试在睡眠剥夺下的fMRI数据，借助于工具包SPM8对fMRI数据进行头动矫正，空间标准化，空间平滑预处理。结合AAL模板（将人脑通过三位坐标抽象成不同的脑区，对应于网络中的节点）将人脑映射到116个脑区节点，得到各脑区节点的时间序列。采用皮尔森相关系数，生成脑网络连接矩阵，功能连接范围为[-1,1]，正连接表促进作用，负连接为抑制作用。实验表明各脑区的连接强度大部分都处于增强状态，少部分脑区节点的连接强度降低。而整体的网络平均连接、正连接、负连接都比正常情况下要高，说明整体连接增强高于减弱。
　　本研究主要内容包括：⑴对于得到的连接矩阵，通过不同阈值选取对网络进行二值化处理，得到网络的邻接矩阵。结合复杂网络相关理论计算出各阈值下脑网络的各网络参数，在睡眠剥夺下聚类系数、特征路径长度、局部效率都显著增强，而全局效率则是显著减弱。特征路径长度增强、全局效率的减弱说明脑区之间的协作能力整体降低，而聚类系数增强、局部效率增强表明人脑的局部加工效率增强；通过与随机网络对比，睡眠剥夺组与正常睡眠组的脑网络都具有小世界网络特性，睡眠剥夺下小世界网络特性显著增强；睡眠剥夺特征路径长度显著增加，全局效率显著降低，即便睡眠剥夺下脑网络小世界特性增强，具有更强的聚类系数，以及更高局部效率，但在全局下脑区之间的协作能力降低，这有可能是脑网络的一种“补偿效应”，增加部分脑区效率来应对睡眠剥夺对整体脑络的影响。⑵通过取网络连接度在41％时，计算出网络中各脑区节点点效率，发现在大脑脑区前扣带和旁扣带脑回、顶下缘角回、缘上回、尾状核和丘脑显著降低，而左颞中回、右颞中回、显著增强。大脑脑区效率有增强也有减弱这说明睡眠剥夺并不只是负面的减弱影响，相反在应对睡眠剥夺的负面影响下，大脑有自己动态调节功能，通过激活增强某些脑区，以弥补睡眠剥夺的负面影响，即“补偿效应”。而对于小脑区域则是有11个脑区显著变化，且都呈现降低。睡眠剥夺下对小脑脑区影响比较明显，而小脑又主要负责人体平衡相关机能，睡眠剥夺对人体平衡功能影响显著，从而影响我们日常的行为生活。⑶鉴于睡眠不足的诸多影响，联想到当前社会中对于酒驾，醉驾等危害人身安全的严重性。疲劳驾驶同样对于人身安全造成，而睡眠不足也会十分容易导致疲劳，影响人体平衡。通过多体素模式分析（MVPA）的思想，建立一套区分睡眠剥夺的方法，用于鉴别人体是否处于睡眠不足。基于获得的被试脑网络连接矩阵，取上三角矩阵作为分类特征，最后得到一个4005维的特征向量。通过主成分分析、线性判别分析算法进行降维，在主成分分析降维方法下聚类效果达到最优。睡睡眠夺剥敏感性比特异性好。当选取185个功能连接特征时，MVPA达到最佳的泛化率，通过分析这个185个功能连接特征，发现这些功能连接主要分布于人脑的前额叶区域，其次是枕叶区域。而颞叶、顶叶区域功能连接分布较少，这说明睡眠剥夺对额叶区和枕叶区的功能连接较为强烈。额叶区主要负责逻辑推理、语言、空间成像等高级功能，枕叶区主要负责人体的视觉已经图像等高级功能。通过MVPA方式，不同的脑区状态可以得到不同的连接特征，这对于鉴别人脑状态具有重要意义。

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第1章 绪论

1.1 研究现状

1.2 研究内容

1.3 研究价值与创新

1.4 论文组织结构

第2章 fMRI数据研究方法

2.1脑成像技术

2.2 fMRI技术发展与应用

2.3 fMRI数据研究方法

第3章 复杂网络

3.1 复杂网络定义及表现

3.2 复杂网络基本特性

3.3 常见的复杂网络模型.

3.4 小世界网络基本特征定义

3.5 本章小结

第4章 睡眠剥夺脑网络分析

4.1 复杂脑网路研究路线图

4.2 睡眠剥夺实验设计

4.3 脑网络

4.4 本章小结

第5章 睡眠剥夺聚类分析

5.1 MVPA基本原理

5.2 睡眠剥夺MVPA

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文