睡眠剥夺影响大脑认知功能的功能磁共振成像研究

摘要

睡眠剥夺是指由于各种原因导致睡眠缺失，并引起一系列生理及心理功能改变，导致多种认知能力下降的状态。随着现代高技术战争激烈性、突然性、紧张性加剧，参战军事人员时常处于睡眠剥夺状态，由此引发的脑力疲劳对于特殊技术兵种以及操纵高、精、尖武器的军事人员影响最为突出。在新军事变革时代，如何提高现代战争系统中最关键也是最脆弱的环节—操作者的能力，最大限度地发挥军事装备性能，成为了各军事大国军事心理学研究的重要课题。因此揭示睡眠剥夺影响认知功能的关键神经机制，做好军事人员脑力疲劳预测及对抗已经是迫在眉睫的重大课题。本论文源自军队十一五、十二五课题资助，旨在通过构建实验室条件下的完全睡眠剥夺模型，深入揭示睡眠剥夺所导致的认知功能损伤特点及机制，为构建军事认知损伤的评价和防护体系提供理论依据，推动军事认知功能防护策略和认知障碍治疗措施的进展，为保障部队战斗力和提升军事作业能力发挥积极作用。
　　研究方法：
　　实验采用自身前后对照设计，研究对象为51名健康志愿者，分两批进行实验。利用功能磁共振成像技术（functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI），研究睡眠剥夺影响大脑自发功能活动、大尺度功能网络交互、静息态情绪功能网络及风险决策相关神经回路的特征模式。
　　研究结果：
　　1、睡眠剥夺对大脑自发功能活动的影响
　　分别研究了功能连接密度、局部一致性及分数低频振幅这三个能够反映大脑自发功能活动的fMRI指标在睡眠剥夺前后的变化模式，并分析了不同指标间变化模式的关联性以及与个体警觉程度的关系。我们发现：（1）睡眠剥夺条件下功能连接密度、局部一致性以及分数低频振幅显著下降的脑区主要包括背外侧前额叶、内侧前额叶、后扣带回、楔前叶及顶下小叶；（2）睡眠剥夺条件下功能连接密度、局部一致性及分数低频振幅显著上升的区域主要包括中央后回、颞叶、丘脑及枕叶；（3）功能连接密度、局部一致性及分数低频振幅在睡眠剥夺前后的变化程度之间具有显著正相关关系；（4）后扣带回区域局部功能连接密度值的变化与个体心理运动警觉度任务中反应时的变化呈显著负相关关系。研究结果表明睡眠剥夺后大脑负责感知觉信息整合加工的脑区自发功能活动显著增强，而负责高级认知加工的脑区自发功能活动显著减弱。
　　2、睡眠剥夺对大尺度脑功能网络交互的影响
　　基于三网络模型研究了睡眠剥夺对静息状态下大脑默认网络（default mode network, DMN）、执行控制网络（executive control network, ECN）和突显网络（salience network, SN）之间交互作用的影响。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，然后利用双重回归分析计算出不同网络之间的耦合强度。通过比较睡眠剥夺前后 SN与 ECN、DMN之间耦合强度的变化，我们发现：（1）在睡眠剥夺条件下 SN与 DMN的耦合强度显著升高；（2）SN-DMN的耦合强度跟个体困倦程度以及工作记忆任务的反应时之间具有显著正相关关系，跟工作记忆任务的单位时间正确率之间具有显著负相关关系。研究结果表明SN-DMN的耦合强度可以作为评估困倦程度的潜在神经影像学指标。
　　3、睡眠剥夺对大脑情绪功能的影响
　　采用基于种子点的静息态功能连接分析方法研究了睡眠剥夺对大脑情绪功能网络的影响。杏仁核是大脑中负责情绪加工的主要脑区，由于杏仁核不同亚区的功能存在差异，我们将杏仁核分为了三个部分，分别是中央内侧核、基底外侧核和浅表核，然后分别将三个亚区作为种子点进行功能连接分析。我们发现：（1）睡眠剥夺对杏仁核三个亚区的全脑功能连接具有不同的特征影响模式；（2）浅表核与内侧前额叶之间的连接强度与个体的心境水平具有显著关联；（3）杏仁核三个亚区与负责执行控制功能的主要脑区之间功能连接的减弱以及与默认网络主要脑区之间功能连接的增强可能是睡眠剥夺条件下情绪调节能力减弱的主要原因。
　　4、睡眠剥夺对大脑风险决策倾向的影响
　　利用模拟气球冒险任务结合功能磁共振扫描研究了睡眠剥夺对大脑风险决策倾向的影响。我们首先利用一般线性模型分析方法研究了睡眠剥夺对风险决策过程中与风险水平大小、奖赏及损失相关的大脑激活的影响模式。然后利用心理物理交互分析方法研究了风险决策过程中，后扣带回全脑功能连接模式与冒险倾向的关系。结果发现在睡眠剥夺条件下：（1）左侧额下回跟风险大小相关的激活显著升高，并且左侧额下回激活程度的变化跟个体冒险倾向的变化之间呈显著正相关关系；（2）丘脑和纹状体跟奖赏相关的激活显著上升；（3）右侧颞中回跟损失或遗憾相关的激活存在显著下降；（4）后扣带回与腹内侧前额叶的功能连接变化与冒险倾向的变化之间呈显著负相关关系；（5）左侧额下回的活动对后扣带回-腹内侧前额叶连接强度与冒险倾向之间的相关关系具有中介作用。
　　研究结论：
　　本研究利用功能磁共振成像技术从大脑能量分配和大尺度脑网络交互的角度揭示了睡眠剥夺后大脑自发功能活动的变化模式，为睡眠剥夺的认知资源分配假说提供了新的影像学依据，并进一步发现了睡眠剥夺影响大脑情绪功能的特征脑网络模式，首次揭示了左侧额下回在睡眠剥夺影响风险决策倾向中的重要作用。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

缩略词表

第一章 绪论

1.1课题背景与研究意义

1.2睡眠-觉醒周期调节与睡眠剥夺

1.3睡眠剥夺对认知功能的影响

1.4睡眠剥夺影响认知功能的MRI研究进展

1.5论文的主要贡献和组织结构

第二章 睡眠剥夺对大脑自发功能活动的影响

2.1引言

2.1材料与方法

2.2结果

2.3讨论

2.4小结

第三章 睡眠剥夺对大尺度脑功能网络交互的影响

3.1引言

3.2材料与方法

3.3 结果

3.4讨论

3.5小结

第四章 睡眠剥夺对大脑情绪功能的影响

4.1引言

4.2材料与方法

4.3结果

4.4讨论

4.5小结

第五章 睡眠剥夺对大脑风险决策倾向的影响

5.1引言

5.2材料与方法

5.3结果

5.4讨论

5.5小结

第六章 总结与展望

6.1论文工作总结

6.2未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

参与的科研项目

致谢