基于EEG-fMRI的睡眠过程脑功能研究及其在失眠障碍患者的应用

It is of great importance to systematically investigate brain function during sleep for understanding sleep health and sleep disorder. Simultaneous EEG and functional MRI (fMRI) techniques have been powerful tools for investigations of brain function during sleep. Most previous preliminary EEG-fMRI studies during sleep have been limited to sole use of EEG data for sleep staging, fMRI analyses on static characteristics, and only focused on healthy populations. Thus the current project will combine EEG and fMRI techniques to monitor the process from wakeful rest to light sleep and even to deep sleep and investigate the static and dynamic characteristics of both brain functional connectivity and regional activities. We will further calculate the power of EEG rhythms from various frequency bands and EEG microstate characteristics, to inform the fMRI analyses and investigate the brain function differences across the various physiological states during sleep. In the end, we will apply the experimental design and data analytic strategies to insomniacs, investigate the abnormal behaviour during sleep and associate it with brain function, then further evaluate whether brain functional characteristics during sleep could aid with diagnosis of insomnia disorder. This project will help to clarify the brain functional characteristics during physiological sleep, elucidate abnormal brain function during sleep for insomniacs, and potentially contribute to promoting sleep health and treating sleep disorder.

系统研究睡眠过程的脑功能对了解睡眠健康及睡眠障碍至关重要。同步脑电（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）技术为研究睡眠过程的脑功能机制提供了强有力的工具。已开展的绝大多数初步的睡眠过程EEG-fMRI研究仅基于EEG数据对睡眠分期，局限于fMRI脑功能静态特性研究，且只关注睡眠健康的群体。对此，本项目拟结合EEG-fMRI技术监测从清醒到浅睡眠乃至深睡眠的过程，研究脑功能连接和局部活动强度的静态和动态特性；结合EEG不同频段波幅和微状态特性变化模式与fMRI数据进行深入的联合分析，研究不同生理状态下脑功能特性的变化特点；并应用于失眠障碍患者，探究失眠障碍患者睡眠过程异常的临床症状与脑功能活动异常的关联以及脑功能属性是否能辅助诊断失眠障碍。本项目的成果将有助于明确正常睡眠生理过程的脑功能特征，阐明失眠障碍患者异常睡眠过程的脑功能机制，对促进睡眠健康和治疗睡眠障碍具有重要的指导意义。

揭示睡眠过程的脑功能特征，不仅有助于促进睡眠健康，还有望指导睡眠障碍的干预方案。但在本项目开启之初，已开展的绝大多数初步的睡眠过程EEG-fMRI研究仅基于EEG数据对睡眠分期，局限于fMRI脑功能静态特性研究，且只关注睡眠健康的群体。针对上述问题，本项目采集了睡眠健康和失眠障碍受试者的睡眠过程EEG-fMRI数据，着重开展了三个方面的研究工作：.（1）充分利用fMRI数据中包含的脑功能静态和动态属性信息，研究了睡眠过程中前侧和后侧下丘脑的功能连接变化规律，明确了睡眠各期的小脑-大脑-皮层下等多系统大尺度脑功能网络连接规律，发现了不同睡眠期大尺度脑功能网络动态转换特征及其电生理基础；.（2）充分挖掘了睡眠过程中EEG信号的高时间分辨率特征，与fMRI的高精度脑功能网络进行联合分析：揭示了睡眠过程中人脑短暂觉醒期内大脑神经活动的规律，发现了深睡眠脑电微状态与fMRI脑功能网络的一一对应关系，并搭建了睡眠EEG-fMRI数据的自动化一键式联合分析平台（A-PASS）；.（3）以失眠障碍为疾病模型，探索了其睡眠连续性差和主客观睡眠差异大等临床症状的脑功能特征：发现浅睡眠时患者前扣带回-小脑的功能连接与其夜间易醒程度相关，而丘脑-颞上回的功能连接与其主客观睡眠差异大的相关，还发现失眠障碍患者睡眠纺锤波引起的扣带回激活降低且与其主观睡眠质量低相关。.（4）本项目还从EEG-fMRI技术拓展到EEG-MEG技术，揭示了睡眠过程中大脑对对声音空间定位信息的加工机制。.综上，本项目不但阐明了正常睡眠生理过程的全脑大尺度重要脑功能系统的静态/动态脑功能特征，提供了睡眠过程EEG-fMRI数据的自动化分析平台，而且揭示了失眠障碍患者睡眠生理过程异常的脑功能机制。因此，本项目的研究成果为睡眠健康人群的睡眠质量进一步提升以及睡眠障碍群体的睡眠干预提供了潜在的影像学靶点。