基于磁共振的额顶网络在睡眠剥夺易损性调控中的神经影像机制研究

Understanding the cognitive consequences of sleep deprivation has become extremely important over the past half century, given the continued decline in sleep duration in industrialized societies. A single night of total sleep deprivation (TSD) produces a range of fundamental neurocognitive deficits, these deficits have been attributed in large part to failures of sustained attention. However, the sustained attention impairments from TSD have shown large inter-individual differences that were stable and trait-like. Examination of neural correlates and other potential biomarkers underlying the vulnerability in response to TSD is currently underway, but the clear mechanisms were still not well elucidated. Our previous studies suggested that baseline differences in the responsiveness of a fronto-parietal attention system that is activated during working memory tasks may be associated with the ability to sustain vigilance during TSD. Therefore, the current study try to thoroughly investigate the neural mechanisms of individual differences in vulnerability toward total TSD using multimodal imaging techniques and hypothesize that the individual differences in the function and structure of fronto-parietal network underlie the sustained attention vulnerability after TSD.

随着社会的发展，越来越多的人正受到睡眠剥夺的威胁，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的状态。持续性注意力是睡眠剥夺后损伤最为严重的认知功能，研究发现睡眠剥夺后持续性注意力损伤存在明显的易损人群与耐受人群，但易损性产生的机制尚不清楚。我们前期研究结果发现，持续性注意力与额顶网络的活动密切相关，因此我们推测额顶网络结构、功能的差异是该易损性的基础。本研究拟通过研究正常人在睡眠剥夺后及正常睡眠后的磁共振数据，以精神运动警觉性任务的行为表现作为易损性的检测标准，分析得出睡眠剥夺易损人群与耐受人群之间额顶网络结构和功能的差异，并进一步将影像学与行为学数据相结合，明确额顶网络的结构功能差异与易损性之间的相关性，深入揭示睡眠剥夺易损性的机制，为筛查睡眠剥夺易损人群及开发有效的干预措施提供科学依据。

现代社会24-7的生活节奏使得睡眠剥夺成为一种常见现象，睡眠剥夺后认知受损也受到大家的普遍关注。然而睡眠剥夺后的认知损伤存在明显的个体差异，而额顶网络可能与易损性密切相关。我们设计了睡眠剥夺的任务，利用功能磁共振手段，采用精神运动警觉性任务（PVT）探索了额顶网络在睡眠剥夺调控中的作用。结果如下：（1）短期睡眠剥夺后健康成人的持续性注意力水平显著下降，PVT任务的走神数量显著增加。额顶网络重要的组成部分背外侧前额叶自发活动的降低可能是睡眠剥夺后持续性注意力下降的重要神经机制。（2）采用支持向量机分类方法，基于功能连接的数据，对60名进行睡眠剥夺实验的健康对照组进了易损性的分类。最终分类器的准确率为84.75%，敏感性为82.76%，特异性为86.67%，曲线下面积为0.94。其中对分类贡献较大区域包括右侧辅助运动区、左侧缘上回，左侧顶下小叶，右侧额中回等属于额顶网络的重要区域。（3）通过增加扫描次数，我们探讨了睡眠剥夺过程中大脑功能连接和睡意的变化情况，丘脑、颞上回、中央前的功能连接以及睡意在睡眠剥夺过程中是逐步上升的，这表明睡意与功能连接受到节律与睡眠稳态的动态调节。（4）节律与睡眠稳态对工作记忆的影响对不同任务是不一致的，凌晨4点（而不是6点）是工作记忆表现最差的时刻，此时的工作记忆表现不仅依赖角回区域的正激活，也与默认网络与额顶网络的子网络之间的反相关性有关。（5）与睡眠有关的精神分裂症研究发现，精神分裂症患者存在明显的结构网络改变、精神分裂症药物治疗后小世界网络有明显改善、精神分裂症药物治疗后灰质结构有明显改善、机器学习可以对健康对照与精神分裂症患者进行准确区分并可以对其一级亲属进行分类。