從生理到認(rèn)知：解讀人類大腦的睡眠依賴性興奮和飽和神經(jīng)可塑性

1. 研究背景

睡眠和認(rèn)知緊密相關(guān)。然而，睡眠剝奪調(diào)節(jié)人腦生理和認(rèn)知的機制尚未明晰。本研究旨在揭示整夜睡眠剝奪如何影響皮層興奮性、LTP-和LTD-樣蛋白可塑性的誘導(dǎo)、學(xué)習(xí)和記憶的形成和高階認(rèn)知。

2. 研究方法

2.1 被試

研究共有30名有效被試，其中男性15人，平均年齡為24.44 ± 3.93歲。

2.2 實驗流程

在實驗開始兩周前被試需要完成一份睡眠日記，并在“充足睡眠（23:00-8:00）”和“睡眠剝奪（23:00-8:00）”兩種條件下參與實驗，兩次實驗間隔至少兩周。實驗固定在9:00 a.m. 開始，在8:45 a.m.進行唾液采樣，隨后進行行為和認(rèn)知任務(wù)并記錄EEG（1.5h），再進行皮層興奮性檢測（1h），最后用真/假tDCS刺激誘發(fā)神經(jīng)可塑性。

圖1. 實驗流程示意圖

a) 實驗任務(wù)

運動學(xué)習(xí)

在序列反應(yīng)時任務(wù)（SRTT）中，共有8個block，每個block中會呈現(xiàn)一系列視覺刺激，被試需要對每種刺激作出相應(yīng)的按鍵反應(yīng)。第6個block中刺激呈現(xiàn)順序為偽隨機，在其他block中刺激以固定順序呈現(xiàn)。Block 5與block 6之間平均反應(yīng)時的差反映了運動習(xí)得，block 6與block 7之間平均反應(yīng)時的差反映了學(xué)習(xí)記憶的保持。

工作記憶

采用3-back的實驗范式。字母（A-J）以偽隨機的順序呈現(xiàn)在屏幕中央，每個字母呈現(xiàn)30ms，每兩個字母間的間隔為2000ms。共有2個block，中間間隔5-20s，包含187個trial。被試需要報告當(dāng)前呈現(xiàn)字母與3個trial前的字母是否相同。考察的指標(biāo)為準(zhǔn)確率、d prime（正答率占錯答率的比例）、正答反應(yīng)時。

Stroop任務(wù)

包含3個block：Stroop word，Stroop color，Stroop color-word。在Stroop word中，顏色名以黑色呈現(xiàn)；在Stroop color中，大寫字母以紅、綠、黃、藍(lán)色呈現(xiàn)，被試需進行相應(yīng)的按鍵反應(yīng)；在Stroop color-word中，字的意思與呈現(xiàn)顏色有一致/不一致兩種情況。呈現(xiàn)時間為2000ms，呈現(xiàn)間隔為500ms。

AX連續(xù)表現(xiàn)測試 (AX-CPT)

字母每次呈現(xiàn)一個在屏幕上，呈現(xiàn)時長為150ms，刺激間間隔為2000ms。當(dāng)字母A（正確的線索）后出現(xiàn)字母X（正確的目標(biāo)）時，被試需要用右手食指作出按鍵反應(yīng)；其他以任何順序出現(xiàn)的字母都需要被忽略。任務(wù)共包含240對刺激，其中“AX”出現(xiàn)的頻率較高，為40%。關(guān)注的指標(biāo)為目標(biāo)試次的準(zhǔn)確率和反應(yīng)時。

b) 刺激參數(shù)

皮層興奮性的檢測在行為/EEG測量之后進行。用TMS確定熱點并標(biāo)記，刺激強度調(diào)整到使得MEP的平均振幅能達(dá)到1mV。隨后獲取RMT和AMT。之后繼續(xù)利用TMS去監(jiān)測皮層興奮性（SAI, SICI-ICF, I-wave facilitation, I/O curve）。使用PowerMag刺激器(Mag & More, Germany) 及直徑為70mm的8字形線圈（磁場峰值強度：2T），與中線呈45°，施加在左側(cè)初級運動皮層。

3. 研究結(jié)果

3.1 睡眠剝奪增強皮層興奮性

和睡眠充足的條件相比，睡眠剝奪后的皮層抑制顯著減少，皮層易化顯著增加；I-wave在睡眠剝奪條件下的峰值更大，體現(xiàn)出更少的皮層抑制；睡眠剝奪條件下的MEP振幅更大。

圖2. 充足睡眠 vs 睡眠剝奪后的皮質(zhì)脊髓及皮質(zhì)間興奮性

3.2 皮層興奮度增強與長期增益效應(yīng)的電生理證據(jù)

睡眠剝奪條件下，中線電極處的theta振蕩活動、beta振蕩活動顯著增加，alpha振蕩活動顯著減小。

圖3. 靜息狀態(tài)下Fz, Cz和Pz電極處alpha、beta、theta振蕩活動

a) 睡眠剝奪損害學(xué)習(xí)、記憶形成和認(rèn)知表現(xiàn)

在運動學(xué)習(xí)相關(guān)任務(wù)中，睡眠充足條件下block 5、6，block 6、7之間反應(yīng)時的差更大，錯誤更少；在工作記憶相關(guān)的N-back任務(wù)中，睡眠充足條件下表現(xiàn)更好；在選擇性記憶相關(guān)的Stroop任務(wù)中，干擾效果在睡眠剝奪條件下更強；在持續(xù)性注意相關(guān)的AX-CPT任務(wù)中，睡眠剝奪條件下的正確率更低、反應(yīng)時更長。

圖4. 睡眠剝奪對于序列學(xué)習(xí)、工作記憶和注意的影響

4. 結(jié)論

本研究的結(jié)果表明，睡眠剝奪對包括學(xué)習(xí)、記憶形成和注意功能在內(nèi)的學(xué)習(xí)和認(rèn)知過程，及其電生理相關(guān)的大腦生理學(xué)的特定改變產(chǎn)生了負(fù)面影響。這些發(fā)現(xiàn)補充了迄今為止關(guān)于睡眠在人類神經(jīng)可塑性和認(rèn)知中的關(guān)鍵作用的相關(guān)知識。

5. 文獻(xiàn)名稱及DOI號

Salehinejad, M. A., Ghanavati, E., Reinders, J., Hengstler, J., Kuo, M. F., & Nitsche, M. (2021). Sleep-dependent upscaled excitability and saturated neuroplasticity in the human brain: From brain physiology to cognition. bioRxiv.

Doi: 10.1101/2021.04.28.441823