從生理到認知：解讀人類大腦的睡眠依賴性興奮和飽和神經可塑性

1. 研究背景

睡眠和認知緊密相關。然而，睡眠剝奪調節(jié)人腦生理和認知的機制尚未明晰。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、學習和記憶的形成和高階認知。

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，隨后進行行為和認知任務并記錄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)神經可塑性。

圖1. 實驗流程示意圖

a) 實驗任務

運動學習

在序列反應時任務（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的按鍵反應。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之間平均反應時的差反映了運動習得，block 6與block 7之間平均反應時的差反映了學習記憶的保持。

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。被試需要報告當前呈現(xiàn)字母與3個trial前的字母是否相同。考察的指標為準確率、d prime（正答率占錯答率的比例）、正答反應時。

Stroop任務

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、藍色呈現(xiàn)，被試需進行相應的按鍵反應；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。當字母A（正確的線索）后出現(xiàn)字母X（正確的目標）時，被試需要用右手食指作出按鍵反應；其他以任何順序出現(xiàn)的字母都需要被忽略。任務共包含240對刺激，其中“AX”出現(xiàn)的頻率較高，為40%。關注的指標為目標試次的準確率和反應時。

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確定熱點并標記，刺激強度調整到使得MEP的平均振幅能達到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°，施加在左側初級運動皮層。

3. 研究結果

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 睡眠剝奪后的皮質脊髓及皮質間興奮性

3.2 皮層興奮度增強與長期增益效應的電生理證據(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) 睡眠剝奪損害學習、記憶形成和認知表現(xiàn)

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

圖4. 睡眠剝奪對于序列學習、工作記憶和注意的影響

4. 結論

本研究的結果表明，睡眠剝奪對包括學習、記憶形成和注意功能在內的學習和認知過程，及其電生理相關的大腦生理學的特定改變產生了負面影響。這些發(fā)現(xiàn)補充了迄今為止關于睡眠在人類神經可塑性和認知中的關鍵作用的相關知識。

5. 文獻名稱及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