睡眠剥夺对青年男性执行功能的影响

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇睡眠剥夺对青年男性执行功能的影响范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】 目的:应用事件相关脑电位(event related potential,ERP)技术探讨完全睡眠剥夺(total sleep deprivation,TSD)对大脑执行功能的影响。方法:采用被试内两因素重复测量设计。14名健康男性硕士参加2次试验,第1次作为对照,正常睡眠;第2次接受36 h睡眠剥夺。在每次试验中被试共进行5次Go/Nogo测验,同时记录事件相关脑电位N2、P3的波幅和潜伏期及行为学数据。结果:在测量时间水平上,Fz电极Nogo-N2的波幅与基线值相比,12 h后减小[(-5.21±2.62)μV vs.(- 6.66±3.19)μV]。Fz电极Nogo-P3的波幅和潜伏期与基线值相比,在24 h后波幅下降,潜伏期延长[(8.51±7.34)μV vs.(11.80± 6.70)μV;(376.36±38.68)ms vs.(364.10± 39.97)ms]。在睡眠与否水平上,睡眠剥夺时Fz电极Nogo-N2、Nogo-P3的波幅低于正常睡眠值[(-4.91±3.27)μV vs.(- 6.06±2.96)μV;(8.43±6.65)μV vs.(9.97±6.36) μV],Cz电极Nogo-P3的潜伏期长于正常睡眠值[(375.40±39.55)ms vs.(364.96± 39.17)ms]。结论:随着睡眠剥夺时间的延长,N2、P3呈现波幅逐渐减小潜伏期逐渐延长的趋势,提示睡眠剥夺可能损害大脑的执行功能。 【关键词】 睡眠剥夺;执行功能;N2;P3;事件相关脑电位;自身对照研究

中图分类号:B845.66 文献标识码:A 文章编号:1000-6729(2010)007-0541-06

doi:10.3969/j.issn.1000-6729.2010.07.省略

【Abstract】 Objective:To explore the effect of total sleep deprivation(TSD)on executive function using event related potential(ERP)technology.Methods:Fourteen healthy male college students participated in two trials.In the first trial they had a normal sleep and the results were taken as control.In the second trail they experienced 36 hours of sleep deprivation.In each trial the subjects were tested by five Go/Nogo tasks before Nogo-N2,Nogo-P3 amplitude and latency of ERP,and behavioral data were recorded.Results:As time points were concerned,the amplitude of Nogo-N2 on Fz electrode decreased after 12 h when compared to the baseline[(-5.21±2.62)μV vs.(- 6.66±3.19)μV].The amplitude and latency of Nogo-P3 on Fz electrode changed after 24h.The amplitude decreased while the latency was extended when compared to the baseline[(8.51±7.34)μV vs.(11.80± 6.70)μV;(376.36±38.68)ms vs.(364.10± 39.97)ms].In terms of sleep,the subjects experienced sleep deprivation had lower amplitude of Nogo-N2 and Nogo-P3 than their normal sleep situation[(-4.91±3.27)μV vs.(- 6.06±2.96)μV;(8.43±6.65)μV vs.(9.97±6.36)μV].The latency of Nogo-P3 on Cz electrode was longer than the normal value[(375.40±39.55)ms vs.(364.96± 39.17)ms].Conclusion:With the prolonging of sleep deprivation,the amplitudes of Nogo-N2 and Nogo-P3 tend to decrease while the latencies are extended gradually.This indicates that the executive function may be impaired after 36 hours of total sleep deprivation.

【Key words】 total sleep deprivation(TSD),N2,P3,executive function,event related potential(ERP),self-control study

睡眠剥夺(sleep deprivation,SD)是现代生活中一种普遍存在的现象,严重干扰人们的认知能力、行为表现和情绪心境[1]。许多证据表明睡眠剥夺会造成认知过程的损害[2-3],高级认知功能对睡眠剥夺更为敏感。例如完成任务时依赖前额叶皮质执行控制功能的行为表现受睡眠剥夺的影响严重,但不依赖前额叶皮质功能的行为表现则很少受到影响[4]。以功能而非解剖结构为出发点,反应抑制、信息更新和监控是执行控制功能的核心部分[5]。目前为止,国内尚无完全睡眠剥夺对执行控制功能损伤的事件相关脑电位(event related potential,ERP)研究报道。

评测反应抑制常用Go/Nogo任务激活执行控制功能,该任务要求被试快速对一种刺激(Go刺激)做出反应,同时抑制对另一种刺激(Nogo刺激)的反应。大多数Go/Nogo研究表明Nogo刺激的N2成分与Go刺激相关,尤其在额区中央部分(主要在Fz、Cz电极)[6-8]。本研究通过测定36h睡眠剥夺过程中Fz、Cz电极上ERP的Nogo-N2和Nogo-P3波幅及潜伏期,分析36h睡眠剥夺对执行控制功能的影响。

1 对象与方法

1.1对象

首都师范大学硕士生14名,年龄21~28岁,平均(25.7±2.0)岁。纳入标准:男性,健康,右利手,裸眼视力或矫正视力正常;之前均未参加过心理生理相关实验;近期无急性感染史或感染症状;无肝炎、肿瘤、肾炎、糖尿病、内分泌紊乱等严重病史;近期未服用任何药物;无吸烟及饮用咖啡、茶等饮料的习惯;无酒精或药物滥用史;无精神神经疾病史。要求被试在实验前1周及实验过程中不能摄入酒、咖啡因、巧克力;瑞文测验[9]显示所有被试IQ>100。匹兹堡睡眠质量指数(Pittsburgh Sleep Quality Inventory,PSQI)测验得分均

1.2实验方法

采用自身前后对照设计[11],被试参加正常睡眠和完全睡眠剥夺2次实验。第1次实验被试正常睡眠,第2次实验被试接受36h完全睡眠剥夺。每次实验分两个部分。每部分实验前1周禁止服用含咖啡因、酒精等刺激性物质的食物和药物。第一部分为练习部分,实验前1周集中被试训练以熟悉视觉Go/Nogo任务和排除测验的练习效应,直到准确度维持在90%以上。第二部分为正式实验。实验前集中向被试讲述实验的步骤及测试软件的操作方法。嘱其实验前晚按时休息,严禁服用各种中枢抑制或中枢兴奋类药物。被试在第1天晚上完成第1次ERP测试,结果设为基线值(baseline)。第2天8:00开始睡眠剥夺(记作0h值),每12 h做1次ERP测验,共完成4次测验。在整个实验过程中确保有3人(医生、护士和主试各1名)监督被试以免其睡眠,每次有2名被试同时进入实验。

1.3 刺激材料和任务

实验采用Go/Nogo测验以测量执行控制功能。实验分为2个Block进行,测验的刺激信号为随机呈现“向左”或“向右”方向的两类箭头。箭头的大小2.0 cm×0.5 cm(宽为1.5°,高为0.4°)。每个Block有200个刺激,其中Nogo刺激占1/3,刺激呈现时间为100 ms,刺激间隔为900 ms。测验时间为3.5 min。在第1个Block中,“向左”的箭头为Go刺激,而“向右”的箭头为Nogo刺激,要求被试在保证正确的前提下尽快对Go刺激按“左键”反应。第2个Block为平衡测验,刺激类型刚好相反,Go刺激为“向右”的箭头,Nogo刺激为“向左”的箭头,要求尽快对Go刺激按“左键”反应。

1.4EEG记录

整个测验在电子屏蔽、防噪音以及光线较暗的实验室中进行,被试坐在离21 in显示器75 cm的正前方,被试的视野中心与显示器中心平齐。ERP测验中刺激呈现利用美国NeuroScan公司的Stim-2实验,EEG采集利用ESI-32导脑电记录分析系统实现。采用国际标准10~20系统电极放置法安装电极;记录垂直眼动和水平眼动;双侧乳突连线做参考。脑电增益(gain)为500,采样精度为0.168μV/LSB,采样频率为1000 Hz,带通滤波为0.05～100Hz。电极与头皮接触电阻小于5 kΩ。脑电数据记录存盘,离线分析。

1.5 统计方法

由于技术问题导致1名被试的ERP数据未能正确采集,另外有2名被试在实验后期依从性差,其数据予以剔除。行为学数据测量指标主要包括平均正确反应时、对Go刺激的正确反应率、漏过反应率及Nogo刺激的正确反应率。

ERP数据分析采用SCAN 4.3软件进行预处理和统计参数分析。先对EEG进行脑电预览,剔除异常的EEG,随后采用回归分析的方法去除眼电伪迹、滤波(带通为0.05～17HZ)、脑电分段(ERP分析时窗为1000ms,其中刺激前100ms用于基线校正)、基线平衡、去除伪迹,最后对正确反应的靶刺激和非靶刺激的诱发电位分别进行叠加平均。

行为学数据和ERP数据采用SPSS 17.0软件进行两因素被试内重复测量方差分析。不符合球形检验的数据,采用Greenhouse-Geisser校正检验。

2 结 果

2.1 行为学结果

对行为学数据统计分析发现,行为学指标的睡眠与否和测量时间之间的交互作用差异无统计学意义。Go正确反应率在睡眠与否和测量时间上的主效应有统计学意义(F=12.439,5.715;P=0.010,0.005),Go错误反应率在睡眠与否和测量时间上的主效应有统计学意义(F=10.847,5.396;P=0.011,0.008)。在测量时间水平上,Go正确反应率与基线值相比,24 h后下降;Go错误反应率与基线值相比,24 h后增高(P

2.2 ERP结果

2.2.1波幅

对Fz电极Nogo-N2、Nogo-P3及Cz电极Nogo-P3波幅的统计分析发现,睡眠与否和测量时间之间的交互作用差异无统计学意义。Fz电极Nogo-N2在睡眠与否和测量时间上的主效应有统计学意义(F=14.716,2.622;P=0.003,0.049);Fz电极Nogo-P3在睡眠与否和测量时间上主效应有统计学意义(F=8.380,2.935;P=0.016,0.032)。在测量时间水平上,Fz电极Nogo-N2的波幅与基线值相比,12 h后下降(P

2.2.2潜伏期

对Fz电极Nogo-N2、Nogo-P3及Cz电极Nogo-P3潜伏期的统计分析发现,睡眠与否和测量时间之间的交互作用差异无统计学意义。Fz电极Nogo-P3测量时间的主效应有统计学意义(F=3.719,P=0.012);Cz电极Nogo-P3睡眠与否的主效应有统计学意义(F=5.902,P=0.035)。在测量时间水平上,Fz电极Nogo-P3的潜伏期与基线值相比,在24h后潜伏期延长(P

3 讨 论

研究应用视觉Go/Nogo任务来检测36h完全睡眠剥夺对执行控制功能的损害作用。以往的研究表明生物节律会对认知功能产生重要的影响[12]。所以本实验选用1天中的8∶00和20∶00进行测验,在避开生物低谷期的条件下观测正常睡眠时被试的ERP及行为学指标。本研究显示,被试正常睡眠时,Nogo-N2、Nogo-P3的波幅和潜伏期虽然在各个时间点之间有所变化,但这种差异无统计学意义,表明生物节律在本次研究中的影响不大。

行为学数据的分析表明,在睡眠剥夺条件下被试的Go正确率降低,错误率增加,且随着测量时间的延长,这两个指标的改变更明显。这可能是由于随着睡眠剥夺时间的延长,被试的警觉性下降,可利用的注意资源减少,导致了执行功能受损。

大量研究应用不同的Go/Nogo范式检测反应类型对ERP的N2和/或P3成分的影响。一致的结论是与Go刺激相比,Nogo刺激在额中部产生更大的P3和N2波幅。这些结论反映了与额叶相关的抑制过程[13-15]。本研究表明,随着完全睡眠剥夺时间的延长,Nogo-N2的波幅逐渐减小。与基线值相比,剥夺12h及24h、36h时Nogo-N2的波幅在测量时间上有统计学意义(表2,图1,在中文目次页2背面)。N2波幅的减小表明12 h的睡眠剥夺已经引起了执行控制功能的下降,36 h时这种状况持续加重。这可能与防止执行预期的Go反应的抑制要求减少有关。Falkenstein 等[16]认为抑制能力强者与抑制能力弱者相比,其Nogo-N2波幅要比后者大且潜伏期短。Drummond和其同事在一个Go/Nogo实验的行为学结果表明,通过完全睡眠剥夺,被试的反应抑制能力受到明显的损伤。根据唤醒水平下降假说,长时间觉醒后被试唤醒水平下降,随之可利用的脑力资源下降[17]。当脑力资源低于认知作业的要求时,就会出现工作绩效的下降。完全睡眠剥夺期间,即使被试可以注意到刺激信息并且能够对正确刺激进行正确反应,但是他们很难抑制不正确反应。因此,操作性设置可能装载了安全系统以防止错误和事故的发生,这个结果是由于睡眠剥夺损害了个体的执行控制功能所造成的。

在睡眠剥夺期间ERP的变化中,人们发现P3的波幅下降,潜伏期延长[18]。本研究显示,被试经历36 h甚至24 h的睡眠剥夺后,Fz电极Nogo-P3的波幅显著下降,潜伏期明显延长(表2,图1)。36h完全睡眠剥夺后,Nogo-P3波幅在Fz电极上出现了显著改变,这表明经历了长时间的剥夺后,大脑可利用的注意资源减少。而P3潜伏期延长则反映了被试对刺激的分类和评估以及对靶刺激的分辨能力下降。传统的ERP研究表明,Nogo-P3在额区的幅值与注意资源的配置有关[19],它反映了抑制过程本身[15 ,20],而它的潜伏期则反映了刺激分类和评估所需要的时间,它通常被描述为反应抑制的标记[19]。本研究表明Nogo-P3的波幅在不能肯定或可信度水平低时会减小。随着睡眠剥夺过程中不确定性的增加和决策难度的增大,Nogo-P3的波幅减小潜伏期延长。

多数研究者[19,21]认为Nogo-P3与反应抑制相关,这可能是P3在刺激加工链的后期出现,它更可能与心理过程的关闭/结束相关,但另外一些人认为Nogo-N2与反应抑制相关[16]。本实验表明,被试在经历36 h的完全睡眠剥夺后,其Nogo-N2和Nogo-P3均出现了改变,可能是这两种成分在一定程度上均参与了反应抑制的过程,并反映了执行控制功能在长时间持续觉醒状态下受到了损害。 Kaiser等 [22]用听觉Go/Nogo研究了抑郁症患者后提出,Nogo-N2和Nogo-P3二者可能均在认知过程中参与了一定程度的抑制作用,而抑制能力的不足可能在一定程度上与N2/P3复合波的显著变异有关。

本实验采用视觉Go/Nogo任务来检测36 h完全睡眠剥夺对执行控制功能的损害作用,实验设计简单易行,可以直接观察完全睡眠剥夺对执行控制功能的影响,排除了复杂的认知任务对实验结果的不利影响。在实验中观察到被试的基线值较高,这可能是因为被试为学生群体,有其特定的生活规律,尽管主试在实验前一周要求被试按实验的作息时间表进行休息,但他们长期的生活规律所造成的影响可能在短时间内难以消除,导致了基线值高于0 h值。睡眠剥夺对于认知的影响是一个持续变化的过程。我们的系列研究支持这一结论。对于恢复性睡眠对ERP波形的影响,还有待于进一步研究。

参考文献

[1]Pilcher JJ,Huffcutt AI.Effects of sleep deprivation on performance:A meta-analysis [J].Sleep,1996,19(4):318-326.

[2]Killgore WD,Balkin TJ,Wesensten NJ.Impaired decision making following 49 h of sleep deprivation1 [J].J Sleep Res,2006,15(1):7-13.

[3]Durmer JS,Dinges DF.Neurocognitive consequences of sleep deprivation [J].Semin Neurol,2005,25(1),117-129.

[4]Horne JA.Human sleep,sleep loss and behaviour.Implic-ations for the prefrontal cortex and psychiatric disorder [J].Br J Psychiatry,1993,162:413-419.

[5]Botvinick MM,Braver TS,Barch DM,et al.Conflict monitoring and cognitive control[J].Psychol Rev,2001,108(3):624-652.

[6]Filipovic SR,Jahanshahi M,Rothwell JC.Cortical potentials related to the nogo decision [J].Exp Brain Res,2000,132(3):411-415.

[7]Nieuwenhuis S,Yeung N,Cohen JD.Stimulus modality,perceptual overlap,and the go/no-go N2 [J].Psychophysiology,2004,41(1):157-160.

[8]Oddy BW,Barry RJ,Johnstone SJ,et al.Removal of CNV effects from the n2 and p3 ERP components in a visual Go/NoGo task [J].J Psychophysiol,2005,19(1):24-34.

[9]Raven J,Raven JC,Court JH.Manual for Raven' s advanced progressive matrices and vocabulary scales.Sec 4.The advanced progressive matrices [M].Oxford:Oxford Psychologists,1998.

[10]刘贤臣.匹兹堡睡眠质量指数(PSQI)[J].中国心理卫生杂志,1999,(增刊):375-378.

[11]齐建林,董燕,苗丹民,等.恢复性睡眠对43h完全睡眠剥夺后任务管理功能影响[J].中国民族民间医药,2009,18(12):21-22

[12]Lavie P.Sleep-wake as a biological rhythm[J].Annu Rev Psychol,2001,52(6):277-303.

[13]Freitas AL,Azizian A,Leung HC,et al.Resisting recently acted-on cues:compatibility of Go/NoGo responses to response history modulates(frontal P3)event-related potentials[J].Psychophysiology,2007,44(1):2-10.

[14]Smith JL,Johnstone SJ,Barry RJ.Effects of pre-stimulus processing on subsequent events in a warned Go/NoGo paradigm:response preparation,execution and inhibition [J].Int J Psychophysiol,2006,61(2):121-33.

[15]Bekker EM,Kenemans JL,Hoeksma MR,et al.The pure electrophysiology of stopping [J].Int J Psychophysiol,2005,55(2):191-198.

[16]Falkenstein M,Hoormann J,Hohnsbein J.ERP components in Go/Nogo tasks and their relation to inhibition[J].Acta Psycholgica,1999,101(2-3):267-291.

[17]Drummond SP,Brown GG,Salamat JS,et a1.Increasing task difficulty facilitates the cerebral compensatory response to total sleep deprivation[J].Sleep,2004,27(3):445-451.

[18]Hruby T,Marsalek P.Event-Related Potentials-the P3 Wave [J].Acta Neurobiol Exp(Wars),2003,63(1):55-63.

[19]Praamstra P,Seiss E.The neurophysiology of response competition:motor cortex activation and inhibition following subliminal response priming [J].J Cogn Neurosci,2005,17(3):483-493.

[20]Kok A,Ramautar JR,De Ruitera MB,et al.ERP components associated with successful and unsuccessful stopping in a stop-signal task [J].Psychophysiology,2004,41(1):9-20.

[21]Smith JL,Johnstone SJ,Barry RJ.Response priming in the Go/NoGo task:The N2 reflects neither inhibition nor conflict [J].Clin Neurophysiol,2007,118(2):343-355.

[22]Kaiser S,Unger J,Kiefer M,et al.Executive control deficit in depression:event-related potentials in a Go/Nogo task [J].Psychiatry Res Neuroimaging,2003,122(3):169-184.

2009-10-14收稿,2010-01-28录用