李偉光 李小俚

·綜 述·

睡眠梭形波的研究進展

李偉光 李小俚

腦電波(Electroencephalogram，EEG)是動物的大腦在活動過程中，皮層神經(jīng)元同步發(fā)生的電生理活動而形成的，一種非平穩(wěn)的時間序列。睡眠是一種復(fù)雜的生理過程，睡眠研究在臨床的疾病診斷和治療中具有一定的作用，而睡眠腦電圖(EEG)則是研究睡眠生理變化和評估睡眠質(zhì)量的一個重要工具。其中，睡眠的腦電波則體現(xiàn)了動物在睡眠階段下腦電活動及其變化情況。對人類來講，人的一生中大約1/3的時間是處于睡眠過程中，因此睡眠是人類的一項重要的生理活動。睡眠過程中的腦電波，不僅可以體現(xiàn)人們的睡眠質(zhì)量，還能反映人的身體健康狀況。因此，研究睡眠過程中的腦電波，在臨床實踐中有著重要的意義。

在睡眠過程中，不同的睡眠時期，腦電波的活動也不相同，因此其波形特征也比較明顯。根據(jù)AASM(美國睡眠醫(yī)學(xué)會)提出的睡眠分期準(zhǔn)則[1]，人的睡眠可以大致分為清醒期(W)、非快眼動期(NREM)和快眼動期(REM)。按睡眠程度的深淺，NREM期又可分為N1期、N2期和N3期。睡眠spindle是N2期的特征波。本文，就睡眠過程中的睡眠spindle的作用進行綜述。

1 睡眠梭形波

睡眠spindle是波幅逐漸增高，而后開始逐漸減低的節(jié)律性腦電波。睡眠spindle是正常睡眠的特征性圖形之一，發(fā)生于丘腦網(wǎng)狀核，通過投射系統(tǒng)投射到大腦皮層[2]。最早報道為12.5～15.5 Hz，以14 Hz為主。目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，spindle的頻率為11～16 Hz，其持續(xù)時間一般為≥0.5 s(通常為0.5～2 s)。睡眠spindle是N2期睡眠的一種特征性標(biāo)記波形。正常成年人睡眠spindle主要存在于N2期，是正常睡眠的標(biāo)志。

確定spindle的一個主要方法是，在10 s的視窗內(nèi)數(shù)出每秒的偏轉(zhuǎn)(波)的次數(shù)。目前，spindle的判斷標(biāo)準(zhǔn)，一個是上述的人工判讀規(guī)則，另外就是一系列的自動化判斷程序(軟件)。Lajnef等[3]采用基于可調(diào)的Q因子小波變換(Tunable Q-factor Wavelet Transform，TQWT)和形態(tài)學(xué)成分分析(Morphological Component Analysis，MCA)自動分析睡眠spindle。Kabir等[4]基于同步壓縮的自動spindle檢測算法。以上都是最新的判讀算法，之前的還有很多關(guān)于睡眠spindle的算法，比如Wamsley等[5]開發(fā)的計算程序。睡眠spindle自動判讀算法的出現(xiàn)，為人們分析大數(shù)據(jù)的spindle提供了便利，有利于對睡眠spindle的深入研究。

2 睡眠梭形波的作用

2.1 Spindle在睡眠中的作用 睡眠spindle在人們的正常睡眠中起到重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，健康人群的睡眠spindle與睡眠質(zhì)量密切相關(guān)，并且多與spindle的數(shù)量、密度等相關(guān)。在不同年齡階段中，睡眠spindle的頻率有所不同[6]；Nicolas等[7]研究指出睡眠spindle的數(shù)量、密度以及持續(xù)時間，隨年齡的增長均出現(xiàn)明顯的降低，同時其睡眠質(zhì)量也隨之出現(xiàn)下降趨勢。睡眠spindle與人的學(xué)習(xí)和智力有一定的關(guān)系。Nader等[8]認(rèn)為，一般的睡眠spindle與知識和技能的學(xué)習(xí)有關(guān)。Gruber等[9]認(rèn)為，健康學(xué)齡兒童的睡眠spindle與智力水平的有關(guān)。同時，有研究指出，睡眠spindle也能改變記憶的鞏固[10]。2010年Current Biology的研究發(fā)現(xiàn)，好睡眠的秘密在于大腦產(chǎn)生的紡錘波“節(jié)奏”。研究人員認(rèn)為，睡眠中的人對噪音的敏感程度和大腦的spindle密切相關(guān)，丘腦產(chǎn)生spindle正是為了噪音對睡眠的干擾[11]。由此可見，spindle在人的睡眠中的作用是非常重要的。因此，睡眠spindle在人們的睡眠中起到了重要的作用，其動態(tài)的變化以及作用機制還需要進一步深入研究。

2.2 睡眠梭形波在睡眠相關(guān)疾病中的作用 睡眠相關(guān)疾病中，睡眠spindle也會發(fā)生很多變化，表現(xiàn)最為突出的是睡眠呼吸障礙。Bastien等[12]指出，正常人群和失眠病人間，在N2期的spindle數(shù)量和密度均無顯著性差異。但這并不意味著失眠病人沒有問題，因為作者比較的是N2期的結(jié)果。Dang-Vu等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在睡眠失調(diào)人群中，睡眠spindle可以預(yù)測應(yīng)激相關(guān)的增加。Himanen等[14]研究指出，睡眠呼吸暫停的病人，睡眠spindle頻率會保持較低。Sch?nwald等[15]認(rèn)為，阻塞性睡眠呼吸暫停中，地形特異性的睡眠spindle頻率會發(fā)生改變。Chokroverty等[16]最近研究發(fā)現(xiàn)，在重度阻塞性睡眠呼吸暫停病人中，經(jīng)連續(xù)正壓通氣，患者的睡眠spindle密度增加。

2.3 睡眠梭形波在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用 睡眠梭形波也可作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)機能正常與否的一個指標(biāo)。目前，已有報道指出，多種疾病可影響到睡眠spindle，并使之呈現(xiàn)顯著減少的趨勢，如帕金森氏病[17]、阿爾茲海默癥[18]等。最近研究發(fā)現(xiàn)，睡眠spindle在帕金森病中可能預(yù)示癡呆的發(fā)展[19-20]。睡眠spindle的改變與帕金森病患者癡呆癥的后期發(fā)展有關(guān)，因此，可以作為帕金森病患者認(rèn)知功能下降的一個標(biāo)記。癲癇發(fā)生和局灶性癲癇發(fā)作可由淺睡眠期spindle的特性調(diào)節(jié)[21]。另外，精神分裂癥患者也會表現(xiàn)出睡眠spindle的明顯減少[5]。Nishida[22]等研究發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，抑郁癥受試者在前額葉表現(xiàn)出顯著較高的慢速spindle振幅。同時，抑郁癥患者的快速spindle的頻率高于健康人。

2.5 外界刺激對睡眠梭形波的干預(yù)作用 對于疾病對睡眠spindle的影響，現(xiàn)在還有其他多種干預(yù)措施進行改善。Persinger等[25]指出，微弱的經(jīng)顱磁刺激(Transcerebral Magnetic Stimulation，TMS)可改變癲癇樣女士的N2期spindle的節(jié)律。最近研究發(fā)現(xiàn)，慢振蕩的經(jīng)顱直流電刺激(Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS)可通過改變睡眠spindle的產(chǎn)生而調(diào)節(jié)顳葉癲癇的記憶，這使得tDCS可能成為一種通過改善睡眠spindle來調(diào)節(jié)癲癇記憶的工具[26]。TMS是一種無創(chuàng)的干預(yù)方法，磁信號可以無衰減地通過顱骨而刺激到大腦的神經(jīng)系統(tǒng)，進而達(dá)到改善神經(jīng)調(diào)控的作用。tDCS也是一種非侵入性的干預(yù)方法，它是利用恒定的、低強度直流電(1～2 mA)來調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動的一種技術(shù)。這些新技術(shù)的出現(xiàn)，對于后續(xù)睡眠spindle的干預(yù)，有著非常重要的意義。

3 結(jié)語

綜上可見，睡眠spindle在睡眠中的作用還是比較關(guān)鍵的，它不僅僅是睡眠質(zhì)量的一個重要，還涉及學(xué)習(xí)、記憶、疾病等多個方面。研究睡眠spindle在疾病中的作用，對于了解和解釋spindle都有著重要的意義。同時，對于睡眠spindle的干預(yù)，藥物的作用還是比較有限的，最佳的策略是非藥物的無創(chuàng)、非侵入式的干預(yù)，這樣才能達(dá)到最貼切自然界的措施，才能更好的干預(yù)和治療各種睡眠疾病。因此，后續(xù)通過上述各種策略對睡眠疾病進行干預(yù)，通過分析其spindle的特征來解釋睡眠疾病發(fā)生的機制，是一個重要的研究和診療方向。

[1]Moser D，Anderer P，Gruber G，et al.Sleep Classification According to AASM and Rechtschaffen & Kales：Effects on Sleep Scoring Parameters[J].Sleep，2009，32：139-149.

[2]Wimmer RD，Astori S，Bond CT，et al.Sustaining Sleep Spindles through Enhanced SK2-Channel Activity Consolidates Sleep and Elevates Arousal Threshold[J].J Neurosci，2012，32：13917-13928.

[3]Lajnef T，Chaibi S，Eichenlaub JB，et al.Sleep spindle and K-complex detection using tunable Q-factor wavelet transform and morphological component analysis[J].Frontiers in human neuroscience，2015，9：414.

[4]Kabir MM，Tafreshi R，Boivin DB，et al.Enhanced automated sleep spindle detection algorithm based on synchrosqueezing[J].Medical & biological engineering & computing，2015，53：635-644.

[5]Wamsley EJ，Tucker MA，Shinn AK，et al.Reduced sleep spindles and spindle coherence in schizophrenia：mechanisms of impaired memory consolidation? Biological psychiatry，2012，71：154-161.

[6]Principe JC，Smith JR.Sleep spindle characteristics as a function of age[J].Sleep，1982，5：73-84.

[7]Nicolas A，Petit D，Rompre S，et al.Sleep spindle characteristics in healthy subjects of different age groups[J].Clinical neurophysiology，2001，112：521-527.

[8]Nader RS，Smith CT.The relationship between Stage 2 sleep spindles and intelligence[J].Sleep，2001，24：A160-A160.

[9]Gruber R，Wise MS，F(xiàn)renette S，et al.The association between sleep spindles and IQ in healthy school-age children[J].Int J Psychophysiol，2013，89：229-240.

[10]Fogel SM，Smith CT.Learning-dependent changes in sleep spindles and Stage 2 sleep[J].J Sleep Res，2006，15：250-255.

[11]Dang-Vu TT，McKinney SM，Buxton OM，et al.Spontaneous brain rhythms predict sleep stability in the face of noise[J].Current biology，2010，20：R626-627.

[12]Bastien CH，St-Jean G，Turcotte I，et al.Sleep spindles in chronic psychophysiological insomnia[J].Journal of psychosomatic research，2009，66：59-65.

[13]Dang-Vu TT，Salimi A，Boucetta S，et al.Sleep spindles predict stress-related increases in sleep disturbances[J].Frontiers in human neuroscience，2015，9：68.

[14]Himanen SL，Virkkala J，Huupponen E，et al.Spindle frequency remains slow in sleep apnea patients throughout the night[J].Sleep medicine，2003，4：229-234.

[15]Schonwald SV，Carvalho DZ，de Santa-Helena EL，et al.Topography-specific spindle frequency changes in obstructive sleep apnea[J].BMC neuroscience，2012，13：89.

[16]Chokroverty S，Bhat S，Donnelly D，et al.Sleep spindle density increases after continuous positive airway pressure titration in severe obstructive sleep apnea：a preliminary study[J].Sleep medicine，2015，16：1029.

[17]Christensen JA，Nikolic M，Warby SC，et al.Sleep spindle alterations in patients with Parkinson's disease[J].Frontiers in human neuroscience，2015，9：233.

[18]Rauchs G，Schabus M，Parapatics S，et al.Is there a link between sleep changes and memory in Alzheimer's disease?[J].Neuroreport，2008，19：1159-1162.

[19]Latreille V，Carrier J，Lafortune M，et al.Sleep spindles in Parkinson's disease may predict the development of dementia[J].Neurobiol Aging，2015，36：1083-1090.

[20]Latreille V，Carrier J，Lafortune M，et al.Sleep spindles alterations in Parkinson's disease may predict the development of dementia[J].Movement Disord，2014，29：S280-S280.

[21]Tezer FI，Remi J，Erbil N，et al.A reduction of sleep spindles heralds seizures in focal epilepsy[J].Clinical Neurophysiology，2014，125：2207-2211.

[22]Nishida M，Nakashima Y，Nishikawa T.Topographical Distribution of Fast and Slow Sleep Spindles in Medicated Depressive Patients[J].J Clin Neurophysiol，2014，31：402-408.

[23]Plante DT，Goldstein MR，Cook JD，et al.Effects of oral temazepam on sleep spindles during non-rapid eye movement sleep：A high-density EEG investigation[J].Eur Neuropsychopharmacol，2015，pii：S0924-977X(15)00175-3.

[24]Wamsley EJ，Shinn AK，Tucker MA，et al.The Effects of Eszopiclone on Sleep Spindles and Memory Consolidation in Schizophrenia：A Randomized Placebo-Controlled Trial[J].Sleep，2013，36：1369-1376.

[25]Persinger MA，Hoang V，Baker-Price L.Entrainment of stage 2 sleep spindles by weak，transcerebral magnetic stimulation in an "epileptic" woman[J].Electromagnetic biology and medicine，2009，28：374-382.

[26]Del Felice A，Magalini A，Masiero S.Slow-oscillatory Transcranial Direct Current Stimulation Modulates Memory in Temporal Lobe Epilepsy by Altering Sleep Spindle Generators：A Possible Rehabilitation Tool[J].Brain stimulation，2015，8：567-573.

100875北京，北京師范大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)研究院，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室