彭子伊, 陳學偉, 張 穎, 楊業(yè)兵， 張立偉, 邵永聰△

(1. 北京體育大學心理學院, 北京 100084; 2. 軍事醫(yī)學研究院環(huán)境醫(yī)學與作業(yè)醫(yī)學研究所軍事作業(yè)醫(yī)學研究室, 天津 300050； 3. 中國人民解放軍總醫(yī)院， 北京 100853; 4. 中國科學院心理研究所， 北京 100101)

睡眠剝奪(sleep deprivation，SD) 一般指在24 h中的睡眠時長小于4 h[1]，是一種由于環(huán)境或自身原因引起的睡眠缺失狀態(tài)。睡眠剝奪損害了認知功能、增加了認知能力下降發(fā)生的頻率。睡眠剝奪會嚴重損害注意力、記憶力和決策等認知功能，尤其會影響需要高度專注和快速響應的執(zhí)行任務[2]。以往研究表明，睡眠剝奪會引起情緒、學習、記憶、免疫功能等一系列變化，個體疲勞的增加會導致一系列生理、心理、甚至行為的變化[3]，例如出現(xiàn)微睡眠、注意力分散、反應時增長、工作績效下降等現(xiàn)象[4,5]。持續(xù)作業(yè)下的睡眠剝奪將不可避免地導致作業(yè)人員生物節(jié)律紊亂，增加其主觀疲勞感,使其認知功能降低,工作績效下降,失誤率增加[6]。操縱高、精、尖武器的特殊技術兵種人員更易發(fā)生嚴重事故。

工作記憶是一種對信息進行暫時加工和存儲的容量有限的記憶系統(tǒng)[7]?，F(xiàn)有的工作記憶模型不僅強調(diào)其對于視覺空間系統(tǒng)和言語系統(tǒng)的劃分，而且指出針對不同類型的信息，工作記憶會表現(xiàn)出不同的加工特性。視覺信息包括空間和客體兩方面, 進而出現(xiàn)空間工作記憶和客體工作記憶的劃分?？腕w工作記憶主要強調(diào)對形狀、顏色、大小的存儲和加工。n-back任務是最常用的關于工作記憶的認知實驗之一[8]。在2-back任務中，要求受試者將當前刺激與向前數(shù)第2個呈現(xiàn)的刺激進行比較。

目前大多數(shù)有關睡眠剝奪的研究都關注其對語音工作記憶和執(zhí)行控制能力的影響。對于客體工作記憶在睡眠剝奪條件下如何受到影響，受損害到什么程度，目前研究還很少。本研究應用2-back工作記憶研究范式, 以事件相關電位(event related potential, ERP)技術探討36 h完全睡眠剝奪對客體工作記憶影響,從而為睡眠缺失條件下認知功能的損害及干預提供試驗依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 對象

16名健康男性大學生(平均年齡23歲，年齡范圍21-28歲)自愿參加本試驗。受試者均為右利手，視力或矯正視力正常。受試者之前未參加過心理生理相關試驗，并且經(jīng)嚴格的體格檢查，排除精神及軀體疾患。受試者智商處于人群平均水平以上(IQ>110分)。受試者的匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)問卷測驗得分(PSQI<5分)，表明受試者睡眠質(zhì)量良好。在實驗前由主試人員對受試者詳細解釋實驗流程及試驗中注意事項。所有受試者均填寫知情同意書，并在試驗結束后領取相應的受試費。試驗經(jīng)過了原第四軍醫(yī)大學倫理委員會的批準。

1.2 試驗流程

試驗采用自身前后對照設計。受試者參與一次36h完全睡眠剝奪試驗。在試驗前讓受試者對試驗的認知測試進行充分練習，直到準確度達到90%以上，以排除練習效應。

受試者于測試前1 d到達實驗室，當晚在實驗室睡眠，保證睡眠時間為8 h。受試者于第2日早上8點開始睡眠剝奪，進行第1次客體工作記憶測驗任務，設為基線測量，同時記錄受試者腦電數(shù)據(jù)。在剝奪36 h后(記作36 h值)完成第2次客體工作記憶測驗任務，同時記錄腦電數(shù)據(jù)。每次有2名受試者同時進入實驗，在整個睡眠剝奪過程中確保有3人(包括醫(yī)護人員各1名，以及主試人員1名)監(jiān)督受試者并阻止其睡眠(包括打盹)。行為學指標包括被試完成任務的反應時、正確率、單位時間正確個數(shù)，腦電指標主要包括被試完成任務時記錄的P2、N2、P3成分。

1.3 檢測方法

1.3.1 客體工作記憶測驗 試驗采用2-back客體工作記憶測驗來對受試者的客體工作記憶子系統(tǒng)認知功能進行測量。刺激材料由12幅幾何圖形組成，圖形視角為圖形視角為 2o×2o，測驗共有122個，測驗時間約為 5 min。實驗中在顯示器的中央呈現(xiàn)一個提示信息，白色“+”，持續(xù)時間為200 ms，提示信息消失1 s后，將幾何圖形逐個呈現(xiàn)在屏幕中央。刺激呈現(xiàn)時間為400 ms。刺激間隔(SOA)時間為1 600 ms。要求受試者從第3個刺激開始對當前呈現(xiàn)的幾何圖形和向前數(shù)第2個呈現(xiàn)的幾何圖形進行匹配，判斷幾何圖形是否一致，如果當前幾何圖形與前面的幾何圖形“匹配”，以右手食指按鼠標“左鍵”；當前幾何圖形與前面的幾何圖形“不匹配”，則用右手中指按鼠標“右鍵”?！捌ヅ洹迸c“不匹配”刺激的比例為50%，以隨機方式呈現(xiàn)(圖1)。

Fig. 1 Schematic diagram of objective working memory task

在正式試驗開展前，所有受試者均進行測驗培訓，以確保受試者理解這項任務。試驗要求所有參與者在正式測試前的正確率都在95%或以上。

1.3.2 腦電記錄 腦電記錄在光線較暗、隔音并有電子屏蔽的腦電試驗室中進行。在受試者面前75 cm處安放21英寸顯示屏，用以呈現(xiàn)視覺刺激。受試者的視野中心與顯示器中心齊平?？腕w工作記憶任務以美國NeuroScan公司的Stim-2軟件編寫并呈現(xiàn)，腦電數(shù)據(jù)采用Scan 4.5(Neuroscan Products)64導腦電記錄分析系統(tǒng)。安裝電極參考國際標準10-20系統(tǒng)電極放置法，在采集過程中記錄受試者的水平眼電和垂直眼電，并以雙側乳突作為參考電極。腦電采樣頻率為1 000 Hz，電極阻抗保持在5 kΩ以下。分別在睡眠剝奪36 h前后，被試完成客體工作記憶任務的同時記錄其腦電數(shù)據(jù)。試驗中對腦電數(shù)據(jù)進行存盤處理，便于后續(xù)離線分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 行為學數(shù)據(jù)分析 2名受試者因技術問題導致ERP數(shù)據(jù)未能正確采集，其數(shù)據(jù)在后期處理中予以剔除。行為學數(shù)據(jù)測量指標主要有平均正確反應時、正確反應率、單位時間正確個數(shù)。

1.4.2 ERP數(shù)據(jù)預處理 ERP數(shù)據(jù)采用SCAN4.3軟件進行預處理和統(tǒng)計參數(shù)分析。經(jīng)腦電預覽后，采用回歸分析去除眼電偽跡，經(jīng)濾波(帶通為0.05～17 Hz)、腦電分段(ERP分析窗選用900 ms，以刺激前100 ms用于基線校正)、平衡基線后，對所有正確反應的腦電誘發(fā)電位進行疊加平均。

2 結果

2.1 行為學結果

對于每個受試者針對目標刺激的正確反應計算平均反應時、正確率和單位時間正確個數(shù)，進行統(tǒng)計分析(表1)。與基線組相比，36 h完全睡眠剝奪后平均反應時有延長趨勢,未見統(tǒng)計學差異(P> 0.05)。正確反應的正確率顯著下降(P<0.05)，單位時間正確個數(shù)顯著下降(P<0.05)。

Tab. 1 Performance data on the 2-back task in baseline and after n=14)

2.2 ERP結果

2.2.1 波幅 對F3、Fz、F4、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4電極的N2、P3的波幅的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，與基線相比，36h完全睡眠剝奪后，N2波波幅和P3波波幅有下降趨勢，但未見統(tǒng)計學差異(P>0.05)。對F3、Fz、F4、C3、Cz、C4電極的P2的波幅的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)無明顯變化(P>0.05, 表2)。

Tab. 2 Grand-average peak amplitude (μv) of the P2, N2, and P3 components in the correct response condition across multiple electrode sites in baseline and after 36 n=14)

2.2.2 潛伏期 對F3、Fz、F4、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4電極的N2、P3的潛伏期的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，與基線相比，36 h完全睡眠剝奪后，N2潛伏期顯著增長(P< 0.05)，P3潛伏期有增長趨勢，未見統(tǒng)計學差異(P> 0.05)。對F3、Fz、F4、C3、Cz、C4電極的P2的潛伏期的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，P2潛伏期顯著增長(P<0.05，表3)。

Tab. 3 Grand-average peak latency (ms) of the P2, N2, and P3 components in the correct response condition across multiple electrode sites in baseline and after 36 n=14)

清醒狀態(tài)及睡眠剝奪后N2、P3的潛伏期及波幅的差異(F3、Fz、F4、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4)見圖2。

Fig. 2 ERP amplitude between baseline and 36h-TSD for the correct response in object working memory. The channels are ordered left-right and top-bottom as follows: F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz, and P4

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)在睡眠剝奪的條件下，受試完成客體工作記憶任務的正確率和單位時間正確個數(shù)出現(xiàn)顯著下降。這是因為在完全睡眠剝奪36 h后,受試者疲憊感增加，警覺性下降,注意力資源可利用性降低，因此導致客體工作記憶能力受損。睡眠缺失會影響注意網(wǎng)絡的沖突效應，進而導致認知控制功能的下降[9]。個體長時間處于清醒狀態(tài)會出現(xiàn)喚醒水平下降,喚醒閾限上升的現(xiàn)象。當可利用的認知資源低于當前完成作業(yè)需要的要求時,就會出現(xiàn)工作績效的下降[10，11]。

已有大量研究選用n-back范式來測量工作記憶的容量，本研究通過ERP技術測量睡眠剝奪前后，受試者進行2-back客體工作記憶任務時產(chǎn)生的P2、N2、P3成分的差異來考察睡眠剝奪對客體工作記憶的影響。在本研究中，雖然36 h完全睡眠剝奪后的P3潛伏期變化未達統(tǒng)計學顯著，但其表現(xiàn)出了增加的變化趨勢。說明受試者在TSD后分配注意力資源需要更多的時間。P3波幅降低的趨勢可能反映了受試者的注意力降低，對目標刺激的辨別力也降低了[12]。P3成分反映了注意力資源的部署，P3潛伏期被認為反映了刺激分類和評估的時間窗。大量研究認為，長時間的清醒與P3成分的潛伏期延長和波幅降低有關[13-15]。

P2成分反映了注意力和視覺加工過程，一般認為與選擇性注意、工作記憶有關，反映知覺過程的早期判斷[16]。我們發(fā)現(xiàn)P2的潛伏期在完全睡眠剝奪后顯著增加,說明受試者睡眠剝奪后辨認和加工刺激信息的速度降低,大腦對信息的選擇、注意、及抗干擾能力減弱。N2波作為與個體精神狀態(tài)、注意力和注意程度有關的內(nèi)源性成分，完全睡眠剝奪后，其潛伏期顯著增加、波幅降低的變化趨勢也說明了個體的認知功能受損。這些結果從腦電生理指標方面，反映了睡眠剝奪對客體工作記憶加工的負面影響，這與行為學的結果是一致的：睡眠剝奪后，大腦可利用的注意資源減少，客體工作記憶能力受損。并且這種負面影響可能發(fā)生在認知加工的早期階段。

本研究的不足是試驗采用的都是男性志愿者，結論推廣到女性志愿者時需要注意。由于受志愿者數(shù)量的影響，研究僅發(fā)現(xiàn)P3波的波幅存在下降趨勢，潛伏期存在延長的趨勢。在增加受試者數(shù)量后可能會得到更穩(wěn)定的結果。另外，增加針對客體工作記憶的功能磁共振成像的研究，對于睡眠剝奪影響工作記憶的機制闡述有重要的幫助作用。以往的研究表明,晝夜生物節(jié)律[17,18]會影響個體行為表現(xiàn)，且存在個體差異。由于本試驗基線測量時間未能選用與睡眠剝奪后進行試驗相同的時間點，因此不能完全排除生物節(jié)律對試驗結果的影響。

本研究試驗表明，36 h完全睡眠剝奪會損害個體的客體工作記憶能力。在睡眠剝奪過程中，個體認知功能的變化是動態(tài)的，個體的表現(xiàn)也會受到任務復雜程度和大腦代償功能等因素的影響。但隨著睡眠剝奪過程的深入，其對高級功能的損害會進一步加重，以往研究指出這可能是由于默認網(wǎng)絡中的后扣帶回皮質(zhì)網(wǎng)絡連接紊亂造成的[19]。睡眠不足會降低記憶中存儲的信息質(zhì)量，而且這可能是伴隨注意力的退化過程發(fā)生的[20]。因此有必要考慮睡眠缺失造成的客體工作記憶能力受損對職業(yè)安全和個體健康的不利影響，以及對這種損害的有效干預。