邢寒棋，戴慧,2,3*

0 引言

晝夜節(jié)律是一種周期約為24 小時的生物節(jié)律，使生物能夠適應晝夜節(jié)律周期帶來的每日波動，保持內部節(jié)奏與環(huán)境變化同步[1]。下丘腦的視交叉上核被認為是哺乳動物中最主要的晝夜節(jié)律起搏器[2]。我們一天中的生理過程和行為變化即是由這個晝夜節(jié)律起搏器控制的。晝夜節(jié)律與人類關系十分密切，生物鐘調節(jié)各種生理功能，驅動了大腦生理功能的日常波動，多種腦部疾病的發(fā)生發(fā)展也與晝夜節(jié)律密切相關[3-4]。我們將闡述人類和動物日常生活和疾病中存在的晝夜節(jié)律現(xiàn)象，來強調生物鐘對地球生物的重要性。

目前，在大部分MRI 的研究中很大程度上忽視了時間這個生物變量。之前報道的一些神經(jīng)成像的組間差異不能完全排除是由于掃描時間的差異造成的。我們認為，未能將一天中的時間視為關鍵的生物變量可能會影響神經(jīng)影像科學實驗的可重復性，并且會使基于動物研究的結果外推到人類時降低數(shù)據(jù)的價值[5]。了解晝夜節(jié)律影響腦MRI結構、功能的動態(tài)變化對于提高神經(jīng)影像科學研究的可重復性是非常有價值的。越來越多的MRI技術被用于人腦晝夜節(jié)律的分析中，包括基于體素的形態(tài)學測量（voxel-based morphometry, VBM）、擴 散 MRI（diffusion MRI, dMRI）、功 能MRI（functional MRI,fMRI）、磁共振波譜（magnetic resonance spectroscopy,MRS）及動脈自旋標記（arterial spin labeling, ASL）等。鑒于多模態(tài)MRI的應用，筆者對近年來晝夜節(jié)律在腦的MRI中的研究進展進行綜述，以提高大家對時間作為影響神經(jīng)影像學研究的生物變量的認識。

1 人類和動物在日常生活和疾病中的晝夜節(jié)律簡述

下丘腦視交叉上核被認為是哺乳動物主要的晝夜節(jié)律振蕩器，晝夜節(jié)律在許多生物過程中起著至關重要的作用。人類的睡眠-覺醒周期[6]、激素分泌[7]、體溫調節(jié)[8]、血壓[9]、心率[10]及基因表達[11]在24 小時內都發(fā)生了節(jié)律性變化。移植器官的排斥反應和生物死亡的高峰時間也是具有時間節(jié)律的常見事件。注意力的所有組成部分[12]以及部分感知覺[13]也表現(xiàn)出了晝夜變化。

晝夜節(jié)律與人類的神經(jīng)傳遞、新陳代謝、免疫等過程也密切相關[3]。多項研究已經(jīng)表明晝夜節(jié)律可以影響多種疾病的發(fā)生、發(fā)展及對治療的反應。一些病理狀況在一天中的特定時間更為明顯。慢性骨骼肌疼痛患者的血壓[14]以及感染癥狀的嚴重程度[15]都表現(xiàn)出晝夜節(jié)律模式。多種腦部疾病的發(fā)生發(fā)展也與晝夜節(jié)律密切相關。偏頭痛發(fā)作有晝夜變化，大多數(shù)研究表明清晨或深夜是發(fā)作的高峰時間[16]，這可能與皮質醇水平、下丘腦功能障礙及偏頭痛觸發(fā)因素的晝夜節(jié)律變化有關。薈萃分析表明缺血性腦卒中的發(fā)病有晝夜節(jié)律性，早晨頻率較高，睡眠時頻率較低[17]，這種時間生物學模式與急性心肌梗死相似，提示可能存在一些共同的潛在機制。有研究表明，雙相模式的血壓晝夜變化和同時出現(xiàn)的早晨高凝可能是缺血性腦卒中早晨風險增加的決定性因素[18]。日落綜合征在癡呆患者中普遍存在，在下午晚些時候或傍晚發(fā)生頻率更高，其特征是攻擊性、不安、譫妄和激動增加[3]。青春期的節(jié)律延遲與抑郁和情緒癥狀的嚴重程度密切相關[19]。時間醫(yī)學，旨在在一天中的最佳時間治療患者，最大限度地提高治療效果并減少副作用[20]。在凌晨到中午期間獲得供體心臟的患者長期生存率更高[21]。晚上給予高血壓藥可以更有效地降低血壓并降低心臟病發(fā)作的風險[22]。辛伐他汀在夜間服用能更有效的抑制膽固醇的合成[23]。許多藥物的療效或毒性根據(jù)用藥時間的不同有顯著不同的效果[20,24]。

在一些動物中也存在著明顯的晝夜節(jié)律現(xiàn)象。嚙齒動物的葡萄糖耐量表現(xiàn)出每日節(jié)律，相對于活動期（大多數(shù)嚙齒動物的暗期），靜息期（大多數(shù)嚙齒動物的亮期）的耐受性降低[25]。在晝行性動物加利福尼亞水蚤中，中間記憶和長期記憶形成高峰出現(xiàn)在白天[26]，而在夜行性動物水蚤中，長期記憶的形成高峰出現(xiàn)在夜間。不同物種記憶的晝夜節(jié)律波峰和波谷階段各不相同，這可能與相關行為和過程的協(xié)調有關。動物中的晝夜現(xiàn)象不僅表現(xiàn)在日常生理功能中，在一些疾病中也存在。有研究發(fā)現(xiàn)在小鼠的缺血模型中腦缺血半暗帶體積在非活躍期比在活躍期的更大[5]，繼而影響了神經(jīng)保護劑在活躍期發(fā)揮保護的效能。嚙齒動物的疼痛敏感性顯示出日常節(jié)律，通常在夜間（即黑暗階段）觀察到較高的疼痛閾值[27]。這可能與內啡肽水平和涉及疼痛途徑的代謝物在一天中不同有關。

生物鐘是一個進化上保守的分子系統(tǒng)，從細菌到人類都有。身體的每個器官都有自己的一組轉錄振蕩的基因[1]。許多生理功能，包括體溫、激素分泌、睡眠和覺醒周期等，都受到生物鐘的控制。因此，人類和動物在日常生活和一些疾病中都可以觀察到晝夜變化的現(xiàn)象。

2 晝夜節(jié)律在腦的多模態(tài)MRI中的研究

2.1 sMRI

越來越多的研究報告基于MRI 的T1WI 結構像分析大腦結構的晝夜變化。一些研究發(fā)現(xiàn)腦容量、大腦灰白質體積、皮質厚度及皮質表面積存在潛在的晝夜波動。NAKAMURA 等[28]在一項縱向研究中回顧性分析了1 589 名參與者的3 個大型數(shù)據(jù)集，分析MRI 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)一天中的時間對腦容量有顯著影響，早上的腦容量更大。TREFLER 等[29]通過研究19 名健康成年志愿者的小樣本數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)灰白質體積、皮質厚度及皮質表面積都受到一天中時間的影響，也發(fā)現(xiàn)早上的腦容量顯著增加。TUURA 等[30]在晚上8 點和早上8 點分別對18 名健康年輕的志愿者進行MRI 掃描，同樣發(fā)現(xiàn)灰白質體積在早上顯著增加。與之前報道一致，KARCH 等[31]也報道了與晚上相比，早上的腦容量增加。目前，還沒有對于腦容量和灰白質在早上增加較好的解釋，因此其機制仍需要進一步探討。不同的是，ZAHID 等[32]選擇了阿爾茨海默病神經(jīng)成像倡議方案中的20名參與者的MRI數(shù)據(jù)，通過分析發(fā)現(xiàn)一天中掃描時間對大腦容量無明顯影響。不一致的結果可能是由于被試選擇的不同或者是磁共振掃描時間的差異。

腦脊液在調節(jié)整個生命的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中起著關鍵作用，包括促進生長因子的分布以及清除大腦中的廢物[33]。腦脊液也被發(fā)現(xiàn)存在晝夜波動。腦脊液在腦實質間質、腦室和頸部淋巴結之間的分布會在一天24 小時內發(fā)生變化[34]。另外，有研究發(fā)現(xiàn)腦脊液產(chǎn)量存在晝夜波動。NILSSON 等[35]采用MRI技術測定6名正常志愿者在24小時內不同時間的腦脊液產(chǎn)量，所有志愿者在下午的腦脊液產(chǎn)量最低，午夜的產(chǎn)量最高。但TAKAHASHI 等[36]與NILSSON 等[35]的結果不一致，此團隊用非觸發(fā)相位對比MRI 測量了10 名正常志愿者通過大腦導水管的腦脊液流量，觀察到腦脊液的分泌并沒有晝夜變化。血管周圍間隙（perivascular spaces, PVS）是腦清除系統(tǒng)的主要組成部分，容納腦脊液通過動脈周圍間隙流入腦實質，以及間質液通過靜脈周圍間隙流向淋巴系統(tǒng)[37]。PVS容量也受到一天中時間的影響。BARISANO 等[38]采用MRI 對來自人類連接組項目的897 名健康成年人進行PVS 定量分析。結果顯示，與一天中較早時間掃描測得的 PVS 容量相比，下午和晚上測得的 PVS容量明顯較高，這可能與腦脊液在下午和晚上產(chǎn)量較高有關，這表明血管周圍腦脊液也存在晝夜波動。 最近，血管周圍流動在小鼠中也被證明受到晝夜節(jié)律的調控[34]。這些變化可能與水通道蛋白-4 對流量進行晝夜節(jié)律調節(jié)有關[34]。

綜合以上研究，大部分結果表明大腦結構的日變化是存在的，但大腦結構的日變化不盡相同，因此大腦結構的日變化仍有待進一步研究。

2.2 DTI

擴散張量成像（diffusion tensor imaging, DTI）是一種廣泛使用的MRI方式，用于測量水分子在組織中的擴散，可以反映腦白質纖維束的特性[39]。各向異性分數(shù)（fractional anisotropy, FA）是水分子各向異性成分與整個擴散張量的比值[40]。表觀擴散系數(shù)（apparent diffusion coefficient, ADC）反映水分子擴散能力。軸向擴散（axial diffusion, AD）被用來反映軸突完整性，而徑向擴散（radial diffusion, RD）反映了髓磷脂的完整程度[41]。

JIANG 等[42]在15 名健康成人受試者中用DTI 技術進行研究，組織微觀結構的各種 DTI 測量指標都發(fā)生了顯著的日變化。在廣泛腦區(qū)中，早上的FA、ADC、AD和RD值都比晚上的顯著增加。相比之下，VOLDSBEKK 等[43]發(fā)現(xiàn)從早上到晚上，F(xiàn)A 值增加，RD 值減小。類似的，ELVS?SHAGE 等[44]報道一天清醒后FA 值增加，RD 值減小。THOMAS 等[45]沒有發(fā)現(xiàn)FA值的顯著日變化，而ADC值的變化呈現(xiàn)早上大于晚上，ADC 值的變化和JIANG 等[42]得出的結果類似。TUURA 等[30]采用DTI 技術進一步驗證了ADC 值在早上增加。早上大腦的ADC 值增加可能是由于成像體素內腦脊液的變化或細胞內和細胞外腦室之間水的變化引起的。生物鐘時鐘基因在維持晝夜節(jié)律和睡眠-覺醒周期中起著關鍵作用，有研究表明CLOCK rs1801260*C 和Period 34/4會影響髓鞘形成過程[46]。因此，我們認為時鐘基因的調節(jié)可能是白質微觀結構出現(xiàn)晝夜變化的原因之一。

以上文獻表明一天中腦白質微觀結構會發(fā)生變化，它的變化可能是為了讓神經(jīng)活動與光-暗循環(huán)中的環(huán)境相適應。在以上研究中，DTI 的不同測量指標的晝夜變化存在著不一致的結果，因此，對于DTI的晝夜變化的進一步研究是有必要的。

2.3 血氧水平依賴成像

血氧水平依賴（blood oxygen level dependent,BOLD）成像通過神經(jīng)血管耦合過程間接測量神經(jīng)元的活動情況[47]，主要指標包括局部一致性（regional homogeneity, ReHo）[48]、低 頻 振 幅（amplitude of low-frequency fluctuations, ALFF）[49]和 功 能 連 接（functional connectivity, FC）[50]等。越來越多的研究采用fMRI 技術分析了不同腦區(qū)或不同腦網(wǎng)絡以及全腦BOLD信號的晝夜波動情況。

一些研究表明默認模式網(wǎng)絡中的BOLD 信號存在晝夜變化。FAFROWICZ 等[51]發(fā)現(xiàn)默認模式網(wǎng)絡的BOLD 信號激活在早晨更小。HODKINSON 等[52]的結果與之相反，發(fā)現(xiàn)默認模式網(wǎng)絡的FC 在一天中持續(xù)下降，特別是在后扣帶皮層和內側前額葉皮層。FACER-CHILDS 等[53]報告了在早期和晚期睡眠型中默認模式網(wǎng)絡中的FC 存在明顯的差異。在一天中的08：00、14：00 和 20：00，與晚期型相比，早期型的默認模式網(wǎng)絡中的FC顯著增加。

一些研究表明感覺運動網(wǎng)絡的BOLD 信號在一天內發(fā)生了變化。JIANG 等[54]發(fā)現(xiàn)，與早晨相比，晚上掃描時感覺運動區(qū)域的ALFF 和ReHo 有所降低。與JIANG 等結果不同，F(xiàn)ACER-CHILDS 等[55]報告運動網(wǎng)絡的FC 在早上較小。與FACER-CHILDS 等的結果相似，有研究報道在傍晚時大腦運動區(qū)域的FC增加[56]。另外，F(xiàn)ARAHANI等[57]也報告隨清醒時間的增加，感覺區(qū)域的FC 顯著升高。與以上研究結果都不同，CORDANI 等[58]報道了早上和晚上時感覺運動區(qū)域的BOLD 信號減小。與CORDANI 等[58]研究結果類似，最近，XING 等[59]也報告了早上和晚上時感覺運動區(qū)域的ReHo有所減小。

也有研究報道視覺網(wǎng)絡的BOLD 信號在一天內發(fā)生了變化。一些研究發(fā)現(xiàn)視覺網(wǎng)絡從早到晚的靜息態(tài)FC 降低[54,56,60-61]。相比之下，GRATTON 等[62]發(fā)現(xiàn)時間對視覺網(wǎng)絡沒有影響。而CORDANI 等[58]分析發(fā)現(xiàn)視覺皮層中的靜息態(tài)BOLD 信號在8：00 至17：00顯著增加，然后在20：00顯著降低，并在23：00再次增加（但不顯著）。CORDANI 等[58]認為，人類視覺皮層受到日光變化的調節(jié)，在黎明和黃昏時可能存在補償機制。

還有研究發(fā)現(xiàn)殼核的BOLD 信號具有晝夜變化。MUTO 等[60]42小時內在33名健康參與者中進行了13 次fMRI，發(fā)現(xiàn)殼核的大腦反應存在晝夜節(jié)律性。與早晨相比，殼核在下午時分對獎勵的反應較低[63-64]。FARAHANI 等[65]發(fā)現(xiàn)在晚上左側殼核與其他大腦區(qū)域之間的FC 減小。因此，從早上到晚上殼核區(qū)域的大腦活動可能是降低的。

小腦的BOLD 信號也存在晝夜變化。MAGDALENA 等[51]進行的一項任務態(tài)fMRI 研究顯示，晚上左側小腦BOLD 信號激活更大，這與FARAHANI 等[65]的結果相似，后者揭示了在夜間fMRI期間小腦網(wǎng)絡的效率更高。目前，靜息態(tài)小腦活動的晝夜節(jié)律尚未得到充分檢查，仍需要進一步研究。

與注意力、認知相關腦區(qū)的BOLD 信號也具有時間依賴性。SINGH 等[66]在記憶任務執(zhí)行期間，發(fā)現(xiàn)在上午志愿者表現(xiàn)出更高的大腦激活。丘腦在維持注意力方面起著至關重要的作用[67]。MUTO 等[60]發(fā)現(xiàn)皮層下區(qū)域（包括丘腦）表現(xiàn)出和褪黑激素相關的晝夜節(jié)律調節(jié)。隨后，MAIRE 等[68]也發(fā)現(xiàn)丘腦的BOLD激活中存在與褪黑素相關的晝夜節(jié)律調節(jié)，丘腦活動在夜間達到高峰。 前額葉皮層參與警覺性、注意力和高階認知過程[69]。JIANG 等[54]報告了下午時前額葉皮層的BOLD 反應高于上午。顳葉也被認為與注意力和認知有關[70]。FARAHANI 等[57]報告隨著清醒時間的增加，雙側顳上回的FC 顯著升高。在靜息態(tài)fMRI 的研究中，與早上相比，丘腦以及與感知相關的認知腦區(qū)在一天的晚些時候BOLD 信號會變大，這可能與晚些時候注意力的代償機制有關。

全腦BOLD信號的晝夜波動也有被研究。最近，ORBAN等[71]揭示了一天中的時間對整體大腦活動的影響，并且此影響不能用喚醒狀態(tài)或生理偽影來解釋。他們報告全局信號波動、區(qū)域 BOLD 信號及全腦靜息態(tài)FC在一天中穩(wěn)步下降。VAISVILAITE等[72]利用人類連接組計劃發(fā)布的數(shù)據(jù)，采用動態(tài)因果模型分析了時間對血流動力學和有效連通性參數(shù)的影響。結果表明有效連通性沒有明顯時間依賴性，而血流動力學參數(shù)表現(xiàn)出明顯的時間依賴效應，表明在沒有潛在神經(jīng)元激活和有效連通性的日變化情況下，血管的晝夜效應可能會影響B(tài)OLD信號。

綜上所述，不同腦區(qū)或不同腦網(wǎng)絡BOLD 信號的日變化在不同的研究中仍然存在很多不一致的報道，因此有必要對fMRI 的晝夜變化進行進一步研究。大多數(shù)研究表明時間依賴性的代謝變化會導致fMRI研究的可靠性降低，因此有必要在未來的fMRI研究中考慮時間這個生物學變量。

2.4 MRS

質子MRS（proton MRS,1H-MRS）是一種研究人腦生化變化的非侵入性方法，廣泛用于臨床，研究各種體內神經(jīng)代謝物，如γ-氨基丁酸、谷氨酸+谷氨酰胺或N-乙酰天冬氨酸[73]。已經(jīng)報道了一些研究使用MRS來評估腦的主要代謝物的晝夜變化。有研究發(fā)現(xiàn)時間對1H-MRS 體外測量的影響并不顯著[74]。VOLK 等[75]通過1H-MRS 技術評估16 名健康年輕人的腦代謝情況，發(fā)現(xiàn)左側頂葉的谷氨酸+谷氨酰胺在一夜之后顯著減少，而其他代謝物沒有顯著變化。ARM 等[76]在10 名健康受試者中使用MRS 的二維局部相關光譜技術評估后扣帶皮層中多種代謝物的晝夜變化，觀察到多種代謝物的濃度從早上到中午再到下午呈逐漸增加的趨勢，但沒有發(fā)現(xiàn)γ-氨基丁酸濃度的晝夜變化。大腦的這些神經(jīng)代謝物在一天的晚些時候似乎比早些時候濃度更高，這可能與睡眠過程可以清除一些體內的神經(jīng)代謝物有關。

以上文獻表明MRS可以檢測神經(jīng)代謝物水平的晝夜變化。因此，在進行MRS 研究時應考慮一天中的時間。

2.5 ASL技術

ASL 技術以動脈血中自由擴散的水分子作為內源性示蹤劑，使組織灌注可視化，可定量、無創(chuàng)地測量腦血流[77]。ELVS?SHAGEN 等[78]在正常的睡眠覺醒周期下采用ASL技術研究38名健康成年人發(fā)現(xiàn)與早晨相比，晚上時雙側海馬、杏仁核、丘腦和感覺運動皮質的腦血流顯著升高。然而并非所有研究的結果都一致，HODKINSON等[52]分別在上午和下午采用ASL技術對13名健康成年男性進行掃描發(fā)現(xiàn)與早上相比，在默認網(wǎng)絡核心區(qū)域中下午的腦血流顯著下降。ASL 檢測腦血流的晝夜變化尚未得到充分研究，仍需要未來的研究進一步探索。

3 小結與展望

多模態(tài)MRI的運用使大腦結構和功能的晝夜變化從宏觀及微觀多個角度進行了研究，能夠全面了解時間因素對神經(jīng)影像學研究的影響，能夠更好地了解大腦生理學并為睡眠醫(yī)學提供新的見解。具體來說我們概述了晝夜節(jié)律對大腦結構、功能、代謝的普遍性影響。由于生物鐘的存在，大腦的宏觀結構、腦白質微觀結構、神經(jīng)元活動、大腦代謝以及腦血流在一天中都會發(fā)生變化，但是目前報道的結果存在不一致，因此仍然需要進一步的研究來明確大腦生理功能的具體晝夜變化情況?，F(xiàn)有研究仍存在不足：（1）大多數(shù)研究僅關注了白天的時間點而沒有對夜間的時間點進行研究；（2）多數(shù)研究僅重復掃描了一天中的2～3個時間點，鮮有研究能夠重復掃描一天中多個時間點，這使得我們無法了解大腦生理在一天中的變化趨勢；（3）由于對志愿者重復多次進行MRI 掃描的成本比較大，目前多數(shù)研究的樣本量較小，未來可以增加樣本量來增加結論的可靠性?？傊?，一天中的時間是一個會影響神經(jīng)科學研究的生物學因素，一天的時間依賴性的大腦生理變化可能會導致神經(jīng)影像學研究結果的可靠性降低，因此迫切需要在未來的神經(jīng)影像學研究中考慮數(shù)據(jù)采集的時間。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：戴慧設計本研究的方案，對稿件重要內容進行了修改，獲得了國家自然科學基金項目的資助；邢寒棋起草和撰寫稿件，獲取、分析和解釋本研究的文獻，對稿件重要內容進行修改；全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。