功能磁共振成像技術(shù)在睡眠剝奪及失眠研究中的應(yīng)用

功能磁共振成像技術(shù)在睡眠剝奪及失眠研究中的應(yīng)用

睡眠是人類(lèi)的正常生理需求，具有促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育、促進(jìn)分化和多因素?cái)U(kuò)散的功能。同時(shí)，它對(duì)注意力、記憶力和學(xué)習(xí)等認(rèn)知功能的維持至關(guān)重要。睡眠缺乏對(duì)人體健康有極其嚴(yán)重的影響,越來(lái)越多的研究指出睡眠缺乏是中風(fēng)、多發(fā)性硬化、阿爾茨海默病、頭痛、癲癇、疼痛等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的危險(xiǎn)因素,同時(shí)與精神疾病共病。因此正確診斷和治療失眠可以減少上述疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。功能磁共振是近年來(lái)新興的影像手段,廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域,尤其是在認(rèn)知心理學(xué)的研究取得了較好的成績(jī)。我們回顧功能磁共振在睡眠剝奪及失眠方面的研究,將有助于了解睡眠剝奪及失眠的腦功能連接及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常,為揭示睡眠缺乏的產(chǎn)生及其腦損害提供有力的依據(jù)。1環(huán)境因素引起的睡眠缺失狀態(tài)睡眠剝奪(sleepdeprivation)是研究失眠的一個(gè)窗口。睡眠剝奪是指由于自身或者周?chē)h(huán)境因素引起的睡眠缺失狀態(tài),可導(dǎo)致短期記憶力減退、注意力分散、警覺(jué)力和自知力下降。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)睡眠剝奪損害Morris水迷宮位置學(xué)習(xí)、復(fù)雜性壓桿操作訓(xùn)練、恐懼反射等海馬依賴或非海馬依賴的記憶。人體實(shí)驗(yàn)報(bào)道完全睡眠剝奪后,受試者陳述性記憶和非陳述性記憶均發(fā)生損害;對(duì)情感反應(yīng)有負(fù)面影響。2任務(wù)態(tài)功能核磁共振功能磁共振成像能夠提供人體生理和病理生理過(guò)程中動(dòng)態(tài)和功能方面的信息。凡是能反映器官功能狀態(tài)成像的磁共振成像技術(shù)都稱為功能磁共振成像,包括彌散加權(quán)磁共振成像技術(shù)(diffusionweightedimaging,DWI),灌注加權(quán)磁共振成像技術(shù)(perfusionweightedimaging,PWI),磁共振波譜成像技術(shù)(magneticresonancespectroscopy,MRS)及血氧水平依賴功能磁共振成像(bloodoxygenationleveldependentfunctionalmagneticresonanceimaging,BOLD-fMRI)。狹義的功能磁共振即指BOLD-fMRI,其成像原理是基于血流動(dòng)力學(xué)和腦神經(jīng)元活動(dòng)間的聯(lián)系:當(dāng)神經(jīng)元興奮時(shí),電活動(dòng)引起腦血流量及氧耗量增加,兩者增加幅度不等,綜合效應(yīng)為局部血液氧含量增加,去氧血紅蛋白含量相對(duì)較低,由于去氧血紅蛋白為順磁性物質(zhì),以致橫向磁化弛豫時(shí)間(T2)縮短。即局部神經(jīng)的興奮引起局部T2加權(quán)像信號(hào)增強(qiáng)。該項(xiàng)技術(shù)具有較高的時(shí)間、空間分辨率,無(wú)創(chuàng)傷,重復(fù)性好,已廣泛用于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。功能磁共振包括靜息狀態(tài)fMRI和基于任務(wù)的fMRI。靜息狀態(tài)下,大腦也在進(jìn)行非?；钴S的自發(fā)性腦神經(jīng)活動(dòng);在數(shù)據(jù)采集時(shí)受試者保持清醒,不執(zhí)行任何目標(biāo)任務(wù),即在生理基態(tài)水平發(fā)生的腦活動(dòng)。由此得到的腦連接和網(wǎng)絡(luò)模式可作為任務(wù)前的基線水平。Raichle等認(rèn)為在靜息狀態(tài)下后扣帶回、前扣帶回腹側(cè)等區(qū)域?qū)δX功能有重要意義,并提出了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)模式(defaultmodenetwork),主要包括前額葉皮層、頂葉皮層,還有前扣帶回皮質(zhì);這些結(jié)構(gòu)與清醒及注意維持和警覺(jué)性維持密切相關(guān)。任務(wù)態(tài)功能磁共振是檢測(cè)特定目標(biāo)任務(wù)時(shí)腦激活的區(qū)域,反映大腦功能活動(dòng)狀態(tài)。工作記憶是認(rèn)知形成的基礎(chǔ),是對(duì)信息進(jìn)行短暫的存儲(chǔ)并對(duì)其進(jìn)行加工處理的記憶系統(tǒng),時(shí)效性短,可分為信息編碼、保持和提取階段,是進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理、語(yǔ)言理解和判斷等復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)的基礎(chǔ)。任務(wù)態(tài)功能磁共振可以檢測(cè)不同工作任務(wù)激活腦區(qū),從而為認(rèn)知損害的研究提供相關(guān)證據(jù)。3睡眠剝奪與記憶激活前額葉內(nèi)側(cè)皮層(medialprefrontalcortex,MPFC)是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的重要組成節(jié)點(diǎn),以前額葉內(nèi)側(cè)皮層為種子點(diǎn)進(jìn)行正常人靜息態(tài)及任務(wù)態(tài)的功能影像學(xué)研究顯示:在靜息狀態(tài)和工作記憶任務(wù)下,相關(guān)腦區(qū)的激活范圍和激活強(qiáng)度存在差異。靜息狀態(tài)下與前額葉內(nèi)側(cè)皮層相關(guān)性較高的區(qū)域是左側(cè)丘腦、小腦蚓部等,而在工作記憶任務(wù)下后扣帶回和左顳葉內(nèi)側(cè)面與前額葉內(nèi)側(cè)面正相關(guān)性較高,這可能說(shuō)明作為邊緣系統(tǒng)一部分的丘腦,參與靜息狀態(tài)下自發(fā)心理和情感活動(dòng),在工作記憶下,丘腦活動(dòng)可能有所減弱。對(duì)失眠患者及正常睡眠者靜息狀態(tài)下腦局部一致性差異的比較研究顯示:失眠患者存在局部一致性異常的腦區(qū),且多發(fā)生在顳葉、扣帶回等邊緣系統(tǒng),提示失眠患者這部分腦區(qū)可能存在功能障礙或損傷,亦可能是是失眠患者情感活動(dòng)異常的原因之一。工作記憶是一種對(duì)信息進(jìn)行暫時(shí)加工和貯存的能量有限的記憶系統(tǒng),在許多復(fù)雜的認(rèn)知活動(dòng)中起重要作用。在對(duì)正常人工作記憶不同組成成分的研究中顯示:編碼期激活腦區(qū)主要集中為左側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)(Brodmann8),左側(cè)枕中回(Brodmann19),左側(cè)頂下小葉等,維持期激活雙側(cè)前額葉背外側(cè)皮層(Brodmann9),雙側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)(Brodmann6/8)等,提取期激活腦區(qū)為左側(cè)前額葉前額葉背外側(cè)皮層、雙側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū),左側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)等,而且,隨著任務(wù)負(fù)荷的增加,腦激活區(qū)域呈左偏、集中趨勢(shì)。在研究睡眠剝奪對(duì)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)影響的實(shí)驗(yàn)中,以前、后扣帶回為種子點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn):正常睡眠者前、后扣帶回皮質(zhì)、頂葉皮質(zhì)和顳葉皮質(zhì)功能連接較強(qiáng),認(rèn)為上述腦區(qū)與機(jī)體警覺(jué)性和注意力的維持密切相關(guān)。睡眠剝奪任務(wù)態(tài)fMRI發(fā)現(xiàn):睡眠剝奪時(shí)間與前扣帶回激活的下降呈正相關(guān),認(rèn)為前扣帶回對(duì)注意、行為抑制等功能活動(dòng)發(fā)揮著重要作用;也有研究報(bào)告了不同的結(jié)果:睡眠剝奪后默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)功能連接增強(qiáng),認(rèn)為可能是因?yàn)樗邉儕Z機(jī)體為維持清醒狀態(tài)而導(dǎo)致的結(jié)果,即默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)功能連接增強(qiáng);不同的研究結(jié)果可能與睡眠剝奪時(shí)間的不同有關(guān),但清醒狀態(tài)的維持很大程度上依賴于丘腦等皮層下區(qū)域。數(shù)字工作記憶是工作記憶的一種。樊雙義等應(yīng)用組塊設(shè)計(jì)研究健康男性48h睡眠剝奪狀況下數(shù)字工作記憶的功能磁共振改變,結(jié)果顯示:盡管長(zhǎng)時(shí)間睡眠剝奪后患者出現(xiàn)疲乏、無(wú)力等不適感,但在特定實(shí)驗(yàn)條件下仍可集中注意力,相對(duì)簡(jiǎn)單短期注意力仍保留,復(fù)雜記憶在一定程度上受損。與睡眠剝奪前數(shù)字工作記憶的激活區(qū)域相比較,48h睡眠剝奪后參與數(shù)字工作記憶的腦區(qū)有所改變:編碼期左側(cè)海馬旁回、顳上回、島葉和額葉激活程度下降;維持期左側(cè)顳上回、顳中回、海馬旁回、杏仁核、豆?fàn)詈?、丘腦、雙側(cè)扣帶回等腦區(qū)激活減弱;提取期雙側(cè)海馬、右側(cè)杏仁核、右頂上小葉,左側(cè)楔前葉和丘腦激活減弱。該項(xiàng)研究間接說(shuō)明數(shù)字處理在優(yōu)勢(shì)半球進(jìn)行,以上腦區(qū)均可影響數(shù)字工作記憶,睡眠剝奪后其功能連接發(fā)生改變,使數(shù)字工作記憶受損。快速眼動(dòng)(rapideyemovement,REM)睡眠與情感有關(guān),REM睡眠相大腦情感環(huán)路選擇性激活,包括杏仁復(fù)合體(amygdaloidcomplex),前扣帶回(anteriorcingulate),眶額葉皮質(zhì)(orbitalfrontalcortices,OFC)等區(qū)域。動(dòng)物研究顯示快速眼動(dòng)相睡眠剝奪對(duì)情感有顯著影響;認(rèn)為REM睡眠有助于適當(dāng)重塑與情緒相關(guān)的神經(jīng)元興奮性,這種神經(jīng)元的興奮對(duì)于潛在危險(xiǎn)的估計(jì)和情感的自我控制至關(guān)重要,尤其是危險(xiǎn)性刺激,當(dāng)睡眠剝奪導(dǎo)致此種修復(fù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí),該環(huán)路情感反應(yīng)增強(qiáng)。Marie-Pierre等關(guān)于睡眠剝奪和食物刺激反應(yīng)的研究顯示:食物刺激可以引起正常睡眠者眶額葉皮質(zhì)激活增加;連續(xù)6d睡眠剝奪48h的受試者,食物刺激時(shí),其眶額葉皮質(zhì)、島葉、丘腦、楔前葉、扣帶回和緣上回等區(qū)域激活強(qiáng)度及范圍增大,前額葉皮層、豆?fàn)詈?、殼核和伏核也有所激?這些區(qū)域與情感控制、決策和認(rèn)知相關(guān),說(shuō)明睡眠缺乏改變了神經(jīng)元活動(dòng),對(duì)食物刺激更加敏感,同時(shí)有更多與記憶和認(rèn)知有關(guān)的神經(jīng)元參與到覓食相關(guān)的復(fù)雜行為中。LiuC等研究結(jié)果顯示并非所有大腦區(qū)域灰質(zhì)體積在睡眠剝奪后都有所減少。睡眠剝奪后視覺(jué)警惕性下降,而且這種下降與丘腦區(qū)域灰質(zhì)體積的減少具有明顯相關(guān)性。通過(guò)回顧睡眠剝奪及失眠患者的功能磁共振研究,發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪及