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

睡眠是人類的正常生理需求，具有促進生長發(fā)育、促進分化和多因素擴散的功能。同時，它對注意力、記憶力和學習等認知功能的維持至關(guān)重要。睡眠缺乏對人體健康有極其嚴重的影響,越來越多的研究指出睡眠缺乏是中風、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)疾病的危險因素,同時與精神疾病共病。因此正確診斷和治療失眠可以減少上述疾病發(fā)生的風險。功能磁共振是近年來新興的影像手段,廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學研究領(lǐng)域,尤其是在認知心理學的研究取得了較好的成績。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)是研究失眠的一個窗口。睡眠剝奪是指由于自身或者周圍環(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、警覺力和自知力下降。動物實驗證實睡眠剝奪損害Morris水迷宮位置學習、復(fù)雜性壓桿操作訓練、恐懼反射等海馬依賴或非海馬依賴的記憶。人體實驗報道完全睡眠剝奪后,受試者陳述性記憶和非陳述性記憶均發(fā)生損害;對情感反應(yīng)有負面影響。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程中動態(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力學和腦神經(jīng)元活動間的聯(lián)系:當神經(jīng)元興奮時,電活動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間(T2)縮短。即局部神經(jīng)的興奮引起局部T2加權(quán)像信號增強。該項技術(shù)具有較高的時間、空間分辨率,無創(chuàng)傷,重復(fù)性好,已廣泛用于神經(jīng)科學領(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,大腦也在進行非?；钴S的自發(fā)性腦神經(jīng)活動;在數(shù)據(jù)采集時受試者保持清醒,不執(zhí)行任何目標任務(wù),即在生理基態(tài)水平發(fā)生的腦活動。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性維持密切相關(guān)。任務(wù)態(tài)功能磁共振是檢測特定目標任務(wù)時腦激活的區(qū)域,反映大腦功能活動狀態(tài)。工作記憶是認知形成的基礎(chǔ),是對信息進行短暫的存儲并對其進行加工處理的記憶系統(tǒng),時效性短,可分為信息編碼、保持和提取階段,是進行學習、推理、語言理解和判斷等復(fù)雜認知任務(wù)的基礎(chǔ)。任務(wù)態(tài)功能磁共振可以檢測不同工作任務(wù)激活腦區(qū),從而為認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)是默認網(wǎng)絡(luò)的重要組成節(jié)點,以前額葉內(nèi)側(cè)皮層為種子點進行正常人靜息態(tài)及任務(wù)態(tài)的功能影像學研究顯示: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,在工作記憶下,丘腦活動可能有所減弱。對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異常的原因之一。工作記憶是一種對信息進行暫時加工和貯存的能量有限的記憶系統(tǒng),在許多復(fù)雜的認知活動中起重要作用。在對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)運動前區(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)運動前區(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)運動前區(qū),左側(cè)輔助運動區(qū)等,而且,隨著任務(wù)負荷的增加,腦激活區(qū)域呈左偏、集中趨勢。在研究睡眠剝奪對默認網(wǎng)絡(luò)影響的實驗中,以前、后扣帶回為種子點研究發(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,認為上述腦區(qū)與機體警覺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):睡眠剝奪時間與前扣帶回激活的下降呈正相關(guān),認為前扣帶回對注意、行為抑制等功能活動發(fā)揮著重要作用;也有研究報告了不同的結(jié)果:睡眠剝奪后默認網(wǎng)絡(luò)功能連接增強,認為可能是因為睡眠剝奪機體為維持清醒狀態(tài)而導(dǎo)致的結(jié)果,即默認網(wǎng)絡(luò)功能連接增強;不同的研究結(jié)果可能與睡眠剝奪時間的不同有關(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:盡管長時間睡眠剝奪后患者出現(xiàn)疲乏、無力等不適感,但在特定實驗條件下仍可集中注意力,相對簡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、豆狀核、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。該項研究間接說明數(shù)字處理在優(yōu)勢半球進行,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(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。動物研究顯示快速眼動相睡眠剝奪對情感有顯著影響;認為REM睡眠有助于適當重塑與情緒相關(guān)的神經(jīng)元興奮性,這種神經(jīng)元的興奮對于潛在危險的估計和情感的自我控制至關(guān)重要,尤其是危險性刺激,當睡眠剝奪導(dǎo)致此種修復(fù)無法實現(xiàn)時,該環(huán)路情感反應(yīng)增強。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,其眶額葉皮質(zhì)、島葉、丘腦、楔前葉、扣帶回和緣上回等區(qū)域激活強度及范圍增大,前額葉皮層、豆狀核、殼核和伏核也有所激活;這些區(qū)域與情感控制、決策和認知相關(guān),說明睡眠缺乏改變了神經(jīng)元活動,對食物刺激更加敏感,同時有更多與記憶和認知有關(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