昼夜节律-内稳态双过程与时型的关系——基于脑成像和干预实验

来源 :王海恩 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong512
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时型常被用来衡量昼夜节律或休息/活动的个体差异,反映了个体的昼夜节律偏好(即,对早上或晚上的时间的偏好)(Taylor&Hasler,2018),通常表现为睡眠-觉醒习惯的偏好(Horne&Ostberg,1976)。现今,时型这一个体的行为指标已被广泛应用于研究认知功能(Janku et al.,2020)、精神疾病(Gershon et al.,2018)、代谢健康和流行病学(Almoosawi et al.,2019)、轮班工作(Torsvall&Akerstedt,1980)、学业成绩(Goldin et al.,2020)、运动表现(Montaruli et al.,2017)等多个领域。时型的评估是昼夜节律生物学的中心任务(Roenneberg,2012)。目前,时型的主观和客观测量方法已经相对成熟。然而,时型的测量结果受多种因素的影响,如,性别、年龄、睡眠质量、失眠严重程度、地理位置等。此外,不同的时型测量工具适用范围各有不同,相较于MEQ和体动记录仪,rMEQ更为简便且更适用于大样本研究;而较之于MCTQ,rMEQ更偏向于测量时型的稳定特征。如何准确而有效的测量成为时型相关研究的重要一环。目前关于时型机制的相关研究日益丰富,但是已有的相关研究中多集中于时型对个体日常功能的影响,如,认知表现、警觉水平、情绪、或身体活动等领域。目前关于时型的神经机制并没有直接且明确的结论。之前的研究发现默认网络(DMN)和任务正性网络(ACN,尤其是额顶控制网络/中央执行网络,FPN/CEN)之间的功能连接可能在时型的起效机制中发挥着重要作用,为此,拟基于大尺度脑网络间的功能连接探究时型的机制。在研究1中考察时型测量的主客观一致性并确定合适的时型测量工具,在此基础上进一步探究时型的神经机制。综合已有研究发现,昼夜节律过程和稳态过程调节时型,而一天中的时间(TOD)效应可能包含了上述两过程的作用。基于一天的时间变化进行观测可能有助于探究时型的功能。为了深入揭示时型的神经机制,昼夜节律机制和稳态机制需要进一步探究。因此,在研究2中通过三个实验分别考察时型的TOD效应、昼夜节律机制和稳态机制。相较于清晨型,夜晚型个体的心理行为表现更易受损,有效的干预显得尤为必要。由于时型受昼夜节律和稳态双过程(CS,C:昼夜节律,S:稳态)模型的调节,通过实验操作分别作用于每一过程可能会表现出较好的干预效果。因此,研究3通过两个实验分别通过作用于C过程的光照干预和作用于S过程的稳态压力干预,考察其对夜晚型被试的干预效果。研究1首先通过实验1确定不同时型测量工具的准确性和适用范围,考察时型主客观测量的一致性受行为和环境因素(包括性别,年龄,睡眠质量,失眠严重程度和地理位置)的影响。在此基础上,实验2采用独立成分分析的方法考察时型与大尺度脑网络间静息态功能连接的关系,揭示不同时型的神经机制。实验1对421名大学生被试的问卷评估和体动记录仪的时型测量数据进行相关分析发现,两者之间存在显著相关。睡眠质量与所有的时型测量之间均显著相关,而失眠严重程度指数仅与时型的问卷测量(rMEQ,MSFsc)相关。逐步回归模型表明,性别、睡眠质量和地理位置可能会影响问卷和体动记录仪测量的一致性,而失眠严重程度的效应没有被发现。相较于其他时型测量工具,rMEQ可能更多的反映了相对稳定的时型特征。基于实验1的结论,在实验2的时型机制研究中采用rMEQ测量时型可能更适合。实验2使用rMEQ的分类标准筛选出56名清晨型被试和77名夜晚型大学生被试,并采集了所有被试的静息态功能磁共振成像数据。通过独立成分分析确定DMN和FPN的成分,提取两个网络Fisher-Z转换后的静息态功能连接值,随后与rMEQ得分进行相关性分析,结果发现时型与DMN-FPN功能连接之间存在显著相关,但是清晨型和夜晚型在两个网络中的起效区域不同。清晨型与左背外侧额上回-左顶下缘角回功能连接显著正相关,越倾向于清晨型的个体该功能连接越强,其可能更多反映了内在昼夜节律表型的特征;夜晚型与左侧角回-右侧额中回功能连接的关联呈负相关,越偏向夜晚型的个体该功能连接越高,其对稳态过程可能更敏感。研究2主要基于CS模型探究时型的神经机制。TOD包括了昼夜节律和稳态过程的共同作用,实验3探究时型的TOD机制考察两个过程可能存在的潜在影响。实验3使用rMEQ筛选出196名大学生被试,其中,64名清晨型被试和128名夜晚型被试,所有被试在7:30-22:30之间随机完成fMRI扫描。采用与实验2相同的fMRI数据处理方法。使用了2(时型:清晨/夜晚型)×3(TOD:短/中等/长)方差分析检验两种时型在不同TOD条件下DMN-ACN静息态功能连接的差异,结果发现清晨型和夜晚型被试在不同觉醒水平(TOD)下的DMN-ACN功能连接差异显著。随着TOD的延长,清晨型个体的DMN-ACN(包括右侧角回-右侧脑岛,左侧角回-右侧脑岛)功能连接不断下降,夜晚型被试则在下降后逐渐升高。不同时型的个体在相同的睡眠压力下表现出不同的功能连接模式。最佳线性拟合结果发现,清晨型和夜晚型被试的DMN-ACN功能连接似乎存在节律性波动,结果表明TOD的效应可能包含了节律过程和稳态过程的作用。实验4根据rMEQ时型分类标准筛选55名在校大学生被试,其中清晨型被试26名,夜晚型被试29名。要求所有被试在睡眠压力最大时,即机体内稳态峰值时间,同时也是日常的睡眠开始时间,完成各项任务并进行静息态功能磁共振数据采集。使用与实验2相同的fMRI数据分析方法,考察时型的昼夜节律机制。两组被试独立样本t检验的结果发现清晨型被试的DMN-FPN(右侧角回-右侧顶下缘角回,左侧颞中回-右侧顶下缘角回,右侧角回-右额中回)功能连接显著大于夜晚型,由于DMN-FPN的功能连接与睡眠-觉醒模式密切相关(Elise R Facer-Childs et al.,2019),结果可能更多反映了内在昼夜节律的特征。实验5通过rMEQ筛选55名大学生被试,包括26名清晨型被试和29名夜晚型被试,所有被试均在在体温节律峰值时间完成各项任务和静息态功能磁共振扫描。fMRI数据处理与实验2相同,独立样本t检验发现两组的DMN-FPN(左侧角回-右侧顶下缘角回)功能连接存在显著差异,其在夜晚型中更低。由于DMN与其他网络的功能连接下降与睡眠压力的增加相关联(Tushaus et al.,2017),可能揭示了清晨型和夜晚型的稳态机制。此外,实验4和5还发现夜晚型的认知表现(3back)和情绪体验(BDI)更差。研究3的实验6和7分别基于CS模型的两个过程对夜晚型被试进行干预。实验6通过rMEQ筛选出30名夜晚型大学生被试,要求被试在第一天完成基线水平的整夜睡眠监测和各项任务评估(前测),随后三天完成每天早上完成90分钟的蓝光照射和每天晚上90分钟的红光照射。第四天晚上完成整夜睡眠监测,第五天早上再次完成各项任务评估(后测)。配对样本t检验的结果发现,夜晚型被试在红光和蓝光的干预后认知任务(Ospan)成绩显著提高,情绪(PANAS、BAI、BDI)和睡眠质量得到改善,甚至改变了睡眠结构(睡眠持续时间增加、睡眠潜伏期缩短、睡眠中断减少、睡眠效率提高、慢波睡眠时间和占比上升)。睡眠限制后增加的睡眠压力可能通过调节长时程增强作用来调节个体认知活动,且在恢复性睡眠后心理行为表现得到改善。实验7使用rMEQ的时型分类标准筛选出29名夜晚型大学生被试,要求被试在第一天完成基线水平的整夜睡眠监测和各项任务评估(前测),随后三天的白天小睡(不超过30分钟)和夜间睡眠(不超过5.5小时)的总时长不超过6个小时,此外,要求被试禁止摄入咖啡或功能性饮料。第四天的晚上完成整夜睡眠监测,第五天早上再次完成各项任务评估(后测)。与实验6类似,实验7的结果发现,通过增加稳态睡眠压力进行干预过后,夜晚型被试的失眠严重程度指数下降,负性情绪降低,认知任务(Ospan)和警觉任务(PVT)成绩提高,然而,令人意外的是正性情绪(PANAS子维度)也随之下降。此外,睡眠结构在干预后也得到改善,睡眠持续时间增加、睡眠潜伏期缩短、睡眠期间的觉醒和中断时长减少,N1睡眠时长和占比减少、N3和REM睡眠持续时间和占比增加。综上,本研究主要从描述-解释-干预的框架系统来研究时型,主要考察的内容包括:时型的测量、时型的神经机制、基于CS模型的时型神经机制分离及时型干预。主要得出以下结论:(1)时型主客观测量受多个因素影响(如,性别、睡眠质量和地理位置),其中,rMEQ更适用于测量时型的稳定特征;(2)清晨型和夜晚型均与DMN-FPN功能连接密切相关,清晨型与左背外侧额上回-左顶下缘角回功能连接的相关可能主要反映了内在昼夜节律的作用;夜晚型与左侧角回-右侧额中回功能连接的负相关,可能主要表达了稳态过程成分;(3)时型的日间时间效应机制包含了昼夜节律和稳态过程的影响。清晨型和夜晚型的大脑功能连接随一天中的时间呈现节律性波动;随着睡眠压力的增加,大尺度脑网络的功能连接显著变化,清晨型被试的左/右侧角回-右侧脑岛功能连接显著下降,夜晚型被试则在右侧角回-右侧脑岛功能连接上表现出相反的变化;(4)清晨型和夜晚型受昼夜节律和稳态调节的机制不同,昼夜节律的起效机制主要表现在右侧角回-右侧顶下缘角回,左侧颞中回-右侧顶下缘角回和右侧角回-右额中回的功能连接上。稳态过程的起效机制主要体现在左侧角回-右侧顶下缘角回;(5)相较于清晨型,夜晚型被试的认知能力表现更差且情绪问题更严重。在光照和睡眠稳态压力的干预后发现,夜晚型被试的认知能力、情绪问题、睡眠质量及睡眠结构得到显著改善。
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