睡眠对于人体健康具有重要意义,睡眠不足往往会给人的健康和认知造成不良影响,进而带来工作和生活上的问题。实验室中对睡眠不足的探讨主要利用睡眠剥夺(sleep deprivation,SD)范式通过操纵睡眠的时长和时间进行研究。研究者认为,睡眠剥夺会尤其影响前额叶主导的执行功能(executive function,EF),然而结果并不完全一致。当前对执行功能普遍认同的一个观点是,执行功能由抑制控制(inhibitory control),工作记忆(working memory)和认知灵活性(cognitive flexibility)三个核心成分组成,在此基础上衍生出更高级的执行功能成分。研究者认为,研究结果并不一致可能受到认知成分与认知任务的影响。同时研究者指出,个体差异也可能是导致研究结果并不一致的因素,有的人表现出对睡眠剥夺的耐受性,更容易利用补偿机制弥补睡眠剥夺的不利影响,而有的人则表现出对睡眠剥夺的易损性,睡眠剥夺后的任务明显受损。现实生活中有些人偏爱早睡早起,被称作清晨型(morningness,MT),有些人则偏爱晚睡晚起,被称作夜晚型(eveningness,ET),这种人们在昼夜节律上表现出的个体差异现象被称作日周期类型(chronotype,CT)。但从已有研究来看,较少研究对睡眠剥夺后的执行功能核心成分是否以及如何受到日周期类型这一个体差异的影响及其背后的神经基础进行关注。因此,研究一首先采用问卷调查的方法,对日周期类型在睡眠不足与执行功能之间是否存在调节效应进行初步检验;研究二采用任务态功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,f MRI)技术探讨睡眠剥夺后的执行功能核心成分:抑制(实验2)、工作记忆(实验3)、认知灵活性(实验4)是否以及如何受到日周期类型这一个体差异的影响及其认知神经机制;研究三从多模态角度出发,结合弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)与静息态磁共振成像(resting-state f MRI,rs-f MRI)技术探讨睡眠剥夺后的执行功能受日周期类型影响的大脑结构基础(实验5)与功能基础(实验6)。研究一采用问卷调查的方法,对日周期类型在睡眠不足与执行功能间是否存在调节效应进行检验。结果表明:睡眠质量越差,执行功能受损越严重;个体越偏向于夜晚型,睡眠质量越差,执行功能受损也越严重;日周期类型在睡眠质量与执行功能的关系间存在显著的正向调节作用,随着睡眠质量的变差执行功能失常水平增高在日周期类型低分组(偏向于夜晚型)与高分组(偏向于清晨型)中同样显著,高分组中睡眠不足与执行功能的关系强度高于低分组。我们认为,睡眠质量的好坏显著影响个体的执行功能,而夜晚型个体由于需要在与他们的偏好活动时间相冲突的早上活动,社会时差对夜晚型个体造成的负面影响尤其明显且长期存在,可能导致其睡眠质量与模式的改变,进而使其执行功能受损。同时,夜晚型个体睡眠质量与执行功能间的关系可能受到诸多例如人格、情绪、社会时差、不良生活方式等因素的影响,这可能是相比夜晚型,清晨型个体的睡眠质量与执行功能间关系更强的部分原因。实验2利用功能核磁共振成像(f MRI)技术探讨睡眠剥夺后反应抑制的神经行为表现是否以及如何受到日周期类型的影响及其认知神经机制,24名清晨型被试和21名夜晚型被试分别在清醒(rested-wakefulness,RW)和睡眠剥夺(SD)条件下进行Go/No-Go任务。(1)行为结果表明,相比清醒条件,睡眠剥夺后被试Go试次反应时显著增加,注意失误(lapses)增多,睡意更高,心境更差。无论睡眠剥夺与否,相比清晨型被试,夜晚型被试在抑制任务上的表现都更差,睡意更高,感觉更筋疲力尽,评定任务更困难。(2)神经水平上,日周期类型与睡眠条件在反应抑制关键脑区右侧额下回(inferior frontal gyrus,IFG)交互作用显著,睡眠剥夺后清晨型被试右侧额下回(IFG)脑区激活显著降低,夜晚型被试则显著增强。(3)脑与行为相关分析表明,睡眠剥夺后夜晚型被试右侧额下回(IFG)脑区的激活与睡意、努力专注任务的主观评定呈正相关。我们认为,夜晚型个体抑制相关脑区激活增强可以视作应对睡眠剥夺不利影响的一种补偿反应。实验3利用功能核磁共振成像(f MRI)技术探讨睡眠剥夺后工作记忆的神经行为表现是否以及如何受到日周期类型的影响及其认知神经机制,24名清晨型被试和20名夜晚型被试分别在清醒(RW)和睡眠剥夺(SD)条件下进行N-back任务。其中N-back(1-back,1B;2-back,2B;3-back,3B)任务可以通过操纵任务载荷(task load)增加任务难度,因此本研究对睡眠剥夺后的工作记忆表现是否受到任务难度的影响也进行了初步的探索。(1)行为结果表明,相比清醒条件,睡眠剥夺后被试各任务载荷的正确率均显著降低,注意失误增多,睡意增高,心境更糟糕,评定任务更难,也更难以集中注意力。无论睡眠剥夺与否,都比清晨型,夜晚型的注意失误更多,睡意更高,更多地感受到筋疲力尽。日周期类型与睡眠条件两因素在工作记忆2-back反应时上交互作用显著,清晨型被试的2-back反应时在清醒条件与睡眠剥夺条件下差异并不显著,但夜晚型被试的2-back反应时在睡眠剥夺后显著增长。(2)神经水平上,日周期类型与睡眠条件两因素在任务载荷(2B vs.1B,3B vs.1B)相关脑区左侧额下回(IFG)和颞中回(middle temporal gyrus,MTG)交互作用显著。睡眠剥夺后清晨型被试任务载荷相关脑区激活显著增强,夜晚型被试则显著降低。(3)脑与行为相关分析表明,无论睡眠剥夺与否,清晨型被试的左侧额下回脑区都与被试的积极主动、精力充沛等心境和任务动机呈正相关,睡眠剥夺后夜晚型被试的左侧额下回(IFG)脑区与被试更好的工作记忆任务表现呈正相关。可以看出,日周期类型与任务难度共同影响睡眠剥夺对工作记忆的效果。我们推测,无论睡眠剥夺与否,清晨型被试的注意失误更少,睡意更低,更加精力充沛,使得其在任务较难和睡眠剥夺的不利条件下利用补偿机制增强额叶脑区激活较为容易,进而保持较好的任务表现。相反,无论睡眠剥夺与否,夜晚型被试的注意失误更多,睡意更高,更加筋疲力尽,使得其在任务较难和睡眠剥夺的不利条件下利用补偿机制更为困难,进而任务受损。实验4利用功能核磁共振成像(f MRI)技术探讨睡眠剥夺后认知灵活性的神经行为表现是否以及如何受到日周期类型的影响及其认知神经机制,23名清晨型被试和16名夜晚型被试分别在清醒(RW)和睡眠剥夺(SD)条件下进行线索转换任务(cued switching task)。(1)行为结果表明,相比清醒条件,睡眠剥夺后被试任务重复(task repeat)试次的反应时变长,任务转换(task switch)试次的正确率降低,转换代价的正确率和反应时变化并不显著,警觉性下降明显,睡意更高,心境更糟糕,任务评定更消极。无论睡眠剥夺与否,相比清晨型,夜晚型被试任务重复试次的反应时更长,任务转换试次的正确率更低,在实验过程中更加筋疲力尽。值得注意的是,日周期类型与睡眠条件两因素在任务转换试次的正确率上交互作用显著。睡眠剥夺后清晨型被试与夜晚型被试在任务转换试次的正确率上都显著降低,但夜晚型的受损更为严重。(2)神经水平上,日周期类型与睡眠条件两因素在任务转换的准备阶段(线索-目标间隔,CTI)相关脑区前扣带回(anterior cingulate cortex,ACC)上交互作用显著,睡眠剥夺后清晨型被试前扣带回的激活相对稳定,夜晚型被试则显著下降。(3)脑与行为相关分析表明,睡眠剥夺后清晨型被试前扣带回的激活与积极主动的心境呈正相关,而夜晚型被试前扣带回的激活与任务难度呈负相关。前扣带回(ACC)脑区对于错误探测和冲突监测过程至关重要,任务转换试次出现时,当前任务与先前任务设置(task set)出现冲突,且任务转换相比任务重复更容易出错,因此冲突监控和错误探测在任务转换的准备阶段尤为重要。我们推测,睡眠剥夺后清晨型被试较好的心境状态可能是前扣带回(ACC)脑区激活相对稳定,进而保持相对较好任务表现的前提基础,而夜晚型被试在睡眠剥夺后面对较难的任务则难以利用补偿机制增强脑区激活以较好完成任务。在实验5中,为了考察睡眠剥夺后的执行功能受日周期类型影响的结构基础,26名清晨型被试和21名夜晚型被试在清醒(RW)条件下进行了弥散张量成像(DTI)扫描。(1)研究中运用相互补充的基于图谱的纤维束量化分析(atlas-based tract-specific quantification analysis)和全脑基于体素的分析(voxel-based analysis,VBA)方法进行独立样本T检验,结果表明两种分析方法结果类似并相互印证,清晨型在右侧扣带回(cingulate)的部分各向异性(FA)上高于夜晚型。(2)脑与行为相关分析表明,清晨型被试右侧扣带束(cingulum)的部分各向异性(FA)与清醒条件下反应抑制中No-Go试次的正确率呈正相关,与睡眠剥夺后工作记忆任务中精力充沛-筋疲力尽的心境(负相关)和任务动机(正相关)显著相关,除此以外更多地与积极情绪维度呈正相关。然而,研究中并未发现个体扣带束的部分各向异性对睡眠剥夺后执行功能(正确率与反应时)的预测作用。我们认为,清晨型在右侧扣带束(cingulum)的结构完整性上可能优于夜晚型,扣带束可能是日周期类型在执行功能与情绪调节方面存在差异的结构基础。同时,鉴于高级执行功能的复杂性,对于日周期类型扣带束的结构特点是否以及如何预测睡眠剥夺后的执行功能表现(正确率与反应时)还需要未来利用更精细的研究设计与数据分析进行深入地探究。在实验6中,为了考察睡眠剥夺后的执行功能受日周期类型影响的功能基础,26名清晨型被试和21名夜晚型被试分别在清醒(RW)与睡眠剥夺(SD)条件下进行静息态(rs-f MRI)扫描。研究中利用低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuation,ALFF)、局部一致性(regional homogeneity,Reho)和静息态功能连接(resting-state functional connectivity,RSFC)指标进行交互效应检验。(1)ALFF分析表明,日周期类型与睡眠条件在后扣带回(posterior cingulate cortex,PCC)交互作用显著,睡眠剥夺后清晨型后扣带回(PCC)脑区的低频振幅(ALFF)相对稳定,夜晚型则激活显著降低。(2)Reho分析表明,日周期类型与睡眠条件在腹内侧前额叶(ventromedial prefrontal cortex,vm PFC)、丘脑(thalamus)和额上回(SFG)交互作用显著。睡眠剥夺后在腹内侧前额叶(vm PFC)的局部一致性(Reho)上清晨型相对稳定,夜晚型则显著降低;在丘脑(thalamus)和额上回(superior frontal gyrus,SFG)脑区局部一致性上清晨型相对稳定或显著降低,夜晚型则显著升高。(3)RSFC分析表明,睡眠剥夺后清晨型右侧后扣带回(PCC)与脑岛(insula)的功能连接显著降低,夜晚型则显著升高。(4)脑与行为相关分析并未发现日周期类型静息态神经活动的变化对睡眠剥夺后执行功能的预测作用。可以看出,睡眠剥夺后清晨型和夜晚型被试在自发脑活动、局部一致性和功能连接上的确存在差异,清晨型睡眠剥夺后静息态下的默认网络(default mode network,DMN)关键脑区PCC与vm PFC的自发神经活动强度与局部一致性,丘脑的局部一致性,以及默认网络与反相关网络(anti-correlated network,ACN,脑岛作为反相关网络的关键节点)间功能适应性解耦能力都依然稳健。然而,夜晚型睡眠剥夺后静息态下的默认网络自发神经活动强度和局部一致性显著降低,同时默认网络与反相关网络间功能适应性解耦能力受损,但另一方面可以通过提高丘脑与感觉运动皮层的局部一致性作为补偿机制,这可能表明睡眠剥夺后夜晚型静息态下神经活动出现激活-抑制的模式失衡。我们认为,日周期类型静息态下大脑的功能基础一定程度上影响睡眠剥夺后的执行功能表现,但鉴于高级执行功能的复杂性,对于日周期类型的功能基础是否以及如何预测睡眠剥夺后的执行功能表现(正确率与反应时),还需要未来利用更精细的研究设计与数据分析进行深入地探究。总体而言,本研究发现:(1)日周期类型在睡眠质量与执行功能间起到正向的调节作用,清晨型个体中的睡眠质量与执行功能的关系强度高于夜晚型个体。(2)睡眠剥夺后执行功能的神经行为表现受到日周期类型的影响,且个体差异的表现形式会因为执行功能成分的不同而有所区别。(3)默认网络(DMN)以及连接默认网络的扣带束(cingulum)可能是睡眠剥夺后的执行功能受到日周期类型影响的主要功能基础与结构基础。本研究将日周期类型这一个体差异引入到睡眠剥夺后的执行功能研究中,拓展了睡眠剥夺范式中个体差异的研究范围,同时对睡眠剥夺后在同一个体内不同认知领域间的差异问题进行了初步的探讨,这对于探索与完善睡眠剥夺影响执行功能的神经生理机制和基因机制具有重要的科学价值;此外,对于临床上全面评估睡眠障碍及其引发的认知功能受损的成因并提供针对性与个性化的干预具有重要的实践意义。