睡眠剥夺（sleep deprivation ，SD）是指持续的睡眠丢失状态，其可引起情绪失控、学习记忆减退、运动能力下降等一系列行为学变化^[1,2,3]。随着近年来血氧水平依赖功能磁共振成像（blood oxygenation level dependent-functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI）技术的运用，已有大量相关研究表明SD前后能引起脑局部一致性（regional homogeneity，ReHo）发生改变^[4,5,6]，但在相关研究中，对于SD时长对脑局部一致性影响的fMRI研究尚未见报道，本研究运用静息态fMRI扫描技术和ReHo分析方法，旨在从影像学角度更直观地阐明不同时长SD对脑局部一致性的影响。

1　材料与方法

1.1　研究对象

       来自首都师范大学健康成年男性志愿者28名，年龄18~27岁，平均年龄（23.94±1.73）岁，入组标准：受试均为右利手，裸眼视力或矫正视力正常，无酒精或药物滥用史，无精神神经疾病病史。匹兹堡睡眠质量指数（pittsburgh sleep quality index，PSQI）测验得分均<5分，表明睡眠习惯良好。要求被试在试验开始前1 w及试验过程中不能摄入酒精、咖啡等刺激性食物／饮料，不得参加剧烈、竞争性运动。本试验获得空军总医院伦理委员会批准，试验开始前向被试详细说明试验流程及注意事项。所有被试均自愿参加试验并签署知情同意书。

1.2　研究方法

       试验采用自身前后对照设计，试验正式开始时，受试于前一天16:00登记信息入组后，于21:00后正常睡眠，第2天6:00起床后，前往核磁共振扫描间，采集正常睡眠fMRI图像，第2天8:00在两名主试陪同下开始24 h、36 h睡眠剥夺，分别于第3天8:00及20:00前往核磁共振扫描间采集24 h、36 h睡眠剥夺后fMRI图像。睡眠剥夺试验在专用睡眠剥夺实验室和医疗监护下进行。试验期间全程由主试陪伴，被试不允许无故离开实验室。

1.3　磁共振数据采集

       磁共振扫描均在空军总医院磁共振科进行，试验开始前先进行准备工作（去除被试身上磁性物品，带鞋套、耳塞等），被试平卧于磁共振检查床上，头部以海绵及绷带固定。试验使用GE 3.0 T MR750设备及专用8通道头线圈采集MRI信号。扫描期间要求被试闭眼、尽量保持头部静止不动、不要想任何事情。在扫描过程中观察并记录被试的心率及呼吸频率，用于在后期数据处理中利用线性回归去除心跳和呼吸对功能磁共振信号的影响。

       静息态功能磁共振扫描采用平面回波成像(echo-planar imaging，EPI)序列共采集190帧图像，采集参数如下：重复时间（repetition time，TR）2000 ms，回波时间（echo time，TE）30 ms，扫描视野(field of view，FOV)240 mm×240 mm，层厚3 mm，层间距1 mm，翻转角90° ，采集矩阵64×64，层数为35层（扫描定位线平行于前-后联合间线）。高分辨T1解剖像采用FSPGR-BRAVO序列采集，参数如下：TR 8.208 s，TE 3.22 ms，FA 12° ，FOV 240 mm×240 mm，TI 450 ms。为了保证受试者在静息扫描期间不睡着，在每次扫描前都通过麦克风提醒被试保持清醒，每次扫描后都询问被试是否在扫描中保持清醒，所有被试确认在扫描过程中保持清醒。

1.4　磁共振数据预处理

       所用磁共振原始数据采用SPM8（www.fil.ion. ucl.ac.uk/spm/software/spm8）软件包进行处理。对于静息态fMRI数据，为了消除扫描初期的磁饱和影响，在数据预处理前首先手动丢弃前10帧图像。接下来进行的数据预处理步骤包括：时间校正、头动校正以及功能像和结构像之间的配准、标准化。头动校正结果在X，Y，Z轴方向上的位移超过2 mm，旋转超过1°的受试者被剔除。

1.5　ReHo分析

       将预处理得到的数据进行去线性漂移和滤波（0.01~0.08 Hz）处理，随后用REST软件（http://www.restfmri.sourceforge.net）计算每个被试的全脑ReHo图并进行高斯平滑（4 mm×4 mm×4 mm），再采用SPM8软件对睡眠剥夺前后及24 h、36 h睡眠剥夺后真刺激及假刺激组进行单因素方差分析，设定对比差异(FDR校正，P<0.001)，体素范围(K值)>20为差异具有统计学意义。结果呈现采用REST及Xjview软件工具箱。

2　结果

       经头动校正后发现所有受试均符合条件，无异常发现。

2.1　不同睡眠状态下ReHo分析结果

       正常睡眠状态下ReHo升高的脑区为：双侧颞上、中回、左侧楔前叶及部分枕叶；下降的区域为：双侧额中回、颞上回、梭状回、海马旁回、角回及丘脑。24 h SD后ReHo升高的脑区为：双侧楔前叶、部分枕叶、左侧中央后回及中央旁小叶；下降的脑区为：双侧颞上回、前扣带回旁皮质、左侧岛叶、右侧中央后回及左侧中央旁小叶。36 h SD后ReHo升高的脑区为：双侧背外侧额上、中回、左侧前扣带回旁皮质、右侧额中回；下降的脑区为：双侧额上、中回、颞上、中回、海马旁回、左侧楔前叶及右侧角回（图1）。

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图1  3组不同状态下，全脑ReHo变化情况（其中暖色调代表正激活，冷色调代表负激活）
Fig. 1  The whole brain ReHo changes under three different states (in which the warm color is activated, cold tone on behalf of negative activation).

2.2　SD前后ReHo分析结果

       SD后较正常睡眠对比，既有ReHo显著升高的脑区，也有ReHo显著降低的脑区，其中ReHo显著升高的脑区为：右侧梭状回、额中回、颞中回及左侧丘脑和岛叶，以右侧额中回最为显著；显著降低的脑区为：右侧楔前叶、额上回、缘上回及左侧额中回、中央后回、角回，其中以左侧中央后回最为显著（表1，图2）。

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图2  SD前后全脑ReHo值变化
图3  24/36 h睡眠剥夺后全脑ReHo值变化（其中图像左侧代表实际的右侧，暖色调代表ReHo上升，冷色调代表ReHo下降）
Fig. 2  The changes of whole brain ReHo after SD.
Fig. 3  The changes of whole brain ReHo after 24/36h SD, the image of the left side represents the actual right side, in which the warm color is activated, cold tone on behalf of negative activation.

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表1  SD前后ReHo增加和降低的脑区
Tab.1  ReHo increased and decreased brain regions after sleep deprivation

2.3　不同时长（24/36 h）睡眠剥夺后全脑ReHo分析结果

       随着剥夺时间的延长，可以观察到全脑ReHo显著升高的脑区为双侧丘脑、右侧颞叶、海马旁回及左侧额中回；ReHo显著降低的脑区有双侧额中回、中央后回、左侧楔前叶、枕中回及右侧额上回和补充运动中枢（表2，图3）。

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表2  不同时长SD组间ReHo增加和降低的脑区
Tab.2  ReHo increased and decreased brain regions after different sleep deprivation times

3　讨论

       本研究采用重复测量自身对照的试验设计，探讨不同时长（24/36 h）SD后全脑ReHo的变化，阐明SD后脑功能区的变化和进一步研究睡眠因素对人脑的影响提供理论基础。研究发现经24 h SD后，主要引起以左侧丘脑、右侧额中回及颞叶等相关脑区的ReHo增强，而左侧额中回、中央后回及右侧楔前叶等相关脑区ReHo下降的脑神经功能改变。随着睡眠剥夺时间的延长，全脑ReHo变化更加显著，主要表现为双侧丘脑、右侧颞叶、前扣带回及左侧额中回的ReHo增强；而双侧额叶、左侧楔前叶及运动相关功能区ReHo下降。

       近年来有大量相关研究表明，SD可引起情绪、记忆及执行功能等行为学改变，并指出引起这些改变可能与特殊脑功能区变化有关^[1,2,3,7,8]。经对SD前后全脑ReHo分析后发现激活显著增加的脑区为：左侧丘脑、右侧额中回及颞叶；而激活显著下降的脑区为：左侧中央后回、额中回、边缘叶及右侧楔前叶和缘上回。上述脑区变化说明SD对人脑的主要功能影响为：与核心信息加工处理密切相关的脑区ReHo出现明显增强，如主要负责听觉信息加工的颞叶皮质，以及信息加工、传导处理中继站——丘脑等；而与此同时部分感觉功能区的ReHo出现下降，如皮层感觉中枢的中央后回和右侧楔前叶^[9]。该发现说明SD是通过"调节"不同脑功能区间的活跃度来维持机体的必需活动。

       本研究另一项重要发现是：增加SD时长后，对比24 h SD组，经36 h SD后全脑ReHo出现更加显著的变化。ReHo显著增高的脑区为：双侧丘脑、右侧颞叶、前扣带回及左侧额中回；显著下降的脑区为：双侧额上回、中央后回、左侧楔前叶及运动相关功能区。对比两组脑区变化，可发现36 h SD后ReHo升高的脑区主要位于视觉、嗅觉、本体感觉及信息加工、传导的中继站等功能区^[10,11,12]；而ReHo下降的脑区主要集中在记忆、语言、情绪及运动功能区。提示SD时长增加，使得机体进一步加强了对诸脑神经功能区的调节，通过降低部分非必需活动，来维持机体与外界交换、获得和处理基本的信息能力^[13,14,15]。从而进一步推测正常机体SD后所引起的脑功能区变化，与剥夺时长有一定关系。

       本研究存在的不足主要有以下3点：首先研究中睡眠剥夺时长分组不够精细、样本量少。由于个体对睡眠缺失的表现不同，所以不同时长SD后个体的差异性较大，因此需要更多的样本来增加统计推断的准确性。其次，所有受试均为男性，没有考虑到性别因素，缺少女性对照，使得试验结论的普适性差。最后，在SD后的静息态扫描中，尽管在试验前后均对受试者进行了询问是否睡着，受试也反映没有睡眠。但是缺少对受试者的脑电图监控数据，仍会影响到对受试者是否有微睡眠的发生的判断。脑电图是监测睡眠的金指标，对相关数据的分析可以客观地评价受试者的觉醒状态。在进一步的研究中应监测受试的脑电图作为辅助测量。

       综上所述，研究认为SD所引起的一系列行为学变化是通过"损害"相关脑功能区功能而实现的，主要集中在双侧额叶、丘脑、左侧颞叶及相关运动功能区，并且与睡眠剥夺时长有密切联系，随着SD时间延长，对应脑功能区变化越显著。对于不同行为学变化与SD时长的具体关系，有待未来进一步的功能连接和行为学水平相关分析。