0 引言

       失眠障碍（insomnia disorder, ID）是一种让人难以入睡或难以维持睡眠，从而给人们造成困扰的睡眠状态。根据国际睡眠障碍分类第三版（International Classification of Sleep Disorders-third edition, ICSD-3）诊断标准，持续3个月且每周至少有3天存在入睡或维持睡眠困难的情况可确诊为ID^[1]。ID在中老年人群中^{[2, 3]}发病率逐渐增高，同时增加其认知障碍风险。流行病学研究显示，成年ID患者中30%~35%患者发现了认知障碍，而在老年患者群体中，这一比例最大可达75%^{[4, 5]}。ID已经被证实及与多种神经认知障碍和神经心理变化有关。

       既往研究提示脑类淋巴系统功能在睡眠时会更加活跃，睡眠相关疾病可以损害其功能^{[6, 7]}。失眠能够引起脑类淋巴系统功能紊乱，导致代谢废物和细胞间质的溶质清除减少^{[8, 9]}。不同于以往鞘内或者静脉注射钆造影剂来评估脑类淋巴系统功能的方法^{[10, 11]}。以MRI为基础的沿血管周围间隙的扩散张量成像分析（diffusion tensor imaging analysis along the perivascular space, DTI-ALPS）指数提供了一种无创的间接评估脑类淋巴功能的方法^{[12, 13, 14]}。DTI-ALPS 已应用于在多项临床研究，是一种能够间接反映脑类淋巴功能的影像学指标^{[15, 16, 17, 18, 19, 20]}。它是通过测量沿血管周围间隙的扩散率与在脑室周围区域主要纤维束垂直方向上的扩散率并将两者相除得出的^[21]。

       重复经颅磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS）为一种安全可行的非侵入性神经刺激与调节技术，通过线圈中变化的电流产生磁场穿透颅骨，在组织中诱导电流进而引发神经元的去极化，具有一定的持续效应^[22]。目前已被应用于如慢性失眠、阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、不宁腿综合征和睡眠剥夺等睡眠障碍疾病的治疗上^[23]。已有部分研究证实其对ID患者有效^{[24, 25, 26, 27, 28, 29]}，但还缺乏深入探索客观的评价标准。根据相关研究，治疗中轻微的不良反应（如头颈部的疼痛等）能够在半个小时内缓解，未发现严重的不良事件^[30]。但是，目前尚缺乏基于多导睡眠图（polysomnography, PSG）及神经影像学对其疗效评价。

       综上，本研究的目的是：（1）探究ID患者与正常人脑类淋巴系统的差异以及这种差异和PSG睡眠指标的相关性；（2）探究rTMS治疗前后ID患者睡眠状态及DTI-ALPS指数的变化，以评估治疗疗效。

1 材料与方法

1.1 受试者及分组

       此单中心前瞻性研究已获得河北医科大学第二医院伦理委员会的批准（批准编号：2022-R758、2023-R710）。于2023年1月至2023年12月在河北医科大学第二医院心身医学科招募失眠障碍患者，并通过广告从我院体检中心招募了年龄与性别匹配的健康对照组。所有参与者均签署知情同意书，所有研究程序均遵守《赫尔辛基宣言》。

       ID患者的纳入标准：（1）年龄在18至65岁之间；（2）右利手；（3）符合《精神障碍诊断与统计手册》第五版（Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders Fifth Edition, DSM-5）中对失眠障碍的诊断标准^[31]；（4）匹兹堡睡眠质量指数（Pittsburgh Sleep Quality Index, PSQI）总分>5；（5）在研究开始前至少两周以及研究期间未服用镇静药物和精神药物。排除标准：（1）癫痫患者、妊娠期或哺乳期妇女；（2）伴有脑部病变或严重精神障碍；（3）MRI检查禁忌证，如幽闭恐惧症、金属植入物等；（4）未完成测量量表。并将接受rTMS治疗的ID患者分为真刺激组和假刺激组。健康对照组的纳入标准：（1）年龄和性别与失眠障碍患者组匹配；（2）无神经或精神疾病史；（3）近期未服用任何影响中枢神经系统的药物；（4）睡眠质量评分在正常范围内。排除标准：（1）存在MRI检查禁忌证，如幽闭恐惧症、金属植入物等；（2）图像质量欠佳，影响DTI-ALPS指数测量；（3）MRI检查存在明显阳性病变和异常信号。所有研究对象都采集了认知功能、睡眠调查问卷、PSG数据以及磁共振检查的基线数据。真刺激组接受了真正的rTMS治疗，假刺激组则没有接受真正的rTMS刺激治疗，并在治疗3天后再次采集睡眠量表、PSG数据以及MRI图像以评估治疗效果。

       在入组的46名ID患者中，有3人因MRI图像头动伪影被排除，另有6人申请提前退出研究。最终，本研究纳入了真刺激组（n=28）、假刺激组（n=9）以及健康对照组（n=20）（图1）。

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图1  健康对照组（左）和失眠障碍患者（右）的参与者纳入排除过程流程图。PSG：多导睡眠图；rTMS：重复经颅磁刺激。
Fig. 1  Flow diagram shows the participant selection process for healthy controls (left) and insomnia disorder patients (right). PSG: polysomnography; rTMS: repetitive transcranial magnetic stimulation.

1.2 人口统计学数据、认知能力和睡眠调查问卷

       采集所有参与者的年龄、性别和受教育程度。通过贝克抑郁量表（Beck Depression Inventory, BDI）、贝克焦虑量表（Beck Anxiety Inventory, BAI）、蒙特利尔认知评估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）和简易精神状态检查（Mini-Mental State Examination, MMSE）测量他们的认知表现。并通过3份标准化的自评睡眠问卷评价其部分睡眠指标：（1）PSQI；（2）埃普沃斯嗜睡量表（Epworth Sleepiness Scale, ESS）；（3）失眠严重程度指数（Insomnia Severity Index, ISI）。

1.3 rTMS治疗

       采用MagPro R30 TMS刺激器和八字线圈（MagVenture，丹麦）进行治疗。为节约治疗成本，采用“5厘米规则”定位，对左侧背外侧前额叶皮层进行主动刺激^{[24, 25, 26, 32]}。TMS参数为1 Hz的频率，刺激强度为静息运动阈值的80%。刺激由每串10个的脉冲组成，间隔2秒，共进行150串，即在30分钟内产生1500个刺激脉冲。治疗每天进行一次，每周进行5天，持续4周。假刺激组的参与者仅佩戴设备，但未接受实际的刺激治疗。健康对照组未接受此治疗。

1.4 MRI检查

       使用3.0 T MR扫描仪（Achieva 3.0 T，飞利浦医疗）采集MRI图像。采集了3D-T1、T2加权和扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）图像。详细参数为3D-T1序列：TR 6.3 ms；TE 2.8 ms；TI 834 ms；FA 7°；矩阵256×256；层数176；体素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm；层厚1 mm；FOV 256 mm×256 mm。DTI图像使用单次回波平面成像序列获取，有32个扩散梯度方向（b=1000 s/mm²），之后是无扩散加权的图像（b=0 s/mm²）。DTI序列参数：TR 10 000 ms；TE 92 ms；矩阵128×128；FOV 256 mm×256 mm；层厚2 mm；体素大小2.0 mm×2.0 mm×2.0 mm；层数72。获取T2加权图像以检测脑部病变，扫描参数为：TR 2643 ms；TE 80 ms；采集矩阵352×213；FOV 230 mm×201 mm；FA 90°；层厚5 mm；层数26。

1.5 计算DTI-ALPS 指数

       DTI-ALPS指数是利用DTI获取的多方向扩散图得出血管周围间隙的扩散率与在脑室周围区域主要纤维束垂直方向上的扩散率，并用两项的比值来间接评估脑内类淋巴功能^{[19, 20, 33]}。采用与先前研究相同的方法计算DTI-ALPS指数^[33]，即使用MATLAB（R2015a）中的SPM12包将扩散图与各向异性分数（fractional anisotropy, FA）图与模板（https://neurovault.org/images/1406/）配准。之后在与侧脑室垂直的深静脉顶端，分别放置4个位于双侧投射纤维和联络纤维（图2）的直径为5 mm的感兴趣区（region of interest, ROI）。并手动调整ROI的位置。投射纤维感ROI的X轴坐标位于蓝色区域的中心，联络纤维位于FA伪彩图的绿色区域中心。投射纤维和联络纤维的ROI在X轴（Dx）、Y轴（Dy）和Z轴（Dz）上的坐标分别记录为Dxxproj、Dyyproj、Dzzproj、Dxxassoc、Dyyassoc、Dzzassoc。使用如下公式计算双侧的DTI-ALPS指数^[12]：

       由两名分别具有9年及5年工作经验的放射科主治医师计算所有受试者的ALPS指数，并进行观察者间的一致性分析。

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图2  获取沿血管周围间隙的扩散张量成像分析（DTI-ALPS）指数的过程。FA：各向异性分数。
Fig. 2  Process illustrating for obtaining diffusion tensor imaging analysis along the perivascular space (DTI-ALPS) index. FA: fractional anisotropy.

1.6 PSG采集

       所有ID患者在接受rTMS治疗前后均使用便携式检测系统（飞利浦Alice 6 Ide，飞利浦医疗）进行了标准化的PSG检查。所有受试者需要在病房连续进行2晚睡眠，第1晚为适应病房环境，第2晚则开始正式记录。病房温度控制在18~26摄氏度之间，由受试者自行决定何时入睡和醒来。试验时的睡眠条件与正式测试条件相一致，以排除由于环境变化而不能准确反映受试者通常睡眠状况的数据。若受试者正处于月经期，则不会进行相应检查。使用有4个导联的直径为1 cm的镀银电极作为采集电极。其中两个导联用于眼电图，分别放置在左（或右）眼外角外侧和下方（或上方）1 cm处，参考电极放置在耳垂上。一个导联用于肌电图，放置在下颌中线旁1.5 cm处。另一个导联用于脑电图（C3-A2）。将采集信号输入多通道生理记录仪后放大信号并记录。时间常数为0.3 s，高频滤波器设置为30 Hz，增益为1，校准电压为50 mV。采集完成后根据美国睡眠医学学会手册第2.6版的规则对睡眠及相关事件进行分析。PSG指标包括总睡眠时间、睡眠效率、睡眠潜伏时间、入睡后清醒时间、N1睡眠时长、N2睡眠时长、N3睡眠时长、快速眼动期睡眠时长（R期）、觉醒指数、呼吸暂停低通气指数、氧饱和度下降≥3%指数、睡眠期间的平均外周血氧饱和度（saturation of peripheral oxygen, SpO2）、最大阻塞性呼吸暂停持续时间、睡眠中周期性肢体运动指数。

1.7 统计学分析

       使用GraphPad Prism 9.0.0（GraphPad Software, Inc.，La Jolla，CA）和SPSS 27.0（IBM，Chicago，IL，USA）软件进行统计分析。对符合正态分布的连续变量采用均值±标准差表示，不符合正态分布的连续变量采用中位数（四分位距）表示，分类变量采用频数表示。连续变量采用单因素方差分析或Kruskal-Wallis检验进行三组间的比较，使用Tukey或Dunn多重比较检验进行事后分析。分类变量使用卡方检验进行分析。使用组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）评估两位放射科医生测量DTI-ALPS的观察者间一致性。ICC≥0.75表示一致性极好；ICC在0.60~0.74之间表示一致性良好；ICC在0.40~0.59之间表示一致性一般；ICC<0.40表示一致性差。使用单变量线性回归评估DTI-ALPS与参与者特征、睡眠测量和PSG指标之间的关联。随后使用向后回归法进行多变量回归调整模型，以确定与DTI-ALPS相关的PSG指标的独立因素。在单变量模型中，P值<0.2的变量被纳入逐步剔除过程，剔除标准为P值大于0.1。配对样本t检验用于评估真刺激及假刺激组在治疗前后相关指标的变化。P<0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 治疗前受试者的临床资料

       研究最终纳入37名ID患者[真rTMS治疗组（n=28）和假rTMS治疗组（n=9）]和20名健康对照组。所有参与者的人口统计学特征和认知特征如下表1所示。两组ID患者的MoCA评分分别为（27.39±2.27）和（25.22±2.68）分，均低于健康对照组[（29.45±2.46）分；P<0.05]。另外，两组ID患者在治疗前的BAI评分[(35.78±8.54）和（33.98±5.42）分]及BDI评分[（12.54±7.24）和（17.33±9.41）分]都高于对照组[BAI（26.95±2.51）分，BDI（4.08±3.71）分；P<0.001]。三组间的年龄、性别、受教育年限及MMSE评分差异无统计学意义。

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表1  rTMS治疗前3组参与者的人口统计学以及认知特征
Tab. 1  Demographic and cognitive characteristics of the three groups before rTMS treatment

2.2 三组受试者rTMS治疗前的睡眠指标比较

       与对照组相比，两组ID患者治疗前睡眠情况明显较差。真刺激与假刺激组接受治疗前的PSQI、ESS和ISI评分均高于对照组（P值分别为<0.001、0.047、<0.001）（表2）。健康对照组与两组ID患者在总睡眠时间、睡眠效率、睡眠潜伏时间、N2睡眠时长、N3睡眠时长、快速眼动睡眠时间和呼吸暂停低通气指数方面差异具有统计学意义，而三组之间PSG的其他指标差异无统计学意义（P>0.05）。

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表2  rTMS治疗前3组参与者的睡眠特征
Tab. 2  Sleep characteristics of the three groups before rTMS treatment

2.3 DTI-ALPS指数的观察者间一致性

       两位放射科医生DTI-ALPS指数的计算上有极好的观察者间一致性[ICC：0.910（95% CI：0.85~0.94）]（表3）。

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表3  DTI-ALPS观察者一致性
Tab. 3  Interobserver agreement of two radiologists on diffusivities and the DTI-ALPS

2.4 三组受试者rTMS治疗前DTI-ALPS的比较

       与健康受试者相比，真刺激组和假刺激组的受试者在ALPS指数上显著降低（表4）。投射纤维区域的Dxx值在真刺激和假刺激组的受试者中显著降低（F=11.30，P<0.001），而联络纤维区域的Dxx值在三组之间没有显著降低。同时联络纤维和投射纤维的Dyy和Dzz值没有显著降低。

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表4  rTMS治疗前3组受试者的扩散率和ALPS指数比较
Tab. 4  Comparison of the diffusivities and ALPS indexes among the three groups before rTMS treatment

2.5 ID患者间的PSG指标同DTI-ALPS指数间的相关性

       使用单变量和多变量回归模型评估PSG的睡眠指标与DTI-ALPS之间的关联。单变量回归模型显示，在所有受试者中DTI-ALPS指数与年龄和觉醒指数呈负相关（表5）。DTI-ALPS与总睡眠时间和N2睡眠时长呈正相关。而其他临床数据、认知表现评分和睡眠问卷评分与DTI-ALPS无关（表6）。在最小调整模型Ⅰ（调整性别和年龄）中，DTI-ALPS与N2睡眠时长之间的效应量仍呈显著正相关（β=0.01，95% CI：0.01~0.01，P=0.037）。在模型Ⅱ（调整性别、年龄、受教育年限、MoCA评分、MMSE评分、BAI评分、BDI评分、PSQI评分、ESS评分、ISI）中，DTI-ALPS与N2睡眠时长之间的效应量显示出了一致的正相关性（β=0.01，95% CI：0.01~0.01，P=0.034）。同样，在最小调整模型Ⅰ和严格调整模型Ⅱ中，DTI-ALPS与觉醒指数之间存在显著的负相关（β=-0.01，95% CI：-0.02~-0.01，P<0.001；β=-0.01，95% CI：-0.01~-0.01，P=0.002）。

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表5  rTMS治疗前ID患者中不同模型的DTI-ALPS指数与年龄、总睡眠时间、N2睡眠时长和觉醒指数的多元线性回归分析
Tab. 5  Multivariate linear regression of DTI-ALPS with age, total sleep time, N2 sleep duration and arousal index of different models in ID participants before rTMS treatment

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表6  rTMS治疗前ID患者的DTI-ALPS与临床数据、认知表现得分和睡眠问卷得分之间关系的单变量线性回归评估
Tab. 6  Univariate Linear Regression of DTI-ALPS with clinical data, cognitive performance scores and sleep questionnaire scores in ID participants before rTMS treatment

2.6 rTMS治疗后的睡眠指标及DTI-ALPS比较

       真刺激组及假刺激组在BAI、BDI评分在治疗前后未见显著变化（图3A~3B）。真刺激组在PSQI、ISI、ESS评分、觉醒指数（图3C~3F）方面显著下降，而N2睡眠时长、总睡眠时间和DTI-ALPS指数值（图3G~3I）显著增加。假刺激组上述指标上没有显著变化。

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图3  比较ID患者真刺激组和假刺激组rTMS治疗前后的指标变化，包括贝克焦虑量表（3A）、贝克抑郁量表（3B）、匹兹堡睡眠质量指数（3C）、失眠严重指数（3D）、埃普沃思嗜睡量表（3E）、觉醒指数（3F）、N2睡眠时长（3G）、总睡眠时间（3H）、DTI-ALPS（3I）。ID：失眠障碍；rTMS：重复经颅磁刺激；DTI-ALPS：沿血管周围间隙的扩散张量成像分析。ns表示差异无统计学意义，^**表示P<0.01，^***表示P<0.001，^****表示P<0.0001。
Fig. 3  Comparison of metrics in IDs of true and sham rTMS groups before and after rTMS treatment in Beck Anxiety Inventory (3A), Beck Depression Inventory (3B), Pittsburgh Sleep Quality Index (3C), Insomnia Severity Index (3D), Epworth Sleepiness Scale (3E), Arousal Index (3F), N2 Sleep Duration (3G), Total Sleep Time (3H), DTI-ALPS (3I). ID: insomnia disorder; rTMS: repetitive transcranial magnetic stimulation; DTI-ALPS: diffusion tensor imaging analysis along the perivascular space. ns indicates no significant statistical difference, ** indicates P<0.01, *** indicates P<0.001, **** indicates P<0.0001.

3 讨论

       本研究基于DTI-ALPS指数评估了ID患者组与健康对照组的脑类淋巴功能，并研究了其与PSG睡眠参数的相关性，以及rTMS治疗能否改善ID患者的脑类淋巴功能和睡眠状态。本研究主要发现了ID患者的DTI-ALPS指数显著低于健康对照组。此外，N2睡眠时长和觉醒指数与DTI-ALPS指数呈独立相关。本研究还发现rTMS治疗可以改善ID患者的睡眠状态和DTI-ALPS指数。

3.1 ID患者与对照组间的DTI-ALPS指数差异

       本项研究发现，ID患者的DTI-ALPS指数低于健康对照组，支持了脑类淋巴系统与睡眠之间的相关性。先前的研究表明^[17]，较差的睡眠质量可能会破坏脑内淋巴系统的功能导致脑内β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein, Aβ）和Tau蛋白等废物的清除减少^{[34, 35]}。而在睡眠期间，神经胶质细胞的数量减少，血管周围间隙比清醒状态下更为扩张，进而促进组织内物质的运输^[7]。

       尽管DTI-ALPS指数不能全面反映脑类淋巴系统的整体情况，但它可能是反映类淋巴系统活动的间接指标。自2017年提出以来，DTI-ALPS已被用于各种研究中评估脑类淋巴系统^[12]。在侧脑室水平上的径向方向，即x轴是直接通向大脑表面的路径。颅内的动脉和静脉及其血管周围间隙沿此x轴方向走行，以支持脑实质外的物质运输。在这个层面的扩散图像中大神经纤维的扩散占据主导地位。因此，有必要避免白质纤维（即投射纤维和联络纤维）的影响^[21]。DTI-ALPS指数旨在评估血管周围间隙内水的宏观运动，而不是水本身的运动。因此，用DTI-ALPS指数来反映本研究中的脑类淋巴功能是合理的。

3.2 ID患者睡眠指标与ALPS指数的相关性

       此研究发现N2睡眠时长与DTI-ALPS指数之间存在独立的正相关。睡眠分为非快速眼动（nonrapid eye movement, non-REM）睡眠和快速眼动（rapid eye movement, REM）睡眠。先前的研究表明，在动物和人类实验中，脑脊液在NREM期间增加^{[7, 36]}。NREM期间脑脊液流量的增加，能够有效清除脑内代谢废物。NREM分为N1、N2和N3阶段。本研究中N2睡眠时长与DTI-ALPS独立正相关。这与TIING等^[16]的发现一致，他们观察到ALPS指数与60岁及以上成人的N2睡眠时长相关。而N2睡眠在中年成人的总睡眠时间中占比最大^{[37, 38]}。既往的研究表明，non-REM特别是N2和N3阶段主要是慢波活动。慢波活动能够导致人脑中淀粉样蛋白等代谢废物的减少，这可能与此阶段活跃的类淋巴系统功能有关^[7]。因此，ID患者的N2睡眠时长与DTI-ALPS指数具有正相关性。在本项研究中，未发现N3与DTI-ALPS之间的相关性，这可能是由于样本量小或测量误差所致。

       另外，本研究还发现觉醒指数与DTI-ALPS指数之间存在独立的负相关。ID患者的觉醒指数增加干扰了正常的睡眠周期，导致睡眠的碎片化，进而导致快速眼动睡眠被剥夺和睡眠结构紊乱^[39]，这会抑制类淋巴系统的功能并降低代谢废物清除的效率^[40]。这些结果表明，反复的睡眠觉醒可能是导致类淋巴功能障碍的原因，这种类淋巴功能的障碍可以通过ALPS指数减低来体现。

3.3 rTMS治疗对ID患者睡眠状态及DTI-ALPS指数的影响

       目前，rTMS治疗ID的具体机制尚不明确。rTMS能影响神经元的电生理活动来抑制皮质的过度兴奋，抑制ID患者过度兴奋的皮层改善睡眠状态^{[41, 42, 43, 44]}。rTMS同时能够调节5-羟色胺和γ-氨基丁酸的浓度或活性来影响睡眠状态^[45]。这些都可能是rTMS治疗改善ID患者睡眠状态的相关机制。

       本研究发现rTMS治疗可以改善ID患者的睡眠状态和DTI-ALPS指数。这与之前的研究一致。两项系统评价总结了关于ID患者rTMS治疗的研究，发现rTMS治疗可以通过PSG监测的睡眠结构指标来体现对ID患者睡眠状态的改善作用^{[32, 46]}。

3.4 局限及展望

       本研究具有以下局限性。（1）研究样本量相对较小，且在单一中心进行，需要今后扩大样本量尤其是增加假刺激组的病例数以增加数据说服力。（2）本研究没有对ID患者的分类进行详细研究，今后需要对不同类型的ID患者分类进行研究。（3）没有对接受rTMS治疗的ID患者长期随访，获取中长期疗效数据。今后需要对参加研究的患者进行定期随访，并开展进一步研究，全面分析ID患者的治疗效果及对类淋巴功能的影响。（4）rTMS采用传统的5 cm定位方法，治疗靶点可能略有不同，需要对不同的治疗靶点治疗效果进行评估。（5）本研究未在治疗后进行认知量表的评估，后续仍需进行深入研究以评估rTMS对ID治疗前后认知功能的影响。

4 结论

       本研究结果表明，ID患者的DTI-ALPS指数显著降低，这可能与其类淋巴系统功能障碍有关。DTI-ALPS指数与N2睡眠时长和觉醒指数之间存在独立关联。同时rTMS可以作为ID患者的治疗方法，从而改善ID患者的睡眠质量。