从生理到认知：解读人类大脑的睡眠依赖性兴奋和饱和神经可塑性

1. 研究背景

睡眠和认知紧密相关。然而，睡眠剥夺调节人脑生理和认知的机制尚未明晰。本研究旨在揭示整夜睡眠剥夺如何影响皮层兴奋性、LTP-和LTD-样蛋白可塑性的诱导、学习和记忆的形成和高阶认知。

2. 研究方法

2.1 被试

研究共有30名有效被试，其中男性15人，平均年龄为24.44 ± 3.93岁。

2.2 实验流程

在实验开始两周前被试需要完成一份睡眠日记，并在“充足睡眠（23:00-8:00）”和“睡眠剥夺（23:00-8:00）”两种条件下参与实验，两次实验间隔至少两周。实验固定在9:00 a.m. 开始，在8:45 a.m.进行唾液采样，随后进行行为和认知任务并记录EEG（1.5h），再进行皮层兴奋性检测（1h），最后用真/假tDCS刺激诱发神经可塑性。

图1. 实验流程示意图

a) 实验任务

运动学习

在序列反应时任务（SRTT）中，共有8个block，每个block中会呈现一系列视觉刺激，被试需要对每种刺激作出相应的按键反应。第6个block中刺激呈现顺序为伪随机，在其他block中刺激以固定顺序呈现。Block 5与block 6之间平均反应时的差反映了运动习得，block 6与block 7之间平均反应时的差反映了学习记忆的保持。

工作记忆

采用3-back的实验范式。字母（A-J）以伪随机的顺序呈现在屏幕中央，每个字母呈现30ms，每两个字母间的间隔为2000ms。共有2个block，中间间隔5-20s，包含187个trial。被试需要报告当前呈现字母与3个trial前的字母是否相同。考察的指标为准确率、d prime（正答率占错答率的比例）、正答反应时。

Stroop任务

包含3个block：Stroop word，Stroop color，Stroop color-word。在Stroop word中，颜色名以黑色呈现；在Stroop color中，大写字母以红、绿、黄、蓝色呈现，被试需进行相应的按键反应；在Stroop color-word中，字的意思与呈现颜色有一致/不一致两种情况。呈现时间为2000ms，呈现间隔为500ms。

AX连续表现测试 (AX-CPT)

字母每次呈现一个在屏幕上，呈现时长为150ms，刺激间间隔为2000ms。当字母A（正确的线索）后出现字母X（正确的目标）时，被试需要用右手食指作出按键反应；其他以任何顺序出现的字母都需要被忽略。任务共包含240对刺激，其中“AX”出现的频率较高，为40%。关注的指标为目标试次的准确率和反应时。

b) 刺激参数

皮层兴奋性的检测在行为/EEG测量之后进行。用TMS确定热点并标记，刺激强度调整到使得MEP的平均振幅能达到1mV。随后获取RMT和AMT。之后继续利用TMS去监测皮层兴奋性（SAI, SICI-ICF, I-wave facilitation, I/O curve）。使用PowerMag刺激器(Mag & More, Germany) 及直径为70mm的8字形线圈（磁场峰值强度：2T），与中线呈45°，施加在左侧初级运动皮层。

3. 研究结果

3.1 睡眠剥夺增强皮层兴奋性

和睡眠充足的条件相比，睡眠剥夺后的皮层抑制显著减少，皮层易化显著增加；I-wave在睡眠剥夺条件下的峰值更大，体现出更少的皮层抑制；睡眠剥夺条件下的MEP振幅更大。

图2. 充足睡眠 vs 睡眠剥夺后的皮质脊髓及皮质间兴奋性

3.2 皮层兴奋度增强与长期增益效应的电生理证据

睡眠剥夺条件下，中线电极处的theta振荡活动、beta振荡活动显著增加，alpha振荡活动显著减小。

图3. 静息状态下Fz, Cz和Pz电极处alpha、beta、theta振荡活动

a) 睡眠剥夺损害学习、记忆形成和认知表现

在运动学习相关任务中，睡眠充足条件下block 5、6，block 6、7之间反应时的差更大，错误更少；在工作记忆相关的N-back任务中，睡眠充足条件下表现更好；在选择性记忆相关的Stroop任务中，干扰效果在睡眠剥夺条件下更强；在持续性注意相关的AX-CPT任务中，睡眠剥夺条件下的正确率更低、反应时更长。

图4. 睡眠剥夺对于序列学习、工作记忆和注意的影响

4. 结论

本研究的结果表明，睡眠剥夺对包括学习、记忆形成和注意功能在内的学习和认知过程，及其电生理相关的大脑生理学的特定改变产生了负面影响。这些发现补充了迄今为止关于睡眠在人类神经可塑性和认知中的关键作用的相关知识。

5. 文献名称及DOI号

Salehinejad, M. A., Ghanavati, E., Reinders, J., Hengstler, J., Kuo, M. F., & Nitsche, M. (2021). Sleep-dependent upscaled excitability and saturated neuroplasticity in the human brain: From brain physiology to cognition. bioRxiv.

Doi: 10.1101/2021.04.28.441823