睡姿影响脑网络 ——来自清醒和慢波睡眠期fMRI的证据

论文摘要

人们无论在白天的生活,还是在夜晚的休息,总是伴随着姿势的转换,例如日常工作与学习中的站立和坐立,夜晚休息时的侧卧和仰卧。合适的姿势不仅可以使人舒适,而且对人们会对人们的认知、生理和睡眠产生影响。已有不少研究表明姿势对感知觉和认知的影响,这在心理学中被称为“具身认知”,“具身认知”强调认知能力、持续感觉状态和周围环境间的复杂关系。在生理层面,姿势能影响各种心脑血管指标,这些指标还与功能磁共振研究（functional magnetic resonance imaging,fMRI）的血氧依赖水平（blood oxygenation level-dependent,BOLD）信号息息相关。虽然在神经成像领域对姿势的关注还较少,但已有一些脑电图（electroencephalography,EEG）证据表明姿势会对静息态大脑活动产生影响。因此,我们需要考虑环境变化对大脑的影响,构建“具身大脑”模型,以更好的解释大脑、身体和环境的持续交互。如今使用广泛的功能神经成像技术主要有EEG和fMRI。在fMRI实验中,通常要求被试以平躺姿势;在EEG实验中,通常要求被试以坐立姿势。从fMRI的设计角度而言,它比较适合平躺（仰卧）,但平躺的姿势大多是人们在睡眠时采用的。即使在睡眠时,人们采取最多的姿势也是侧卧,尤其是右侧卧最多,其次才是仰卧,因此,似乎fMRI的姿势限制使得它特别适合于研究睡眠。在神经成像领域也有少数研究表明姿势可以影响静息态脑电,但是缺少直接的证据表明姿势影响fMRI的BOLD信号。然而,我们可以从一些方面进行推测,首先,姿势能够影响心脑血管的指标,这些指标与fMRI测量的BOLD信号息息相关;其次,姿势能过影响功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy,fNIRS）的信号,fNIRS测量的信号与fMRI极其相似。因此,从这些角度而言,姿势很可能对fMRI的数据产生影响。现今尚未有实证研究表明姿势对fMRI数据的影响,这主要是由于设备存在限制,fMRI不能进行直立姿势的扫描,从而难以验证那些在垂直角度（平躺/仰卧,坐立,站立）上变化的姿势对神经信号的影响。本研究挑选了fMRI环境所允许的右侧卧姿势和仰卧姿势进行研究,并且分别比较了静息态和慢波睡眠状态下两个睡姿大脑活动的差异。在研究一中,使用同步EEG-fMRI技术采集了右侧卧和仰卧各5分钟的清醒静息态。对清醒静息态fMRI数据使用独立成分分析（independent components analysis,ICA）分解成分后提取了所识别成分的低频振幅（amplitude of low-frequency fluctuation,ALFF）和功能连接进行分析,然后将这两个指标与问卷（PSIQ和睡姿问卷）进行了相关分析,最后还进行了心率及心率变异性等指标的分析。对清醒静息态fMRI的数据分析发现,在睁眼静息态条件下,平躺（仰卧）相比于右侧卧在默认网络（default-mode network,DMN）、感觉运动网络（sensorimotor network,SMN）和背侧注意网络（dorsal attention network,DAN）上都有更高的ALFF,但只有感觉运动网络两个子成分（SMN-m和SMN-b）的ALFF在两种姿势下的差异达到Bonferroni校正后的统计显著水平。在功能连接上,DMN、感觉运动网络和DAN间的功能连接也都被姿势改变了,平躺姿势下都高于右侧卧姿势,但只有DMN-mPFC和SMN-b以及DMN-ang和DAN的功能连接达到Bonferroni校正的统计显著水平。进一步的相关分析发现:ALFF在两种姿势间的差值与问卷得分均无显著相关;功能连接在两种姿势间的差值则表现出与问卷得分的显著相关。具体为DMN-mPFC和SMN-b的功能连接差值与仰卧偏好得分负相关,与右侧卧偏好得分正相关;SMN-b和SMN-m的功能连接差值与PSQI正相关。在心电的分析中,发现心率在右侧卧时高于仰卧,虽然没有达到显著水平,但这一趋势与前人研究一致。对于心率变异性,LFP、HFP、TP和nLF在右侧卧时都高于仰卧。在研究二中,使用同步EEG-fMRI技术采集了右侧卧和仰卧各50分钟的睡眠数据。先是对EEG进行伪迹去除处理后,根据EEG特征进行睡眠分期,提取相应慢波睡眠期的fMRI数据。对慢波睡眠的fMRI数据使用ICA分解成分后提取了所识别成分的ALFF和功能连接进行分析,然后把这两个指标与问卷（PSIQ和睡姿问卷）进行了相关分析。通过fMRI的指标分析发现:慢波睡眠期间的平躺（仰卧）姿势比右侧卧姿势在小脑区域有着更高显著的ALFF;在DMN网络和感觉运动网络平躺虽然表现出更高的ALFF,但是不显著。相关分析发现:ALFF和功能连接在两种姿势间的差值表现出与问卷得分的显著相关。小脑网络的ALFF在两个姿势间的差值与PSQI得分显著负相关;右侧卧偏好得分与慢波睡眠期间的SMN1和小脑的功能连接差值显著正相关,与SMN2和DMN2的功能连接差值显著负相关。综合上述结果,我们可以得出以下结论:其一、在清醒期间和慢波睡眠期,姿势都能改变BOLD信号:无论清醒静息态期间还是慢波睡眠期间,在仰卧姿势下大脑活动水平有高于右侧卧的趋势。其二、姿势对大脑活动的影响可能具有一定的意识状态依赖性:在清醒静息态期间,姿势对感觉运动网络的影响更明显;在慢波睡眠期间,姿势对小脑网络的影响更明显。其三、姿势对大脑活动的影响与平常的睡眠姿势偏好有关。我们的研究具有探索性,展示了姿势对大脑活动的影响,并探索了与睡眠姿势偏好的相关,为姿势改变大脑活动的神经机制提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 文献综述
•   1.1 姿势效应
•   1.2 神经影像技术
•   1.3 不同姿势脑成像差异的潜在机制
•   1.4 神经影像学分析方法
• 2 问题提出与研究意义
•   2.1 问题提出
•   2.2 研究意义
• 3 研究一睡姿的清醒静息态fMRI研究
•   3.1 研究目的
•   3.2 实验方法
•   3.3 数据分析
•   3.4 实验结果
•   3.5 讨论与结论
• 4 研究二睡姿的慢波睡眠期fMRI研究
•   4.1 研究目的
•   4.2 实验方法
•   4.3 数据分析
•   4.4 实验结果
•   4.5 讨论与结论
• 5 讨论与总结
•   5.1 讨论
•   5.2 研究展望与不足
•   5.3 总结
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 万晓勇

导师: 雷旭

关键词: 睡姿,静息态,慢波睡眠,同步脑电功能磁共振,脑网络

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 生物学,基础医学

单位: 西南大学

分类号: R338

总页数: 54

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