睡眠过渡过程中的脑态分析及过渡自适应控制

黄晓乐，谢水清

中南民族大学 生物医学工程研究所，湖北 武汉 430074

睡眠过渡过程中的脑态分析及过渡自适应控制

黄晓乐，谢水清

中南民族大学 生物医学工程研究所，湖北 武汉 430074

目的采用自适应的外部干预刺激，分析人脑在睡眠过渡过程中的状态，并在此基础上，改变刺激来抑制被试者的有害认知活动，缩短其入睡潜伏期。方法给15名睡眠良好者/失眠者提供自适应外部干预刺激，获取他们在睡眠行为反应实验中的行为反应量。结果睡眠正常组的10名被试者，在实验中都丧失了对外部刺激的感知和反应能力，主观上也认为自己都睡着了，该组被试者的入睡潜伏期通常都在20min左右，在实验中缩短到11min左右。睡眠异常组中，3名轻度失眠者通常的入睡潜伏期都在30min以上，在实验中均被缩短到20min左右；另外的2名严重失眠者的入睡潜伏期通常都在120min左右，实验中有1人在50min内入睡，另1人未睡着。结论采用自适应的外部干预刺激，能够有效地缩短人的入睡潜伏期；便携式睡眠监控仪，操作简单可靠，能达到无唤醒、无干扰的目的。

睡眠控制仪；自适应控制； 入睡潜伏期； 生物钟

0 前言

睡眠-觉醒周期是机体生命的高级生理活动，它是感知觉与环境分离并丧失反应能力的一种可逆转状态。人类的生命有 1/3 的时间是处于睡眠状态中，睡眠时机体的运动和有意识活动减弱并逐渐消失[1]。然而，据统计，有大约 30%～40% 的成年人遭受着不同程度的失眠困扰[2]。失眠被定义为入睡困难，维持睡眠困难，或者尽管有足够的机会睡觉，但睡眠持续时间短，或者由白天功能降低而引起的睡眠抱怨[2-3]。失眠症是最普遍的心理学障碍之一，它使患者极为痛苦，也使社会，人与人之间的关系和工作受到损害[4]。并且，大约一半的失眠病人都有基本的精神疾病，例如抑郁或者焦虑。此外，失眠还会增加患者出现新的或者复发的精神疾病的风险，也会增强白天的睡意，这些情况往往会导致认知能力受损害，生活质量的降低以及更高的医疗保健财政负担[5]。因此，研究失眠的发病机制和寻找治疗失眠的有效方法显得尤为重要。

当前治疗心理生理性失眠的方法包括：药物疗法和认知行为干涉疗法。其中，药物疗法在治疗暂时性或短时性睡眠困难时有作用，但在治疗长期性失眠时效果不佳，并且容易产生负面影响。认知行为疗法（CBT）由多方面的干扰组成，包括行为的，认知的和教育性的内容。行为的内容包含有睡眠限制和刺激控制程序的结合[2]。实际上，失眠者大都因不能抑制延绵不断的思绪而无法入睡，许多失眠者报告了那些阻止他们进入或者维持睡眠的心理活动，例如侵入的思维或者跑马似的思绪。这些不良的认知在长久失眠中扮演着重要的角色[6-7]，大量的实验表明，控制前睡眠认知活动，可以改变入睡潜伏期，从而解除失眠困扰[8]。围绕着这个主题，研究人员尝试了多种心理控制策略，但始终不能达到理想的效果。 他们以失眠认知模型：① 烦恼和沉思 ；② 注意偏向和监控与睡眠有关的威胁 ；③与睡眠有关的有害观念；④ 对睡眠和白天亏空的错误知觉；⑤ 维持有害观念的安全行为的使用[4]。以此为基础进行了关于失眠认知治疗的公开实验，他们的目标是在白天和晚上反转这5种维持过程。结果表明，反转失眠认知维持过程是减少失眠的一种途径。但是，这些实验也存在一些局限性，如 ：① 由于没有对比组，他们无法排除那些改善是由于时间流逝或者不明确的治疗效果而引起的可能性；②尽管它包含了来自多个族群的多个年龄段的个体，但是样本太小[9]。实际上，无论是心理控制还是各种各样的认知疗法，基本都是依靠自己来转移自己的注意，这种做法往往难度较大且效果不佳。在这种情况下，有人另辟蹊径，提出了依靠外部干预来转移注意并达到缩短入睡潜伏期的目的。结果表明，这的确是一种有效的方法，易控制且无唤醒[10-13]。但是，他们没有针对睡眠过渡过程中的脑态给予自适应的刺激，而且实验设备也不能便携，无法广泛应用于大众。因此，本文的目的就是在其基础上进一步讨论脑态的不同阶段，加上自适应的刺激，对其进行实时控制；改进试验设备，进一步提高睡眠效率。

1 对象和方法

1.1 对象

选取我校在读硕士生 15名进行睡眠实验。纳入标准：有午睡习惯，除睡眠障碍无其他疾病，对实验知情同意。根据匹兹堡睡眠质量指数将被试分为2组：睡眠良好组-匹兹堡睡眠质量指数得分≤ 7（10 人 )，睡眠障碍组 - 匹兹堡睡眠质量指数得分＞ 7（5 人）。

1.2 试验仪器

实验采用的设备为自主研发的便携式睡眠监控仪。该仪器由4个主要部分组成。这4个部分分别为产生声音刺激的蜂鸣器、采集被试者动作反应的加速度传感器、负责计算分析的主控单位以及数据存储单位。其中主控单位根据加速度传感器获取的被试者反应，分析出被试状态，然后给出相应的声音刺激。

1.3 实验原理

1.3.1 控制原理

人的睡眠-觉醒机制是由大脑意识活动和生物钟共同作用的结果。白天大脑意识活动强烈，生物钟作用较弱，因此，人处于清醒状态；相反的，夜晚生物钟作用较强，而大脑意识活动较弱，人就会睡着。失眠的人常常在夜间受到“有害的认知活动”的打扰而无法入睡。因此，治疗失眠就应该转移失眠者的注意、抑制这种“有害的认知活动”，以突出生物钟的作用。

1.3.2 脑态假设

入睡潜伏期的脑状态可以分为3个阶段：清醒阶段，过渡阶段和入睡阶段。其中入睡阶段难以压缩，因此，为了缩短入睡潜伏期，必须缩短清醒阶段和过渡阶段所持续的时间。

1.4 自适应控制

为了缩短这两个阶段的持续时间，我们采用给被试者提供自适应刺激。具体来说，在实验的开始阶段，我们给被试者提供标准刺激（刺激间隔为 7 ～ 10s,目标与非目标刺激比例为 1：1），以便确定被试者在实验开始时的脑状态。在清醒阶段给予适当奖励刺激（刺激间隔增大为标准刺激的 2 倍，目标与非目标刺激比例减小为标准刺激的 2/3），以突出生物钟作用。在过渡阶段（可分为有杂念和无杂念两种状态）中，对于有杂念的状态，给予适当惩罚刺激（刺激间隔缩短为标准刺激的 2/3，目标与非目标刺激比例增大为标准刺激的 1.5 倍），加强注意转移 ；对于无杂念的状态，给予适当奖励刺激（刺激间隔增大为标准刺激的3倍，目标与非目标刺激比例减小为标准刺激的 1/2），进一步突出生物钟作用。

1.5 实验过程

在睡眠实验过程中，让被试者佩戴睡眠仪，将带有传感器的探头绑于中指。由运行于睡眠仪上的自适应控制程序给被试者提供自适应刺激，刺激类型和刺激间隔在一定范围内随机呈现。在实验过程中，被试者的任务是监测刺激类型并做出相应的反应。具体地说，如果监测到刺激类型为目标刺激 - 长声音（500ms），要求有意识地轻轻抖动中指-做出反应，目的是加强注意转移。相反的，如果为非目标刺激 - 短声音（200ms），不要求作任何反应，目的是突出生物钟作用。

为了不让被试者有不适应的感觉，每次实验都由被试者将睡眠仪带回宿舍进行，实验时间为中午或者晚上。每次实验前均给予被试者合理的实验指导语，让其明白实验操作方法，以得到客观正确的数据，每次实验后均询问其睡眠感觉，做出记录。

1.6 数据记录

实验数据由便携式睡眠监控仪自动存储在数据存储单元中。记录的内容包含给予刺激的时间（格式为年-月-日 - 时 - 分 - 秒）、刺激的类型（目标刺激、非目标刺激）、被试者反应时（被试者未反应则为空白）。

主要观察指标：反应时间分布；反应正确率；反应的波动性；入睡潜伏期；主观睡眠报告。

数据分析方法 ：本文作者采用 SPSS17.0 版统计软件对实验结果进行 Mean 均值检验，数据用 -x±s 表示。

2 结果

2.1 描述性统计

表1 睡眠正常组的数据统计

表2 睡眠异常组的数据统计

在睡眠正常组的 10次试验中，每个被试者在睡眠过程中都丧失了对刺激的反应能力，且每个被试者都是入睡后自然醒来的，根据他们描述的主观睡眠感觉，我们判断他们在实验过程中睡着了。在这 10次试验中，被试者的入睡潜伏期均值为（10.66±3.33）min，其中最大值为16.47min，最小值为 6.95min ；在睡眠异常组的 5 次试验中，对于 3 名间歇性失眠者，入睡潜伏期由平时的 45～60min 缩短为 23min 以内，均值为（18.37±5.67）min，其中最大值为 22.58min，最小值为 11.92min；对于另外 2 名严重失眠者，他们平时的入睡潜伏期均在 120min 左右，其中 1 名在实验过程中睡着了，入睡潜伏期缩短为 50min，另 1 名在实验过程中未睡着。数据统计如表1～2 所示。

2.2 睡眠过渡过程行为反应特性图

对实验得到的数据进行分析，结果如图1所示：

图1 睡眠过渡过程行为反应特性

实验过程分为 A、B、C、D、E、F 6 个阶段。根据人体对声音刺激的反应特点，去掉反应时小于 300ms的误动作，并且把反应时间超过 2000ms的反应视为无反应。

A 阶段被试者的反应时间均值为（718.00±352.52）ms，B 阶 段 为（627.14±53.76）ms，C 阶 段 为（588.75±126.88）ms，E 阶段为（1067.14±296.29）ms，D 和 F 阶段被试者无反应。

3 讨论

3.1 睡眠过渡过程的确定

觉醒在行为上以变化多端的各种运动活动和活跃的思维活动为特征，对环境刺激非常敏感，能迅速做出各种适应性反应。睡眠时则相反，机体对刺激的敏感性降低，肌张力下降，反射阈增高，虽然还保持着自主神经系统的功能调节，但是一切复杂的高级神经活动，如学习、记忆、逻辑思维等活动均不能进行，如图1中的F阶段，被试者已经丧失了对外部刺激的感知和行为反应能力，表明被试者已经进入了睡眠状态。由觉醒状态到睡眠状态的 B、C、D、E阶段，则属于睡眠过渡过程。

3.2 睡眠过渡过程中脑状态的分析和自适应控制

在这6个阶段中，A和D阶段并不是所有被试者都会出现的，A阶段表示被试者对该行为反应实验的适应过程，其特征是反应时波动较大；D阶段表示被试者在实验过程中出现的短暂的无反应现象，此时被试者可能由于小睡（打盹）无法做出反应。B、C、E 为睡眠过渡过程。在 B 阶段，我们提供给被试者的刺激时间间隔为 7～10s，目标与非目标刺激的比例为 1：1。由于经过 A 阶段，被试者此时已经适应实验操作方法，可以发现反应正确率高，且反应时较为稳定，波动比较小，这些现象表明被试者处于清醒状态。针对这一状态，我们应该给予被试者一定的奖励，减小其认知行为反应任务，也就是要增加刺激时间间隔和减小目标与非目标刺激的比例。因此，在C阶段，我们提供给被试者的刺激时间间隔增大到 14～18s，目标与非目标刺激比例减小为 1 ：1.5。在这个阶段的开始，反应还比较稳定，但在致睡物质和生物钟的作用下，反应时和波动性都呈现出增大的趋势，这说明被试者对外部刺激的感知和反应的能力在下降。在这种情况下，我们应该进一步增大刺激时间间隔和减小目标与非目标刺激比例。因此，在E阶段（由清醒到入睡过程中最为重要的过渡阶段），我们提供给被试者的刺激时间间隔增大为 20～30s，目标与非目标刺激比例减小为1：2。由于刺激时间间隔较大且非目标刺激较多，在接下来的实验过程中可能会出现两种对立的结果。一种结果是，被试者的反应时，波动性以及错误率都有较大幅度的增大，此时被试者对外部刺激的反应能力越来越弱，最后将过渡到F阶段。另一种结果是，由于此时的认知行为反应任务过小，被试者可能被侵入的“有害认知活动”打扰而再次进入清醒阶段。一旦进入清醒阶段，我们就要重新给被试者提供B阶段的刺激类型，如果这种情况反复出现几次，被试者就可能进入 B、C、E 阶段的死循环而无法到达F阶段，这样就必然导致被试者失眠。因此要想缩短入睡潜伏期，必须从E阶段入手，寻找出最佳的刺激时间间隔和目标与非目标刺激比例，以达到既不唤醒被试者，又不让被试者被有害思维打扰而重新回到清醒状态。

4 结论

本文采用的通过外部自适应干预刺激实时控制被试者认知活动的策略，较为明显地缩短了被试者的入睡潜伏期，与以往的心理控制策略相比，它具有更好的可重复性，易控制性，无干扰性和无唤醒性。但是，本方法虽然对睡眠良好者和轻度失眠者有很显著的效果，也显著地缩短了严重失眠者的入睡潜伏期，但却没有使严重失眠者在 30min内（失眠与非失眠的时间区分）入睡，这表明，我们采用的刺激类型还存在着不足之处。进一步的研究应该找出更加合理有效的刺激类型。此外，我们在实验中使用的睡眠仪，尽管有了便携性，易操作性和客观有效性，但是在智能化和稳定性上都还存在着缺陷。因此，应该进一步改良，让其成为能够服务于大众的科技产品。

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The Analysis of Brain States in Sleep Transition and the Adaptive Control of Sleep Transition

HUANG Xiao-le, XIE Shui-qing
Institute of Biomedical Engineering, South Central University for Nationalities, Wuhan Hubei 430074, China

ObjectiveWe analysed the states of brain in sleep transition by using adaptive external intervention stimuli. On this basis, we controlled the harmful cognitive activity of sleepers and shortened their sleep latency by changing stimuli.MethodsGiving adaptive external intervention stimuli to 15 good sleeps/insomnias, and then we got the amount of behavioral response of these subjects in sleep behavioral response test.ResultsIn the normal sleepers group, all of the ten good sleepers lost their perception of external stimuli and their responsiveness in the test, and they all believe that they had fell asleep in the test subjectively. The normal sleep latency of these good sleeps were at about 20 minutes, but they all had been shortened at about 11 minutes. In the insomnia group, the normal sleep latency of three mild insomnias were all above 30 minutes, but they were shortened in 20 minutes in the sleep test; The normal sleep latency of the other two severe insomnias were at about 120 minutes, one fell asleep in 50 minutes in the sleep test, but the other one did not fall asleep in the sleep test.ConclusionIt is useful to shorten sleep latency of these subjects by using adaptive external intervention stimuli. The portable sleep machine is easy to operate and very reliable. We can use it without awakening and obstruction.

sleep controller; self-adaptive control; sleep incubation period; body clock

R338.63；R33-33

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.03.007

1674-1633(2011)03-0018-04

2010-08-27

2011-01-04

中南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(ZZQ10006)资助；广东省产学研项目(2010B090400047)资助。

本文作者：黄晓乐，中南民族大学在读硕士研究生。

谢水清，硕士研究生导师。

通讯作者邮箱：xieshuiqing@qq．com