重复经颅磁刺激(rTMS)提高睡眠质量的研究

刘运洲,张忠秋

重复经颅磁刺激(rTMS)提高睡眠质量的研究

刘运洲,张忠秋

目的:探讨重复经颅磁刺激(rTMS)改善睡眠的效果,为使用rTMS提高运动员的睡眠质量提供理论基础。方法:采用被试内设计,在被试脑干的中缝核区域分别施加假刺激(S)、无刺激(N)和磁刺激(T),比较刺激后主观感觉、生理及行为的变化。结果:在被试脑干的中缝核区域施加1 Hz,80%RM T,1 500次rTMS(持续10 s间隔2 s)后,被试的自评睡眠质量提高,状态焦虑降低;呼吸曲线的波动减少、呼吸频率降低,脉率降低,心率变异性(HRV)的相邻NN间期差值的均方根(RMSSD)和相邻NN间期差值的标准差(SDSD)降低;肢体活动减少。结论:rTMS能够提高睡眠质量,rTMS刺激后呼吸、脉率以及心率变异性(HRV)的变化在一定程度上可以对其生理效果进行解释。

重复经颅磁刺激;睡眠;失眠;焦虑

1 前言

睡眠是一种复杂的生理和行为过程,是恢复精力所必需的休息,良好的睡眠有利于精神和体力的恢复。失眠是个体对睡眠质量主观感觉上不满意的状态,并伴有日间症状,如疲倦、困倦、感觉不清楚及注意力下降等[22]。运动训练过程中尤其是邻近比赛,失眠问题时常困扰着广大运动员和教练员,实践中常常采用音乐催眠、计数、甚至中医推拿等方法帮助运动员进行睡眠调节,然而,有时效果并不太理想。

重复经颅磁刺激(rTMS)是一种安全、无创伤、无疼痛的新型认知神经科学技术,它利用时变磁场使大脑皮层产生感应电流,通过改变大脑皮层神经细胞的动作电位而影响脑内代谢和神经组织的电活动,进而对刺激区域及相关区域产生影响,且所产生的生物学效应可持续到刺激停止后的一段时间。一般来说,高频(>5 Hz)rTMS对大脑皮层的兴奋性具有促进作用,而低频(≤1 Hz)rTMS则对大脑皮层的兴奋性产生抑制,基于它能调节大脑皮层的兴奋性而被广泛地应用于精神病学和神经病学的临床诊断与治疗[11,18]。由于低频(≤1 Hz)rTMS能够抑制大脑皮层的兴奋性[11,18],可促进5-羟色胺(简称5-HT)和γ-氨基丁酸(简称 GABA)的释放[1],而5-HT是引起睡眠的重要神经递质[16],GABA又是哺乳动物中枢神经系统内重要的抑制性神经递质[14]。为此可尝试将rTMS作为干预手段,通过对运动员施加适宜的低频rTMS,用以提高其睡眠质量,即从中枢神经系统对赛前失眠的运动员进行睡眠调节,将具有一定的理论意义和实践意义。

大量实验证明,脑干存在特定的睡眠诱导区[8],由位于脑桥中央水平与延髓尾端之间中线区域的细胞核团组成,其包括中缝核、孤束核、蓝斑核以及网状结构背内侧的一些神经元。这些核团发出的上行纤维能够对脑干网状结构上部产生抑制性影响,共同组成脑干上行网状抑制系统(与脑干上行网状激动系统维持动态平衡,调节着睡眠-觉醒周期的变化),其中,中缝核是脑内5-HT神经元集中的脑区,动物实验显示,损毁中缝核或使用药物耗竭5-HT,会引起动物失眠数天之久[16]。5-HT不仅通过自身的受体发挥作用,而且,还可通过去甲肾上腺素(NE)神经元通路及胆碱(Ach)能神经元通路的调节来发挥对睡眠的调节功能[19]。当前研究证实了1 Hz,80%RM T,1 500次rTMS(持续10 s间隔2 s)能够较好地降低运动皮层的兴奋性[3],本研究拟采用该参数的rTMS在运动员脑干的中缝核区域施加刺激,用以探讨rTMS改善睡眠的效果。

失眠是人自身的一种主观感受,是个体对睡眠质量不满意的一种主观评估[22]。焦虑与失眠密切相关,临床上常常采用焦虑自评量表筛查失眠患者心理行为的变化。也有研究者认为,睡眠质量差的人往往表现为忧郁、焦虑、紧张、易激惹和精力不足,因为害怕失眠或怕失眠带来的危害而产生的焦虑对失眠产生了不良影响[4]。为此,本研究拟采用自评睡眠质量问卷和状态焦虑量表对被试的睡眠质量进行评价,以便了解被试的主观感受。人体各系统之间有着错综复杂的相互作用,中枢神经系统和植物神经系统在睡眠过程中会发生一系列的改变。通过记录睡眠过程中生理和行为的变化,可对睡眠质量作出客观评价。记录脑电图(EEG)、眼电图(EOG)等指标虽然可对睡眠结构及过程进行分析,但是,在记录过程中不可避免地要在被试头面部加上一些仪器,从而可能会对睡眠产生干扰。为了尽可能地减少实验设备的影响,本研究选择了呼吸、皮电、皮温、脉搏、心率变异性及三维运动等参数进行测试,以便对被试的睡眠质量进行科学分析和客观评估。

本研究的假设为:rTMS刺激后被试的自评睡眠质量提高,状态焦虑降低;呼吸频率变慢,脉率变低,肢体活动减少,HRV的RMSSD、SDSD降低。

2 方法

2.1 被试

体校学生12名,男,右利手,年龄16.47±2.94岁,运动年限5～8年。所有被试均无既往病史、家族病史及精神疾病,符合经颅磁刺激(TMS)实验标准,且匹兹堡睡眠质量指数量表(PSQI)得分≥8分。

被试均自愿参加实验,不知道实验目的也未参加过相关实验。告诉被试实验过程及可能的影响,要求被试实验期间要保持正常的饮食和作息习惯,不能饮酒和服用兴奋性或抑制性药物及饮品,与被试签订实验协议并付给相应报酬。

2.2 实验设计

被试内设计。所有被试均接受无刺激(N)、假刺激(S)和磁刺激(T)3种刺激条件的实验。实验在实验室进行,室温27℃,安静、蔽光,共持续4天。实验时被试随机分成a、b、c 3组,第1天为适应时间,后3天按照拉丁方的顺序分别接受N、S、T 3种刺激条件的实验,即a组:N S T;b组:S T N;c组:T N S。

2.3 实验过程

实验的第1天上午使用 PSQI量表对被试进行筛选后,分别进行自评睡眠质量和状态焦虑(S-A I)测试。第1天晚上为适应时间,第2、3、4天晚上分别接受N、S、T 3种刺激条件的实验,假刺激(S)和磁刺激(T)在睡觉前30 min时开始实施。

接受3种刺激条件的实验时,采集被试从上床休息到次日起床前之间整晚的心率变异性(HRV)、呼吸、皮电、皮温、脉搏及三维运动等参数,次日起床后再次进行自评睡眠质量和状态焦虑(S-A I)测试。

2.4 实验设备与测试方法

磁刺激(T):使用经颅磁刺激器(Magtism RAPID 2型磁刺激仪及其标准70 mm双线圈,磁场强度2.2 T,英国Magtism公司)在被试脑干的中缝核区域施加刺激,刺激参数设置为1 Hz,80%RM T,1 500次rTMS(持续10 s间隔2 s)。实施刺激时,被试舒服地躺在两侧有扶手的靠椅上,线圈平面与颅骨表面相切,线圈两圆相交处的中心位置正对枕骨大孔(枕骨粗隆下方1 cm左右)[2,17]。

假刺激(S):方法与磁刺激相同,操作时将输出强度降低到20%,使之远远低于大脑皮层产生生理反应的强度[12]。

静息阈值(rest motor threshold-RM T):采用Magtism RAPID 2型磁刺激仪的MEP模块(时间基值50 ms,滤波通带2～10 KHz)及其专用电极线记录运动诱发电位(MEP),记录电极置于拇短展肌肌腹,参考电极置于远心端的肌腱,接地极置于手腕。线圈两圆相交处的中心位置正对能够最佳诱发右手拇指展肌MEP的位置(即国际标准脑电10～20记录系统的Cz点),在完全放松的情况下找到连续10次经颅磁刺激中有5次以上产生大于50μV运动诱发电位(MEP)的最小磁刺激强度,作为静息阈值(RM T)[20]。

问卷测试:1)匹兹堡睡眠质量指数量表(PSQ I):由美国匹兹堡大学精神科医生Buysse博士等人于1989年编制,PSQI总分>7作为判断睡眠质量问题的界值,PSQI总分越高,表示睡眠质量越差、失眠程度越严重,现被广泛的用于评定失眠者的睡眠质量,具有较好的信、效度[5]。2)自评睡眠质量:采用10级评定法进行评定,“0～9”代表睡眠质量,其中“0”表示非常差,“9”表示非常好,从0到9表示睡眠质量逐步提高。3)状态焦虑量表(S-A I):由 Spielberger等人编制,由叶仁敏修订,包含20个题目,采用1～4级评定法进行评定,得分越高,表明焦虑程度越高,该量表具有较好的信、效度[5]。

生理及行为监测:使用无线蓝牙生物反馈训练系统(Biofeedback 2000 X-pert,奥地利 Schuhfried公司)采集被试整晚的呼吸、皮电、皮温、脉搏、三维运动等参数。测试时多参数模块(三维运动传感器内置)置于左手手背,皮温传感器置于左手无名指第二指关节指腹,脉搏传感器置于左手中指第一指关节指腹,皮电传感器置于左手食指第二指关节指腹;呼吸模块置于肚脐上方。使用生理相干与自主平衡系统(SPCS,北京豪峰科技有限公司)采集被试整晚的心率变异性(HRV)参数。

2.5 统计方法

使用统计软件SPSS 15.0对数据进行统计分析,显著性水平定为α=0.05。在进行重复测量方差分析时,如不符合球形假设,则取 Greenhouse-Geisser矫正P值。

3 结果

3.1 自评睡眠质量的变化

对刺激前及N、S、T 3种刺激条件刺激后自评睡眠质量的得分(图1)进行重复测量方差分析显示,刺激条件的效应极端显著,F(3,33)=107.906,P<0.0005。

将N、S、T 3种刺激条件刺激后的得分分别与刺激前的得分进行成对样本t检验显示:磁刺激(T)刺激后的得分与刺激前差异极端显著,t=12.484,df=11,P< 0.0005;假刺激(S)和无刺激(N)刺激后的得分与刺激前均差异不显著,前者,t=1.483,df=11,P=0.166,后者t=-0.432,df=11,P=0.166。同刺激前的得分相比,磁刺激(T)刺激后的得分升高,假刺激(S)和无刺激(N)刺激后的得分无明显变化。表明磁刺激(T)刺激后被试的自评睡眠质量提高。

3.2 状态焦虑的变化

对刺激前及N、S、T 3种刺激条件刺激后状态焦虑的得分(图2)进行重复测量方差分析显示,刺激条件的效应极端显著,F(3,33)=182.206,P<0.0005。

图1 刺激前及N、S、T 3种刺激条件刺激后自评睡眠质量的得分Figure 1 Self-assessment scores of sleep quality before and after none,sham and true r TMS

将N、S、T 3种刺激条件刺激后的得分分别与刺激前的得分进行成对样本t检验显示:磁刺激(T)刺激后的得分与刺激前差异极端显著,t=-10.148,df=11,P< 0.0005;假刺激(S)和无刺激(N)刺激后的得分与刺激前均差异不显著,前者,t=-1.863,df=11,P=0.089,后者t=-0.747,df=11,P=0.471。同刺激前的得分相比,磁刺激(T)刺激后的得分降低,假刺激(S)和无刺激(N)刺激后的得分无明显变化。表明磁刺激(T)刺激后被试的状态焦虑降低。

图2 刺激前及N、S、T 3种刺激条件刺激后状态焦虑的得分Figure 2 State anxiety scores before and after none,sham and true rTMS

3.3 呼吸及三维运动的变化

对N、S、T 3种刺激条件下的呼吸参数及三维运动参数分别进行重复测量方差分析显示(表1),呼吸曲线(Resp C)和三维运动(Motility)的刺激条件效应极显著(P≤0.01),呼吸幅度(Resp A)的刺激条件效应不显著(P>0.05),呼吸频率(Resp F)的刺激条件效应极端显著(P≤0.001)。

表1 3种刺激条件下呼吸参数和三维运动参数的均值及方差分析一览表Table 1 The mean and variance analysis of respiratory and three-dimensional motion parameters under none,sham and true r TMS

采用成对样本t检验对呼吸曲线(Resp C)参数进行事后多重比较分析显示,磁刺激(T)与无刺激(N)差异显著,t=-2.516,df=11,P=0.033;磁刺激(T)与假刺激(S)差异显著,t=-2.550,df=11,P=0.031;无刺激(N)与假刺激(S)差异不显著,t=-0.576,df=11,P=0.579。同无刺激(N)相比,磁刺激(T)的值较小,假刺激(S)的值无明显变化。表明磁刺激(T)刺激后呼吸曲线的波动减少,呼吸趋于平稳。

采用成对样本t检验对呼吸频率(Resp F)参数进行事后多重比较分析显示,磁刺激(T)与无刺激(N)差异极端显著,t=-7.627,df=11,P<0.0005;磁刺激(T)与假刺激(S)差异极端显著,t=-5.913,df=11,P<0.0005;无刺激(N)与假刺激(S)差异不显著,t=0.356,df=11, P=0.730。同无刺激(N)相比,磁刺激(T)的值较小,假刺激(S)的值无明显变化。表明磁刺激(T)刺激后呼吸频率降低。

采用成对样本t检验对三维运动(Motility)参数进行事后多重比较分析显示,磁刺激(T)与无刺激(N)差异显著,t=-2.892,df=11,P=0.018;磁刺激(T)与假刺激(S)差异显著,t=-2.868,df=11,P=0.019;无刺激(N)与假刺激(S)差异不显著,t=0.679,df=11,P=0.514。同无刺激(N)相比,磁刺激(T)的值较小,假刺激(S)的值无明显变化。表明磁刺激(T)刺激后肢体活动减少。

3.4 脉搏、皮电、皮温的变化

对N、S、T 3种刺激条件下的脉搏、皮电和皮温参数分别进行重复测量方差分析显示(表2),脉搏(Pulse)的刺激条件效应极显著(P≤0.01),脉搏血容量(BVP)、脉搏容积波幅(PVA)、皮电导电水平(SCL)、皮温(Temp)的刺激条件效应均不显著(P>0.05)。

采用成对样本t检验对脉搏(Pulse)参数进行事后多重比较分析显示,磁刺激(T)与无刺激(N)差异非常显著,t=-9.087,df=11,P<0.0005;磁刺激(T)与假刺激(S)差异极端显著,t=-10.277,df=11,P<0.0005;无刺激(N)与假刺激(S)差异不显著,t=0.445,df=11,P=0.660。同无刺激(N)相比,磁刺激(T)的值较小,假刺激(S)的值无明显变化。表明磁刺激(T)刺激后脉率变低。

3.5 心率变异性(HRV)的变化

将采集的HRV信号进行时域分析后,对N、S、T 3种刺激条件下的 HRV参数分别进行重复测量方差分析显示(表3),NN间期的标准差(SDNN)、相邻NN间期差值的均值(SD)及相邻 NN间期差值大于 50 ms的百分比(PNN 50)的刺激条件效应不显著(P>0.05);相邻NN间期差值的均方根(RMSSD)的刺激条件效应极显著(P≤0.01);相邻NN间期差值的标准差(SDSD)的刺激条件效应极端显著(P≤0.001)。

表2 3种刺激条件下脉搏、皮电和皮温参数的均值及方差分析一览表Table 2 The mean and variance analysis of pulse,skin electricity and skin temperature parameters under none,sham and true rTMS

表3 3种刺激条件下HRV各时域指标的均值及方差分析一览表Table 3 The mean and variance analysis of time domain index of heart rate variability under none,sham and true r TMS

采用成对样本t检验对RMSSD进行事后多重比较分析显示,磁刺激(T)与无刺激(N)差异显著,t=-2.930, df=11,P=0.017;磁刺激(T)与假刺激(S)差异显著,t=-2.809,df=11,P=0.020;无刺激(N)与假刺激(S)差异不显著,t=0.650,df=11,P=0.532。同无刺激(N)相比,磁刺激(T)的值较小,假刺激(S)的值无明显变化。表明磁刺激(T)刺激后RMSSD降低。

采用成对样本t检验对SDSD进行事后多重比较分析显示,磁刺激(T)与无刺激(N)差异显著,t=-5.710,df=11,P<0.0005;磁刺激(T)与假刺激(S)差异显著,t= -5.040,df=11,P=0.001;无刺激(N)与假刺激(S)差异不显著,t=1.123,df=11,P=0.290。同无刺激(N)相比,磁刺激(T)的较小,假刺激(S)的值无明显变化。表明磁刺激(T)刺激后SDSD降低。

4 讨论

4.1 主观感觉的变化

睡眠是一个复杂的过程,较容易受到心理因素和环境因素的影响。为了尽可能地减少其影响,及考虑到实验的可操作性,本研究选择了男性志愿者作为被试,并在正式实验前进行了一天的适应。失眠是人自身的一种主观感受,是个体对睡眠质量不满意的一种主观评估[22]。本研究采用自评睡眠质量问卷和状态焦虑量表对被试的睡眠质量进行评价,结果显示,磁刺激(T)刺激后被试的自评睡眠质量提高,状态焦虑降低,该结果与研究假设一致。

低频(≤1 Hz)rTMS能够抑制大脑皮层的兴奋性[11,18],可促进 GABA和5-HT的释放[1]。GABA属于抑制性神经递质,GABA的增加可引起交感节前神经元发生抑制,从而降低神经元的活性及减慢神经传导速度[8],使得脑干网状结构的突触联系减弱。而脑干网状结构是非特异性投射系统的共同上行通道,其突触联系减弱将对脑干上行网状激动系统的功能产生抑制,从而有利于增加非快速眼球运动睡眠(NREMS)[10]。常见的催眠药物和麻醉剂都是通过增强 GABA介导的神经传递来发挥作用[21]。5-HT被认为与睡眠-觉醒周期的控制有关,是引起睡眠的重要神经递质,其通过不同的受体亚型而发挥对睡眠的调节作用[19]。中缝核是脑内5-HT神经元集中的脑区,脑内5-HT含量的增加是促进睡眠的重要机制[16]。基于上述原因,本研究在被试脑干的中缝核区域施加1 Hz,80% RM T,1 500次rTMS(持续10 s间隔2 s)后,被试的睡眠质量得以改善,从而使得自评睡眠质量提高。

焦虑与失眠密切相关,临床上常常采用焦虑自评量表筛查失眠患者心理行为的变化。Jenkins等(1988)指出,睡眠障碍与状态焦虑、抑郁、敌对、疲劳感和适应困难等呈显著性正相关[15]。也有研究者认为,睡眠质量差的人往往表现为忧郁、焦虑、紧张、易激惹和精力不足,因为害怕失眠或怕失眠带来的危害而产生的焦虑对失眠产生了不良影响[4]。吴任钢(2003)指出,失眠患者夸大了失眠所造成的短期或长期影响,从而更容易产生焦虑情绪,进而影响睡眠[6]。在运动训练中,尤其是重大比赛之前,许多运动员常常彻夜难眠,究其原因,绝大部分是因赛前应激引起,并伴有较高的状态焦虑。本研究在被试脑干的中缝核区域施加rTMS后,被试的状态焦虑降低,表明其应激反应减弱,从而在一定的程度上促进了睡眠。

4.2 生理及行为的变化

人体各系统之间有着错综复杂的相互作用,中枢神经系统和植物神经系统在睡眠过程中会发生一系列的改变。通过记录睡眠过程中生理和行为的变化,可对睡眠质量作出客观评价。本研究结果显示,磁刺激(T)刺激后被试呼吸曲线的波动减少、呼吸频率降低,脉率变低,心率变异性(HRV)的RMSSD和SDSD降低,肢体活动减少,该结果与研究假设基本一致。

呼吸曲线是呼吸运动随时间而变化的曲线,呼吸曲线的波动减少,说明被试呼吸放松且趋于平稳,与睡眠过程中觉醒次数减少有关。呼吸频率降低而呼吸幅度无明显变化,说明被试需氧量减少;脉率降低而脉搏血容量无明显变化,说明被试心率降低,输出量减少;需氧量减少、心输出量减少,表明被试机体代谢率下降,与睡眠深度增加或觉醒时间较少有关。肢体活动减少,说明被试在睡眠过程中较容易入睡或觉醒时间减少。此外,由于心率降低、心输出量减少,从而使得动脉血压降低,颈动脉窦和主动脉弓压力感受器的传入冲动减少,于是反射性的引起迷走神经紧张性减弱,以致心率变异性(HRV)的 RMSSD和SDSD降低(HRV是指窦性心率在一定时间内周期性改变的现象,其主要受自主神经调节,同时亦受呼吸、血压、皮肤温度、肾素-血管紧张素等多种因素影响,通过对心率变化的规律进行分析,可以间接反映自主神经系统的变化[13]。时域分析中RMSSD、SDSD均反映 HRV快变化的成分,与频域分析的 HF所代表的意义相同,可作为评定人体迷走神经活动的指标[7])。由此可见,磁刺激(T)刺激后被试呼吸、脉率、HRV及肢体三维运动的变化均显示,其睡眠质量得以提高。

总之,本研究在被试脑干的中缝核区域施加 1 Hz, 80%RM T,1 500次rTMS(持续10 s间隔2 s)后,被试的主观感受以及生理、行为的变化均显示,其睡眠质量得以提高,从而证实了rTMS改善睡眠的作用。rTMS刺激后呼吸、脉率及HRV的变化,在一定程度上可以对其生理效果进行解释,为使用rTMS改善睡眠质量提供了理论基础。将rTMS作为干预手段,从中枢神经系统对失眠的运动员进行睡眠调节,将具有一定的理论意义和实践意义。在今后的研究中,一方面,应结合其他技术手段,如fMRI、PET等对rTMS的刺激效果进行进一步的验证;另一方面,应加强女性被试的研究,以便在实践中能够较好地应用。

5 结论

在被试脑干的中缝核区域施加1 Hz,80%RM T,1 500次rTMS(持续10 s间隔2 s):1)能够提高睡眠质量;2)rTMS刺激后呼吸曲线的波动减少,呼吸频率降低,脉率降低,心率变异性(HRV)的相邻 NN间期差值的均方根(RMSSD)和相邻NN间期差值的标准差(SDSD)降低,肢体活动减少;3)rTMS刺激后呼吸、脉率以及心率变异性(HRV)的变化在一定程度上可以对其生理效果进行解释。

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Research on Repetitive Transcranial Magnetic for Improving Sleep Quality

L IU Yun-zhou,ZHANG Zhong-qiu

Objective:Investigate the effects of repetitive transcranial magnetic(rTMS)imp roving dormancy,for providing a theoretical foundation by using rTMS to imp rove athlete’s sleep quality.Method:U sing within-subject design,given sham rTM S,no rTM S and true rTMS at the brainstemraphe nuclei region on volunteers respectively,then compared the changes of subjective feeling,physiological and behavioral.Result:Given 1Hz,80%RM T-rTMS(10 seconds on 2 seconds off)of 1 500 pulse at the brainstemraphe nuclei region on volunteers,their self assessment of sleep quality imp roved,state anxiety decreased,respiratory fluctuations in the curve decreased,respiratory rate decreased,pulse decreased,the difference between adjacent NN roo t mean square(RMSSD)and the difference between adjacent NN interval standard deviation(SDSD)of HRV decreased,and physical activity decreased too.Conclusion:rTMS can imp rove sleep quality,the changes of respiratory,pulse,and heart rate variability(HRV)after rTM Smight partly exp lain its neurobiological effect.

repetitivetranscranialmagneticstimulation(rTMS);sleep;insomnia;anxiety

G804.8

A

1000-677X(2011)11-0071-06

2011-09-06;

2011-10-16

国家体育总局体育科学研究所基本科研业务费资助项目(基本09-17)。

刘运洲(1978-),男,湖北随州人,助研,博士,研究方向为运动心理学和运动训练,Tel:(010)87182534,E-mail:liuyunzhou2005@163.com;张忠秋(1963-),男,博士,研究员,博士研究生导师,研究方向为运动心理学。

国家体育总局体育科学研究所,北京100061

China Institute of Sport Science,Beijing 100061,China.