慢性失眠患者汉字工作记忆的功能磁共振研究

张斌，张杰文，李永丽，王恩峰，贾燕燕，李中林，张红菊

慢性失眠是困扰人类的一种常见疾病，对慢性失眠患者行为学研究发现其学习能力、记忆力、注意力、警觉性均有不同程度下降[1]。工作记忆是指大脑对信息和任务进行短暂的编码和储存，目前常通过对工作记忆来研究各种疾病所致认知功能的改变[2]。功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）依靠血氧变化成像，无创、无示踪剂及放射性损害，时间、空间分辨率高，成为近年来研究认知功能的检查手段。本研究通过fMRI来研究慢性失眠患者汉字工作记忆脑激活的改变，探讨慢性失眠患者记忆下降发生的环节，为慢性失眠认知损害的诊断与治疗提供理论和实验依据。

1 研究方法

1.1 研究对象 失眠组：连续入组2012年9月～2014年3月在河南省人民医院神经内科睡眠障碍门诊就诊的患者。入组标准：①符合美国《精神障碍诊断与统计手册》第4版（the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，DSM-IV）[3]的诊断标准：有明显失眠症状存在；主诉睡眠潜伏期≥30 min或早醒后觉醒时间≥30 min；失眠症状至少存在3晚/周；至少有以下2项日间负面效应，如疲劳、记忆力、负面情绪明显等；症状持续时间≥6个月。②右利手，汉族，年龄在20～50岁。

正常睡眠组：睡眠正常，身体健康，汉族，右利手，年龄、文化程度、性别与失眠组相匹配。

排除标准：除外患有卒中、脑外伤、肿瘤等脑部疾病可能影响相应脑区的患者；神经精神疾病，其他睡眠障碍疾病，甲状腺疾病，严重肝脏、肾脏疾病等；排除明显视力、听力障碍及药物、酒精滥用史，排除半月内使用影响睡眠及脑功能药物，以及妊娠期及哺乳期妇女；体内有金属置入者。

本研究通过河南省郑州大学人民医院医学伦理委员会审核批准，检查前所有受试者均签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 神经心理学测评 由经过培训的临床医师专人对所有受试者进行匹兹堡睡眠指数（Pittsburgh Sleep Quality Index，PSQI）测定，评价患者自身对睡眠的主观认识；汉密尔顿焦虑量表（Hamilton Anxiety Scale，HAMA）、汉密尔顿抑郁量表（Hamilton Depression Scale，HAMD）客观评价其焦虑抑郁程度。

1.2.2 汉字工作记忆任务设计 采用组块设计模式，由深圳美德医疗电子技术有限公司的SA-9800脑功能视听觉刺激系统的E-Prime软件编写刺激呈现程序、运行时同步记录反应时间和正确情况。汉字记忆任务为日常常用汉字（以形近字较多）随机出现，实验分为基线休息期和任务刺激期。开始屏幕上显示“+”，患者睁眼安静准备；然后依次呈现3个不同的汉字，每个汉字之间间隔300 ms，出现时持续500 ms，然后屏幕显示“?”，持续时间分别为4300 ms／6300 ms／8300 ms，最后出现要测试汉字，持续1600 ms，要求被试者判断该汉字是否出现过，若出现过，左手拇指按键，若无，无须执行任何操作。共循环4个周期，8 min（图1）。记录受试者反应时间及正确率。正确率=［（Z－W）/Z］×100%，Z为总循环数，W为错误个数。反应时间的计算如图1所示：当第二遍出现“大”字到作出判断按键所需的时间。

图1 汉字工作记忆任务的ER实验设计

1.3 功能磁共振数据采集方法 使用Siemens Trio（Germany）3.0Tesla三维高分辨率磁化准备快速梯度回波成像（magnetization prepared rapid acquisition gradient echo sequences，MP-RAGE）序列全脑扫描。扫描参数：重复时间（repetition time，TR）/回波时间（echo time，TE）=2000/30 ms，层厚4.0 mm，视野240 mm×100 mm，矩阵256×256，体素1 mm×1 mm×1.2 mm。扫描时间共7 min。受试者安静仰卧，刺激内容投射在屏幕中央，被试者通过反光镜观看刺激内容，根据刺激内容决定是否按动按钮。

磁共振数据在排除器质性病变后使用SPM8的Slice timing进行层间时间校正；再使用Realign进行头动校正，若平动和转动超过1.5 mm，予以删除；使用Normalise进行标准化；平滑处理。收集受试者编码期、保持期和提取期fMRI激活信息。统计阈值概率设定为P＜0.001，激活范围的阈值设19个体素，将fMRI所得结果，即激活区置于蒙特利尔神经病学研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）空间坐标模板进行定位。

编码期即接受信息时期，如图1所示，显示“小、米、大”时期为编码期；保持期即信息维持期，图1中“？”时期为保持期；提取期为信息执行加工过程，图1中显示“大”时期为提取期。

1.4 数据处理及统计分析 采用SPSS 17.0统计软件进行统计分析，正态分布计量资料用均数±标准差（s）表示，两组间比较使用独立样本t检验；非正态分布的计量资料用中位数（四分位数）表示，比较用秩和检验；计数资料比较采用卡方检验。P＜0.05表示差异有显著性。

2 结果

2.1 一般资料和临床特征 共收集40例失眠患者，其中男12例，女28例。年龄22～50岁，平均年龄（38.78±8.25）岁；受教育程度：大专以上文化程度17人，初高中文化程度18人，小学文化程度5人。50例正常睡眠者，其中男21例，女29例。年龄20～50岁，平均年龄（35.28±8.23）岁；受教育程度：大专以上文化程度23人，初高中文化程度21人，小学文化程度6人。慢性失眠组与正常睡眠组在性别、年龄、受教育程度方面无明显差异。慢性失眠组PSQI、HAMA和HAMD得分明显高于正常睡眠组（表1）。

2.2 汉字工作记忆成绩比较 慢性失眠组与正常睡眠组汉字工作记忆试验正确率比较，差异无显著性，但慢性失眠组反应时间长于对照组（P=0.043）。

2.3 慢性失眠组与正常对照组工作任务不同时期脑激活区的比较 与正常比照组比较，慢性失眠患者汉字工作记忆任务的编码期脑激活增强区域为：右前额叶、右边缘叶、左枕叶和右枕叶（表3，图2）。

表1 慢性失眠组与正常对照组资料比较

表2 两组汉字工作记忆正确率及反应时间比较

与正常比照组比较，慢性失眠患者汉字工作记忆任务的保持期脑激活减弱区域为：左前额（布鲁德曼分区：9），其最大激活脑区中心坐标（X、Y、Z）为（－18、48、39），体素簇为19，t值为－4.6846，P＜0.001（图3）。

与正常对照组比较，慢性失眠患者汉字工作记忆任务的提取期脑激活增强区域为：右枕叶；激活减弱区域为：左尾状核，右丘脑（表4，图4）。

表3 慢性失眠组与正常对照组汉字工作记忆编码期脑激活差异比较

表4 慢性失眠组与正常对照组汉字工作记忆提取期脑激活差异比较

图2 正常对照组与慢性失眠组编码期脑激活差异图

图3 正常对照组与慢性失眠组保持期脑激活差异图

图4 正常对照组与慢性失眠组提取期脑激活差异图

3 讨论

慢性失眠患者存在认知功能受损，主要表现在警觉性、注意力、记忆力等方面。其发生机制仍不清楚，工作记忆是认知的基础，工作记忆的形成包括：任务的编码、储存和提取。

本研究发现，慢性失眠患者汉字工作任务编码期脑激活增强区域为右前额叶、右边缘叶、右枕叶及左枕叶。枕叶与视觉记忆有关，感知物体特征和空间位置，参与丘脑至额、顶叶皮质的纤维投射[4-5]，传递视觉信息[6]，调控前额叶皮质的高级功能。前额叶是记忆形成及储存重要的脑区[7]，边缘叶与情绪记忆有关[8]。前额叶、边缘叶及枕叶共同参与了汉字工作记忆的形成，且左侧半球优势。本研究的结果说明，慢性失眠患者参与汉字记忆形成的左侧脑区与正常人无差异，但其需要激活更多右侧相关脑区来共同完成这种记忆形成的需要。本研究发现，慢性失眠患者汉字工作任务保持期脑激活下降区域为左前额叶。研究发现左前额叶参与语义加工，在产生词语时左前额叶脑血流量增多[9]。且认为额叶腹外侧区在工作记忆的传输、维持和匹配信息起作用，背外侧区对工作记忆的短期维持及复杂操作起作用，包括监督和计划[10]。慢性失眠患者在汉字工作任务下左前额激活下降，说明慢性失眠造成了左前额功能下降，或为储存信息传递减少。本研究发现，汉字工作任务提取期右丘脑及左尾状核激活下降，右枕叶激活增强。正常人在工作记忆时丘脑激活[11]；丘脑背内侧核通过丘脑下脚与额叶皮质和前核相联系，与前额叶皮质间有大量的神经纤维联系，与行为、记忆和智能相关；尾状核与背侧前额叶皮层存在广泛功能连接，参与精神心理等认知活动[12]。慢性失眠患者在汉字工作任务提取期出现右丘脑和左尾状核激活下降，可能与其功能受损有关。汉字任务下左侧大脑半球激活明显[13-14]，枕叶皮质激活与视觉认知分析有关[15]，慢性失眠患者汉字任务提取期右枕叶激活明显与其代偿作用有关。

慢性失眠患者在汉字记忆任务储存期及提取期均出现了右脑皮层的代偿激活，保持期出现了左前额激活下降，提取期出现了皮层下区域激活的下降，提示慢性失眠在汉字记忆处理过程出现了相关脑区的损害和异常激活，这为慢性失眠患者汉字工作记忆损害提供了客观的理论依据。

目前，失眠的发病率越来越高，有研究认为失眠能增加心脑血管疾病如卒中的发病率，其可能机制是通过下丘脑-垂体-肾上腺轴的激活，进而导致交感神经兴奋性增高，增加焦虑、抑郁的症状使血压、血糖控制欠佳，使脑出血、脑梗死的风险加大[16]。在积极预防卒中常见的危险因素如高血压、血脂代谢紊乱、高血糖的同时，一些研究也将短时间或长时间睡眠障碍作为缺血性卒中的预测指标[17]。因此，积极探讨睡眠异常的机制对于防治卒中等中老年常见疾病也有积极意义。

1 梁政亭, 张星平, 安艳丽. 原发性失眠中西医研究概述[J]. 新疆中医药, 2013, 31:72-76.

2 Postle BR. Working memory as an emergent property of the mind and brain[J].Neuroscience, 2005, 139:23.

3 Ohayon MM, Reynolds CF 3rd. Epidemiological and clinical relevance of insomnia diagnosis algorithms according to the DSM-IV and the International Classification of Sleep Disorders (ICSD)[J]. Sleep Med, 2009, 10:952-960.

4 清玲, 唐勇, 乇沛弟, 等. 创伤后应激障碍患者杏仁核为主的边缘系统静息态脑功能磁共振研究[J]. 中国神经精神疾病杂志, 2011, 37:705-709.

5 郝晶, 李坤成, 王葳, 等. 功能磁共振成像评价正常老年人视觉注意功能[J]. 中国医学影像技术, 2005,21:1337-1341.

6 Matsushima A, Tanaka M. Different neuronal computations of spatial working memory for multiple locations within versus across visual hemifields[J]. J Neurosci, 2014, 34:5621-5626.

7 Drummond SP, Walier M, Almklov E, et al. Neural correlates of working memory performance in primary insomnia[J]. Sleep,2013, 36:1307-1316.

8 Paret C, Kluetsch R, Ruf M, et al. Downregulation of amygdala activation with realtime fMRI neurofeedback in a healthy female saple[J]. Front Behav Neurosci, 2014, 18:299.

9 Arnsten AF, Jin LE. Molecular influences on working memory circuits in dorsolateral prefrontal cortex[J]. Prog Mol Biol Transl Sci, 2014, 122:211-231.

10 鲍永华, 汪启东. 功能性MRI对额叶在工作记忆中作用的研究进展[J]. 医用放射技术杂志, 2007,261:5-7.

11 de Bourbon-Teles J, Bentley P, Koshino S,et al. Thalamic control of human attention driven by memory and learning[J]. Curr Biol,2014, 24:993-999.

12 Jeon HA, Anwander A, Friederici AD.Functional network mirrored in the prefrontal cortex, caudate nucleus, and thalamus:highresolution functional imaging and structural connectivity[J]. J Neurosci, 2014, 34:9202-9212.

13 卢洁, 李坤成. 汉语及图片语义加工机制的fMRI研究[J]. 中国医学影像技术, 2007, (23):361-363.

14 Criaud M, Boulinguez P. Change in quality of life after brief behavioral therapy for insomnia in concurrent depression:analysis of the effects of a randomized controlled trial[J]. J Coin Sleep Med, 2014, 10:433-439.

15 蒋震, 张彩元, 贡志刚, 等. 两种语言任务脑功能区功能磁共振成像比较[J]. 苏州大学学报, 2008,28:449-451.

16 王利洪. 耳穴治疗脑卒中后失眠的疗效观察[J]. 实用心脑肺血管病杂志, 2011, 19:1225-1226.

17 Chien KL, Chen PC, Hsu HC, et al. Habitual sleep duration and insomnia and the risk of cardiovascular events and all cause death:report from a community-based cohort[J]. Sleep, 2010, 33:177-184.

【点睛】

本研究通过功能磁共振脑激活区域的改变，进一步认识失眠患者记忆下降发生的可能机制。

2015-2016年部分神经科及精神科相关国际会议