睡眠梭形波的研究进展

李伟光 李小俚

·综 述·

睡眠梭形波的研究进展

李伟光 李小俚

脑电波(Electroencephalogram，EEG)是动物的大脑在活动过程中，皮层神经元同步发生的电生理活动而形成的，一种非平稳的时间序列。睡眠是一种复杂的生理过程，睡眠研究在临床的疾病诊断和治疗中具有一定的作用，而睡眠脑电图(EEG)则是研究睡眠生理变化和评估睡眠质量的一个重要工具。其中，睡眠的脑电波则体现了动物在睡眠阶段下脑电活动及其变化情况。对人类来讲，人的一生中大约1/3的时间是处于睡眠过程中，因此睡眠是人类的一项重要的生理活动。睡眠过程中的脑电波，不仅可以体现人们的睡眠质量，还能反映人的身体健康状况。因此，研究睡眠过程中的脑电波，在临床实践中有着重要的意义。

在睡眠过程中，不同的睡眠时期，脑电波的活动也不相同，因此其波形特征也比较明显。根据AASM(美国睡眠医学会)提出的睡眠分期准则[1]，人的睡眠可以大致分为清醒期(W)、非快眼动期(NREM)和快眼动期(REM)。按睡眠程度的深浅，NREM期又可分为N1期、N2期和N3期。睡眠spindle是N2期的特征波。本文，就睡眠过程中的睡眠spindle的作用进行综述。

1 睡眠梭形波

睡眠spindle是波幅逐渐增高，而后开始逐渐减低的节律性脑电波。睡眠spindle是正常睡眠的特征性图形之一，发生于丘脑网状核，通过投射系统投射到大脑皮层[2]。最早报道为12.5～15.5 Hz，以14 Hz为主。目前多数学者认为，spindle的频率为11～16 Hz，其持续时间一般为≥0.5 s(通常为0.5～2 s)。睡眠spindle是N2期睡眠的一种特征性标记波形。正常成年人睡眠spindle主要存在于N2期，是正常睡眠的标志。

确定spindle的一个主要方法是，在10 s的视窗内数出每秒的偏转(波)的次数。目前，spindle的判断标准，一个是上述的人工判读规则，另外就是一系列的自动化判断程序(软件)。Lajnef等[3]采用基于可调的Q因子小波变换(Tunable Q-factor Wavelet Transform，TQWT)和形态学成分分析(Morphological Component Analysis，MCA)自动分析睡眠spindle。Kabir等[4]基于同步压缩的自动spindle检测算法。以上都是最新的判读算法，之前的还有很多关于睡眠spindle的算法，比如Wamsley等[5]开发的计算程序。睡眠spindle自动判读算法的出现，为人们分析大数据的spindle提供了便利，有利于对睡眠spindle的深入研究。

2 睡眠梭形波的作用

2.1 Spindle在睡眠中的作用 睡眠spindle在人们的正常睡眠中起到重要作用。研究发现，健康人群的睡眠spindle与睡眠质量密切相关，并且多与spindle的数量、密度等相关。在不同年龄阶段中，睡眠spindle的频率有所不同[6]；Nicolas等[7]研究指出睡眠spindle的数量、密度以及持续时间，随年龄的增长均出现明显的降低，同时其睡眠质量也随之出现下降趋势。睡眠spindle与人的学习和智力有一定的关系。Nader等[8]认为，一般的睡眠spindle与知识和技能的学习有关。Gruber等[9]认为，健康学龄儿童的睡眠spindle与智力水平的有关。同时，有研究指出，睡眠spindle也能改变记忆的巩固[10]。2010年Current Biology的研究发现，好睡眠的秘密在于大脑产生的纺锤波“节奏”。研究人员认为，睡眠中的人对噪音的敏感程度和大脑的spindle密切相关，丘脑产生spindle正是为了噪音对睡眠的干扰[11]。由此可见，spindle在人的睡眠中的作用是非常重要的。因此，睡眠spindle在人们的睡眠中起到了重要的作用，其动态的变化以及作用机制还需要进一步深入研究。

2.2 睡眠梭形波在睡眠相关疾病中的作用 睡眠相关疾病中，睡眠spindle也会发生很多变化，表现最为突出的是睡眠呼吸障碍。Bastien等[12]指出，正常人群和失眠病人间，在N2期的spindle数量和密度均无显著性差异。但这并不意味着失眠病人没有问题，因为作者比较的是N2期的结果。Dang-Vu等[13]研究发现，在睡眠失调人群中，睡眠spindle可以预测应激相关的增加。Himanen等[14]研究指出，睡眠呼吸暂停的病人，睡眠spindle频率会保持较低。Schönwald等[15]认为，阻塞性睡眠呼吸暂停中，地形特异性的睡眠spindle频率会发生改变。Chokroverty等[16]最近研究发现，在重度阻塞性睡眠呼吸暂停病人中，经连续正压通气，患者的睡眠spindle密度增加。

2.3 睡眠梭形波在神经系统疾病中的作用 睡眠梭形波也可作为中枢神经系统机能正常与否的一个指标。目前，已有报道指出，多种疾病可影响到睡眠spindle，并使之呈现显著减少的趋势，如帕金森氏病[17]、阿尔兹海默症[18]等。最近研究发现，睡眠spindle在帕金森病中可能预示痴呆的发展[19-20]。睡眠spindle的改变与帕金森病患者痴呆症的后期发展有关，因此，可以作为帕金森病患者认知功能下降的一个标记。癫痫发生和局灶性癫痫发作可由浅睡眠期spindle的特性调节[21]。另外，精神分裂症患者也会表现出睡眠spindle的明显减少[5]。Nishida[22]等研究发现，与健康对照组相比，抑郁症受试者在前额叶表现出显着较高的慢速spindle振幅。同时，抑郁症患者的快速spindle的频率高于健康人。

2.5 外界刺激对睡眠梭形波的干预作用 对于疾病对睡眠spindle的影响，现在还有其他多种干预措施进行改善。Persinger等[25]指出，微弱的经颅磁刺激(Transcerebral Magnetic Stimulation，TMS)可改变癫痫样女士的N2期spindle的节律。最近研究发现，慢振荡的经颅直流电刺激(Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS)可通过改变睡眠spindle的产生而调节颞叶癫痫的记忆，这使得tDCS可能成为一种通过改善睡眠spindle来调节癫痫记忆的工具[26]。TMS是一种无创的干预方法，磁信号可以无衰减地通过颅骨而刺激到大脑的神经系统，进而达到改善神经调控的作用。tDCS也是一种非侵入性的干预方法，它是利用恒定的、低强度直流电(1～2 mA)来调节大脑皮层神经元活动的一种技术。这些新技术的出现，对于后续睡眠spindle的干预，有着非常重要的意义。

3 结语

综上可见，睡眠spindle在睡眠中的作用还是比较关键的，它不仅仅是睡眠质量的一个重要，还涉及学习、记忆、疾病等多个方面。研究睡眠spindle在疾病中的作用，对于了解和解释spindle都有着重要的意义。同时，对于睡眠spindle的干预，药物的作用还是比较有限的，最佳的策略是非药物的无创、非侵入式的干预，这样才能达到最贴切自然界的措施，才能更好的干预和治疗各种睡眠疾病。因此，后续通过上述各种策略对睡眠疾病进行干预，通过分析其spindle的特征来解释睡眠疾病发生的机制，是一个重要的研究和诊疗方向。

[1]Moser D，Anderer P，Gruber G，et al.Sleep Classification According to AASM and Rechtschaffen & Kales：Effects on Sleep Scoring Parameters[J].Sleep，2009，32：139-149.

[2]Wimmer RD，Astori S，Bond CT，et al.Sustaining Sleep Spindles through Enhanced SK2-Channel Activity Consolidates Sleep and Elevates Arousal Threshold[J].J Neurosci，2012，32：13917-13928.

[3]Lajnef T，Chaibi S，Eichenlaub JB，et al.Sleep spindle and K-complex detection using tunable Q-factor wavelet transform and morphological component analysis[J].Frontiers in human neuroscience，2015，9：414.

[4]Kabir MM，Tafreshi R，Boivin DB，et al.Enhanced automated sleep spindle detection algorithm based on synchrosqueezing[J].Medical & biological engineering & computing，2015，53：635-644.

[5]Wamsley EJ，Tucker MA，Shinn AK，et al.Reduced sleep spindles and spindle coherence in schizophrenia：mechanisms of impaired memory consolidation? Biological psychiatry，2012，71：154-161.

[6]Principe JC，Smith JR.Sleep spindle characteristics as a function of age[J].Sleep，1982，5：73-84.

[7]Nicolas A，Petit D，Rompre S，et al.Sleep spindle characteristics in healthy subjects of different age groups[J].Clinical neurophysiology，2001，112：521-527.

[8]Nader RS，Smith CT.The relationship between Stage 2 sleep spindles and intelligence[J].Sleep，2001，24：A160-A160.

[9]Gruber R，Wise MS，Frenette S，et al.The association between sleep spindles and IQ in healthy school-age children[J].Int J Psychophysiol，2013，89：229-240.

[10]Fogel SM，Smith CT.Learning-dependent changes in sleep spindles and Stage 2 sleep[J].J Sleep Res，2006，15：250-255.

[11]Dang-Vu TT，McKinney SM，Buxton OM，et al.Spontaneous brain rhythms predict sleep stability in the face of noise[J].Current biology，2010，20：R626-627.

[12]Bastien CH，St-Jean G，Turcotte I，et al.Sleep spindles in chronic psychophysiological insomnia[J].Journal of psychosomatic research，2009，66：59-65.

[13]Dang-Vu TT，Salimi A，Boucetta S，et al.Sleep spindles predict stress-related increases in sleep disturbances[J].Frontiers in human neuroscience，2015，9：68.

[14]Himanen SL，Virkkala J，Huupponen E，et al.Spindle frequency remains slow in sleep apnea patients throughout the night[J].Sleep medicine，2003，4：229-234.

[15]Schonwald SV，Carvalho DZ，de Santa-Helena EL，et al.Topography-specific spindle frequency changes in obstructive sleep apnea[J].BMC neuroscience，2012，13：89.

[16]Chokroverty S，Bhat S，Donnelly D，et al.Sleep spindle density increases after continuous positive airway pressure titration in severe obstructive sleep apnea：a preliminary study[J].Sleep medicine，2015，16：1029.

[17]Christensen JA，Nikolic M，Warby SC，et al.Sleep spindle alterations in patients with Parkinson's disease[J].Frontiers in human neuroscience，2015，9：233.

[18]Rauchs G，Schabus M，Parapatics S，et al.Is there a link between sleep changes and memory in Alzheimer's disease?[J].Neuroreport，2008，19：1159-1162.

[19]Latreille V，Carrier J，Lafortune M，et al.Sleep spindles in Parkinson's disease may predict the development of dementia[J].Neurobiol Aging，2015，36：1083-1090.

[20]Latreille V，Carrier J，Lafortune M，et al.Sleep spindles alterations in Parkinson's disease may predict the development of dementia[J].Movement Disord，2014，29：S280-S280.

[21]Tezer FI，Remi J，Erbil N，et al.A reduction of sleep spindles heralds seizures in focal epilepsy[J].Clinical Neurophysiology，2014，125：2207-2211.

[22]Nishida M，Nakashima Y，Nishikawa T.Topographical Distribution of Fast and Slow Sleep Spindles in Medicated Depressive Patients[J].J Clin Neurophysiol，2014，31：402-408.

[23]Plante DT，Goldstein MR，Cook JD，et al.Effects of oral temazepam on sleep spindles during non-rapid eye movement sleep：A high-density EEG investigation[J].Eur Neuropsychopharmacol，2015，pii：S0924-977X(15)00175-3.

[24]Wamsley EJ，Shinn AK，Tucker MA，et al.The Effects of Eszopiclone on Sleep Spindles and Memory Consolidation in Schizophrenia：A Randomized Placebo-Controlled Trial[J].Sleep，2013，36：1369-1376.

[25]Persinger MA，Hoang V，Baker-Price L.Entrainment of stage 2 sleep spindles by weak，transcerebral magnetic stimulation in an "epileptic" woman[J].Electromagnetic biology and medicine，2009，28：374-382.

[26]Del Felice A，Magalini A，Masiero S.Slow-oscillatory Transcranial Direct Current Stimulation Modulates Memory in Temporal Lobe Epilepsy by Altering Sleep Spindle Generators：A Possible Rehabilitation Tool[J].Brain stimulation，2015，8：567-573.

100875北京，北京师范大学脑与认知科学研究院，认知神经科学与学习国家重点实验室