健康青年男性脑力疲劳模型构建以及基于节律类型的分析

邱 健，赵显超，程金湘，江应聪，孙述昱，任佳封，宿长军

睡眠不足、睡眠-觉醒节律紊乱和脑力活动都会导致困倦、嗜睡或主观疲劳，称为脑力疲劳(mental fatigue)，以倦怠、警觉性降低、动机缺乏、认知活动能力下降和工作效率降低为主要表现[1]。既往众多研究探讨睡眠限制/睡眠剥夺对认知功能以及作业能力的影响，在实验期间，受试者常能自己选择不会导致兴奋性增高的活动，例如安静的读书，受试者处于放松状态[2]。但在需要长时间高度集中注意力的作业活动中，如飞行员长时间飞行过程中，既存在睡眠限制，同时也要求高度集中注意力，保持高警觉性，对突发情况迅速反应，伴随高强度的脑力活动消耗。同时，既往研究发现，青年人群的节律类型会显著影响日间功能；夜晚型人群可能存在更多的白日嗜睡和睡眠问题，并且是抑郁状态、自杀观念等消极观念的危险因素[3，4]。但不同节律类型青年人群日间主观嗜睡和警觉反应能力的变化和关系尚未见报道。

为了最大限度模拟这种情况，我们使用睡眠限制联合需要保持注意力集中的任务/游戏的方法，观察受试者日间(早8点到晚20点)的警觉性以及反应能力，并分析不同节律类型受试者表现的差异。

1 资料与方法

1.1 研究对象及分组 2018年8月～2019年1月在我院见习、实习以及规培学员中，招募健康男性志愿者自愿参与实验，共有49例志愿者纳入分析。其年龄≥18岁，右利手，都为本科在读及以上学历，无高血压、心脏病、糖尿病等基础疾病，无睡眠障碍，近3个月无倒班工作，无神经科和精神科用药病史，并填写知情同意书。排除不能配合完成试验的志愿者。

1.2 一般临床资料的采集 招募时对所有志愿者详细询问其一般情况、睡眠情况、生活方式等，并完成睡眠相关症状量表、匹兹堡睡眠质量指数(Pittsburgh Sleep Quality Index，PSQI)、Epworth嗜睡量表(Epworth Sleeping Scale，ESS)、失眠严重指数(Insomnia Severity Index，ISI)、清晨夜晚型评定量表(Morningness-Eveningness Questionnaire，MEQ)、焦虑自评量表(Self-Rating Anxiety Scale SAS)、抑郁自评量表(Self-Rating Depression Scale，SDS)、疲劳严重程度量表(Fatigue Severity Scale，FSS)等精神心理评估。

1.3 方法

1.3.1 试验前准备 对怀疑有睡眠问题的志愿者进行多导睡眠监测，排除睡眠障碍患者。所有志愿者于正式试验前2周佩戴体动记录仪并填写睡眠日志，以保证正式测试前规律作息(卧床时间>7 h，且睡眠时间>6 h，上床时间根据个人习惯不做规定)。试验前1～2 d抽血检查血常规、肝肾功、血糖、尿常规等无明显异常，确定试验正式开始前志愿者无上呼吸道感染、腹泻、发热等急性疾病。

1.3.2 试验方法 正式试验从上午6点开始，首次测试从上午8点开始，期间有工作人员对受试者全程监督，保证受试者所有操作都在指定要求下进行。从上午8点开始，受试者需要每2 h按固定次序完成主观嗜睡程度评价，包括嗜睡程度视觉模拟评分(Visual Analogue Scale，VAS)、斯坦福嗜睡量表(Stanford Sleepiness Scale，SSS)、Karolinska嗜睡量表(Karolinska Sleepiness Scale，KSS)，和精神运动警觉性任务(Psychomotor Vigilance Task，PVT)等其他与反应认知相关的测试。整个测试持续时间45 min～70 min，由工作人员监督完成，保证其不能使用手机，不能随意交谈。测试过程结束后，受试者需要进行需要持续注意力的小游戏(星图、跳一跳等)，这些小游戏具有简单易学且需要注意力集中的特点。受试者不能躺卧、不能听音乐、不能自由阅读、不能进行剧烈运动，需要减少交谈；除吃饭、上厕所等必要的活动可以缩短游戏时间之外，其余时间都需要持续到下次正式测试开始。工作人员进行监督，保证受试者不能进行任何形式的休息。

分析49例受试者日间(上午8点～晚上20点)的主观嗜睡评分(包括VAS、SSS和KSS)以及PVT测试结果随时间的变化；并根据MEQ的结果，探索不同节律类型的受试者在主观嗜睡评分与PVT任务测试结果的表现差异。

1.3.3 试验内容 (1)疲劳严重程度视觉模拟量表：在纸上面划一条10 cm的横线，横线的一端为0，表示精力充沛；另一端为10，表示极度疲劳；中间部分表示不同程度的疲劳。让患者根据自我感觉在横线上划一记号，表示疲劳的程度。(2)斯坦福嗜睡量表[5]：1分表示精力充沛、头脑清醒毫无倦意；2分表示精力较充沛，但不是最佳状态，能够集中注意力；3分表示清醒但有些松散，对外界的刺激有反应但不够警觉；4分表示有一定程度的昏昏沉沉，不精神；5分表示昏昏沉沉，在清醒时对周围事物兴趣不大，迟钝；6分表示瞌睡，很想躺下，但努力保持头脑清醒，头昏；7分表示不想再努力保持清醒，很快就入睡，有做梦的感觉；X表示睡着。要求受试者根据描述选择当前时刻的嗜睡感受。(3)Karolinska嗜睡量表[6]：1分表示极度警觉；2分表示非常警觉；3分表示警觉；4分表示有点警觉；5分既不警觉也不嗜睡；6分表有些嗜睡的征象；7分表示嗜睡，但是还可以保持清醒；8分表示嗜睡，需要努力才能保持清醒；9分表示非常嗜睡，需要十分努力才能保持清醒，尽力克服不睡着；10分表示极速嗜睡，不能保持清醒。(4)清晨夜晚型量表：用来评估节律类型，共有19个条目。总分16-86分。根据中国大陆人群的划分标准，划分70～86分为绝对清晨型，63～69分为相对清晨型，50～62分为中间型，43～49分为相对夜晚型，16～42分为绝对夜晚型[7]。(5)PVT测试：使用PC-PVT 2.0版[8]，可以评估当前精神警觉性的测试，开始和结束时需要填写瞌睡程度，0分表示完全不瞌睡，最清醒的状态，10分为非常瞌睡。根据当前的状态选择一个合适数字作为评分。在屏幕正中随机间隔2～10 s的时间出现阿拉伯数字，看见后立即单击鼠标左键，最后显示的数字是实际反应的时间(注：不能主观预判数字可能出现的时间，否则系统会提示FS，即FASLE)，测试时间10 min，整个过程需要保持注意力高度集中，期间避免接打电话、与人交谈等，保证环境安静。

2 结 果

2.1 人口学及临床一般资料 本研究共有49例受试者纳入，所有受试者的平均年龄为(22.6±1.3)岁，平均身高为(175.3±4.6) cm，平均体重为(68.9±8.8) kg，BMI平均为(22.4±2.5) kg/m2，SAS平均为(55.4±5.8)分，SDS平均为(37.6±11.0)分，疲劳严重程度平均分(31.7±10.1)分，PSQI 均分(3.1±1.5)分，ESS均分(5.7±3.1)，ISI均分(3.0±2.4)。根据MEQ划分，共有18例受试者属于中间型人群，14例受试者属于相对夜晚型人群，17例受试者属于绝对夜晚型人群，3组的人口学资料见表1。

表1 基线资料

*在置信度(双侧)为0.05时，差异显著；#非参数检验

2.2 主观量表、PVT测试的日间变化 比较49例受试者日间的VAS、SSS、KSS分值变化，随时间变化，受试者的主观疲劳感逐渐增加(见图1)。采用单因素重复测量方差分析方法，判断受试者VAS、 SSS、 KSS 评分随时间变化的差别。经Mauchly’s球形假设检验，因变量的方差协方差矩阵都不相等，VAS日间变化χ2= 90.201，P<0.001，通过Greenhouse & Geisser方法校正ε=0.610，VAS日间变化具有统计学意义，校正后F(3.663，175.808)=24.580，P<0.001，偏η2=0.339；SSS日间变化χ2=88.144，P<0.001，通过Greenhouse & Geisser方法校正ε=0.610，SSS日间变化具有统计学意义，校正后F(3.660，175.658)=20.031，P<0.001，偏η2=0.294；KSS日间变化χ2= 74.840，P<0.001，通过Greenhouse & Geisser方法校正ε=0.660，KSS日间变化具有统计学意义，校正后F(3.962，190.165 )=15.434，P<0.001，偏η2=0.243。受试者的VAS评分在14点(P=0.022)、16点(P=0.002)、18点(P<0.001)、20点(P<0.001)时分别与早8点相比显著增加；受试者的SSS评分在14点(P=0.001)、16点(P<0.001)、18点(P=0.003)、20点(P<0.001)时分别与早8点相比显著增加；受试者的KSS评分在14点(P=0.009)、16点(P=0.001)、18点(P=0.008)、20点(P<0.001)时分别与早8点相比显著增加。在早上10点与下午18点时主观疲劳感较前有好转趋势，未见统计学差异。如表2所示，比较了VAS、SSS、KSS在同一时间点测量的一致性，发现3个量表在人群测量的一致性较好。同一时间点不同节律类型志愿者主观测试结果未见统计学差异。

比较49例受试者日间的PVT任务的平均反应时、最快10%反应时间、最慢10%反应时间和总遗漏数目随着时间的变化(见图2)。经单因素重复测量方差分析，PVT任务各项指标随着时间变化未见统计学差异，但发现下午14点的PVT任务各项结果较差，上午10点和下午18点有较前好转的趋势。在同一时间点，主观嗜睡程度与PVT任务不同指标之间进行相关性分析，未见统计学差异；但主观嗜睡程度与PVT任务的各指标之间呈现出相同的日间变化趋势。

表2 主观量表的相关性分析

**在置信度(双侧)为0.01时，相关性显著

2.3 不同节律类型受试者的PVT日间变化

2.3.1 中间型和夜晚型受试者PVT的日间变化 比较了18例中间型受试者和31例夜晚型受试者PVT任务测试结果日间变化(见图3)。同一时间点比较，发现中间型人群平均反应时间、最快10%反应时间有优于夜晚型人群的趋势。总遗漏数目和最慢10%反应时间同样观察到此趋势，且在下午14点时的最慢10%反应时间(P=0.005)、下午14点总遗漏数(P=0.001)、下午18点总遗漏数(P=0.015)、以及下午20点总遗漏数(P=0.009)可见统计学差异。

2.3.2 中间型、相对夜晚型和绝对夜晚型受试者PVT的日间变化 为了进一步分析节律类型对PVT任务反应的作用，比较了中间型、相对夜晚型和绝对夜晚型受试者最慢10%反应时间(见图4)、总遗漏数目(见图5)。在下午14点时，绝对夜晚型的人群最慢10%反应时间(P=0.018)和总遗漏数目(P=0.009)明显更差，下午18点总遗漏数(P=0.094)和下午20点总遗漏数(P=0.077)存在差异的趋势。

*在置信度(双侧)为0.05时，差异显著

A表示所有人PVT中平均反应时间随时间的变化，B表示所有人PVT最快10%反应时间随时间的变化，C表示所有人PVT最慢10%反应时间随时间的变化，D表示所有人PVT总遗漏数目随时间的变化

图2 所有人PVT结果随着时间变化的趋势

A表示中间型和夜晚型人群PVT中平均反应时间随时间的变化，B表示中间型和夜晚型PVT最快10%反应时间随时间的变化，C表示中间型和夜晚型PVT最慢10%反应时间随时间的变化，D表示中间型和夜晚型PVT总遗漏数目随时间的变化

图3 中间型和夜晚型(包括相对夜晚型和绝对夜晚型)人群PVT随时间的变化

图4 中间型、相对夜晚型和绝对夜晚型人群PVT最慢10%反应时间随时间的变化

图5 中间型、相对夜晚型和绝对夜晚型人群PVT总遗漏数目随时间的变化

3 讨 论

目前睡眠限制模型中受试者多可比较自主地从事活动，比如安静地阅读、听音乐等，这些可能在一定程度上缓解睡眠限制的压力。然而，实际中，高度集中注意力的作业人员既经历睡眠限制，又面临单调的环境，需要长时间保持高度的注意力。为了试图模拟连续作业的情况，我们在对受试者睡眠限制的同时，又让受试者进行认知相关测试联合需要保持高度注意力的游戏的方法。本文分析了受试者在这种情况下主观量表与PVT测试的日间变化，同时基于其内在的节律类型，观察不同节律类型执行PVT任务的表现差异。

PVT任务是睡眠剥夺研究中评估警觉注意力的敏感测试，并且和其他认知测试相比，该测试由于不受到智力、才能的影响，没有学习效应，所以更为可靠[9]。大量研究证实，睡眠不足和节律紊乱会影响PVT任务的结果，包括平均反应时间的减少和遗漏数目的增加等等[10]。而且PVT任务的不同参数代表的意义略有不同：最快10%反应时间是整个过程最优的表现，代表受试者警觉水平的变化；最慢10%反应时间以忽视范围内的响应时间，代表受试者注意水平的变化；平均反应时间代表持续任务的时间效应，代表受试者认知控制的水平变化[11，12]。有文章报道PVT任务的总遗漏数目可以作为疲劳的客观检查，弥补目前只将受试者的主观感受评判疲劳的不足[13]。所以本文对脑力疲劳模型的构建采用主观评估联合客观警觉性测试的方式。尽管既往关于睡眠剥夺的研究已经证实，PVT测试结果会明显变差，但本研究中所有受试者的主观测试结果在下午14点之后较早上8点存在差异，而PVT测试的结果未见差异，可能由于睡眠限制时间较短，受试者主观疲劳程度虽增加，却未能引起PVT任务测试的结果发生改变，这在一定程度上提示了受试者的主观、客观疲劳并不完全一致。

不同节律类型的人具有不同的睡眠特征。有研究报道，清晨和夜晚型的工作日睡眠长度相似，但夜晚型有较多的内在睡眠需求，所以通过周末延长睡眠补偿工作日的睡眠剥夺；矛盾的是夜晚型并没有在工作日表现出更严重的睡眠剥夺症状(困倦、疲乏等)[14，15]。所以，我们观察不同节律类型日间主观嗜睡和警觉反应能力的变化和关系试图发现是否夜晚型与其他类型相比表现更差。本研究受试者人群为在医院见习、实习和规培的学生，由于环境的影响，夜晚型的比例更高，没有出现清晨型。结果发现，夜晚型比中间型的人群日间的PVT任务结果更差，在下午14点时表现最为显著，同时，绝对夜晚型比相对夜晚型更明显。中国青少年人群的大型流行病调查显示夜晚型偏好的青少年PSQI得分更高，睡眠质量更差，在上学日睡眠不足情况更为严重[16]，这也支持了我们的研究。下午14点前后是通常午睡的时间，当进行睡眠限制、改变既往午睡习惯时，夜晚型尤其是绝对夜晚型的人群受到影响更大。因此，对于突然改变午睡习惯进行作业的人员，例如出动紧急任务的飞行人员，采取其他适当方式缓解疲劳，提高反应能力和作业效率，对夜晚型尤其是绝对夜晚型的人群显得尤为重要。

本试验使用睡眠限制和认知相关测试联合需要持续注意力的游戏建立模拟连续作业的脑力疲劳模型，随着测试时间的延长，受试者的主观疲劳感逐渐增加，受试者主观感受与精神运动警觉性任务具有类似趋势，但并不完全一致；初步发现了夜晚型人群尤其是绝对夜晚型的日间注意力和反应能力表现更差，更加需要采取适当干预方式缓解疲劳，保持一定的作业能力；针对不同节律类型人群，合理安排工作，在一定程度可以减少工作失误。