36 h完全睡眠剥夺对客体工作记忆相关电位的影响*

彭子伊, 陈学伟, 张 颖, 杨业兵， 张立伟, 邵永聪△

(1. 北京体育大学心理学院, 北京 100084; 2. 军事医学研究院环境医学与作业医学研究所军事作业医学研究室, 天津 300050； 3. 中国人民解放军总医院， 北京 100853; 4. 中国科学院心理研究所， 北京 100101)

睡眠剥夺(sleep deprivation，SD) 一般指在24 h中的睡眠时长小于4 h[1]，是一种由于环境或自身原因引起的睡眠缺失状态。睡眠剥夺损害了认知功能、增加了认知能力下降发生的频率。睡眠剥夺会严重损害注意力、记忆力和决策等认知功能，尤其会影响需要高度专注和快速响应的执行任务[2]。以往研究表明，睡眠剥夺会引起情绪、学习、记忆、免疫功能等一系列变化，个体疲劳的增加会导致一系列生理、心理、甚至行为的变化[3]，例如出现微睡眠、注意力分散、反应时增长、工作绩效下降等现象[4,5]。持续作业下的睡眠剥夺将不可避免地导致作业人员生物节律紊乱，增加其主观疲劳感,使其认知功能降低,工作绩效下降,失误率增加[6]。操纵高、精、尖武器的特殊技术兵种人员更易发生严重事故。

工作记忆是一种对信息进行暂时加工和存储的容量有限的记忆系统[7]。现有的工作记忆模型不仅强调其对于视觉空间系统和言语系统的划分，而且指出针对不同类型的信息，工作记忆会表现出不同的加工特性。视觉信息包括空间和客体两方面, 进而出现空间工作记忆和客体工作记忆的划分。客体工作记忆主要强调对形状、颜色、大小的存储和加工。n-back任务是最常用的关于工作记忆的认知实验之一[8]。在2-back任务中，要求受试者将当前刺激与向前数第2个呈现的刺激进行比较。

目前大多数有关睡眠剥夺的研究都关注其对语音工作记忆和执行控制能力的影响。对于客体工作记忆在睡眠剥夺条件下如何受到影响，受损害到什么程度，目前研究还很少。本研究应用2-back工作记忆研究范式, 以事件相关电位(event related potential, ERP)技术探讨36 h完全睡眠剥夺对客体工作记忆影响,从而为睡眠缺失条件下认知功能的损害及干预提供试验依据。

1 对象与方法

1.1 对象

16名健康男性大学生(平均年龄23岁，年龄范围21-28岁)自愿参加本试验。受试者均为右利手，视力或矫正视力正常。受试者之前未参加过心理生理相关试验，并且经严格的体格检查，排除精神及躯体疾患。受试者智商处于人群平均水平以上(IQ>110分)。受试者的匹兹堡睡眠质量指数问卷测验得分(PSQI<5分)，表明受试者睡眠质量良好。在实验前由主试人员对受试者详细解释实验流程及试验中注意事项。所有受试者均填写知情同意书，并在试验结束后领取相应的受试费。试验经过了原第四军医大学伦理委员会的批准。

1.2 试验流程

试验采用自身前后对照设计。受试者参与一次36h完全睡眠剥夺试验。在试验前让受试者对试验的认知测试进行充分练习，直到准确度达到90%以上，以排除练习效应。

受试者于测试前1 d到达实验室，当晚在实验室睡眠，保证睡眠时间为8 h。受试者于第2日早上8点开始睡眠剥夺，进行第1次客体工作记忆测验任务，设为基线测量，同时记录受试者脑电数据。在剥夺36 h后(记作36 h值)完成第2次客体工作记忆测验任务，同时记录脑电数据。每次有2名受试者同时进入实验，在整个睡眠剥夺过程中确保有3人(包括医护人员各1名，以及主试人员1名)监督受试者并阻止其睡眠(包括打盹)。行为学指标包括被试完成任务的反应时、正确率、单位时间正确个数，脑电指标主要包括被试完成任务时记录的P2、N2、P3成分。

1.3 检测方法

1.3.1 客体工作记忆测验 试验采用2-back客体工作记忆测验来对受试者的客体工作记忆子系统认知功能进行测量。刺激材料由12幅几何图形组成，图形视角为图形视角为 2o×2o，测验共有122个，测验时间约为 5 min。实验中在显示器的中央呈现一个提示信息，白色“+”，持续时间为200 ms，提示信息消失1 s后，将几何图形逐个呈现在屏幕中央。刺激呈现时间为400 ms。刺激间隔(SOA)时间为1 600 ms。要求受试者从第3个刺激开始对当前呈现的几何图形和向前数第2个呈现的几何图形进行匹配，判断几何图形是否一致，如果当前几何图形与前面的几何图形“匹配”，以右手食指按鼠标“左键”；当前几何图形与前面的几何图形“不匹配”，则用右手中指按鼠标“右键”。“匹配”与“不匹配”刺激的比例为50%，以随机方式呈现(图1)。

Fig. 1 Schematic diagram of objective working memory task

在正式试验开展前，所有受试者均进行测验培训，以确保受试者理解这项任务。试验要求所有参与者在正式测试前的正确率都在95%或以上。

1.3.2 脑电记录 脑电记录在光线较暗、隔音并有电子屏蔽的脑电试验室中进行。在受试者面前75 cm处安放21英寸显示屏，用以呈现视觉刺激。受试者的视野中心与显示器中心齐平。客体工作记忆任务以美国NeuroScan公司的Stim-2软件编写并呈现，脑电数据采用Scan 4.5(Neuroscan Products)64导脑电记录分析系统。安装电极参考国际标准10-20系统电极放置法，在采集过程中记录受试者的水平眼电和垂直眼电，并以双侧乳突作为参考电极。脑电采样频率为1 000 Hz，电极阻抗保持在5 kΩ以下。分别在睡眠剥夺36 h前后，被试完成客体工作记忆任务的同时记录其脑电数据。试验中对脑电数据进行存盘处理，便于后续离线分析。

1.4 数据处理

1.4.1 行为学数据分析 2名受试者因技术问题导致ERP数据未能正确采集，其数据在后期处理中予以剔除。行为学数据测量指标主要有平均正确反应时、正确反应率、单位时间正确个数。

1.4.2 ERP数据预处理 ERP数据采用SCAN4.3软件进行预处理和统计参数分析。经脑电预览后，采用回归分析去除眼电伪迹，经滤波(带通为0.05～17 Hz)、脑电分段(ERP分析窗选用900 ms，以刺激前100 ms用于基线校正)、平衡基线后，对所有正确反应的脑电诱发电位进行叠加平均。

2 结果

2.1 行为学结果

对于每个受试者针对目标刺激的正确反应计算平均反应时、正确率和单位时间正确个数，进行统计分析(表1)。与基线组相比，36 h完全睡眠剥夺后平均反应时有延长趋势,未见统计学差异(P> 0.05)。正确反应的正确率显著下降(P<0.05)，单位时间正确个数显著下降(P<0.05)。

Tab. 1 Performance data on the 2-back task in baseline and after n=14)

2.2 ERP结果

2.2.1 波幅 对F3、Fz、F4、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4电极的N2、P3的波幅的统计发现，与基线相比，36h完全睡眠剥夺后，N2波波幅和P3波波幅有下降趋势，但未见统计学差异(P>0.05)。对F3、Fz、F4、C3、Cz、C4电极的P2的波幅的统计发现无明显变化(P>0.05, 表2)。

Tab. 2 Grand-average peak amplitude (μv) of the P2, N2, and P3 components in the correct response condition across multiple electrode sites in baseline and after 36 n=14)

2.2.2 潜伏期 对F3、Fz、F4、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4电极的N2、P3的潜伏期的统计发现，与基线相比，36 h完全睡眠剥夺后，N2潜伏期显著增长(P< 0.05)，P3潜伏期有增长趋势，未见统计学差异(P> 0.05)。对F3、Fz、F4、C3、Cz、C4电极的P2的潜伏期的统计发现，P2潜伏期显著增长(P<0.05，表3)。

Tab. 3 Grand-average peak latency (ms) of the P2, N2, and P3 components in the correct response condition across multiple electrode sites in baseline and after 36 n=14)

清醒状态及睡眠剥夺后N2、P3的潜伏期及波幅的差异(F3、Fz、F4、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4)见图2。

Fig. 2 ERP amplitude between baseline and 36h-TSD for the correct response in object working memory. The channels are ordered left-right and top-bottom as follows: F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz, and P4

3 讨论

本研究发现在睡眠剥夺的条件下，受试完成客体工作记忆任务的正确率和单位时间正确个数出现显著下降。这是因为在完全睡眠剥夺36 h后,受试者疲惫感增加，警觉性下降,注意力资源可利用性降低，因此导致客体工作记忆能力受损。睡眠缺失会影响注意网络的冲突效应，进而导致认知控制功能的下降[9]。个体长时间处于清醒状态会出现唤醒水平下降,唤醒阈限上升的现象。当可利用的认知资源低于当前完成作业需要的要求时,就会出现工作绩效的下降[10，11]。

已有大量研究选用n-back范式来测量工作记忆的容量，本研究通过ERP技术测量睡眠剥夺前后，受试者进行2-back客体工作记忆任务时产生的P2、N2、P3成分的差异来考察睡眠剥夺对客体工作记忆的影响。在本研究中，虽然36 h完全睡眠剥夺后的P3潜伏期变化未达统计学显著，但其表现出了增加的变化趋势。说明受试者在TSD后分配注意力资源需要更多的时间。P3波幅降低的趋势可能反映了受试者的注意力降低，对目标刺激的辨别力也降低了[12]。P3成分反映了注意力资源的部署，P3潜伏期被认为反映了刺激分类和评估的时间窗。大量研究认为，长时间的清醒与P3成分的潜伏期延长和波幅降低有关[13-15]。

P2成分反映了注意力和视觉加工过程，一般认为与选择性注意、工作记忆有关，反映知觉过程的早期判断[16]。我们发现P2的潜伏期在完全睡眠剥夺后显著增加,说明受试者睡眠剥夺后辨认和加工刺激信息的速度降低,大脑对信息的选择、注意、及抗干扰能力减弱。N2波作为与个体精神状态、注意力和注意程度有关的内源性成分，完全睡眠剥夺后，其潜伏期显著增加、波幅降低的变化趋势也说明了个体的认知功能受损。这些结果从脑电生理指标方面，反映了睡眠剥夺对客体工作记忆加工的负面影响，这与行为学的结果是一致的：睡眠剥夺后，大脑可利用的注意资源减少，客体工作记忆能力受损。并且这种负面影响可能发生在认知加工的早期阶段。

本研究的不足是试验采用的都是男性志愿者，结论推广到女性志愿者时需要注意。由于受志愿者数量的影响，研究仅发现P3波的波幅存在下降趋势，潜伏期存在延长的趋势。在增加受试者数量后可能会得到更稳定的结果。另外，增加针对客体工作记忆的功能磁共振成像的研究，对于睡眠剥夺影响工作记忆的机制阐述有重要的帮助作用。以往的研究表明,昼夜生物节律[17,18]会影响个体行为表现，且存在个体差异。由于本试验基线测量时间未能选用与睡眠剥夺后进行试验相同的时间点，因此不能完全排除生物节律对试验结果的影响。

本研究试验表明，36 h完全睡眠剥夺会损害个体的客体工作记忆能力。在睡眠剥夺过程中，个体认知功能的变化是动态的，个体的表现也会受到任务复杂程度和大脑代偿功能等因素的影响。但随着睡眠剥夺过程的深入，其对高级功能的损害会进一步加重，以往研究指出这可能是由于默认网络中的后扣带回皮质网络连接紊乱造成的[19]。睡眠不足会降低记忆中存储的信息质量，而且这可能是伴随注意力的退化过程发生的[20]。因此有必要考虑睡眠缺失造成的客体工作记忆能力受损对职业安全和个体健康的不利影响，以及对这种损害的有效干预。