经颅电刺激对睡眠剥夺后双侧后扣带回皮质功能连接紊乱干预作用的初步研究*

孟晴晴, 李继元， 郭大龙, 邵永聪, 张 熙

(1. 中国人民解放军总医院睡眠医学中心， 北京 100853; 2. 中央军委机关事务管理总局保健处， 北京 100034; 3. 首都医科大学附属北京世纪坛医院磁共振室， 北京 100038; 4. 空军航空医学研究所航空医学工程研究中心， 北京 100037; 5. 军事医学科学院基础医学研究所， 北京 100850)

24 h内睡眠时间少于4 h，称之为睡眠剥夺(sleep deprivation, SD)。SD能够可逆性损害个体认知、情感等功能[1]。既往研究称，SD后认知、情感等高级功能的损害可能是由于脑内不同功能区间网络连接紊乱导致的，其中以默认网络(default mode network, DMN)中的后扣带回皮质(posterior cingulate cortex, PCC)网络连接紊乱最常见[2]。经颅电刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)作为一种脑神经干预手段，近年来在医学康复领域发挥着重要作用[3]。因此本研究仅从静息态脑网络功能连接的角度，初步分析tDCS对SD后双侧PCC功能连接紊乱的干预作用。

1 资料与方法

1.1 研究对象

16名健康在校大学生参加本试验，其中男性7名，女性9名，年龄18～23岁，平均年龄(20.94± 1.73)岁。均为右利手，视力或矫正视力正常。试验过程中要求受试者不得摄入酒精、咖啡等刺激性食品。试验开始前均已向受试者详细说明试验流程及注意事项，所有受试者均自愿参加试验并签署了知情同意书。

1.2 研究设计

16名受试者均分别参加2次睡眠剥夺试验，同一受试者相邻两次睡眠剥夺试验间隔为3周。受试者于试验前1 d下午15：00进入实验室，晚上22：00后进入正常睡眠。试验第1日早7：00进行静息态功能磁共振成像(resting state function magnetic resonance imaging, rs-fMRI)扫描，然后开始24 h睡眠剥夺。受试者于第2日早7：00再次进行rs-fMRI扫描。扫描完成后给予tDCS干预(随机给予真刺激或假刺激)，经颅电刺激由德国NeuropathyConn公司生产的DC-STIMULATOR治疗仪提供，两电极片分别置于右侧前额部(阳极)及左侧乳突水平(阴极)，电流大小为1 mA，真刺激电流作用时间为20 min，假刺激电流作用时间为20 s[3]，整个干预实验持续20 min，tDCS结束后立刻进行rs-fMRI扫描。3周后进行第二次试验，受试者仍于正常睡眠后进行24 h SD，SD后给予tDCS干预(假刺激或真刺激)，并于tDCS结束后立刻再次进行rs-fMRI扫描，研究结束。SD试验全程均由主试人员监督，受试者不允许无故离开实验室。

1.3 仪器与方法

研究采用GE 3.0T MR750discovery成像设备，8通道专用头线圈。受试者平卧于检查床上，头部固定。在rs-fMRI扫描期间，嘱受试者尽力保持头部不动、闭眼不想任何事，同步记录受试者的心率和呼吸频率。结构像采用SE-T1WI序列，参数：重复时间 2 000 ms, 回波时间 9 ms, 翻转角150°，层厚5 mm，层间距 1 mm，矩阵320×320。rs-fMRI采用平面回波成像(echo-planar imaging, EPI)序列，参数：重复时间 2 000 ms，回波时间 30 ms，视野 256×256 mm，层厚5 mm，层间距1 mm，翻转角为90°，采集矩阵64×64。

1.4 fMRI数据处理及分析

磁共振原始数据采用MATLAB 及统计参数图(www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8)软件包进行处理。功能数据预处理主要包括：时间校正、头动校正以及功能像与结构像之间的配准和标准化。

种子点的选取：根据REST(http://www.restfmri.sourceforge.net)软件自动化解剖标记模板(automated anatomical labeling template, AAL)进行感兴趣区定位[4]，选取双侧后扣带回为种子点(图1)。

Fig. 1 Extraction of seed points of bilateral posterior cingulate cortex based on ALL template

1.5 统计学处理

静息态脑功能成像数据经处理后，分别提取种子点及全脑时间序列，利用全脑体素水平的组内t检验得到静息状态下双侧PCC种子点与全脑功能连接模式图[P<0.01，错误发现率(false discovery rate, FDR)校正，体素大小>20]。运用配对t检验比较tDCS真、假刺激干预后双侧PCC种子点与全脑功能连接模式的差异(P<0.01，FDR校正, 体素大小>20) 。

2 结果

2.1 正常睡眠后静息状态下，双侧PCC种子点与全脑功能连接分析结果

正常睡眠后静息状态下，左侧PCC主要与双侧颞中回、额上回、角回以及右侧海马旁回和楔前叶呈正功能连接；而与双侧岛叶、右侧颞叶及左侧额中回呈负功能连接。右侧PCC主要与双侧额上回、颞中、下回、海马旁回、角回以及楔前叶呈正功能连接；而与双侧岛叶、左侧额下回及右侧颞中回呈负功能连接(表1，图2)。

Tab. 1 The connection between the seed points and the whole brain function during resting state (n=16)

Fig. 2 The connection between bilateral posterior cingulate cortex and whole brain function in resting state

2.2 24 h SD后双侧PCC种子点与全脑功能连接变化情况

24 h SD后左侧PCC种子点与全脑的功能连接在双侧额叶、岛叶及左侧丘脑间连接上升；与右侧楔前叶、海马旁回及双侧颞叶间连接下降。右侧PCC与全脑的功能连接在双侧丘脑、额叶及左侧岛叶间连接上升；在双侧颞叶、右侧楔前叶、海马旁回及右侧岛叶间连接下降(表2，图3)。

Tab. 2 The connection between the seed points and the whole brain function after 24 h SD (n=16)

Fig. 3 The connection between bilateral posterior cingulate cortex (PCC) and whole brain function after 24 hours sleep deprivation

2.3 tDCS真、假刺激干预后，双侧PCC种子点与全脑功能连接变化情况

与tDCS假刺激干预相比，真刺激干预后左侧PCC种子点表现为：与右侧楔前叶间连接上升；与双侧丘脑、岛叶及右侧大脑皮质间连接下降。右侧PCC种子点表现为：与双侧丘脑、右侧岛叶及大脑皮层间连接下降(表3，图4)。

Tab. 3 The changes of the connection between the seed points and the whole brain function after tDCS true or sham stimulation(n=16)

Fig. 4 The changes of bilateral PCC and whole brain functional connection after tDCS true orsham stimulation

3 讨论

rs-fMRI作为近年来新兴的无创脑功能检查技术，已在脑功能区定位、痴呆等邻域中广泛应用。功能连接(functional connectivity, FC)为rs-fMRI数据分析中的重要方式，其主要依赖于rs-fMRI时间序列的相关性来构建的，代表着位于不同位置的脑区(神经元)在血氧水平信号变化的时间依赖性，以此来说明相应脑区间"激活"的一致性[5]。在FC的计算过程中，种子点的选择对于研究结果存在着直接的影响。既往研究[6]表明，处于静息状态下的个体，DMN是维持机体各种神经活动的基本网络结构，而PCC在DMN中为核心节点，因此本研究选择双侧PCC为种子点，观察24 h SD和tDCS真/假刺激干预之间对双侧PCC种子点FC的影响。

首先本研究发现：在正常睡眠后静息状态下，双侧PCC种子点主要与双侧额、颞叶皮质、海马旁回、角回以及右侧楔前叶等呈正功能连接；而与双侧岛叶、部分额、颞叶皮质及小脑半球呈负功能连接。当受试者经过24 h SD后，双侧PCC种子点与双侧丘脑功能连接明显增强。既往临床研究[7]推测PCC为DMN中重要的枢纽节点，该区域主要与人脑对内外环境的监测、情绪的加工、自我内省、维持意识的觉知、情景记忆的提取等功能密切相关，因此其与其它脑区间存在广泛的功能连接，以实现上述功能正常"运转"。Dai等学者研究[8]称，在SD状态下，个体情绪调控、记忆能力以及注意水平等高级功能的下降与DMN不同功能区间的功能连接下降有关。因此，本研究认为：24 h SD可引起双侧PCC种子点的功能连接紊乱。

另外本研究还发现：当SD后给予tDCS干预，tDCS真刺激后，左侧PCC种子点与右侧楔前叶间功能连接上升；与双侧丘脑、岛叶及右侧大脑皮质间功能连接下降。右侧PCC种子点与双侧丘脑、右侧岛叶及大脑皮层间也存在下降。当前研究[9-11]表明tDCS在提高个体的认知能力方面有重要作用，研究认为tDCS通过电极间微弱的电流刺激作用，增强神经元纤维传导能力。同时也有研究[12]提出tDCS的治疗效果取决于其电极片放置的位置以及其刺激电流的强度，本研究设计时参考了国内外常用的电极片放置方法和刺激强度[3]。另外部分学者[12-14]则认为tDCS可改善局部的脑血流量，增加脑血流灌注，从而进一步改善局部脑功能水平。结合本研究结果，tDCS干预作用后双侧PCC种子点因SD作用出现的功能紊乱得到了一定程度的“纠正”，这与MarilyneJoyal[15], Peter E Turkeltaub[16]等学者的研究结论相一致，因此笔者认为tDCS干预能够在一定程度上改善SD后双侧PCC种子点与全脑间功能连接的紊乱，但具体的干预作用效果，尚待结合相关行为学资料分析。

本研究的不足主要为：研究结果分析过程中缺乏相关心理、认知测验数据，无法进行相关分析，无法确定脑影像指标变化与行为的对应关系。在未来研究中，将完善相关测试，进一步分析脑影像网络变化同行为学指标之间的相互关系。

综上所述，本研究认为：tDCS可改善SD后双侧PCC种子点的功能连接紊乱，主要表现为双侧PCC种子点与丘脑间的功能连接下降，说明tDCS对SD后双侧PCC功能连接紊乱具有一定的正性干预作用。