急性睡眠剥夺对认知与情绪功能的影响及其神经机制的研究进展

麦子峰，许鸿燕，马宁*

睡眠大约占据了日常生活1/3的时间，睡眠的充足与否影响着生物体的各个方面，在维系个体正常的身体与心理功能上发挥着极其重要的作用。然而，睡眠缺失已成为当今社会越发严重的问题，其会打破个体正常的睡眠节律，使机体的运作节律发生改变，由此产生一系列身体和心理的健康隐患［1］。

实验室研究睡眠缺失一般分两种，第一种是急性睡眠剥夺，指个体在短期内（一般为24～72 h）始终保持觉醒；另一种是部分睡眠抑制，指个体在一段时期每天的睡眠时长短于正常的睡眠时长（如连续5 d每天只睡4 h）［2］。迄今为止，大多数的睡眠缺失研究集中在急性睡眠剥夺，表明急性睡眠剥夺对各项认知和情绪功能以及脑机制均会造成明显的损伤［3-7］。

认知与情绪功能并非相互独立的，两者既存在相互依存的关系又存在相互竞争的关系［8］，在急性睡眠剥夺的研究中，认知与情绪功能变化也存在交互影响，认知功能的损伤会影响个体对情绪信息的调控［9］。但绝大部分急性睡眠剥夺的研究仅关注了认知功能的变化、情绪功能变化，或者认知功能的损伤对情绪功能的影响。很少有研究者关注急性睡眠剥夺状态下，情绪刺激对认知功能的影响。根据“认知-情绪双补偿模型”，情绪刺激在个体面对高负荷的认知任务时可以提高认知功能［10］，而急性睡眠剥夺对认知功能的损伤会导致个体陷入认知资源不足的状态［3］，因此有必要整合急性睡眠剥夺影响认知与情绪功能的研究结果，梳理急性睡眠剥夺对认知与情绪功能的交互关系的影响，这可能有助于探讨如何利用情绪刺激补偿认知损伤。

本文通过梳理已有的研究成果，概述急性睡眠剥夺对认知与情绪功能的影响及其神经机制，同时结合“认知-情绪双补偿模型”，提出假设解释不同脑区在认知与情绪任务中不同睡眠状态间变化的异同。结合以往研究，认为情绪刺激的出现可以补偿急性睡眠剥夺后认知功能的损伤。此外，本文还结合了急性睡眠剥夺研究近年来的新进展，如动态功能连接技术的应用、影响社会行为的神经机制，为未来睡眠缺失的研究提供不同的研究思路。

1 急性睡眠剥夺对认知功能的影响及其神经机制

急性睡眠剥夺对认知功能的影响涉及注意、工作记忆以及抑制控制功能的损伤，在行为层面体现为正确率的下降与反应时的延长，在神经机制层面体现为额顶注意网络与突显网络激活程度的减弱，默认网络（default mode network，DMN）负激活程度的减弱，以及丘脑在反应迟缓时激活程度的减弱。

1.1 急性睡眠剥夺对认知功能的影响 注意是和意识紧密联系的一种最为基础的认知功能，是心理活动或意识在某一时刻所处的状态。作为一切心理活动的起点，注意是受急性睡眠剥夺影响最明显的认知功能［4］。精神运动警觉测试（psychomotor vigilance test，PVT）是在睡眠研究中测量持续性注意的经典范式，反应迟缓（反应时>500 ms的试次）是PVT任务中备受关注的重要指标，反应迟缓的出现与急性睡眠剥夺后个体处于似睡非睡的“微睡”状态有着密切联系，而急性睡眠剥夺会导致反应迟缓数量的增多［11-12］。

工作记忆作为个体暂时的信息加工与储存机制，与任务相关信息的瞬时表征有着密切联系，其能够保存被激活的信息，以备进行深入的加工分析［13］。以往研究通过N-back、数学运算、延迟匹配等任务发现急性睡眠剥夺后的个体在执行工作记忆任务时反应时变长，正确率降低［14-15］。

抑制控制能力，即个体根据任务需求或特定目的，抑制无关信息的刺激以保证顺利完成任务的能力，在风险决策任务中，能否根据当前风险有效抑制冲动是个体作出恰当抉择的关键。在经典的抑制控制任务（如Go/No-go，Stroop等任务）中，急性睡眠剥夺会造成个体抑制控制能力下降，对无关刺激进行抑制的错误率上升［16］。

1.2 急性睡眠剥夺影响认知功能的神经机制

1.2.1 额顶网络（fronto-parietal network，FPN）与突显网络 关于急性睡眠剥夺影响注意与工作记忆的神经机制的元分析研究结果显示，急性睡眠剥夺对注意机制的影响主要涉及FPN，突显网络，以及丘脑（thalamus）等脑区的激活下降［7］。

FPN在注意任务中受影响的脑区有右背外侧前额叶皮质和双侧后顶叶［7］。FPN是与注意、工作记忆等基础认知功能密切关联的脑网络，在工作记忆的研究中，急性睡眠剥夺的影响同样体现为背外侧前额叶皮质与后侧顶叶皮质的激活下降［14-15］。

突显网络主要由前扣带回与前脑岛组成，参与对外界新异刺激的捕捉，并负责整合身体内外部的感知觉信息，突显网络在信息从“被觉察”到“被意识”的过程中扮演着重要角色［17］。在注意任务中，背侧前扣带与前脑岛的激活在急性睡眠剥夺后下降。而在抑制控制的研究中，仅有一项研究采用Go/Nogo任务并发现急性睡眠剥夺会使双侧前额叶皮质以及右侧前脑岛的激活下降［18］。

1.2.2 丘脑 丘脑在中枢神经系统中扮演着“阀门”的角色，其负责控制从脑干处上行的觉醒信号的传输，是维持觉醒状态的关键脑区［19］。在功能磁共振的研究中，丘脑的功能变化结果不一致［7，14］，部分注意与工作记忆的研究发现丘脑的激活程度在睡眠剥夺后会增强［20-21］，但CHEE等［11］随后的研究发现，当将正确反应的试次均纳入分析时，丘脑的激活程度在睡眠剥夺后会增强，当只关注反应迟钝的试次时，丘脑的激活程度在睡眠剥夺后会减弱。随后的研究中，将被试丘脑按行为表现在睡眠剥夺前后的变化程度分为睡眠剥夺敏感组与睡眠剥夺不敏感组，结果发现睡眠剥夺敏感组的被试丘脑的激活程度在睡眠剥夺后会显著下降，而睡眠剥夺不敏感的被试丘脑的激活程度不存在显著的状态间差异［22］。因为丘脑在急性睡眠剥夺前后的变化并不是纯粹的激活程度减弱，所以有研究者认为丘脑在急性睡眠剥夺时处于一种“不稳定的状态”，丘脑的激活程度增强时可以弥补急性睡眠剥夺带来的损伤，帮助个体维持正常的行为表现［6-7］，而丘脑的激活程度减弱时，个体会无法抑制睡眠剥夺的影响，导致反应迟缓。

1.2.3 DMN DMN主要的脑区包括后扣带回、内侧前额叶、顶下小叶等。在正常状态下，DMN与任务相关脑区（如FPN）的激活情况是拮抗关系，即在执行任务时，任务相关脑区激活增强的同时DMN的激活会受到抑制，这种拮抗关系的维持是个体集中资源以完成相应任务的关键［23］。

急性睡眠剥夺除了会对任务相关的脑区造成损伤外，其对DMN的脑区也有影响。在注意［20］与工作记忆［14］的研究中均发现，急性睡眠剥夺后DMN的相关脑区（如内侧前额叶、后侧扣带回）的负激活程度与正常睡眠状态相比会更弱，导致DMN在执行任务时无法被有效抑制。进一步的相关分析与个体差异分析发现，后侧扣带回负激活的减弱程度与主观睡意程度呈显著正相关［20］，睡眠剥夺效应敏感组的被试、后侧扣带回的负激活程度在睡眠剥夺状态时会减弱，而睡眠剥夺效应不敏感组的被试、后侧扣带回的负激活程度不存在显著的状态间差异［14］。此外，功能连接分析发现，DMN内部的功能连接以及DMN与任务相关网络间的功能连接在急性睡眠剥夺后均会降低［24］。上述结果说明，急性睡眠剥夺带来的损伤不仅与任务相关脑区的功能变化有关，还可能涉及DMN的变化：急性睡眠剥夺会使DMN与任务相关脑区间拮抗连接减弱，导致DMN无法被有效抑制，从而影响认知资源在执行任务时的调配。

1.2.4 “不稳定状态”理论 “不稳定状态”理论认为，随着觉醒时间的推移，个体内部的睡眠压力会一直累积，而当内部的睡眠压力累积到一定程度时，睡眠压力会与觉醒状态的维持起冲突，使个体陷入“不稳定”的状态中［3］。这种“不稳定状态”与介于睡眠与觉醒间的“微睡状态”类似，在PVT任务中，Lapse是“不稳定状态”的具体体现［11］，当对觉醒状态的维持大于积累的睡眠压力时，个体的行为表现仍可以维持在正常水平，而当睡眠压力大于对觉醒的维持时，大脑无法抑制睡眠剥夺带来的睡眠压力的影响，导致反应迟钝。

急性睡眠剥夺影响注意和工作记忆的神经机制存在着许多相同的变化，如FPN激活程度的减弱、DMN负激活程度的减弱、丘脑功能的“不稳定状态”，而且这些脑区的功能变化可以有效预测行为表现在急性睡眠剥夺前后的损伤。因此，KRAUSE等［6］整合了相关的研究结果，提出了可以解释“不稳定状态”内部神经机制的理论模型。该模型认为，丘脑是急性睡眠剥夺影响认知能力的重要节点，急性睡眠剥夺会使丘脑的功能变得不稳定，丘脑的激活增强时，脑干处上行的“觉醒信号”能正常传输到注意网络与DMN，从而维持注意网络与DMN间正常的拮抗关系；但当丘脑的激活下降时，觉醒信号会在丘脑处被截断，无法继续上传到注意网络与DMN，使两者间的拮抗关系陷入混乱。在执行任务时，DMN的激活无法被有效抑制会对FPN的正常激活造成干扰，使个体无法维持对目标刺激的注意，进而导致注意的短暂性脱离等行为表现的损伤（图1，修改自KRAUSE等［6］的综述）。

图1 “不稳定状态”的神经机制模型Figure 1 The neural mechanism for sleep-rested stable state vs sleepdeprived unstable state

2 急性睡眠剥夺对情绪功能的影响及其神经机制

急性睡眠剥夺对情绪功能的影响主要体现在情绪识别与情绪调控两个方面［5，25］。在神经机制上，情绪功能的损伤与杏仁核、内侧前额叶［5］、背侧前扣带回以及前脑岛激活程度的变化有关［26］。

2.1 急性睡眠剥夺对情绪功能的影响 在情绪识别方面，急性睡眠剥夺既影响对负性情绪的识别又影响对正性情绪的识别。处于急性睡眠剥夺状态下的个体更倾向于将中性刺激视为负性［27］或正性刺激［28］，将非威胁性面孔错误地辨别为威胁性面孔［5］。基于上述研究结果，有研究者提出情绪敏感性理论，认为急性睡眠剥夺对情绪识别的影响与情绪效价的方向无关，而是通过降低个体对情绪效价的敏感性，使个体在面对效价模糊的刺激时会更多地误判为效价程度更高的刺激［9］。此外，急性睡眠剥夺还会加剧对特定群体的内隐偏见和警惕性［29-30］。

在情绪调控方面，有研究发现，急性睡眠剥夺与睡眠抑制均会使个体变得更易怒［31］，产生更多抑郁焦虑的消极情绪［32］。研究者通过加大任务难度、限制反应时间、提供消极反馈等方式向受试者施加的压力，结果发现处于急性睡眠剥夺状态下的受试者会报告更高的愤怒与敌对情绪［33］。因此，急性睡眠剥夺对情绪调控的影响包括两个方面：（1）对负面信息过度关注，无法将注意力集中于积极的社会信息；（2）更倾向于采用非理性的方式宣泄情绪，无法采用正确的情绪管理策略［25］。

2.2 急性睡眠剥夺影响情绪的神经机制 早期研究发现，急性睡眠剥夺后的个体在识别负性图片时杏仁核的激活增强60%［34］，随后的功能连接分析发现，内侧前额叶与杏仁核之间的功能连接强度会减弱［35］。情绪相关理论认为焦虑障碍的产生源于杏仁核过度激活和前额叶失活，对情绪的正常感知依赖于内侧前额叶对杏仁核自上而下的调控。因此内侧前额叶与杏仁核的功能连接在急性睡眠剥夺后减弱，会妨碍前额叶对皮质下区域的情绪信号有效地整合，进而引发情绪功能紊乱［9］。

近期研究发现，急性睡眠剥夺对情绪功能的影响还涉及背侧前扣带回激活的增强与前脑岛激活程度的减弱，在观看容易引发焦虑情绪的视频时，急性睡眠剥夺会造成内侧前额叶的激活程度下降，杏仁核以及背侧前扣带回过度激活［26］。在对非威胁性与威胁性面孔的情绪识别任务中，急性睡眠剥夺后的个体在面对非威胁性面孔时背侧前扣带回的激活程度会增强，面对威胁性面孔时前脑岛的激活程度会减弱［5］。

情绪敏感性理论得到上述功能磁共振研究结果的支持。在分辨威胁性面孔与非威胁性面孔的任务中，前扣带回与前脑岛的异常激活，导致前脑岛与前扣带回各自在面对不同情绪效价面孔时的激活无差异。突显网络既与注意、工作记忆等认知功能相关，也与“厌恶”“威胁”等负性情绪的感知有着密切关联［10］，在正常状态下，面对非威胁性面孔时前扣带回与前脑岛的激活会较弱，面对威胁性面孔时的激活会增强，两个脑区在各自面对不同效价刺激时激活的差异是维系正常情绪识别功能的关键［26］。但在急性睡眠剥夺后，前扣带回与前脑岛各自在面对不同效价刺激时的激活程度均不存在差异，造成中枢神经系统对情绪效价的敏感性降低，导致个体会更多地将非威胁性面孔判别为威胁性面孔［5］。

3 小结与展望

在行为层面，急性睡眠剥夺对情绪功能的影响体现为将中性刺激识别为情绪效价更高的刺激，无法有效调节压力情境带来的负性情绪。在神经机制层面，急性睡眠剥夺的影响不仅体现在情绪相关脑区杏仁核激活的减弱上，还涉及认知功能相关脑区内侧前额叶激活的减弱，还会引起既参与认知功能也参与情绪功能的背侧前扣带回激活的增强、前脑岛激活的减弱。

从行为到神经机制的层面，本文梳理了关于急性睡眠剥夺在认知与情绪功能上的研究结果；在行为层面，急性睡眠剥夺会使个体在注意、工作记忆以及抑制控制任务中的行为表现受损，还会使个体在执行情绪识别任务时更倾向于将中性刺激识别为情绪效价更高的刺激，也会导致个体无法有效调节压力情境带来的负性情绪。在神经机制层面，急性睡眠剥夺对认知功能的影响体现在FPN、背侧前扣带回、前脑岛等脑区激活程度的减弱，DMN相关脑区负激活程度的减弱，以及丘脑激活的“不稳定状态”。在情绪功能中，则体现为杏仁核的过度激活，内侧前额叶激活程度的减弱，杏仁核与内侧前额叶功能连接的减弱，以及背侧前扣带回激活程度的增强和前脑岛激活程度的减弱。

对比上述研究发现，内侧前额叶与突显网络的脑区在认知与情绪任务中均存在显著的状态间差异，其中前额叶激活的减弱可能与急性睡眠剥夺所引发的认知资源不足的状态有关［3］，而突显网络的变化则可能与认知资源的调控功能的受损有关。下文会围绕突显网络在认知与情绪功能中的调节作用［10］，来解释急性睡眠剥夺在影响认知与情绪功能的神经机制中的异同。最后总结动态脑网络技术与社会任务在急性睡眠剥夺的前沿研究中的应用，并提出未来睡眠剥夺研究可以继续探索的方向。

3.1 “认知-情绪双补偿模型”——突显网络对情绪与认知功能的调控 在“认知-情绪双补偿模型”中，突显网络在认知与情绪功能中扮演着“调节者”的角色，参与调控认知资源在认知与情绪功能间的分配。当面对中性刺激时，背侧前扣带回与前脑岛在个体执行认知负荷更大的任务时激活会增强，以协助个体调用认知资源更好地完成任务［10］。因此，突显网络在认知任务中激活程度的减弱说明急性睡眠剥夺对认知资源的调控系统的损伤，导致大脑无法调用更多的认知资源补偿急性睡眠剥夺对认知功能的影响。

在正常人群的研究中，背侧前扣带回与前脑岛的功能变化是一致的，在加工情绪刺激时，当任务的认知负荷较小时，由于突显网络是对新异刺激敏感的脑区，背侧前扣带回与前脑岛激活增强，导致注意资源被情绪刺激吸引，造成对认知功能的干扰，但当认知负荷较大时，背侧前扣带回与前脑岛激活减弱，大脑会抑制对情绪信息的关注，同时杏仁核的激活会减弱，但视觉皮质的激活会增强，从而补偿认知功能、提高认知任务上的表现［10］。

但在急性睡眠剥夺影响情绪功能的研究中，背侧前扣带回与前脑岛存在不一致的状态间变化。其中值得注意的是，背侧前扣带回激活的增强在观看焦虑视频与识别威胁面孔的两个任务中均有出现，但前脑岛激活的减弱仅出现在威胁面孔的识别任务中，因此这种不一致的变化可能是因为背侧前扣带回是受睡眠剥夺影响更敏感的脑区。

而前脑岛激活的减弱认为与GOLDSTEINPIEKARSKI等［5］的威胁面孔识别任务的难度相关，该任务所使用的面孔刺激是由电脑生成的情绪效价模糊的图片，这与其他使用真实图片的情绪辨别任务相比会给受试者带来更大的认知负荷。基于LUO等［10］研究，在负性情绪刺激的条件下，个体在执行认知负荷大的任务时前脑岛以及杏仁核的激活会减弱，所以在其他认知负荷较低的情绪识别研究中并没有发现前脑岛激活的减弱，而在GOLDSTEIN-PIEKARSKI等［5］研究中的威胁面孔识别任务中也没有出现杏仁核的过度激活。因此，前脑岛激活的减弱，说明大脑在尝试抑制对情绪效价过多的关注，但背侧前扣带回的过度激活可能破坏了大脑对情绪信息的调控，导致处于急性睡眠剥夺状态下的个体最后无法有效控制对情绪信息的感知。

从“认知-情绪双补偿模型”出发能部分解释急性睡眠剥夺在认知与情绪功能上神经机制变化的异同，在认知与情绪任务中内侧前额叶激活的减弱说明急性睡眠剥夺后个体会处于认知资源匮乏的状态，在面对认知负荷较高的情绪任务时，前脑岛激活的减弱可能代表大脑在尝试调控情绪功能中的认知资源以弥补认知功能的损伤。通过情绪Go/No-go任务发现，负性刺激可以补偿睡眠剥夺对认知表现的损伤并使击中率提高到比正常状态时更高的水平，该研究从行为层面支持了对突显网络在急性睡眠剥夺前后激活变化的解释，但仅停留在行为层面，无法从脑机制上验证突显网络在其中发生的变化［36］。过往在情绪功能上的研究均仅关注睡眠剥夺对情绪识别或情绪调控等情绪功能的影响，未来研究可以从行为与脑机制的层面进一步探讨情绪刺激对睡眠剥夺效应的补偿机制，这将有助于进一步理解睡眠剥夺对突显网络的影响机制，并且能帮助人们在现实的生活与工作中利用情绪刺激调节由睡眠不足带来的认知损伤。

3.2 动态功能连接分析——探讨急性睡眠剥夺神经机制的新方法 根据“不稳定状态”理论的假设，睡眠剥夺的个体会在微睡眠与觉醒维持两种状态间切换。因此丘脑、DMN、FPN等相关脑区之间的关系会随不同“状态”的切换而有所变化。但之前的研究大都采用静态的功能连接分析，即计算大脑在扫描期间的平均功能连接，容易掩盖“不稳定状态”的动态变化及其神经活动。不同于传统的静态功能连接分析，动态功能连接通过滑动时间窗与聚类分析等降维的方法结合，将长时段的数据切割成连续的若干小段，并计算出不同的“神经活动状态”随时间推移的动态变化［37］。

WANG等［38］研究者首先将动态功能连接分析应用到睡眠剥夺的研究中，在睡眠剥夺状态下的静息状态与任务状态的脑成像数据中分离出“高警觉状态”和“低警觉状态”两种不同的大脑活动状态，并且发现Lapse的数量与“高警觉状态”所占时长呈负相关，与“低警觉状态”呈正相关。而且，这两种“神经活动状态”的功能连接间的差异与静态功能连接分析中正常睡眠和急性睡眠剥夺状态间的差异具有很高的相似性［39］，说明即使处于急性睡眠剥夺的极端状态下，大脑在部分时间点上（即处于高警觉状态的时候）可以维持正常的活动模式。后续研究发现，在正常睡眠时分离出的“高警觉状态”与“低警觉状态”可以预测个体在长期睡眠抑制后的行为表现［40］。通过动态功能连接所分离出的“神经活动状态”的特征（如停留时间、转换比例）在急性睡眠剥夺前后的变化与行为表现的变化有显著相关关系［41］。

这些成果进一步验证了动态功能连接分析在揭示“不稳定状态”理论上的有效性。未来研究可以进一步将动态网络分析与脑网络的拓扑属性相结合（如小世界属性、模块化分析、全局效率等）［42］，这有助于分离出与睡眠缺失关系更为密切的脑功能指标，完善“不稳定状态”的神经模型。

3.3 睡眠缺失对社会行为的影响 社会行为泛指由社会刺激所引发的人类活动（如合作、竞争、信任等）。睡眠缺失对社会行为的影响体现在多个方面，如减少利他行为［43］、拒绝合作［44］、共情的敏感性降低［45］。相比于认知行为任务，社会行为的研究范式更具创新性，也更贴近人们的日常生活，因此对睡眠缺失影响社会行为的研究也更具现实意义，是未来睡眠缺失研究的热点之一。但由于社会行为的复杂性，大部分睡眠缺失与社会行为的研究仍停留在行为层面。未来的研究需要更多地参考社会神经科学的实验设计与分析方法。如BENSIMON等［46］对孤独感与社交回避的研究，灵活地将线上调查、行为研究、磁共振扫描等多种研究方式相结合，发现急性睡眠剥夺会导致心理理论网络的激活减弱，临近空间网络的激活增强，而且睡眠剥夺前后临近空间网络的增强程度可以显著预测个体社交距离的变化。这项研究为进一步探讨睡眠缺失情况下脑活动与社会行为变化的关系提供了重要启示。此外，利用静息态的磁共振技术研究睡眠缺失对个体社会功能的影响（如恐惧记忆）［47］是另一个切实可行的途径。

作者贡献：麦子峰进行文章的构思及撰写、文献收集及整理；许鸿燕进行文章的设计及修订；马宁负责文章的构思、修改及审校，对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。