夜班环境中睡眠剥夺对成年人认知表现的影响

宋艳平, 覃 伟, 吕芯芮, 王子尧, 党卫民, 陈志忠, 刘宝花,董问天

睡眠对于保持良好的精神状态和身体健康至关重要，睡眠充足的成年人认知表现更佳，比如思维敏捷、注意力集中，并具有良好的记忆力[1]。但是，医院、航空等服务行业由于工作的特殊性，常采取轮班制工作。调查显示，发达国家中约21%的劳动人口从事轮班工作，此类从业人员存在不同程度的睡眠剥夺[2]。轮班工作人员的轮班工作通常与昼夜节律紊乱有关，轮班工作中的夜班须在夜间进行，与昼夜节律之间的冲突通常会导致认知能力下降[3]，甚至降低工作效率，增加工作中的失误和事故风险；因而困倦、判断力不佳成为造成夜班工作场所事故的主要原因[4]。既往有人研究睡眠剥夺对认知能力的影响，但是多为动物实验，且国内相关研究较少。该研究模拟轮班环境，以探究夜班中的睡眠剥夺对轮班工作人员的影响。

1 材料与方法

1.1 试验对象通过网络招募北京高校学生为试验对象，试验开始前获得了北京大学第六医院伦理委员会的批准，并获得了试验对象的书面知情同意。试验时间为2019年6月24日—2019年7月31日。试验对象均符合以下标准：① 年龄：18～50岁；② 心理筛查(明尼苏达多相人格量表和抑郁自评量表)测试未见异常；③ 既往无影响认知功能的器质性疾病病史(包括脑血管疾病、颅内肿瘤、癫痫等病史)；④ 既往无神经或精神系统疾病(包括焦虑、抑郁、失眠、特殊恐怖症、神经衰弱、酒精及药物依赖等)；⑤ 近半年内未服用助眠药物(包括地西泮、硝西泮等)。

1.2 试验设计试验对象在北京大学第六医院医生办公室模拟轮班工作，模拟四天制的轮班工作周期，即1个白班结束后，接1个夜班，然后休息2 d，每次夜班持续9 h；本研究进行1个周期的研究。办公室是光线和温度受控的环境，光线照度为300 lux，环境温度维持在(25±1)℃。因为本文旨在研究轮班期间睡眠剥夺对认知表现的影响，因此所有评估测试均在夜班期间进行。

试验采用重复测量设计，试验对象在夜班期间完成认知表现测试，包括持续注意力测试(continuous performance test, CPT)和数字广度测试 (digit span test, DST)(测试时间分别为22∶00、02∶00、07∶00)，以及卡罗林斯卡嗜睡量表自评 (Karolinska sleepiness scale, KSS) (测试时间分别为22∶00、02∶00、04∶00、06∶00、07∶00)，每个测试开始前均有标准化测试说明。

此外，要求试验对象从上班前的4 h到下班结束期间，避免食用含咖啡因、尼古丁、酒精的食物或饮料，同时避免在夜班前及夜班期间打盹。试验对象在试验期间自行完成日常工作，对内容不做要求。

1.3 持续注意力CPT应用于在一段时间内持续注意力的定量评估，是目前具有足够可靠性指标的标准化计算机测试，有学者使用该测试评价轮班制人群的注意力[5]。该研究中该测试在手机上操作，屏幕上会显示150个数字，其中20%为目标数字，当目标数字出现，要求研究对象要求点击屏幕，当研究对象点击目标数字时，计为正确数量，点击非目标数字时，计为错误数量，未点击目标数字时，计为错失数量。每个数字出现时间为150 ms，数字之间的时间间隔为550 ms。在该测试中，评价指标为正确数量、错误数量、错失数量和反应时间。在夜班开始、中间以及结束时行进该测试。

1.4 工作记忆DST不仅有助于评估注意力表现，还可以评估短期记忆，该测试包括正序测试和倒序测试。DST在昼夜节律紊乱人群中应用较多，有关住院医师的轮班工作研究表明[6]，夜间轮班后记忆、执行力下降，DST能够有效评价工作记忆表现。研究对象在听完一组随机数字后，将其用正序和倒序重复，直到不能正确复述为止，以正确的最高数字位数记分。例如，如果受试者正确地正序复述5位数字序列，但是在复述6位数时失败，则将在正序测试中得到5分，以得分主要评价受试者的听觉语言工作记忆和执行功能。在夜班开始、中间以及结束时行进该测试。

1.5 卡罗林斯卡嗜睡量表对于警觉性的研究，应用比较广泛的是KSS，其有效性已经得到了主客观指标的验证，KSS与脑电图及精神运动警戒任务(psychomotor vigilance task，PVT)结果的高度相关性表明其是方便可靠的评估工具，与其他主观嗜睡量表的高度相关结果则证明KSS有很大的信效度[7]。KSS是一种主观的嗜睡指标，通常用于评估受试者的嗜睡状态，在轮班制人群的研究中得到了广泛应用。KSS评分包括：1=非常警觉，3=警觉，5=既不警觉也不困，7=困(可以保持清醒)，9=非常困(努力保持清醒)。在夜班期间，每2 h测试1次。

1.6 统计学处理采用SPSS 24.0统计软件对所有数据进行处理，分类变量使用频数及构成比表示(性别)，数值变量符合正态分布以表示，不符合正态分布用中位数及四分位数[M(P25,P75)]描述。使用单因素重复测量方差分析比较测试结果，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 基本情况本文最终共纳入48例试验对象。其中，男性33例(68.75%)，女性15例(31.25%)。年龄分布在20～45岁，平均年龄25.75岁，教育水平以硕士研究生以上为主，占比50.08%。

2.2 持续注意力试验对象的持续注意力表现如表1所示，夜班工作对正确数量的影响具有统计学意义[F(2,90)=4.16，P=0.02]，夜班开始、中段及结束时测试的正确数量分别为24.41个、25.17个及22.89个，不同时间的正确数量存在差异，相较夜班中段时，夜班结束时减少了2.28个(95%CI：0.78～3.78)。夜班工作对错误数量的影响具有统计学意义[F(1.67,74.96)=4.36，P=0.02]，夜班期间错误数量分别为4.26个、4.07个及5.87个，相较夜班开始时，夜班结束时增加1.61个(95%CI：-0.06～-3.16)。夜班工作对错失数量的影响具有统计学意义[F(1.45,65.14)=9.40，P<0.01]，夜班期间错失数量分别为5.35个、4.30个及7.11个，相较夜班开始时，结束夜班时错失数量增加1.76个(95%CI：-0.09～-3.43)。夜班工作对反应时间的影响具有统计学意义[F(2,90)=30.74，P<0.01]，夜班期间各时点的反应时间分别为390.98、409.21及422.62 ms，相较夜班开始时，夜班中段的反应时间增加18.23 ms(95%CI：-10.09～-26.37)，夜班结束时增加31.64 ms(95%CI：-23.13～-40.14)。见表1、图1。

表1 CPT及DST的重复测量方差分析结果

图1 持续注意力表现A:正确数量平均数; B:错误数量平均数; C:错失数量平均数; D:反应时间平均数

2.3 工作记忆试验结果显示，夜间工作对工作记忆表现总分的影响差异无统计学意义[F(2,94)=1.28，P=0.28]，夜班期间的总分分别为26.27、27.02及26.64。对正序得分[F(1.76,82.52)=1.48，P=0.24]及倒序得分[F(1.45,68.25)=1.19，P=0.30]的影响差异无统计学意义，夜班期间正序得分分别为13.88、14.40及14.21，倒序得分分别为12.40、12.68及13.21。见图2。

图2 工作记忆及警觉性表现A:DST总分平均数；B:DST正序得分平均数；C:DST倒序得分平均数； D:KSS评分平均数

2.4 警觉性由表2可知，夜班工作对KSS评分有显著影响[F(3.34，157.11)=60.32，P<0.01]，夜班期间各个时间点的KSS评分差异具有统计学意义，相较夜班开始时，KSS评分均有所增加，0 ∶00时增加了0.52(95%CI：-0.91～-0.13)，2 ∶00时增加了1.83(95%CI：-1.33～-2.33)，4 ∶00时增加了3.41(95%CI：-2.87～-3.97)，6 ∶00时增加了3.50(95%CI：-2.80～-4.20)，7 ∶00时增加了3.52(95%CI：-2.83～-3.65)。

表2 警觉性的重复测量方差分析结果

3 讨论

该试验结果显示，夜班工作对注意力表现有显著影响，试验对象在夜班后注意力表现较差。与夜班开始时相比，试验对象在夜班结束时出现更多的持续注意力测试错误情况、反应时间明显增加，表明夜班后，其持续注意力能力明显下降，这与Franzen et al[8]的结果一致，随着睡眠剥夺时间的延长，认知表现会受到更为明显的影响。结果还显示，与夜班开始相比，睡眠剥夺明显增加了试验对象的反应时间，与以往研究[9]一致。反应时间的增加反映了相关脑区的活动状态变化，有研究发现睡眠剥夺会导致海马、中央后回等区域活动减弱[10]，提示存在脑区代谢率下降，同时葡萄糖显著减少，进而影响机体的注意力等认知表现[11]。因此，脑区相关的活动减弱可能是导致认知表现下降的潜在机制。此外，认知能力下降可能与昼夜节律紊乱有关，工作时间表与昼夜节律产生冲突，难以维持正常的认知表现。

工作记忆表现结果未发现明显差异，短暂的睡眠剥夺尚未对试验对象的工作记忆产生显著影响，与国外以往研究结果一致[12]，部分和完全睡眠剥夺对视觉工作记忆没有影响。但是，Quigley et al[13]研究表明，睡眠剥夺会使反映复杂任务功能的工作记忆测试表现下降。工作记忆对于学习和工作很重要，因此在今后的研究中，有必要补充其他工作记忆测试，进一步明确夜班期间睡眠剥夺的影响。

该研究同时发现，夜班环境下的睡眠剥夺会增加试验对象的疲倦程度，降低警觉性。以往使用客观或主观嗜睡测量方法的研究均表明，睡眠剥夺会降低警觉性[14]。睡眠觉醒节律与褪黑激素节律相似，会随着光照条件改变而变化，在夜间，褪黑激素增加会导致嗜睡感增强[15]，由于夜班工作改变了睡眠习惯，在夜班期间褪黑激素分泌增加，增加嗜睡感，因此在夜班期间，警觉性会随着时间而下降，夜班工作也会因严重的困倦而容易引发事故。

该研究存在着以下不足。首先，模拟夜班环境与真正的夜班环境有所差别，虽然真实的夜班工作人员(如保安、护士)结果更为可靠，但是因为研究对象的招募等问题导致可操作性较差，使得前期在保安及护士人群的预试验难以进行，因此，本研究通过采取各种质量控制手段进行了模拟夜班试验。其次，因为同样的原因，选取的研究对象为健康且睡眠良好的大学生，效果可能与真实的轮班工作人群存在偏差，但是结果显示，模拟夜班表现与真实环境相似，均有持续注意力、警觉性表现的不良影响。最后，由于场地有限、监督工作人员较少等客观条件的限制，仅研究了一个夜班周期，时间较短，使得对工作记忆的影响尚未显现，未来的研究仍需在真实的工作环境下研究轮班工作的影响。

该文结果证实了睡眠剥夺对认知表现的影响，夜间工作时间表和昼夜节律之间的冲突会影响夜班期间的认知表现，包括持续注意力水平降低、警觉性减弱。睡眠剥夺后，反应时间明显变慢，警惕性降低，这表明机体无法对刺激及时做出快速反应。因此有必要对轮班制人群制定有效的措施加以干预，维持正常的认知表现能力，减少事故发生，降低风险。