同步EEG-fMRI在睡眠与觉醒中的应用

2022-11-25张亚男孙晴晴唐铭阳李惠敏综述赞审校

中风与神经疾病杂志 2022年3期

张亚男，汤琪，孙晴晴，唐铭阳，李惠敏综述，王赞审校

睡眠是机体维持健康必不可少的生理过程，目前脑电图(electroencephalography，EEG)可以快速且准确的识别睡眠的神经电生理现象，如纺锤波、K复合波及慢波睡眠等，已广泛应用于研究睡眠分期[1]及异常睡眠模式[2]，但其空间分辨率较低，无法识别特定区域的大脑活动。相比之下，功能磁共振(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的空间分辨率高且可检测大脑深层活动，已广泛应用于研究睡眠与觉醒，但其时间分辨率较差，只能通过血流及血氧水平依赖(Blood Oxygenation Level Dependent，BOLD)信号间接检测神经元活动。因此，目前多采用同步脑电图联合功能磁共振技术(EEG-fMRI)灵敏而精确的监测大脑睡眠与觉醒活动[3]。本文就EEG-fMRI在睡眠与觉醒中的应用研究进展综述如下。

1 睡眠与觉醒

脑功能状态在睡眠过程中发生显著的周期性变化。根据多导睡眠监测，联合脑电图、眼动图和肌电图明确区分为清醒期、快速眼球运动睡眠(REM)和非快速眼球运动睡眠(NREM)，NREM根据睡眠深度进一步划分为NREM睡眠1期(N1)、NREM睡眠2期(N2)及NREM睡眠3期(N3)。由觉醒到睡眠阶段的过度主要由机体稳态和昼夜节律所介导的睡眠驱动增加所致。稳态因素包括三磷酸腺苷消耗和腺苷积累，最终导致乙酰胆碱释放减少。上行网状激活系统 (ARAS)主要促进觉醒[4]，该系统中的胆碱能活动也参与REM睡眠。此外，睡眠也可能通过抑制下丘脑腹外侧视前区的觉醒系统来实现[5]。

丘脑是参与睡眠期间大脑活动调节控制的重要区域，其包括将信号从 ARAS系统传递到整个新皮质的非特异性核团，通过丘脑-皮质环路与皮质有广泛的双向连接，在整个睡眠-觉醒周期中调节新皮质觉醒。此外，丘脑参与睡眠的电生理表现，包括 K 复合波、纺锤波和慢波振荡[6]。

下丘脑、脑桥及基底前脑也参与睡眠调节，这些区域通过γ-氨基丁酸、乙酰胆碱、下丘脑泌素、去甲肾上腺素和5-羟色胺等神经递质参与调节下游区域的活动和兴奋性。这些神经递质由调节神经元释放，并远程调节下游神经环路[7]。基底前脑和脑干神经核团以复杂的方式相互作用调节睡眠，通常涉及多种神经递质[8]。

2 睡眠与EEG-fMRI

早期研究表明睡眠的行为学特征为觉醒阈值的增加[9]，且与EEG 慢波之间存在强相关性[10]，但睡眠-觉醒周期不仅仅由觉醒阈值决定，早期正电子发射型计算机断层显像(PET)证实整个睡眠-觉醒周期的区域性代谢变化。近年来，fMRI作为神经影像学的主要方法已广泛应用于睡眠领域研究。因此，针对特定睡眠的网络活动研究可通过结合使用EEG和fMRI等影像学方法来进行[11]。为了研究不同睡眠阶段之间大脑活动的差异，可使用脑电图来检测或进行睡眠分期，然后以特定睡眠分期方式分析fMRI的相关结构或信号波动水平[12]，也可以分析特定的脑电图特征与 fMRI信号波动水平的相关性。同时EEG-fMRI在睡眠纺锤波、K复合波等自发电活动的定位、作用及不同睡眠分期中得到广泛应用。

目前多数fMRI研究主要集中于NREM期，fMRI 信号波动与不同意识水平有关[13]。早期PET研究发现，多数大脑区域的脑血流量(CBF)随着睡眠的加深而降低[14]，网状结构及其背侧和腹侧投射在睡眠期间的局部CBF(rCBF)降低。在这些投射中，fMRI显示下丘脑和多模态脑区皮质在睡眠时功能连接较强，清醒时则没有这种连接[15]。这些模式之间的明显差异可能是由于rCBF(PET测量)及其波动(fMRI测量)提供不同的信息所致。然而，fMRI信号的持续存在及其在睡眠中的相关性支持了大脑活动的存在，这种活动不需要在集中注意力及警觉状态下体现。

α节律在成人闭眼、放松的觉醒状态下出现，研究表明其与默认模式网络(DMN)相关[16]。当EEG中θ节律增加及α节律减少时表明进入N1期，当β和γ节律增加时，表示处于警觉状态并与外部保持联系。在进入睡眠的过程中，α节律和注意力网络(DAN)之间的相关性降低。此外，有研究表明α节律也与前岛叶相关，这可能与试图避免入睡及维持觉醒有关，其可能反映了清醒期与 N1 之间的间歇性转换[16]。

N2的脑电图标志是纺锤波和 K 复合波。PET研究表明纺锤波发生率与丘脑CBF呈负相关[17]。有研究指出睡眠期间存在两种不同类型的纺锤波，分为慢纺锤波和快纺锤波。EEG-fMRI研究提示两种纺锤波共有的激活模式涉及丘脑、边缘结构(前扣带回和岛叶)和颞上回。除了常见的激活模式外，慢纺锤波与额上回活动增加有关。快速纺锤波与感觉运动皮质、近中额叶皮质及海马有关，其进一步支持了NREM睡眠中两种纺锤波类型的存在，它们可能具有不同的功能[18]。K复合波与丘脑、脑干、感觉运动区及岛叶BOLD信号水平相关[19]，其在促进睡眠和觉醒方面具有双重作用[20]。

N3的特征是慢波睡眠(SWA)增加。PET研究表明随着SWA的增加，全脑rCBF下降[21]。fMRI显示N3期多个脑区的BOLD信号增强，包括额叶内侧、海马旁回、楔前叶、后扣带回、中脑被盖和小脑[21]。N3期脑桥的相关活动区域包括蓝斑核，其已被证实与觉醒有关，但在动物模型中与SWA同步活跃[22]，有待进一步研究。

在REM 睡眠期间，PET显示脑干、丘脑和纹状体外枕叶皮质的rCBF增加。fMRI发现REM睡眠期间在海马、杏仁核、扣带回和感觉皮质观察到rCBF增加，提示其可能在记忆巩固和情绪调节方面发挥作用[23]。fMRI研究表明，REM睡眠开始时间与丘脑、枕叶皮质和脑桥的信号相关[24]。此外，眼动的出现与BOLD信号振荡直接相关，可以验证脑桥-膝状体-枕叶(PGO)波在人类睡眠中的存在，PGO波主要出现在眼动之前，其被认为是REM睡眠的发生源。在REM睡眠中与快速眼动有直接时间联系的BOLD信号激活区是双侧丘脑以及次级视觉皮质，与动物模型中PGO波活动模式较为一致[25]。此外，PGO波可能与记忆巩固有关[26]。

3 EEG-fMRI在失眠障碍中的应用

失眠是临床常见的睡眠问题之一，长期失眠不仅会降低生活质量、影响社会功能，还会引发一系列躯体和精神疾病，严重影响人们的身心健康[27]。目前关于失眠的具体机制尚不完全清楚，研究表明过度觉醒在失眠的病理生理中起关键作用。失眠患者在躯体、认知和大脑皮质活动方面表现出更高的觉醒水平，心率、激素水平、新陈代谢及交感神经活动增加[28]。现有的关于失眠的fMRI研究文献主要集中于失眠在任务态和清醒状态下的脑功能机制，尚未发现一致的结果[29]。EEG-fMRI可在特定的睡眠时期为脑功能活动提供依据。

丘脑是上行网状激活系统的主要部分[30]，丘脑活动与从NREM睡眠到清醒的过度、NREM睡眠期间觉醒、麻醉恢复及警觉水平密切相关[31～33]。Zou等研究表明失眠患者在清醒和NREM睡眠期表现为左侧杏仁核、海马旁回、壳核及苍白球与丘脑功能连接降低[34]，失眠患者在清醒状态下丘脑-皮质连接更活跃，其表明失眠患者的大脑在夜间较为清醒及警觉，且日间过度思睡与丘脑-皮质连接下降有关[35]。此外，失眠患者入睡后使用听觉和正中神经刺激发现丘脑区激活但皮质区失活[36]，其表明睡眠期间丘脑和某些皮质区存在双向作用及与觉醒水平相关。失眠患者在睡眠时，尤其是浅睡眠时，可能更容易受到干扰，觉醒水平更高。此外，客观和主观睡眠参数之间的差异是失眠障碍的主要临床症状[37]。Zou等研究发现连接网络为客观和主观的睡眠感知之间的差异提供了一个可能的解释。杏仁核、海马和海马旁回参与情绪调节和记忆巩固，这些脑区在N1期的连接与睡眠知觉障碍密切相关，表明N1期过程中丘脑与这些边缘区连接的降低影响了昼夜节律信息的处理。N1期异常的感觉信息介入，以及与昼夜节律信息相关的记忆和情绪调节的丧失可能导致失眠患者的睡眠知觉障碍。有证据表明REM睡眠也会导致睡眠知觉障碍[38]，REM睡眠的脑电特征与N1相似，其脑功能网络有待进一步研究。此外，在嘈杂和狭窄的环境中，EEG-fMRI还会影响客观睡眠的采集与评估。

Shao等发现失眠患者扣带回中与纺锤波相关的BOLD信号显著降低，其与匹兹堡睡眠质量指数量表(PSQI)评分及焦虑自评量表(SAS)评分相关[39]，表明扣带回中与纺锤波相关的大脑激活与主观睡眠质量及情绪调节有关，这一发现与先前的 fMRI 研究一致[40，41]。此外，前扣带回皮质(ACC)是情绪回路的一部分，是处理抑郁和焦虑的重要区域[42]。ACC 中功能连接的增加与主观睡眠质量和抑郁症状相关，这种功能连接提示抑郁症与睡眠质量之间的相关性[43]，为研究睡眠障碍与情绪障碍提供依据。