运动改善睡眠：基于PSG 的研究现状与思考

杨佳奕，李佑发

人的一生中，大约有三分之一的时间是在睡眠中度过的［1］。睡眠期间的个体面对外界刺激时，其感觉系统的反应度下降，身体的运动系统会停止任何有目的的活动［2］，且此时大脑会出现不同于清醒时期的脑电波变化。通过脑电图（缩写为EEG）监测，研究人员根据睡眠期间脑电波的变化特点，将睡眠阶段分为非快速眼动（缩写为NREM）睡眠和快速眼动（缩写为REM）睡眠［3］。NREM睡眠可以进一步分为阶段1 至阶段4 的睡眠。在正常的睡眠过程中，个体会依次经历NREM 睡眠的阶段1 至阶段4，再进入REM 睡眠阶段。阶段3 和阶段4 的睡眠是睡眠的最深阶段，其特点是脑电波中出现delta 波（0.5～4 HZ 的脑波活动），也称慢波活动（缩写为SWA），上述这2 个阶段的睡眠也被称为“慢波睡眠”（缩写为SWS）［4］。研究表明，更好的睡眠除了与睡眠时长、睡眠连续性和睡眠结构有关以外，也与睡眠深度有关，NREM睡眠阶段中SWA的增加通常代表了睡眠深度的增加，体现了更好的睡眠质量［5］。

睡眠作为人类的基本需求之一，在调节人体机能和维持大脑功能中起到了至关重要的作用［6］。而随着人们生活方式的转变和社会节奏的加快，睡眠问题已经影响了全球45%的人口的生活质量，逐渐成为一个全球性的公共卫生问题［7］。研究显示，睡眠质量差或睡眠不足的个体患有肥胖症、糖尿病、心血管疾病、认知障碍和精神疾病的风险显著增加［8］，严重损害了个体的身心健康。目前用于改善睡眠质量的治疗方法依然比较有限。最常见的药物疗法通常会导致个体出现药物依赖和认知功能下降等负面健康问题［9］。相比之下，运动作为一种有计划、可重复实施的，维持或增进身体健康的身体活动［10］，具有安全、低成本、易操作的特点，已经成为改善睡眠的主要非药物疗法之一［11］。Park 等通过对185 958 名参与者的运动情况和睡眠数据进行分析后发现，与长期久坐的人相比，每周运动参与者有更好的睡眠质量［12］。在一项荟萃分析中，Kredlow等发现了运动对睡眠的有益影响，且长期的运动干预比单次的运动干预对睡眠质量的改善效果更好［13］。

近年来，随着认知神经科学的兴起和发展，EEG和包含EEG、心电图、肌电图、眼电图等多个指标的多导睡眠监测（缩写为PSG）技术的广泛应用为睡眠监测提供了更多模态的客观评估方法，同时也从认知神经科学的角度为运动改善睡眠提供了新的证据。本文将介绍基于PSG 监测睡眠质量的运动干预研究，并试图厘清运动改善睡眠的内在机制，最后根据当前研究进展对该领域的未来发展趋势进行展望。

1 运动对睡眠质量的影响

在关于运动与睡眠质量关系的研究中，研究人员通常使用PSG、EEG 或具有EEG 传感功能的头戴式睡眠监测工具来评估参与者的客观睡眠质量。客观睡眠质量可以通过总睡眠时长、睡眠连续性、睡眠深度、睡眠结构等参数进行评估。目前，运动与睡眠质量之间的研究包括横断面的关联研究和实验干预的因果研究，下文将从不同研究方法回顾该领域的研究进展，并对不同干预方法进行归类介绍。

1.1 运动与睡眠质量的关联研究

Edinger 等在1993 年首次采用PSG 验证运动与睡眠的相关关系［14］，他们使用夜间实验室PSG 监测12 名具有运动习惯和12 名久坐不动的老年男性的睡眠过程。该研究发现，与久坐的参与者相比，有运动习惯的参与者有更短的睡眠潜伏期、更少的入睡后觉醒时间、更少的碎片化睡眠、更高的睡眠效率及更多的SWS。尽管该研究未能探讨两者的因果关系，但该研究为运动和客观睡眠质量之间的正相关关系提供了初步支持。2010 年后，随着认知神经科学的发展和PSG 技术的普及，该问题也出现了新的研究浪潮，Brand 等研究者于2010 年在38 名平均年龄为18.59岁的青少年中发现，与每周锻炼2 h 的青少年相比，每周锻炼8.5 h 的青少年在睡眠过程中有更多的SWS、更少的觉醒次数和更少的REM 睡眠时间［15］。该研究的结果表明，每周进行规律运动与客观睡眠质量之间存在正相关关系。Brand 等在同年的另一项研究中还比较了每周进行高强度运动14 h 的青少年男性运动员与每周进行高强度运动1.5 h 的青少年在睡眠期间的EEG［16］，尽管睡眠监测是在当天没有运动的情况下进行的，但研究人员还是在青少年运动员中发现了更高的睡眠效率、更短的入睡潜伏期、更少的入睡后觉醒、更多的第4 阶段睡眠和更少的REM睡眠。该研究的结果表明，日常进行高强度运动可能与青少年更高质量的夜间睡眠存在正相关关系。

除了老年人和青少年，针对成年人的横向研究也发现了运动与睡眠质量之间的正相关关系。Gerber 等在2014 年通过EEG 评估了42 名本科生的客观睡眠质量，并通过活动记录仪评估了参与者的运动情况［17］。研究发现，与中等强度运动相比，参与高强度运动与个体总睡眠时间、第4 阶段睡眠时间、SWS 时间和REM睡眠时间相关。这项研究说明，不同的运动强度与睡眠的关系可能不同，与中等强度运动相比，高强度运动可能对睡眠质量的改善效果更好。

Mesas 等在2018 年利用威斯康星睡眠队列的纵向数据对平均年龄为（60.1±7.5）岁的424 名参与者进行了3～11 年的随访研究［18］，在平均时间为（5.0±1.6）年的采用PSG 的随访期间，研究者发现与基线期小于500 METs-min/周的参与者相比，基线期500～1 500 METs-min/周的参与者在随访期总睡眠时间不足的情况更少，入睡后觉醒的发生率更低，且中等强度运动与更高的睡眠效率有关。该研究表明，运动可能是改善睡眠质量和预防睡眠障碍的潜在保护途径。

1.2 运动对睡眠质量的影响

在干预研究中，研究者通常采用随机对照试验、单因素重复测量设计、交叉设计等方法探究运动对睡眠质量的影响。由于单次急性运动和长期运动对睡眠的影响存在生理机制方面的差异［19］。因此，本文将分别分析单次急性运动和长期运动与睡眠质量的关系，并探究两者在夜间PSG 结果上的异同。

1.2.1 单次急性运动

研究者探究急性运动对睡眠质量的影响时，采用了不同的运动方案。例如，Park 等采用随机交叉设计对9名年龄为（23.8±0.7）岁的健康参与者进行了单次60 min、60%最大摄氧量的有氧运动干预［20］，研究发现干预后参与者夜间SWS 的delta 波功率显著增加，同时伴随早期睡眠阶段的慢波稳定性增加，这2个指标与睡眠深度的增加有关。Herrick 等研究采用包含胸部和腿部推举的20 min 阻力训练，对43 名平均年龄（81.5±8.1）岁的老年人进行了单次运动干预，研究结果显示，参与者当晚PSG 监测中的客观睡眠质量并没有任何改善［21］。尽管当前有研究表明，单次有氧运动可以改善夜间睡眠质量，单次无氧运动则未能改善夜间睡眠质量，但还没有研究同时考察相同强度、相同时间进行的不同类型的单次急性运动对夜间客观睡眠质量的影响差异。

在不同强度上，有研究同时探讨了不同强度的急性有氧运动对夜间客观睡眠质量的影响。Flausino 等发现，单次不同强度（低强度和中等强度）的运动都能显著增加参与者当晚的夜间睡眠效率和REM睡眠潜伏期，还能显著降低参与者第1 阶段睡眠的百分比和入睡后的觉醒时间［22］。这一结论在最近的一项随机交叉试验中再次得到验证。Thomas 等对平均年龄27.8岁、长期进行耐力训练的男性跑步者进行了一项随机交叉试验［23］。该研究在傍晚（距离受试者睡觉前＞3.5 h结束）分别采用了单次高强度运动、单次低强度运动及不运动3 种干预方案，并在当晚对参与者的睡眠质量进行PSG 监测。研究发现，不管是单次高强度有氧运动还是单次低强度有氧运动后，参与者的总睡眠时间都得到了显著增加，入睡后觉醒的时间都得到了显著减少。

也有研究者比较了在一天中的不同时段进行单次急性运动对当晚客观睡眠的影响。Morita 等采用单因素重复测量设计对55～65 岁的15 名入睡困难和15名早醒的老年人进行了早晨及晚上的有氧踏步运动干预［24］。结果发现，在随后的夜间PSG 监测中，单次晨练可以改善入睡困难个体的夜间睡眠质量，而晚间的运动并不能改善2 种参与者的夜间睡眠质量。这与之前Myllymäki 等的研究结论一致［25］，11 名（26±3）岁身体健康的年轻人，在晚间21:00 进行了单次高强度直至自我感觉筋疲力尽的运动后，其晚间的客观睡眠质量并没有得到改善。尽管这2 项研究显示出晚间的单次急性运动未能影响当晚的睡眠质量，然而这一结论目前尚存争议。在最新的一项随机临床试验研究中，Azharuddin 等对20 名18～39 岁睡眠质量差的男性参与者实施了早晨或晚间的运动干预［26］。研究表明早晨运动的参与者睡眠质量得到显著改善，然而晚间运动的参与者却出现了REM睡眠期的时长增加，这意味着与早晨的运动不同，晚间锻炼反而增加了参与者的浅睡眠时间，因此，晚间进行的急性运动可能会导致个体的睡眠质量下降。

综上所述，当前单次急性运动改善睡眠的研究进展中，尽管缺乏对不同运动类型（有氧运动、无氧运动等）的对比研究，尚不明确不同运动类型的急性干预对被试当晚客观睡眠的影响，但当前已有多项研究证明了单次急性有氧运动对被试当晚夜间客观睡眠质量具有积极影响。此外，现有研究提示应在睡前3.5 h之前结束锻炼，以避免晚间运动对当天夜间睡眠的急性不良影响。

1.2.2 长期运动

在考察长期运动对当晚客观睡眠的影响的研究中，有研究人员采用中等强度有氧运动对参与者进行长期干预。Buman 等采用随机对照试验对66 名平均年龄61.42 岁、有轻度至中度睡眠障碍的中老年人进行了为期12 个月、每周2 次、每次60 min 的中等强度（最大心率60%～85%）的有氧运动干预［27］，结果发现与只参与健康教育课程的对照组相比，长期的有氧运动干预显著提高了参与者的睡眠连续性和睡眠深度。Melancon 等也同样采用了长期中等强度的有氧运动方案［28］，该研究使用单因素重复测量设计对13 名（64±3）岁的男性进行了为期16 周的中等强度有氧运动干预（最大摄氧量的68%～69%，持续60 min），参与长期干预后的参与者在PSG 中体现了更长的睡眠时长、更深的睡眠深度和更好的睡眠结构。因此，当前研究表明，长期的中等强度有氧运动可以改善个体的睡眠质量。

除此之外，也有部分研究采用有氧和无氧结合的综合运动方式对参与者进行了干预。Kline 等采用随机对照试验对43 名平均年龄46.9 岁的阻塞性睡眠呼吸暂停患者进行了持续12 周，每周4 次的中等强度有氧运动和额外每周2 次的阻力训练，每次训练包含2 组（每组10～12 次的动作重复），共8 组动作的阻力训练［29］。研究结果表明，与进行拉伸的对照组相比，12周的综合运动干预显著增加了参与者的第3 阶段睡眠时间。这个结果与Amara 等的一项随机对照研究结果相似［30］。研究人员对55 名平均年龄65 岁的帕金森病患者进行了持续16 周，每周3 次的运动训练干预，训练内容包含阻力训练和功能性活动练习的组合。结果表明与不运动者相比，参与者进行综合运动后的PSG 显示了更佳的睡眠深度、更多的睡眠时长和更好的睡眠连续性。由此可见，长期（12 周以上）的综合运动干预可以改善个体的睡眠质量。

当前长期运动改善睡眠的研究进展表明12 周/每周3 次的综合运动干预和16 周/每周2 次的中等强度有氧运动可以改善睡眠质量，然而目前仍然缺乏对长期运动中不同运动类型、不同运动时间段及剂量效应的比较研究。未来的研究应该进一步验证当前结论，并且探讨影响睡眠质量的最佳长期运动方案。

2 运动改善睡眠的作用机制

当前研究支持了日间运动对夜晚客观睡眠质量的改善作用。如图1 所示，关于运动影响睡眠质量的作用机制是多通道的，解释这一作用的理论有体温假说、心率假说、脑源性神经因子（缩写为BDNF）假说和脑可塑性假说。

图1 运动改善睡眠的作用机制

2.1 运动改善睡眠的生理调节机制

研究表明，大脑的下丘脑前区同时控制着个体的睡眠行为和体温调节功能［31］，且睡前核心体温的下降可以促使个体进入睡眠［32］。体温假说认为在进行运动引起的体温升高之后，体温调节机制通过与外周血管舒张相对应的外周散热机制降低体温。核心体温的这种快速下降增加了入睡的可能性并可能有助于进入更深的睡眠阶段［33］。除此之外，由于入睡潜伏期较长和睡眠质量较差与较高的静息心率有关［34］。心率假说认为定期进行中高强度的运动可以提高心脏的氧合效率，并降低个体的静息心率［35］，从而改善其夜间睡眠质量。

2.2 运动改善睡眠的分子机制

除了运动对体温及静息心率的调节可以改善睡眠以外，认知神经科学的发展为该问题提供了微观（分子、细胞、神经环路等）和宏观（脑成像）方面更深入的解释。

BDNF 作为一种神经营养因子，对大脑神经元发育和存活、突触可塑性和认知功能都至关重要［36］。除此之外，BDNF 还在加深睡眠中具有潜在作用，有研究表明个体白天进行运动后可以通过增加血液中和大脑中的BDNF 改善夜间睡眠质量［19］。一项动物实验将BDNF 显微注射到大鼠的单侧皮质中，并在其睡眠期间观察到进行注射的那侧皮质中显示了更多的SWA。同时研究也发现，大鼠清醒期间大脑皮层中BDNF增加的越多，其睡眠期间的NREM 和SWA 的发生率越高［37］。

参与运动能提高BDNF 水平，因此，运动通过调节海马中的BDNF 基因的表达被认为是改善睡眠的潜在机制。一项涵盖910 名参与者的荟萃分析表明，血液中的BDNF 浓度会在有氧运动后急性增加［38］。运动的时间与BDNF 的增加水平成正相关关系［39］。如图2 所示，运动后血液和大脑中BDNF 的水平升高，连接细胞之间与唤醒相关的突触电位的耦合增加了睡眠中的SWA［40］，进而改善了睡眠质量。除此之外，运动后酮体β- 羟基丁酸酯（缩写为DBHB）在肝脏中增加，并通过血液运输到大脑，进一步诱导大脑（主要是海马体）中BDNF 的表达。在动物研究中，DBHB 被认为是组蛋白去乙酰化酶的抑制剂，激活大脑中的BDNF基因启动子，从而增强大脑中BDNF 的产生。因此，运动通过增加BDNF 改善睡眠的理论认为，运动后BDNF 在血液及大脑中上调，同时DBHB 在肝脏中增加，进一步促进了脑部BDNF 的增加并提高了夜间睡眠质量。

图2 运动改善睡眠的微观认知神经机制

2.3 运动改善睡眠的脑机制

通过正电子发射断层成像（缩写为PET）、磁共振成像（缩写为MRI）和功能磁共振成像（缩写为fMRI）等神经影像学技术，一些研究发现了调控睡眠的关键脑区，从而为理解运动和睡眠质量的关系提供了更多思路。

过度唤醒理论认为存在睡眠障碍个体在睡眠-觉醒周期中，其大脑皮层处于不平衡的过度唤醒状态，因与睡眠开始有关的皮层抑制功能受限而难以入睡，同时也难以保持睡眠状态，因为在夜间觉醒后，这种抑制失调会再次出现［41］。Nofzinger 等的发现证实了这一点，他们利用PET 技术发现失眠患者在清醒状态到NREM睡眠的期间，其上行网状激活系统、下丘脑、丘脑、海马、前扣带回皮层、内侧前额叶和岛叶皮层代谢的减少更少。此外，存在睡眠障碍的个体在清醒期间，其大脑皮层（双侧额叶、左上颞叶、顶叶和枕叶皮层）和皮层下区域（丘脑、下丘脑和脑干网状结构）的代谢水平显著低于健康睡眠的对照组［42］。而运动已被证明可以逆转大脑皮质网络中抑制信号的丧失，以改善个体的认知神经功能。例如一项研究探讨了12 周体育活动干预对个体大脑皮层网络抑制和上肢运动表现的影响，研究人员使用经颅磁刺激技术测量大脑皮层网络抑制水平，研究结果显示，在12 周的体育活动干预后，实验组的大脑皮层网络抑制水平显著提高，表明体育活动对改善大脑的功能性抑制的积极影响［43］。因此，运动可以通过改善大脑皮层的抑制功能提高睡眠质量。

众所周知，睡眠问题通常与情绪反应性异常同时出现。Huang 等使用fMRI 研究了失眠人群的情绪处理异常现象。他们发现与健康的对照组相比，失眠患者的情绪网络连接存在异常，尤其是杏仁核与皮质、皮质下区域之间的功能连接发生了变化。此外，杏仁核与前运动皮层、感觉运动皮层连接的增加与主观睡眠质量显著负相关［44］。这与过度唤醒理论一致，失眠患者情绪反应过高，且杏仁核与大脑皮质之间的连接异常使他们难以入睡。而运动已经被证明可以调节个体的情绪。最近的一项研究中，Ge 等对受试者采取了30 min 中等强度有氧运动的干预方案，并在干预后进行了情绪评价任务和fMRI 扫描，该研究利用双侧杏仁核为种子点，计算了杏仁核到全脑体素的功能连接，结果发现运动组的个体负性情绪显著降低，且杏仁核和眶额皮质之间的功能连接增强与负性情绪的显著减少有关［45］。因此，运动通过改善情绪与其相关的脑机制也可能是提高睡眠质量的重要内在机制之一。

最后，在利用MRI 技术探查与脑结构相关的睡眠研究中，研究人员发现原发性失眠与海马的体积缩小有关。Winkelman 等分析了健康睡眠者和失眠患者之间的海马体积差异后发现，受试者双侧海马体积减少与更差的睡眠效率和更多的睡眠后觉醒相关［46］。Noh等也发现了较小的海马体体积与失眠持续时间之间的相关关系，且与对照组相比，失眠患者在注意力、工作记忆、语言、视觉记忆测试中的表现较差［47］。而在运动干预的脑结构研究中，一项研究使用MRI 技术测量了120 名参与者在运动前后的海马体大小，并进行了记忆测试。结果显示，运动干预后的参与者海马体大小增加了2%，且记忆功能显著改善［48］。这一发现表明了运动对大脑结构中的海马体有积极影响，同时由于海马体的体积也与睡眠质量息息相关，这些发现对于理解运动和睡眠的潜在联系具有重要意义。

尽管当前尚未有纵向研究直接证明运动可以通过改善大脑结构或功能从而提高PSG 监测的睡眠质量，但目前现有的证据提示研究者可以将脑可塑性假说作为一种潜在的机制在未来进行探讨和验证。

3 未来研究展望

本研究首次系统梳理了运动与基于PSG 监测的睡眠质量之间的最新进展，并根据现有理论总结了运动改善睡眠的相关机制。当前研究支持了单次非晚间进行的中高强度有氧运动对当晚PSG 监测的睡眠质量产生了积极作用的结论，包括对睡眠时长和睡眠连续性的改善。长期运动已经被证明对睡眠时长、睡眠连续性、睡眠深度和睡眠结构存在正面影响，但仍旧缺乏最佳干预条件的探究，需要在未来对运动剂量效应进行探讨。除此之外，还应在进行研究的同时考虑个体差异及长时效应的问题。最后，建议相关研究人员进一步对运动可能影响客观睡眠质量的认知神经机制进行验证和讨论。

3.1 最佳运动方案

尽管当前基于认知神经科学的研究支持了运动对客观睡眠质量的改善作用，但仍然缺乏对不同运动方式和不同运动剂量及在一天中不同时间进行运动的比较研究，难以得出运动改善睡眠的最佳方案。因此，建议未来进一步确定不同运动方式、不同运动时间及不同运动剂量对睡眠质量的影响。值得注意的是，需要设计科学的运动干预方案，并采取PSG、EEG等客观手段监测睡眠质量，以此得出运动与睡眠质量之间较为客观、准确的剂量关系，从而利用该结果为睡眠质量不佳的个体提供最佳运动方案。

3.2 个体差异

除了前文关于Amara 等对帕金森病患者进行的运动干预客观睡眠质量的研究以外，其余大部分研究是针对不同睡眠质量的健康人群进行的，所以当前缺乏运动对其他人群及存在个体差异的参与者是否存在不同干预效果的研究。除此之外，由于不同性别之间的睡眠模式存在差异［49］，且男性通过运动干预获得生理和心理增益时，通常比女性需要更高的身体活动标准［50］。因此，在探究运动对睡眠的影响时，应针对存在个体差异和性别差异的参与者进行分类探讨，提供给不同人群更科学的运动处方。

3.3 长时效应

当前，该主题的长期干预研究集中在有氧运动对睡眠质量改善的探讨上，对其他运动类型的探讨较少，所以尚不明确其他运动类型和强度的长期运动对睡眠的影响。且当前的长期干预研究中均未能采用纵向追踪的方式对运动影响睡眠的长时效果进行监测，所以无法排除运动对睡眠的积极影响作用是否是由单次运动引起的。未来的研究应该进一步完善实验设计，利用纵向追踪的方法补充运动对睡眠质量的长时效应。

3.4 机制验证和补充

本研究虽然整合了当前运动影响睡眠中较为成熟的理论和证据，并总结出运动影响睡眠的作用机制，但这些假说仍缺乏进一步验证。因此，建议研究人员在当前多学科交叉融合的背景下，将运动心理学和生理学、认知神经科学等学科进行结合，并考虑使用动物模型挖掘运动通过认知神经机制改善睡眠的直接证据，在认知神经科学视角下利用纵向研究对当前运动改善睡眠的理论进行验证和补充。

3.5 新兴的睡眠监测技术

尽管PSG 是当前诊断睡眠障碍及评价睡眠质量的主要工具，可以为运动改善睡眠提供客观、直接的证据。然而该监测工具仍存在使用成本高、操作环境要求较为严格等局限性，在一定程度上影响了当前主题下对更大样本的研究。因此，在未来研究中可以针对其他新型睡眠监测技术，例如便携式PSG 监测、新型睡眠可穿戴监测设备等工具进行与PSG 监测的比较研究，对其一致性和应用价值进行探讨，为运动和睡眠质量的相关研究提供更便利的评估条件。