慢性睡眠剥夺与恢复阶段持续性注意力变化的脑影像学机制研究

Chronic sleep deprivation (CSD) is highly prevalent in modern society because of the 24-hour society they live in, along with the spread of nocturnal lifestyles and jobs with long working hours. Sustained attention is the most severely impaired cognitive domain by sleep deprivation. The effects of acute sleep deprivation on the neural substrates of sustained attention have been well documented. However, the underlying neural mechanisms of CSD-related sustained attention deficits remained unclear. In this project, we will utilize multimodal MRI data, EEG data and Psychomotor Vigilance Task (PVT) of cognitive behavior to explore the brain mechanisms of CSD (5 days 5-hours-per-night sleep opportunities) and sleep recovery (SR, 3 days 8-hours-per-night sleep opportunities) on sustained attention in normal subjects. First, we will compare the brain structure, brain function and sleep EEG between normal sleep and CSD, and investigate the restorative effect of SR to explore the effects of CSD and SR on brain activity. Second, we will perform the pearson correlation analysis between brain activity and PVT performance to reveal the neural basis of the effects of CSD and SR on sustained attention. Finally, we will establish a suitable prediction model with the combination of the multi-modal image-based features and machine-learning approaches to predict PVT performance changes. The purpose of this project is to explore the neural basis of the effect of CSD and SR on sustained attention with multi-dimension, improve our understanding of the brain activity of the chronically sleep deprived people, and provide valuable information for seeking guidance to improve their sleep.

由于当今全天候24小时工作的社会环境、夜猫子的生活方式以及延长工作时间的日常生活，慢性睡眠剥夺已经成为一种常态。持续性注意力是受睡眠剥夺影响最为严重的认知功能，其在急性睡眠剥夺中的损伤机制已有大量研究，但在慢性睡眠剥夺中受损的神经机制尚不明确。本项目拟以正常人为研究对象，利用多模态磁共振成像技术和脑电图，结合精神运动警觉任务，研究慢性睡眠剥夺后（5晚，每晚5小时的睡眠时间）大脑活动的变化，并考察恢复性睡眠（3晚，每晚8小时的睡眠时间）对这一变化的恢复效果；进一步基于多模态影像组学特征，结合机器学习的方法，建立合适的预测模型，实现对认知行为改变的预测。本项目的实施旨在多维度地探讨慢性睡眠剥夺与恢复阶段持续性注意力变化的生物学基础，可为了解由于职业等原因长期处于睡眠剥夺的大量人群的大脑变化提供原创性资料，并为寻求改善其睡眠的干预措施提供有价值的信息。

随着生活节奏的加快和社会压力的增加，睡眠剥夺已经成为一种常见的社会现象。睡眠剥夺会导致人们的认知功能下降。而其潜在的神经机制并不完全清楚；且如何尽可能的缓解这一负面影响也是一个很重要的研究课题。因此，本项目利用多模态磁共振技术，探索了睡眠剥夺损伤警觉注意力（PVT）的神经机制，同时结合非侵入性脑刺激，探讨无创电刺激技术对睡眠剥夺损伤认知的缓解作用。结果发现：1）睡眠剥夺后右侧额极、额上回、额中回、颞极处的灰质结构发生显著变化；楔前叶和颞中回的全脑内在连接性受睡眠剥夺的显著影响；2）采用时间变异性的方法发现睡眠剥夺后，人们表现出广泛异常的动态功能连接结构；且对睡眠剥夺过程中多个时间点的数据进行分析，发现PVT和脑功能（功能连接密度）表现出了不同的变化模式；3）通过对健康年轻人进行三种非侵入性电刺激，比较刺激前后工作记忆的表现，发现经颅直流电刺激（tDCS）以及tDCS和经皮耳迷走神经刺激（taVNS）的联合刺激能有效提高工作记忆的准确率；且进一步对睡眠剥夺后的年轻人进行taVNS刺激，发现taVNS刺激可以显著地改善睡眠剥夺后的工作记忆的表现，对PVT的改善效果没有特异性。这些研究为揭示睡眠剥夺的机制提供了新的方法与角度，为寻找有效的睡眠剥夺干预手段提供有价值的信息。

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