功能脑网络稳定性反映睡眠剥夺期间的个体韧性

Functional Brain Network Stability Reflects Individual Resilience during Sleep Deprivation

作者信息Jungwon Cha, David Negelspach, Alisa Huskey, Kathryn E R Kennedy, Jason Katz, Daniel B Forger, William D S Killgore
PMID42477887
期刊Sleep
发布时间2026-07-21
DOI10.1093/sleep/zsag201

实验完整度

中

包含16人纵向rs-fMRI、NBS边水平分析与节点强度验证,但无独立机制或动物模型验证

主要模型

16名健康成人受试者 39小时完全睡眠剥夺纵向方案 6次静息态fMRI扫描会话 精神运动警觉任务行为评估

重点核对

受试者样本量:16名健康成人(最终纳入分析) 睡眠剥夺时长:约39小时完全睡眠剥夺,成像-行为分析使用前6次扫描,覆盖约32小时清醒 fMRI扫描时间点:约每6小时一次,共7次,分析使用前6次 行为韧性指数(RSDM):基于PVT反应速度(1000/RT)的纵向保留指数,均值83.5%,范围46.8–96.8% NBS统计阈值与校正:主阈值t=3.1,5000次置换检验,FWE校正p<0.05

摘要

研究目标:睡眠剥夺已知会损害认知表现,但个体在睡眠缺失下维持功能的能力存在差异。本研究通过追踪长时间清醒期间静息态功能连接的变化,检验支持这种韧性的神经机制。材料与方法:分析了16名健康成人在约39小时完全睡眠剥夺方案的前约32小时内获取的6次静息态fMRI会话,实现了对长时间清醒期间脑网络动态的异常密集的纵向采样。功能连接变化使用基于网络的统计(NBS)作为分析成对功能连接的主要方法,并以节点强度作为次要的节点水平后续分析,与从精神运动警觉任务表现衍生的行为韧性指数相关联。结果:两个NBS定义的子网络,本文称为丘脑皮层和感知-记忆子网络,显示出清醒时间与韧性之间的显著交互作用,表明长时间清醒期间功能连接的轨迹随行为韧性而变化。韧性较高的参与者在这些网络内表现出较少的负向连接轨迹,尤其是在丘脑、苍白球和视觉皮层。相反,韧性较低的参与者表现出连接的进行性下降。结论:承受睡眠剥夺认知影响的能力似乎与丘脑皮层和感知-记忆子网络内较少的负向连接轨迹相关。这些模式可能代表睡眠剥夺期间韧性的状态依赖性神经相关物,并可能与未来的疲劳状态监测相关。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
睡眠剥夺期间,静息态功能连接的动态变化如何与个体行为韧性(RSDM)相关联,哪些脑网络支持这种韧性?
核心机制
较高的行为韧性(RSDM)与丘脑皮层和感知-记忆子网络内较少的负向连接轨迹相关,尤其在丘脑、苍白球和视觉皮层;较低韧性者则表现出进行性连接下降。
主要证据
16名健康成人39小时睡眠剥夺中6次rs-fMRI的NBS分析显示两个子网络存在显著的RSDM×清醒时间交互(p_FWE<0.05);节点强度后续分析显示左侧丘脑、右侧苍白球和左侧VMV1的显著交互(p_FDR<0.05)。
研究意义
这些模式可能代表睡眠剥夺期间韧性的状态依赖性神经相关物,并可能与未来的疲劳状态监测、表现保护和靶向对策相关。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

睡眠剥夺纵向实验方案与行为评估

建立长时间清醒模型并量化个体行为韧性

21名健康成人接受4天实验室方案:基线睡眠夜、约39小时完全睡眠剥夺、恢复睡眠夜;期间每约6小时进行MRI扫描,PVT在扫描后约2.5小时进行;计算RSDM作为行为韧性指数。

2

静息态fMRI采集与预处理

获取可用于功能连接分析的纵向脑成像数据

使用Siemens 3T Skyra采集结构像和静息态fMRI;使用AFNI进行预处理,包括切片时间校正、运动校正、配准至MNI152、 nuisance回归和0.01–0.1 Hz带通滤波。

3

功能连接估计与NBS分析

识别功能连接受RSDM与清醒时间交互调节的子网络

从375个ROI提取时间序列,计算Fisher z转换的Pearson相关构建375×375连接矩阵;使用NBS在边水平进行混合效应模型分析,检验RSDM×Hours Awake交互。

4

节点强度后续分析

在NBS定义的子网络内表征节点整体连接如何随清醒时间与韧性变化

使用GTG工具箱计算NBS参与ROI的节点强度(加权度);对每个ROI拟合线性混合效应模型,检验RSDM×Hours Awake交互。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Siemens 3T SkyraSiemens--
AFNI----
GTG工具箱----
R 4.3.1版本----
lme4----
lmerTest----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
睡眠剥夺方案与MRI会话安排
完全睡眠剥夺总时长约39小时;MRI会话7次约每6小时一次;成像-行为分析仅使用前6次会话,因第7次PVT延迟超过6小时
阅读提示:Methods中Participants and study design及MRI acquisition and preprocessing小节,Figure 1A
行为韧性指数(RSDM)计算
PVT在每次扫描后约2.5小时进行;RSDM基于PVT反应速度(1000/RT)计算,为纵向保留指数;基线PVT为session 1
阅读提示:Methods中Psychomotor vigilance task及Behavioral resilience to sleep deprivation metric小节
NBS分析模型与统计校正
边水平混合效应模型包含RSDM×Hours Awake交互、Baseline_Lapse、sin(2π·CT/24)和cos(2π·CT/24)昼夜项;受试者随机截距;主阈值t=3.1;5000次置换检验;FWE校正p<0.05
阅读提示:Methods中Network-based statistics小节
节点强度后续分析范围与校正
分析限于NBS显著成分涉及的54个ROI;线性混合效应模型包含RSDM×Hours Awake交互;FDR校正;结果为事后表征非独立验证
阅读提示:Methods中Nodal strength analysis小节,Results中Secondary node-level follow-up
可视化分组策略
仅用于可视化:按RSDM分布前40%(n=6)和后40%(n=6)分组,中间20%(n=4)以灰色显示;统计模型始终将RSDM作为连续变量
阅读提示:Methods中Network-based statistics及Results中Figure 2、3、4图注