睡眠影响丘脑的同步EEG_fMRI研究
原文作者：Dr. Andrew Bagshaw 丨 University of Birmingham
丘脑是睡眠调节的核心区域，本文使用同步EEG-fMRI技术研究在睡眠开始和睡眠深度阶段，被试丘脑各子部分的功能联结变化。研究中比较了在觉醒阶段，非快速眼动睡眠第一及第二阶段睡眠阶段中丘脑子成分之间的功能联结变化，研究表明在睡眠成像研究中，EEG-fMRI同步技术可提供单一技术无法提供的高时空分辨率，是一个非常重要的研究工具。
前言
一直以来丘脑都是调控外界环境信号和皮质区域信息流动的重要区域，从睡眠开始的阶段，丘脑间的功能联结变化是改变大脑进行信息加工和知觉回应的核心，是睡眠调节的核心区域。在整个睡眠周期中，探究丘脑及丘脑皮层子成分之间错综复杂的交互作用是研究睡眠的必要过程。
在人类被试睡眠研究中，这只能使用EEG-fMRI联合刺激的方法实现。有研究选择研究方法比如多导睡眠图和正电子扫描技术进行研究，但这两者都不具有探测大脑深部结构的敏感性或高时空分辨率。而EEG研究虽广泛使用但空间分辨率较低，核磁研究能够准确定位却又缺少较高的时间分辨率，因此越来越来的研究者开始寻求两者的结合来进行实验研究。
目前还没有研究检验丘脑在睡眠期间的区域特征，问题在于丘脑不是一个单一的结构而是由细分的结构组成。丘脑各子成分在被试睡眠过程中在感官和认知可能存在不同的影响，那么研究使用基于大型皮质区域的核磁功能联结分割来确定区域，从而来探讨丘脑各子成分的作用。
研究比较了被试觉醒状态（W）和非快速眼动睡眠下的第一阶段（N1）和第二阶段(N2)的差异，检验了丘脑皮层和丘脑之间的功能联结，包括相应半球间的子区域和单侧半球的子区域的检验。
二
方法
研究中选择了21个被试，皆身体健康，无精神病史或者神经症和睡眠障碍，使用Actiwatch 2提前两周监护被试的睡眠模式，并使用问卷评估参与者的状态：如白天嗜睡、疲劳和主观睡眠质量(埃普沃思嗜睡量表、疲劳程度, 匹兹堡睡眠质量指数)。
BrainAmp MR型放大器
扫描任务在被试正常睡眠阶段（晚上10点到12点），要求被试提前半小时到达实验中心进行EEG实验准备，研究者使用BrainProduct公司生产的64导核磁兼容BrainAmp MR系统，自带的Recorder 软件可进行数据分析，采样率设置在5KHz，MR核磁数据使用飞利浦3T设备进行32通道线圈扫描得到。为了保证舒适和减少在核磁共振扫描器里的运动，研究中将被试的头部和泡沫垫固定，使用核磁进行单个42分钟的扫描，这比一般进行10-15分钟的扫描要长很多，也是为了减少在进行核磁开关机时所带来的巨大噪声对实验结果的影响。
三
数据分析
脑电图数据的作用是利用EEG的高时间分辨率性提供每个被试的睡眠阶段信息，从而根据睡眠阶段检查fMRI的功能连接性。为此,使用Analyzer2进行去除心电伪迹、使用模板移除减法、R峰值标记心电伪迹进行移除处理等。睡眠分期是根据美国睡眠医学协会的指导方法进行。
图1：大脑皮层区域图
功能磁共振成像数据预处理时间序列的功能联结分析使用Matlab编写的自定义代码。 使用PETROICOR进行运动矫正和伪迹处理、空间平滑和高通滤波处理。使用之前基于功能联结的方法研究感兴趣的皮质区域，把丘脑分为五个非重叠区域主要为：颞叶（TEM）、前运动区（MOT）、躯体感觉区（SOM）、前额区（PRE）、顶枕区（OCC）。大脑皮层区域见图1。
四
结果
图2：睡眠阶段和丘脑区域之间的相互作用结果
研究共采集到705个W阶段、944个N1阶段和414个N2阶段用来分析。如图2 丘脑皮质联结区，在此区域有简单主效应（F(4,48)=4.04，P=0.007），在睡眠阶段和区域之间的相互作用显著(F(3.04,36.45)=4.05, p=0.014)，表明在睡眠开始阶段影响丘脑的不同区域的功能连通。
图3：W-N1-N2功能连接越来越强
在SOM躯体感觉区和MOT前运动区区域中W到N2阶段之间的相互作用是显著增加的。在不同的丘脑连通过程中，该区域存在显著效应(F(1.27,15.28)=78.86,p=6.7×10-8 )和睡眠阶段(F(2,24)=16.23,p=3.5×10 -5）。对所有的丘脑子区域来说，两脑半球之间的功能连接性从W到N1、N2阶段呈现递增趋势，见图3。
最后，在不同的睡眠阶段上存在显著的主效应(F(2,24)=20.4, p=6.6×10-6 )以及在丘脑内部连通性上差异显著。通俗来说，就是在SOM躯体感觉区和MOT前运动区区域中可以发现两脑半球之间的功能连接性从W到N1、N2呈现递增趋势且效应显著。
五
讨论及结论
研究中，我们发现当睡眠深度增加时，丘脑变成了功能更均匀的结构，这可能表明在睡眠中经历了外部驱动连接模式转移到内部驱动连接的动力学模式，这与睡眠行为和电生理研究具有一致性，并为研究人类睡眠提供了新的研究方向。电生理研究表明，丘脑核之间没有直接的联系，但通过丘脑网状核（TNR）之间间接的相互作用进行联结。所以丘脑之间的连接功能可能是丘脑网状核的一个标记，在神经症和精神病如癫痫、精神分裂症以及正常的注意力上都有其独特的作用。
当然未来的研究方法还有相当大的进步空间，如在睡眠阶段进行的临床和研究应用都太过于简单化，可以探测更详细的睡眠阶段，总的来说EEG-fMRI是进行理解睡眠在皮层和皮层下处理的一个重要的工具,提供了一个其他技术无法实现的高时空分辨率。特别是,解决了侵入性电生理学研究睡眠时丘脑的作用,而且随着这项技术的推进，研究中可以进行进一步的全脑功能的考察。
[参考文献]
Andrew Bagshaw.Understanding how sleep affects the human thalamus with EEG-Fmri. Centre for Human Brain Health and School of Psychology.2017.4.21.
深圳市瀚翔生物医疗电子股份有限公司
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