过度焦虑与睡眠不足的神经机制

你有感到焦虑吗?你昨晚睡得不好吗?睡眠障碍是焦虑的公认特征。来自加利福尼亚大学的科学家们研究了睡眠不足引起焦虑的基本机制。此外，还探究了睡眠时间的轻微减少是否会引发第二天的焦虑。最后，研究了睡眠在生理上是如何在夜间减轻焦虑的。研究证明睡眠缺失产生焦虑性影响与内侧前额叶皮层活动以及扩展的边缘区域相关联系受损有关。相比之下，非快速眼动慢波振荡对睡眠后的大脑网络有改善焦虑的作用。与社会相关的是，即使是人群中每晚睡眠时间的适度减少，也会导致每天焦虑感的增加。这些发现有助于建立一个新的框架来解释睡眠和焦虑之间的密切联系，并进一步强调了非快速眼动睡眠作为有效减少焦虑的治疗目标的前景。

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方法

18名健康参与者参加了实验室内的实验研究。这项实验室内的实验研究要求参与者参加两次不同的部分：一次是经历一整晚睡眠的睡眠休息期(a sleep-rested session，SR)，另一次是经历24小时清醒的睡眠剥夺期(a sleep-deprived session，SD)。每个睡眠期间，参与者在相同的昼夜时间对他们晚上和早上的焦虑程度进行评级。随后进行了功能磁共振成像(FMRI)扫描，扫描使用了一种情绪试验范式-负面情绪片段-已知可以提供情绪大脑功能的衡量标准。

参与者

18名18-24岁的健康成年人(平均20.2±1.5岁，9名女性)完成了重复测量交叉设计。参与者在每次研究前72h内不能喝咖啡和酒精。在参与研究之前的三个晚上，研究人员通过睡眠日志和体动记录仪监测参与者的习惯性睡眠-觉醒节律。

排除标准

睡眠障碍史、神经系统疾病、闭合性颅脑损伤史、轴1精神障碍史、药物滥用史、目前使用抗抑郁药或催眠药。每晚睡眠不足7小时或每天饮用三杯以上含咖啡因饮料的参与者也被排除在研究之外。

功能磁共振情绪范式

功能磁共振情感范式包括每个实验阶段的8个情感视频和6个中性视频。

焦虑评估

使用STAI验证的20个项目的状态版本，在每个时期中测量状态焦虑两次。这份问卷测量的是短暂的焦虑感，得分范围在20到80之间，得分越高表明焦虑越大。

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数据分析

统计分析--实验室研究：

为了检验睡眠剥夺后更大程度焦虑的假设，考虑了不同睡眠条件(SR, SD)下的时间(晚上和早上的焦虑得分)，使用SPSS 计算了重复测量的方差分析(ANOVA)。在显著性的情况下，事后检验使用双侧t检验进行计算，并使用Bonferroni校正进行多次比较。对于每个事后比较，还报告了部分η²作为效果大小的度量。实验室研究的样本量在统计学上并不是预先确定的，因为它遵循的样本量与先前研究焦虑的实验睡眠研究报告的影响大小相匹配。

为了评估这一假设，即睡眠剥夺的焦虑性影响涉及四个先验ROI (mPFC、岛叶、杏仁核和dACC)的活动改变，使用推荐的神经成像标准提取特定条件下的ROI活动，比较睡眠和任务条件下整个ROI区域的平均活动。对于每个区域，使用重复测量的方差分析(ANOVA)与因素睡眠(SR/SD)和任务条件(情绪/中性剪辑)。只有在任务状态和睡眠之间存在显著交互作用的情况下，才会考虑ROI活动进行进一步分析。在所有的方差分析测试中，采用球形检验，在出现违背情况时，使用“Greenhouse–Geisser”校正调整F值。

在无结果的情况下，使用JASP进行Bayes因子分析来确定原假设的相对强度。贝叶斯因子克服了与原假设显著性检验相关的一些问题，它量化了原假设和替代假设下数据的相对可能性。具体来说，对于t检验或回归的贝叶斯替代方法，计算了影响大小为1的Jeffrey-Zellner-Siow Bayes因子，以确定反对大脑活动或行为的群体水平差异的证据的强度。所有的贝叶斯方差分析都使用JASP中的默认设置。Jeffrey-Zellner-Siow Bayes因子可以这样解释:3的值支持原假设，是备择假设的三倍，而1 / 3的值支持备择假设，是原假设的三倍。

使用皮尔逊相关性来测试ROI活动与焦虑或睡眠的行为测量之间的关联，使用来自整个文献定义的领域(即，不仅限于激活的群集)的平均活动来避免虚假的功能磁共振成像-行为关联。在参数统计检验之前，所有的大脑和行为测量(包括与睡眠相关的测量)都使用Shapiro-Wilk检验进行了正常性检验。

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结果

实验室研究：睡眠不足引起的焦虑

焦虑得分分析采用重复测量方差分析(ANOVA)，因素包括睡眠(SD，SR)和时间(早晚)。符合焦虑性实验假设， SD与焦虑评分显著相关(睡眠主效应，F(1，17)=6.19，平均差=3.6 9±1.48，η²=0.27，95%可信区间(CI)=0.5 6，6.82，P=0.0 2，Bonferroni校正)。

关键是，这种影响仅在睡眠管理后的第二天早晨才明显(主效应，F(1，17)=12.0 2，平均差=3.86±1.11，η²=0.41，95%CI=[1.5 1，6.2 1]，P=0.003，Bonferroni校正)，进一步反映在睡眠与时间之间存在显著交互作用(F(1，16)=8.95，η2=0.34，P=0.008)。参与者在每次实验开始时的焦虑水平经统计分析基本相等(SR=33.5±1.6 1，SD=33.0 6±1.5 8，平均差异=0.44±1.0 8，95%CI=[−1.84，−2.73]，t(17)=0.41，P=0.67)。然而，第二天早上，出现了显著的差异。SD组较SR组焦虑增加30%(SR=33.2 2±1.86，SD=41.0 6±2.2 7，平均差=7.83±2.6 5，95%CI=[2.2 2，13.43]，t(17)=2.95，P=0.009)。

值得注意的是，78%的SD组患者报告焦虑增加，这证实了睡眠不足对健康人焦虑加剧的强烈影响。与临床相关的是，SD组中有50%的参与者焦虑评分超过40分，这个分数是通常用于确定是否存在焦虑临床症状的分界点。

实验室研究：睡眠不足引起焦虑的神经相关因素

功能性核磁共振分析首先对焦虑敏感的大脑兴趣区域进行关注：杏仁核、背侧前扣带回(dorsal anterior Cingulate，dACC)、岛叶和内侧前额叶皮质(medial prefrontal cortex，mPFC)。

首先，与焦虑无关的是，四个感兴趣区(regions of interest，ROI)中的三个表达了睡眠和情绪的显著交互作用，分别为mPFC，杏仁核和dACC。

第二，与焦虑的研究结果相一致，相对于SR状态，SD后mPFC对情绪刺激表现出明显的低活动度(睡眠与情绪交互作用，F(1，17)=4.88，η²=0.2 2，P=0.0 4；情绪与中性激活的睡眠均值，SR=0.16±0.0 6，SD=−0.0 4±0.0 3，平均差值−0.2±0.0 9，95%CI=[−0.39，0])。而杏仁核和dACC则相反，两者在SD状态下都表现出情绪内容的放大活动(双侧杏仁核睡眠与情绪交互作用，F(1，17)=6.0 9，η²=0.2 6，P=0.0 2；睡眠均值，SR=0.0 7±0.0 4，SD=0.2 9±0.0 6，平均差=0.2 1±0.0 8，95%CI=[−0.4，−0.0 3]，杏仁核左侧效应更强。dACC交互作用F(1，17)=6.0 4，−2=0.2 6，P=0.0 2；睡眠均值，SR=0.0 9±0.0 3，SD=0.0 4±0.0 4；平均差=0.13±0.0 5，95%CI=0.0 1，0.2 4)。岛叶未观察到睡眠不足与情绪的交互作用(睡眠均值，SR=−0.12±0.0 4，SD=−0.1±0.0 4；平均差值−0.0 1±0.0 7，95%CI=[−0.16，−0.13]，t(17)=−0.15，P=0.8；支持零假设的贝叶斯分析是实质性的：BF₀₁=4.0 7，95%CI=[−0.4，0.45])。

总而言之，这些结果表明，在杏仁核和dACC的扩展边缘网络内，睡眠不足后情绪反应性增加，同时失去了mPFC的典型情绪调节参与，这与焦虑以及高度焦虑人群的荟萃分析报告中的神经特征相一致。

在确定了睡眠不足对特定先验ROI中大脑活动的主要影响后，接下来测试了第一个核心假设：在不同的个体中，与睡眠不足相关的大脑活动变化显著预测了睡眠不足导致的焦虑程度。

睡眠剥夺后mPFC活动不足的程度预测了睡眠缺失导致的焦虑增加，这不仅支持实验假说，也符合焦虑的典型神经特征(R=−0.58，95%CI=[−0.15，−0.82]，P=0.01)：睡眠剥夺后mPFC活动受损越严重，由睡眠不足引起的焦虑就越大。重要的是，当控制情绪状态的相应变化时，这些与焦虑相关的睡眠损失变化仍然显著(P＜0.05)。因此，mPFC活动的失眠变化是由焦虑的变化解释的，而不仅仅是情绪的变化。

在其他先验ROI（如：杏仁核或dACC）没有观察到这种与焦虑的关系(所有R＜0.2，P＞0.2；支持无效假设的贝叶斯分析是实质性的：杏仁核，BF₀₁=3.43，95%CI=[0.43，−0.43]；dACC，BF₀₁=3.0 7，95%CI=[−0.33，0.52])。这些发现表明，mPFC活动不足与睡眠不足引起焦虑的影响之间存在选择性关联，这可能更多是由于mPFC内情绪控制的丧失，而不是杏仁核等更基本的情绪反应区。

接下来试图验证一个假说，即除了mPFC活动的变化之外，睡眠缺失导致的mPFC连接性的损伤，进一步解释了睡眠缺失导致的焦虑水平增加的原因。在这里特别关注mPFC-杏仁核之间的功能连接，因为它在高焦虑状态和焦虑之间建立了联系。

与临床焦虑队列中观察到的情况一致，相对于SR情况SD导致的mPFC-杏仁核连接显著受损(双侧杏仁核睡眠的主要影响，F(1，17)=5.0 4，平均差值=−0.16±0.0 7，η²=0.2 3，95%CI=[−0.3，−0.1]，P=0.0 4，Bonferroni校正)。

总之，这些研究结果表明，睡眠缺失后焦虑加剧的主要实验效应与杏仁核和dACC情绪生成区域的主要效应增加有关，也与mPFC活性低下和mPFC -杏仁核连接受损有关。此外，mPFC损伤的程度，除了主要影响外，还可以明确地、选择性地预测由睡眠不足引起的焦虑的个体间差异。

实验室研究：睡眠生理学与焦虑及情绪状态下脑功能磁共振的关系

第二个实验假设研究了一个相反的问题：睡眠的存在，而不是睡眠的缺失，提供了缓解焦虑功能的机制是什么？具体地说，测试了一种假设，即NREM慢波睡眠(slow-wave sleep，SWS)和相关的频谱慢波活动( slow-wave activity，SWA)的指数可以防止与持续清醒相关的焦虑升级，就像在SD条件下观察到的那样。

与推测一致的是，NREM SWS预测了SR状态下从晚上到早晨的夜间焦虑减轻程度(在主体测量范围内，R=−0.5 2，95%CI=[−0.0 7，−0.79]，P=0.0 3)，并预测了第二天早上的焦虑得分(R=−0.5 9，95%CI=[−0.15，−0.8]，P=0.0 1)。也就是说，那些SWS持续时间越长的人从晚上到早上表现出更明显的焦虑消散，因此第二天的焦虑水平较低。

更重要的是，NREM SWS与焦虑的关联是状态焦虑特有的，与特质焦虑得分无显著相关性(R=−0.17，P=0.5；BF₀₁=2.76，95%CI[0.2 9，−0.5 5])，因此，NREM SWS与焦虑的关系似乎优先与调节焦虑状态的日常波动有关，而与一种更稳定的焦虑特质无关。

除了NREM SWS数量外，NREM频谱EEG质量，特别是SWA(0.5-4.0 Hz)，也表现出类似的关系。在这里，更多的NREM SWA，特别是在后地形区，预示着个体从晚上到早上焦虑的夜间减少(R=−0.62，95%CI=[−0.2，−0.84]，P=0.007)和第二天更低的绝对焦虑得分(R=−0.53，95%CI=[−0.06，−0.8]，P=0.03；两者都是根据后通道派生计算的)。与主观幸福感持续时间相似，NREM SWA与焦虑的关联仅与状态焦虑的变化有关，与特质焦虑的相关性不显著(R=0.005，P=0.9；支持无效假设的贝叶斯分析：BF₀₁=3.33，95%CI=[0.44，−0.44])。此外，NREM SWA与次日焦虑的相关性在控制了情绪共同发生变化时仍然显著(P＜0.05)，证实了SWA在共病情绪波动之外的选择性缓解焦虑的益处。总之，这些发现支持了NREM SWS在数量和电生理质量上的假想缓解潜力，以防止状态焦虑的升级，否则在缺乏睡眠的情况下会发展成这种状态焦虑。

最后，验证了这样的假设，即在SR状态下，NREM睡眠对焦虑的整夜调节与第二天早上观察到的情感脑活动的神经变化进一步相关。具体地说，分析集中在大脑的mPFC区域，该区域显示，相对于缺乏睡眠的情况，睡眠充足的人对焦虑的敏感度更高。

在SR夜晚之后，次日mPFC参与程度越高，焦虑感就越低(R=−0.59，95%CI=[−0.16，−0.84]，P=0.01)。此外，这种睡眠依赖的关联是焦虑的状态水平所特有的，对于稳定的焦虑特征没有明显的关联(R=−0.009, P=0.9; BF₀₁=3.21, 95% CI=[0.35,−0.5])。此外，在NREM SWS和NREM SWA频谱活动中花费的时间都预示着第二天更多的重新参与(NREM SWS，R=0.5，95%CI=[0.03, 0.79]，P=0.04；NREM SWA，R=0.55，95% CI=[0.09, 0.81]，P=0.02)。这些结果支持NREM睡眠可以起到缓解焦虑的作用，调节焦虑的关键是恢复前额叶的机制。

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讨论

综上所述，这些发现提出了一个神经机制框架，解释了睡眠不足是如何以及为什么导致焦虑的，并反过来明确了NREM SWS缓解焦虑的功能。此外，这些影响在实验性睡眠剥夺和每晚睡眠质量的适度变化中都可以证明。

焦虑和睡眠障碍是共病的和因果互动的，这表明它们可能通过共同的潜在神经机制汇聚。目前的研究解决了这个问题，集中在一个与焦虑症相关的特征良好的网络-杏仁核、dACC、岛核和mPFC。虽然在杏仁核、dACC(活动过度)和mPFC(活动不足)观察到睡眠剥夺效应，但睡眠剥夺和焦虑增加的幅度之间的交互作用是由mPFC活动和相关的mPFC连接性的变化特异性地解释的。

研究结果证实，在其他方面健康的个体中，一个晚上的睡眠缺失会引发焦虑性神经症状，这是焦虑障碍的典型表现：mPFC活动和边缘连接的减少伴随着杏仁核和大脑前额叶的过度活跃。最相关的是，我们发现mPFC的脱离程度，而不是其他与影响相关的区域的变化，明确地预测了睡眠缺失导致的个体焦虑增加的程度。

mPFC前部区域在适应性情绪加工中起着关键作用，包括对情绪刺激意义的识别以及对相应情感反应的自上而下的调节，如果情感反应受损，可能会导致有偏见的威胁知觉。尤其是mPFC的腹侧亚区，在解剖学上与杏仁核等核心情感处理区域相连，进一步与过度的外周内分泌和自主神经对压力的反应有关。值得注意的是，睡眠不足会严重损害mPFC活性和相关的边缘功能连通性。

本研究的数据有助于定义一个新兴的神经病理模型，在该模型中，睡眠中断通过受损的mPFC参与导致焦虑的维持和（或）加剧。多种后果可能包括失去适当的情绪调节和过度的情绪反应，以及自主神经过度觉醒的不适应状态，包括交感肾上腺和下丘脑-垂体-肾上腺过度活动。

第二个核心实验问题是关于睡眠的，在生理学上，它提供了夜间抗焦虑的好处。在实验室的两项研究中，整个SR夜晚，更大的NREM SWA(以及相关的SWS)预示着第二天夜间焦虑的减少更大。此外，NREM SWA和SWS的测量结果还预测了睡眠后mPFC活动在第二天的重新参与程度。

对非快速眼动睡眠的抗焦虑作用的进一步支持来自于临床研究，这些临床研究描述了患有焦虑症的患者在非快速眼动睡眠中出现的SWS损伤。据报道，在广泛性焦虑障碍、惊恐障碍和创伤后应激障碍(PTSD)中，非快速眼动睡眠障碍(NREM SWS)被破坏，这表明非快速眼动睡眠障碍(NREM SWS)的关系和特征损伤是跨诊断的，在这些焦虑类别中很常见。在亚临床水平上，高特质焦虑个体相对于低特质焦虑个体表现出较低的NREM睡眠质量。即使是轻微的对第二天事件的预见性焦虑和担忧也会降低NREM SWS。结合我们目前的结果，这一证据的收集表明NREM SWS和相关的SWA对各种形式的焦虑都很敏感，这一问题在下面的微纵向在线研究结果中有进一步的讨论。

集中在这种睡眠依赖的抗焦虑机制上，在原发性失眠症中观察到NREM SWA的减少，并进一步与异常高的交感自主神经活动有关。相反，NREM SWS反映了一种明显的副交感神经优势的稳态状态，加上大脑内中枢自主神经网络活动的减少。在此背景下，扣带后区域和楔前区域调节与降低焦虑相关的副交感活动，而前中线区域，包括前扣带回和杏仁核，已被证明调节与高焦虑相关的交感活动。

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结论

随后研究人员对32名参与者进行实验并对480名参与者进行在线调查，以此来重复实验证实其上述研究结果；实验室研究结果表明，那些晚上深度非快速眼动睡眠花费时间更多的参与者第二天的焦虑程度最低，而在线调查结果显示，参与者晚上的睡眠时间和睡眠质量能够帮其预测第二天机体的焦虑水平。

研究结果不仅揭示了睡眠和机体焦虑症之间的因果关联，还确定了非快速眼动睡眠能够改善机体的焦虑症状。研究人员发现了深度睡眠的一个新功能，即通过重组大脑的连接来减少机体焦虑症的水平。即使是睡眠质量的适度改善也有可能降低主观焦虑，起到非药物预防的作用。也就是说，对于那些患有焦虑的人来说，睡眠可能被视为一个可控制的危险因素和干预目标，无论是临床上的还是亚临床的。

参考文献：Ben SE, Rossi A,et al.Overanxious and underslept.Nat Hum Behav. 2020 Jan;4(1):100-110. doi: 10.1038/s41562-019-0754-8.

本文由北京天坛医院神经精神医学与临床心理科/睡眠中心 张璇 整理撰写

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