大脑皮层的微观结构受到昼夜节律和睡眠剥夺的影响，但这些影响的确切基础尚不清楚。t1加权和t2加权磁共振图像之间的比率(T1w/T2w比率)与髓磷脂水平和树突密度有关，这可能为研究睡眠剥夺大脑的皮质内微观结构提供新的见解。在这里，我们检测了41名健康青年(26名女性)在睡眠剥夺(n=18)或正常睡眠-觉醒周期(n=23)前后32小时的皮质内T1w/T2w比值。线性模型显示，在32小时后，四组患者的T1w/T2w比值变化有显著的组间差异，包括岛叶、扣带回和颞上皮质的双侧效应，包括涉及注意、听觉和疼痛处理的区域。在整组中，睡眠剥夺组T1w/T2w比值增加，而正常睡眠-觉醒组T1w/T2w比值降低。这些变化不能用扫描仪内头部运动来解释，在调整皮质厚度和水合作用后，簇间95%的影响仍然显著。与正常的睡眠-觉醒周期相比，32小时的睡眠剥夺使皮质内T1w/T2w比值增加。虽然本研究检测到的皮质内变化可以反映髓磷脂或树突密度的变化，或两者的变化，但需要组织学分析来明确具体的皮质过程。
1.简介
睡眠不足会导致认知和情感处理的缺陷，经常在神经退行性疾病和精神病患者中出现。长期睡眠不足在情绪和焦虑障碍中也很常见。矛盾的是，急性睡眠剥夺在一些患者中具有有趣的抗抑郁作用，在大约32小时后达到峰值。啮齿动物研究结果表明，急性睡眠剥夺与涉及髓磷脂和树突棘的大脑皮层结构改变有关。然而，我们对睡眠剥夺对人类影响的皮层机制缺乏清晰的理解。
利用磁共振成像(MRI)衍生指数，一些人类研究报告了急性睡眠剥夺后的皮质变化。一个晚上不睡觉与岛叶和顶叶皮层的体积减小以及内侧顶叶皮层的厚度减小有关。然而，对潜在机制的解释受到这些措施的宏观结构性质的限制。利用弥散加权成像(diffusion-weightedimaging,DWI)等微观结构成像技术，有研究报道了睡眠剥夺对白质通路的影响。这包括径向扩散系数(RD)的改变，这与髓鞘完整性有关。DWI也被用于测量睡眠剥夺对大脑皮层的影响，显示大脑皮层平均扩散系数(MD)下降。然而，大脑皮层MD变化的神经生物学相关性是复杂的，并没有很好地理解。
皮质内显微结构的另一个指标是t1加权图像与t2加权图像的比值(T1w/T2w比值)。T1w/T2w比值的区域性变化已被发现与组织学来源的髓磷脂水平的变化有关，最近还与树突密度有关。在等待进一步组织学比较的同时，T1w/T2w比值可能对剥夺睡眠后啮齿类动物的皮质内特性敏感。有趣的是，最近的一项横断面研究报告了在的几个皮层区域，T1w/T2w比率与自我报告的睡眠质量和睡眠时间之间的关联。虽然存在相关性，但这些发现可能表明，T1w/T2w比值对睡眠相关过程很敏感。因此，测试急性睡眠剥夺是否会导致T1w/T2w比值的改变，可能有助于阐明睡眠剥夺对人类影响的潜在基础。
在这项研究中，我们使用T1w/T2w比值来研究清醒和睡眠32小时对皮层微观结构的影响。总共有41名健康的年轻成年人在睡眠剥夺(n=18)或正常的睡眠-觉醒周期(NSW,n=23)前后进行了核磁共振检查。最近的研究报道了时间对其他MRI模式的影响，我们的目的是通过比较32小时睡眠剥夺对NSW的影响来控制这种影响。为此，我们首先估计了两次MRI扫描的受试者内部变化，然后评估了睡眠剥夺组和NSW之间是否存在显著差异。基于(i)睡眠剥夺与髓磷脂和树突改变之间的联系，以及(ii)T1w/T2w比值对后者微结构过程的敏感性，我们假设两组在T1w/T2w比值方面会出现显著不同的变化。为了减少潜在的混杂因素，我们监测了一些时间线索信号，如食物摄入量、咖啡因摄入量、体育活动和暴露在蓝光下。为了评估皮质变化的潜在功能相关性，我们还探索了T1w/T2w比值与嗜睡和注意力缺失之间的关系。
2.方法简述
2.1实验设计
图1展示了研究设计的概述。由于时间限制和减少受试者的紧张，仅在第一次和最后一次MRI扫描时获得T1w/T2w比值所需的t2加权MRI。受试者于第一天上午在Rikshospitalet医院(OsloUniversityHospital)时间点1(TP1)接受了第一次MRI扫描。他们在自己家里规律地睡了一夜(大约上午9点)后空腹到达。在医院度过一天之后，参与者完成了他们的第二次核磁共振扫描(晚上8点左右)，并被随机分为两组:一组回家睡觉(NSW组)，医院保持清醒(睡眠剥夺组)。早上，NSW组返回，两组都进行了第三次MRI扫描(大约上午8点)。医院度过了第二天。最后一次扫描在研究开始约32小时后的下午进行(TP2时间下午4点左右)。
图1研究方案概述。参与者在一晚睡眠后的早上(时间点(TP)1)和在第二天下午(TP2)在32小时的正常睡眠-觉醒或完全睡眠剥夺后进行MRI扫描，包括T1w-和T2w扫描。
在每次扫描后，从每个参与者身上获取血液样本，分析红细胞压积，以估计水合水平。参与者在研究助理的陪同下遵循标准化的活动计划。为了确保在MRI扫描过程中没有人睡着，在扫描仪孔内使用了一个摄像头来监测参与者的眼睛。
2.2睡眠习惯评价
在研究开始前七天，参与者通过自我报告和活动记录仪记录他们的睡眠模式。NSW组的参与者也记录了他们在研究当晚的睡眠模式。自我报告的数据通过每天10个项目的半结构化睡眠日记记录下来，该日记评估了睡眠相关的行为和质量。该量表也进行了修改，包括咖啡因摄入量和尼古丁摄入量两项。此外，参与者还完成了五份关于他们睡眠习惯的标准化问卷:卑尔根失眠量表，爱普沃斯睡眠量表，匹兹堡睡眠质量指数和霍恩-stberg晨昏问卷。这些问卷分别测量失眠相关症状、白天嗜睡、睡眠质量和睡眠类型。
2.3评估急性嗜睡和警觉性
在整个研究过程中，每次扫描和每隔一小时，参与者都要完成卡洛琳斯卡困倦量表(KSS)，这是李克特9分量表中对困倦程度的一项自我报告评级。
2.4MRI采集及处理
成像在3tSiemensMagnetomPrisma扫描仪(SiemensHealthcare,Erlangen,Germany)上使用32通道头线圈进行。
T1w/T2w图是使用人类连接组项目(HCP)处理管道(