一项多模态7T磁共振成像（MRI）和生物标志物研究揭示了急性睡眠剥夺后大脑的可逆性变化

《Sleep Medicine》：A multimodal 7T MRI and biomarker study reveals reversible brain changes following acute sleep deprivation

单夜睡眠剥夺显著增加脑周血管间隙体积（PVS），伴随微结构改变（T1弛豫时间缩短）和认知功能下降（PVT任务反应时延长），72小时恢复期后所有指标均逆转，提示大脑生理功能的可逆性。

　　睡眠是维持大脑健康和功能的关键因素，其对神经系统的生理、结构和认知影响日益受到关注。近年来，研究发现睡眠剥夺不仅会损害注意力和警觉性，还可能对大脑的生理结构产生深远影响。本文探讨了单一夜间睡眠剥夺（SD）及其后续恢复阶段对大脑结构、生理功能和认知表现的影响，揭示了睡眠剥夺可能引发的一系列可逆性变化，并为理解睡眠与大脑健康之间的关系提供了新的视角。

研究采用了一种多模态的方法，结合了高场强磁共振成像（MRI）、血液生物标志物分析和心理运动警觉性测试（PVT），以评估30名健康受试者在不同时间点的生理和行为变化。研究对象年龄分布在20至38岁之间，平均年龄为28.0±4.7岁，其中男性占60%，女性占40%。受试者在研究期间经历了三个主要的时间点：基线、24小时睡眠剥夺后和72小时恢复期。通过这种方式，研究者能够系统地分析睡眠剥夺对大脑结构和功能的影响，并观察这些变化是否能够通过恢复睡眠而逆转。

研究结果表明，单一夜间睡眠剥夺会导致大脑周围血管空间（PVS）总体积的显著增加。PVS是大脑清除系统中的重要组成部分，其体积的变化常被视为脑清除功能受损的标志。研究发现，在24小时睡眠剥夺后，PVS总体积从基线的6711.5 mm3增加到7475.3 mm3（p < 0.001），而在72小时恢复期后，PVS体积恢复到接近基线水平（6721.4 mm3；p < 0.01）。这一结果表明，即使在短时间内睡眠剥夺，大脑的清除功能也可能会受到干扰，但这种影响是可逆的，且在恢复睡眠后能够恢复正常。这种可逆性变化提示了健康个体在经历短暂睡眠剥夺后具有较强的恢复能力。

除了PVS体积的变化，研究还观察到了其他微观结构的变化。例如，T1弛豫时间在多个脑区出现了显著下降，而定量磁敏感度映射（QSM）结果显示了磁敏感性的动态变化。这些微观结构的改变可能与脑内液体流动的动态变化有关，表明在睡眠剥夺期间，大脑可能经历了某种形式的液体转移，导致局部的生理变化。值得注意的是，这些变化在恢复期后也得到了逆转，进一步支持了睡眠剥夺引发的生理变化具有可逆性的观点。

从行为层面来看，睡眠剥夺显著影响了受试者的注意力表现。PVT测试显示，在24小时睡眠剥夺后，最慢的10%反应时间显著延长（386.4 ms–410 ms；p < 0.05），这表明注意力出现了明显的下降。然而，在恢复期后，这一行为表现得到了显著改善，反应时间缩短至391.1 ms（p < 0.05）。这一结果表明，睡眠剥夺对认知功能的影响也是可逆的，而恢复睡眠能够有效缓解这种影响。尽管平均反应时间没有显著变化，但最慢反应时间的增加仍然反映了注意力的波动，这可能是睡眠剥夺对大脑功能的细微影响。

在系统层面，睡眠剥夺还影响了多种血液生物标志物的水平。研究发现，睡眠剥夺后，与炎症相关的标志物如基质金属蛋白酶-9（MMP-9）显著上升（从52.3 pg/mL增加到69.2 pg/mL；p < 0.05），而在恢复期后，MMP-9水平下降。此外，一些与神经血管动态和组织重塑相关的生物标志物也出现了变化，如脑源性神经营养因子（BDNF）、β-神经生长因子（β-NGF）和血管内皮生长因子（VEGF）在睡眠剥夺后显著升高，这可能反映了大脑在应对睡眠剥夺时的适应性反应。然而，其他生物标志物如髓过氧化物酶（MPO）、肌红蛋白和胱抑素C则在恢复期后才出现显著升高，提示了一种延迟的系统性炎症反应和细胞应激。这些发现表明，睡眠剥夺不仅会引起短期的生理变化，还可能触发一个更为复杂的系统性反应，包括神经适应性和炎症反应。

为了更全面地理解这些变化之间的关系，研究者进行了多模态相关网络分析。分析结果显示，在睡眠剥夺后，PVS、T1弛豫时间和QSM指标之间形成了紧密的正相关网络，表明这些变化可能是同步发生的生理事件。然而，在恢复期后，这种网络结构发生了显著变化，PVS和QSM的密集相关性减弱，而T1指标则出现了新的相关性。这表明，在恢复睡眠后，大脑的生理状态趋于稳定，各系统的相互作用也发生了调整。尽管PVT和血液标志物之间的相关性仍然较低，但这些结果为理解睡眠剥夺对大脑结构和功能的多方面影响提供了重要的线索。

值得注意的是，PVS体积的变化在不同脑区表现出一定的区域差异。例如，基底节的PVS体积在睡眠剥夺后显著增加，而在恢复期后又有所下降。这可能反映了基底节在睡眠剥夺中的特殊地位，或者与该区域的代谢活动和血管密度有关。此外，海马体的PVS体积在睡眠剥夺后也出现了增加，但并未在恢复期后恢复，这可能意味着海马体对睡眠剥夺的反应更为持久，或者其恢复能力较弱。这些区域差异提示了不同脑区在应对睡眠剥夺时的反应机制可能存在差异。

从机制上看，MMP-9的增加可能为PVS体积变化提供了一种可能的解释。MMP-9是一种与水通道蛋白AQP4功能相关的酶，而AQP4在脑清除过程中起着至关重要的作用。因此，MMP-9的升高可能与睡眠剥夺引起的脑清除功能障碍有关。然而，长期的MMP-9升高通常与病理状态相关，因此这种短暂的升高可能只是睡眠剥夺引起的暂时性变化，而非慢性病理的前兆。此外，研究中观察到的其他生物标志物的变化也支持了这一观点，表明睡眠剥夺引发的系统性反应是动态的，并且在恢复期后能够得到缓解。

研究的局限性在于，其时间跨度较短，仅涵盖了24小时的睡眠剥夺和72小时的恢复期。因此，研究者无法深入探讨睡眠剥夺对大脑结构和功能的长期影响，也无法确定这些变化是否会在更长时间的睡眠剥夺后变得更加严重。此外，研究未对受试者的睡眠质量或恢复期间的睡眠行为进行追踪，这可能影响对睡眠剥夺影响的全面评估。尽管如此，研究结果仍然为理解睡眠剥夺对大脑的影响提供了重要的依据，并为进一步研究提供了方向。

综上所述，这项研究揭示了单一夜间睡眠剥夺对大脑结构和功能的广泛影响，包括PVS体积的增加、T1弛豫时间和QSM指标的变化，以及注意力和行为表现的下降。然而，这些变化在恢复睡眠后均得到了逆转，表明健康个体在面对短期睡眠剥夺时具有较强的恢复能力。这一发现对于理解睡眠在维持大脑健康中的作用具有重要意义，同时也为制定合理的睡眠管理策略提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨不同类型的睡眠剥夺对大脑的影响，以及个体差异在恢复过程中的作用。此外，研究还可以扩展到其他人群，如老年人或患有神经退行性疾病的人群，以评估睡眠剥夺对不同群体的影响。