慢性失眠症患者言语流畅任务下的皮层激活与功能连接：一项多通道fNIRS研究
《Scientific Reports》：Cortical activation and functional connectivity during verbal fluency task in patients with chronic insomnia: a multi-channel fNIRS study
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时间：2025年11月29日
来源：Scientific Reports 3.9
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本研究针对慢性失眠症（CID）患者存在言语流畅性缺陷但其前额叶神经机制尚不明确的问题，研究人员开展了基于多通道功能性近红外光谱（fNIRS）技术的主题研究。结果发现，与健康对照（HC）相比，CID患者在执行言语流畅任务（VFT）时表现出双侧前额叶激活显著减弱及功能连接（FC）强度下降32-45%，且这些神经活动指标与睡眠潜伏期、睡眠效率等临床参数相关。尤为重要的是，结合多前额叶脑区激活、行为表现及临床量表的多模态模型对CID具有优异的鉴别能力（AUC=0.91）。该研究为理解CID的神经病理机制提供了客观的神经影像学证据，并展示了fNIRS在开发客观诊断工具方面的潜力。
夜深人静，本该是大脑休息的时刻，但对于慢性失眠症（Chronic Insomnia Disorder, CID）患者而言，这却是一场与清醒的拉锯战。CID是一种常见的睡眠障碍，其特征是入睡困难、睡眠维持障碍或早醒，并导致日间功能受损和认知功能下降。据统计，约10%的成年人受失眠症困扰，另有20%的人有偶发性失眠症状。失眠常常是一种慢性疾病，5年内的持续率高达40%。它不仅严重影响患者的生活质量，还是许多精神障碍（如情绪/焦虑障碍、精神分裂症）的风险因素、共病条件和跨诊断症状。在CID患者中，认知功能障碍，尤其是执行功能（如言语流畅性）的损害尤为常见，但其背后的神经机制尚未完全阐明。
以往的研究表明，前额叶皮层（Prefrontal Cortex, PFC）在执行功能中扮演关键角色，而其在CID患者中可能存在功能失调。神经影像学研究提示，CID的病理生理机制涉及前额叶激活和功能连接（Functional Connectivity, FC）的失调。例如，在执行认知任务时，失眠患者常表现出背外侧前额叶（Dorsolateral Prefrontal Cortex, DLPFC）和内侧前额叶（Medial Prefrontal Cortex, mPFC）的激活减弱。然而，以往的研究往往样本量较小，或仅单独关注皮层激活或功能连接，未能全面揭示CID的神经基础。功能性近红外光谱（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）作为一种非侵入性、可实时监测脑血流动力学变化的技术，为在自然任务状态下（如言语流畅任务，Verbal Fluency Task, VFT）研究皮层活动提供了独特优势。它能够同时评估局部脑区激活和脑区间的功能协调性。
为了更系统地探讨CID患者在执行功能任务中的神经活动模式，西南医科大学附属自贡医院（Zigong Hospital Affiliated to Southwest Medical University）的研究团队在《Scientific Reports》上发表了题为“Cortical activation and functional connectivity during verbal fluency task in patients with chronic insomnia: a multi-channel fNIRS study”的研究论文。该研究利用53通道fNIRS，比较了81名CID患者与100名健康对照（Healthy Control, HC）在执行VFT时的前额叶皮层激活和功能连接差异，并进一步分析了这些神经指标与睡眠临床参数的关系及其对CID的鉴别诊断价值。
本研究为横断面研究。研究对象为2024年6月至2025年2月在自贡市精神卫生中心睡眠科住院、符合DSM-5诊断标准的CID患者及健康对照。所有参与者完成匹兹堡睡眠质量指数（Pittsburgh Sleep Quality Index, PSQI）评估，并排除显著抑郁/焦虑症状者。核心实验为言语流畅任务（VFT），同时使用多通道fNIRS系统（BS-3000）记录前额叶及邻近皮层的氧合血红蛋白（Oxy-Hb）浓度变化。数据处理采用Homer2和NIRS-KIT工具包进行运动伪影校正、滤波和广义线性模型（General Linear Model, GLM）分析，以获取任务相关的激活强度（β值）。基于自动解剖标记（Automated Anatomical Labeling, AAL）图谱定义了6个前额叶感兴趣区（Region of Interest, ROI），并计算了ROI间的功能连接矩阵。统计分析包括组间比较（t检验，错误发现率FDR校正）、相关性分析（Pearson相关）以及受试者工作特征（Receiver Operating Characteristic, ROC）曲线分析以评估诊断效能。
CID组（n=81）与HC组（n=100）在性别、年龄、教育年限上无显著差异，但CID组的PSQI总分及各成分得分均显著较高，表明其睡眠质量严重受损。
HC组在执行VFT时，前额叶和颞叶多个通道（如通道7, 16, 23, 27, 35, 37等）显示出广泛的、显著的氧合血红蛋白（Oxy-Hb）浓度增加，表明 robust 的皮层激活。相比之下，CID组的激活范围和强度均显著减弱，仅在少数通道（如通道23）有显著激活。
组间比较显示，HC组在多个前额叶和颞叶通道（如通道7, 13, 16, 22, 23, 27, 29, 30, 35, 36, 37, 42, 43, 44, 46, 48）的激活显著强于CID组（经FDR校正后p<0.05）。三维脑模型进一步凸显了差异主要位于左内侧前额叶（left mPFC）、双侧背外侧前额叶（bilateral DLPFC）以及左颞叶。
对六个预定义的前额叶ROI（左/右下额回IFGL/IFGR、左/右中额回MFGL/MFGR、左/右上额回SFGL/SFGR）的分析一致表明，CID组在所有ROI的Oxy-Hb激活水平均显著低于HC组（p<0.01）。
在CID患者中，左下额回（IFGL）的激活强度与睡眠潜伏期呈负相关（r = -0.241, p<0.05），与睡眠时长呈正相关（r = 0.329, p<0.01）。右上额回（SFGR）的激活与PSQI总分（r = 0.231, p<0.05）和睡眠效率（r = 0.357, p<0.01）均呈正相关。这些相关性分析是探索性的，未进行多重比较校正。
CID组在VFT期间，多个ROI对之间的功能连接强度显著弱于HC组，连接强度减弱幅度达32%-45%。特别是左下额回（IFGL）与左中额回（MFGL）、左下额回（IFGL）与右上额回（SFGR）、左中额回（MFGL）与右上额回（SFGR）之间的功能连接差异显著（经FDR校正后p<0.01）。全通道水平的功能连接矩阵也显示CID患者存在广泛的连接减弱。
单个ROI的ROC分析显示，左上额回（SFGL）的激活对区分CID与HC的效能最高，曲线下面积（Area Under the Curve, AUC）为0.7936，准确度为73.5%，敏感性77.8%，特异性70.0%。其他ROI的AUC值在0.6807至0.7759之间。
当使用所有六个前额叶ROI的激活值构建多变量逻辑回归模型时，鉴别效能提高（AUC = 0.842）。进一步将fNIRS指标与VFT行为表现（正确词语数）及汉密尔顿焦虑量表（HAMA）、汉密尔顿抑郁量表（HAMD）评分相结合构建的组合模型，展现出优异的鉴别能力，AUC达到0.912。
本研究利用多通道fNIRS技术，揭示了慢性失眠症（CID）患者在言语流畅任务（VFT）中存在的双重神经功能异常：局部前额叶皮层（特别是双侧DLPFC、mPFC和左颞叶）激活不足，以及前额叶脑网络内功能连接强度显著减弱。这些神经活动缺陷与关键的临床睡眠参数（如睡眠潜伏期、睡眠效率）相关，表明其可能是CID患者认知和情绪障碍的神经基础。研究最重要的发现之一在于诊断效能的评估：虽然单个脑区的激活（如SFGL）已显示出一定的鉴别价值（AUC=0.79），但融合了多脑区fNIRS激活、行为表现和临床量表的多模态模型达到了更优异的鉴别精度（AUC=0.91）。这强有力地表明，基于fNIRS的神经功能评估，当其与认知行为及情感维度的指标相结合时，有望为CID的客观评估提供强大的多模态生物标志物。
该研究的创新之处在于方法学上同步考察了皮层激活和功能连接，在发现层面上揭示了CID的神经病理可能同时涉及前额叶神经回路“节点”（局部激活）和“网络”（全局连接）的双重损害，为理解CID的认知功能障碍提供了更系统的神经生理学证据。尽管研究存在局限性（如fNIRS空间分辨率限制、横断面设计、潜在残留情绪症状影响等），但其结果深化了对CID神经机制的认识，并为未来开发基于fNIRS的客观诊断工具和靶向神经调控治疗策略指明了有前景的方向。未来的研究应侧重于纵向设计以探讨这些神经改变的因果性，并在更大人群和结合其他神经影像模态（如fMRI）中验证这些发现。
