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这篇研究运用稀疏典型相关分析（sCCA），对 3222 名青少年数据进行研究。发现睡眠特征与大脑测量在两个高维空间存在联系，揭示出三种青少年生物型，且其在认知表现、大脑结构和功能上有差异。该研究为优化睡眠促进认知发展提供了重要依据。
### 引言
睡眠对人类生存、大脑发育和认知功能维持至关重要。青少年时期睡眠模式发生显著变化，如睡眠时间缩短、入睡时间延迟和昼夜节律改变，这些变化与认知和调节神经系统的发育同步，因此研究睡眠特征与大脑发育的相关性对认知发展意义重大。
以往研究多采用自我报告的睡眠测量方法，存在高估和不准确的问题，且样本量较小。稀疏典型相关分析（sCCA）作为一种多元方法，可系统探索两个高维变量间的关联，为研究提供了新途径。本研究旨在利用 sCCA，基于大规模青少年样本，探究与多种睡眠特征相关的大脑结构和功能维度，并分析其对青少年个体发育差异的影响。
结果
- 睡眠特征和大脑测量指标：研究获取了 85 个脑容量指标、282 个功能连接指标和 18 个睡眠特征指标。发现不同睡眠阶段的时长、心率以及入睡时间等在发现样本和复制样本中存在差异。
- 大脑引导的睡眠特征维度：sCCA 确定了两个潜在的睡眠 - 大脑维度。第一个维度是 “睡眠起始 - 总时长” 主导模式，入睡时间和总睡眠时间权重较高，觉醒次数权重为负；第二个维度是 “心率 - 浅睡眠时长” 主导模式，各睡眠阶段心率权重高，浅睡眠时长权重为负。
- 睡眠影响的大脑测量维度：与第一个睡眠维度相关的大脑变化包括初级 / 联合皮质网络与皮质下区域之间的功能连接（FC）减少，部分初级网络内和之间的 FC 增加；第二个睡眠维度则与较低的脑容量、皮质 - 皮质下 FC 减少以及部分皮质网络间的 FC 减少有关。
- 基于大脑测量维度的三种青少年生物型：通过对大脑维度进行层次聚类，确定了三种青少年生物型。生物型 1 睡眠表现最差，睡眠时间最短、入睡最晚、心率最高；生物型 3 睡眠表现最佳，睡眠时间最长、入睡最早、心率最低；生物型 2 各项睡眠特征接近平均水平。
- 生物型特异性的认知表现和学业成就：三种生物型在认知表现上存在显著差异，生物型 3 和生物型 2 在结晶智力、图片词汇、阅读识别和侧翼任务等方面表现优于生物型 1，但在学业成就上未发现显著差异。
- 生物型特异性的脑容量和功能网络连接：三种生物型在脑容量和脑网络 FC 上也存在显著差异。脑容量呈现生物型 3＞生物型 2＞生物型 1 的梯度差异；在 FC 方面，不同连接在不同生物型中表现出最强连接，且呈现多种梯度模式。
- 三种青少年生物型认知表现和学业成就的纵向变化：在 9 - 10 岁到 13 - 14 岁的 4 年期间，三种生物型的认知能力均有提升，但生物型之间的差异模式在各时间点保持一致，且在学业成就上生物型与时间无显著交互作用。
- 三种青少年生物型脑容量和功能网络连接的纵向变化：所有生物型的平均皮质脑容量减少，平均皮质下脑容量增加，且生物型 1 脑容量最小，生物型 3 最大。皮质 - 皮质网络 FC 在不同生物型间的差异在 13 - 14 岁消失，而 63.83% 的个体 FC 存在显著交互作用。
- 睡眠 - 大脑维度和相关青少年生物型的复制验证：在两个复制样本中成功识别出与发现样本相似的睡眠 - 大脑维度和生物型，验证了研究结果的稳健性和生物型的普遍性。
讨论
本研究利用大规模多模态成像数据和客观睡眠特征，结合先进机器学习方法，确定了青少年睡眠 - 大脑协方差的两个维度和三种生物型。这些生物型在睡眠、大脑和认知方面存在显著差异，且这些差异在 9 - 10 岁就已显现并持续到 13 - 14 岁。
第一个睡眠 - 大脑维度与青少年的昼夜节律和生理变化相关，涉及感觉运动网络连接变化以及皮质 - 皮质下网络连接改变。第二个维度凸显了心率在睡眠 - 大脑协方差中的作用，且与记忆相关脑区的脑容量变化有关。研究还证实了存在三种不同睡眠、大脑和认知特征的青少年生物型，睡眠 - 大脑维度可能作为分类的潜在生物标志物。
本研究的优势在于使用大规模纵向样本、先进多元方法、客观睡眠特征并进行了复制验证，为优化青少年睡眠习惯提供了策略。然而，研究也存在局限性，如部分睡眠测量指标缺失、脑网络划分不够精准、缺乏基因组学等多维度信息。未来研究可在这些方面进行改进，以更全面深入地理解青少年睡眠。
