《Frontiers in Neuroscience》：Exploring the differences in neural oscillation mechanisms before and after sleep deprivation
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引言：睡眠剥夺(SD)在现代社会普遍存在，会损害认知功能和行为表现。然而，与个体对睡眠丧失脆弱性差异相关的神经变化仍不清楚，特别是神经振荡的时间波动是否提供了超出传统平均频谱测量的信息。方法：研究人员分析了一个公开的静息态脑电图(EEG)数据集，包含在正常睡眠
引言：睡眠剥夺(SD)在现代社会普遍存在，会损害认知功能和行为表现。然而，与个体对睡眠丧失脆弱性差异相关的神经变化仍不清楚，特别是神经振荡的时间波动是否提供了超出传统平均频谱测量的信息。方法：研究人员分析了一个公开的静息态脑电图(EEG)数据集，包含在正常睡眠(NS)和睡眠剥夺(SD)条件下评估的64名参与者，其中28名参与者具有心理运动警觉性任务(PVT)数据。在theta、alpha和beta频段量化了两个振荡特征族，即平均相对功率和相对功率的跨时段变异性，主要在区域水平进行分析，并使用通道水平分析以进一步表征其空间分布。结果：theta频段特征在睡眠剥夺后表现出最显著的变化。具体而言，theta功率变异性在广泛的头皮区域增加，而平均theta相对功率的变化在空间上更受限。额叶和中心-颞叶区域theta功率变异性增加越大，与PVT中位反应时间减慢越大相关，且主要关联模式在敏感性分析中依然明显。探索性的性别相关分析在中心-颞叶区域发现了显著的性别与EEG交互作用，表明男性和女性之间有不同的线性EEG-PVT斜率，尽管相应的Spearman相关强度差异不显著。讨论：总体而言，theta功率变异性可能提供了超出传统平均频谱测量的补充信息，并可能有助于表征睡眠剥夺后警觉性下降的个体差异。
睡眠剥夺在现代社会极为普遍，已成为重要的公共卫生问题。睡眠不足会导致日常工作功能受损并增加现实风险，如工作效率下降、注意力失效及操作失误，这些后果与反应速度、持续注意力、工作记忆和执行控制等多个认知领域的受损密切相关。其中，警觉性对睡眠丧失尤为敏感，通常通过心理运动警觉性任务(PVT,一种测量警觉性和反应速度的行为学任务)进行评估。睡眠剥夺通常导致反应变慢、失误更频繁以及行为表现不稳定。然而，警觉性受损程度在个体间存在显著差异，这凸显了深入理解与睡眠丧失脆弱性相关的神经变化的必要性。脑电图(EEG,一种高时间分辨率的神经成像技术)被广泛用于研究睡眠剥夺的神经效应。既往研究多使用传统频谱测量在组水平上描述theta、alpha和beta等频段的变化。然而，平均振荡功率仅提供了记录期内振荡活动平均水平的有用总结，并未直接表征该活动在记录内的时序稳定性。因此，传统平均功率分析遗留了一个问题：睡眠剥夺是否不仅改变了频带限制振荡活动的平均水平，还改变了其在连续时段间波动的幅度。因为清醒期间的瞬时类睡眠神经活动与注意力缺失和反应减慢有关，振荡变异性的测量可能通过表征振荡活动的跨时段波动来补充平均频谱功率。为了解决这一问题，本研究检查了正常睡眠和睡眠剥夺条件下theta、alpha和beta频段的平均相对功率和跨时段功率变异性，并探讨这些振荡特征的变化是否与以PVT中位反应时间变化为指标的警觉性下降个体差异相关。该研究发表在《Frontiers in Neuroscience》上。
在技术方法方面，研究人员利用了公开的OpenNeuro数据集进行了队列来源的样本分析。研究纳入了64名具有有效EEG数据的参与者进行振荡特征分析，其中28名具有有效PVT数据的子集用于EEG与行为表现的关联分析。EEG数据经过预处理后，提取了theta、alpha和beta频段的平均相对功率及功率变异性（以跨时段相对功率的标准差量化），并在三个预设的头皮感兴趣区域(ROI, frontal, centro-temporal, parieto-occipital)及通道水平进行特征量化。统计上采用配对置换检验进行组间比较，使用Spearman相关评估EEG与PVT变化关联，并通过Benjamini-Hochberg错误发现率(FDR)进行多重比较校正；同时引入非周期调整分析、不同时间窗长度的敏感性分析以及探索性的性别相关分析以验证结果的稳健性。
睡眠剥夺后EEG振荡特征的变化
通过ROI水平的配对置换检验与通道水平的脑地形图分析，研究人员得出结论：睡眠剥夺后功率变异性比相对功率表现出更显著且广泛的变化。具体而言，theta功率变异性在所有三个ROI中均显著增加，并在通道水平表现出最广泛的变化（61个通道中有58个显著）；而平均theta相对功率的增加主要局限于中心-颞叶和顶-枕叶区域。beta功率变异性在所有ROI中也有显著增加，但幅度较温和；alpha频段的变化则较为受限。
振荡变化与警觉性下降之间的关联
通过计算ROI与通道水平的EEG变化与PVT中位反应时间变化之间的Spearman相关，得出结论：theta频段特征与PVT减慢表现出最强的关联。特别是theta功率变异性在额叶和中心-颞叶ROI与PVT反应时间延长显著正相关。在控制了平均theta相对功率后，部分Spearman相关显示该关联在中心-颞叶依然显著，表明功率变异性提供了平均功率无法完全解释的非冗余信息。通道水平分析进一步将这些显著关联定位在额叶、额中央和颞叶电极。敏感性分析证实这些关联并非由单一受试者驱动，且该关联在正常睡眠基线下不成立，说明其特异于睡眠剥夺引起的变化。
振荡特征的稳健性分析
通过去除拟合的非周期背景成分并重新计算残余功率与残余变异性，得出结论：非周期调整后，theta频段的残余变异性在睡眠剥夺后依然广泛增加，但其与PVT减慢的显著关联仅保留在中心-颞叶区域。通过使用2秒、4秒、8秒和10秒不同长度的时段重新计算特征，证实theta功率变异性的增加及其与PVT的关联在2至8秒时段中高度一致，进一步验证了主要发现的稳健性。
睡眠剥夺反应的性别相关分析
通过Welch's t检验、中位数差异置换检验以及性别分层相关分析，得出结论：未发现性别在EEG或PVT变化上存在显著的广泛差异。但在针对theta功率变异性与PVT关联的探索性分析中，中心-颞叶区域显示出了显著的性别与EEG交互作用，表明该区域内存在不同的线性EEG-PVT斜率，女性表现出更陡峭的拟合斜率，尽管其Spearman相关强度的性别差异并未达到统计学显著。
在讨论部分，研究人员总结指出，theta功率变异性是反映睡眠剥夺影响的最具信息量的模式。其增加可能反映了大脑在睡眠剥夺后无法维持稳定的清醒状态，而在相对稳定的清醒和瞬时的低警觉或类睡眠状态之间波动。这种变异性在额叶和中心-颞叶区域的增加与PVT反应时间延长密切相关，可能意味着支撑警觉响应、运动准备和执行以及感觉运动信息处理的神经过程稳定性降低。部分相关分析表明，变异性与平均功率共享方差但不可完全归因于后者，提供了一种补充指标。空间分布上的发现也印证了额叶与感觉运动网络在睡眠剥夺引起的持续警觉受损中的作用。研究结论部分明确，睡眠剥夺伴随着相对功率和功率变异性的改变，其中theta功率变异性表现出最一致的模式。theta功率变异性增加越大的参与者，其PVT中位反应时间减慢越明显。这些发现为EEG振荡活动的时序变异性与睡眠剥夺后行为受损之间的关系提供了见解，并可能有助于表征警觉性下降的个体差异，未来需在更大且性别均衡的样本中验证这一结论。
