在较高的二氧化碳水平和较差的通风条件下睡眠会对次晨醒来时的脑电图（EEG）活动产生什么影响？

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Effects of sleeping at an increased CO 2 level and reduced ventilation on EEG activity upon waking up the next morning

　　

摘要

卧室通风不良会影响睡眠质量，但其对次日认知表现的影响尚未得到充分研究。此外，睡眠期间二氧化碳（CO₂）浓度升高对睡眠质量和次日认知表现的影响也不清楚。为了解决这些问题，22名参与者在三种不同条件下分别睡了四个夜晚：一种是通风良好但代谢产生的CO₂浓度为800 ppm（B800）；另一种是通风减少但代谢产生的CO₂浓度为3,000 ppm（B3000）；另一种是通风良好且添加了纯CO₂使浓度达到3,000 ppm（P3000）。第一晚始终作为适应期，处于B800条件下。认知表现在各组之间没有显著差异；在B800条件下，斯特鲁普测试（Stroop test）的表现略有提升（0.05< />

引言

睡眠对人类健康和福祉至关重要，并在决定次日的认知表现方面起着重要作用[1]。由于通风不良导致的卧室空气质量差会损害睡眠质量，从而降低第二天的工作表现和认知功能[2,3]。虽然睡眠障碍对认知的负面影响已经得到充分证实[2,[4],[5],[6]，但直接证据表明睡眠期间的卧室通风与次日认知表现之间的联系仍然有限且不一致。

最近的综述综合了现有关于卧室通风对睡眠和次日认知表现影响的研究结果，得出结论：当通风量过低，代谢产生的二氧化碳（CO₂）浓度超过约2,600 ppm时，这些表现可能会受到影响[7,8]。然而，这一结论基于单一研究，并未得到完全支持。在一项实地干预研究中，当卧室窗户关闭时，次日的认知表现下降，此时代谢产生的CO₂浓度约为1,800 ppm[2]；相反，在一项实验室研究中，即使在代谢产生的CO₂浓度约为1,700 ppm、通风减少的睡眠环境下，次日认知表现也没有明显变化[9]。Klausen等人的研究未观察到通风减少对次日认知表现的显著影响；代谢产生的CO₂浓度达到了3,000 ppm[10]。这些不一致的发现表明需要进一步研究。

CO₂通常被用作通风充足性的替代指标[11]。然而，在睡眠背景下，尚不清楚CO₂应被视为污染物还是仅仅是通风的替代指标。迄今为止，只有两项研究考察了在高浓度纯CO₂环境下睡眠的影响[10,12]。其中一项研究中，Klausen等人发现10-12岁的儿童在CO₂浓度升至3,000 ppm的密闭环境中睡眠后，睡眠质量和次日认知表现均无显著变化[10]；而Wang等人的研究发现，当CO₂浓度从约680 ppm升高到1,350 ppm时，睡眠质量较差[12]。不过，这两项研究都存在方法学缺陷，其结果需要独立验证。此外，除了神经行为测试外，没有使用其他方法来衡量对次日认知表现的影响。脑电图（EEG）测量可以用于此目的。

脑电图（EEG）是一种非侵入性技术，通过头皮电极记录大脑的电活动，长期以来用于通过量化频域特征和相关电位来研究认知表现[13]。尽管研究表明通风不良会降低认知表现[14],[15],[16]，但对于清醒状态下高浓度CO₂影响的研究结果却较为多样。具体来说，清醒状态下暴露于高浓度CO₂会改变大脑血流[17]，增加与困倦相关的慢波EEG活动[18]，并降低高要求认知任务（如决策）的表现，而简单任务则不受影响[19],[20],[21]。

然而，由于清醒状态和睡眠状态在代谢率和生理调节方面的根本差异，这些清醒状态下的发现不能直接用于预测夜间睡眠障碍或不良睡眠对次日表现的影响。鉴于人类活动和气候变化导致环境CO₂浓度持续上升，明确CO₂本身是否构成干扰睡眠并进而影响神经生理恢复的污染物非常重要。

本研究的主要目的是在不同通风条件和通过气瓶添加CO₂导致CO₂浓度升高时，检测睡眠前后的EEG信号。同时，本研究还客观测量和主观评估了认知表现，从而为睡眠质量和对次日认知表现的影响提供了新的证据，弥补了上述知识空白。

章节摘录

参与者

使用G*Power进行了先验功效分析，以确定最小样本量。设置如下：重复测量ANOVA，效应大小为0.5（Cohen’s f > 0.4），统计功效为0.85，非球形校正因子为0.5，重复测量之间的相关性为0.5，以及一个组进行三次测量；类似估计曾在之前的研究中使用过，例如[22]。分析结果表明最小样本量为15名参与者；因此我们招募了22名参与者。

结果

本文仅报告了认知表现和EEG的结果；其他结果将另行报告。

讨论

比较了在高通风和低通风以及高CO₂浓度条件下睡眠前后收集的认知表现和EEG数据。通过比较睡眠前后的测量结果进行了条件间和条件内的对比。在评估结果时，我们考虑了统计显著性（p<0.05）和至少中等效应大小（d≥0.5）。尽管一些因变量未达到统计显著性，但存在边缘显著性。

局限性

本研究存在一些局限性，需要加以考虑。

首先，招募的参与者年龄较低且总体上健康状况良好，这可能限制了当前研究结果在其他人群（特别是老年人或有睡眠或呼吸系统疾病的人群）中的普适性。

其次，认知表现是在醒来后约1小时测量的，可能会受到残留睡眠惯性的影响，在此期间神经认知状态尚未完全稳定。

结论

基于具有统计显著差异的结果（p < 0.05）和至少中等效应大小（Cohen’s d ≥ 0.5），可以得出以下结论：

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与睡眠前相比，睡眠后主观报告的神经行为症状强度和测量的EEG功率发生了统计学上的显著变化。

•

睡眠后EEG的变化并未导致认知表现的相应变化。

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Sijia Zhang：撰写——初稿、可视化、正式分析。Duo Yang：撰写——初稿、可视化、正式分析。Hui Zhu：撰写——审阅与编辑、监督、数据管理。Xiaojun Fan：撰写——审阅与编辑、验证、方法学设计、项目协调、资金获取、概念化。Pawel Wargocki：撰写——审阅与编辑、资源协调、项目管理、资金获取、概念化。

Sijia Zhang|Duo Yang|Hui Zhu|Xiaojun Fan|Pawel Wargocki

中国青岛理工大学环境与市政工程学院