儿童与青少年日常身体活动与后续睡眠的个体内时变关联

《Sleep Medicine》：Time-varying within-person association between daily physical activity and subsequent sleep in children and adolescents

　　

本研究旨在探究儿童与青少年每日身体活动与夜间睡眠之间的时变关联。研究人员采用美国国家健康与营养调查（NHANES）国家青年体能调查（NNYFS）中3至15岁儿童的代表性样本数据，通过腕部加速度计评估日常身体活动与睡眠参数。研究人员运用广义加性混合模型（GAMM）分析了总身体活动量（以MIMS/min衡量）、不同强度活动（低相对强度第90百分位MIMS/min）以及峰值活动时间与睡眠结局（入睡时间、总睡眠时间和睡眠效率）之间的个体内时变关联。结果显示，更高的身体活动量与更早的入睡时间和更长的总睡眠时间显著相关，且这一关联在接近入睡时间时更强。身体活动与睡眠效率呈正向关联，且在全天较为一致。强度分层分析表明，中等至高强度活动（尤其接近入睡时段）与更好的睡眠结局相关，而低强度活动则与较差的睡眠结局相关。年龄分层分析显示，青少年群体中身体活动与入睡时间和总睡眠时间的关联强于年幼儿童，而性别间无显著差异。研究结论指出，儿童与青少年的身体活动与睡眠之间的关联并非静态，而是随一天中的时间动态变化，下午至傍晚时段可能是促进身体活动并改善睡眠的关键窗口期。

研究背景

在24小时运动行为框架下，睡眠与清醒状态下的行为（包括身体活动和久坐时间）相互关联且彼此依赖。传统观察性研究通常将身体活动和睡眠视为独立、平均或特质水平的行为，分别探讨它们与青少年健康结局的关系，但对于两者如何在个体内部逐日协同变化的认识尚不充分。现有荟萃分析证据表明，身体活动与睡眠之间的个体间关联并不一致，例如Antczak等人（2020年）未发现3至13岁儿童中中高强度身体活动（MVPA）、轻度身体活动或总身体活动与睡眠时长、效率或时间点之间存在显著的个体间关联。然而，个体间关联无法反映同一人每天的行为波动，个体内效应可能与个体间效应在方向和强度上均存在差异。

近年来，越来越多研究采用密集纵向设计来建模身体活动与睡眠的个体内逐夜共变关系，已有研究表明，当儿童和青少年白天进行更多中高强度身体活动时，当晚入睡更早、睡眠更长。但关于身体活动发生的时间点如何影响这种关联，证据仍然有限且矛盾。睡眠调控的双过程模型认为，入睡由清醒期间积累的睡眠稳态驱动力与内源性昼夜节律相互作用驱动，因此不同时间点的运动行为可能对睡眠产生不同影响。此外，发育阶段也可能调节这一关联——幼儿的睡眠更多受父母设定的作息影响，而青少年则拥有更高的行为自主权，这可能改变白天运动行为与睡眠之间的关系。性别差异同样值得关注，既往研究发现身体活动时间点与睡眠结局存在性别特异性关联。

为填补上述空白，本研究旨在连续建模儿童和青少年全天身体活动与当晚睡眠之间的时变关联，而非局限于预先定义的离散时间段，并进一步探索这一关联是否因性别、年龄组以及运动强度而异。

研究方法

本研究基于2012年美国国家健康与营养调查（NHANES）国家青年体能调查（NNYFS）数据，纳入3至15岁儿童的代表性样本。参与者佩戴ActiGraph GT3X+加速度计于非惯用手腕，连续记录9天（含7个完整日和2个部分日）的清醒与睡眠期间活动数据。加速度计数据以1分钟为历元聚合，通过机器学习算法区分清醒、睡眠、非佩戴和未知状态，睡眠参数（入睡时间、入睡后醒来时间WASO、总睡眠时间TST、睡眠效率SE）基于最长睡眠窗口计算。原始加速度数据经MIMS单位处理，以消除设备间差异并捕获有意义的人体运动，MIMS数据按每10分钟区块聚合。主要暴露变量包括总身体活动量（各10分钟区块的平均MIMS/min）、峰值活动时间（全天最高30分钟MIMS的中点）以及基于百分位阈值划分的低（<第50百分位mims min）、中（第50至第90百分位mims min）、高（>第90百分位MIMS/min）相对强度活动。数据分析采用广义加性混合模型（GAMM），通过非参数平滑函数估计身体活动与睡眠结局之间的时变系数，模型纳入年龄、性别、BMI、种族、家庭儿童数作为时间不变协变量，星期几作为时变协变量，并设置随机截距以控制个体内重复观测的嵌套结构。为检验效应修饰，进行了按性别和年龄组（3-4岁幼儿、5-9岁儿童、10-15岁青少年）的分层分析，并通过逐点z检验比较亚组间差异。

研究结果

样本特征：最终纳入1175名儿童（占参与者的74.6%），共7434个夜晚的睡眠数据（平均每人6.3晚）。其中女性595人（50.6%），平均年龄9.0岁（标准差SD=3.6）。3-4岁组139人（11.8%），5-9岁组484人（41.2%），10-15岁组552人（47.0%）。平均入睡时间为晚上10:35（SD=1小时38分），平均总睡眠时间7小时12分（SD=1小时30分），平均睡眠效率80.8%（SD=20.1%）。

身体活动分布：总身体活动量在睡前350分钟（约5.8小时）达到峰值，但在睡前195至615分钟（3.3至10.3小时）区间内相对稳定。低强度活动概率在睡前即刻达到峰值，主导了睡前3小时的行为。高强度活动概率在睡前220分钟（约3.7小时）达到峰值，峰值30分钟MIMS的最常见时间亦为睡前220分钟。

总身体活动量与睡眠的时变关联：更高身体活动量与更早入睡时间和更长总睡眠时间显著相关，且这一关联几乎覆盖睡前800分钟（约13.3小时）内的所有时间点，关联强度在接近入睡时增大。身体活动与睡眠效率的关联在全天更为一致，但置信区间较宽。

性别分层：男性和女性在总身体活动量与入睡时间、总睡眠时间和睡眠效率的关联上均无显著差异。

年龄分层：在睡前60分钟、120分钟和240分钟，10-15岁青少年组中身体活动量与入睡时间的关联显著强于3-4岁组和5-9岁组。在睡前60分钟和120分钟，10-15岁组中身体活动量与总睡眠时间的关联也显著强于5-9岁组。各组间睡眠效率关联无显著差异。

强度特异性关联：低相对强度活动（<第50百分位mims min）在睡前约450至730分钟范围内与更晚入睡、更短总睡眠时间和更低睡眠效率相关，但在睡前660至790分钟（约11至13.2小时）的低强度活动反而与更早入睡相关。中等相对强度活动（第50至第90百分位mims min）的模式与总身体活动量几乎一致，几乎所有时段均与更好睡眠结局相关。高相对强度活动（>第90百分位MIMS/min）呈现更精细的模式：在睡前380分钟（约6.3小时）以内的高强度活动与更早入睡和更长总睡眠时间相关，而在睡前超过620分钟（约10.3小时）的高强度活动则与更晚入睡和更短总睡眠时间相关。

峰值活动时间与睡眠的关联：当日峰值30分钟MIMS发生在睡前700分钟以内时，与更早入睡和更长总睡眠时间显著相关，但与睡眠效率无显著关联。

讨论与结论

本研究表明，儿童和青少年的身体活动与睡眠之间的关联并非静态，而是随一天中的时间动态变化。更高身体活动量总体上与更早入睡、更长总睡眠时间和更高睡眠效率相关，且临近入睡时段的关联更强。这一发现挑战了传统睡眠卫生指南中建议避免睡前运动的观点，因为睡前3至4小时的身体活动可能通过增加睡眠稳态驱动力而有益于睡眠，同时留有足够时间恢复生理稳态。值得注意的是，傍晚时段正是儿童屏幕使用的高峰期，而屏幕相关的久坐行为可能通过睡眠置换假说、认知唤醒或蓝光抑制褪黑素等机制延迟入睡。因此，傍晚身体活动的有利关联可能部分反映了替代屏幕时间的效果。

研究中一个有趣的发现是，清晨进行高强度活动反而与当晚更晚入睡和更短睡眠相关，而清晨低强度活动则与更好睡眠相关。这符合ActivityStat假说——儿童可能通过调整后续行为来补偿早期活动，即清晨高强度活动后可能在傍晚变得更久坐，从而间接影响睡眠。

年龄分层分析显示，青少年群体中身体活动与睡眠的关联强于年幼儿童，这可能反映了行为自主权的差异——青少年的睡眠更容易受到自身晚间行为选择的影响，而幼儿的睡眠更多由家长设定的作息决定。性别间未观察到显著差异。

本研究的方法学优势包括使用大样本代表性人群、加速度计客观测量以及创新的时变建模方法。局限性包括：睡眠检测算法在儿童中的有效性未经验证，可能导致入睡时间误判；MIMS单位缺乏已验证的强度切点，百分位分类可能部分反映年龄差异而非真实强度差异；睡眠变量基于最长睡眠窗口，无法考察日间小睡的影响；研究设计虽体现了时间先后顺序，但无法排除混杂因素，不能证明因果关系；数据采集于2012年，数字媒体环境已发生显著变化。

研究结论：本研究证实，儿童和青少年的身体活动与睡眠之间的关联随时间动态变化。更高身体活动量总体上与更早入睡、更长总睡眠时间和更高睡眠效率相关，尤其当活动发生在临近入睡时段时关联更强。青少年中身体活动与入睡时间和总睡眠时间的关联强于年幼儿童，表明随着年龄增长，行为自主权可能放大这些效应。这些结果凸显了下午和傍晚时段作为进一步研究身体活动与睡眠关系的潜在重要窗口。针对午后和傍晚身体活动与久坐行为的24小时运动行为干预，不仅有望改善健康促进性的清醒期运动行为，还可能积极影响青少年的睡眠结局。