睡眠剥夺(SD)在现代社会非常普遍，被认为是几种临床疾病的潜在因果机制。先前的神经影像学研究已经利用磁共振成像(MRI)从静态(比较两个MRI会话[一个在SD后和一个在休息清醒后])和动态(在SD的一个晚上重复MRI)的角度探索了SD的神经机制。最近的研究主要集中在静息状态扫描时的动态脑功能组织。本研究采用一种已成功应用于许多临床疾病的新指标(时间变异性)来检测55名正常青年受试者SD后的动态功能连接。我们发现，睡眠不足的受试者在大范围的大脑区域表现出区域水平的时间变异性增加，而在几个丘脑亚区域表现出区域水平的时间变异性减少。SD后，参与者在默认模式网络(DMN)中表现出更强的网络内时间变异性，在许多子网对中表现出更强的网络间时间变异性。通过逐步回归分析发现，视觉网络和DMN之间的网络间时间变异性与精神运动者警觉测验最慢的10%反应速度呈负相关。综上所述，我们的研究结果表明，睡眠不足的受试者表现出异常的脑功能动态结构，这为研究睡眠不足的神经基础提供了新的见解，有助于我们理解临床障碍的病理生理机制。
1.简介
睡眠不足是现代社会普遍存在的问题。此前的研究报告显示，35%的美国成年人在典型的24小时内睡眠不足7小时，这一现象在美国中学生和老年人中更为突出。有充分的证据表明，睡眠不足对人体健康有害，并会导致认知功能障碍，即使是在SD一晚之后。显著的是，注意力缺失、工作记忆受损、决策障碍、情绪处理受损与某一晚的SD有关。此外，最近的研究表明，SD是阿尔茨海默病、帕金森病等各种神经系统疾病的致病机制之一。精神障碍患者在这些疾病的早期阶段会出现睡眠不足，多项研究表明，这种睡眠不足可能是精神病的潜在病因机制。因此，阐明SD的潜在机制是基础和临床神经科学的一个重要目标。越来越多的神经影像学研究利用磁共振成像。最近，我们小组在这个研究领域进行了一系列的研究。通过比较SD会话和静下清醒(RW)会话，我们报道了SD后抑制控制的表现较差和抑制控制的大脑激活缺陷。我们进一步发现，一个晚上的SD可能会导致大脑结构的改变，而RW会话中的结构MRI数据可以线性预测SD后反应抑制的改变。在静息状态功能MRI(rsfMRI)数据中，我们的研究小组使用被掩盖的独立成分分析报告了海马亚区域静息状态功能组织的破坏，以及半球间静息状态功能连接(FC)的增加，这可能反映了SD后的代偿机制。使用扩散张量成像，我们检查了认知能力的个体间差异与脑白质特征之间的关系。这些研究采用了典型的实验范式，即进行两次磁共振扫描(SD后一次，RW后一次)。然而，这类研究描述的是SD后被调节的大脑，而不是SD期间的调节过程。为此，我们课题组增加了SD整个时间段的MRI扫描次数，探索了SD一个晚上大脑对持续注意任务和工作记忆任务反应的动态变化。上述研究从静态和动态两方面揭示了SD的神经机制，使我们对SD有了更深入的认识。
除了使用重复功能磁共振成像(fMRI)进行动态分析外，最近的研究还基于滑动窗方法研究了静息状态扫描中SD对动态功能脑组织的影响，时间顺序从秒到分钟。研究表明SD后FC状态之间的停留时间和传输发生了改变。Longetal.研究了部分SD后丘脑的FC变异性的年龄相关变化，并报道称，在限制睡眠3小时后，年轻人的左丘脑和左上顶叶皮层之间的FC变异性降低。然而，FC状态分析测量了全脑动态FC的模式，而不是特定地区的动态FC架构。FC变异性分析量化了两个脑区之间FC的波动，缺乏全球信息。最近，Zhang等人提出了一种新的中尺度脑功能动力学测量方法——与特定区域相关的功能结构的时间变异性，与上述两种测量动态FC跨区域特性的方法不同。这种方法允许耦合分析区域及其神经活动的时间变异性，并可以定位在组之间显示显著变异性变化的区域，以及显示与行为相关的显著变异性的区域，从而有助于揭示大脑疾病的潜在神经成像机制。它已成功应用于包括精神分裂症在内的多种疾病、重度抑郁症、中风、帕金森病和阿尔茨海默病。这些研究表明，时间的变化可能为大脑疾病的神经基础提供新的见解。考虑到SD可能是这些疾病的潜在因果因素，实验控制SD是一种有价值的精神分裂症实验医学模型，对SD后的时间变异性进行研究可能会促进我们对临床疾病病理生理学的理解。然而，SD对时间变异性的影响尚未得到描述。在本研究中，我们调查了一个晚上的SD对55名健康青年受试者的时间变异性的影响。首先，我们使用Zhang等人引入的方法，测量了RW和SD后FC结构的区域水平时间变异性，并比较了RW和SD状态之间的时间变异性差异。同样，使用(Sunetal.，)引入的方法分析了FC架构的网络内和网络间的时间变异性。最后，我们利用逐步回归分析探讨了时间变异性与警惕注意力之间的相关性。
2.方法简述
2.1被试和实验过程
本研究从西安电子科技大学招募68名正手健康青年受试者。排除异常数据之后，共纳入55名受试者，平均年龄20..83岁(范围岁;29男，26女)。
所有受试者被安排到实验室进行三次访问。在第一次来访时，受试者经历了筛选过程，并被告知实验程序，并被告知关于精神运动警觉测试(PVT)的指导。在整个实验过程中，受试者还被要求记录睡眠日记，以验证受试者是否遵守了有规律的睡眠时间表。1周后，符合纳入标准的受试者进行第二次访视。在本次访问中，受试者经历了RW期或SD期。在第三次访问中，受试者经历了另一阶段。
我们使用PVT来测量警觉注意力，这是被SD严重损害的认知领域。
磁共振数据来自中国西安医院放射科的3TGEMR扫描仪。采集T1结构像和7min静息态核磁数据，被试放松、固定、睁眼、清醒。
2.2数据分析
2.2.1预处理
SPM12和CONN进行预处理。为了稳定信号，并让参与者适应扫描噪声，我们丢弃了每次会话的前五卷rsfMRI数据。然后，其余卷rsfMRI使用CONN的默认预处理管道进行预处理，包括7个步骤。(1)功能重组和解经。剩余的rsfMRI数据使用SPM12重新排列和解曲程序重新排列到每个会话的中间体积，以进行头部运动校正。为了控制头部运动对结果的影响，在每个疗程中平移超过2毫米或旋转超过2毫米的受试者被排除在最终分析组之外。六名参与者被排除在高头部运动之外。(2)重新排列后的数据以(0,0,0)坐标居中。(3)Slice-timing修正。(4)离群点检测。根据中间设置(标准样本中的97%)，使用伪迹检测工具箱(ART;
