SLEEP：睡眠周期和年齡中的EEG連通性

研究目標：

在年輕人中，睡眠與非快速眼動(NREM)睡眠與第一個周期中大腦連通性的重要變化有關。本研究旨在評估睡眠中的EEG連通性在年輕人和老年人之間以及在整個睡眠周期中的差異。

方法:

我們使用虛部相干來評估30名年輕人(14名女性性;20-30歲)和29名老年人(18名女性;50 - 70歲)在非快速眼動(NREM)和快速眼動(REM)睡眠中的EEG連通性。我們還探討了相干性和認知測量之間的關系。

結果:

與年輕人相比，老年人的EEG連通性在N2期較低，但在REM和N3期較高。N3在年齡上的差異是由第一個睡眠周期造成的。REM期的EEG連通性低于N3期，尤其是在年輕人中。在探索性分析中，控制年齡的影響，發(fā)現(xiàn)在N2期較高的EEG連通性與較高的處理速度相關，而在REM睡眠期間，delta和gamma波段較低的EEG連通性與較高的言語記憶表現(xiàn)和較高的智商相關。

結論:

我們的結果表明，年齡改變了睡眠中EEG的連通性，但這些影響的方向和幅度在睡眠階段和周期之間有所不同。N3和REM的結果表明，與年輕人相比，老年人大腦斷開（disconnect）連通性的能力較弱。我們的研究結果也支持了睡眠期間大腦功能連通性可能與認知功能相關的觀點。本研究由加拿大du Sacré-C?ur de Montréal醫(yī)院的Julie Carrier等人發(fā)表在sleep雜志。

研究亮點

清醒大腦的腦功能連接是認知和大腦完整性的基礎。大多數關于人類睡眠期間功能連接的結論來自于對年輕人第一次非快速眼動(NREM)睡眠周期的研究。在這里，我們比較了年輕人和老年人在非快速眼動(NREM)和快速眼動(REM)睡眠期間的EEG連通性。老年人在淺睡眠時表現(xiàn)出較低的連通性，但在快速眼動和深度睡眠時表現(xiàn)出較高的連通性，尤其是在夜晚開始時，功能連通性與特定認知任務的表現(xiàn)相關。我們的研究表明，睡眠階段和周期改變了與年齡相關的睡眠連通性變化的方向和幅度。未來的研究應該評估睡眠中的功能連通性是否能預測衰老中的大腦和認知完整性。

研究背景

睡眠是一個在不同時間尺度上動態(tài)演化的過程。在一種極端情況下，睡眠在人的一生中會被強烈地改變，而在一種更小的時間尺度上，它也會在夜晚的開始到夜晚的結束中改變。近年來，人們在從免疫學到精神病學的多個領域對睡眠進行了研究，包括大腦代謝清除、情緒紊亂、情緒處理以及清醒時的認知功能。

在20歲到60歲之間，較輕的NREM睡眠階段增加，同時深度慢波睡眠(SWS)持續(xù)時間和在delta、theta和sigma頻帶上的NREM絕對頻譜功率都顯著降低。隨著年齡的增長，特定的NREM腦電波也會發(fā)生相當大的變化，包括慢波和睡眠紡錘波的密度和振幅的下降。在REM睡眠中，頻譜功率分析顯示10HZ以下的EEG絕對功率隨年齡增長而下降。神經元同步的特定睡眠標記，如睡眠紡錘波，與依賴睡眠的記憶鞏固以及智力等更全面的認知功能相關。睡眠中大腦連接的變化可能與正常和病理性衰老的認知功能障礙有關。

我們的研究旨在評估年輕人和老年人在睡眠期間的功能連接有何不同。為此，我們比較了年輕人和老年人在兩個不同的意識狀態(tài)(非快速眼動睡眠和快速眼動睡眠)的整個睡眠周期的EEG連通性。EEG連通性用頻譜虛部相干來量化，可以量化近距離和遠距離頭皮區(qū)域之間的連通性強度。虛部相干是唯一量化這些頻譜模式之間的耦合以及電極之間的信號同步(通過穩(wěn)定的延遲來評估)的連通性指標。

研究假設：

1）EEG連通性將會隨著NREM睡眠的加深而降低，但與年輕人相比，老年人的SWS（深度慢波睡眠）減少較少；

2）REM睡眠連通性介于較輕和較深的NREM睡眠階段之間；此外，我們還想探討睡眠中的EEG連通性是否與認知有關。因此，我們評估了連通性結果與語言記憶、加工速度和智商（IQ）之間的聯(lián)系，這些測量是在多導睡眠監(jiān)測(PSG)后的第二天早晨進行的。

方法

被試

59名被試：30名年輕人(16名男性，14名女性;平均年齡：23.49歲)和29名老年人(11名男性，18女，平均年齡：59.6歲)。

補充表1 青少年和老年人的人口統(tǒng)計學、神經心理學和多導睡眠學變量

程序

所有被試接受一晚的PSG記錄，確定前三個睡眠周期。多導睡眠學變量見補充表1。為了避免不必要的睡眠剝奪或睡眠周期的改變，被試必須在實驗方案實施前7天遵循一個常規(guī)的睡眠-覺醒周期，該周期基于他們個人的習慣性睡眠時間和覺醒時間（±30分鐘）。通過睡眠日記和活動描記檢查依從性。為了考慮受試者的喚醒-睡眠周期，根據睡眠日記中收集的信息調整實驗室的就寢時間和習慣性喚醒。在記錄前使用韋氏成人智力量表（WAIS-IV）測量智商。在PSG記錄后的第二天早上，對每個被試進行神經心理學測試，包括TMT(TrailMaking Test)、康納連續(xù)行為測試II(CPT-II)和聽覺語言學習測試(AVLT)。實驗設計和數據采集的示意圖見補充圖1。

補充圖1 實驗設計和數據采集

多導睡眠監(jiān)測記錄

在PSG記錄夜間，使用20個電極(Fp1、Fp2、Fz、F3、F4、F7、F8、Cz、C3、C4、Pz、P3、P4、Oz、O1、O2、T3、T4、T5、T6)(10-20國際系統(tǒng)；帶通濾波：0.3 -100Hz)，并記錄肌電、眼電和心電。采樣率：256hz。睡眠階段（N1、N2、N3和REM）由電生理技術人員根據美國睡眠醫(yī)學學會（AASM）的標準，在30秒的分段內進行視覺評分。

相干分析

其計算使用的是不含偽跡的分段的平均值，與電極的功率無關。相干可以分解為實部和虛部。為了評估EEG導聯(lián)之間的功能連通性，我們使用了相干的虛部，它消除了可能與EEG導聯(lián)之間的虛假傳導。相干值計算的頻率范圍是低delta(0.3-2 Hz)、高delta(2-4 Hz)、theta(4-8Hz)、alpha(8-12Hz)、低sigma(12-14Hz)和高sigma(14-16Hz)。統(tǒng)計時對虛部相干進行Fisher-z變換。顯著性閾值為p < 0.01。采用FDR矯正。

認知測試和統(tǒng)計分析

本研究進行了探索性分析，以評估大腦連通性模式是否與認知能力有關。認知測量的目的是反映大腦不同區(qū)域的各種神經心理功能。首先，使用CPT-II的hit反應時間和TMT-A的結果評估加工速度。再通過AVLT的三個具體指標來評估記憶功能，即總學習分數、即時回憶和延遲回憶。接下來，用TMT-B的結果來評估認知靈活性。最后，根據WAIS-IV的詞匯和BlockDesigns子測試的分數估計智商。

要統(tǒng)計分析的區(qū)域包括：

前額-額葉(Fp-F)、前額-中央(Fp-C)、前額-頂葉(Fp-P)、前額-枕葉(Fp-O)、額葉-中央(F-C)、額葉-頂葉(F-P)、額葉-枕葉(F-O)、中央-頂葉(C-P)、中央-枕葉(C-O)、頂葉-枕葉(P-O)。用層次回歸來評估大腦連通性模式是否可以預測認知測量。如果您對腦電數據處理感興趣，歡迎參閱思影科技腦電課程及數據處理服務，可添加微信：siyingyxf詳細了解：

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結果

Section 1: EEG 連通性的年齡差異

首先，比較處于不同睡眠階段的年輕人和老年人大腦的整體和局部連通性。與年輕人相比，老年人在N2期表現(xiàn)出較低的整體連通性，這種差異在高delta、theta和低sigma頻率時更為明顯(圖1上)。在N3和REM睡眠中觀察到相反的年齡影響：在兩個睡眠階段中，在大多數低頻(<8Hz)中，老年人的整體EEG連通性高于年輕人(圖1中和下)。在快速眼動睡眠中，老年人比年輕人有更高的連通性，特別是在高delta頻帶中。在N3中，與年輕人相比，只有少數前額葉電極在老年人中顯示出較低的alpha和sigma頻率的連通性。

圖1 年輕人和老年人之間連通性差異顯著的拓撲圖

Section 2: NREM的連通性差異

為了研究夜間NREM的EEG連通性的動態(tài)變化，我們分別評估了前兩個周期和每個年齡組的N2和N3之間的差異。這些分析僅限于前兩個睡眠周期，因為N3在第三個睡眠周期中幾乎不存在。對于年輕組，在第一個睡眠周期中，N2顯示出比N3更高的整體連通性（圖2）。在第二個睡眠周期中觀察到劇烈的變化，因為在年輕的被試中，EEG連通性的模式發(fā)生了大量反轉：NREM 3在所有頻率和大多數電極之間顯示出比N2更高的連通性（圖2；第二個面板）。在老年人中沒有觀察到這種改變。事實上，N3在第一個睡眠周期和第二個睡眠周期中顯示出比N2更高的連通性。這種差異在第二個周期更為顯著。這些結果顯示N3的EEG連通性低于N2，后者在第二個周期或老年個體中不存在。在老年人中，在第一和第二個周期中，與N3相比，N2的EEG連通性往往較低。

圖2 年輕人和年老年人N2和N3連通性差異顯著的拓撲圖

高delta是差異最大的頻帶；

因此，進一步對年輕人和老年人的N2和N3的每個睡眠周期的全局連通性進行對比（圖3）。在這兩個年齡組中，N2的EEG連通性在三個NREM周期中都是恒定的。盡管兩個年齡組的N3睡眠在第一個睡眠周期與第二個睡眠周期相比表現(xiàn)出較低的連通性，但老年人表現(xiàn)出這種差異的較小。事實上，老年人的睡眠周期之間更相似，而年輕人的連通性變化更加劇烈。

圖3 年輕人和年老人的N2和N3在睡眠周期中的全局連通性對比

采用2年齡組（年輕人和老年人）×2周期（周期1和周期2）兩因素重復測量的混合方差分析，對前兩個睡眠周期中N2和N3之間的全局連通性變化進行統(tǒng)計評估。結果顯示：年齡組與睡眠周期之間存在顯著的交互作用（p=.001），表明睡眠周期之間N2和N3之間的EEG連通性存在年齡相關差異。

Section 3: REM和NREM的連通性差異

為比較NREM和REM狀態(tài)下的EEG連通性的差異。首先，在高delta頻率中比較年輕人和老年人的快速眼動睡眠與N2和N3的第一和第二個周期（圖4）。年輕人的N2在REM睡眠時電極之間的EEG連通性降低，而老年人在REM睡眠時的EEG連通性比N2高。在這兩個年齡組中，REM和N2在周期1和周期2的EEG連通性方面的差異是相似的。兩個年齡組REM睡眠的EEG連通性均低于N3，但與N3的第二周期相比，這一差異更大。

圖4 在N2和REM，以及N3和REM之間，年輕人和老年人之間連通性存在顯著差異的拓撲圖

Section 4: 探索性分析：估計腦EEG連通性與認知能力之間的關系

為研究EEG連通性與認知功能的關系，探討腦區(qū)之間的腦電連通性是否與認知功能有關。采用分層回歸方法評估EEG連通性對處理速度、記憶、認知靈活性和平均智商的預測效果。虛部相干值是每個大腦區(qū)域的平均值。為了減少統(tǒng)計測試的次數，我們將分析目標放在第一個周期中的2-4Hz和12-14Hz頻段，因為它們顯示了最顯著的年齡相關的連通性差異。在N2中，每兩對大腦區(qū)域之間2–4Hz頻段的虛部相干顯著預測了TMT-A的得分。在N3中，兩個頻帶均未發(fā)現(xiàn)顯著相關性。最后，我們觀察到快速眼動睡眠中的虛部相干與認知能力之間有許多顯著的關系。事實上，當校正年齡的影響時，2-4Hz頻段的虛部相干顯著地預測了AVLT的延遲回憶結果，在AVLT中，前額葉區(qū)域和額葉/中央區(qū)域之間較高的連通性與較低的分數相關（p<0.05）。對智商的預測也發(fā)現(xiàn)了同樣的效應，在2-4Hz頻段，前額葉區(qū)域和額葉/中央區(qū)域之間的高連通性與控制年齡影響后的較低的智商相關（p<0.05）。在12–14Hz頻段，快速眼動期間虛部相干的增加與AVLT的即時回憶（p<0.05）和AVLT的延遲回憶的表現(xiàn)，以及校正年齡后較低的智商顯著相關。

總結

老年人在淺睡眠時表現(xiàn)出較低的連通性，但在REM和深睡眠時表現(xiàn)出較高的連通性，特別是在夜間開始時。連通性測量與特定認知任務的表現(xiàn)相關，未來的研究應該評估睡眠中的大腦連通性是否可以預測衰老時的認知完整性。本研究對睡眠期間的大腦連通性有了新的認識，并表明EEG連通性可能是更好地理解意識動力學的一個有希望的工具。

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