健康男性连续两晚睡眠不足对下丘脑-垂体-肾上腺轴的不良影响

背景：睡眠不足与心血管风险增加有关。下丘脑-垂体-肾上腺轴的改变可能是其联系的基础。

目的：研究限制睡眠对白天ACTH和皮质醇浓度的影响。

方法：13名受试者参与了这项随机交叉设计实验（2次10小时睡眠和2次4小时睡眠）。使用多导描记法记录睡眠。在每次实验的第二个晚上，从上午9点到午夜，每隔20分钟采集一次血液，以测量ACTH和总皮质醇。从下午2点到午夜，每20分钟收集一次唾液，以测量游离皮质醇。每隔1小时使用相应量表评估受试者压力、饥饿和食欲程度。

结果：睡眠不足导致整体ACTH水平增加19%（P＜0.03），这与个人睡眠时间不足相关（rsp=0.63，P＜0.02）。整体总皮质醇水平也同样升高（+21%；P=0.10）。ACTH和皮质醇的脉冲频率没有变化。睡眠不足后清晨ACTH水平高（P＜0.04），皮质醇无明显变化。相比之下，夜间ACTH水平正常而总皮质醇和游离皮质醇分别升高30%（P＜0.03）和200%（P＜0.04）。因此，皮质醇的昼夜节律下降到睡眠不足的抑制（-21%；P＜0.05）。睡眠不足与感受到的压力增加无关，但会导致食欲增加，而食欲增加与总皮质醇的增加有关。

结论：睡眠不足对下丘脑-垂体-肾上腺活动的影响与时间有关。睡眠不足会降低皮质醇的昼夜节律，而皮质醇是中枢和外周生物钟的主要内部同步器。

结果

睡眠的质量和数量

表1总结了两组实验2晚的睡眠情况。两组睡眠的总睡眠时间平均5小时16分钟（-5小时27分钟；-4小时49分钟）（P＜0.0003）。在非快速眼动睡眠阶段，睡眠时间减少3小时28分钟(3小时3分钟;3 小时 56分钟) (N1+N2, P＜0.0003)，在快速眼动睡眠阶段，睡眠时间减少1小时35分钟（1小时28分钟;1小时50分钟) (P＜0.0003)。相比之下，深度非快速眼动睡眠(SWS)的时间并没有因为睡眠不足而增加。正如预想的那样，在缩短睡眠时间后，睡眠变量得到巩固。睡眠效率和持续时间均提高(+5% [1%; 8%],P＜0.06；+3%[1%;6%],P＜0.03), 觉醒次数下降（-24[-32;-12]，P＜0.003)，睡眠潜伏期减少(-14[-29;-11],P＜0.002)。

ACTH与皮质醇

图2显示了两组实验的血浆ACTH、血清皮质醇和唾液皮质醇的情况。与长睡眠时间组相比，短睡眠时间组的ACTH水平升高19%（10%；24%），总皮质醇水平也出现类似的增长的趋势（+21%[6%；41%]）。虽然血清和唾液皮质醇的下降速度不受睡眠情况的影响（P=0.84，P=0.64），但是短睡眠组ACTH往往下降更快（-0.6[-0.9；-0.4] vs -0.4[-0.7；-0.3]pg/mL/h，P＜0.06）。混合效应方差分析证实了这些结果；短睡眠增加整体ACTH和总体血清皮质醇（F=3.0，P=0.11）。亚组分析试图确定睡眠不足对ACTH和皮质醇水平的影响是否会随着一天的不同时间而变化。图2A中的阴影部分显示了两种睡眠状态下的早晨（上午9点至下午1点）和晚上（晚上8点至午夜）血浆ACTH和血清总皮质醇和唾液游离皮质醇的AUC。睡眠不足导致清晨ACTH水平增加10%（3%；（382845%）（2094；4491]vs2504[2008；3444pg/mL/min，P.04点）（图2）。相反，夜间睡眠不足与总皮质醇水平升高（1026[865；1326] vs 642[522；880]，P＜0.03）（图2d）和唾液皮质醇升高（120[73；170] vs 63[36；85]，P＜0.04）有关，而ACTH水平不受影响（1396[854；2458] vs 1389[734；2256]，P=0.22）。因此，当受试者睡眠不足时，总皮质醇水平的昼夜节律下降约21%（-45%；-4%）（P＜0.05），而这对ACTH估计的昼夜节律影响不大。

表2为脉冲分析结果。在整个采样周期，ACTH脉冲和数量，以及总游离皮质醇的峰值和脉冲绝对值，并没有受到睡眠状态的影响。与长时间睡眠组相比，短睡眠时间组ACTH的低谷和高峰值脉冲均增强（+17%[-12%；+49%]，P<0.05；+21%[-0.3%；+33%]，P＜0.05）。本研究中使用的20分钟采样频率可能不足以检测ACTH脉冲频率的变化。

HPA轴激素、睡眠变量、饥饿和食欲之间的相关性。

我们试图确定在两种睡眠条件下TST差异最大的受试者是否也经历了HPA轴的最大变化。总睡眠时间从10小时减少至4小时与ACTH水平的增加有关（rsp=0.64，P＜0.02），但总皮质醇和游离皮质醇与这种变化无关。我们还探索了HPA轴的激活与饥饿和食欲评分之间的关系。饥饿和食欲评分的增加与血清总皮质醇水平的升高位于同一时期，但与血浆ACTH增加无关。

感知压力测量

图3显示了两个实验的自我感觉压力评分。在两种睡眠条件下，平静、紧张和不安的总体平均得分相似（7[5；8] vs 7[6；8]，P=0.42；2[1；3] vs 2[1；3]，P=0.15）。两组间清晨的得分相似。

讨论

该研究调查了与休息状态相比，限制睡眠对实验室条件下健康受试者HPA轴自发性活动的影响。就我们所知，通过同时评估ACTH、总皮质醇和游离皮质醇的水平，这项研究提供了迄今为止，在实验睡眠缺失期间对人类HPA功能最完整的评估。我们发现，2晚4小时的睡眠与自发性HPA轴亢奋有关，因为白天ACTH的总体水平增加了19%，而总皮质醇则增加了21%。因此，睡眠不足是一种温和的生理压力，而不是心理压力，因为感知压力的测量结果不会受到睡眠不足的影响。除了这种整体的轻度亢奋，我们还发现睡眠不足会对ACTH和皮质醇水平产生不同的影响，这表明睡眠不足会改变肾上腺对ACTH敏感度的昼夜节律调节。由此产生的皮质醇的日常变化特点是增加晚上总皮质醇水平（+30%）和游离皮质醇水平（+200%）。当皮质醇很低的时候，这些升高的皮质醇水平可能会对HPA轴的最终产物调节的许多生理过程产生不利影响。更重要的是，在睡眠限制后，夜晚皮质醇水平的升高导致了超过20%的白天外周生物钟主要内部同步信号的变化。

我们的研究的一个重要且新颖的结果是，在睡眠不足的状态下，白天ACTH的整体水平增加。之前仅有的两项研究在很长一段时间内定期对ACTH进行评估，结果均为阴性。第一次研究从8点到晚上11点每小时测量一次ACTH和皮质醇水平，第二次研究10点到晚上8点每2小时测量一次皮质醇。虽然第一项研究结果没有发现ACTH和皮质醇水平变化，但第二项研究报道与5晚4小时睡眠相比，2晚上10小时水面的受试者皮质醇水平增加，但ACTH水平不变。这些研究对ACTH的采样频率比我们的研究低3到6倍，这可能解释了结果相互矛盾的可能原因。此外，健康男性在睡眠缺失期间ACTH水平升高与啮齿类动物研究结果一致，即在完全睡眠剥夺或周期性部分睡眠受限后ACTH水平升高。

睡眠不足激活ACTH释放的机制可能与大脑CRH水平增加有关，因为啮齿动物的研究已经报道增强大脑合成和释放CRH。当清醒时间延长时，这种CRH释放的刺激可以通过调节能量稳态和HPA轴活动的神经肽的上调来调节。其中，食欲素系统是本研究的重点。食欲素由下丘脑外侧神经元合成，可以刺激觉醒和进食。当睡眠剥夺在行为上被强制实施时，食欲素系统被证实处于过度活跃的状态。有趣的是，我们发现，睡眠不足后，整体皮质醇水平的升高与饥饿感和食欲的增加有关。综上所述，这些数据表明，觉醒和能量稳态调节相关系统的上调可能是睡眠限制后HPA轴激活的一个重要因素。与我们之前的研究一致，我们发现在目前的研究中感知的压力水平仍然很低，并且没有受到睡眠缺失的影响。这一发现表明，增强ACTH水平限制后观察睡眠在我们健康的年轻参与者更可能是生理压力的结果，而不是心理压力，可能是因为在实验室环境中，受试者唯一的挑战就是必须遵守协议。在现实生活中，很有可能睡眠不足会增加人们对日常生活压力的心理反应。

本研究的另一项新发现是，睡眠不足对ACTH和皮质醇水平的影响会随着时间的变化而变化；ACTH在早晨皮质醇水平不变的情况下升高，而在夜晚ACTH水平不变的情况下，皮质醇总量和游离量升高。这些结果表明，肾上腺对ACTH的敏感性可能在早上降低，在晚上睡眠不足时增强。虽然我们推测，晚间皮质醇水平升高可能反映了从昼夜节律驱动的早晨刺激中HPA轴的恢复状态，但目前的研究结果表明，肾上腺对ACTH敏感性及其昼夜节律调节的变化可能也有影响。因此，虽然ACTH水平昼夜下降的幅度不受短期睡眠损失的影响，但总皮质醇下降了21%。夜晚皮质醇水平的升高表明睡眠不足可能对循环皮质激素调节的多种生理过程产生影响。因此，当皮质醇水平通常较低时，皮质醇水平会适度而反复地升高，这对那些易患精神或代谢疾病的人尤其有利。抑制循环皮质激素的昼夜节律也可能在睡眠不足的有害影响中发挥重要作用。事实上，循环皮质醇水平的强烈节律是一个主要的内部信号，它使视交叉上核的中央昼夜节律起搏器与许多外周组织中的外周时钟同步。越来越多的证据表明，中央和外周时钟的失调会带来很多负面影响，包括肥胖和罹患2型糖尿病的风险。与最近的研究一致，2个晚上睡眠不足后，皮质醇节律减弱，即缺乏睡眠会改变昼夜节律的相位和幅度。

局限性：首先，样本量小。其次，我们只研究了年轻男性，因此，这些数据不能外推到一般人群。第三，我们的参与者接受的是持续的葡萄糖输注，而不是三顿饭，这是一种不模拟现实生活的实验条件。最后，睡眠限制只适用于2个晚上，结果可能不会转化为慢性睡眠债的状态，尽管在一项对2802名老年人的前瞻性流行病研究中，短睡眠预示着白天更高的皮质醇水平。这项研究也有几个优点。首先，我们使用随机交叉设计与严格控制的实验条件。第二，我们评估了促肾上腺皮质激素和总皮质醇，以及游离皮质醇，因此可以对HPA轴进行完整的评估。第三，我们在一天中每隔一段时间就收集血液和唾液样本，这样我们就可以评估睡眠缺失对脉冲和昼夜节律变化的影响。最后，我们使用经过验证的仪器，通过重复评估自我报告的压力、饥饿和食欲水平来补充激素分析结果。总之，我们发现2晚上睡眠不足导致HPA轴显著的自发性活动，包括白天的过度激活。皮质醇水平的升高与食欲的增加有关，这突出了觉醒调节、能量平衡和HPA轴之间的密切关系。不管潜在的机制如何，这些HPA功能的改变可能介导了睡眠不足与各种疾病（包括肥胖、糖尿病、心血管疾病、易感染、抑郁和焦虑）风险增加之间的联系。