自主觉醒有助于睡眠期间脑脊液脉动

2022-05-08 10:18

一项最新的fMRI研究提示，睡眠时的慢波作为一种短暂但广泛的皮层电活动抑制状态，伴随着全脑CBV下降及相应的为维持颅内容积恒定CSF向脑内流入增多，这就是CSF肌活性脉动的“神经通路”。

65351651964952438 背景

BACKGROUND

类淋巴系统作为一种脑内废物清除系统，依赖于脑脊液（CSF）流动转运，对维持健康大脑有着重要作用，其在睡眠期间尤其活跃。脑脊液的流动由动脉旁间隙进入脑实质与组织液交换后再回到静脉旁间隙，血管旁的脑脊液脉动可以驱动脑脊液入脑。脑脊液脉动有两种重要驱动源，即肌活性脉动（“myoctive” pulsation, 平滑肌收缩引起）和压力性脉动（“barogenic” pulsation，由心跳和呼吸引起）。一项最新的fMRI研究提示，睡眠时的慢波作为一种短暂但广泛的皮层电活动抑制状态，伴随着全脑CBV下降及相应的为维持颅内容积恒定CSF向脑内流入增多，这就是CSF肌活性脉动的“神经通路”，该通路驱动的CSF脉动比心跳和呼吸引起的被动性、压力型脉动幅度更大。

尽管研究表明慢波对CSF脉动有益，但其必要性尚未阐明。睡眠期间外界刺激激活脑干觉醒中枢引起皮层觉醒或自主觉醒。自主觉醒主要是由自主神经活动引起心率加速、交感血管收缩和呼吸增快，发生在NREM N1和N2期（浅睡眠期），N2的特征波是K复合波，而K波又与持续数秒、广泛的fMRI信号（CBV）降低有关。研究者推测之前报道的慢波与CSF脉动之间的联系部分是自主神经活动的结果，即来源于脑干的信号引起自主觉醒和K波（图1）。

为探索这一问题，研究者将从完整的睡眠-觉醒周期和清醒深呼吸试验中获得的fMRI数据与自主神经活动的指标进行分析。

26401651964952656 ▲ 图 1

方法

METHODS

数据采集

实验包括以下两部分：

1）睡眠实验：连续两晚同步采集fMRI和EEG数据；实验前两周进行家庭监测保证规律的睡眠习惯；采集过程中同时监测外周生理指标，包括胸带监测呼吸频率和呼吸深度，手指皮肤光体积描计（PPG，监测心率和外周血容积，反映交感缩血管活性）。脑电图数据和外周生理指标通过MRI扫描仪提供的触发信号与功能磁共振同步。

2）清醒深呼吸实验：在时长为12.5分钟的fMRI实验中，25名受试者在清醒状态下进行视觉任务，在规定时刻（10s，50s，130s，170s……间隔40s或80s）进行深呼吸。与睡眠实验一样，同步胸带、PPG监测外周生理状态。

数据分析

本研究共有12名受试者（年龄18-35岁，8名女性）完成了连续两晚的扫描。在每个晚上，fMRI试验被不规则的声音刺激或自发觉醒打断，因此实验长度在5分钟到3小时之间不等。选择分析超过30分钟且具有良好质量的EEG、fMRI和自主神经生理数据的实验，共有5955分钟。在排除了有头部运动和不均匀噪声的数据后，时长进一步缩短到3570分钟。fMRI数据采用AFNI软件(版本20.3.01)进行预处理。在预处理后，用IDL（Harris Geospatial, Broomfield, CO，USA）对EEG SWA、fMRI数据和外周的生理信号进行相关分析。fMRI GS 的ROI包括整个前脑（灰质、白质），CSF的ROI则是第四脑室和与其相连的中脑导水管（图S3）。利用Analyzer软件（Brain Vision, Morrisville USA）对脑电图信号进行MRI梯度和心脏弹道伪影校正，并将采样降至250 Hz。从脑电图信号中提取慢波活动（SWA），在0.33 ~ 2.0 Hz波段进行频谱滤波，这个频段包含了NREM期间k波和非k波以外的慢波。外周生理信号的分析包括去除人工峰值、低通滤波等。为了比较各睡眠阶段的fMRI、EEG和外周生理指标之间的关系，对固定长度的片段(100个数据点，每个3秒，持续时间5分钟)进行相关性分析。为评估自主神经活动对SWA和fMRI信号之间相关性的贡献，在回归出RFR和PVV信号后，再次进行分析。

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▲ 图 S3

统计检验

为检验组水平滞后相关的统计显著性，估计了一个基于经验零分布百分比的95%置信区间（通过Bonferroni校正进行多次比较）；为估计受试者间的相关显著性，使用皮尔逊相关系数和t分数之间的关系；标记了p < 0.05的滞后(经过多次比较校正，如上所述)。此外，还使用配对的Student’s t检验来比较在选定的感兴趣滞后点校正前后的相关性。

结果

RESULTS

该研究纳入分析了12名受试者共计59.5小时的数据，包含了所有睡眠状态(表1)。该研究中全脑fMRI信号(GS)代表全脑CBV，第四脑室和相连导水管处的fMRI信号反映流入脑内的CSF信号。

47851651964953404 ▲ 表 1

1、N2慢波与脑脊液脉动及自主觉醒同时发生

初步分析表明，在N2期，K波、fMRI GS变化、自主觉醒事件的出现与CSF流入脑内有关（图2）。综合滞后相关分析(图3 a，b)表明脑脊液流入信号滞后于SWA 6-10 s，而 fMRI GS变化滞后于SWA 约6-10s。全脑fMRI信号与CSF信号之间存在着较强的负相关（图3c），这一结果表明CBV的减少可以导致脑脊液入脑增加。进一步分析表明，SWA与CSF/GS在N2期以外同样存在着明显相关性（图4，表S1）。对于NREM睡眠，在校正自主神经信号后，与SWA相关的fMRI信号方差明显降低（图4)。对fMRI GS来说，校正了自主神经信号后，N3，N2，N1期方差分别降低了36±32%、68±14%、70±15%，而CSF流入脑内的信号，在校正后方差分别降低了34±26%、71±15%、50±36% （平均值±标准差, Student’s配对t -检验:p < 0.05）。这证明了自主神经活动在观察到的SWA-fMRI相关性中的潜在作用。

54181651964953535 ▲ 图 2

68061651964954043 ▲ 图 3

88611651964954462 ▲ 图 4

2、CSF脉动并不随着慢波密度增加而增加

尽管上述结果表明，自主神经活动和皮层电活动都可引起CSF脉动，但并未显示两者在不同睡眠阶段的相对优势。为进行更定量的比较，根据CSF和GS的时间标准差估计其波动水平，并与慢波密度进行比较，发现从N1、N2到N3,慢波密度增加了224±123%（平均±标准差、t检验：p < 4×10−6），相比之下CSF和GS波动水平分别下降了14±12%（t检验：p < 8×10−4）和19±22% （t检验：p < 8×10−3）。这表明SWA本身并不是人脑睡眠期间脑脊液脉动的主要原因，而先前报道的在类似深度睡眠的（麻醉）条件下，啮齿类动物的大脑废物清除能力增加，如果在人脑中也发现在深睡眠时清除能力增加，则表明这种清除能力并不依赖于CSF脉动而是其他原因造成的。

3、自主神经活动有助于NREM期CSF脉动

以上相关分析结果的一个显著特征是SWA信号和fMRI信号最大相关性之间较长的时间差（滞后）（图3，4，表2），这表明是自主神经信号而不是大脑神经元活动对CSF脉动负责（图1）。此外这些滞后似乎也与NREM阶段有关（表2）。对于SWA-GS和SWA-CSF相关而言，N3的滞后时间明显短于N2或N1的滞后时间。对大脑各个空间区域的lag correlation分析显示N3期这种负相关最强，而且主要分布在后脑（图S1）。由于短暂皮层电活动引起的血流动力学反应具有良好的时间特征，可以预期慢波通过4-6 s左右的神经血管反应对fMRI信号的影响达到最大。相比之下，自主神经活动对fMRI信号的影响预计会在9 - 15秒内达到峰值。因此，在N1、N2睡眠期间发生的SWA-GS相关滞后超过12s意味着自主神经主导的作用，而N3期较短的延迟（9.2±2.7s）可能由神经元和自主神经共同作用引起（图1）。

59411651964954994 ▲ 表 2

4、自主神经活动本身可引起脑脊液脉动

为探究自主神经活动本身可否引起脑脊液脉动而不依赖慢波发生，研究者让清醒受试者（n = 11）在提示下进行深呼吸，这项任务已被证明会引起fMRI GS的强烈变化。深呼吸引起的呼吸流率的增加伴随着fMRI信号的时空模式发生改变，与N1和N2期慢波睡眠后所看到的fMRI信号改变类似（图5,S2）。深吸气后GS的平均变化幅度-1.9±0.7%。fMRI GS降低的最大值出现在深呼吸后13.2-14.8s（平均13.9±0.6秒），与之前报道的10-15秒的范围相似。这些结果表明，肌活性脑脊液脉动不是睡眠所特有的，通过呼吸变化或交感血管收缩也可引起。

67511651964955294 ▲ 图 5