连续作业与睡眠剥夺对认知功能的影响及机制研究

发布时间：2018-11-26 08:57

【摘要】： 当今社会,越来越多的人不得不面对长时间连续作业,甚至牺牲自然睡眠(即睡眠剥夺)连续作业,如连续军事作业,连续机动车(船)驾驶等。长时间连续作业往往导致脑疲劳。已有证据表明,脑疲劳对作业者认知功能和行为反应能力有严重损害作用,而神经元活动代谢产物---腺苷对神经元活动的抑制在脑疲劳过程中,扮演着重要的角色。揭示连续作业与睡眠剥夺对认知功能影响的机制,将有助于对抗连续作业所致的疲劳,提高连续作业能力。本实验在观察连续作业和睡眠剥夺对人认知功能影响的基础上,首先使用脑功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技术分析了睡眠剥夺前后数字记忆编码、维持和提取过程的相关激活脑区出现的激活变化规律,然后运用离体脑片膜片钳全细胞记录技术,在可视条件下研究了活动依赖的细胞代谢产物腺苷对内嗅皮层II层星形神经元的兴奋性调节作用及其离子通道机制和突触机制。主要结果如下: 1.连续体力作业和睡眠剥夺对人脑认知功能的影响通过数字划销测试、数字搜索测试和数字符号转换测试三个量表,检测连续体力作业3天,30名作业人员,以及睡眠剥夺48小时,6名受试人员注意力和记忆力等脑认知功能的变化。 (1)连续体力作业对人脑认知功能的影响数字划销测试结果显示,连续作业第1天划对数为7.73±2.41,第3天下降至4.36±1.92,净分从第1天的4.99±2.03,降至第3天2.42±2.32,差异显著(n=30, P0.05)。连续体力作业第1天划错数是0.13±1.17、失误率是32.43±15.65%,第3天划错数为0.33±1.06,失误率达60.73±25.67%。数字搜索测试结果显示,失误率在连续作业第1天为37.54±25.90%,低于第3天(48.91±30.40%),差异显著(n=30, P0.05)。连续体力作业第1天划对数为8.23±3.42、漏划数为6.77±3.42,第3天划对数为8.47±2.91、漏划数是6.53±2.91。第1天净分为6.6±3.83,第3天分值下降至5.27±4.17。上述两项测试结果显示,随着连续体力作业时间延长,作业人员的注意力和短期记忆力等脑认知功能均呈现显著的降低。 (2)睡眠剥夺对人脑认知功能的影响数字划销测试结果显示,睡眠剥夺8小时后,剥夺组划对数(18.33±1.37)和净分(17.50±2.05)都低于对照组划对数(18.60±2.61)和净分(17.90±3.91)。剥夺16小时后,剥夺组划对数和净分分别是17.43±2.30、16.14±3.45,对照组划对数是18.50±0.58,净分为17.75±0.87。剥夺组的失误率8.38±2.02%,对照组4.09±1.69%。数字符号转换测试结果显示,睡眠剥夺8小时后,得分24.67±1.51,剥夺至32小时后下降至22.71±1.80,睡眠剥夺48小时后,降至最低20.14±1.21。同一时间段比较,睡眠剥夺组得分均低于对照组,睡眠剥夺16小时后,剥夺组得分23.43±7.93,对照组得分为24.00±1.83;剥夺40小时后,剥夺组得分20.00±2.23,对照组得分为23.71±1.97。以上结果提示,睡眠剥夺使受试者的注意力和记忆力受损,且随着剥夺时间增加,这种认知功能下降程度增加。 2.睡眠剥夺影响数字记忆编码、维持和提取的脑功能磁共振成像研究睡眠剥夺受试者数字记忆测试中,错误率从剥夺前8.2±5.4上升到剥夺后13.7±10.1(n=6),反应时间增加,剥夺前738.0±82.1ms,剥夺后824.3±52.3(n=6, P0.05)。SD状态下记忆编码阶段在睡眠剥夺前后差异的激活区为灰质区,左侧边缘叶海马旁回Brodmann 30,左侧颞叶颞上回42,左侧岛叶41,额叶回6;SD前后维持阶段差异的激活区为灰质区,左侧颞上回Brodmann 38,左侧颞中回21,左侧海马旁回及杏仁,左侧额中回47,左侧豆状核及丘脑,右侧豆状核,左边缘叶扣带后回30,右边缘叶扣带后回30,双侧扣带回24,双侧额中回、额内侧回6;睡眠剥夺前后工作记忆提取阶段机体为了维持清醒状态,大脑双侧海马、右侧杏仁核、右侧顶小叶、左侧楔前叶丘脑出现了过度激活状态,表现为睡眠剥夺前后工作记忆提取阶段阴性激活;睡眠剥夺前后工作记忆提取阶段阳性激活,激活区为左侧颞中回Brodmann 21,双侧扣带回24,左侧额下回47,左顶下小叶19,左侧额中回9。 3.稳态因子腺苷调节大鼠内嗅皮层II层星形神经元的离子通道机制和突触机制 (1)腺苷抑制星形神经元Ih电流在电流钳模式下,给与100μM腺苷能够明显抑制跃阶超极化电流刺激(-350 ~ -150 pA,50 pA)诱发的电压sag值,给予腺苷,电压sag比值(电压峰改变值/电压稳定改变值)减小到对照时的66±9%(对照:13.0±5.9 mV;腺苷:8.8±4.2 mV;P 0.001;n = 11)。加入腺苷后Ih电流幅度明显减小,差异显著。 (2)腺苷减少自发性谷氨酸释放到星形神经元在灌流液中加入1μM河豚毒素阻断电压依赖的Na+通道和10μM荷包牡丹碱阻断离子通道型GABAA受体,分离出mEPSCs。给予100μM腺苷明显抑制mEPSCs频率(对照的55±9 %;n = 16;P 0.001),却不影响mEPSCs的幅度(对照的98±6 %;n = 16;P = 0.33)。给予腺苷受体1拮抗剂DPCPX(3μM),腺苷对mEPSCs的抑制效应被阻断(n=10;P = 0.35),而腺苷受体2拮抗剂DMPX(10μM)无影响(n=6;P 0.001)。提示,腺苷诱发的自发性谷氨酸释放减少是由突触前A1受体介导的。 (3)腺苷抑制自发性GABA释放到星形神经元在灌流ACSF中加入1μM河豚毒素、10μM CNQX和50μM AP-V阻断离子通道型谷氨酸受体,分离出mIPSCs。100μM腺苷增加mIPSCs事件间的时间间隔,但不影响mIPSCs的幅度累积曲线,即频率降低到对照的51±6 % (n = 16;P 0.001),平均幅度没有改变(对照的98±4 %,n = 16; P = 0.07)。给予3μM DPCPX,腺苷不影响mIPSCs活动(n = 6; P = 0.47)。但在10μM DMPX存在的情况下,腺苷降低mIPSCs的频率到53±11 % (n = 10; P 0.001),提示,腺苷诱发的自发性GABA释放减少也是通过突触前A1受体介导的。 (4)电压门控Ca2+通道和胞外Ca2+介导腺苷抑制突触传递的效应灌流液中加入电压门控钙通道(VDCCs)阻断剂Cd2+ (100μM),能明显降低所记录神经元的mEPSCs和mIPSCs的频率至对照的44±11 % (n = 8;P 0.001)和56±11 % (n = 7;P 0.001)。用Cd2+处理至少5 min后,给与100μM腺苷,不能降低mEPSCs (n = 8;P = 0.30)和mIPSCs (n = 7;P= 0.20)的频率。胞外无Ca2+也能明显降低基础mEPSCs和mIPSCs的频率至对照45±19 % (n = 8;P 0.001)和51±15 % (n = 9;P 0.001)。且,加入腺苷也不能明显改变mEPSCs (n = 8;P = 0.13)和mIPSCs (n = 9;P = 0.38)的频率。上述结果说明,腺苷A1受体介导的抑制自发性谷氨酸和GABA释放与胞外Ca2+通过VDCCs内流有关。综上所述,本研究结果表明,连续体力作业和睡眠剥夺可以使人脑认知功能下降。睡眠剥夺前后,数字记忆编码、维持和提取过程中脑区激活发生差异变化。内源性促睡眠因子--腺苷通过直接抑制HCN通道电流而降低内嗅皮层星形神经元兴奋性;或间接与突触前A1受体结合,抑制电压门控钙通道钙内流,降低兴奋性谷氨酸能和抑制性GABA能突触活动的传入。
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【学位授予单位】：第三军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：R33

【引证文献】