第3期 雷旭等：睡眠的同步EEG-fMRI研究述评 451 了睡眠前后任务态的fMRI扫描加上睡眠的单一 2.2.1NREM期刺激 EEG记录这一结合形式。他们对比睡眠前后杏仁 声音是睡眠fMRI实验用得最多的刺激材料。 核的BOLD活动变化发现这一改变与REM期Y Portas等采用两种听觉刺激：中性的蜂鸣声和被 频段的能量变化高度相关，直接导致了第二天对 试名字，后者具有个人色彩(Portas et al.,2000), 负性情绪图片的评定减弱(van der Helm et al., EEG分析发现被试听自己的名字相比中性音调或 2011)。 基线状态有更显著的唤醒，证实了个人姓名刺激 第一个采用同步EEG-MRI研究睡眠的开创 具有高唤醒度。MRI分析发现刺激呈现时清醒状 性工作采用了无声BURST序列(Lovblad et al,. 态和睡眠状态双侧听觉皮层、丘脑以及尾状核的 1999;Portas et al.,2000)。Lovblad等对比了REM 激活模式高度相似，而一些皮层如扣带回、丘脑 睡眠与其之前出现的NREM睡眠BOLD信号的改 以及杏仁核周边区域则表现出睡眠状态激活的降 变。由于肌张力丧失的检测并不可靠，他们根据K 低。在另一个实验中，研究者使用了不含唤醒或 复合波出现与否来区分REM与NREM第Ⅱ期。 情感成分的文本为刺激材料的组块设计和静音 研究发现对比NREM睡眠，REM睡眠期间枕叶的 MRI扫描序列。对比分析清醒和慢波睡眠发现听 活动增强而额叶的活动降低，这与之前PET的研 觉皮层的BOLD反应显著地受睡眠-觉醒周期的 究基本一致。 影响。对EEG分析发现在浅睡期刺激呈现期间，K 随后常规的EPI序列也被用于REM睡眠研究， 复合波和δ波相比于静息基线慢波活动都有增 信噪比得到进一步提高。EEG记录硬件技术上的 加。这些发现证实了之前关于神经活动降低的假 改进使利用肌张力丧失和快速眼动来明确地定义 设，即随着睡眠的不断加深EEG的慢波活动不断 REM睡眠成为可能。通过将眼动的出现与BOLD 增加，神经元超极化将不断增长，这些EEG慢波 信号振荡直接相关，可以直接验证脑桥-膝状体。 活动现象在全面癫痫发作中也有报道。 枕叶(ponto-geniculate-.occipital,PGO)脑波在人类 在随后的研究中采用了空间覆盖范围更好的 睡眠中是否存在。PGO波主要出现在眼动之前， EPI序列。Czisch等观察到听觉刺激在睡眠第IⅡ 是一种采用有创方式在哺乳动物模型中观察到的 期引发的负BOLD响应。在刺激期间负响应的幅 睡眠波，被认为是REM睡眠的发生源。在REM 度与相对增加的K复合波密度相关最大，而相对 睡眠中与快速眼动有直接时间联系的BOLD信号 增加的总δ能量则与负响应的空间范围紧密相 激活区域是双侧的丘脑以及次级视觉皮层，这与 关。对听觉皮层局部BOLD的时间序列分析发现， 动物模型中PGO波活动的模式较为一致(Wehrle 负响应稳定地跟随在刺激呈现之后。相反在持续 etal.,2005) 的听觉刺激后，丘脑的时间曲线则表现出一种最 2.2睡眠中知觉过程的同步研究 初的正响应而在几秒之后返回到基线水平。这种 大脑在睡眠时可以被唤醒说明其具有对刺激 效应在最开始的刺激片段中最显著，这可能是由 进行选择加工的能力，并能根据刺激的相关性进 于丘脑对于感觉刺激最初的反应中包含了一种对 行评价。丘脑的传输功能在睡眠过程中有所改变， 刺激潜在意义的评估，随后丘脑活动由于习惯化 只对达到一定程度域限的刺激进行进一步加工。 而变弱(Czisch et al.,2004)。 同步EEG-MRI提供了探测这些感觉加工过程的 一项更深入的研究采用纯音来观察听觉皮层 神经窗口，表1总结了相关的知觉过程研究（这些 在第I期睡眠的反应，这项研究采用交替采集法 研究更详细的总结可参考(Mulert&Lemieux, 来得到被试不受千扰的EEG数据(Tanaka et al., 2010)第14章)。从表中可以看到，由于fMRI环境 2003)。研究者观察到颗中回相比清醒时表现出显 对REM睡眠的选择性抑制，NREM是讨论最多的 著的BOLD信号幅度降低，结果证明从出现困意 时相；在刺激类型上声音作为刺激物最为常见， 到入睡听觉皮层对外在的刺激活动都降低了，在 在记忆任务中，气味也已有人采用：从采用的 这期间纺锤波扮演了重要的角色。采用纯音对处 fMRI序列来看.早期人们采用了BURST等序列， 于非快速眼动睡眠期间的被试进行听觉刺激发现 现在同步采集是主流。然而睡眠同步实验的有效 如果刺激正好对应纺锤波的出现，其听觉响应会大 被试数一般都比较低，略高于50%。 大扭曲，激活局限在脑干区域(Dang-Vu et al.,20I1),第 3 期 雷 旭等: 睡眠的同步 EEG-fMRI 研究述评 451 了睡眠前后任务态的 fMRI 扫描加上睡眠的单一 EEG 记录这一结合形式。他们对比睡眠前后杏仁 核的 BOLD 活动变化发现这一改变与 REM 期 γ 频段的能量变化高度相关, 直接导致了第二天对 负性情绪图片的评定减弱(van der Helm et al., 2011)。 第一个采用同步 EEG-fMRI 研究睡眠的开创 性工作采用了无声 BURST 序列(Lövblad et al., 1999; Portas et al., 2000)。Lövblad 等对比了 REM 睡眠与其之前出现的 NREM 睡眠 BOLD 信号的改 变。由于肌张力丧失的检测并不可靠, 他们根据 K 复合波出现与否来区分 REM 与 NREM 第 II 期。 研究发现对比 NREM 睡眠, REM 睡眠期间枕叶的 活动增强而额叶的活动降低, 这与之前 PET 的研 究基本一致。 随后常规的 EPI 序列也被用于 REM 睡眠研究, 信噪比得到进一步提高。EEG 记录硬件技术上的 改进使利用肌张力丧失和快速眼动来明确地定义 REM 睡眠成为可能。通过将眼动的出现与 BOLD 信号振荡直接相关, 可以直接验证脑桥-膝状体- 枕叶(ponto-geniculate-occipital, PGO)脑波在人类 睡眠中是否存在。PGO 波主要出现在眼动之前, 是一种采用有创方式在哺乳动物模型中观察到的 睡眠波, 被认为是 REM 睡眠的发生源。在 REM 睡眠中与快速眼动有直接时间联系的 BOLD 信号 激活区域是双侧的丘脑以及次级视觉皮层, 这与 动物模型中 PGO 波活动的模式较为一致(Wehrle et al., 2005)。 2.2 睡眠中知觉过程的同步研究 大脑在睡眠时可以被唤醒说明其具有对刺激 进行选择加工的能力, 并能根据刺激的相关性进 行评价。丘脑的传输功能在睡眠过程中有所改变, 只对达到一定程度域限的刺激进行进一步加工。 同步 EEG-fMRI 提供了探测这些感觉加工过程的 神经窗口, 表 1 总结了相关的知觉过程研究(这些 研究更详细的总结可参考(Mulert & Lemieux, 2010)第 14 章)。从表中可以看到, 由于 fMRI 环境 对 REM 睡眠的选择性抑制, NREM 是讨论最多的 时相; 在刺激类型上声音作为刺激物最为常见, 在记忆任务中, 气味也已有人采用; 从采用的 fMRI 序列来看, 早期人们采用了 BURST 等序列, 现在同步采集是主流。然而睡眠同步实验的有效 被试数一般都比较低, 略高于 50%。 2.2.1 NREM 期刺激 声音是睡眠 fMRI 实验用得最多的刺激材料。 Portas 等采用两种听觉刺激：中性的蜂鸣声和被 试名字, 后者具有个人色彩(Portas et al., 2000), EEG 分析发现被试听自己的名字相比中性音调或 基线状态有更显著的唤醒, 证实了个人姓名刺激 具有高唤醒度。fMRI 分析发现刺激呈现时清醒状 态和睡眠状态双侧听觉皮层、丘脑以及尾状核的 激活模式高度相似, 而一些皮层如扣带回、丘脑 以及杏仁核周边区域则表现出睡眠状态激活的降 低。在另一个实验中, 研究者使用了不含唤醒或 情感成分的文本为刺激材料的组块设计和静音 MRI 扫描序列。对比分析清醒和慢波睡眠发现听 觉皮层的 BOLD 反应显著地受睡眠-觉醒周期的 影响。对 EEG 分析发现在浅睡期刺激呈现期间, K 复合波和 δ 波相比于静息基线慢波活动都有增 加。这些发现证实了之前关于神经活动降低的假 设, 即随着睡眠的不断加深 EEG 的慢波活动不断 增加, 神经元超极化将不断增长, 这些 EEG 慢波 活动现象在全面癫痫发作中也有报道。 在随后的研究中采用了空间覆盖范围更好的 EPI 序列。Czisch 等观察到听觉刺激在睡眠第 II 期引发的负 BOLD 响应。在刺激期间负响应的幅 度与相对增加的 K 复合波密度相关最大, 而相对 增加的总 δ 能量则与负响应的空间范围紧密相 关。对听觉皮层局部 BOLD 的时间序列分析发现, 负响应稳定地跟随在刺激呈现之后。相反在持续 的听觉刺激后, 丘脑的时间曲线则表现出一种最 初的正响应而在几秒之后返回到基线水平。这种 效应在最开始的刺激片段中最显著, 这可能是由 于丘脑对于感觉刺激最初的反应中包含了一种对 刺激潜在意义的评估, 随后丘脑活动由于习惯化 而变弱(Czisch et al., 2004)。 一项更深入的研究采用纯音来观察听觉皮层 在第 I 期睡眠的反应, 这项研究采用交替采集法 来得到被试不受干扰的 EEG 数据(Tanaka et al., 2003)。研究者观察到颞中回相比清醒时表现出显 著的 BOLD 信号幅度降低, 结果证明从出现困意 到入睡听觉皮层对外在的刺激活动都降低了, 在 这期间纺锤波扮演了重要的角色。采用纯音对处 于非快速眼动睡眠期间的被试进行听觉刺激发现, 如果刺激正好对应纺锤波的出现, 其听觉响应会大 大扭曲, 激活局限在脑干区域(Dang-Vu et al., 2011)