摘要

目的：比較不同智力水平兒童的睡眠腦電圖。

方法：根據(jù)韋氏兒童智力量表(WISC)評(píng)分進(jìn)行分組(17名智商正常[NIQ組]，24名高智商[HIQ組])。采用方差分析和線性回歸模型(根據(jù)年齡和性別進(jìn)行校正)比較組間頻譜功率及其與WISC評(píng)分的關(guān)系。

結(jié)果：與NIQ兒童組相比，HIQ兒童有更多的快速眼動(dòng)睡眠(REM)，尤其是在深夜，REM睡眠期的慢頻段功率更高。加工速度指數(shù)與NREM睡眠中的β頻段功率譜呈正相關(guān)，以及與REM睡眠中的α、σ、β和γ頻段功率譜也呈正相關(guān)。

結(jié)論：HIQ兒童組在REM睡眠期間的慢波功率增強(qiáng)與參與情緒記憶鞏固的典型REM睡眠振蕩重疊。NIQ組和HIQ組中功率譜與WISC評(píng)分之間的不同關(guān)系可能揭示了與認(rèn)知效率相關(guān)的大腦活動(dòng)功能差異，進(jìn)而對(duì)睡眠與認(rèn)知功能之間的關(guān)系提出質(zhì)疑。

前言

充足的睡眠是白天高效工作的先決條件。在兒童時(shí)期，睡眠質(zhì)量和數(shù)量與學(xué)業(yè)、一般認(rèn)知以及特定的認(rèn)知表現(xiàn)(如記憶和注意力)相關(guān)。雖然這些關(guān)聯(lián)的機(jī)制已經(jīng)已經(jīng)被很好地理論化，但在發(fā)育的大腦中，睡眠和智力能力之間的關(guān)系仍不清楚。

睡眠腦電圖(EEG)構(gòu)成了大腦解剖學(xué)的可見部分，從而反映了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在成熟方面的功能效率。大量研究聚焦于非快速眼動(dòng)(NREM)睡眠紡錘波，因?yàn)榧忓N波活動(dòng)的個(gè)體內(nèi)和個(gè)體間差異被認(rèn)為分別反映了記憶鞏固和認(rèn)知能力。在對(duì)兒童期至成年期智力技能的腦電圖標(biāo)記物進(jìn)行了近二十年的研究之后，最近的一項(xiàng)元分析證實(shí)，一般認(rèn)知能力與紡錘波振幅(即快速紡錘波和慢速紡錘波)之間存在中等程度的正相關(guān)，但與紡錘波持續(xù)時(shí)間或頻率無顯著相關(guān)性，并且與慢速紡錘波密度的關(guān)系尚不明確。其他睡眠EEG振蕩，如循環(huán)交替模式(CAP)、θ波和慢波活動(dòng)(SWA)，與成熟過程中的多個(gè)認(rèn)知領(lǐng)域有關(guān)。在幼兒中，NREM睡眠期間(即結(jié)合N2和N3睡眠階段)不同腦區(qū)的δ慢波和θ快波與語言、精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能和社交技能有關(guān)，突顯了智力的多因素性。同樣，SWA的發(fā)展與兒童時(shí)期的視覺運(yùn)動(dòng)技能和各種依賴地形參數(shù)的技能是平行發(fā)展的。在正常發(fā)育的學(xué)齡兒童中，在控制年齡因素的情況下，發(fā)現(xiàn)了循環(huán)交替模式(CAP)(即CAP速率和A1指數(shù))與流體推理能力呈正相關(guān)，以及NREM睡眠中α、σ和β頻段的功率譜(尤其是中央和頂葉區(qū)域)與韋氏兒童智力量表(WISC)的子量表(即智力(IQ)、流體IQ和工作記憶指數(shù))之間也存在正相關(guān)。

盡管上述研究顯示出了有希望的結(jié)果，但只有少數(shù)研究考察了高認(rèn)知能力兒童的睡眠，特別是其EEG頻譜成分。早期的小樣本研究報(bào)告的結(jié)果相互矛盾。一項(xiàng)研究表明，與智商正常 (NIQ)的對(duì)照組相比，高智商(HIQ)兒童的總睡眠時(shí)間(TST)和NREM睡眠時(shí)間更長，在快速眼動(dòng)(REM)睡眠期間的眼動(dòng)密度更低(REM密度)。此外，REM密度與智商(即總智商和言語智商)呈負(fù)相關(guān)。另一項(xiàng)研究表明，HIQ兒童的REM睡眠時(shí)間更長，REM密度更高。最近，本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)青少年群體的研究結(jié)果表明，與NIQ的兒童和青少年相比，HIQ兒童和青少年的REM睡眠時(shí)間更長。

為了彌合這一差距，本研究的主要目的是比較HIQ和NIQ兒童之間的睡眠EEG功率密度譜。由于智力被認(rèn)為是一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，睡眠腦電圖譜被認(rèn)為是一種神經(jīng)生理指紋，因而它們可以被視為是同一個(gè)體特征的兩個(gè)方面。因此，本研究假設(shè)：(i)HIQ兒童和NIQ兒童在睡眠EEG功率密度譜方面存在差異；(ii)這些差異在REM睡眠中尤為突出；(iii)EEG功率密度譜將與不同的IQ成分相關(guān)聯(lián)。

方法

參與者

這項(xiàng)回顧性對(duì)照研究納入了44名兒童。納入標(biāo)準(zhǔn)如下：(i)6歲≤年齡≤16歲；(ii)無軀體疾?。?iii)無精神障礙；(iv)無自閉癥譜系障礙；以及(v)檢查時(shí)無藥物使用。這些兒童是從ENSOM研究(No.2015-A00703-46，NCT02785328)和法國里昂大學(xué)醫(yī)院發(fā)展心理學(xué)系招募的，他們主要在2016年至2018年期間就學(xué)校新生問題進(jìn)行咨詢。這項(xiàng)回顧性研究采用醫(yī)療記錄進(jìn)行。所有被試均被告知研究內(nèi)容，并有權(quán)拒絕使用他們的醫(yī)療數(shù)據(jù)。所有實(shí)驗(yàn)程序均按照《赫爾辛基宣言》執(zhí)行。

程序

所有兒童均接受了兒童睡眠專家和兒童精神科醫(yī)生的系統(tǒng)訪談、心理測量評(píng)估和一晚多導(dǎo)睡眠監(jiān)測。然后進(jìn)行腦電功率譜分析。

心理測量評(píng)估

由經(jīng)驗(yàn)豐富的心理學(xué)家使用法語版WISC進(jìn)行心理測量評(píng)估，該評(píng)估提供了總智商分?jǐn)?shù)，包括言語理解指數(shù)(VCI)、知覺推理指數(shù)(PRI)、工作記憶指數(shù)(WMI)和加工速度指數(shù)(PSI)。每個(gè)指數(shù)在每個(gè)年齡組中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(均值=100，標(biāo)準(zhǔn)差=15)。當(dāng)IQ處于高智商范圍(即VCI、PRI或IQ≥130，距離正態(tài)分布均值超過2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差)時(shí)，納入HIQ組，否則納入NIQ組。VCI和PRI之間的絕對(duì)差≥15被稱為存在顯著的言語表現(xiàn)差異(SVPD)，它突出了認(rèn)知特征的異質(zhì)性。在這種情況下，不計(jì)算IQ，僅從VCI和PRI計(jì)算替代分?jǐn)?shù)。該分?jǐn)?shù)被認(rèn)為可以更好地估計(jì)一般認(rèn)知功能(即g因素)，并且對(duì)年齡相關(guān)的變化或神經(jīng)心理損傷不太敏感。此外，本研究還使用了三份經(jīng)過驗(yàn)證的問卷：改編的艾普沃斯嗜睡量表(AESS)，失眠嚴(yán)重程度指數(shù)(ISI)，以及兒童抑郁量表(CDI)，分別評(píng)估嗜睡、失眠和抑郁癥狀。

多導(dǎo)睡眠圖

采用便攜式睡眠記錄系統(tǒng)(DREAM，Medatec)進(jìn)行一夜的動(dòng)態(tài)多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(PSG)。PSG包括根據(jù)10-20系統(tǒng)放置的8個(gè)乳突參考EEG導(dǎo)聯(lián)(F1-A2、F2-A1、C3-A2、C4-A1、T3-A2、T4-A1、O1-A2和O2-A1)、左右眼電圖、頦肌電圖和脛前肌電圖、胸腹呼吸運(yùn)動(dòng)以及心電圖。腦電信號(hào)采樣率為256Hz；阻抗保持在10kΩ以下。睡眠記錄由經(jīng)驗(yàn)豐富的專家根據(jù)美國睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)的兒科標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視覺評(píng)分。收集了TST(總睡眠時(shí)間)，睡眠效率，N1、N2、N3階段和REM的潛伏期、持續(xù)時(shí)間、百分比，NREM(即N1+N2+N3)和REM睡眠，入睡后覺醒(WASO)，覺醒指數(shù)，睡眠周期數(shù)和持續(xù)時(shí)間。

頻譜分析

使用PRANA(PhiTools)進(jìn)行頻譜分析。在分析前進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過自動(dòng)排除包含眼球和身體運(yùn)動(dòng)、肌肉活動(dòng)、出汗和電極偽跡的時(shí)間段，然后進(jìn)行目視檢查。有三個(gè)兒童的數(shù)據(jù)因信號(hào)質(zhì)量較差被排除在外。然后，分析偽跡少于50%的時(shí)間段，以獲取每個(gè)睡眠階段的頻譜數(shù)據(jù)。該研究是在C3-A2信號(hào)上進(jìn)行的。采用快速傅里葉變換(FFT)方法，以及4s的漢明窗來計(jì)算腦電絕對(duì)功率譜(μV2/Hz)。然后，將功率譜劃分為以下幾個(gè)頻段：δ(慢速：0.75-2.5Hz和快速：2.5-4.5Hz)，θ(慢速：4.5-6.5Hz和快速：6.5-8.5Hz)，α(慢速：8.5-10.5Hz和快速：10.5-12.5Hz)，σ(12.5-15.5Hz)，β(慢速：15.5-22.5Hz和快速：22.5-35.5Hz)和γ(35.5-45Hz)，并對(duì)30s的時(shí)間段進(jìn)行平均。通過將每個(gè)頻段的絕對(duì)功率除以所有頻段的功率之和，得到相對(duì)功率密度(%)。計(jì)算每個(gè)被試在NREM和REM中各頻段的平均值?？紤]到在生理?xiàng)l件下，慢波睡眠(即N3)在整個(gè)夜間呈指數(shù)下降，而REM睡眠增加，所以本研究將每個(gè)被試的夜晚分為三個(gè)相等的部分，并計(jì)算REM和NREM睡眠中每個(gè)頻段的平均值。在REM睡眠期間，通過自動(dòng)檢測快速眼動(dòng)，然后進(jìn)行目視檢查來排除與微覺醒相關(guān)的REM，從而計(jì)算REM密度。

統(tǒng)計(jì)分析

使用R(v4.1.2)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。所有檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)顯著性設(shè)定為p＜0.05，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)eta方(η2)計(jì)算效應(yīng)量。缺失數(shù)據(jù)被排除在分析之外。首先，為了比較兩組的年齡、性別、WISC指數(shù)、問卷和睡眠宏觀結(jié)構(gòu)(HIQ vs. NIQ)，根據(jù)Shapiro-Wilk檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)二分類變量進(jìn)行了Fisher精確檢驗(yàn)，對(duì)連續(xù)變量進(jìn)行了Wilcoxon或t檢驗(yàn)。兩種招募方法的年齡和性別比較也采用相同的方法。

然后，將II型方差分析(R-car包)應(yīng)用于多變量模型(R-stats包)。在這些分析中，需要解釋的變量是NREM睡眠中的平均相對(duì)功率、REM密度和δ絕對(duì)功率(均值和總數(shù))。對(duì)每個(gè)頻段的功率值進(jìn)行對(duì)數(shù)變換。第一次分析將組別作為解釋變量，并根據(jù)年齡和性別進(jìn)行校正。類似的方法被用于評(píng)估小組在夜晚不同部分的影響。最后，使用線性回歸模型，對(duì)相同的變量進(jìn)行解釋。本研究重點(diǎn)分析WISC特征，將各指數(shù)(即VCI、PRI、WMI和PSI)作為解釋變量，考慮了年齡、性別和組別的影響。由于年齡和性別對(duì)典型發(fā)育過程中的睡眠EEG參數(shù)有影響，因此納入分析。

結(jié)果

被試特征和睡眠宏觀結(jié)構(gòu)根據(jù)智商評(píng)估對(duì)兒童進(jìn)行分組：NIQ組17例，HIQ組24例。年齡、性別組間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。HIQ兒童主要在里昂大學(xué)醫(yī)院的發(fā)展心理系招募(88%)，而NIQ兒童主要來自ENSOM研究(88%)。兩種招募方式在年齡和性別上的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)。與NIQ兒童相比，HIQ兒童的IQ、VCI、PRI、WMI更高，以及SVPD比例更高。兩組在PSI和問卷結(jié)果方面沒有顯著差異。在睡眠宏觀結(jié)構(gòu)方面，除了HIQ兒童的REM睡眠比例高于NIQ兒童(23% vs.20%，p=0.03)外，兩組之間沒有顯著差異。

在評(píng)估整晚的睡眠動(dòng)態(tài)時(shí)，HIQ和NIQ在NREM睡眠(第一部分：90% vs.91%，p=0.67；第二部分：69% vs.69%，p=0.64)和REM睡眠(第一部分：4% vs.7%，p=0.13；第二部分：27% vs.23%，p=0.09)的比例上沒有顯著差異。在第三部分中，與NIQ兒童相比，HIQ兒童的NREM睡眠顯著減少(60% vs.67%，p＜0.01)，而REM睡眠顯著增加(30% vs.19%，p＜0.01)(圖1)。

HIQ和NIQ兒童的睡眠腦電功率譜非快速眼動(dòng)(NREM)睡眠的比較在校正年齡和性別后，NREM各頻段的平均相對(duì)功率(圖2)和δ頻段的絕對(duì)功率無顯著差異。

快速眼動(dòng)(REM)睡眠的比較

在對(duì)年齡和性別進(jìn)行校正的分析中，HIQ兒童的δ-快頻段和θ-慢頻段的平均相對(duì)功率顯著高于NIQ兒童(圖2；表2)。當(dāng)觀察整晚的REM睡眠動(dòng)態(tài)時(shí)，HIQ兒童在δ-快頻段的平均相對(duì)功率比NIQ兒童更高(第一部分：21 vs.20，p=0.03，η2=0.167；第二部分：20.8 vs.19.1，p=0.01，η2=0.167)，并且在第三部分也有類似的趨勢(19.7 vs.17.8，p=0.06，η2=0.119)。與NIQ組相比，HIQ組在REM睡眠期間θ-慢頻段的平均相對(duì)功率均較高(第一部分：9.7 vs.8.3，p＜0.01，η2=0.239；第二部分：10.3 vs.9.1，p=0.01，η2=0.174；第三部分：12.1 vs.10.4，p=0.02，η2=0.207)。在REM睡眠期間，兩組之間的其他差異不顯著。

WISC特征與睡眠腦電功率譜的關(guān)系

在NREM睡眠中，當(dāng)校正年齡、性別和組別后，PSI與β-慢頻的平均相對(duì)功率有關(guān)(p=0.04)：PSI越高，β-慢頻的平均相對(duì)功率越高。在HIQ兒童組中有這種關(guān)聯(lián)趨勢(p=0.08)，而NIQ組中則不明顯(p=0.23)。在NREM睡眠期間，WISC得分與其他頻段的平均相對(duì)功率之間沒有關(guān)聯(lián)。

在REM睡眠中，當(dāng)校正年齡、性別和組別時(shí)，PSI與α-慢頻、α-快頻、σ頻段、β-慢頻、β-快頻和γ頻段的平均相對(duì)功率呈正相關(guān)(表3)：PSI越高，這些頻段的平均相對(duì)功率越高(圖3)。在NIQ組中，PSI與所有這些頻段的平均相對(duì)功率呈正相關(guān)，或者趨向于正相關(guān)。在HIQ組中，PSI僅與σ頻段的平均相對(duì)功率相關(guān)，與β-慢頻段呈正相關(guān)趨勢(表3)。在REM睡眠期間，WISC評(píng)分與其他頻段的平均相對(duì)功率之間沒有其他關(guān)聯(lián)。

討論

HIQ兒童在REM睡眠期間表現(xiàn)出更多的δ-快頻和θ-慢頻平均相對(duì)功率

根據(jù)本研究的第一和第二個(gè)假設(shè)，HIQ兒童與NIQ兒童在某些頻譜特征上有所不同，這些差異在REM睡眠中尤為明顯。在整晚期間，HIQ兒童在REM睡眠期間δ-快頻和θ-慢頻的平均相對(duì)功率高于NIQ兒童。無論是成人還是兒童，REM睡眠中的θ波活動(dòng)都與情緒方面的記憶鞏固有關(guān)。有趣的是，HIQ兒童平均相對(duì)功率增加的頻段范圍與典型的REM睡眠振蕩的頻率相一致。鋸齒波(STWs)通常被描述為中等振幅、三角形狀的非正弦波，頻率在2-6Hz之間，在額中央?yún)^(qū)域的振幅最大。通常先于或伴隨REM睡眠出現(xiàn)；在REM之前/期間的密度增加可能反映了緊張性和時(shí)相性REM睡眠之間的過渡，并且在深夜更頻繁。目前，我們對(duì)其產(chǎn)生機(jī)制和功能作用知之甚少。它們的發(fā)生與快速頻率活動(dòng)的同相增加有關(guān)，這表明存在一種激活效應(yīng)。最近的一項(xiàng)研究使用立體腦電圖-多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀(stereo-EEG-PSG)評(píng)估了頭皮STW的顱內(nèi)相關(guān)性，結(jié)果表明STW與2-4Hz功率的普遍增加有關(guān)(枕葉皮層除外)，并伴有快速頻率活動(dòng)(包括漣波)。STW可能與快速眼動(dòng)睡眠記憶鞏固的同步再激活有關(guān)，更具體地說，與情緒成分有關(guān)。已有研究提出，STW可能與腦橋-膝狀體-枕區(qū)振蕩有關(guān)，因?yàn)樗鼈兙哂泄餐奶卣?，并且可以將STW理解為與相位事件相關(guān)的皮層活動(dòng)，反映了一種廣泛的激活狀態(tài)。因此，隨著表現(xiàn)較好的個(gè)體睡眠紡錘波背后的丘腦皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的激活增加，HIQ個(gè)體中可能存在一種類似于STW產(chǎn)生的神經(jīng)特異性特征。正如對(duì)NREM睡眠紡錘波活動(dòng)的研究一樣，我們可以假設(shè)REM睡眠δ/θ活動(dòng)的夜間差異可以預(yù)測記憶鞏固，而個(gè)體間差異可以預(yù)測智力能力。

加工速度與腦電功率譜之間的關(guān)聯(lián)

與本研究第三個(gè)假設(shè)一致，在校正年齡和性別后，PSI與REM睡眠期間α、σ、β和γ頻段以及NREM睡眠期間β-慢頻的平均相對(duì)功率呈正相關(guān)。在兒童的NREM睡眠中，中央?yún)^(qū)域α、σ和β頻段的EEG絕對(duì)功率與智商(IQ)、加工速度指數(shù)(PRI)和工作記憶指數(shù)(WMI)呈正相關(guān)，在REM睡眠期間亦是如此。在另一項(xiàng)針對(duì)成年人進(jìn)行的研究中，經(jīng)過年齡校正后發(fā)現(xiàn)，REM睡眠期間前腦區(qū)的相對(duì)功率與流體智力相關(guān)。在2.25-5.25Hz頻率范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)，在10.25-26.75Hz頻率范圍內(nèi)呈正相關(guān)，并且存在性別差異。本研究結(jié)果也表明，8.5-45Hz范圍內(nèi)的EEG頻率與智力水平有關(guān)。

智力與腦電功率譜的關(guān)系

PSI與腦電頻譜功率的關(guān)系研究在不同組別中顯示出不同的模式。不同智商組的EEG活動(dòng)與PSI之間的差異關(guān)聯(lián)，以及睡眠宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的特異性，可能強(qiáng)調(diào)了兩組之間大腦活動(dòng)的功能差異。首先，認(rèn)知效率高的個(gè)體產(chǎn)生的皮層激活較低，處理任務(wù)需要的腦區(qū)較少。磁共振成像數(shù)據(jù)顯示，HIQ兒童的半球內(nèi)和半球間白質(zhì)完整性增強(qiáng)，而且分離和模塊化更少，全局整合程度更高。其次，與目前的結(jié)果一致，高認(rèn)知能力與非快速眼動(dòng)睡眠期間的快頻率相關(guān)，而與慢頻率無關(guān)。這可能表明高認(rèn)知能力兒童在清醒狀態(tài)下的認(rèn)知需求較低，或者在非快速眼動(dòng)(NREM)睡眠期間的慢活動(dòng)需求較低，進(jìn)而表現(xiàn)出更高效的神經(jīng)恢復(fù)過程。與NIQ兒童相比，HIQ兒童具有更多的快速眼動(dòng)睡眠，這種差異主要集中在夜間的第三部分，在這段時(shí)間里，HIQ兒童將NREM睡眠轉(zhuǎn)換為REM睡眠。從另一個(gè)角度來看，這種差異也可以理解為對(duì)快速眼動(dòng)睡眠的更高需求。有人認(rèn)為，HIQ兒童的智力能力反映了一種較快的發(fā)展，但該發(fā)展不適用于情感領(lǐng)域，從而導(dǎo)致了“發(fā)展不同步”。HIQ兒童情緒處理的失調(diào)可能導(dǎo)致更高的情緒調(diào)節(jié)需求，這種需求可以通過快速眼動(dòng)(REM)睡眠來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楹笳哂兄诩訌?qiáng)情感記憶并逐漸減弱其情感色彩。然而，這些假設(shè)需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，HIQ兒童的REM睡眠時(shí)間更長，特別是在夜晚的后半段，伴隨著與典型REM睡眠振蕩頻率(即STW)相對(duì)應(yīng)的δ-快頻和θ-慢頻段的平均相對(duì)功率增加。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了快速眼動(dòng)(REM)睡眠在認(rèn)知各個(gè)方面的重要性，并對(duì)STW在REM睡眠的起源和功能角色的意義提出了質(zhì)疑。兩組之間PSI(睡眠質(zhì)量指數(shù))與睡眠頻段的關(guān)聯(lián)差異，暗示著HIQ兒童的REM睡眠存在著另一種功能。這引發(fā)了關(guān)于睡眠和智力效率之間關(guān)系的方向，以及這些睡眠特性背后的機(jī)制問題?？偠灾怂呒忓N波之外，發(fā)育中的睡眠大腦還存在著許多與智力能力相關(guān)的重要生物標(biāo)志物，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。這些發(fā)現(xiàn)再次確認(rèn)了探索睡眠大腦中智力相關(guān)指標(biāo)的重要性。

參考文獻(xiàn)：Marine Thieux, Min Zhang. et al. Does the brain sleep differently depending on intellectual abilities? CNS Neurosci Ther. 2023;00:1–10. DOI: 10.1111/cns.14378

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