【摘要】： 當今社會,越來越多的人不得不面對長時間連續(xù)作業(yè),甚至犧牲自然睡眠(即睡眠剝奪)連續(xù)作業(yè),如連續(xù)軍事作業(yè),連續(xù)機動車(船)駕駛等。長時間連續(xù)作業(yè)往往導致腦疲勞。已有證據(jù)表明,腦疲勞對作業(yè)者認知功能和行為反應能力有嚴重損害作用,而神經(jīng)元活動代謝產(chǎn)物---腺苷對神經(jīng)元活動的抑制在腦疲勞過程中,扮演著重要的角色。揭示連續(xù)作業(yè)與睡眠剝奪對認知功能影響的機制,將有助于對抗連續(xù)作業(yè)所致的疲勞,提高連續(xù)作業(yè)能力。 本實驗在觀察連續(xù)作業(yè)和睡眠剝奪對人認知功能影響的基礎上,首先使用腦功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技術分析了睡眠剝奪前后數(shù)字記憶編碼、維持和提取過程的相關激活腦區(qū)出現(xiàn)的激活變化規(guī)律,然后運用離體腦片膜片鉗全細胞記錄技術,在可視條件下研究了活動依賴的細胞代謝產(chǎn)物腺苷對內(nèi)嗅皮層II層星形神經(jīng)元的興奮性調(diào)節(jié)作用及其離子通道機制和突觸機制。主要結果如下: 1.連續(xù)體力作業(yè)和睡眠剝奪對人腦認知功能的影響 通過數(shù)字劃銷測試、數(shù)字搜索測試和數(shù)字符號轉(zhuǎn)換測試三個量表,檢測連續(xù)體力作業(yè)3天,30名作業(yè)人員,以及睡眠剝奪48小時,6名受試人員注意力和記憶力等腦認知功能的變化。 (1)連續(xù)體力作業(yè)對人腦認知功能的影響 數(shù)字劃銷測試結果顯示,連續(xù)作業(yè)第1天劃對數(shù)為7.73±2.41,第3天下降至4.36±1.92,凈分從第1天的4.99±2.03,降至第3天2.42±2.32,差異顯著(n=30, P0.05)。連續(xù)體力作業(yè)第1天劃錯數(shù)是0.13±1.17、失誤率是32.43±15.65%,第3天劃錯數(shù)為0.33±1.06,失誤率達60.73±25.67%。數(shù)字搜索測試結果顯示,失誤率在連續(xù)作業(yè)第1天為37.54±25.90%,低于第3天(48.91±30.40%),差異顯著(n=30, P0.05)。連續(xù)體力作業(yè)第1天劃對數(shù)為8.23±3.42、漏劃數(shù)為6.77±3.42,第3天劃對數(shù)為8.47±2.91、漏劃數(shù)是6.53±2.91。第1天凈分為6.6±3.83,第3天分值下降至5.27±4.17。上述兩項測試結果顯示,隨著連續(xù)體力作業(yè)時間延長,作業(yè)人員的注意力和短期記憶力等腦認知功能均呈現(xiàn)顯著的降低。 (2)睡眠剝奪對人腦認知功能的影響 數(shù)字劃銷測試結果顯示,睡眠剝奪8小時后,剝奪組劃對數(shù)(18.33±1.37)和凈分(17.50±2.05)都低于對照組劃對數(shù)(18.60±2.61)和凈分(17.90±3.91)。剝奪16小時后,剝奪組劃對數(shù)和凈分分別是17.43±2.30、16.14±3.45,對照組劃對數(shù)是18.50±0.58,凈分為17.75±0.87。剝奪組的失誤率8.38±2.02%,對照組4.09±1.69%。數(shù)字符號轉(zhuǎn)換測試結果顯示,睡眠剝奪8小時后,得分24.67±1.51,剝奪至32小時后下降至22.71±1.80,睡眠剝奪48小時后,降至最低20.14±1.21。同一時間段比較,睡眠剝奪組得分均低于對照組,睡眠剝奪16小時后,剝奪組得分23.43±7.93,對照組得分為24.00±1.83;剝奪40小時后,剝奪組得分20.00±2.23,對照組得分為23.71±1.97。以上結果提示,睡眠剝奪使受試者的注意力和記憶力受損,且隨著剝奪時間增加,這種認知功能下降程度增加。 2.睡眠剝奪影響數(shù)字記憶編碼、維持和提取的腦功能磁共振成像研究 睡眠剝奪受試者數(shù)字記憶測試中,錯誤率從剝奪前8.2±5.4上升到剝奪后13.7±10.1(n=6),反應時間增加,剝奪前738.0±82.1ms,剝奪后824.3±52.3(n=6, P0.05)。SD狀態(tài)下記憶編碼階段在睡眠剝奪前后差異的激活區(qū)為灰質(zhì)區(qū),左側(cè)邊緣葉海馬旁回Brodmann 30,左側(cè)顳葉顳上回42,左側(cè)島葉41,額葉回6;SD前后維持階段差異的激活區(qū)為灰質(zhì)區(qū),左側(cè)顳上回Brodmann 38,左側(cè)顳中回21,左側(cè)海馬旁回及杏仁,左側(cè)額中回47,左側(cè)豆狀核及丘腦,右側(cè)豆狀核,左邊緣葉扣帶后回30,右邊緣葉扣帶后回30,雙側(cè)扣帶回24,雙側(cè)額中回、額內(nèi)側(cè)回6;睡眠剝奪前后工作記憶提取階段機體為了維持清醒狀態(tài),大腦雙側(cè)海馬、右側(cè)杏仁核、右側(cè)頂小葉、左側(cè)楔前葉丘腦出現(xiàn)了過度激活狀態(tài),表現(xiàn)為睡眠剝奪前后工作記憶提取階段陰性激活;睡眠剝奪前后工作記憶提取階段陽性激活,激活區(qū)為左側(cè)顳中回Brodmann 21,雙側(cè)扣帶回24,左側(cè)額下回47,左頂下小葉19,左側(cè)額中回9。 3.穩(wěn)態(tài)因子腺苷調(diào)節(jié)大鼠內(nèi)嗅皮層II層星形神經(jīng)元的離子通道機制和突觸機制 (1)腺苷抑制星形神經(jīng)元Ih電流 在電流鉗模式下,給與100μM腺苷能夠明顯抑制躍階超極化電流刺激(-350 ~ -150 pA,50 pA)誘發(fā)的電壓sag值,給予腺苷,電壓sag比值(電壓峰改變值/電壓穩(wěn)定改變值)減小到對照時的66±9%(對照:13.0±5.9 mV;腺苷:8.8±4.2 mV;P 0.001;n = 11)。加入腺苷后Ih電流幅度明顯減小,差異顯著。 (2)腺苷減少自發(fā)性谷氨酸釋放到星形神經(jīng)元 在灌流液中加入1μM河豚毒素阻斷電壓依賴的Na+通道和10μM荷包牡丹堿阻斷離子通道型GABAA受體,分離出mEPSCs。給予100μM腺苷明顯抑制mEPSCs頻率(對照的55±9 %;n = 16;P 0.001),卻不影響mEPSCs的幅度(對照的98±6 %;n = 16;P = 0.33)。給予腺苷受體1拮抗劑DPCPX(3μM),腺苷對mEPSCs的抑制效應被阻斷(n=10;P = 0.35),而腺苷受體2拮抗劑DMPX(10μM)無影響(n=6;P 0.001)。提示,腺苷誘發(fā)的自發(fā)性谷氨酸釋放減少是由突觸前A1受體介導的。 (3)腺苷抑制自發(fā)性GABA釋放到星形神經(jīng)元 在灌流ACSF中加入1μM河豚毒素、10μM CNQX和50μM AP-V阻斷離子通道型谷氨酸受體,分離出mIPSCs。100μM腺苷增加mIPSCs事件間的時間間隔,但不影響mIPSCs的幅度累積曲線,即頻率降低到對照的51±6 % (n = 16;P 0.001),平均幅度沒有改變(對照的98±4 %,n = 16; P = 0.07)。給予3μM DPCPX,腺苷不影響mIPSCs活動(n = 6; P = 0.47)。但在10μM DMPX存在的情況下,腺苷降低mIPSCs的頻率到53±11 % (n = 10; P 0.001),提示,腺苷誘發(fā)的自發(fā)性GABA釋放減少也是通過突觸前A1受體介導的。 (4)電壓門控Ca2+通道和胞外Ca2+介導腺苷抑制突觸傳遞的效應 灌流液中加入電壓門控鈣通道(VDCCs)阻斷劑Cd2+ (100μM),能明顯降低所記錄神經(jīng)元的mEPSCs和mIPSCs的頻率至對照的44±11 % (n = 8;P 0.001)和56±11 % (n = 7;P 0.001)。用Cd2+處理至少5 min后,給與100μM腺苷,不能降低mEPSCs (n = 8;P = 0.30)和mIPSCs (n = 7;P= 0.20)的頻率。胞外無Ca2+也能明顯降低基礎mEPSCs和mIPSCs的頻率至對照45±19 % (n = 8;P 0.001)和51±15 % (n = 9;P 0.001)。且,加入腺苷也不能明顯改變mEPSCs (n = 8;P = 0.13)和mIPSCs (n = 9;P = 0.38)的頻率。上述結果說明,腺苷A1受體介導的抑制自發(fā)性谷氨酸和GABA釋放與胞外Ca2+通過VDCCs內(nèi)流有關。 綜上所述,本研究結果表明,連續(xù)體力作業(yè)和睡眠剝奪可以使人腦認知功能下降。睡眠剝奪前后,數(shù)字記憶編碼、維持和提取過程中腦區(qū)激活發(fā)生差異變化。內(nèi)源性促睡眠因子--腺苷通過直接抑制HCN通道電流而降低內(nèi)嗅皮層星形神經(jīng)元興奮性;或間接與突觸前A1受體結合,抑制電壓門控鈣通道鈣內(nèi)流,降低興奮性谷氨酸能和抑制性GABA能突觸活動的傳入。
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【學位授予單位】：第三軍醫(yī)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：R33

【引證文獻】

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1 李智海;基于語音信號監(jiān)測腦疲勞的微電子系統(tǒng)設計與優(yōu)化[D];蘇州大學;2011年

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本文編號：2358055