睡眠剥夺及相关研究

刘艳骄 胡志安 陈芳 吴慧涓

(1.中国中医科学院广安门医院睡眠中心，北京市中医睡眠诊疗中心，北京，100053； 2.解放军陆军医科大学神经生物学教研室，重庆，400038； 3.解放军海军医科大学长征医院神经科，上海，200003)

睡眠剥夺(Sleep Deprivation)是现代社会中存在的一种普遍的、人为地导致睡眠减少的现象。睡眠剥夺伴随情绪、警觉、工作能力的显著变化。研究睡眠剥夺现象对于改善人类睡眠环境，提高工作效率具有重要意义。

1 睡眠剥夺的基本概念及简史

睡眠剥夺(Sleep Deprivation)指各种原因所导致的睡眠缺少或睡眠时间严重不足。睡眠剥夺在现代社会中普遍存在，与人们的工作、生活密切相关。经常性的睡眠剥夺，大多数被诊断为睡眠不足综合征(国际睡眠分类307.494-4)。睡眠剥夺也是研究睡眠重要方法之一，已经广泛应用于实验动物和部分人群的的研究[1]。睡眠剥夺实验不能实行盲法对照，实验者和受试者的动机对实验结果会产生很大的影响，尤其是在行为和主观认识上的研究。动物实验研究对主观期望效应不太敏感，但由于动物实验中包含着应激的附加因素，这些附加因素和睡眠缺失相互作用，因此在动物实验研究中不能用于应激控制组作为对照[2]。睡眠剥夺试验较早见于1894年，人对幼犬进行了睡眠剥夺实验；1896年，进行了人类全睡眠剥夺试验研究。

对人类实施睡眠剥夺的方式有两种，一种是通过人为地置受试者于强直性不眠状态，观察其反应；另一种，是对临床失眠患者的观察，特别是对哪些自称为通宵不眠患者的观察。由于睡眠剥夺涉及人体实验问题，国际上已经基本不再进行人体睡眠剥夺的实验，但常把因为科研或者工作，人为进行睡眠剥夺的人群作为观察对象，加以记录，并进行研究。

2 睡眠剥夺的分类

2.1 根据睡眠剥夺时间分类 可分为两类，一类为短时间睡眠剥夺，睡眠被剥夺时间小于24 h；另外一类为长时间睡眠剥夺，睡眠被剥夺时间大于24 h。

2.2 根据睡眠剥夺特点分类

2.2.1 完全睡眠剥夺 有报道，连续数天睡眠剥夺后，被试者会出现强烈的困倦、疲劳、容易激怒，情绪不稳定，丧失精细工作能力，定向力障碍，有80%的受试者出现错觉和幻觉，通常以视觉性和触觉性幻觉为多，与精神分裂症患者的幻觉有明显的区别。睡眠剥夺时间超过100 h以上者，症状反应更加明显。随着剥夺睡眠时间的延长，工作操作能力越趋降低，特别是长时间从事单调的工作时，常常会出现差错，甚至引发事故。

在全睡眠剥夺64 h以后，恢复正常睡眠的首夜，非快速动眼(Non-rapid Eye Movements，NREM)睡眠的第3、4期的百分比明显地增加，第1、2期睡眠减少，年轻人比老年人表现的更加明显；在恢复睡眠的第二夜，深睡眠的数量已经接近正常，年轻人可以表现为快速动眼(Rapid Eye Movements,REM)睡眠增加，但两天总睡眠时间只增加2 h，说明没有补足的只有浅睡眠；第三夜各阶段睡眠量接近正常。睡眠剥夺112 h，有少数偏执妄想行为出现，并在凌晨加重。EEG描记显示，α波随着睡眠的剥夺时间的延长呈现线性下降。

Rodin等报道，睡眠剥夺24 h后，受试者的α波持续不会超过10 s；72 h和120 h睡眠剥夺后，α波只能维持4～6 s和1～3 s；睡眠剥夺更长时间以后，及时令受试者闭眼，也不会出现α波，说明脑警戒水平降低。随着α波逐渐减少，波和波比列增加，甚至当受试者说话或者完全清醒时也会出现波，这就是所谓的“微睡眠”(Miero Sleep)现象，缺眠过程中操作失误与此有关。

2.2.2 部分睡眠剥夺 是指特异性减少整个睡眠期某段时间的睡眠量。包括：急性部分睡眠剥夺和慢性部分睡眠剥夺。

(1)急性部分睡眠剥夺：一般只用1个～2个晚上的睡眠剥夺，测试对受试者作业和睡眠的影响。Rosonthal等发现，如果一个晚上只睡眠4 h，相对每天8 h睡眠的人来说，第二天，完成警戒作业成绩明显下降；如果一个人连续每天晚上少睡眠3 h，或者连续2个晚上少睡眠5 h，白天完成警戒作业的成绩显著变差。急性睡眠剥夺的多导睡眠图特点是：除慢波睡眠意外的所有睡眠时相都缩短。

(2)慢性部分睡眠剥夺:连续几个晚上睡眠剥夺，则睡眠剥夺的累计效应就会累计起来，这些不良反应与每个晚上睡眠时间的长短有关。

实验一：受试者每天晚上睡眠时间保持6 h，连续42天，没有发现日常生活出现异常。每天晚上睡眠减少至5.5 h，连续60天，可以发现最后2周出现瞌睡，完成警戒作业的成绩下降。多导睡眠图：慢波睡眠依旧保留，并逐渐提前，快速动眼(rapid eye movements,REM)睡眠减少25%，睡眠潜伏期缩短10～30 min，一般人的睡眠潜伏期只在实验的最后一周才表现为明显缩短。

实验二：受试者每天睡眠时间从8 h开始，每2周递减30 min，直到受试者不能忍受为止。在4个月内，当受试者的每天晚上的睡眠时间减少到6～6.5 h，受试者开始出现不适现象，如乏力、精力不足、上课时瞌睡、驾车时难以保持警觉状态，精神运动测试未发现明显的下降，受试者感觉“学习、工作效率明显下降；精神振奋不起来，办事力不从心，容易疲劳；在困难面前气馁，容易泄气，感觉沮丧；有时会出现轻度抑郁情绪，如同患了感冒一样。”

2.2.3 选择性睡眠剥夺 选择性睡眠剥夺是指在尽可能对总睡眠时间和其他睡眠时相影响小的情况下，剥夺1个或2个睡眠时相，旨在了解各睡眠时相的功能。

(1)REM睡眠剥夺:实验选择剥夺健康人的REM睡眠，随着REM睡眠的剥夺，受试者每夜企图进入REM的次数呈现递增的趋势，一旦允许不受干扰的睡眠时，就表现出REM睡眠明显增多，持续时间延长，这成为REM睡眠反弹(REM Sleep Rebound)REM睡眠反弹效应与剥夺REM睡眠的数量有关。

在剥夺REM睡眠期间，表现为本能行为的增强，如食欲、性欲亢进。易激惹，攻击行为增强，这些现象支持REM睡眠与本能行为有关。

脑生化研究表明，REM睡眠剥夺期间脑组织的糖酵增强，说明此时脑神经活动增强。脑内某些区域，如网状结构和视丘部分氨基酸含量增加，蛋白质合成减少，分解加强，神经细胞内蛋白质及RNA含量降低，说明REM睡眠的一个重要生理功能是促进脑内蛋白质的合成，这正是中枢神经生长发育所必须的。

(2)NREM睡眠剥夺:选择性剥夺NREM睡眠较少，但4期睡眠被剥夺时，受试者表现为第4期的睡眠反弹强烈，是为换取慢波睡眠剥夺所需要的唤醒次数是REM睡眠剥夺的5～7倍。慢波睡眠剥夺的第一个晚上慢波睡眠增加。第2、3个晚上REM睡眠增多，而REM连续剥夺后的3个晚上REM睡眠增加，慢波睡眠没有影响。临床失眠患者及存在严重失眠的抑郁患者，多导睡眠图提示慢波睡眠减少或缺如，表现为白昼功能受损，倦怠乏力，精力不济，情绪压抑，记忆力减退，注意力不能集中等脑功能受损的表现。

2.3 根据睡眠剥夺的特点分类 (1)持续性睡眠剥夺：是指连续24 h以上的睡眠剥夺持续进行3天以上。

(2)间断性睡眠剥夺：是指不是连续进行24 h以上的睡眠剥夺，包括部分睡眠剥夺、完全性睡眠剥夺。

3 动物睡眠剥夺

动物睡眠剥夺是研究睡眠的主要手段之一。通过不同阶段的睡眠剥夺，可以研究睡眠结构中的某一阶段对人体的影响。如研究REM睡眠对记忆的影响等。

3.1 动物睡眠剥夺模型

3.1.1 改良的多平台法制作大鼠睡眠剥夺的动物模型 睡眠剥夺箱中央放置4个高15 cm圆形平台，直径6 cm，平台向中间凹陷，仅够大鼠在平台上站立。剥夺箱内注有水，水高5 cm，水温保持恒定。大鼠进入睡眠时，由于骨骼肌的松弛使大鼠掉入水中而惊醒，又跳上平台，造成睡眠剥夺。空白组大鼠平台直径15 cm，大鼠可以在平台上睡眠，其余与实验组环境相同。

3.1.2 行为检测 用旷场反应箱测试大鼠行为的变化，将旷场反应箱放置在一个较封闭的屋内。旷场反应箱为一个底部面积为100 cm×100 cm，高30 cm的方形容器，旷场正上方有一个摄像头监视大鼠活动，并可以将实验数据和图像信息输入计算机。观察大鼠在旷场反应箱中5 min内的运动。静止总时间(Total Still Time，TST)表示大鼠在旷场反应箱中5 min内静止的总时间，运动总距离(Total Movemnet Distance，TMD)表示大鼠在旷场反应箱中5 min内运动的总距离。中心逗留时间(Center Stay Time，CET)表示大鼠在旷场反应箱中5 min内在内环的停留时间，角落逗留时间(Corner Stay Time，COT)表示大鼠在旷场反应箱中5 min内在旷场四角的停留时间。内环是指以旷场中心点为圆心，以10 cm为半径的圆。

3.1.3 学习记忆能力的测试 用Morris水迷宫法进行大鼠学习记忆的训练与测试，其主要测试大鼠的空间学习记忆能力。水迷宫为一直径120 cm、高50 cm的圆形水池，池内水深25 cm，水池按方位平均分为4个象限，设定4个入水点。在一个象限内置一个直径7 cm、高23 cm的白色平台，平台没于水面下2 cm。水温保持在20 ℃左右。实验过程中水池及周围环境保持不变。

实验时，将大鼠面向池壁从4个入水点分别放入水池，用秒表记录大鼠的逃避潜伏期：即从大鼠入水到找到水下隐蔽平台并站立于其上所需时间(s)，大鼠找到平台后，让其在平台上站立10 s。若入水后60 s大鼠未能找到平台，则将其轻轻从水中拖上平台，并停留10 s，然后进行下一次实验。将每只大鼠从4个入水点分别放入水池为1轮训练，1轮训练进行4次，训练2轮，共训练8次，每次60 s，2次训练之间间隔30 s。训练成功的标志是大鼠在60 s内能够找到平台，淘汰训练未成功的大鼠。记录每只大鼠逃避潜伏期(Escape Latency,EL)的时间。

4 导致睡眠剥夺的常见原因

4.1 光线 睡眠前的光线太强，可以延长入睡潜伏期的睡眠时间。午夜的光亮是通过抑制具有促进睡眠作用的褪黑素分泌，或者使24 h昼夜节律发生紊乱，使机体的性能有所改变。

现代居室一般窗面向南，清晨太阳冉冉升起，房间逐渐光亮，午后太阳西下，光线逐渐变暗，夜晚卧室睡眠的灯光应当保持在10～30烛度，流明(Lumen/Im)：光通量的单位。相当于一烛光的均匀点辐射源穿过一个立体角(球面)的通量，也相当于一烛光的均匀点辐射源等距的所有点所在的表面上的光通量。所以一根蜡烛点燃大概就是1流明)室内环境照明用荧光灯，局部照明用白炽灯。屋顶和墙面的光反射系数宜低于60%，地面宜为15～35%.过分明亮的装饰面，会使反射系数高达90%，超过人体的承受范围。

4.2 噪声 噪声是导致睡眠被间断剥夺的重要原因之一。间断性噪声使人容易产生间断性睡眠剥夺。中国对噪声污染是分级控制，住宅区零噪音，通常在居民区或文教区，要求白昼的噪音不超过55 dB,夜间不超过50 dB。超过60 dB的噪声就将影响睡眠。

4.3 温度 高温和严寒都可以影响睡眠，在夏季，特别是暑伏天，人们的睡眠明显地减少；严寒季节，室内温度偏低时，睡眠常被催醒；室内温度过高，容易导致睡眠减少，夜间憋醒，甚至呼吸暂停。

4.4 职业 容易出现睡眠剥夺的职业，如经常倒班的医师、护士、士兵、倒班工作人员、哺乳期妇女、长途汽车司机等。

4.5 姿势 坐姿比平卧时的睡眠潜伏期增加6.6 min。肥胖人合并睡眠呼吸暂停时，经常因为上气道被增长的软腭所遮盖，进而导致夜间不能失眠，或容易觉醒。

4.6 药物 兴奋性药物，如苯丙胺、咖啡因、哌甲酯(利他林)、匹莫林、烟碱、可卡因等。

4.7 饮食因素 浓茶(可以保持4 h觉醒)、咖啡(可以保持7 h觉醒)、莫非达尼(可以保持12 h觉醒或更长时间)。莫非达尼200 mg和400 mg的剂量相当于服用咖啡因40 h后的效果。

4.8 行为 经常玩扑克、玩游戏，可以最高达到50 h的觉醒状态。整夜打麻将，可以使血压升高，并诱发脑血管疾病。

5 影响睡眠剥夺的因素

(1)睡眠和24 h昼夜节律:如先前的睡眠量与睡眠分配、觉醒时间的长短，以及24 h昼夜节律的时间变化；

(2)觉醒的影响:如活动、亮光、噪音、姿势、药物、兴趣、内在动力以及睡眠剥夺史等；

(3)测试方法的类型及特征:如测试时间、对测试结果的认识、测试节奏、熟练程度水平、测试难度、短期记忆、主观手段(相对客观)以及脑电描记方法(在多次睡眠潜伏期试验中)等[1]。

6 睡眠剥夺对人脑功能的影响

6.1 睡眠剥夺对中枢神经和精神的影响 研究表明[3]，睡眠剥夺影响正常人的脑电生理活动，不同脑区的脑电功率改变不同，以额前区、中央区、顶区和颞中区的改变最为明显，左半球较右侧明显。睡眠剥夺期间，由于能量消耗的增加，导致甲状腺分泌活动加强。而某些受昼夜节律影响的激素，如去甲肾上腺素、催乳素、生长激素，在睡眠剥夺期间丧失了分泌的节律性，出现激素分泌紊乱，引起相关的症状。睡眠剥夺恢复以后，生长激素可见回升。

睡眠与觉醒有不同的基因表达，研究发现睡眠剥夺期或者清醒期有44个基因上调。在不同行为状态下基因表达不同，可能会影响体内RNA和蛋白质的合成、神经可塑性、神经信号传递、代谢等细胞的基本功能。对个体进行长时间的睡眠剥夺后(250 h甚至更长时间)，可以发现患者出现手抖、间歇性口齿不清、上下眼睑下垂，角膜反射迟钝、呕吐反应活跃，深反射亢进、痛阈下降等表现。[2]

6.2 对免疫功能的影响 睡眠剥夺后机体的免疫功能亦受影响，睡眠剥夺抑制机体细胞的免疫能力、脾细胞抗体分泌减少、胸腺和脾脏质量下降等[4]。研究发现，在短期睡眠剥夺后自然杀伤细胞(NK细胞)的数目减少，但全睡眠剥夺后NK细胞的数目增加。全睡眠剥夺后，白介素1和6增加。这说明睡眠剥夺会影响人体的免疫系统，也说明减少睡眠以后，人对疾病的抵抗力会下降。

6.3 对学习记忆的影响 一般认为睡眠参与了“记忆痕迹“的转化，即在睡眠时短时记忆被再次激活、分析并逐渐融合为长时记忆。在整个睡眠阶段中，异相睡眠对学习和记忆的影响特别大，在学习较复杂或较多的学习任务后，异相睡眠增加较多；而完成简单的或较少的学习任务后，异相睡眠增加并不多。

研究者发现[5]，慢性不完全性睡眠剥夺会影响幼鼠的学习记忆能力，而这种影响可能与前额皮质和海马中的神经元——一氧化氮合酶(nNos)表达水平的下降有关。近年来认为一氧化氮(NO)作为中枢神经系统细胞间的信使分子，在学习记忆中具有重要作用，而nNos是催化产生内源性NO的唯一酶类，睡眠剥夺可以导致NO及nNos升高，这可能与学习障碍有关，NO可能参与大鼠的睡眠调节。另外，近年来，睡眠剥夺与细胞因子之间的关系以及睡眠剥夺后脑内基因变异等的研究也愈来愈受到重视。

王博文，等人[6]探讨不同睡眠剥夺方式对大鼠学习记忆能力的影响及其可能机制。方法是将24只大鼠用随机数字法分为空白组(不做任何处理140 h)、对照组(连续睡眠剥夺120 h)、实验1组(睡眠剥夺共计120 h，3次进行，每次40 h；间歇2次，每次10 h，共间歇20 h)和实验2组(睡眠剥夺共计120 h，分6次进行，每次20 h；间歇5次，每次4 h，共间歇20 h)。睡眠剥夺后用旷场反应箱测试大鼠的行为，用Morris水迷宫法测试大鼠学习记忆能力，用试剂盒检测大鼠大脑皮层、海马和血浆中超氧化物歧化酶(SOD)和丙二醛(MAD)含量以及大脑皮层和海马中乙酰胆碱酯酶(TChE)含量。结果发现：旷场反应测试大鼠兴奋性和探索性行为，实验组明显强于对照组，且实验2组强于实验1组(P<0.01)；水迷宫测试大鼠学习记忆能力，实验组明显强于对照组，且实验2组强于实验1组(P<0.01)；实验组大鼠大脑皮层、海马和血浆中SOD含量明显高于对照组，且实验2组高于实验1组(P<0.01)；实验组大鼠大脑皮层、海马和血浆中MDA含量明显低于对照组(P<0.01)，且实验2组低于实验1组；实验组大鼠大脑皮层和海马TChE含量明显低于对照组，且实验2组低于实验1组(P<0.01)。这表明不同的间断性睡眠剥夺方式对大鼠学习记忆能力有不同的影响，一次性睡眠剥夺时间越长、间歇次数越少，学习记忆能力越差。这种作用可能与睡眠剥夺抑制了大脑皮层、海马和血浆中SOD活性，提高了MAD含量及TChE活性有关。

6.4 睡眠剥夺对生化的影响 根据实验研究报告，睡眠剥夺对皮质醇、肾上腺素及相关复合物、儿茶汾胺降解产物等激素类物质，血液成分中的红细胞计数、血细胞比容(红细胞压积)及血糖、肌酐均无明显的影响。

7 睡眠剥夺的特殊用途

(1)通过干扰对方的睡眠，实现持续睡眠剥夺，造成人为性疲劳，消减敌方的战斗力；

(2)通过人为的睡眠剥夺，治疗精神疾病，如躁狂症、精神分裂症等精神疾病；

(3)通过人为的部分的睡眠剥夺，用以调节因时差转化而带来的睡眠问题；

(4)通过有计划剥夺睡眠，治疗睡眠节律紊乱，特别是睡眠时相前移综合征、睡眠时相后移综合征、睡眠颠倒等。

8 睡眠剥夺的预防

8.1 睡眠补偿与休息制度 在一定时间内的睡眠剥夺，可以通过增加睡眠时间，补偿睡眠剥夺失去的时间。持续夜班的人，通过增加夜间的睡眠时间，可以补充丢失的睡眠。同时，减少夜间工作的时间，如将8小时工作变成6小时工作。这对于研究极地中极夜或极昼对人体的影响有一定的积极意义。洪军[7]认为，大多数人每晚需睡7～8 h。白天睡眠的恢复性作用比夜间睡眠小。连续性睡眠比多次短时间小睡效果更好。但是，由于诸如作战、工作需要、不良的睡眠习惯等因素的影响，经常不能保证有效数量的睡眠的情况，可以通过小睡以及适宜的作息制度加以补偿，这是对抗睡眠剥夺最有效的手段。

8.2 睡眠剥夺前的短暂睡眠 在睡眠剥夺前进行预防性睡眠，将有良好的预防作用，并且与预防性睡眠的持续时间呈正相关。在军事行动之前一周若能保证每24 h持续睡眠7～8 h，可有助于减缓作业能力下。[7]

8.3 睡眠剥夺间的小睡 在部分睡眠剥夺期间所允许的睡眠就是小睡，短则几分钟，长至数小时。不论是有限的或日间的小睡，均有助于机体各种功能的恢复,维持良好的作业能力和警觉水平。小睡有助于缓解疲劳，但小睡不宜进入真正的睡眠状态。将小睡安排在最容易睡的时候取得的效果将更好，尤其是两个睡眠高峰期，即03:00～06:00和14:00～17:00，在此期间进行小睡,慢波睡眠3期更多,睡眠惰性更小。睡眠惰性(Sleep Inertia)是指清醒后持续5～30 min的迟钝期,在此期间可出现作业能力下降，故应避免重要的作业任务。

8.4 睡眠剥夺后恢复性睡眠 正常人持续睡眠剥夺，或失眠者恢复自然睡眠以后，或疾病康复以后，睡眠都有增加的趋势。24～48 h全部睡眠剥夺后进行8～10 h的恢复性睡眠就可恢复原有的工作能力；72 h或更长时间的睡眠剥夺后则需要12～20 h的恢复性睡眠[3]。但恢复性睡眠并非愈多愈好，过长时间的睡眠反而增加了睡眠惰性。[7]

8.5 睡眠剥夺间的作息制度 通过改善睡眠习惯，利用自我调节放松疗法得到更多的休息和恢复性睡眠、建立固定而舒适的就寝常规。睡眠之前应避免某些活动和服用某些药物。部队由于作战情况经常变化,可事先制定多个工作——休息——睡眠预案供选择。平时训练军事人员习惯于所处的睡眠环境。在战斗期间，睡眠管理必须理想化，避免所有军事人员都同时处于精疲力竭的状态。在睡眠剥夺期间，应合理安排时间睡眠或小睡，同时可改变常规工作或转换工作等[7]。

8.6 睡眠剥夺改善措施 中药中的人参、西洋参、刺五加、红景天等均有安魂镇魄的中药对睡眠有促进作用，而某些补益中药黄芪、淫羊藿、枸杞等长期使用以后，患者的觉醒时间明显延长。提高免疫力、抗应激、抗缺氧、增强学习、增加记忆类的作用中药，不仅可以因为睡眠剥夺导致的幻觉和各种精神症状有一定的帮助。对抗睡眠剥夺应采用综合性措施，行为治疗、合理作息，健康睡眠，才能取得最佳效果。

[1]赵忠新主编.睡眠医学[M].人民卫生出版社，2016.37-41.

[2]Meir H.Kryger，Thoms Roth，William C.Dement.Principles and practice of sleep medicine(睡眠医学的原理与实践)(中文版)[M].第四版.人民卫生出版社，2010:51-52.

[3]洪军,刘玲.睡眠剥夺对人视觉反应时间延长的影响[J].中国行为医学科学,1999,8:1.

[4]章茜,阎艳琴.部分睡眠剥夺对大鼠免疫功能的影响[J].河南医科大学学报,2001，36:5.

[5]江帆,吴胜虎.慢性不完全性睡眠剥夺对幼鼠学习记忆的影响[J].中国心理卫生杂志,2003,17:9.

[6]王博文，徐兆慧，杜勇，等.不同方式的睡眠剥夺对大鼠学习记忆的影响[J].西安交通大学学报(医学版).2014，(2)：214-215.

[7]Giam GC.Effects of sleep with reference to Military operations[J].Ann Acad Med Singapore,1997,2(1):88-93.