《NeuroImage》：Mapping the cortical architecture of sleep deprivation: insights from fMRI, neurotransmission, and metabolic activity
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本研究针对睡眠剥夺导致认知障碍的神经机制尚不明确的问题，通过构建睡眠剥夺相关皮层权重图，结合多模态脑成像、神经递质受体图谱和代谢组学分析，揭示了以枕叶为核心的皮层功能紊乱、皮层-皮层下信息流向逆转及特定代谢物变化与认知下降的关联，为理解睡眠缺失的神经系统级联效应提供了新视角。
睡眠占据了人生约三分之一的时间，其对认知功能，特别是记忆巩固的支持作用已成为神经科学领域的共识。然而，在现代社会的快节奏生活中，睡眠剥夺（Sleep Deprivation, SD）日益普遍，并导致严重的认知缺陷。尽管功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）研究已发现睡眠剥夺后大脑功能连接（Functional Connectivity, FC）的异常改变，但关于其影响的大尺度皮层组织架构、代谢改变与认知功能之间的整合效应仍不清楚。传统的局部论观点将特定功能定位于孤立脑区，而近年来的网络视角强调认知功能源于分布式神经系统的相互作用。在此背景下，如何精确描绘睡眠剥夺相关的皮层功能紊乱边界，并阐明其与皮层下结构、神经化学及代谢过程的相互作用，成为了该领域亟待解决的关键问题。
为了回答上述问题，研究人员在《NeuroImage》上发表了一项综合性研究。该研究首先利用来自95项睡眠剥夺研究的元分析种子点，通过病变网络映射（Lesion Network Mapping, LNM）技术，在1000名健康个体的规范连接组数据上生成了睡眠剥夺相关皮层权重图（SD-related Cortical Weight Map, SD-CWM），从而定义了易受睡眠剥夺影响的皮层边界。随后，研究招募了30名健康志愿者，让他们在正常清醒休息状态（Rested Wakefulness, RW）和经历24小时急性睡眠剥夺后，分别接受静息态和记忆任务态fMRI扫描，同时进行非靶向代谢组学检测和工作记忆任务（Sternberg Working Memory Task, SWMT）评估。研究进一步通过Granger因果分析探讨了SD-CWM与皮层下核团之间的定向相互作用，并分析了SD-CWM与神经递质受体空间分布以及血液代谢物变化的关联。
本研究的关键技术方法主要包括：基于Neurosynth平台的元分析种子点选取；利用千人规范连接组数据的病变网络映射构建SD-CWM；静息态和任务态fMRI数据的采集与预处理（采用fMRIPrep和XCP-D pipeline，包括全局信号回归和非回归两种处理）；基于广义线性模型的任务激活分析；神经递质受体空间相关性分析（使用Neuromaps包）；Granger因果分析及线性混合效应模型评估定向不对称性指数；以及基于液相色谱-质谱联用技术的非靶向代谢组学分析和偏最小二乘回归。
3.1. SD-CWM内神经活动与认知表现的关联
研究发现，在睡眠剥夺后，SD-CWM内的低频振幅（Amplitude of Low-Frequency Fluctuations, ALFF）值升高，而记忆任务诱发的β值降低，反应时间延长。改变后的ALFF值和β值均与改变后的反应时间相关。中介分析表明，静息态活动变化对认知下降的关联比任务态活动更稳定。
3.2. SD-CWM的构成
SD-CWM主要定位于双侧枕叶皮层，并涵盖了视觉网络、腹侧注意网络等。其空间分布与9种神经递质和代谢受体密度显著相关，包括γ-氨基丁酸A受体、μ-阿片受体、环氧合酶-1等。这些受体也与超过半数参与者的ALFF改变值存在空间相关性。
3.3. SD-CWM与皮层下核团间的定向影响
研究发现10个皮层下核团（如背外侧壳核、尾侧颞叶丘脑等）的ALFF改变与SD-CWM的ALFF改变显著相关。Granger因果分析显示，在正常休息状态下，SD-CWM对皮层下核团存在主导的皮层-皮层下定向影响。而在睡眠剥夺后，这种模式在尾侧颞叶丘脑等区域逆转为皮层下-皮层主导的定向影响。
3.4. SD-CWM、皮层下核团与代谢物的关联
睡眠剥夺后，有15种代谢物的变化与SD-CWM的ALFF改变相关。偏最小二乘回归分析识别出4种关键代谢物（4-胍基丁酸、脲基琥珀酸、N,N-二甲基甘氨酸和庚二酸）对预测ALFF变化贡献最大。中介分析提示，SD-CWM的活性改变对代谢物变化既有直接效应，也通过影响皮层下核团（尤其是尾侧颞叶丘脑）活性产生间接效应。
研究结论与讨论部分强调，本研究识别并刻画了一个与睡眠剥夺相关的皮层功能紊乱图谱。该图谱主要位于枕叶皮层，其功能改变与记忆表现下降相关。睡眠剥夺导致该区域与皮层下核团（特别是尾侧颞叶丘脑）的信息流向从正常的自上而下控制模式逆转为自下而上模式。同时，这种神经活动改变与特定的神经递质系统（如GABA能、阿片能系统）和代谢通路（涉及神经递质周转、甲基化过程和能量代谢）的紊乱密切相关。这些发现为理解睡眠剥夺导致认知损害的神经脆弱性提供了一个系统水平的视角，揭示了从皮层功能紊乱、神经化学失衡到代谢应激的级联效应。尽管研究存在样本量、预处理方法敏感性等局限性，但其整合多模态数据的研究框架为未来探索睡眠缺失的生理机制和开发干预策略指明了方向。该研究的意义在于将睡眠剥夺的影响从单一脑区或网络拓展到一个包含功能、定向和代谢关联的复杂系统，深化了对睡眠在维持大脑健康中核心作用的认识。
