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本文通过静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）和图论分析，研究了完全睡眠剥夺（TSD）对医护人员全脑功能网络拓扑结构和认知功能的影响。研究发现，TSD后大脑网络呈现出更高的聚类系数（Cp），表明局部信息处理增强；同时，右侧额上回内侧部（SFGmed.R）的中心度（degree centrality）升高，而左侧梭状回（F.L）的节点效率（nodal efficiency）降低，这些网络拓扑变化与数字符号测试（DST）、数字连接测试（NCT-A）等神经心理学测试（neuropsychological test）表现受损显著相关。该研究揭示了TSD下大脑网络的补偿性重组机制及其与认知缺损的关联，为制定针对高风险职业人群的干预策略提供了依据。
引言
睡眠是维持身心健康的重要基础。睡眠不足或睡眠剥夺（SD）会对心血管功能、情绪调节、认知表现和记忆形成等多个健康领域产生负面影响。医护人员由于工作安排紧张，常常遭受SD，这可能对其生理和认知功能造成损害，并进一步影响其整体健康，导致医疗服务质量下降。完全睡眠剥夺（TSD），即连续保持清醒至少24小时，是SD的一种重要形式。因此，研究SD对医护人员的潜在危害非常必要。本研究旨在探讨TSD如何改变医护人员大脑功能网络的拓扑结构，从而为理解其神经适应机制和制定干预策略提供依据。
研究方法
本研究共纳入36名医护人员（15名女性，平均年龄31.97±4.29岁）。所有参与者每月轮值夜班2-4次。在两种状态下对参与者进行评估：正常睡眠后的清醒状态（RW）和经历约24小时完全睡眠剥夺（TSD）后的状态。使用静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）采集大脑活动数据，并应用图论方法分析大脑功能网络的全局和局部拓扑属性。采用的神经心理学测试包括数字连接测试-A（NCT-A）、数字符号测试（DST）、画线追踪测试（LTT）和连续打点测试（SDT），用以评估注意、心理运动速度、视觉空间能力和精细运动协调等认知功能。
研究结果
3.1 人口学特征与认知表现
认知功能在TSD后显著受损。具体表现为，在TSD状态下，受试者的DST得分显著低于RW状态。相反，NCT-A和LTT的完成时间在TSD后显著延长，表明表现变差。SDT得分在睡眠剥夺后也有所增加，但差异未达到统计学显著性。
3.2 RW与TSD状态下rs-fMRI特征的改变
3.2.1 全局网络指标的组间比较
在稀疏度阈值为0.1至0.22的范围内，TSD和RW条件均显示出小世界网络特性。但TSD条件下的聚类系数（Cp）显著高于RW条件，反映了局部互连性的增强。
3.2.2 局部网络指标发生变化的脑区
在TSD条件下，右侧额上回内侧部（SFGmed.R）的节点中心度（degree centrality）增加，而左侧梭状回（F.L）的节点效率（nodal efficiency）降低。这两个区域成为TSD后大脑网络重组的关键节点。
3.2.3 以右侧额上回内侧部为感兴趣区（ROI）的功能性连接变化
以右侧额上回内侧部为ROI进行全脑功能性连接（zFC）分析发现，TSD后多个双侧额叶和颞叶脑区的功能性连接增强。
3.2.4 使用替代网络构建方法的稳健性分析
为了评估结果的稳定性，研究还使用了扩展的稀疏度范围（0.05-0.25）和加权网络进行了分析。结果表明，右侧额上回内侧部中心度的增加在所有分析方法中都具有高度稳健性。加权网络分析还进一步揭示了该区域节点效率的增加。左侧梭状回节点效率的降低在原始二值网络分析和扩展范围分析中显著或呈强趋势，但在加权网络中不显著。
3.3 年龄、神经心理学变化与网络属性及其TSD后改变的相关性
3.3.1 神经心理学测试表现变化与网络属性的相关性
探索性相关分析显示，神经心理学测试表现的变化与多个网络拓扑指标的变化相关。例如，NCT-A表现的变化与局部效率（local efficiency）的变化及TSD状态下的局部效率值呈正相关。DST表现的变化与归一化特征路径长度（lambda）的变化及基线（RW状态）下的全局网络效率（global efficiency）、lambda和平均路径长度（average path length）相关。特别值得注意的是，TSD下的聚类系数（Cp）与NCT-A和SDT测试表现的变化呈正相关，表明聚类系数的升高与认知测试表现的变化存在关联。
3.3.2 年龄与基线网络属性或其TSD后变化的相关性
在RW条件下，年龄越大，全局网络效率越低，而归一化路径长度（lambda）和平均路径长度（Lp）则越高。然而，在TSD引起的变化（TSD值减去RW值）方面，年龄越大，全局网络效率的增加幅度越大，lambda和平均路径长度的减少幅度也越大，这与基线趋势相反，可能反映了大脑网络为应对TSD引起的认知损伤而进行的重组。
3.3.3 使用线性回归验证脑-行为关联
在控制了年龄和性别因素后，线性回归分析进一步验证了关键脑-行为关联的稳健性。TSD下的聚类系数（aCp）仍然是预测SDT和NCT-A测试表现变化的显著预测因子。平均路径长度的变化（ΔLp）则能显著被年龄预测。所有模型的方差膨胀因子（VIF）均低于2，表明不存在多重共线性问题。
讨论
本研究在真实世界的高强度夜班工作背景下，利用图论分析方法揭示了医护人员在TSD后全脑功能网络的拓扑重组。与以往在受控实验室环境下的研究不同，本研究发现TSD后大脑网络的聚类系数升高，这可能是一种增强局部信息处理的补偿机制，与医护人员长期夜班训练形成的神经适应性有关。
在节点水平上，右侧额上回内侧部中心度的增加和左侧梭状回节点效率的降低，可能反映了一种资源重新分配策略：在睡眠剥夺下，大脑通过增强自上而下的注意控制（以前额叶为代表）来代偿感知处理效率（以后部视觉加工脑区为代表）的下降。这种“前额上调、后部下调”的模式与睡眠剥夺大脑重组模型相一致。以右侧额上回内侧部为枢纽的功能性连接在多处额颞叶脑区的增强，进一步支持了大脑通过重新调整神经活动模式以在睡眠剥夺期间维持基本认知功能的观点。
本研究的稳健性分析证实了右侧额上回内侧部作为TSD反应关键枢纽的稳定性，并提示二值与加权网络度量在刻画网络重组细节方面具有互补价值。
研究还发现，大脑网络的拓扑属性与神经心理学测试表现的变化存在显著共变关系。例如，聚类系数的升高与NCT-A和SDT测试表现的变化相关，尽管这种补偿机制未能完全抵消NCT-A表现的下降，但在SDT中可能更为有效。这些关联为观察到的多样化认知缺陷提供了可能的机制解释。
年龄对大脑网络属性有显著影响。基线状态下，年龄增长伴随着全局效率下降和路径特征长度增加，反映了与年龄相关的神经连接退化。然而有趣的是，年龄越大，TSD引起的全局效率增加和路径长度减少的幅度也越大，这可能揭示了老年大脑在面对急性睡眠剥夺压力时，其网络重组或补偿的动力学过程与年轻大脑不同，显示出更高的可塑性或不同的应对策略。这一发现强调了在制定医护人员排班策略时考虑年龄差异的必要性。
局限性
本研究存在一些局限性。首先，研究在真实的临床环境中进行，每位医护人员的工作强度和环境存在差异，可能影响结果。其次，参与者的活动状态基于自我报告，缺乏客观验证。第三，尽管样本包括了医生、护士和技术人员，但各职业亚组的样本量有限，无法进行有意义的差异性分析。第四，本研究仅使用神经心理学测试评估认知损伤，缺乏更客观的生理参数。第五，本研究的图论分析主要集中于常规稀疏度窗口内的二值网络，未来的加权网络分析可提供补充见解。第六，节点分析中识别的脑区来自同一数据集，虽然与先前文献一致支持其生物学相关性，但仍需在独立队列中验证。最后，脑-行为相关性分析是探索性的，未来需要在更大样本的验证性研究中加以确认。
结论
综上所述，完全睡眠剥夺（TSD）可诱导医护人员大脑功能网络的全局和节点特异性属性发生显著改变，提示存在旨在保存认知功能的适应性机制。右侧额上回内侧部中心度增加和左侧梭状回节点效率降低等关键节点的变化，与注意、心理运动速度等认知功能的损害密切相关。这些发现不仅深化了对睡眠剥夺下大脑网络重组机制的理解，也为识别认知易损性个体、开发经颅磁刺激等针对性干预措施以减轻高需求环境中TSD的不良认知影响，提供了潜在的神经影像学靶点和证据基础。
