与年轻人主观睡眠质量相关的区域结构-功能耦合变化

《Journal of Psychiatric Research》：Regional Structural-Functional Coupling Alterations Associated with Subjective Sleep Quality in Young Adults

睡眠质量与脑结构-功能耦合关系研究基于人类连接组计划多模态MRI数据，分析1037名成年人前额-颞叶及默认模式网络耦合差异，发现睡眠质量差者耦合降低且颞叶升高，SVR模型显示弱显著关联，前额耦合存在间接效应。

　　

邵子强|杜哲|宋青|刘少华|蔡素萍|刘电英|袁凯

中国山西省西安市西安电子科技大学生命科学与技术学院，邮编710071

摘要

背景

睡眠质量不佳与不良的行为和大脑相关结果有关，但其神经生物学机制尚未完全明了。由于睡眠被认为有助于突触重构和网络重组，因此结构-功能连接（SC-FC）耦合——即大脑解剖结构与静息状态功能相互作用之间的对应关系——可能提供超出单纯结构或功能连接的额外敏感性。

方法

我们分析了人类连接组项目（Human Connectome Project）中1037名成年人的多模态MRI数据。睡眠质量通过匹兹堡睡眠质量指数（PSQI）进行评估，并将简易精神状态检查（MMSE）总分作为粗略的探索性指标。区域SC-FC耦合被量化为扩散导出的结构连接性与静息状态功能连接性轮廓之间的对应关系。我们比较了睡眠质量差（PSQI>5）和睡眠质量好（PSQI≤5）的个体之间的耦合情况。进一步使用带泄漏控制的嵌套交叉验证的线性支持向量回归（SVR）来探索与PSQI相关的多变量耦合模式。最后，在次要探索性分析中，我们测试了区域耦合是否在PSQI-MMSE关联中显示出统计上的间接效应。

结果

与睡眠质量好的人相比，睡眠质量差的人在前额叶-顶叶区域和默认模式区域的SC-FC耦合降低，而在颞叶亚区域的耦合增加。SVR显示耦合特征与PSQI之间存在统计学上显著但较弱的样本外关联，但在个体层面解释的方差可以忽略不计。此外，额叶亚区域的耦合在PSQI–MMSE关联中显示出较小的间接效应。

结论

结构-功能对齐的区域变化与主观睡眠质量相关，这突显了SC-FC耦合作为睡眠相关大脑差异的机制可解释标记的重要性。需要在临床和纵向队列中进行进一步验证。

引言

睡眠对人类生理至关重要，对于维持身心健康必不可少（Grandner和Fernandez，2021）。睡眠质量是一个公认的多维概念，整合了主观睡眠体验的满意度和定量特征，如睡眠持续时间、入睡潜伏期、睡眠连续性和睡眠效率，通常使用匹兹堡睡眠质量指数（PSQI）进行评估（Buysse等人，1989；Schmickler等人，2023）。睡眠质量差一直与白天的不良功能表现相关（Nebes等人，2009；Schmutte等人，2007）。在人群层面，它还与更广泛的神经行为和大脑健康结果相关，包括认知衰退和痴呆的风险增加（Jelicic等人，2002；Yaffe等人，2014）。这些观察结果促使我们有必要阐明与个体间主观睡眠质量差异相关的神经生物学机制。

神经影像学研究表明，睡眠相关障碍与大脑结构和功能的分布式改变有关。从结构上看，睡眠持续时间不足——睡眠质量的一个关键维度——与较差的白质健康状况相关，包括较差的分数各向异性和更大的白质高信号负担（Clocchiatti-Tuozzo等人，2024）。从功能上看，多项研究表明，一个综合的睡眠健康维度与内在的功能连接模式共变，特别是在支持认知控制和灵活信息整合的注意网络和丘脑网络内部和之间，这与PSQI等工具评估的主观睡眠质量的多维性质一致（Wang等人，2023）。然而，结构连接（SC）和功能连接（FC）往往被单独研究，这可能会掩盖解剖学约束如何在睡眠相关的大脑重组背景下塑造功能协调。

越来越多的研究表明，大脑结构和功能本质上是相互依赖的（Park和Friston，2013；Suárez等人，2020；Vázquez-Rodríguez等人，2019）。SC-FC耦合提供了一种量化这种相互依赖性的原则性方法，通过索引解剖连接图与大脑功能交互模式之间的对应关系——即功能通信在多大程度上遵循潜在的解剖结构。重要的是，耦合可以捕捉到结构-功能的“不匹配”（例如，解耦或适应性补偿性超耦合），当功能协调发生变化而解剖结构没有相应重组时可能出现这种情况，因此可能比单独的SC或FC更敏感地检测到微妙的生理网络变化（Fotiadis等人，2024）。这一观点对于睡眠尤其相关：新兴的神经生物学理论提出，睡眠支持突触重构和大规模网络重新校准（例如，Tononi和Cirelli的突触稳态假说），这些过程可以在相对稳定的结构基础上重塑功能通信（Tononi和Cirelli，2006，2014）。在这个框架下，睡眠相关的区域结构-功能对齐的变化可能为主观睡眠质量与区域大脑组织之间的关系提供了一个机制可解释的标记，特别是在参与信息整合的高阶关联系统中。

尽管最近的研究开始将SC-FC耦合与睡眠相关特征和行为表型联系起来，但以往的工作往往受到样本量较小、选择性的队列（例如，仅限于特定性别）、忽略区域变异性的全局指标以及解释性有限的耦合定义的限制（Liu等人，2024；Ma等人，2024；Wu等人，2023）。特别是，耦合有时被简单地表现为SC-FC矩阵相关性，这可能受到共享的几何和拓扑因素的强烈影响（例如，距离效应、稀疏性和边权重分布），并且没有明确捕捉到可能支持功能协调的间接多突触通信。为了解决这些问题，我们利用了人类连接组项目（HCP）的多模态MRI数据，并应用了一种最近验证的基于轮廓的耦合方法来量化1037名成年人的区域SC-FC耦合（Xu等人，2024）。这种方法根据一组结构衍生的通信预测因子预测每个区域的FC轮廓，并将耦合总结为预测轮廓与观察轮廓之间的对应关系。通过提取正交的解剖预测因子，它减轻了部分冗余结构特征之间的共线性，并提供了更可解释的估计，即一个区域的功能交互受多种结构通信原则的约束程度。参与者根据既定的PSQI阈值（>5）被分类为睡眠质量好和差组（Buysse等人，1989）。我们的目标是：（1）描述与睡眠质量差相关的区域耦合差异；（2）探索在样本外评估下，分布式耦合特征是否与PSQI显示出可重复的多变量关联；（3）在次要分析中探索耦合是否与MMSE总分显示出统计关联。我们假设睡眠质量差将与认知控制系统（例如，FPN/DMN枢纽）中的耦合模式改变相关，且个体间耦合的变化将与PSQI共变。考虑到MMSE在这个健康的年轻队列中的区分能力有限，涉及MMSE的关联被认为是探索性的。由于目前的分析是横断面的，这些关系应被解释为与假设框架一致的统计关联，而不是时间顺序或因果关系的证据。

方法

数据集已获得华盛顿大学机构审查委员会的批准（详见（Van Essen等人，2013）。参与者根据赫尔辛基宣言提供了书面知情同意。

睡眠质量好和差的人在人口统计和临床特征上的差异

由于数据集的限制，无法获得每个参与者的确切年龄；因此，参与者被分为不同的年龄范围。为了便于计算组平均值和组间比较，使用每个年龄范围的中点作为参与者的年龄代理。分析显示GS组和PS组之间的年龄没有显著差异（Mann-Whitney U=111621，p=0.455）。卡方检验显示性别之间没有显著差异

讨论

利用HCP数据集（N = 1037）和最近开发的计算方法（Xu等人，2024），我们全面探讨了主观睡眠质量与区域SC-FC耦合之间的关系。我们识别了大规模网络中SC-FC耦合的组间差异和区域关联，并进一步在带泄漏控制的交叉验证框架中展示了与PSQI相关的稳定多变量特征。

结论

本研究发现，主观睡眠质量较差与SC-FC耦合的区域变化相关，包括高级网络的耦合减少以及颞叶亚区域的耦合增加。这些发现共同表明，SC-FC耦合可能为睡眠相关的大脑结构-功能对齐差异提供了一个机制可解释的标记。鉴于横断面设计，无法确定方向性，需要在纵向研究中进行复制

CRediT作者贡献声明

袁凯：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、资金获取、概念化。刘电英：监督、概念化。杜哲：验证、软件。邵子强：写作 – 原始草稿、可视化、软件、方法论、概念化。蔡素萍：验证、方法论。刘少华：验证、概念化。宋青：正式分析、数据管理

未引用的参考文献

Liu等人，2024；Liu等人，2025。

数据可用性声明

数据可通过https://www.humanconnectome.org/study/hcp-young-adult/data-releases/获取。当前研究的所有分析代码可向相应作者索取。

资金来源

本工作得到了脑科学与类脑智能技术——国家科技重大专项 [资助编号 2022ZD0214500]；国家自然科学基金 [资助编号 82371500, U22A20303, 82260359]；内蒙古自治区自然科学基金 [资助编号 2023QN08007]；赣州市“科学与医学”重点项目 [资助编号 GZ2024YLJ228, 2025YLCE0160]；湖南省自然科学基金的支持

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢人类连接组项目（Van Essen等人，2013）、WU-Minn联盟（首席研究员：David Van Essen和Kamil Ugurbil；1U554MH091657）提供的数据，该联盟得到了16个NIH研究所和中心的资助，这些研究所和中心支持NIH神经科学研究蓝图，以及华盛顿大学的McDonnell系统神经科学中心的支持。