6月龄婴儿N2与N3睡眠期抽动-纺锤体耦合的差异性研究

《Sleep》：Does Twitch-Spindle Coupling Differ Between N2 and N3 Sleep in 6-Month-Olds?

本刊推荐：为探究婴儿非快速眼动睡眠（NREM）中抽动（myoclonic twitches）与睡眠纺锤波（sleep spindles）的耦合关系是否在N2与N3期存在差异，研究人员对21名6月龄婴儿进行了日间睡眠多导记录。研究发现，抽动强度在N2期与快速眼动睡眠（REM）相似且高于N3期，而睡眠纺锤波特征在N2与N3期间无差异；尽管抽动率不同，但抽动-纺锤体耦合在这两个NREM亚期均显著存在，且抽动率与皮质δ（delta）功率呈负相关。此研究揭示了婴儿期睡眠成分的动态组织及其对感觉运动发育的潜在独特贡献。

　　

在生命最初的几个月里，睡眠占据了婴儿大部分的时间，这不仅仅是休息，更被认为是大脑飞速发展的关键时期。其中，快速眼动睡眠（REM）因其丰富的梦境和特征性的肢体抽动（twitches）而备受关注。这些看似微小的抽动，在动物模型研究中已被证实能够通过产生感觉反馈，像一位无声的老师，精细地雕琢着婴儿正在构建的感觉运动神经回路。然而，近年来一项令人惊奇的发现打破了传统认知：大约从3月龄开始，人类婴儿在非快速眼动睡眠（NREM）中也开始出现抽动，并且这些NREM抽动与另一种重要的睡眠脑电波——睡眠纺锤波（sleep spindles，一种短暂的11-15 Hz的丘脑皮层振荡）在时间上紧密耦合。睡眠纺锤波与学习记忆和神经可塑性密切相关，因此，这种耦合现象暗示了NREM抽动可能对早期感觉运动发育有着独特而重要的贡献。

但是，NREM睡眠本身并非铁板一块，它根据脑电特征被划分为不同的阶段，其中N2期以睡眠纺锤波为主要特征，而N3期（慢波睡眠）则以高振幅的δ振荡（0.5-4 Hz）为主导。一个自然而然的问题随之产生：在婴儿的大脑中，抽动行为以及抽动与纺锤波的这种“对话”，在N2和N3这两个不同的“子舞台”上，是同步上演还是各有千秋？理解这种差异，对于揭示婴儿睡眠的动态组织和功能至关重要。为此，由Taylor G. Christiansen和Mark S. Blumberg等人组成的研究团队，在学术期刊《Sleep》上发表了他们的最新研究，旨在精确描绘6月龄婴儿N2与N3睡眠中抽动和抽动-纺锤体耦合的差异。

为了回答上述问题，研究人员招募了21名（7名女性）约6月龄的健康足月婴儿，在其惯常的日间小睡时间进行睡眠监测。研究采用了多模态数据记录方法，核心技术包括：使用128导水凝胶传感器网采集高密度脑电图（EEG）数据，同步记录呼吸信号，并通过高清视频记录婴儿的眼部、面部及肢体运动以便后续对睡眠阶段和抽动进行精确的行为学编码。所有数据流通过时间戳保持同步。睡眠阶段（N1, N2, N3, REM）由两名经验丰富的研究人员根据美国睡眠医学会（AASM）标准对30秒 epochs 的EEG进行盲法评分确定。抽动由经过训练的研究人员通过视频回放进行识别和标注，并计算抽动率、持续时间、在不同身体部位的分布以及抽动爆发的模式。睡眠纺锤波通过自定义MATLAB脚本从预处理后的EEG信号（重点关注C3电极）中自动检测，并分析其发生率、频率和振幅。δ功率则通过对C3电极信号进行0.5-4 Hz带通滤波和希尔伯特变换后计算振幅平方获得。最后，研究人员采用多种统计方法（如非参数检验、方差分析、线性混合效应模型等）和事件时间直方图来分析抽动与纺锤波、δ功率之间的时序关系和关联强度。

研究结果

抽动率在NREM与REM睡眠间无差异，但在N2与N3睡眠间存在显著差异

研究发现，6月龄婴儿在NREM睡眠期（9.13 ± 1.16 次/分钟）和REM睡眠期（13.70 ± 2.68 次/分钟）的总体抽动率没有统计学上的显著差异。单个抽动的持续时间以及在身体各部位（如手指、脚趾、手臂、腿部）的分布模式在NREM和REM睡眠中也相似。然而，当深入分析NREM睡眠的内部时，差异显现出来：抽动率在N2期（13.45 ± 1.95 次/分钟）显著高于N3期（5.68 ± 0.77 次/分钟）。尽管单个抽动的持续时间在N2和N3期间没有差别，且抽动在不同身体部位的分布模式一致，但对数生存曲线分析显示，REM和N2期的抽动间隔分布斜率更陡，表明抽动更密集。进一步分析证实，抽动爆发（定义为连续两次抽动 onset 间隔小于0.5秒的序列）的速率以及属于爆发的抽动比例，在REM和N2期均显著高于N3期。这表明抽动在N2和REM期中强度更高，更具“爆发性”。

睡眠纺锤波特征在N2与N3睡眠间无差异

为了解释抽动率的差异，研究人员首先检验了睡眠纺锤波的特征。拓扑图显示，睡眠纺锤波在额叶和中央区电极发生率最高，但其在N2和N3期的分布模式、峰值频率（约13-13.5 Hz）均无显著差异。在重点分析的C3电极上，N2期和N3期的纺锤波发生率、平均频率和振幅均无统计学差异。对数生存曲线也显示N2和N3期的纺锤波间隔分布几乎重叠。因此，纺锤波特征的相似性排除了其作为导致N2与N3期抽动率差异的主要原因。

抽动与δ功率呈负相关

既然纺锤波不是原因，研究人员将目光投向了N3期的标志性特征——高振幅δ振荡。对每个婴儿NREM睡眠期间1分钟窗口的分析显示，δ功率与窗口内的抽动次数呈负相关。多层线性混合效应模型进一步揭示，这种关联主要存在于个体内部（within-infant）：在某个婴儿的NREM睡眠中，当某个1分钟窗口的δ功率比该婴儿的平均水平高出500 μV²时，该窗口的抽动次数预计会比其平均水平低约4.6次。相反，不同婴儿间（between-infant）的平均δ功率差异并不能预测其平均抽动率的高低。这表明，较高的皮质δ活动与较低的抽动率在时间上是互斥的。

额叶与中央区睡眠纺锤波均与抽动存在时间耦合

研究人员考察了抽动与整个头皮记录的纺锤波的耦合情况。概率分析显示，给定一个抽动发生，其在中央区和额叶区电极引发出纺锤波的概率（P(Spindle|Twitch)）均显著高于随机水平，且这两个脑区的概率值相似。事件时间直方图也证实，在抽动发生前后，中央区和额叶区出现纺锤波的几率均显著升高。这表明抽动-纺锤体耦合在感觉运动皮层和额叶皮层是普遍存在的。

抽动-纺锤体耦合在N2和N3睡眠中均存在

最后，研究重点比较了N2和N3期的耦合情况。在C3电极上，给定一个抽动发生，其在N2期和N3期引发出纺锤波的概率（P(Spindle|Twitch)）均显著高于随机水平，且两个睡眠阶段间的概率值无显著差异。当反过来分析时，给定一个纺锤波发生，其在N2期伴随抽动的概率（P(Twitch|Spindle)）为0.51 ± 0.04，显著高于N3期的0.26 ± 0.03，但这主要是由于N3期本身的抽动率较低。重要的是，即使在N3期，P(Twitch|Spindle)也显著高于随机水平。这表明，尽管N3期的抽动强度较低，但抽动与纺锤波之间的耦合关系依然稳固存在。

研究结论与意义

本研究深化了我们对婴儿期睡眠动态组织的理解。其主要结论是：在6月龄婴儿中，虽然抽动行为在REM、N2和N3睡眠期均有发生，但其表达强度与特定的睡眠成分存在兼容或互斥关系。具体而言，抽动的高强度表达（高发生率、爆发模式）与快速眼动（REM）和睡眠纺锤波（N2期特征）兼容，但与高振幅的皮质δ振荡（N3期特征）互斥。尤为重要的是，尽管N3期的抽动率较低，但抽动与睡眠纺锤波之间的显著耦合在N2和N3期中均持续存在。

这项研究的意义重大。首先，它挑战了基于成人睡眠的“静态”分期观念，强调了婴儿睡眠成分的动态性和过渡性。N2期同时具有REM睡眠（高强度抽动）和N3睡眠（纺锤波）的某些特征，这凸显了在发育早期清晰区分睡眠阶段的复杂性。其次，研究结果强有力地支持了抽动-纺锤体耦合这一新兴现象在婴儿期的稳健性。鉴于睡眠纺锤波与神经可塑性的密切关联，这种耦合很可能为典型的感觉运动发育提供了独特的、可能是短暂的功能性贡献。这为理解某些以感觉运动功能和睡眠纺锤波异常为特征的神经发育障碍（如自闭症谱系障碍、精神分裂症等）提供了新的视角和潜在的研究途径。最后，该研究为未来追踪这些睡眠现象超越6月龄后的完整发展轨迹奠定了基础，这对于最终阐明其神经机制和功能至关重要。正如作者所指出的，婴儿期观察到的许多现象可能是发育过程中的短暂特征，而详细描绘其发展轨迹将为理解大脑如何构建其复杂的神经网络提供关键线索。