睡眠不仅可以促进机体生长发育,维持机体生存,更重要的是维持注意、记忆、学习等认知功能的正常化,良好的睡眠对个体的身心健康至关重要。睡眠剥夺(sleep deprivation,SD)是指由于各种原因引起的睡眠丢失状态,一般指在24h中的睡眠小于4h,并引起情绪、学习记忆、免疫功能等一系列改变,伴随疲劳的增加可以引起一系列生理、心理、甚至行为的变化。本研究应用功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)研究SD对于大脑执行控制功能及工作记忆不同成分及不同加工过程的影响,并利用静息状态(resting state)下大脑功能连接(functional connectivity)这一目前比较新的研究方法进一步探讨睡眠剥夺对大脑功能的影响。本研究为自身前后对照试验设计。14名正常青年男性志愿者(25.9±2.3岁)参加SD实验。实验分为三部分:第一,应用视觉Go/nogo测验研究SD对大脑执行控制功能的影响;第二,研究SD对于工作记忆(working memory,WM)的影响。其中依据Baddeley工作记忆模型,以经典n-back测验范式分别对语音工作记忆、空间工作记忆、客体工作记忆应用fMRI进行探讨;第三,在静息状态下,根据前两部分研究所得的结论选取有研究意义的种子区域(前扣带回及前后扣带回),应用功能连接的方法研究睡眠剥夺对这些特定脑区间联系的影响。研究的主要结果及结论:SD后执行功能下降。与行为抑制作业密切相关的脑区主要有前扣带回(anterior cingulated cortex,ACC)、顶叶皮质(parietal lobe,PL)、前额叶皮质(prefrontal cortex,PFC)、楔叶和小脑等。睡眠剥夺后行为抑制功能的下降与前扣带回功能活动的进行性下降有关。随着睡眠剥夺时间的延长,前额叶皮质(BA10)的活动增加,这种功能活动的增加是机体功能代偿的一种重要体现。机体功能代偿在行为抑制作业中表现的非常明显。SD后工作记忆能力下降。与工作记忆密切相关的脑区有前额叶皮质、后顶叶皮层以及辅助运动区(supplementary motor area,SMA)等。工作记忆负荷的增加导致与记忆有关的脑区激活强度增加,而不是有更多脑区的参与。睡眠剥夺对不同种类的工作记忆任务影响不同。对于空间和客体工作记忆则主要表现为与工作记忆存储与加工相关区域功能活动下降。对于语音工作记忆,除了与工作记忆存储和加工相关的脑区功能下降外,与注意相关系统(BA10,ACC)功能增加表现出功能代偿。个体针对睡眠剥夺也有部分适应性变化,这主要体现在前额叶皮质功能的代偿上。前额叶皮质功能的代偿性增加是睡眠剥夺后的一个重要特征。近年来,研究者发现大脑处于无任务的静息状态时存在由特定脑区组成的主动性脑活动网络,称为默认网络。默认网络主要包括前额叶皮层、顶叶皮层、前后扣带回皮质等,这些脑区组成的功能网络主要用于清醒状态的维持,与机体的注意系统发挥作用密切相关。通过对睡眠剥夺的静息状态fMRI的研究发现机大脑默认网络在睡眠剥夺后功能连接增强,反映了默认网络系统的一致功能变化,这与机体的注意、抑制功能的下降,清醒状态的下降相关。随着睡眠剥夺过程的进行,丘脑的功能连接出现了与前、后扣带回相反的变化,表明随着睡眠剥夺时间的延长,丘脑的活动处于一个过度激活的状态。总体来说,在睡眠剥夺情况下,机体注意水平下降与默认网络的功能下降有关。此时机体动员丘脑等皮层下区域使之处于过度负荷状态,同时前额叶皮质参与清醒状态的维持,尤其是在皮层下结构已不能独立完成清醒状态的维持的情况下。静息状态fMRI研究是近几年脑功能成像研究的热点。本文在静息状态下研究睡眠剥夺对大脑功能的影响,是对传统任务研究的补充及进步,有利于我们进一步理解睡眠剥夺对人脑功能的影响。