在現代生活的快節奏下，熬夜似乎成了不少人的生活常態。有人為了完成工作任務挑燈夜戰，有人沉迷於刷劇、玩遊戲，不知不覺就熬到凌晨。第二天，當睏意襲來，不僅身體疲憊不堪，腦子也好像“卡殼”了，工作時頻繁出錯，學習新知識變得異常困難，就連日常開車都感覺反應比平時慢半拍。你有沒有想過，為什麼熬夜會讓我們的大腦變得這麼“不給力”呢？
近期，發表於Neuroimage的一項研究Dynamic changes in brain function during sleep deprivation: Increased occurrence of non-stationary states indicates the extent of cognitive impairment就為我們揭示了其中的奧秘。
睡眠對維持人體健康和正常認知功能意義重大。然而，現代社會的快節奏以及各種娛樂活動，使得睡眠剝奪現象日益普遍。長期睡眠不足會導致認知功能受損、記憶力下降、情緒波動等一系列問題，嚴重影響生活質量。
以往研究大多采用靜態功能連線（FC）分析來探究睡眠剝奪對大腦的影響，但大腦網路並非一成不變，而是時刻處於動態調整和重組之中。靜態FC分析無法全面捕捉這些動態變化，而動態功能連線（DFC）分析則能夠彌補這一缺陷。此次研究正是基於DFC分析，深入探索睡眠剝奪過程中大腦的動態變化，為解開睡眠與認知之間的複雜關係提供新視角。
接下來，我們重點看看這項研究的關鍵發現。研究人員透過對參與者睡眠剝奪期間的大腦掃描資料進行DFC分析，發現大腦在睡眠剝奪的整晚過程中，主要在三種不同的功能連線狀態間波動。
圖 1：動態功能連線（DFC）計算流程
狀態2表現為各靜息態網路（RSN）之間以及網路內部的連線相對較弱，近似於大腦的休息狀態。在睡眠剝奪初期，該狀態出現頻率較高，但隨著時間推移，其佔比逐漸降低。這意味著隨著睡眠剝奪時間的延長，大腦維持這種低耗能休息狀態的能力逐漸減弱。
狀態3時，預設模式網路（DMN）與額頂葉網路、注意網路之間保持正常負連線，同時網路內部正連線增強，這是大腦執行任務時的典型狀態。同樣，在睡眠剝奪過程中，狀態3的佔比也逐漸減少，表明睡眠不足會使大腦執行任務的能力不斷衰退。
狀態1的連線模式較為特殊，DMN與軀體感覺網路、注意網路之間呈現異常高的負連線，同時網路內部正連線增強，可看作一種“高能量”的混亂狀態。在初始階段，狀態1在總階段中佔比最低，但隨著睡眠剝奪時間增加，其佔比顯著上升，尤其是在任務狀態下，增長趨勢更為突出。這表明隨著睡眠剝奪加劇，大腦逐漸進入一種高耗能且不利於認知的狀態。
進一步分析發現，狀態1相關的DFC指標與精神運動警覺性任務（PVT）的表現及變化緊密相關。在任務狀態下，多個時間點（如00:00、04:00和06:00）狀態1的比例與PVT任務中的最大反應時間、平均反應時間、反應時間方差、變異係數以及失誤次數等關鍵指標，均呈現顯著正相關。
這充分說明，狀態1的比例越高，個體在持續注意力任務中的表現越差，認知能力下降越明顯。而且，不同時間點狀態1比例的變化，也與PVT任務表現的變化密切相關。狀態1與狀態2、狀態1與狀態3之間的轉換指標，同樣和PVT指標存在顯著相關性。狀態1與狀態2之間轉換次數增加，與平均反應時間和失誤次數呈顯著負相關，意味著這種轉換可能會削弱整體認知功能；而狀態1與狀態3之間的轉換，則對認知功能的精細層面產生影響，可能導致任務執行時出現突然失誤。
在全域性DFC分析方面，雖然全腦平均VdFC（全域性動態功能連線速度）在多數情況下沒有顯著差異，但在注意網路中，任務狀態下22:00至06:00間出現顯著下降，表明任務時的反應速度變慢，影響PVT任務表現。軀體感覺網路在睡眠剝奪後VdFC顯著增加，可能干擾認知感知，對認知功能產生不利影響。全腦和各RSN的平均MC（元連線性）在睡眠剝奪前後均未發現顯著差異，說明睡眠剝奪前後大腦網路的模組化結構相對穩定。
圖 2：靜息狀態和任務狀態下五個時間點三種動態功能連線狀態的分數率比較
圖 3：精神運動警覺性任務反應時間在五個時間點的比較
綜上所述，這項研究表明，睡眠剝奪導致的認知障礙是一個動態過程。在睡眠剝奪期間，大腦的功能連線狀態不斷變化，其中狀態1相關指標對認知功能的影響最為顯著。狀態1比例的增加以及其與其他狀態之間轉換模式的改變，與認知能力的下降密切相關。
這一研究成果為我們理解睡眠剝奪對大腦的影響提供了重要依據，也再次提醒我們，充足的睡眠對於大腦健康和認知功能的維持至關重要。為了保持良好的大腦狀態和認知能力，我們應重視睡眠，養成規律的作息習慣。
參考文獻：
Xu Z, Ma C, Wang C, et al. Dynamic changes in brain function during sleep deprivation: Increased occurrence of non-stationary states indicates the extent of cognitive impairment. Neuroimage. Published online February 25, 2025. doi:10.1016/j.neuroimage.2025.121099
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