慢性失眠合并轻度认知功能障碍老年患者顶枕叶alpha脑电频谱特征研究

Electroencephalography Alpha Spectral Characteristics in the Parieto-Occipital Lobe of Elderly Patients with Chronic Insomnia and Mild Cognitive Impairment

摘要

目的 分析慢性失眠合并轻度认知功能障碍（MCI）老年患者顶枕叶alpha脑电频谱特征。 方法 选择2019年6月—2020年12月福建省福州市鼓东、温泉社区老年受试者80例，其中健康对照组（HC组）30例、慢性失眠组（CI组）20例、慢性失眠合并MCI组（CI-MCI组）30例。采用匹兹堡睡眠质量指数（PSQI）评估睡眠质量；采用福州版蒙特利尔认知评估量表（MoCA）评估受试者认知功能（视空间执行、命名、注意力、言语流畅性、抽象力、延迟回忆和定向力）；采用Neuroscan 64导联脑电仪同步脑电记录系统采集日间静息态脑电波（EEG），对比顶枕叶alpha（8～13 Hz）各通道功率值的差异及变化趋势；分析顶枕叶alpha频谱功率的改变与认知功能的相关性。 结果 ① PSQI评分：与HC组比较，CI-MCI组日间功能障碍评分明显升高，差异具有统计学意义（P＜0.05）；CI组、CI-MCI组PSQI总分、睡眠质量、入睡时间、睡眠时间、睡眠效率、睡眠障碍评分均明显升高，催眠药物评分明显降低，差异均具有统计学意义（P＜0.05）。② MoCA评分：与HC组、CI组比较，CI-MCI组MoCA总分、视空间执行、命名、注意力、语言流畅性、抽象力、延迟回忆、定向力评分均明显降低，差异均具有统计学意义（P＜0.05）。③ EEG频谱特征：与HC组比较，CI-MCI组顶枕叶P1、P6、POZ、PO4、PO6 alpha频谱功率均明显增强，差异均具有统计学意义（P＜0.05）；与HC组比较，CI-MCI组顶枕叶alpha频谱地形图呈现出频谱功率较强的现象。④ 顶枕叶alpha频谱功率的改变与认知功能的相关性：P6右顶叶alpha频谱功率（r＝0.444，P＝0.023）、POZ顶枕叶alpha频谱功率（r＝0.444，P＝0.023）、PO4右顶枕叶alpha频谱功率（r＝0.478，P＝0.014）均与视空间执行功能呈正相关关系。 结论 顶枕叶alpha频谱功率变化是慢性失眠合并MCI老年患者认知功能损伤的表现；顶枕叶alpha频谱功率可调节慢性失眠合并MCI老年患者的认知功能。

Abstract

Objective To analyze the electroencephalography (EEG) alpha spectral characteristics in the parieto-occipital lobe of elderly individuals with chronic insomnia and mild cognitive impairment (MCI). Methods A total of 80 elderly individuals from the Gudong and Wenquan communities in Fuzhou, Fujian Province were recruited from June 2019 to December 2020, including 30 cases in the healthy control group (HC), 20 cases in the chronic insomnia (CI) group and 30 cases in the CI combined with MCI (CI-MCI) group. The Pittsburgh sleep quality index (PSQI) was used to assess sleep quality; Fuzhou version of the Montreal cognitive assessment (MoCA) was used to evaluate cognitive functions (visuospatial execution, naming, attention, verbal fluency, abstraction, delayed recall and orientation). Neuroscan 64-channel EEG instrument synchronous EEG recording system was used to collect daytime resting-state EEG signals, and the differences and changing trends of alpha (8-13 Hz) power values of each channel in parieto-occipital lobe were compared.The correlation between the change of alpha spectral power in the parieto-occipital lobe and cognitive function was analyzed. Results (1) PSQI scores: compared with the HC group, the daytime functional impairment scores in the CI-MCI group were significantly higher, with a statistically significant difference (P<0.05). The total PSQI scores, sleep quality, sleep onset latency, total sleep time, sleep efficiency and sleep disturbance scores in both the CI group and the CI-MCI group were significantly higher, while the use of hypnotics scores were significantly lower, and the differences were statistically significant (P<0.05).(2) MoCA scores: compared with the HC group and the CI group, total MoCA score, and the scores of visuospatial execution, naming, attention, verbal fluency, abstract abilitivies, delayed recall and orientation in the CI-MCI group were significantly lower, and the differences were statistically significant (P<0.05).(3) EEG spectral characteristics: compared with the HC group, P1, P6, POZ, PO4, PO6 alpha spectral power of parieto-occipital lobe in the CI-MCI group increased significantly (P<0.05). Compared with the HC group, alpha spectral topography of parieto-occipital lobe in the CI-MCI group showed stronger spectral power. (4) Correlation between changes in parieto-occipital alpha spectral power and cognitive function: the alpha spectral power at site P6 in the right parietal lobe (r=0.444, P=0.023), at site POZ in the parieto-occipital lobe (r=0.444, P=0.023), and at site PO4 in the right parieto-occipital lobe (r=0.478, P=0.014) all showed a positive correlation with visuospatial executive function. Conclusion The change of alpha spectral power of parieto-occipital lobe is the manifestation of cognitive impairment in the elderly with chronic insomnia and MCI. The alpha spectral power of parieto-occipital lobe can regulate the cognitive function of the elderly with chronic insomnia and MCI.

Graphical abstract

关键词

慢性失眠 / 轻度认知功能障碍 / alpha频谱 / 顶枕叶 / 老年患者

Key words

chronic insomnia / mild cognitive impairment / alpha spectrum / parieto-occipital lobe / elderly patients

慢性失眠是指夜间睡眠障碍和相关日间症状持续超过3个月的疾病。研究显示，中国老年人慢性失眠患病率为21.84%^［1］，可使老年人患认知功能障碍风险增加27%，早期表现为执行功能、注意力下降等轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）症状，这可能与睡眠质量下降影响大脑的神经传导和信息加工有关^［2］。

顶枕叶是调控睡眠起始、睡眠维持、睡眠周期和睡眠效率的重要脑区^［3］，在维持和巩固认知功能方面发挥着重要作用。在已有MCI风险因素的老年人中，慢性失眠可能会对老年人顶枕叶产生附加损伤^［4］，从而增加老年人患MCI的风险。研究发现，顶枕叶还参与对外界刺激的选择性注意和信息的短期存储及加工，其代谢减退程度与MCI老年患者记忆、视觉空间、执行功能下降有关^［5］。顶枕叶结构和功能的异常可能是慢性失眠老年人认知功能损伤的潜在原因^［6］。

脑电图频谱研究发现，脑电alpha频谱功率与认知加工、信息整合等高级脑功能密切相关^［7］。调节认知记忆功能的alpha活动主要来源于顶枕叶附近，顶枕叶脑电alpha频谱功率随着老年患者工作记忆的负荷增加而增强^［8］。但是，慢性失眠老年患者顶枕叶alpha频谱特征与认知功能的关系尚不清楚，顶枕叶脑电alpha频谱是否可调节慢性失眠老年患者的认知功能有待进一步研究。

为此，本研究观察慢性失眠老年人患MCI的顶枕叶alpha脑电频谱特征，探讨该特征与认知功能受损的相关性，以期为慢性失眠老年患者相关认知功能障碍评估和治疗提供参考。

1　临床资料

1.1　诊断标准

1.1.1　慢性失眠诊断标准

符合《中国成人失眠诊断与治疗指南（2023版）》^［9］关于慢性失眠的诊断标准。

1.1.2　MCI诊断标准

符合《2018中国痴呆与认知障碍诊治指南》^［10］有关MCI的诊断标准。

1.2　纳入标准

① 年龄60～75岁；② 日常生活活动正常，生活自理或基本自理；③ 能够理解及配合，自愿参加本研究并签署知情同意书；④ 无明显的行为和语言障碍；⑤ 右利手；⑥ 对本研究方案知情同意，并自愿签署知情同意书。

1.2.1　健康对照组

① 匹兹堡睡眠质量指数（Pittsburgh sleep quality index，PSQI）评分＜6分^［11］；② 福州版蒙特利尔认知评估量表（Montreal cognitive assessment，MoCA）评分＞25分^［12］；③ 无其他慢性疾病或残疾。

1.2.2　慢性失眠组

符合慢性失眠诊断标准。

1.2.3　慢性失眠合并MCI组

同时符合慢性失眠与MCI诊断标准。

1.3　排除标准

① 老年人抑郁量表简表（geriatric depression scale-15，GDS-15）评分＞8分，或有焦虑症、抑郁症、精神分裂症或其他精神相关疾病；② 曾经发生脑创伤、脑肿瘤、脑梗死、脑出血、颅内感染、帕金森病、癫痫或其他神经系统疾病；③ 近2周内服用过神经抑制类药物、镇静催眠类药物、抗抑郁类药物或抗精神分裂症药物；④ 头部瘢痕、头皮破损、头部有金属植入等不宜采集脑电图者。

1.4　一般资料

选取2019年6月—2020年12月在福建省福州市鼓东社区和温泉社区招募的老年受试者80例，包括健康对照组（HC组）30例、慢性失眠组（CI组）20例、慢性失眠合并MCI组（CI-MCI组）30例，3组性别、年龄、受教育程度差异均无统计学意义（P＞0.05），GDS-15评分差异具有统计学意义（P＝0.001）。见表1。本研究方案已通过福建中医药大学附属康复医院医学伦理委员会审批（审批号：2019KF-002-02）。

2　方　法

本研究所有受试者均参与福建中医药大学附属康复医院组织的健康筛查活动，包括主观睡眠质量和整体认知功能评估。所有受试者均需采集64导联日间静息脑电图。

2.1　观察指标

2.1.1　主观睡眠质量

采用PSQI评估受试者最近1个月的睡眠质量。PSQI量表由19个自评条目组成，包括睡眠质量、入睡时间、睡眠时间、睡眠效率、睡眠障碍、催眠药物、日间功能障碍7个维度，PSQI总分0～21分，得分越高，表示睡眠质量越差。

2.1.2　整体认知功能评估

采用福州版MoCA评估受试者认知功能。MoCA量表包括视空间执行、命名、注意力、言语流畅性、抽象力、延迟回忆和定向力等8个认知领域，MoCA总分0～30分，得分越高，表示认知功能越高。

2.1.3　日间静息脑电频谱信号分析

采用NeuroScan 64导联脑电仪同步脑电记录系统（美国NeuroScan ElPaso Texas公司，4.5版本）采集静息态脑电波（electroencephalogram，EEG）。电极帽选用的是64导联Quik-cap双侧电极帽。采样频率为1 000 Hz，参考电极为双侧乳突，电极与头皮的接触阻抗＜5 kΩ。试验所用电极帽上的电极分布遵循国际脑电图规定的标准电极放置方法10/20系统电极放置方法。见图1。嘱受试者取坐位，戴上电极帽后嘱其闭眼休息5 min，采集5 min静息态脑电频谱信号。

EEG脑电数据采用MATLAB（MathWorks公司，版本：2021a）和EEGLAB V 2022.1工具箱进行分析^［13］。首先对信号进行预处理，包括去除基线漂移、去除工频干扰、去除眼电干扰、去除肌电干扰。其次，应用快速傅里叶变换（fast-time Fourier transform，FFT）方法对预处理后的脑电信号进行频谱分析。计算alpha（8～13 Hz）频段在各通道的频谱功率，对比3组频谱功率的差异。

2.1.4　顶枕叶alpha频谱功率的改变与认知功能的相关性

将年龄、性别、受教育程度、GDS15评分设为协变量，对顶枕叶alpha频谱功率与MoCA总分及分领域评分进行相关性分析。

2.2　统计学方法

采用SPSS 26.0统计软件进行数据分析。计量资料服从正态分布以（\overline{x}±s）表示，组间比较采用单因素方差分析，组间两两比较采用LSD-t法；计量资料不服从正态分布，采用M（P₂₅，P₇₅）表示，组间比较采用Kruskal-Wallis H检验，组间两两比较采用DSCF法。计数资料采用频数表示，组间比较采用χ²检验。符合正态分布的连续资料采用Pearson相关性分析，不符合正态分布的连续资料采用Speraman相关性分析。P＜0.05为差异具有统计学意义。

3　结　果

3.1　3组PSQI评分比较

与HC组比较，CI-MCI组日间功能障碍评分明显升高，差异具有统计学意义（P＜0.05）；CI组、CI-MCI组PSQI总分、睡眠质量、入睡时间、睡眠时间、睡眠效率、睡眠障碍评分均明显升高，催眠药物评分明显降低，差异均具有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

3.2　3组MoCA评分比较

与HC组、CI组比较，CI-MCI组MoCA总分、视空间执行、命名、注意力、语言流畅性、抽象力、延迟回忆、定向力评分明显降低，差异均具有统计学意义（P＜0.05）。见表3。

3.3　3组EEG频谱特征比较

与HC组比较，CI-MCI组顶枕叶P1、P6、POZ、PO4、PO6 alpha频谱功率明显增强，差异均具有统计学意义（P＜0.05）。见表4。与HC组比较，CI-MCI组顶枕叶alpha频谱地形图呈现其频谱功率较强的现象。见图2。

3.4　顶枕叶alpha频谱功率的改变与认知功能的相关性分析

P6右顶叶alpha频谱功率（r＝0.444，P＝0.023）、POZ顶枕叶alpha频谱功率（r＝0.444，P＝0.023）、PO4右顶枕叶alpha频谱功率（r＝0.478，P＝0.014）均与视空间执行功能呈正相关关系。见图3、表5。

4　讨　论

4.1　顶枕叶alpha频谱功率变化是慢性失眠合并MCI老年患者认知功能损伤的表现

本研究结果显示，与HC组比较，CI组、CI-MCI组PSQI总分均明显升高，CI-MCI组睡眠障碍及日间功能障碍评分均明显升高；而CI-MCI组MoCA总分、视空间执行、注意力等认知功能评分均明显降低。这提示慢性失眠老年患者夜间睡眠障碍可能会引起日间功能障碍，影响日间注意力、视空间执行、定向力等认知功能。与HC组比较，CI组和CI-MCI组顶枕叶alpha频谱功率呈递增趋势，这与既往研究结果一致^［11］，提示慢性失眠合并MCI老年患者睡眠质量和认知功能的改变可能与顶枕叶alpha频谱功率有关。这可能与以下因素有关：alpha波是大脑基本脑电波之一，反映了神经元兴奋性，在调节认知功能中发挥重要作用^［13］。健康老年人中顶枕叶较高alpha频谱功率通常与较好的认知功能（如更快的信息处理速度、更好的记忆和注意力）有关。与健康老年人比较，MCI患者因认知功能下降，认知负荷升高，需更强的alpha频谱功率代偿其认知功能损伤^［14］。慢性失眠老年患者出现alpha频谱功率增强，反映夜间睡眠障碍损伤其日间认知功能，需更高alpha频谱功率和更强的神经元兴奋性维持警觉性和注意力^［15］。本研究发现慢性失眠合并MCI老年患者顶枕叶alpha频谱功率比健康老年人明显增强，其潜在机制可能是慢性失眠进一步损伤认知功能，大脑认知负荷逐步升高，代偿性地导致神经元兴奋性增加和alpha频谱功率上升，最终达到维持认知功能的目的^［16］。此外，alpha波等高频脑电频谱增强往往预示着睡眠质量下降，与老年人较差的睡眠质量密切相关。睡眠质量恶化又进一步加重了认知功能下降，在慢性失眠合并MCI老年患者中，这种恶性循环关系更为明显。这可能是由于炎症因子水平紊乱、神经递质失衡等导致神经元过度兴奋，表现为alpha频谱功率病理性增高^［17］。因此，顶枕叶alpha频谱功率变化可能是慢性失眠合并MCI老年患者认知功能下降的重要表现。

4.2　顶枕叶alpha频谱功率可调节慢性失眠合并MCI老年患者的认知功能

老年人认知功能损伤常表现出视空间执行功能的下降（如空间记忆障碍、空间定向能力减弱等）。顶枕叶作为视觉信息处理的重要区域，其神经网络功能连接的下降可加剧视空间执行功能的损害^［18］。本研究进一步发现，慢性失眠合并MCI老年患者顶枕叶alpha波频谱功率与视空间执行功能呈正相关。其潜在机制可能是慢性失眠合并MCI老年患者顶枕叶alpha波频谱功率代偿性增高，神经元兴奋性增强，从而提高对信息的处理能力，维持视空间执行功能^［19］。这提示顶枕叶alpha脑电频谱功率可调节慢性失眠合并MCI老年患者认知功能。此外，有研究显示，前额叶脑电特征改变与执行功能密切相关^［20］，顶枕叶对视觉信息处理发挥独特作用^［21］。视空间执行功能作为执行功能的重要组成部分，依赖于视觉信息处理功能^［22］，顶枕叶脑电特征对视空间执行功能的改变较为敏感。

目前老年人认知功能评估多采用神经心理学量表，其具有的主观性一直是临床实践的挑战^［23］。本研究揭示顶枕叶alpha频谱功率在反映认知状态变化中的重要作用，还预示了其可作为潜在评估指标的独特价值。特别是alpha频谱功率对认知功能的敏感性使其能够捕捉到传统神经心理学评估可能遗漏的细微认知功能波动^［24］，这一特性对于识别认知功能下降至关重要。

5　小　结

顶枕叶alpha频谱功率增强是慢性失眠合并MCI老年患者认知功能下降的重要表现，其脑电特征改变与视空间执行功能呈正相关。顶枕叶alpha脑电频谱可调节慢性失眠合并MCI老年患者认知功能。这为慢性失眠老年患者相关认知功能障碍评估和治疗提供参考。但本研究还存在一些不足之处，如样本量较小；仅通过MoCA评估认知功能；仅探讨慢性失眠老年患者轻度认知障碍时脑电频谱特征与认知功能的关系。下一步研究还需扩大样本量，从不同认知领域探讨慢性失眠合并MCI老年患者认知功能障碍的神经机制；结合功能磁共振成像进一步探讨患病状态对认知功能的影响机制，为原发性失眠相关认知功能损伤的评估和干预提供神经影像学基础。

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(81973928)

福建省自然科学基金杰出青年项目(2022J06028)

福建省财政资助专项

X2022004-财政专项

福建中医药大学青年科技创新人才项目(XQC2023005)