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1、睡眠与觉醒（1）生理学及神经生物学教研室生理学及神经生物学教研室 李李 博博20112011年年9 9月月动作电位是脑内唯一可以快速远距离传递的信号神经元相互结合成电网络，同时也可按某种节律同步放电群电活动可以通过表面或深部电极加以记录脑内的电信号有膜电位动作电位突触后电位我们一生中1/3的时间将在睡眠中度过吃饭和娱乐会占据另外1/3的时间在剩余的1/3的生命中 童年和各种教育占据1/3 老年时期占据另外1/3因此，只有大约1/9的生命，不足10年的时间用于有效的工作睡眠的大部分时间都被浅睡或梦境占据睡眠的大部分时间都被浅睡或梦境占据通常在整个夜晚只有不足通常在整个夜晚只有不足30min30m
2、in是真正的深度睡是真正的深度睡眠眠事实上，我们在所谓清醒的白天也很少有真正清事实上，我们在所谓清醒的白天也很少有真正清醒、没有做白日梦或注意力分散的时候醒、没有做白日梦或注意力分散的时候因此，我们很有必要了解睡眠与觉醒因此，我们很有必要了解睡眠与觉醒脑电图（electroencephalogram,EEG）脑电活动:自发脑电活动(spontaneous electric activity)脑电活动:皮层诱发电位(evoked cortical potential)人的睡眠可以按照EEG分期需要掌握的内容:掌握自发脑电活动，诱发脑电活动的概念了解脑电图和皮层诱发电位的记录方法理解脑电图和皮层诱
3、发电位的波形特征了解脑电图和皮层诱发电位的形成机制脑电图（electroencephalogram,EEG）用特殊的电子仪器描记的自发脑电活动曲线。or通过放置在头皮表面的多个电极所记录到的一组场电位。Hans Berger1873-1941 Telepathy(心电感应，通灵术)精神病学和神经病学医生 1924年，首次记录到人的EEG国际标准10 20 系统(Jasper,1958)EEG的记录电极的放置 引导电极：额叶，枕叶等 基础电极（无关电极）:耳垂，鼻尖等 接地电极：睡眠EEG记录：+EOG;EMG国际标准10-20系统：电极安放示意图EEGEEG的参数的参数正常波形正常波形EEGE
4、EG的参数的参数频率频率定义：单位时间定义：单位时间(秒秒)内波的个数内波的个数单位单位:赫兹赫兹(Herz,Hz)(Herz,Hz)EEGEEG频率的分类频率的分类 波波:7.5-13 Hz:7.5-13 Hz 波波:14-30 Hz:14-30 Hz 波波:3.5-7.5 Hz:3.5-7.5 Hz 波波:0.4-3 Hz:0.4-3 Hz种类种类频率频率(Hz)(Hz)波幅波幅(uVuV)主导时期主导时期AlphaAlpha7.5-137.5-1320-6020-60清醒、放松清醒、放松BetaBeta14-3014-302-202-20思维活动思维活动ThetaTheta3.5-7.5
5、3.5-7.520-10020-100儿童的支配频率，在成儿童的支配频率，在成人随困倦和注意而增加人随困倦和注意而增加DeltaDelta0.4-30.4-320-20020-200深睡，婴儿支配频率深睡，婴儿支配频率EEGEEG的参数的参数波幅波幅波阻断（block）波在清醒、安静并闭眼的情况下出现，睁开眼睛或者接受其它刺激时，立即消失并呈现快波（波），这一现象称为波阻断。正常变异 病理波形人工假相人工假相:技术问题或外部干扰所致，一般较为短暂技术问题或外部干扰所致，一般较为短暂l l可能因电极移动、接触不良、肌肉或头部运动、可能因电极移动、接触不良、肌肉或头部运动、出汗等造成出汗等造成不同
6、生理状态下EEG有变化EEGEEG与运动功能与运动功能l l成人成人:无肯定联系无肯定联系l l儿童儿童:脑电高频者脑电高频者 fast reaction timefast reaction time反应时间较短反应时间较短EEGEEG与情绪与情绪l l正性情绪时左侧额叶正性情绪时左侧额叶EEGEEG活动增加活动增加l l负性情绪时右侧额叶负性情绪时右侧额叶EEGEEG活动增加活动增加EEGEEG与与IQIQl l没有肯定的关系没有肯定的关系EEGEEG与感觉与感觉l l听阈在听阈在 波较强时比其它时候更低波较强时比其它时候更低(听觉更敏锐听觉更敏锐)l l刺激复杂性增加时刺激复杂性增加时 波
7、抑制增加波抑制增加EEGEEG与感觉与感觉 听觉辨别任务难度增加时听觉辨别任务难度增加时 波抑制增加波抑制增加EEGEEG与注意与注意 当任务不要求注意环境时当任务不要求注意环境时,(,(例如心算例如心算)比要求注意环境时比要求注意环境时顶叶顶叶 波增加波增加EEGEEG与其它生理变化与其它生理变化 当血糖、体温、糖皮质激素处于低水平时，或者动脉血当血糖、体温、糖皮质激素处于低水平时，或者动脉血氧分压处于高水平时，氧分压处于高水平时，波的波的频频率减慢率减慢癫痫癫痫睡眠障碍睡眠障碍脑肿瘤脑肿瘤病理情况下EEG的改变：(wikipedia)EEG的记录癫痫诊断计算机辅助下的计算机辅助下的EEGE
8、EG分析分析l l生成脑电地形图生成脑电地形图l l三维重构影像三维重构影像l l进行功率谱分析进行功率谱分析l l以及其它许多分析以及其它许多分析EEGEEG脑地形图脑地形图绘制意识之图绘制意识之图定量（数字化）的定量（数字化）的EEGEEG模模/数转换数转换(A/D converter)(A/D converter)采样间隔采样间隔(sampling time interval):0.005-0.01 s(sampling time interval):0.005-0.01 s 实时实时(real time)(real time)记录记录定量定量EEG:EEG:可用于显示、滤波、频率及波幅
9、分析、以可用于显示、滤波、频率及波幅分析、以及彩色地形图及彩色地形图功率谱分析功率谱分析将脑电波幅随时间的变化转变为功率随时间的变化将脑电波幅随时间的变化转变为功率随时间的变化自发脑电活动(spontaneous electric activity)在无明显刺激情况下，大脑皮层能经常自发地产生节律性的电位变化，这种电位变化成为自发脑电活动。EEGEEG的本质的本质！大群神经元的同步放！大群神经元的同步放电电 锥体细胞在皮层排列整齐，树突锥体细胞在皮层排列整齐，树突相互平行并垂直与皮层，同步电相互平行并垂直与皮层，同步电活动易发生总和而形成强大的电活动易发生总和而形成强大的电场，从而改变皮层表面
10、的电位。场，从而改变皮层表面的电位。大量皮层神经元的同步电活动则大量皮层神经元的同步电活动则依赖于皮层与丘脑之间的交互作依赖于皮层与丘脑之间的交互作用，一定的同步节律的非特意投用，一定的同步节律的非特意投射系统的活动，可促进皮层电活射系统的活动，可促进皮层电活动的同步化动的同步化两种可能的同步性机制中心指挥型 凑鸣曲型神经元之间相互激活或抑 制简单的环路即可产生节律性：甚至单个细胞也会在外来刺激下产生节律性目前认为，神经细胞目前认为，神经细胞的内在特性的内在特性(intrinsic(intrinsic properties)properties)及其相互间及其相互间的突触连接决定了神的突触连接
11、决定了神经网络的振荡特性经网络的振荡特性皮层诱发电位皮层诱发电位(Evoked cortical potential，EP)指感觉传入系统或者脑的某一部位受刺激时，在皮层某一局限区域引发的电位变化。或者是指对神经系统某一特定部位(包括从感受器到大脑皮层)给予相宜的刺激，或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工，在该系统和脑的相应部位产生可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反应。EP的构成：主反应为一先正后负的电位变化，在大脑皮层的投射有特定的中心区，出现在潜伏期之后，与刺激有锁时关系。潜伏期的长短取决于刺激部位离皮层的距离，神经纤维的传导速度，和所经过的突触数目
12、等 次反应跟随主反应之后的扩散性续发反应，可见于皮层的广泛区域，即在大脑皮层无中心区，与刺激亦无锁时关系。后放主次反应之后的一系列正相周期性电位波动。躯体感觉诱发电位(somatosensory evoked potential,SEP)听觉诱发电位(auditory evoked potential,AEP)视觉诱发电位(visual evoked potential,VEP)事件相关电位（事件相关电位（Event-related potential,ERP）是人对外界或环境刺激的心理反应,ERP主要研究认知过程中大脑神经电生理改变，即探讨大脑思维轨迹 EP/ERP分类外源性刺激相关的诱发电
13、位（EP)感觉（视觉、听觉、躯体感觉）运动内源性事件相关诱发电位（ERP)记忆和思维相关电位 语言相关电位 准备或与其相关EP/ERPEP/ERP的特性的特性空间特性空间特性:只能在特定的空间范围内检测到只能在特定的空间范围内检测到时间特性时间特性:具有特定的波形和强度分布具有特定的波形和强度分布相位特性相位特性:刺激和反应之间存在锁时刺激和反应之间存在锁时(time-locked)(time-locked)关系关系EP/ERPEP/ERP的起源的起源大部分源于大部分源于大脑皮层大脑皮层,因为皮层神经元有特殊的层因为皮层神经元有特殊的层状排列状排列部分可能反映了部分可能反映了脑干脑干神经元的活
14、动神经元的活动EP/ERPEP/ERP均反映了脑内均反映了脑内神经元群体神经元群体的活动的活动EP/ERPEP/ERP的采集：平均策略的采集：平均策略平均技术的原理平均技术的原理l l由于刺激与主反应之间存在由于刺激与主反应之间存在锁时锁时关系关系l l而诱发电位的其他成分与自发脑而诱发电位的其他成分与自发脑电均与刺激不呈锁时关系电均与刺激不呈锁时关系l l多次叠加可以凸显主反应多次叠加可以凸显主反应l l再除以叠加次数再除以叠加次数听觉的皮层诱发电位（AEP）听觉的皮层诱发电位（AEP）主要用于耳科学用于各种听觉检测中用于了解听神经及脑干通路活动用于诊断影响这些通路的功能性或结构性疾病运动诱
15、发电位运动诱发电位(MEP)(MEP)运动诱发电位运动诱发电位(MEP)(MEP)在运动区及其传出通路上施加电或磁刺激在下游通路上记录诱导电位客观定量反应中枢运动功能ERPERP与与EPEP的区别的区别ERPERP研究中要求被试者主动参与研究中要求被试者主动参与用于用于ERPERP研究的刺激不能单调研究的刺激不能单调至少需要两种模式、序列或种类的刺激至少需要两种模式、序列或种类的刺激ERPERP的外源性成分与刺激的物理性质相关的外源性成分与刺激的物理性质相关,而内源而内源性成分性成分(如如P300,N400P300,N400等等)则与认知活动相关则与认知活动相关ERPERP的临床解释的临床解释
16、首先建立正常值数据库首先建立正常值数据库理解各种参数的生理学和病理生理学意义理解各种参数的生理学和病理生理学意义l l潜伏期潜伏期:反映传导功能反映传导功能l l幅度幅度:参与放电的神经元参与放电的神经元l l成分缺失成分缺失:严重损伤的存在严重损伤的存在进一步还需研究进一步还需研究EPEP活动的来源活动的来源ERPERP的多通道记录的多通道记录ERPERP长于说明事件在脑内长于说明事件在脑内发生的时刻，却无法有效发生的时刻，却无法有效地说明他们发生的位置地说明他们发生的位置summaryEP/ERP可以反映视网膜，视觉通路，内耳，听神经，脑干，外周神经，脊髓后索，感觉皮质以及上下运动神经元的
17、各种病变，事件相关诱发电位则用以判断患者的注意力和反应能力。诱发电位具有高度敏感性，对感觉障碍可以进行客观评估，对病变能进行定量判断。对心理精神领域可进行一定的检测，故当前广泛应用于对精神系统病变的早期诊断，病情随访，疗效判断，预后评估，神经系统发育情况的评估以及协助判断昏迷性质和脑死亡等，但必须结合临床资料判断，然而不在有关神经传导通路中的病变，不能发现异常。睡眠与觉醒的EEG分期睡眠与觉醒两种不同的功能状态 觉醒状态：与环境有主动感觉运动联系，产生复杂适应行为 睡眠状态：联系减弱或消失，伴有躯体和植物性功能变化 睡眠与觉醒是以自然昼夜为周期的生理活动 研究方法:EEG,EOG.EMG人类对
18、睡眠的认识从行为学观察到EEG约日节律/昼夜节律 与24小时自然昼夜交替大致同步人一生中睡眠觉醒周期 始于出生时，随年龄增长而变化 新生儿一昼夜多个周期（60-90min）儿童两个周期（午睡与夜间睡眠）成年人一个周期（与昼夜交替大致同步）睡眠觉醒周期由身体内部的生物钟决定 曾经的推测:由昼夜节律决定的被动反应 当下认识:与外界环境隔离的受试者睡眠与觉醒周期依然存在，但延长至25小时睡眠觉醒周期的节律是独立与外界的，并与其他生理戒律无依从关系的内部节律脑内在的节律生物钟，在正常情况下接受自然界的明暗变化，并将内在节律与自然界昼夜节律同步起来发现REM睡眠分期之前Loomis 分期（5期）A期：觉醒期B期：入睡期C期：浅睡期D期：中等度睡眠期E期：深睡眠期发现REM睡眠后睡眠的EEG分为1、2、3、4阶段，成为公认的分期：阶段1：波明显减少，出现低幅快波 阶段2：出现睡眠梭形波(变异的波，13 15 Hz，20 40 V，0.5 1 s)，伴有少量波、波 阶段3：在波、波为背景的基础上，有睡眠梭形波 阶段4：高幅慢波，波超过50，1.52Hz，75V以上睡眠各时相的脑电波？睡眠的特征？REM睡眠？睡眠的产生机制？睡眠与觉醒的中枢调控机制