極地特殊環(huán)境下的睡眠障礙研究進展

李鵬昊，譚興，何穎，王偉忠，王楊凱

十八大確定了我國建設(shè)海洋強國的戰(zhàn)略部署，極地作為遠海戰(zhàn)略的重要一環(huán)，勢必成為我國軍事安全的重點研究方向。 兩極地區(qū)惡劣的自然條件（如極寒、極晝、極夜、強磁場、低氧等）與超靜寂寞的環(huán)境會嚴(yán)重影響極地作業(yè)人員的生理、心理健康，其中以睡眠障礙最為顯著［1］。 極地作業(yè)人群的睡眠問題已然成為維持隊員身心健康、保障極地作業(yè)正常進行所急需解決的核心問題。 研究表明，極地睡眠障礙主要表現(xiàn)為主觀上的睡眠質(zhì)量下降、睡眠碎片化程度增加、入眠潛伏期增長、慢波睡眠減少以及晝夜節(jié)律的紊亂［2］，同時伴有不同程度的煩躁易怒、反應(yīng)遲鈍、人際關(guān)系緊張、認知能力和工作效率下降等心理和行為改變。 筆者就極地睡眠障礙的影響因素、研究手段、可能機制和解決措施進行綜述，旨在為深入研究極地特殊環(huán)境下的睡眠障礙等其他相關(guān)問題提供理論基礎(chǔ)。

1 極地睡眠障礙的影響因素

晝夜節(jié)律是一種動物界普遍存在的生理現(xiàn)象，內(nèi)、外因素以及心理精神因素均可不同程度地影響晝夜節(jié)律［3］。 在極地，干擾正常晝夜節(jié)律并導(dǎo)致極地睡眠障礙的因素主要有以下3 點：異常的光暗周期、無規(guī)律的工作（生活）節(jié)奏以及長期與世隔絕所致的心理問題［1］。

1.1 光暗周期直接影響睡眠

在諸多影響晝夜節(jié)律的因素中，光照通過作用于下丘腦視交叉上核（SCN）調(diào)節(jié)生物節(jié)律，是最為重要的調(diào)節(jié)因素［4］。 極晝和極夜是兩極地區(qū)特有的現(xiàn)象，并隨著緯度的增高，這一現(xiàn)象的持續(xù)天數(shù)也隨之增加。 例如，在南緯75°的哈雷灣，極夜將持續(xù)100 d，而極晝更是持續(xù)110 d 之多［5］。 這種極端的光暗周期將擾亂晝夜節(jié)律系統(tǒng)，影響睡眠質(zhì)量。 極晝期間，室外的自然光照度可達40 000 lux［5］，這種異常明亮且持久的自然光使受試者的睡眠相位發(fā)生延遲，其中以晝夜節(jié)律的頂相延遲最為顯著［6］，并伴隨著睡眠時間的減少、入睡潛伏期的增長以及睡眠質(zhì)量的下降［7］。 與夏季相比，在越冬期間，極地人員睡眠相位延遲的現(xiàn)象更加明顯［1］。 極夜期間的室外照度不會超過100 lux（通常為1 lux 左右）［5］，這是極地越冬人員冬季晝夜節(jié)律延遲的最主要原因［5］，并且隨著緯度的增高其延遲程度也更加顯著［8］。

1.2 日程安排對睡眠節(jié)律的影響

研究表明，嚴(yán)格的工作安排能夠獨立地調(diào)節(jié)北極工作人員睡眠時間及睡眠節(jié)律，使睡眠相位趨于正?；?］；規(guī)律的日程安排使鐘基因的時間表達曲線振幅更高，頂相的標(biāo)準(zhǔn)差更低，提示其晝夜節(jié)律系統(tǒng)的同步性更好［6］。

1.3 心理問題對睡眠質(zhì)量的影響

情緒與睡眠之間的關(guān)系十分復(fù)雜，二者你中有我，我中有你，彼此互為因果。 而當(dāng)把情緒與睡眠問題放入極地這種與世隔絕的環(huán)境中進行研究則更為復(fù)雜：一方面，長期與世隔絕會導(dǎo)致情緒問題，而情緒問題會影響睡眠；另一方面，極地睡眠障礙本身就是消極情緒可能的獨立危險因素［1］。 進一步研究發(fā)現(xiàn)，具備情緒異常和睡眠障礙等癥狀的極地作業(yè)人員血液中的T3、T4 水平降低，人們稱之為南極綜合征（the polar syndrome）或極地T3 綜合征（the polar T3 syndrome）。即便綜合考慮，二者的關(guān)系仍不明朗。 例如，褪黑激素作為調(diào)控人體生物鐘的重要內(nèi)分泌激素，能夠同時改善睡眠障礙人群的睡眠質(zhì)量與主觀情緒［10］。 但也有報道稱嚴(yán)重的睡眠障礙與褪黑激素相位延遲有關(guān)，但不對情緒產(chǎn)生顯著影響［7］，因此，具體的機制還有待進一步闡明。

2 極地睡眠障礙的研究方法

2.1 問卷調(diào)查

2.1.1 常用問卷 在極地睡眠研究中，問卷調(diào)查常常被用來反映受試者的主觀睡眠質(zhì)量與情緒反應(yīng)。 匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)（Pittsburgh sleep quality index，PSQI）是評價睡眠質(zhì)量時廣泛采用的一種調(diào)查量表［4］，旨在測試受試者近1 個月內(nèi)的睡眠質(zhì)量，得分越高則反映受試者近1 個月來睡眠質(zhì)量越差。 除此之外，相關(guān)的問卷還包括利茲睡眠評估問卷（Leeds sleep evaluation questionnaire，LSEQ）、卑爾根失眠量表（Ber?gen insomnia scale）、Horne?Ostberg 問卷（the Horne and Ost?berg morningness?eveningness questionnaire，MEQ）、積極和消極情緒影響量表（positive and negative affect scale，PANAS）和季節(jié)性評估問卷（seasonal pattern assessment questionnaire，SPAQ）等。 其中前2 種主要用于檢測睡眠障礙程度，MEQ 被用來測量受試者對清晨和夜晚的偏好程度，PANAS 或SPAQ則分別被用來反映隊員們的正面、負面情緒傾向或研究情緒與睡眠、社會活動等行為隨季節(jié)的變化情況。

2.1.2 問卷調(diào)查的研究現(xiàn)狀 問卷調(diào)查結(jié)果表明，在冬季，主觀上的睡眠障礙是普遍存在的。 對北極高海拔地區(qū)13 名居民（包括8 名男性，5 名女性）越冬期間睡眠情況的調(diào)查結(jié)果顯示［11］，男性受試者的PSQI 平均分為19.5 分，女性受試者的平均分為18.8 分，平均睡眠質(zhì)量不容樂觀。 與夏季相比，在缺少光暗周期的冬天，北極居民的失眠、抑郁等情況更加嚴(yán)重［12］。 對中國中山站的南極科考隊員的調(diào)查表明［13］，隨著科考的不斷進行，隊員們的平均全球季節(jié)性得分（global seasonality score，GSS）從離港時的（3.79 ±3.14）分上升到冬至期間的（6.71 ±1.94）分，提示隨著冬季的到來，隊員們經(jīng)歷了更多的睡眠障礙與抑郁癥狀。

在夏季，極地睡眠障礙的問卷調(diào)查結(jié)果與冬季并不完全一致。 對北極高緯度地區(qū)居民的夏季睡眠狀況的研究表明［10］，夏季夜晚的光線會干擾入睡過程。 而在對南極暑期作業(yè)人員的睡眠調(diào)查中發(fā)現(xiàn)［4］，到達南極洲前后，受試者的睡眠質(zhì)量并沒有明顯差異，這可能與有計劃的日?；顒幽軌蜃鳛橥獠繒r間線索對晝夜節(jié)律起到校正作用有關(guān)。

2.2 體動描計術(shù)（actigraphy）

2.2.1 體動描計術(shù)的作用 作為一種安全有效、無侵入性的研究手段，體動描計術(shù)已被廣泛應(yīng)用于晝夜節(jié)律與睡眠研究中。 實驗過程中，受試者像佩戴手表那樣將記錄儀佩戴在手腕上，其中的微處理器能夠記錄包括睡眠開始（結(jié)束）時間、睡眠總時長、睡眠效率、睡眠潛伏期等各種睡眠指標(biāo)。 該方法被用來衡量受試者的睡眠質(zhì)量及評估某種干預(yù)因素（如光照、外源性服用褪黑素等）改善睡眠質(zhì)量的有效程度。

2.2.2 應(yīng)用體動描計術(shù)的研究現(xiàn)狀 應(yīng)用體動描計術(shù)評估極地睡眠障礙季節(jié)性特征的結(jié)果顯示，在北極，與1 月組的平均睡眠時間［（419 ±38）min］相比，6 月組的平均睡眠時間［（369 ±43）min］顯著下降，這可能與夏季夜晚的異常光照有關(guān)［14］。 進一步對不同夜間光照水平情況下的睡眠狀況監(jiān)測顯示，高照度組的平均睡眠時間為368 min，顯著低于低照度組的平均睡眠時間（406 min），提示夜間光照水平對平均睡眠時間有顯著影響，而2 組的睡眠效率以及入睡潛伏期長短并無差異［10］。

對17 名南極中山站作業(yè)人員的體動描計術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，與11 月離港時相比，隊員們越冬期間的睡眠時相產(chǎn)生了明顯的延遲。 在7 月，隊員的平均睡眠開始、結(jié)束時間分別延遲了1.46 h 和1.80 h；在3 月，平均睡眠結(jié)束時間延后了1.39 h［13］。 通過監(jiān)測德國南極科考站隊員（37 名男性，17 名女性）的冬季睡眠情況，Steinach 等［15］發(fā)現(xiàn)，一些睡眠指標(biāo)的變化程度與越冬時間的長短線性相關(guān)，即隨著越冬時間的延長，所有受試者的睡眠時長不斷下降，睡眠效率逐漸降低，蘇醒次數(shù)隨之增多。 此外，性別可能也對睡眠質(zhì)量有所影響。相比于男性，女性的睡眠潛伏期更長，蘇醒次數(shù)更多，睡眠質(zhì)量更差。

2.3 褪黑素的節(jié)律評估

在晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)過程中，光暗周期發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［4］。 人體內(nèi)，響應(yīng)晝夜變化的主要生物信號是褪黑素［11］，許多生命活動（例如睡眠、情緒以及雌激素的分泌情況）均與該激素的節(jié)律性密切相關(guān)。 褪黑激素與其主要代謝物——尿液中的6?羥基褪黑素磺酸鹽（aMT6s）被廣泛應(yīng)用在晝夜節(jié)律的評估研究中。

諸多研究表明，極端的光照條件會影響正常的褪黑素節(jié)律。 對夏季北極作業(yè)人員的睡眠研究顯示［6，14］：夜間光照的持續(xù)存在使褪黑素分泌的起始時相與頂相延遲，峰值降低。而類似的情況也在南極作業(yè)人員越冬過程中出現(xiàn)［13］。 進一步研究表明，自然光不足可能是越冬期間褪黑素節(jié)律延遲與睡眠障礙的主要原因［16］。 通過觀察睡眠開始時間早于激素分泌時間的人群發(fā)現(xiàn)［14］，與睡眠行為正常的人相比，該群體的總睡眠時長與睡眠效率顯著下降。

3 極地環(huán)境對睡眠障礙的可能作用機制

文獻表明睡眠障礙可能與鐘基因表達改變密切相關(guān)［17］。 研究發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)存在大量與生物鐘相關(guān)的節(jié)律基因，分為鐘基因（clock genes）和鐘控基因（clock controlled genes， CCGs）2 種，前者對維持生物節(jié)律起關(guān)鍵作用。 哺乳動物體內(nèi)存在多種鐘基因，包括Clock、Mop3（Bmal1）、Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2。 而鐘控基因位于鐘基因下游并受到鐘基因的調(diào)控，參與到細胞活動的各個方面，使得相關(guān)生理活動呈現(xiàn)節(jié)律性。 在晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)過程中，Clock 和Bmal1基因表達產(chǎn)物CLOCK 和BMAL1 蛋白形成異二聚體，作為轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)Per、Cry 和其他鐘基因的表達。 PER 和CRY 蛋白在一天中不斷積累，達到臨界閾值后反饋到細胞核并抑制Clock 和Bmal1 的轉(zhuǎn)錄。 該過程周期約為24 h 驅(qū)動晝夜節(jié)律的產(chǎn)生［18］。 此外，還有其他輔助環(huán)路與翻譯后化學(xué)修飾過程參與鐘基因表達調(diào)控［19］。

3.1 光照

實驗證明，持續(xù)的夜間光照能夠顯著影響外周血單核細胞內(nèi)關(guān)鍵鐘基因hPer2 和hBmal1 的表達，并可能導(dǎo)致晝夜節(jié)律紊亂，具體表現(xiàn)為表達曲線的后移［20］。 其中hPer2 受到的影響更為顯著，有3 名受試者的hPer2 表達節(jié)律完全喪失。在模擬夜班給予夜間光照的過程中，Kervezee 等［21］發(fā)現(xiàn)夜間光照能夠使人體晝夜節(jié)律性轉(zhuǎn)錄組平均相位后移，其中有73%的基因表達節(jié)律性下降。 研究表明，睡眠不足（主要是睡眠時間減少）使血液中晝夜節(jié)律性基因表達譜數(shù)量從1 855 個下降到1 481 個并伴有節(jié)律性下降，加劇了晝夜節(jié)律的紊亂程度［22］。 一項小鼠的光暴露實驗表明，單次光脈沖能夠改變mPer1 的表達水平并通過相位依賴的方式重置晝夜節(jié)律［23］。 此外，極地光照引起的褪黑素水平變化可能作用于SCN 影響鐘基因的表達［24］。 正是在SCN 的作用下，全身細胞的鐘基因表達得以高度同步。 SCN 被破壞或其鐘基因表達改變會對睡眠節(jié)律產(chǎn)生顯著影響。 通過向大鼠體內(nèi)注射褪黑素，研究人員發(fā)現(xiàn)SCN 內(nèi)Per1 和Bmal1 表達發(fā)生了相移［25］。 類似地，Mattam U 等［26］發(fā)現(xiàn)外源褪黑素能夠顯著提高大鼠SCN 內(nèi)Per1、Per2、Cry1、Cry2 和Bmal1 的mRNA日平均水平。 對此，Vriend 認為褪黑素能參與泛素－蛋白酶體途徑對鐘基因表達的調(diào)節(jié)過程，通過抑制蛋白酶體活性提高鐘基因蛋白水平參與晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)［24］。

3.2 低溫

除光照外，低溫也可能對中樞和周圍鐘基因表達產(chǎn)生影響。 通過對新生大鼠進行連續(xù)5 d 的冷暴露，研究人員發(fā)現(xiàn)SCN 中Per2 的晝夜節(jié)律發(fā)生溫度依賴性延遲，隨著溫度的降低，延遲現(xiàn)象更為顯著［27］。 其他研究表明，低溫能夠通過影響周圍組織，尤其是棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）內(nèi)鐘基因表達改變代謝水平以抵御寒冷［28］。 然而，這一過程是否對睡眠產(chǎn)生影響有待進一步研究。

3.3 低氧

由于南極是全世界平均海拔最高的大陸，對于在南極作業(yè)的科考隊員來說，由高海拔造成的氧分壓降低也有可能對睡眠產(chǎn)生影響。 相關(guān)研究表明，缺氧誘導(dǎo)因子?1（hypoxia in?ducible factor?1，HIF?1）在缺氧條件改變鐘基因表達過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用［29］。 HIF?1 由功能性亞基HIF?1α 與組成型表達亞基HIF?1β 構(gòu)成，是細胞檢測與適應(yīng)外界氧濃度變化過程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子［30］。 小鼠的體內(nèi)實驗證明暴露于低氧環(huán)境使小鼠大腦內(nèi)Per1 和Clock 蛋白水平提高并使Clock 節(jié)律遭到破壞。 在小鼠SCN 組織的體外缺氧模擬實驗中，實驗人員觀察到Per2 和Bmal1 的表達周期延遲與振幅降低，而降低HIF?1α 基因表達能夠使該效應(yīng)大幅降低（89.2%），提示體外模擬的缺氧信號能夠通過HIF?1α 途徑影響生物鐘的周期和振幅［31］。 大量研究證明晝夜節(jié)律與氧感覺通路之間的關(guān)系十分復(fù)雜，二者之間存在著大量的串?dāng)_與反饋通路［30］。而缺氧如何影響晝夜節(jié)律與睡眠仍需進一步研究。

4 目前應(yīng)對“極地睡眠障礙”的措施

4.1 光照療法

光照療法是指受試者持續(xù)暴露在預(yù)設(shè)好色溫、照度等參數(shù)的人造光源下一段時間并監(jiān)測其睡眠相關(guān)指標(biāo)（如情緒、褪黑素節(jié)律曲線）和評估治療結(jié)果。 1984 年，實驗人員成功利用人造白光延長了11 名季節(jié)性情緒失調(diào)（seasonal affec?tive disorder，SAD）患者的光周期并緩解了相應(yīng)癥狀［32］。 隨后，人工光照療法便用于治療因光照不足導(dǎo)致的晝夜節(jié)律問題。 對英國哈雷觀測站工作人員的白光治療結(jié)果顯示［33］，雖然工作人員的整體睡眠質(zhì)量沒有明顯變化，但清晨為期1 h 的光療能夠顯著緩解晝夜節(jié)律的推遲并改善認知能力。其他研究表明，適當(dāng)光療能夠恢復(fù)血液褪黑素水平、提高睡眠效率并減少負面情緒［11］。 與冬季相反，在夏季避免夜間照明不失為一種緩解極地睡眠障礙的好辦法。 在一項臨床試驗中［10］，與對照組相比，夜間無照明組的睡眠總時間顯著延長，提示避免夜間光照能夠改善睡眠。 進一步研究顯示，波長較短的可見光（藍光、紫光等）能夠更好地抑制褪黑激素的分泌并緩解褪黑素節(jié)律延遲。 與白光相比，藍光能更有效地縮短入睡潛伏期并提高睡眠效率［34］。

4.2 外源褪黑素療法

研究表明，外源褪黑素的攝入能夠改變?nèi)梭w晝夜節(jié)律［10］。 根據(jù)給予劑量的不同，研究者已經(jīng)開發(fā)出數(shù)條褪黑素相位響應(yīng)曲線。 臨床試驗證明，在睡眠相位后移癥候群中給予褪黑素治療能夠有效緩解節(jié)律延遲癥狀［35］。 對北極夏季睡眠困難人群進行褪黑素療法的結(jié)果表明［15］，治療后受試者的主觀睡眠質(zhì)量顯著改善，但其客觀指標(biāo)變化不明顯，因此該結(jié)果尚存在爭議。 有研究分別通過實驗證明了外源褪黑素療法與日間光照療法的結(jié)合能夠糾正晝夜節(jié)律紊亂并解決因此帶來的睡眠問題［36?37］。

5 總結(jié)與展望

兩極地區(qū)惡劣的自然與地理條件會對極地作業(yè)人員的睡眠產(chǎn)生不良影響。 作為人體最重要的授時因子，光照在影響過程中尤為突出，極端的光暗周期將干擾晝夜節(jié)律的正常運行。 此外，日程安排、身體活動、情緒等因素也會影響隊員的睡眠質(zhì)量。 雖然研究人員嘗試了包括光照療法、外源褪黑素療法在內(nèi)的許多方法以緩解睡眠障礙并取得了一定效果，但仍有許多問題尚待解決，如睡眠障礙與情緒異常的關(guān)系仍不清楚、諸多不良因素如何在基因水平上影響睡眠也有待進一步研究。 因此，急需對極地睡眠障礙繼續(xù)深入研究，才能更好地解決極地作業(yè)期間人員的睡眠問題，為提高作業(yè)效能提供有針對性的保障。