摘要

目的：比较不同智力水平儿童的睡眠脑电图。

方法：根据韦氏儿童智力量表(WISC)评分进行分组(17名智商正常[NIQ组]，24名高智商[HIQ组])。采用方差分析和线性回归模型(根据年龄和性别进行校正)比较组间频谱功率及其与WISC评分的关系。

结果：与NIQ儿童组相比，HIQ儿童有更多的快速眼动睡眠(REM)，尤其是在深夜，REM睡眠期的慢频段功率更高。加工速度指数与NREM睡眠中的β频段功率谱呈正相关，以及与REM睡眠中的α、σ、β和γ频段功率谱也呈正相关。

结论：HIQ儿童组在REM睡眠期间的慢波功率增强与参与情绪记忆巩固的典型REM睡眠振荡重叠。NIQ组和HIQ组中功率谱与WISC评分之间的不同关系可能揭示了与认知效率相关的大脑活动功能差异，进而对睡眠与认知功能之间的关系提出质疑。

前言

充足的睡眠是白天高效工作的先决条件。在儿童时期，睡眠质量和数量与学业、一般认知以及特定的认知表现(如记忆和注意力)相关。虽然这些关联的机制已经已经被很好地理论化，但在发育的大脑中，睡眠和智力能力之间的关系仍不清楚。

睡眠脑电图(EEG)构成了大脑解剖学的可见部分，从而反映了神经网络在成熟方面的功能效率。大量研究聚焦于非快速眼动(NREM)睡眠纺锤波，因为纺锤波活动的个体内和个体间差异被认为分别反映了记忆巩固和认知能力。在对儿童期至成年期智力技能的脑电图标记物进行了近二十年的研究之后，最近的一项元分析证实，一般认知能力与纺锤波振幅(即快速纺锤波和慢速纺锤波)之间存在中等程度的正相关，但与纺锤波持续时间或频率无显著相关性，并且与慢速纺锤波密度的关系尚不明确。其他睡眠EEG振荡，如循环交替模式(CAP)、θ波和慢波活动(SWA)，与成熟过程中的多个认知领域有关。在幼儿中，NREM睡眠期间(即结合N2和N3睡眠阶段)不同脑区的δ慢波和θ快波与语言、精细运动技能和社交技能有关，突显了智力的多因素性。同样，SWA的发展与儿童时期的视觉运动技能和各种依赖地形参数的技能是平行发展的。在正常发育的学龄儿童中，在控制年龄因素的情况下，发现了循环交替模式(CAP)(即CAP速率和A1指数)与流体推理能力呈正相关，以及NREM睡眠中α、σ和β频段的功率谱(尤其是中央和顶叶区域)与韦氏儿童智力量表(WISC)的子量表(即智力(IQ)、流体IQ和工作记忆指数)之间也存在正相关。

尽管上述研究显示出了有希望的结果，但只有少数研究考察了高认知能力儿童的睡眠，特别是其EEG频谱成分。早期的小样本研究报告的结果相互矛盾。一项研究表明，与智商正常 (NIQ)的对照组相比，高智商(HIQ)儿童的总睡眠时间(TST)和NREM睡眠时间更长，在快速眼动(REM)睡眠期间的眼动密度更低(REM密度)。此外，REM密度与智商(即总智商和言语智商)呈负相关。另一项研究表明，HIQ儿童的REM睡眠时间更长，REM密度更高。最近，本研究团队对青少年群体的研究结果表明，与NIQ的儿童和青少年相比，HIQ儿童和青少年的REM睡眠时间更长。

为了弥合这一差距，本研究的主要目的是比较HIQ和NIQ儿童之间的睡眠EEG功率密度谱。由于智力被认为是一种稳定的结构，睡眠脑电图谱被认为是一种神经生理指纹，因而它们可以被视为是同一个体特征的两个方面。因此，本研究假设：(i)HIQ儿童和NIQ儿童在睡眠EEG功率密度谱方面存在差异；(ii)这些差异在REM睡眠中尤为突出；(iii)EEG功率密度谱将与不同的IQ成分相关联。

方法

参与者

这项回顾性对照研究纳入了44名儿童。纳入标准如下：(i)6岁≤年龄≤16岁；(ii)无躯体疾病；(iii)无精神障碍；(iv)无自闭症谱系障碍；以及(v)检查时无药物使用。这些儿童是从ENSOM研究(No.2015-A00703-46，NCT02785328)和法国里昂大学医院发展心理学系招募的，他们主要在2016年至2018年期间就学校新生问题进行咨询。这项回顾性研究采用医疗记录进行。所有被试均被告知研究内容，并有权拒绝使用他们的医疗数据。所有实验程序均按照《赫尔辛基宣言》执行。

程序

所有儿童均接受了儿童睡眠专家和儿童精神科医生的系统访谈、心理测量评估和一晚多导睡眠监测。然后进行脑电功率谱分析。

心理测量评估

由经验丰富的心理学家使用法语版WISC进行心理测量评估，该评估提供了总智商分数，包括言语理解指数(VCI)、知觉推理指数(PRI)、工作记忆指数(WMI)和加工速度指数(PSI)。每个指数在每个年龄组中进行标准化(均值=100，标准差=15)。当IQ处于高智商范围(即VCI、PRI或IQ≥130，距离正态分布均值超过2个标准差)时，纳入HIQ组，否则纳入NIQ组。VCI和PRI之间的绝对差≥15被称为存在显著的言语表现差异(SVPD)，它突出了认知特征的异质性。在这种情况下，不计算IQ，仅从VCI和PRI计算替代分数。该分数被认为可以更好地估计一般认知功能(即g因素)，并且对年龄相关的变化或神经心理损伤不太敏感。此外，本研究还使用了三份经过验证的问卷：改编的艾普沃斯嗜睡量表(AESS)，失眠严重程度指数(ISI)，以及儿童抑郁量表(CDI)，分别评估嗜睡、失眠和抑郁症状。

多导睡眠图

采用便携式睡眠记录系统(DREAM，Medatec)进行一夜的动态多导睡眠监测(PSG)。PSG包括根据10-20系统放置的8个乳突参考EEG导联(F1-A2、F2-A1、C3-A2、C4-A1、T3-A2、T4-A1、O1-A2和O2-A1)、左右眼电图、颏肌电图和胫前肌电图、胸腹呼吸运动以及心电图。脑电信号采样率为256Hz；阻抗保持在10kΩ以下。睡眠记录由经验丰富的专家根据美国睡眠医学学会的儿科标准进行视觉评分。收集了TST(总睡眠时间)，睡眠效率，N1、N2、N3阶段和REM的潜伏期、持续时间、百分比，NREM(即N1+N2+N3)和REM睡眠，入睡后觉醒(WASO)，觉醒指数，睡眠周期数和持续时间。

频谱分析

使用PRANA(PhiTools)进行频谱分析。在分析前进行数据预处理，通过自动排除包含眼球和身体运动、肌肉活动、出汗和电极伪迹的时间段，然后进行目视检查。有三个儿童的数据因信号质量较差被排除在外。然后，分析伪迹少于50%的时间段，以获取每个睡眠阶段的频谱数据。该研究是在C3-A2信号上进行的。采用快速傅里叶变换(FFT)方法，以及4s的汉明窗来计算脑电绝对功率谱(μV2/Hz)。然后，将功率谱划分为以下几个频段：δ(慢速：0.75-2.5Hz和快速：2.5-4.5Hz)，θ(慢速：4.5-6.5Hz和快速：6.5-8.5Hz)，α(慢速：8.5-10.5Hz和快速：10.5-12.5Hz)，σ(12.5-15.5Hz)，β(慢速：15.5-22.5Hz和快速：22.5-35.5Hz)和γ(35.5-45Hz)，并对30s的时间段进行平均。通过将每个频段的绝对功率除以所有频段的功率之和，得到相对功率密度(%)。计算每个被试在NREM和REM中各频段的平均值。考虑到在生理条件下，慢波睡眠(即N3)在整个夜间呈指数下降，而REM睡眠增加，所以本研究将每个被试的夜晚分为三个相等的部分，并计算REM和NREM睡眠中每个频段的平均值。在REM睡眠期间，通过自动检测快速眼动，然后进行目视检查来排除与微觉醒相关的REM，从而计算REM密度。

统计分析

使用R(v4.1.2)进行统计分析。所有检验的统计显著性设定为p＜0.05，并根据标准eta方(η2)计算效应量。缺失数据被排除在分析之外。首先，为了比较两组的年龄、性别、WISC指数、问卷和睡眠宏观结构(HIQ vs. NIQ)，根据Shapiro-Wilk检验结果，对二分类变量进行了Fisher精确检验，对连续变量进行了Wilcoxon或t检验。两种招募方法的年龄和性别比较也采用相同的方法。

然后，将II型方差分析(R-car包)应用于多变量模型(R-stats包)。在这些分析中，需要解释的变量是NREM睡眠中的平均相对功率、REM密度和δ绝对功率(均值和总数)。对每个频段的功率值进行对数变换。第一次分析将组别作为解释变量，并根据年龄和性别进行校正。类似的方法被用于评估小组在夜晚不同部分的影响。最后，使用线性回归模型，对相同的变量进行解释。本研究重点分析WISC特征，将各指数(即VCI、PRI、WMI和PSI)作为解释变量，考虑了年龄、性别和组别的影响。由于年龄和性别对典型发育过程中的睡眠EEG参数有影响，因此纳入分析。

结果

被试特征和睡眠宏观结构

根据智商评估对儿童进行分组：NIQ组17例，HIQ组24例。年龄、性别组间差异均无统计学意义。HIQ儿童主要在里昂大学医院的发展心理系招募(88%)，而NIQ儿童主要来自ENSOM研究(88%)。两种招募方式在年龄和性别上的差异无统计学意义(p＜0.05)。与NIQ儿童相比，HIQ儿童的IQ、VCI、PRI、WMI更高，以及SVPD比例更高。两组在PSI和问卷结果方面没有显著差异。在睡眠宏观结构方面，除了HIQ儿童的REM睡眠比例高于NIQ儿童(23% vs.20%，p=0.03)外，两组之间没有显著差异。

表1.HIQ和NIQ儿童的人口统计学和WISC特征。

在评估整晚的睡眠动态时，HIQ和NIQ在NREM睡眠(第一部分：90% vs.91%，p=0.67；第二部分：69% vs.69%，p=0.64)和REM睡眠(第一部分：4% vs.7%，p=0.13；第二部分：27% vs.23%，p=0.09)的比例上没有显著差异。在第三部分中，与NIQ儿童相比，HIQ儿童的NREM睡眠显著减少(60% vs.67%，p＜0.01)，而REM睡眠显著增加(30% vs.19%，p＜0.01)(图1)。

图1.整晚睡眠动态。智商正常(NIQ)(绿色)和高智商(HIQ)(橙色)儿童在夜间各部分的非快速眼动(NREM)和快速眼动(REM)睡眠的比例(总睡眠时间，TST)(R-ggplot2)。

HIQ和NIQ儿童的睡眠脑电功率谱

非快速眼动(NREM)睡眠的比较

在校正年龄和性别后，NREM各频段的平均相对功率(图2)和δ频段的绝对功率无显著差异。

图2.组间功率谱。

快速眼动(REM)睡眠的比较

在对年龄和性别进行校正的分析中，HIQ儿童的δ-快频段和θ-慢频段的平均相对功率显著高于NIQ儿童(图2；表2)。当观察整晚的REM睡眠动态时，HIQ儿童在δ-快频段的平均相对功率比NIQ儿童更高(第一部分：21 vs.20，p=0.03，η2=0.167；第二部分：20.8 vs.19.1，p=0.01，η2=0.167)，并且在第三部分也有类似的趋势(19.7 vs.17.8，p=0.06，η2=0.119)。与NIQ组相比，HIQ组在REM睡眠期间θ-慢频段的平均相对功率均较高(第一部分：9.7 vs.8.3，p＜0.01，η2=0.239；第二部分：10.3 vs.9.1，p=0.01，η2=0.174；第三部分：12.1 vs.10.4，p=0.02，η2=0.207)。在REM睡眠期间，两组之间的其他差异不显著。

表2.HIQ和NIQ儿童REM睡眠期间的脑电频谱特征。

WISC特征与睡眠脑电功率谱的关系

在NREM睡眠中，当校正年龄、性别和组别后，PSI与β-慢频的平均相对功率有关(p=0.04)：PSI越高，β-慢频的平均相对功率越高。在HIQ儿童组中有这种关联趋势(p=0.08)，而NIQ组中则不明显(p=0.23)。在NREM睡眠期间，WISC得分与其他频段的平均相对功率之间没有关联。

在REM睡眠中，当校正年龄、性别和组别时，PSI与α-慢频、α-快频、σ频段、β-慢频、β-快频和γ频段的平均相对功率呈正相关(表3)：PSI越高，这些频段的平均相对功率越高(图3)。在NIQ组中，PSI与所有这些频段的平均相对功率呈正相关，或者趋向于正相关。在HIQ组中，PSI仅与σ频段的平均相对功率相关，与β-慢频段呈正相关趋势(表3)。在REM睡眠期间，WISC评分与其他频段的平均相对功率之间没有其他关联。

表3.在整个儿童组以及NIQ和HIQ组中，REM睡眠期间的各频段平均相对功率(对数变换)与PSI之间的关联。

图3.REM睡眠中平均相对功率与PSI之间的关系。每个点表示智商正常(NIQ)(绿色)和高智商(HIQ)(橙色)儿童在REM睡眠各频段，根据WISC量表加工速度指数(PSI)的平均相对功率(%)的对数变换(R-ggplot2)。

讨论

HIQ儿童在REM睡眠期间表现出更多的δ-快频和θ-慢频平均相对功率

根据本研究的第一和第二个假设，HIQ儿童与NIQ儿童在某些频谱特征上有所不同，这些差异在REM睡眠中尤为明显。在整晚期间，HIQ儿童在REM睡眠期间δ-快频和θ-慢频的平均相对功率高于NIQ儿童。无论是成人还是儿童，REM睡眠中的θ波活动都与情绪方面的记忆巩固有关。有趣的是，HIQ儿童平均相对功率增加的频段范围与典型的REM睡眠振荡的频率相一致。锯齿波(STWs)通常被描述为中等振幅、三角形状的非正弦波，频率在2-6Hz之间，在额中央区域的振幅最大。通常先于或伴随REM睡眠出现；在REM之前/期间的密度增加可能反映了紧张性和时相性REM睡眠之间的过渡，并且在深夜更频繁。目前，我们对其产生机制和功能作用知之甚少。它们的发生与快速频率活动的同相增加有关，这表明存在一种激活效应。最近的一项研究使用立体脑电图-多导睡眠监测仪(stereo-EEG-PSG)评估了头皮STW的颅内相关性，结果表明STW与2-4Hz功率的普遍增加有关(枕叶皮层除外)，并伴有快速频率活动(包括涟波)。STW可能与快速眼动睡眠记忆巩固的同步再激活有关，更具体地说，与情绪成分有关。已有研究提出，STW可能与脑桥-膝状体-枕区振荡有关，因为它们具有共同的特征，并且可以将STW理解为与相位事件相关的皮层活动，反映了一种广泛的激活状态。因此，随着表现较好的个体睡眠纺锤波背后的丘脑皮质网络的激活增加，HIQ个体中可能存在一种类似于STW产生的神经特异性特征。正如对NREM睡眠纺锤波活动的研究一样，我们可以假设REM睡眠δ/θ活动的夜间差异可以预测记忆巩固，而个体间差异可以预测智力能力。

加工速度与脑电功率谱之间的关联

与本研究第三个假设一致，在校正年龄和性别后，PSI与REM睡眠期间α、σ、β和γ频段以及NREM睡眠期间β-慢频的平均相对功率呈正相关。在儿童的NREM睡眠中，中央区域α、σ和β频段的EEG绝对功率与智商(IQ)、加工速度指数(PRI)和工作记忆指数(WMI)呈正相关，在REM睡眠期间亦是如此。在另一项针对成年人进行的研究中，经过年龄校正后发现，REM睡眠期间前脑区的相对功率与流体智力相关。在2.25-5.25Hz频率范围内呈负相关，在10.25-26.75Hz频率范围内呈正相关，并且存在性别差异。本研究结果也表明，8.5-45Hz范围内的EEG频率与智力水平有关。

智力与脑电功率谱的关系

PSI与脑电频谱功率的关系研究在不同组别中显示出不同的模式。不同智商组的EEG活动与PSI之间的差异关联，以及睡眠宏观和微观结构的特异性，可能强调了两组之间大脑活动的功能差异。首先，认知效率高的个体产生的皮层激活较低，处理任务需要的脑区较少。磁共振成像数据显示，HIQ儿童的半球内和半球间白质完整性增强，而且分离和模块化更少，全局整合程度更高。其次，与目前的结果一致，高认知能力与非快速眼动睡眠期间的快频率相关，而与慢频率无关。这可能表明高认知能力儿童在清醒状态下的认知需求较低，或者在非快速眼动(NREM)睡眠期间的慢活动需求较低，进而表现出更高效的神经恢复过程。与NIQ儿童相比，HIQ儿童具有更多的快速眼动睡眠，这种差异主要集中在夜间的第三部分，在这段时间里，HIQ儿童将NREM睡眠转换为REM睡眠。从另一个角度来看，这种差异也可以理解为对快速眼动睡眠的更高需求。有人认为，HIQ儿童的智力能力反映了一种较快的发展，但该发展不适用于情感领域，从而导致了“发展不同步”。HIQ儿童情绪处理的失调可能导致更高的情绪调节需求，这种需求可以通过快速眼动(REM)睡眠来实现，因为后者有助于加强情感记忆并逐渐减弱其情感色彩。然而，这些假设需要进一步研究验证。

结论

本研究发现，HIQ儿童的REM睡眠时间更长，特别是在夜晚的后半段，伴随着与典型REM睡眠振荡频率(即STW)相对应的δ-快频和θ-慢频段的平均相对功率增加。这项研究强调了快速眼动(REM)睡眠在认知各个方面的重要性，并对STW在REM睡眠的起源和功能角色的意义提出了质疑。两组之间PSI(睡眠质量指数)与睡眠频段的关联差异，暗示着HIQ儿童的REM睡眠存在着另一种功能。这引发了关于睡眠和智力效率之间关系的方向，以及这些睡眠特性背后的机制问题。总而言之，除了睡眠纺锤波之外，发育中的睡眠大脑还存在着许多与智力能力相关的重要生物标志物，需要进行进一步研究。这些发现再次确认了探索睡眠大脑中智力相关指标的重要性。

参考文献：Marine Thieux, Min Zhang. et al. Does the brain sleep differently depending on intellectual abilities? CNS Neurosci Ther. 2023;00:1–10. DOI: 10.1111/cns.14378