Likan Zhan

老年人睡眠减少的原因是什么

侃侃迩行 · 2017-04-08

有关睡眠和衰老的关系一个不可争论的事实是:人类随着年龄的增长,人类睡眠的时间越来越短。但目前尚不清楚的是:老年人睡眠时间的变短

文章通过分析认为后一种观点更合理。

1. 老年人睡眠结构的变化

1.1. 宏观变化

老年人睡眠结构的变化主要发生在非快速眼动睡眠阶段。虽然也有研究指出老年人的快速眼动睡眠时间也变短,但通常来说快速眼动睡眠障碍只有在八十岁以后才出现。五十岁之后,人的整体睡眠结构会发生如下一些显著变化(图1a):睡眠周期提前;入睡时间、夜不能寐时间变长;夜间醒来次数增加;睡眠周期变少、变短;总睡眠时间变短;睡眠程度变浅(更易被外界刺激惊醒);深度睡眠(即慢波睡眠)时间变短、浅层非快速眼动睡眠(即阶段1和2)增加。老年人白天犯困的时间也随着年量的增加而增加。当然老年人白天犯困可能是由其它原因导致的,如长期病痛、压力和睡眠障碍等。

老年人宏观睡眠结构的变化来源于睡眠-清醒保持系统(sleep-wake maintenance systems)不正常导致的不稳定状态(图2)。根据脑干-丘脑的睡眠-清醒反转模型(brainstem and hypothalamic flip-flop model of sleep and wake regulating nuclei),下丘脑外侧区(lateral hypothalamic area, LHA)和蓝斑核(Locus Coeruleus,LC)的作用是保持机体处于稳定的清醒状态。下丘脑视前区(hypothalamic preoptic area, POA)的作用是给LHA和LC传递抑制性信号,以启动并使机体保持稳定的睡眠状态。视交叉上核(Suprachiasmatic Nucleus,SCN)的作用以24小时为周期,进一步调节该睡眠-清醒系统。SCN通过调节LHA区域的“促食肽活动”(orexigenic activity),以达到在白天提升清醒状态,在晚上提升睡眠状态的效果。衰老使这些神经核的睡眠提升和清醒提升能力都极大减弱,从而使老年人大脑处于一个睡眠和清醒均不稳定的状态。如图所示,衰老会使得POA区域的“甘丙肽”神经元(galanin-expressing neurons)、SCN区域的血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide, VIP)、LHA区域的食欲肽神经元(hypocretin/orexin-expressing neurons)、LC区域的肾上腺素能受体( a2-Adrenergic receptors)减少或活性降低,从而使机体处于一个不稳定状态。

1.2. 微观变化

年龄导致的睡眠结构的微观变化主要体现在非快速眼动睡眠阶段(NREM)的两个神经振荡成分的减少:慢波(slow waves)和睡眠碇(sleep spindles)(图1b)。


慢波的一个量化方式是测量非快速眼动或慢波睡眠阶段频率处于0.5-4.5赫兹的神经振荡的频谱功率(spectral power);该量化方式又被称作慢波活动(slow wave activity, SWA)。慢波活动的显著减少在中年期即已出现。需要注意的是,慢波活动的减少主要发生在前额叶皮层(PFC),而不是在大脑皮层均匀出现的(图1b)。老年人非快速眼动睡眠阶段慢波波幅(amplitude)和密度(density)的减少是与老年人但脑相应区域如mPFC/mFG和mFG/INS的灰质体积和厚度显著相关的(图3)。

慢波活动与睡前的内平衡驱力(homeostatic drive)紧密联系在一起的。在经历一段时间的清醒状态后,平衡内驱力会驱使个体进入睡眠状态:经历的清醒时间越长越长,驱使机体进入睡眠状态的压力就越大,机体在进入睡眠状态后慢波活动SWA就越大。这种内平衡驱力会随着睡眠周期的进行会逐步减弱。所以在年轻人当中,第一个睡眠周期的SWA最大,并在随后的睡眠周期中呈指数性减少,反应了内平衡驱力的减少。与年轻人相比,老年人的变化体现在:第一、在年轻人中,睡眠剥夺时间越长,个体嗜睡感越强,睡眠结束后,嗜睡感消失。而在老年人中,睡眠剥夺对嗜睡感的影响和睡眠对嗜睡感消失的影响均弱于年轻人(图4a)。第二、老年人SWA的周期性变化程度比年轻人弱很多,似乎说明老年人在睡眠过程中内平衡内驱力的释放程度要比年轻人少(图4b)。关于睡眠剥夺在老年人中导致较弱的内平衡驱力和较弱嗜睡感的原因,作者认为是由于老年人缺少腺苷A1受体所致(图4c)。


睡眠梭状波(sleep spindles)指在非快速眼动睡眠阶段短暂出现的波动剧烈的神经振荡,其频率大约为12-15赫兹,由皮质丘脑网络和丘脑网状核的交互作用产生。随着年龄增长,老年人睡眠梭状波的频谱功率(Spectral power)会逐渐变小。在年轻人中,睡眠周期越靠后,睡眠梭状波越强。而老年人睡眠索状波的强度则没有太大变化。所以相对于年轻人,睡眠周期越靠后,老年人睡眠索状波的减弱程度越大。

老年人睡眠索状波频谱功率缩小的可能原因包括睡眠索状波的数量、持续时间、峰值、和平均振幅的变小/少等。另外睡眠索状波不同特征的损伤也是在大脑不同部位实现的,如睡眠索状波持续时间的缩短则主要受海马体灰质体积的影响;而索状波密度和振幅的衰减则主要受胼胝体联系程度的影响(图3)。

另外需要说明的是,老年人睡眠结构在宏观上的变化和在微观上的变化是相互独立的。有的时候老年人的睡眠结构在宏观上没有发生变化,但是在微观上的变化就已经开始了。反之亦然。

2. 睡眠变化的性别差异

除了年龄,影响睡眠质量的另外一个因素是性别。一项涉及2500名被试的元分析发现,老年男性经历的睡眠问题要比女性严重的多。如成年男性慢波睡眠(slow wave sleep)在整个睡眠过程中的比例会随着年龄的增长而逐渐减少,而成年女性慢波睡眠的比例则无显著变化(图5a)。产生改性别差异的可能原因是女性在大脑相应区域的衰老程度比男性慢。例如老年女性在外侧前额叶区域的灰质体积和新陈代谢水平的衰减程度都比男性慢(图5b)。男性下丘脑SCN和POA区域相应神经元数量减少的速度也比女性快(图5c)。 另外,与年龄差异相关的一个矛盾的现象是,在主观感觉上,老年女性要比老年男性经历更多的睡眠困扰。

3. 睡眠减少的后果

睡眠阻断对个体是大脑和身体健康负面影响是毋庸置疑的。而年龄导致的睡眠减少最终也会导致认知能力下降。该认知能力下降的一个重要特征是较难形成一个与海马体相关记忆表征(hippocampal-dependent memoties)。

学习之前的睡眠活动,如非快速眼动睡眠阶段的睡眠梭状波,能够影响海马体的某些行为(图6a);而正是这些行为支撑了记忆编码的最初阶段,如学习面孔和名字之间的关联。老年人中,与年龄相关的高频睡眠梭状波在前额叶皮层的阻断,削弱了海马体编码行为,从而导致了老年人相关记忆能力的缺失。

学习之后的睡眠活动,尤其是非快速眼动睡眠阶段的慢波睡眠,对新形成记忆的离线巩固有重要作用(图6b)。学习后的睡眠活动通过提升海马体记忆到新皮层记忆的转化,最大程度的减少过夜过程中产生的遗忘,并最终在第二天形成与海马体无关的长时记忆提取。老龄化导致的非快速眼动睡眠阶段前额叶皮层慢波行为的缺失,会恶化睡眠期间海马体记忆到皮层记忆的转化,从而导致永久性的、而非发展性的皮层记忆行为的缺失。这最终会加速遗忘过程,并恶化长时记忆的保持。

4. 参考文献

Mander, B. A., Winer, J. R., & Walker, M. P. (2017). Sleep and Human Aging. Neuron, 94(1), 19-36. doi:10.1016/j.neuron.2017.02.004

5. 图片附录

图1 图2 图3 图4 图5 图6