睡眠類型的差異會影響個體日常認知績效表現。本文采用固定作息法對55名不同睡眠類型受試者連續睡眠剝奪30 h，其間不間斷測量核心體溫，每小時測量主觀嗜睡自評和選擇性注意績效。結果表明，三種睡眠類型核心體溫相位差異較小，而振幅和周期差異較大；主觀嗜睡自評與核心體溫存在相位提前，并且夜晚型自評嗜睡感到來得最遲，早晨型自評嗜睡感消散得最快；選擇性注意反應時皆與主觀嗜睡自評呈現2 h相位延遲，并且對核心體溫的分析顯示，睡眠類型越晚，相位延遲越大；不同睡眠類型選擇性注意正確率與主觀嗜睡自評、核心體溫延遲不一致。本研究根據不同睡眠類型的不同認知績效特征，為工業、航空、軍事、醫療等各領域制定更科學排班/輪班提供參考。
引用本文： 李敬強, 王慶福, 張璐, 張希凝, 周妍汝, 張煥晰. 不同睡眠類型選擇性注意在睡眠剝奪中內穩態與晝夜節律研究. 生物醫學工程學雜志, 2022, 39(2): 248-256. doi: 10.7507/1001-5515.202110083 復制
引言
人類睡眠—覺醒周期存在個體偏好，表現為不同的睡眠類型（chronotype）：早晨型（morning type）傾向早睡早起，夜晚型（evening type）習慣晚睡晚起，中間型（inter-mediate type）介于這兩者之間，并無極端偏好[1-2]。人類能自主運行約24 h的內源性周期被稱為晝夜節律（circadian rhythm）[3]。不同睡眠類型個體因其生物鐘調節人體代謝周期和維持內環境穩態在時間上存在相位差[4]，其認知能力也表現出各自節律性特征[5-8]。內穩態（homeostasis）是生物體通過自我調節維持內環境相對穩定持久的主要機制[9]。睡眠內穩態更多體現在腺苷（adenosine，AD）的變化[10]，由三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，APT）分解產生，隨清醒時間延長并逐漸積累與大腦皮層中的特殊受體結合，從而抑制大腦皮層興奮性，導致個體嗜睡感增加[11]，在睡眠時，其代謝率大于產生率，AD逐漸消散[12]。
基本認知過程會受到以核心體溫（core body temperature，CBT）為代表的晝夜節律和以隨清醒時間延長而增加的睡眠內驅動力為代表的內穩態二者共同影響[13-14]。在連續績效任務（continuous performance task，CPT）中[5-8]，選擇性注意（selective attention，SEA）表現出內穩態和晝夜節律變化特征[15]。SEA在一天中不同時刻與CBT的節律變化相關[16]，在夜間和早晨達到最低水平，中午階段逐步上升，下午和晚上出現最高水平[17-18]，整體上SEA隨著睡眠剝奪時間延長而下降。不同睡眠類型個體SEA的晝夜節律特征存在差異[19]。早晨型在早上進行智力活動效率最高，夜晚型在下午或晚上表現更佳，中間型則處于這兩者之間[20]。在夜晚，早晨型精神運動警覺任務（psychomotor vigilance task，PVT）失誤（lapse）次數相對明顯增加，而在早上，夜晚型的工作績效則比早晨型更低[21]。夜晚型在斯特魯普效應（Stroop effect）任務和PVT任務中都表現出同步效應（synchrony effects），而早晨型的這兩個任務只在早上時段表現出同步效應[22]。此外，在睡眠剝奪后，不同睡眠類型個體在其最佳績效時間段內認知績效受到影響的程度不同[23]，早晨型比夜晚型表現出更長的反應時間和更高的錯誤率。然而，也有學者認為認知過程與體溫的晝夜節律并不同步，而存在1～4 h的相位差[24]。在睡眠剝奪情況下，不同睡眠類型SEA是否與其CBT存在相位差尚不明確。
判斷睡眠類型的黃金標準是測量暗光環境下人體血液等組織樣本中褪黑素（melatonin）含量[25-26]。睡眠類型也可以通過自評方式來測量，如慕尼黑睡眠類型問卷（Munich chrono type questionnaire，MCTQ）[27]，清晨型—夜晚型問卷（morningness-eveningness questionnaire，MEQ）[2]。2006年，張斌等[28]已成功完成MEQ量表的中文本地化修訂工作。2020年，也有學者對中國人群進行了廣泛調查，并首次對中國人群的睡眠類型分布進行了概述[29]。當前針對注意績效與睡眠類型的研究方法仍然存在以下局限性：首先，以往的研究中大多使用直腸溫度作為人體CBT，前者雖然優于皮溫，但與人體核心臟器溫度相比仍然存在差異，并不十分準確；Valdez等[5-6]利用CPT測試中使用1～9數字作為刺激材料，其中“1”、“2”、“3”同時也是反應按鍵，具有雙重角色，這種設計導致受試者注意的指向性不能科學地評估出“注意”中SEA的本質；其次，在以往研究“注意”時，并沒有考慮由于個體睡眠類型不同而帶來結果差異；此外，SEA與人體晝夜節律是否同步或存在相位差尚不明確。鑒于此，本文將優化Valdez等[5-6]對SEA的評估方法，探討不同睡眠類型群體在睡眠剝奪條件下，注意組成部分中SEA的節律差異及其與內穩態和晝夜節律的關系，為不同睡眠類型群體的倒班、輪班設計提供參考，這也是國內首次探究長時間覺醒對不同睡眠類型群體認知績效影響機制及其應用的研究。
1 試驗過程
1.1 試驗對象
本試驗一共有55名大學生受試者，其中男性38名，女性17名，年齡范圍19～24歲，平均年齡20.82歲，標準差（standard deviation，SD） = 1.71；身體質量指數（body mass index，BMI）范圍16.22～33.20，平均BMI = 22.40，SD = 3.38。受試者身體健康，無睡眠障礙。在試驗前24 h，禁止服用咖啡、酒精、煙草、任何藥物或超熱量食物等。為避免女性生理期對CBT的影響，在篩選受試者時，避免招募生理期到來的前3 d和生理期結束的后3 d之間的女性作為受試者。
1.2 試驗材料
受試者需填寫：① 基本信息表，包括姓名、性別、年齡、身高、體重以及試驗當日早醒時間；② 睡眠日志，記錄兩個星期內早醒時間、晚上進入睡眠的時間、午休時間和必要備注；③ 試驗信息記錄表，記錄試驗過程中測量的數據；④ 3個量表：卡羅林斯卡嗜睡量表（Karolinska sleepiness scale，KSS）[30]、MEQ[2]、匹茲堡睡眠質量指數問卷（Pittsburgh sleep quality index，PSQI）；⑤ 知情同意書。
試驗儀器：① 筆記本電腦（ThinkPad E450c，聯想企業，中國），屏幕分辨率1366 × 768；② 核心體溫膠囊（e-Celsius Performance P060，Bodycap，法國），長度17.7 mm，重量1.7 g，測量范圍25～45 ℃，精度 ± 0.2 ℃，可變性 ± 0.1 ℃，通信頻率為工業科學醫療頻段（industrial scientific medical band，ISM Band）433～434 MHz，采樣頻率為30 s/次；③ 人體活動檢測設備（e-Tact P090，Bodycap，法國），長度37 mm，寬度41 mm，厚度7 mm，重量9 g，溫度采樣率30 s～30 min，活動采樣率30 s～30 min，溫度范圍10～45 ℃，采樣頻率為1 min/次。
1.3 注意績效測試
測試由心理實驗軟件E-Prime 3.0（PST Inc., 美國）呈現，屏幕每次呈現3張圖片作為一次刺激。
如圖1所示，要求受試者按照任務規則進行判斷，首先判斷符號A1與B1是否一致，若不一致，按鍵盤“J”鍵，若一致，按鍵盤“F”鍵；按“F”鍵之后下一次呈現的刺激中判斷A1與B2是否一致，若一致，按鍵盤“空格（space）”鍵，不一致，按“J”鍵。受試者按鍵反應后，刺激消失，隨機時間間隔2～6 s后，呈現下一個刺激，刺激間隔期間在屏幕正中呈現一個字號為30的紅色“+”注視點。每組測試共呈現128次不重復刺激。
圖1
屏幕呈現的試驗刺激
Figure1.
Experimental stimulation of screen presentation
1.4 試驗過程
在試驗日前兩個星期，受試者按照自我睡眠作息習慣來進行作息并填寫睡眠日志。在正式試驗兩天前，利用MEQ將受試者睡眠類型分類，并對受試者進行必要培訓。在試驗當日，受試者來到中國民航大學民航安全科學研究所的實驗室準備開始正式試驗，填寫基本信息、知情同意書、PSQI問卷和當日早醒時間。
試驗采用固定作息法范式（constant routine protocol，CRP），三種睡眠類型受試者分別于早上8:00、7:00、6:00醒來，試驗記錄開始時間分別為10:00、9:00、8:00，在第二天的下午14:00、13:00、12:00結束，持續清醒時間為30 h。試驗期間受試者保持持續清醒，每30 s采集一次體溫膠囊數據，每1 min采集一次人體活動監測設備數據。每1 h采集一次主觀嗜睡程度（受試者填寫KSS）和注意績效測試任務結果，測試次數共29次。試驗期間提供水和食物：果汁、脫脂牛奶、全麥面包、全麥餅干、雞胸肉、榨菜等。根據聯合國糧食及農業組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）/世界衛生組織（World Health Organization，WHO）/聯合國大學（United Nations University，UNU）公式[31]、米弗林－圣杰奧公式（Mifflin-St Jeor Equations，MSJE）[32]、個體性別、年齡、身高、體重，計算出個體基礎代謝率（basal metabolic rate，BMR）、靜息能量消耗（resting energy expenditure，REE）[33]、每日總能量消耗（total daily energy expenditure，TDEE）[34]，受試者每小時進食一份含有自身一天能量消耗的1/24食物量。
試驗期間保持恒定的環境條件，室內溫度（24 ± 1）℃，室內水平照度70～100 lux，受試者除了去衛生間外，其余時間均以固定姿勢和角度坐在椅子上，最大程度避免其他體力活動。本研究已得到中國民航大學安全科學與工程學院倫理審查委員會的審批（批文編號：CAUC-PSY-2021-012）。
2 數據處理與分析
在29次注意績效測試中有2名中間型受試者分別在首次測試、首次和第二次測試中，出現混淆按鍵、忘記測試規則，導致測試誤差，其數據未被采納。因受試者進行其他生理指標的數據采集并補充能量（飲食飲水），致使在本測試節點時間范圍內沒有時間對其進行注意績效的補測。本試驗利用肖維勒準則（Chauvenet criterion）剔除受試者在注意績效測試任務中的極大離異點[35]，肖維勒準則可表示為如式（1）～式（2）所示：
 |
 |
其中，x為離異數據，μ為樣本平均值，ωn為肖維勒準則系數，σ為樣本標準差，n為樣本量。
同時為排除受試者在試驗過程中“搶跑”（false start）或誤答，本研究也將200 ms以下的數據排除[36]。
KSS分值通過洛倫茲方程（Lorentze quation）曲線擬合，得到主觀嗜睡的洛倫茲方程表達式，洛倫茲方程可表示為如式（3）所示：
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其中，Y為函數值，Y0為起始值，A為面積，xc為中心值，ω為半峰全寬（full width at half maxima，FWHM）。
CBT使用薩維茨基—戈雷（Savitzky-Golay，S-G）平滑濾波處理[37]，一種在時域內基于局部多項式最小二乘擬合的濾波方法。使用該平滑濾波對CBT進行處理，最大程度保留原始數據的同時能夠將異常值進行有效過濾，保證了數據的有效性和純凈度。將S-G平滑濾波處理后的數據，使用正弦曲線擬合，正弦方程可表示為如式（4）所示：
 |
其中，Y為函數值，Y0為起始值，A為振幅，xc為相位，ω為角速度。
針對三種睡眠類型個體，本文采用弗里德曼（Friedman）非參數檢驗評估其CBT、KSS分值及SEA的組內差異，采用克魯斯卡爾—沃利斯（Kruskal-Wallis）非參數檢驗評估其KSS分值的組間差異。通過線性回歸分析，計算三種睡眠類型的KSS分值、SEA反應時、SEA正確率的趨勢，得到線性回歸系數Beta。采用交叉相關分析（cross-correlation function，CCF），計算KSS分值和CBT與SEA之間的交叉相關系性（cross-correlation）和相位差（Δφ/h）來確定其相位的相關程度。
3 結果
3.1 睡眠類型
受試者共55人，其中夜晚型12人，中間型24人，早晨型19人，MEQ平均得分51.71，SD = 10.08，克朗巴哈系數（Cronbach）α = 0.835，凱撒—邁耶—奧利金（Kaiser-Meyer-Olkin，KMO）為0.814，P < 0.05。
3.2 PSQI問卷
本試驗發放PSQI問卷55份，有效回收問卷54份，平均得分4.56，SD = 2.66，Cronbach α = 0.770，KMO = 0.698，P < 0.05。
3.3 體溫節律
對三種睡眠類型CBT進行弗里德曼非參數檢驗的結果顯示：夜晚型（χ2 = 98.817，P < 0.05）、中間型（χ2 = 155.218，P < 0.05）、早晨型（χ2 = 179.216，P < 0.05）均呈現出明顯的晝夜節律。
如圖2所示，首先針對三種睡眠類型的CBT變化趨勢，均在早上較低，從上午10:00左右上升，直至傍晚20:00左右達到最高點后逐步下降，在夜間下降速度增加，在凌晨04:00～07:00達到低谷后再開始逐漸上升。其次，關于三種睡眠類型的CBT范圍，夜晚型CBT在36.54～37.34 ℃之間，溫度變化（ΔCBT）0.80 ℃，平均溫度（
CBT）為36.94 ℃；中間型CBT在36.58～37.28 ℃之間，ΔCBT = 0.70 ℃，
CBT = 36.96 ℃；早晨型CBT在36.65～37.34 ℃之間，ΔCBT = 0.69 ℃，
CBT = 37.0 ℃。經過對三種睡眠類型CBT進行正弦曲線擬合，如圖2所示，其中夜晚型（R2 = 0.928，P < 0.05）周期T = 28.07 h，對稱軸x1 = 17:58、x2 = 08:00；中間型（R2 = 0.903，P < 0.05）T = 26.70 h，x1 = 17:35、x2 = 06:56；早晨型（R2 = 0.836，P < 0.05）T = 27.88 h，x1 = 17:38、x2 = 07:34。
圖2
三種睡眠類型CBT和KSS分值曲線及擬合曲線（
）
Figure2.
Curves and fitting curves of CBT and KSS score of three chronotypes（
）
3.4 主觀嗜睡自評
KSS作為主觀嗜睡自評應用較為廣泛的量表（Cronbach α = 0.943，KMO = 0.851，P < 0.05），如圖2所示，三種睡眠類型的KSS分值，夜晚型、中間型、早晨型KSS分值均出現較為明顯的波峰和周期性特征。其中，夜晚型KSS分值在3.17～7.42之間，分值變化（ΔKSS）為4.25，KSS平均分值（
KSS）為4.77；中間型KSS分值在2.71～7.54之間，ΔKSS = 4.83，
KSS = 5.13；早晨型KSS分值在2.93～7.16之間，ΔKSS = 4.23，
KSS = 4.77。如圖2所示，三種睡眠類型KSS分值經過洛倫茲方程曲線擬合，均出現隨清醒時間延長而逐漸上升趨勢，如表1所示，線性回歸系數均大于0.7。
表1
三種睡眠類型主觀嗜睡自評的統計分析結果
Table1.
Statistical analysis results of subjective sleepiness self-rating of three chronotypes
對KSS與CBT進行交叉相關分析發現，如表1所示，KSS分值與CBT出現1～2 h的相位差Δφ，并且呈現負相關。KSS分值在白天較低，此時CBT較高；在夜間KSS分值逐漸上升且上升幅度增大，但CBT則呈下降趨勢；在凌晨04:00～07:00時，KSS分值達到最高，CBT則達到最低點。
3.5 注意績效測試結果
根據“注意”的內涵[24]，SEA是對一種刺激產生特定反應，而對其他刺激不產生特定反應的能力，本測試任務中受試者按鍵盤“F”鍵所對應的反應時與正確率作為其評估指標。
如圖3、表2所示，分別展示了三種睡眠類型SEA隨清醒時間延長的反應時和正確率的變化特征與統計結果。
圖3
三種睡眠類型SEA反應時和正確率曲線水平（
）
Figure3.
Curve level of response time and correct rate of SEA of three chronotypes (
)
表2
三種睡眠類型SEA的統計分析結果
Table2.
Statistical analysis results of SEA of three chronotypes
SEA反應時與KSS分值隨時間的變化趨勢均具有同步性。弗里德曼非參數檢驗結果表示差異具有統計學意義，注意績效呈現出明顯的內穩態特征，日間反應時較短，從夜間開始逐漸變長；直到第二天早晨06:00～09:00到達峰值，隨后開始逐漸下降；線性回歸系數皆大于0.7，整體趨勢呈上升。
而SEA正確率整體呈下降趨勢，并且弗里德曼非參數檢驗結果顯示注意各績效指標的正確率差異部分有統計學意義，并且在長時間的清醒過程中出現多峰多谷的情況。SEA正確率的低谷在下午、晚上及清晨均有出現，且在清晨時低谷的幅度更加明顯。這與“狀態不穩定”假說相一致，該假說認為，隨著清醒時間的延長或睡眠剝奪的延長，睡眠壓力會積累并增加變異性[38]。
針對與KSS和CBT的交叉相關分析，SEA反應時和正確率分別產生了不同程度的相位延遲和相關性。SEA反應時與KSS分值呈正相關，且存在2 h的相位延遲；與CBT呈負相關，但存在1～3 h的相位延遲。而SEA正確率則相反，與KSS分值呈負相關，且只有夜晚型存在3 h相位延遲；與CBT呈現正相關，存在0～1 h相位延遲。這里并不支持Kleitman[39]提出的假說，即績效的變化是由于體溫波動引起的身體和大腦代謝的變化。
4 討論
首先關于主觀嗜睡感，三種睡眠類型KSS分值差異較為明顯，整體呈上升趨勢，均表現出明顯的內穩態特征。夜晚型相較其他兩種類型線性回歸系數較小，并且其嗜睡感到來較晚，根據克魯斯卡爾—沃利斯非參數檢驗結果顯示：從20:00才開始上升（χ2 = 7.78，P < 0.05），在21:00（χ2 = 6.91，P < 0.05）、22:00（χ2 = 7.16，P < 0.05）、23:00（χ2 = 13.32，P < 0.05）、24:00（χ2 = 6.44，P < 0.05）與中間型和早晨型有差別。相對于中間型與早晨型，夜晚型嗜睡感不僅出現時刻相對較晚、持續時間較短而且峰值出現也較晚，與早晨型和中間型有1 h的Δφ。而早晨型在上午嗜睡感消退得會迅速一些。
SEA績效在長時間清醒中均表現出下降趨勢，結果表明疲勞效應的存在。在SEA指標中，早晨型正確率的線性回歸系數更趨近于零，平均正確率更高，平均反應時更小，表明在長時間清醒過程中，早晨型的正確決策能力更加突出。上述發現不能排除與試驗時間有關（從第一天的早上到第二天的中午前后），白天的試驗時間大于夜間，這也就造成了早晨型更多的“同步效應”。
為降低研究中試驗開始時間的設計可能“更有利于”呈現早晨型的“同步效應”，如圖4所示，本研究將覺醒時間分為四個階段，第一天上午到下午（17:00）為“階段1”，夜晚型和早晨型表現出較快的SEA反應速度；中間型表現出較高的正確率。傍晚（18:00～22:00）為“階段2”，夜晚型反應更加迅速；而中間型正確率與白天相反，降至最低。夜間（23:00～06:00）為“階段3”，夜晚型反應速度相較更快，并且正確率也是三種睡眠類型中最高的。第二天白天開始（07:00）為“階段4”，早晨型注意績效開始回升，SEA反應時相較最短；對比“階段3”正確率，中間型和夜晚型下降幅度較大，早晨型更加穩定。值得注意的是，在試驗全程中，中間型反應時相較都是最慢的。
圖4
三種睡眠類型在不同階段SEA的反應時與正確率（
）
Figure4.
Reaction time and correct rate of SEA of three chronotypes in different stages (
)
SEA的神經生理基礎主要是大腦的背外側前額葉和頂葉區[40]，而前額葉皮層是大腦中容易受睡眠缺乏而影響的區域[41]。夜晚型的前額葉在傍晚激活提升，在夜間激活程度達到高峰；在第二天的上午，中間型激活水平大幅度下降，而早晨型則會保持較為穩定的水平。績效的下降可能與睡眠剝奪會對前額葉腦功能受損有關[42]，而中間型受損程度會更大一些。
如圖3所示，進一步明確了不同睡眠類型的注意績效峰值時間，早晨型最佳注意績效較早出現（07:00 ± 01:00），中間型次之（08:00 ± 01:00），夜晚型最遲（09:00 ± 01:00），該特征可能是由于節律基因和生活環境帶來的作息習慣所導致的。
本研究也進一步證實了注意績效與主觀嗜睡程度KSS分值所代表的內環境穩態和CBT所代表的晝夜節律存在一定相位差值。如表2所示，三種睡眠類型SEA的反應時與KSS分值均有2 h的延遲；而SEA正確率，夜晚型則有3 h的較大延遲。
在與CBT的交叉相關分析中，本研究發現三種睡眠類型SEA反應時與CBT的Δφ并不呈現一致性：夜晚型反應時與CBT有3 h的延遲，其次是中間型有2 h的延遲，最后是早晨型有1 h的延遲，即睡眠習慣越早，SEA反應時與CBT的Δφ就會延遲的更少。
5 結論
本文采用固定作息法范式，主要分析了在30 h睡眠剝奪情況下，三種睡眠類型個體CBT、KSS分值、SEA隨時間變化的特征及其相互間的相關性。三種睡眠類型的CBT具有明顯的晝夜節律特征，相位差異較小，但振幅與周期差異明顯。
在30 h的睡眠剝奪中，三種睡眠類型KSS分值整體呈現上升趨勢，夜晚型嗜睡感出現較遲，早晨型恢復得更快，且夜晚型和早晨型KSS分值與CBT存在較明顯的相位提前現象。
在30 h的睡眠剝奪中，三種睡眠類型注意績效整體是下降的。夜晚型在傍晚和夜間（23:00～05:00）SEA反應速度更快，早晨型從第二天上午（07:00）開始，SEA恢復更明顯，此外前額葉在中間型中更加敏感，更易受損。
本研究發現不同睡眠類型SEA反應時與CBT的延遲并不相同，即睡眠類型越早，其延遲程度越小，MEQ分值與延遲程度呈負相關。因此，不能僅僅根據CBT的高峰或低谷來推測此時作業人員的工作績效，尤其是夜晚型人群。且不同睡眠類型SEA反應時與KSS分值均呈現2 h的相位延遲，而在正確率中，只有夜晚型有3 h的較大延遲。
未來，本研究還可進一步分析不同睡眠類型的注意績效晝夜節律差異，將測量睡眠－覺醒的金標準——褪黑素、皮質醇等作為參考指標；降低“同步效應”影響的同時，設計從傍晚開始試驗，并且進一步明確三種睡眠類型的其他注意組成部分中哪些受內環境穩態影響多，哪些受晝夜節律影響多，哪些獨立于這兩種因素。綜上，本研究可解釋在工業、安全、航空、軍事、醫療等各領域信息處理或決策過程中，記憶任務、閱讀、算術運算或機械作業等晝夜節律變化，同時根據其睡眠類型更好地發揮認知績效，為制定科學排班/輪班提供參考。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：李敬強：總體規劃、試驗設計、論文修改；王慶福：試驗設計、試驗組織、數據分析、論文撰寫；張璐、張希凝、周妍汝、張煥晰：試驗組織、數據分析。
倫理聲明：本研究通過了中國民航大學安全科學與工程學院科學研究倫理委員會的審批（批文編號：CAUC-PSY-2021-012）。
引言
人類睡眠—覺醒周期存在個體偏好，表現為不同的睡眠類型（chronotype）：早晨型（morning type）傾向早睡早起，夜晚型（evening type）習慣晚睡晚起，中間型（inter-mediate type）介于這兩者之間，并無極端偏好[1-2]。人類能自主運行約24 h的內源性周期被稱為晝夜節律（circadian rhythm）[3]。不同睡眠類型個體因其生物鐘調節人體代謝周期和維持內環境穩態在時間上存在相位差[4]，其認知能力也表現出各自節律性特征[5-8]。內穩態（homeostasis）是生物體通過自我調節維持內環境相對穩定持久的主要機制[9]。睡眠內穩態更多體現在腺苷（adenosine，AD）的變化[10]，由三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，APT）分解產生，隨清醒時間延長并逐漸積累與大腦皮層中的特殊受體結合，從而抑制大腦皮層興奮性，導致個體嗜睡感增加[11]，在睡眠時，其代謝率大于產生率，AD逐漸消散[12]。
基本認知過程會受到以核心體溫（core body temperature，CBT）為代表的晝夜節律和以隨清醒時間延長而增加的睡眠內驅動力為代表的內穩態二者共同影響[13-14]。在連續績效任務（continuous performance task，CPT）中[5-8]，選擇性注意（selective attention，SEA）表現出內穩態和晝夜節律變化特征[15]。SEA在一天中不同時刻與CBT的節律變化相關[16]，在夜間和早晨達到最低水平，中午階段逐步上升，下午和晚上出現最高水平[17-18]，整體上SEA隨著睡眠剝奪時間延長而下降。不同睡眠類型個體SEA的晝夜節律特征存在差異[19]。早晨型在早上進行智力活動效率最高，夜晚型在下午或晚上表現更佳，中間型則處于這兩者之間[20]。在夜晚，早晨型精神運動警覺任務（psychomotor vigilance task，PVT）失誤（lapse）次數相對明顯增加，而在早上，夜晚型的工作績效則比早晨型更低[21]。夜晚型在斯特魯普效應（Stroop effect）任務和PVT任務中都表現出同步效應（synchrony effects），而早晨型的這兩個任務只在早上時段表現出同步效應[22]。此外，在睡眠剝奪后，不同睡眠類型個體在其最佳績效時間段內認知績效受到影響的程度不同[23]，早晨型比夜晚型表現出更長的反應時間和更高的錯誤率。然而，也有學者認為認知過程與體溫的晝夜節律并不同步，而存在1～4 h的相位差[24]。在睡眠剝奪情況下，不同睡眠類型SEA是否與其CBT存在相位差尚不明確。
判斷睡眠類型的黃金標準是測量暗光環境下人體血液等組織樣本中褪黑素（melatonin）含量[25-26]。睡眠類型也可以通過自評方式來測量，如慕尼黑睡眠類型問卷（Munich chrono type questionnaire，MCTQ）[27]，清晨型—夜晚型問卷（morningness-eveningness questionnaire，MEQ）[2]。2006年，張斌等[28]已成功完成MEQ量表的中文本地化修訂工作。2020年，也有學者對中國人群進行了廣泛調查，并首次對中國人群的睡眠類型分布進行了概述[29]。當前針對注意績效與睡眠類型的研究方法仍然存在以下局限性：首先，以往的研究中大多使用直腸溫度作為人體CBT，前者雖然優于皮溫，但與人體核心臟器溫度相比仍然存在差異，并不十分準確；Valdez等[5-6]利用CPT測試中使用1～9數字作為刺激材料，其中“1”、“2”、“3”同時也是反應按鍵，具有雙重角色，這種設計導致受試者注意的指向性不能科學地評估出“注意”中SEA的本質；其次，在以往研究“注意”時，并沒有考慮由于個體睡眠類型不同而帶來結果差異；此外，SEA與人體晝夜節律是否同步或存在相位差尚不明確。鑒于此，本文將優化Valdez等[5-6]對SEA的評估方法，探討不同睡眠類型群體在睡眠剝奪條件下，注意組成部分中SEA的節律差異及其與內穩態和晝夜節律的關系，為不同睡眠類型群體的倒班、輪班設計提供參考，這也是國內首次探究長時間覺醒對不同睡眠類型群體認知績效影響機制及其應用的研究。
1 試驗過程
1.1 試驗對象
本試驗一共有55名大學生受試者，其中男性38名，女性17名，年齡范圍19～24歲，平均年齡20.82歲，標準差（standard deviation，SD） = 1.71；身體質量指數（body mass index，BMI）范圍16.22～33.20，平均BMI = 22.40，SD = 3.38。受試者身體健康，無睡眠障礙。在試驗前24 h，禁止服用咖啡、酒精、煙草、任何藥物或超熱量食物等。為避免女性生理期對CBT的影響，在篩選受試者時，避免招募生理期到來的前3 d和生理期結束的后3 d之間的女性作為受試者。
1.2 試驗材料
受試者需填寫：① 基本信息表，包括姓名、性別、年齡、身高、體重以及試驗當日早醒時間；② 睡眠日志，記錄兩個星期內早醒時間、晚上進入睡眠的時間、午休時間和必要備注；③ 試驗信息記錄表，記錄試驗過程中測量的數據；④ 3個量表：卡羅林斯卡嗜睡量表（Karolinska sleepiness scale，KSS）[30]、MEQ[2]、匹茲堡睡眠質量指數問卷（Pittsburgh sleep quality index，PSQI）；⑤ 知情同意書。
試驗儀器：① 筆記本電腦（ThinkPad E450c，聯想企業，中國），屏幕分辨率1366 × 768；② 核心體溫膠囊（e-Celsius Performance P060，Bodycap，法國），長度17.7 mm，重量1.7 g，測量范圍25～45 ℃，精度 ± 0.2 ℃，可變性 ± 0.1 ℃，通信頻率為工業科學醫療頻段（industrial scientific medical band，ISM Band）433～434 MHz，采樣頻率為30 s/次；③ 人體活動檢測設備（e-Tact P090，Bodycap，法國），長度37 mm，寬度41 mm，厚度7 mm，重量9 g，溫度采樣率30 s～30 min，活動采樣率30 s～30 min，溫度范圍10～45 ℃，采樣頻率為1 min/次。
1.3 注意績效測試
測試由心理實驗軟件E-Prime 3.0（PST Inc., 美國）呈現，屏幕每次呈現3張圖片作為一次刺激。
如圖1所示，要求受試者按照任務規則進行判斷，首先判斷符號A1與B1是否一致，若不一致，按鍵盤“J”鍵，若一致，按鍵盤“F”鍵；按“F”鍵之后下一次呈現的刺激中判斷A1與B2是否一致，若一致，按鍵盤“空格（space）”鍵，不一致，按“J”鍵。受試者按鍵反應后，刺激消失，隨機時間間隔2～6 s后，呈現下一個刺激，刺激間隔期間在屏幕正中呈現一個字號為30的紅色“+”注視點。每組測試共呈現128次不重復刺激。
圖1
屏幕呈現的試驗刺激
Figure1.
Experimental stimulation of screen presentation
1.4 試驗過程
在試驗日前兩個星期，受試者按照自我睡眠作息習慣來進行作息并填寫睡眠日志。在正式試驗兩天前，利用MEQ將受試者睡眠類型分類，并對受試者進行必要培訓。在試驗當日，受試者來到中國民航大學民航安全科學研究所的實驗室準備開始正式試驗，填寫基本信息、知情同意書、PSQI問卷和當日早醒時間。
試驗采用固定作息法范式（constant routine protocol，CRP），三種睡眠類型受試者分別于早上8:00、7:00、6:00醒來，試驗記錄開始時間分別為10:00、9:00、8:00，在第二天的下午14:00、13:00、12:00結束，持續清醒時間為30 h。試驗期間受試者保持持續清醒，每30 s采集一次體溫膠囊數據，每1 min采集一次人體活動監測設備數據。每1 h采集一次主觀嗜睡程度（受試者填寫KSS）和注意績效測試任務結果，測試次數共29次。試驗期間提供水和食物：果汁、脫脂牛奶、全麥面包、全麥餅干、雞胸肉、榨菜等。根據聯合國糧食及農業組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）/世界衛生組織（World Health Organization，WHO）/聯合國大學（United Nations University，UNU）公式[31]、米弗林－圣杰奧公式（Mifflin-St Jeor Equations，MSJE）[32]、個體性別、年齡、身高、體重，計算出個體基礎代謝率（basal metabolic rate，BMR）、靜息能量消耗（resting energy expenditure，REE）[33]、每日總能量消耗（total daily energy expenditure，TDEE）[34]，受試者每小時進食一份含有自身一天能量消耗的1/24食物量。
試驗期間保持恒定的環境條件，室內溫度（24 ± 1）℃，室內水平照度70～100 lux，受試者除了去衛生間外，其余時間均以固定姿勢和角度坐在椅子上，最大程度避免其他體力活動。本研究已得到中國民航大學安全科學與工程學院倫理審查委員會的審批（批文編號：CAUC-PSY-2021-012）。
2 數據處理與分析
在29次注意績效測試中有2名中間型受試者分別在首次測試、首次和第二次測試中，出現混淆按鍵、忘記測試規則，導致測試誤差，其數據未被采納。因受試者進行其他生理指標的數據采集并補充能量（飲食飲水），致使在本測試節點時間范圍內沒有時間對其進行注意績效的補測。本試驗利用肖維勒準則（Chauvenet criterion）剔除受試者在注意績效測試任務中的極大離異點[35]，肖維勒準則可表示為如式（1）～式（2）所示：
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其中，x為離異數據，μ為樣本平均值，ωn為肖維勒準則系數，σ為樣本標準差，n為樣本量。
同時為排除受試者在試驗過程中“搶跑”（false start）或誤答，本研究也將200 ms以下的數據排除[36]。
KSS分值通過洛倫茲方程（Lorentze quation）曲線擬合，得到主觀嗜睡的洛倫茲方程表達式，洛倫茲方程可表示為如式（3）所示：
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其中，Y為函數值，Y0為起始值，A為面積，xc為中心值，ω為半峰全寬（full width at half maxima，FWHM）。
CBT使用薩維茨基—戈雷（Savitzky-Golay，S-G）平滑濾波處理[37]，一種在時域內基于局部多項式最小二乘擬合的濾波方法。使用該平滑濾波對CBT進行處理，最大程度保留原始數據的同時能夠將異常值進行有效過濾，保證了數據的有效性和純凈度。將S-G平滑濾波處理后的數據，使用正弦曲線擬合，正弦方程可表示為如式（4）所示：
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其中，Y為函數值，Y0為起始值，A為振幅，xc為相位，ω為角速度。
針對三種睡眠類型個體，本文采用弗里德曼（Friedman）非參數檢驗評估其CBT、KSS分值及SEA的組內差異，采用克魯斯卡爾—沃利斯（Kruskal-Wallis）非參數檢驗評估其KSS分值的組間差異。通過線性回歸分析，計算三種睡眠類型的KSS分值、SEA反應時、SEA正確率的趨勢，得到線性回歸系數Beta。采用交叉相關分析（cross-correlation function，CCF），計算KSS分值和CBT與SEA之間的交叉相關系性（cross-correlation）和相位差（Δφ/h）來確定其相位的相關程度。
3 結果
3.1 睡眠類型
受試者共55人，其中夜晚型12人，中間型24人，早晨型19人，MEQ平均得分51.71，SD = 10.08，克朗巴哈系數（Cronbach）α = 0.835，凱撒—邁耶—奧利金（Kaiser-Meyer-Olkin，KMO）為0.814，P < 0.05。
3.2 PSQI問卷
本試驗發放PSQI問卷55份，有效回收問卷54份，平均得分4.56，SD = 2.66，Cronbach α = 0.770，KMO = 0.698，P < 0.05。
3.3 體溫節律
對三種睡眠類型CBT進行弗里德曼非參數檢驗的結果顯示：夜晚型（χ2 = 98.817，P < 0.05）、中間型（χ2 = 155.218，P < 0.05）、早晨型（χ2 = 179.216，P < 0.05）均呈現出明顯的晝夜節律。
如圖2所示，首先針對三種睡眠類型的CBT變化趨勢，均在早上較低，從上午10:00左右上升，直至傍晚20:00左右達到最高點后逐步下降，在夜間下降速度增加，在凌晨04:00～07:00達到低谷后再開始逐漸上升。其次，關于三種睡眠類型的CBT范圍，夜晚型CBT在36.54～37.34 ℃之間，溫度變化（ΔCBT）0.80 ℃，平均溫度（CBT）為36.94 ℃；中間型CBT在36.58～37.28 ℃之間，ΔCBT = 0.70 ℃，CBT = 36.96 ℃；早晨型CBT在36.65～37.34 ℃之間，ΔCBT = 0.69 ℃，CBT = 37.0 ℃。經過對三種睡眠類型CBT進行正弦曲線擬合，如圖2所示，其中夜晚型（R2 = 0.928，P < 0.05）周期T = 28.07 h，對稱軸x1 = 17:58、x2 = 08:00；中間型（R2 = 0.903，P < 0.05）T = 26.70 h，x1 = 17:35、x2 = 06:56；早晨型（R2 = 0.836，P < 0.05）T = 27.88 h，x1 = 17:38、x2 = 07:34。
圖2
三種睡眠類型CBT和KSS分值曲線及擬合曲線（）
Figure2.
Curves and fitting curves of CBT and KSS score of three chronotypes（）
3.4 主觀嗜睡自評
KSS作為主觀嗜睡自評應用較為廣泛的量表（Cronbach α = 0.943，KMO = 0.851，P < 0.05），如圖2所示，三種睡眠類型的KSS分值，夜晚型、中間型、早晨型KSS分值均出現較為明顯的波峰和周期性特征。其中，夜晚型KSS分值在3.17～7.42之間，分值變化（ΔKSS）為4.25，KSS平均分值（KSS）為4.77；中間型KSS分值在2.71～7.54之間，ΔKSS = 4.83，KSS = 5.13；早晨型KSS分值在2.93～7.16之間，ΔKSS = 4.23，KSS = 4.77。如圖2所示，三種睡眠類型KSS分值經過洛倫茲方程曲線擬合，均出現隨清醒時間延長而逐漸上升趨勢，如表1所示，線性回歸系數均大于0.7。
表1
三種睡眠類型主觀嗜睡自評的統計分析結果
Table1.
Statistical analysis results of subjective sleepiness self-rating of three chronotypes
對KSS與CBT進行交叉相關分析發現，如表1所示，KSS分值與CBT出現1～2 h的相位差Δφ，并且呈現負相關。KSS分值在白天較低，此時CBT較高；在夜間KSS分值逐漸上升且上升幅度增大，但CBT則呈下降趨勢；在凌晨04:00～07:00時，KSS分值達到最高，CBT則達到最低點。
3.5 注意績效測試結果
根據“注意”的內涵[24]，SEA是對一種刺激產生特定反應，而對其他刺激不產生特定反應的能力，本測試任務中受試者按鍵盤“F”鍵所對應的反應時與正確率作為其評估指標。
如圖3、表2所示，分別展示了三種睡眠類型SEA隨清醒時間延長的反應時和正確率的變化特征與統計結果。
圖3
三種睡眠類型SEA反應時和正確率曲線水平（）
Figure3.
Curve level of response time and correct rate of SEA of three chronotypes ()
表2
三種睡眠類型SEA的統計分析結果
Table2.
Statistical analysis results of SEA of three chronotypes
SEA反應時與KSS分值隨時間的變化趨勢均具有同步性。弗里德曼非參數檢驗結果表示差異具有統計學意義，注意績效呈現出明顯的內穩態特征，日間反應時較短，從夜間開始逐漸變長；直到第二天早晨06:00～09:00到達峰值，隨后開始逐漸下降；線性回歸系數皆大于0.7，整體趨勢呈上升。
而SEA正確率整體呈下降趨勢，并且弗里德曼非參數檢驗結果顯示注意各績效指標的正確率差異部分有統計學意義，并且在長時間的清醒過程中出現多峰多谷的情況。SEA正確率的低谷在下午、晚上及清晨均有出現，且在清晨時低谷的幅度更加明顯。這與“狀態不穩定”假說相一致，該假說認為，隨著清醒時間的延長或睡眠剝奪的延長，睡眠壓力會積累并增加變異性[38]。
針對與KSS和CBT的交叉相關分析，SEA反應時和正確率分別產生了不同程度的相位延遲和相關性。SEA反應時與KSS分值呈正相關，且存在2 h的相位延遲；與CBT呈負相關，但存在1～3 h的相位延遲。而SEA正確率則相反，與KSS分值呈負相關，且只有夜晚型存在3 h相位延遲；與CBT呈現正相關，存在0～1 h相位延遲。這里并不支持Kleitman[39]提出的假說，即績效的變化是由于體溫波動引起的身體和大腦代謝的變化。
4 討論
首先關于主觀嗜睡感，三種睡眠類型KSS分值差異較為明顯，整體呈上升趨勢，均表現出明顯的內穩態特征。夜晚型相較其他兩種類型線性回歸系數較小，并且其嗜睡感到來較晚，根據克魯斯卡爾—沃利斯非參數檢驗結果顯示：從20:00才開始上升（χ2 = 7.78，P < 0.05），在21:00（χ2 = 6.91，P < 0.05）、22:00（χ2 = 7.16，P < 0.05）、23:00（χ2 = 13.32，P < 0.05）、24:00（χ2 = 6.44，P < 0.05）與中間型和早晨型有差別。相對于中間型與早晨型，夜晚型嗜睡感不僅出現時刻相對較晚、持續時間較短而且峰值出現也較晚，與早晨型和中間型有1 h的Δφ。而早晨型在上午嗜睡感消退得會迅速一些。
SEA績效在長時間清醒中均表現出下降趨勢，結果表明疲勞效應的存在。在SEA指標中，早晨型正確率的線性回歸系數更趨近于零，平均正確率更高，平均反應時更小，表明在長時間清醒過程中，早晨型的正確決策能力更加突出。上述發現不能排除與試驗時間有關（從第一天的早上到第二天的中午前后），白天的試驗時間大于夜間，這也就造成了早晨型更多的“同步效應”。
為降低研究中試驗開始時間的設計可能“更有利于”呈現早晨型的“同步效應”，如圖4所示，本研究將覺醒時間分為四個階段，第一天上午到下午（17:00）為“階段1”，夜晚型和早晨型表現出較快的SEA反應速度；中間型表現出較高的正確率。傍晚（18:00～22:00）為“階段2”，夜晚型反應更加迅速；而中間型正確率與白天相反，降至最低。夜間（23:00～06:00）為“階段3”，夜晚型反應速度相較更快，并且正確率也是三種睡眠類型中最高的。第二天白天開始（07:00）為“階段4”，早晨型注意績效開始回升，SEA反應時相較最短；對比“階段3”正確率，中間型和夜晚型下降幅度較大，早晨型更加穩定。值得注意的是，在試驗全程中，中間型反應時相較都是最慢的。
圖4
三種睡眠類型在不同階段SEA的反應時與正確率（）
Figure4.
Reaction time and correct rate of SEA of three chronotypes in different stages ()
SEA的神經生理基礎主要是大腦的背外側前額葉和頂葉區[40]，而前額葉皮層是大腦中容易受睡眠缺乏而影響的區域[41]。夜晚型的前額葉在傍晚激活提升，在夜間激活程度達到高峰；在第二天的上午，中間型激活水平大幅度下降，而早晨型則會保持較為穩定的水平。績效的下降可能與睡眠剝奪會對前額葉腦功能受損有關[42]，而中間型受損程度會更大一些。
如圖3所示，進一步明確了不同睡眠類型的注意績效峰值時間，早晨型最佳注意績效較早出現（07:00 ± 01:00），中間型次之（08:00 ± 01:00），夜晚型最遲（09:00 ± 01:00），該特征可能是由于節律基因和生活環境帶來的作息習慣所導致的。
本研究也進一步證實了注意績效與主觀嗜睡程度KSS分值所代表的內環境穩態和CBT所代表的晝夜節律存在一定相位差值。如表2所示，三種睡眠類型SEA的反應時與KSS分值均有2 h的延遲；而SEA正確率，夜晚型則有3 h的較大延遲。
在與CBT的交叉相關分析中，本研究發現三種睡眠類型SEA反應時與CBT的Δφ并不呈現一致性：夜晚型反應時與CBT有3 h的延遲，其次是中間型有2 h的延遲，最后是早晨型有1 h的延遲，即睡眠習慣越早，SEA反應時與CBT的Δφ就會延遲的更少。
5 結論
本文采用固定作息法范式，主要分析了在30 h睡眠剝奪情況下，三種睡眠類型個體CBT、KSS分值、SEA隨時間變化的特征及其相互間的相關性。三種睡眠類型的CBT具有明顯的晝夜節律特征，相位差異較小，但振幅與周期差異明顯。
在30 h的睡眠剝奪中，三種睡眠類型KSS分值整體呈現上升趨勢，夜晚型嗜睡感出現較遲，早晨型恢復得更快，且夜晚型和早晨型KSS分值與CBT存在較明顯的相位提前現象。
在30 h的睡眠剝奪中，三種睡眠類型注意績效整體是下降的。夜晚型在傍晚和夜間（23:00～05:00）SEA反應速度更快，早晨型從第二天上午（07:00）開始，SEA恢復更明顯，此外前額葉在中間型中更加敏感，更易受損。
本研究發現不同睡眠類型SEA反應時與CBT的延遲并不相同，即睡眠類型越早，其延遲程度越小，MEQ分值與延遲程度呈負相關。因此，不能僅僅根據CBT的高峰或低谷來推測此時作業人員的工作績效，尤其是夜晚型人群。且不同睡眠類型SEA反應時與KSS分值均呈現2 h的相位延遲，而在正確率中，只有夜晚型有3 h的較大延遲。
未來，本研究還可進一步分析不同睡眠類型的注意績效晝夜節律差異，將測量睡眠－覺醒的金標準——褪黑素、皮質醇等作為參考指標；降低“同步效應”影響的同時，設計從傍晚開始試驗，并且進一步明確三種睡眠類型的其他注意組成部分中哪些受內環境穩態影響多，哪些受晝夜節律影響多，哪些獨立于這兩種因素。綜上，本研究可解釋在工業、安全、航空、軍事、醫療等各領域信息處理或決策過程中，記憶任務、閱讀、算術運算或機械作業等晝夜節律變化，同時根據其睡眠類型更好地發揮認知績效，為制定科學排班/輪班提供參考。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：李敬強：總體規劃、試驗設計、論文修改；王慶福：試驗設計、試驗組織、數據分析、論文撰寫；張璐、張希凝、周妍汝、張煥晰：試驗組織、數據分析。
倫理聲明：本研究通過了中國民航大學安全科學與工程學院科學研究倫理委員會的審批（批文編號：CAUC-PSY-2021-012）。
