SWS脑电波音乐可提高睡眠质量的脑电图研究
SWS脑电波音乐可提高睡眠质量的脑电图研究
一些研究表明，脑电图信号产生的脑电波音乐会在情感上影响神经系统，并对睡眠产生积极影响。为探讨脑电波音乐对睡眠质量的神经机制，电子科技大学成都脑科学研究所的研究者招募了33名年轻参与者，随机分为三组（REM、SWS和WN组）。研究者生成两种类型的无标度脑电波音乐作为音乐刺激，一种来自REM阶段，另一种来自SWS阶段。研究者通过分析深度睡眠时脑电图的功率谱，并从脑电图的角度探讨了这两种脑电波音乐对睡眠促进的神经机制。
实验与分析过程
音乐刺激
研究者按图1所示范式将脑电图转换为脑电波音乐，在实验中使用了两段脑电波音乐。其中一首是REM脑电波音乐，它是由REM睡眠期间的脑电图产生的。另一首是SWS脑电波音乐，它是由SWS睡眠期间的脑电图产生的。每首音乐的一些音符如图2所示。
图1：将脑电图转换为脑电波音乐的范式
图2:实验的脑电波音乐插图[西贝柳斯印刷（2019）]。REM脑电波音乐开始时的音符如（A）所示，SWS脑电波音乐结束时的音符见（B）。
脑电图数据采集
研究者总共选择了6个Ag/AgCl电极（F3、F4、C3、C4、O1和O2）用于EEG记录，这些电极从10/20系统获得与睡眠和其他生理信号相关的信号。本研究中使用的六个电极的分布如图3所示；选择这些电极覆盖大脑的主要部分，这样研究者就可以计算功率谱密度，并构建整个大脑网络来检查神经机制。连接双侧乳突作为参考，所有其他电极保持在10kΩ以下。以200Hz对EEG信号进行采样，并用带通滤波器在0.5Hz和30Hz之间进行滤波。
图3：脑电图电极布局
实验程序
为了避免初始睡眠状态的组间差异的影响，参与者被随机分为三组。参与者持续六天在睡前听了20分钟的快速眼动REM脑电波音乐（第1组：13名受试者，平均年龄=21.69±2.31）、慢波睡眠SWS脑电波音乐（第2组：11名受试人，平均年龄=21.77±5.23）和白噪声（WN；对照组：9名受试人员，平均年龄=19.78±3.22岁）。用多导睡眠图记录第一天和最后一天的脑电图和其他生理信号。整个实验持续了8天（图4）。
数据分析与统计
研究者根据AASM标准，从单独的N3阶段或从8组N2数据中提取EEG信号，作为深度睡眠数据，并计算了预处理后德尔塔频段的功率谱密度和脑网络连通性。通过总睡眠时间、睡眠效率、睡眠潜伏期、每个睡眠阶段的时间百分比和脑电图数据之间的相关性等统计分析，发现：
- SWS组的睡眠潜伏期在听音乐后减少了38.45%[t（10）=2.441，p=0.031]。尽管干预后WN组和REM组受试者的睡眠潜伏期也有所下降，但差异并不显著。
- 睡眠效率(
)SWS组增加3.98%[t（10）=-1.943，p=0.076]，而其他两组的睡眠效率下降。N3阶段的睡眠时间百分比在所有三组中都有所增加，但没有达到统计学意义的程度（图5）。
图7：分别在δ带中的REM、SWS和WN组的深度睡眠阶段的脑电图功率谱密度地形图（后测-前测）。在REM组和WN组中，F4和C4通道的功率谱密度在听音乐后没有变化。O1、C3、F3和O2通道的功率谱密度在听音乐后都增加了，其中O1通道增加最少，O2增加最多。在SWS组中，F4通道的功率谱密度没有变化，F3、C3、C4、O1和O2通道的功率频谱密度在实验后下降，其中C4通道下降幅度最大。在慢波系统组中，F4的功率谱密度增加，但在其他通道中降低。
研究者通过图论研究了大脑不同区域的功能连接（FC），该理论由节点和边组成。在研究者的分析中，头皮电极被定义为节点，节点之间的Pearson相关系数被定义为边缘。研究者还计算了F3–C3和F3–O1连通性与睡眠潜伏期之间的相关系数（图8）。结果表明，睡眠潜伏期与F3–C3连接呈负相关（r=−0.527，p=0.064），这意味着F3–C3的连接增加越大，睡眠潜伏期越大。
图8：SWS组深度睡眠阶段的脑电图连接性与睡眠潜伏期之间的相关系数（后测-前测）。深度睡眠期间F3和C3（F3–C3）之间的连通性与睡眠潜伏期（红色三角形）略微显著相关（p=0.064），而深度睡眠期间F3-O1（F3–O1）之间的连接性与睡眠潜伏期没有显著相关（蓝色点）。
结论
研究者认为，SWS脑电波音乐可以降低德尔塔波段脑电图功率谱密度，缩短睡眠潜伏期，并使F3–C3连接和睡眠潜伏期显著相关，从而提高睡眠质量。然而，快速眼动脑电波音乐和WN可能不会改善睡眠质量。
参考文献：
Gao D, Long S, Yang H, Cheng Y, Guo S, Yu Y, Liu T, Dong L, Lu J, Yao D. SWS Brain-Wave Music May Improve the Quality of Sleep: An EEG Study. Front Neurosci. 2020 Feb 11;14:67. doi: 10.3389/fnins.2020.00067. PMID: 32116514; PMCID: PMC7026372.