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豐富環(huán)境改善睡眠與認知障礙的作用及研究進展

來源：泰然健康網時間：2024年12月02日 03:35

李運1,2 王海云2

1天津醫(yī)科大學三中心臨床學院 300170；2天津市第三中心醫(yī)院麻醉科，南開大學附屬第三中心醫(yī)院，天津醫(yī)科大學三中心臨床學院，天津市重癥疾病體外生命支持重點實驗室，天津市人工細胞工程技術研究中心，天津市肝膽疾病研究所 300170

國際麻醉學與復蘇雜志,2021,42(10):1081-1084.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210404-00397

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【綜述】

目前，睡眠和認知功能障礙依然是住院患者面臨的重要挑戰(zhàn) ，發(fā)生率可達50%，嚴重影響患者快速康復，損傷效應甚至延至出院。特別是對于老年患者而言，睡眠模式和認知功能在圍手術期變化劇烈，影響尤甚。手術創(chuàng)傷、麻醉刺激依然是圍手術期干擾睡眠與認知功能的重要因素，但是整體生物?心理?社會因素的作用卻未被重視。

基于圍手術期睡眠與認知保護需求，豐富環(huán)境（enriched environment, EE）作為多模式生物?心理?社會護理的重要補充方案，可能成為腦保護非藥物干預的潛在研究方向。EE通過環(huán)境刺激作用于大腦的不同方面，為探究睡眠與認知調控過程中大腦結構和功能變化提供了可能。本文圍繞EE在圍手術期睡眠與認知保護中的理論基礎、臨床應用進行綜述和展望。

1 EE刺激理論

1947年，Hebb首次提出EE這一概念。并在1978年首次定義為：復雜的無生命物與社會刺激的復合體。即增大的飼養(yǎng)空間、增加的群體數量及豐富的內置物體組成的環(huán)境條件，這不僅提供了多感官接觸和認知刺激，而且增強了自發(fā)性運動和相互性社交行為。盡管對EE的具體設置尚未統(tǒng)一，但總的原則是要增加自發(fā)性運動、社會性刺激及相互交往的機會。EE就是讓實驗動物更多地暴露于有軀體和（或）社會刺激的特殊環(huán)境中，自愿進行運動、探索和社交活動，從而重塑學習和記憶功能。EE已被廣泛用于整體環(huán)境刺激對大腦可塑性的研究中。

EE刺激體系由社會性刺激和非社會性刺激兩部分組成。社會性刺激可概括為允許實驗動物更好地相互交往，即對實驗動物給予群養(yǎng)，構建和諧穩(wěn)定的群體，盡可能減少個體間的攻擊行為，也包括與周圍物體或其他動物在聽覺、視覺和嗅覺等方面的交流；非社會性刺激即為豐富的軀體性刺激，在飼養(yǎng)環(huán)境中設置豐富的裝置，以激發(fā)實驗動物更多的自由活動和探索行為，這是EE的重要組成部分。盡管EE刺激理論是基于實驗動物和臨床前研究發(fā)展而來，但已擴展到快速康復外科管理中，并被證實具有潛在的協(xié)同作用。通過感覺、運動、社交和認知方式的結合，EE是一種易于實施的以患者為中心的多模式心理社會體系。由此可見，基于EE刺激理論的干預措施充分體現了生物?心理?社會醫(yī)學模式。

2 睡眠與認知功能

睡眠與認知障礙是圍手術期腦保護策略面臨的一個重要挑戰(zhàn)。越來越多的證據表明，睡眠?覺醒周期是由大腦區(qū)域和神經遞質系統(tǒng)之間復雜相互作用調節(jié)的，其中許多與記憶和認知功能有關。正常的睡眠?覺醒周期是由腦干、下丘腦、基底前腦和丘腦調控，并作用于大腦皮質，這些腦區(qū)對于認知功能狀態(tài)也非常重要，并且釋放有利于調節(jié)睡眠?覺醒周期的興奮性以及異質性神經遞質，其中包括γ?氨基丁酸、乙酰膽堿、去甲腎上腺素等，這些神經遞質大多也涉及認知功能調節(jié)。

在圍手術期，睡眠問題尤為突出，經常發(fā)生總睡眠時間和質量下降，碎片化睡眠增加，入睡困難，快速眼動睡眠和慢波睡眠減少。盡管這些改變大部分是短暫、可逆的，但個別變化可能參與潛在的神經認知損害過程。睡眠障礙可能會誘發(fā)炎性反應、產生神經毒性物質、改變重要神經遞質等，從而造成海馬突觸可塑性損傷，而海馬是學習與記憶相關的關鍵區(qū)域，這直接決定認知功能狀態(tài) 。這些生物學機制為干預睡眠與認知障礙提供了基礎。

3 EE對睡眠與認知功能的作用機制

EE是一個可以探究生物?心理?社會因素與大腦相互作用的實驗模式，如何在睡眠與認知障礙中改變大腦的結構和功能是其能否發(fā)揮改善作用的解剖學基礎，而EE對成年人海馬突觸可塑性的調節(jié)就是這種復雜相互作用的客觀表現。此外，突觸傳遞的分子機制與認知功能的發(fā)揮密切相關，是EE在病理生理條件下改善大腦睡眠與認知分子水平的潛在靶點。

EE改善睡眠與認知水平以腦結構和生化的改變?yōu)榛A。EE可明顯改變實驗動物大腦結構：大腦的總體積和重量增加，其中皮質層和神經細胞胞體也相應增大；EE可調控神經內分泌活動，豐富的軀體運動可激活乙酰膽堿能神經元，促進單胺類神經遞質釋放，而乙酰膽堿有助于維持正常睡眠模式并涉及記憶鞏固過程，當其濃度降低時可以損傷基底前腦膽堿能神經元，這一過程常發(fā)生在衰老及阿爾茨海默病期間，可能通過干擾睡眠與記憶進程而導致認知功能降低。此外，EE促進神經再生，包括成年大鼠神經可塑性，是EE臨床轉化的重要理論基礎，并在腦損傷康復、神經退行性疾病干預中發(fā)揮積極作用。令人感興趣的是，EE可刺激成年人神經軸突分化增生，使其分支的數量增加，特別是海馬CA1區(qū)突觸形態(tài)變化明顯，EE刺激下突觸可塑性增強，使得樹突棘的密度明顯增高，而且EE干預能同時促進海馬神經元再生，調節(jié)膠質細胞數量和活性，即使是在老年實驗大鼠中，EE也可顯著增加海馬神經元的神經再生。在突觸可塑性電生理模型中，EE可增加海馬CA1區(qū)神經元的興奮性突觸后電位和群簇放電的長時程增強。EE的認知保護效應主要集中于海馬體上，海馬體是學習和記憶的關鍵結構。而EE調控成年人神經發(fā)生有助于重新認識EE對海馬體功能的重要貢獻。整合當前最新的海馬神經元對睡眠與認知功能的貢獻，EE強烈刺激海馬神經發(fā)生，這可能為基于EE刺激理論轉化而來的生活和活動方式用來改善圍手術期睡眠與認知障礙提供了理論支持。

4 EE改善圍手術期睡眠與認知功能的效果

在治療睡眠與認知功能障礙中，非藥物干預的潛力巨大，值得深入探究。EE在改善睡眠問題和術后認知功能障礙（postoperative cognitive dysfunction, POCD）中的顯著效果充滿吸引力。圍手術期睡眠結構和睡眠?覺醒周期會有很大的不同，這實際上也反映了認知活動程度，特別是在支持睡眠與認知關系的框架下。

隨著年齡的增長，健康的睡眠模式會發(fā)生明顯的變化，在這方面人類和實驗大鼠具有高度相似性。EE作為一種基于環(huán)境復雜性而起效的社會?心理模式，促使實驗動物獲得更多的睡眠收益，包括睡眠時間和質量，并可提高衰老神經系統(tǒng)對睡眠變化的適應能力。根據睡眠與認知的相關研究，快速眼動睡眠在長期記憶的維持和穩(wěn)定中起重要作用，這一過程可能受到住房環(huán)境的影響。為此，Gutwein和Fishbein 設計了一個動物實驗：先將小鼠分別飼養(yǎng)在EE、標準和貧困環(huán)境中30 d，在訓練后28 d評估睡眠?覺醒周期，結果顯示EE能顯著、有選擇性地增加快速眼動睡眠，并增強辨別任務的記憶力，而貧困環(huán)境的小鼠表現最差。但在創(chuàng)傷性腦損傷睡眠障礙模型小鼠中，EE的快速眼動睡眠增強作用表現不明顯，而假腦損傷小鼠表現出明顯增強的快速眼動睡眠和促進黑色素聚集激素的表達。但該研究的睡眠障礙是器質性的，可能破壞了控制睡眠?覺醒周期的關鍵腦區(qū)，這直接決定睡眠和覺醒狀態(tài)。由此可見，腦的正常解剖結構是EE改善睡眠的基礎。但是EE已被證明能顯著改善腦損傷后功能恢復，包括認知功能，甚至術后短期暴露于EE也可獲得長期認知收益。最為重要的是，手術和麻醉等因素對大腦結構和功能的影響往往達不到創(chuàng)傷性腦損傷的程度，這也為EE擴展到圍手術期非腦損傷患者的睡眠與認知保護提供了前提。Gao等的研究也支持這一推論，其成功建立了手術相關睡眠剝奪模型，EE作為干預因素明顯促進成年大鼠行為學表現，包括記憶功能、情緒反應等，并從大腦生化水平［如海馬區(qū)重要神經營養(yǎng)因子（腦源性神經生長因子、神經生長因子、神經營養(yǎng)素?3和膠原細胞源性神經生長因子）的變化］探究了EE的睡眠與認知保護作用，結果證實短期EE可顯著改善術后睡眠剝奪大鼠的記憶障礙。

EE除了具有改善睡眠的作用外，其最核心的功能是神經發(fā)生。而神經發(fā)生有助于改善認知功能，這也為防治POCD提供了重要依據。Fan等研究顯示，頸部手術創(chuàng)傷可減少8周齡C57BL/6J小鼠海馬腦源性神經生長因子表達和神經發(fā)生，Barnes迷宮中的學習記憶功能受損，而EE通過保持腦源性神經生長因子的表達進而逆轉手術誘導的這些效應，這直接提供了EE減輕POCD的神經學證據。而Lajud等研究表明，在大鼠腦創(chuàng)傷后，延遲和短暫的EE促進了運動和認知恢復，但這個結果并不取決于海馬神經發(fā)生的增加。盡管EE可以在不同模型中產生認知保護作用，但作用機制卻有所不同，值得深入研究，以便實現圍手術期的個體化管理?；赑OCD防治的迫切需求，Kawano等在大鼠腹部手術模型中評估了術前EE對神經炎癥和伴隨的POCD發(fā)展的影響，結果強而有力地支持EE可顯著降低老年大鼠海馬區(qū)促炎細胞因子水平，抑制小膠質細胞的促炎作用，進而阻止POCD。令人欣慰的是，EE已在加速康復外科管理中進行了有益的嘗試，作為多模式生物?心理?社會醫(yī)學的組成部分，將音樂、虛擬現實、教育信息、移動應用程序或自然元素引入醫(yī)療環(huán)境，顯著減輕術后疼痛，明顯改善手術體驗，而術后疼痛與睡眠障礙和POCD密切相關，這為EE引入圍手術期睡眠與認知功能保護策略提供了有力借鑒。

5 前景與展望

EE對大腦影響的機制研究已經取得了相當大的進展，但在圍手術期睡眠與認知保護策略中的作用有待加強?？偟膩碚f，EE誘導的神經可塑性是大腦功能發(fā)展和恢復的獨特機制，它為圍手術期睡眠與認知保護開辟了新的視角。與傳統(tǒng)的干預方式相比，EE是自愿、無創(chuàng)、非藥物的，而且更具經濟性。在圍手術期工作流程中整合EE的實用策略，通過感覺、運動、社交和認知方式而結合的EE是一種易于實施的以患者為中心的方法，可以改善手術患者的睡眠和認知，創(chuàng)造一個更像家庭的康復環(huán)境，提高恢復質量。

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