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导读
术后认知功能障碍（POCD）是老年患者麻醉手术后常见的神经认知并发症，术前睡眠碎片化（SF）是其重要危险因素，且缺乏有效药物干预。SF以反复睡眠中断、深睡眠减少为特征，可加重POCD。恢复性睡眠（RS）作为睡眠稳态的自我调节过程，可增强δ波功率和记忆表现，但其对SF后老年小鼠POCD的作用尚不清楚。相关研究表明，海马CA1区θ振荡参与空间探索与学习记忆，睡眠剥夺可干扰θ振荡并导致空间学习缺陷，而SF是否影响海马θ振荡缺乏证据。因此，本研究以18月龄小鼠建立术前24 h SF联合剖腹探查POCD模型，探讨术前RS能否改善SF夹中的POCD及其与EEG δ波和海马CA1区θ振荡的关系，改善海马关注和微结构完整性，从而减轻SF加重的POCD。
介绍
1、建立18月龄SPF雄性C57BL/6J小鼠术前24 h SF合并剖腹探查性POCD模型。老年小鼠分别在术前接受6小时RS处理（于SF后实施）及术后接受6小时RS处理（于手术后实施）。通过行为测试、脑电图(EEG)、局部场电位(LFP)、磁共振成像和神经形态学研究海马依赖性认知功能的变化。
2、方法：
实验1：分为四组—空白对照组、手术组、睡眠碎片化+手术组、恢复性睡眠组。睡眠碎片化+手术组先接受24小时睡眠碎片化，再在异氟烷麻醉下进行剖腹手术；恢复性睡眠组在睡眠碎片化结束后、手术前给予6小时恢复性睡眠。术后依次进行磁共振成像、Morris水迷宫、Y迷宫和新物体识别测试，行为学测试完成后处死小鼠取脑，进行尼氏染色和高尔基染色。
实验2：分为四组—术前时间点空白对照组、术前恢复性睡眠组、术后时间点空白对照组、术后恢复性睡眠组。比较术前6小时恢复性睡眠和术后6小时恢复性睡眠对脑电图/肌电图睡眠结构及Morris水迷宫长期空间记忆的影响。
实验3：分为三组—空白对照组、术前恢复性睡眠组、术后恢复性睡眠组。在Y迷宫测试中同步记录海马CA1区局部场电位，分析θ振荡与短期空间记忆的关系。图1实验过程示意图及时间轴。
结果
术前RS减轻SF加重的POCD：Morris 水迷宫结果提示：与对照组相比，手术组小鼠空间记忆显著受损。与单纯手术组相比，睡眠碎片化 + 手术组水迷宫穿越平台次数减少、目标象限时间进一步缩短；Y 迷宫新臂探索时间、入新臂次数均下降；新物体识别识别指数、新物体探索次数下降。与睡眠碎片化 + 手术组相比，恢复性睡眠组空间记忆损伤显著改善。
图1：术前RS对剖腹探查老龄小鼠SF加重的术后认知功能障碍的影响。(A)四组小鼠在 MWM 测试中的代表性轨迹。(B)Y迷宫测试中平台穿越次数（F(3,28) = 11.61，P < 0.0001）。(C) MWM 测试中目标象限停留时间（F(3,28) = 17.76，P < 0.0001）。(D)四组小鼠在Y迷宫测试中的代表性轨迹。(E)Y迷宫测试中新臂探索时间（F(3,28) = 17.26，P < 0.0001）。(F)Y迷宫测试中新臂进入次数（F(3,28) = 12.77，P < 0.0001）。(G)四组小鼠在NOR测试中的代表性轨迹。(H)NOR测试中的识别指数（F(3,28) = 25.36，P < 0.0001）。(I)NOR测试中新物体探索次数（F(3,28) = 10.52，P < 0.0001）。采用单因素方差分析及Tukey事后检验，*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，****P < 0.0001，ns：无显著差异。数据以均值±标准误表示，每组n = 8。
1. 术前RS逆转海马rCBF下降 和纤维完整性损伤：与对照组、手术组相比，睡眠碎片化 + 手术组海马局部脑血流量 rCBF 显著降低；与睡眠碎片化 + 手术组相比，恢复性睡眠组海马 rCBF 显著升高；通过对DTI结果对比提示术前恢复性睡眠可挽救睡眠碎片化‑手术造成的海马白质纤维完整性损伤。
2. 术前RS改善海马CA1区神经元损伤：与对照组、手术组相比，睡眠碎片化 + 手术组尼氏体阳性神经元数量显著降低。相较于睡眠碎片化 + 手术组，术前恢复性睡眠组海马 CA1 尼氏阳性细胞数量显著回升；睡眠碎片化 + 手术组海马 CA1 神经元树突棘密度较对照组、手术组明显降低；给予术前恢复性睡眠处理后，树突棘密度较睡眠碎片化 + 手术组显著升高。
图2：四组海马CA1区神经元损伤的变化。(A)海马CA1区Nissl染色显示的神经元损伤显微图像（放大倍数40×；标尺：50 μm）。(B)海马CA1区Nissl阳性细胞数量（F(3,28) = 17.53，P = 0.0001）。(C)海马CA1区神经元高尔基染色显示的神经元损伤显微图像（标尺：2 μm）。(D)海马CA1区神经元的树突棘密度（F(3,28) = 23.08，P < 0.0001）。树突棘密度定义为在10 μm长度内统计到的树突棘数量。采用单因素方差分析结合Tukey事后检验，*P < 0.05，**P < 0.01，****P < 0.0001，ns：无显著差异。数据以均值±标准误表示，每组n = 4。
3. 术前RS增强NREM睡眠：通过采集睡眠碎片化后术前恢复性睡眠、手术后术后恢复性睡眠小鼠 EEG/EMG、睡眠图谱，直接对比术前、术后恢复性睡眠，提示只有术前恢复性睡眠能够有效放大 NREM 睡眠，而术后恢复性睡眠无法积累 NREM 睡眠压力。
图3：术前和术后RS治疗期间的睡眠模式（A-B）术前RS治疗(A)与术后RS治疗(B)期间脑电图频谱图、 EGM 活动及睡眠分期的代表性图谱。(C)术前及术后RS治疗期间清醒期（t = 8.538，P < 0.0001）、非快速眼动睡眠期（NREM，t = 19.93，P < 0.0001）及快速眼动睡眠期（REM，t = 6.264，P = 0.000021）占总时间的百分比。(D)术前及术后RS治疗期间清醒期（t = 3.881，P = 0.001664）、NREM期（t = 3.451，P = 0.003897）及REM期（t = 5.302，P = 0.000112）的发作次数。(E)术前及术后RS治疗期间清醒期（t = 3.272，P = 0.005563）、NREM期（t = 5.664，P = 0.000058）及REM期（t = 0.1952，P = 0.848070）的平均发作时长。采用非配对Student‘s t检验，**P < 0.01，***P < 0.001，****P < 0.0001。数据以均值±标准误表示，每组n = 8。
4. 术前RS增强δ波功率并与空间记忆正相关：提取术前、术后恢复性睡眠及对应对照组 D1/D2 脑电图的 δ、θ 波，绘制 NREM、REM 状态功率谱。通过组间对比提示术前恢复性睡眠 NREM 期 δ 功率显著高于术后恢复性睡眠组；术前、术后恢复性睡眠中，目标象限停留时间均与 δ 功率显著正相关；δ波是恢复性睡眠改善空间记忆的关键电生理指标，而非θ波。
图4：术前和术后RS治疗期间的EEG慢波活动与MWM记忆表现。（A-B）术前RS治疗(A)及术后RS治疗(B)期间脑电图信号及滤波后的δ与θ波的代表性波形。（C-F）术前RS治疗（C和D）及术后RS治疗（E和F）期间的NREM/REM功率谱。(G)术前与术后RS治疗期间δ功率百分比比较（非配对Student‘s t检验，数据以均值±标准误表示，t = 3.644，P = 0.0027）。(H)术前及术后RS治疗期间目标象限停留时间与δ功率的相关性（Pearson相关分析，术前RS：r = 0.8662，P = 0.0054；术后RS：r = 0.7364，P = 0.0372）。(I)术前与术后RS治疗期间θ功率百分比比较（非配对Student’s t检验，数据以均值±标准误表示，t = 0.2510，P = 0.8055）。(J)术前及术后RS治疗期间目标象限停留时间与θ功率的相关性（Pearson相关分析，术前RS：r = 0.2223，P = 0.5967；术后RS：r = −0.1103，P = 0.7949）。*P < 0.05，**P < 0.01，ns：无显著差异，每组n = 8
5. 术前RS增强海马θ振荡并与Y迷宫测试正相关：通过在对照组、术前恢复性睡眠、术后恢复性睡眠小鼠进行 5 min Y 迷宫测试，采集海马 CA1 区 LFP 信号，提取 θ 频段。绘制 θ 振荡频谱图、功率谱，结果显示术前恢复性睡眠组 θ 振荡相对功率显著高于术后恢复性睡眠组，提示术前恢复性睡眠上调海马 CA1 的 θ 振荡，该振荡增强与小鼠的短期空间探索记忆行为密切关联。
图5. 对照组、术前RS组及术后RS组在Y迷宫测试期间海马区 LFP θ振荡情况。（A-C）对照组(A)、术前RS组(B)及术后RS组(C)在Y迷宫测试期间 LFP 信号及滤波后θ波振荡的代表性波形图。（D-F）对照组(D)、术前RS组(E)及术后RS组(F)在5分钟Y迷宫测试期间θ波振荡频率（4–10 Hz）的代表性频谱图。（G-I）对照组(G)、术前RS组(H)及术后RS组(I)在Y迷宫测试期间的θ波功率谱。(J)三组间θ波功率百分比比较（单因素方差分析，辅以Tukey事后检验，F(2,21) = 16.96，P < 0.0001）。(K)术前及术后RS组中，探索新臂时间与θ波功率的相关性散点图（皮尔逊相关分析：对照组：r = 0.8922，P = 0.0029；术前RS组：r = 0.8976，P = 0.0025；术后RS组：r = 0.7911，P = 0.0194）。(L)对照组、术前及术后RS组中，进入新臂次数与θ波功率的相关性散点图（皮尔逊相关分析：对照组：r = 0.9033，P = 0.0021；术前RS组：r = 0.8855，P = 0.0034；术后RS组：r = 0.4914，P = 0.2163）。*P < 0.05，**P < 0.01，****P < 0.0001，每组n = 8。
小结
本研究采用18月龄小鼠建立术前24 h SF联合剖腹探查POCD模型，探讨了术前恢复性睡眠对睡眠碎片化加重的术后认知功能障碍的作用及其机制。结果表明，术前24 h SF可加重老年小鼠剖腹手术后的认知障碍，其机制涉及海马灌注不足、微结构连接和完整性破坏，以及EEG慢波活动和海马CA1 θ波振荡异常。而术前RS能有效减轻这些变化，具体表现为：增加NREM睡眠和EEG δ波功率；增强海马CA1 LFP θ波振荡；减轻海马rCBF降低、白质纤维完整性破坏和神经元损伤；最终改善空间记忆和识别记忆。故对于术前存在急性睡眠障碍的老年手术患者，术前RS优于术后补觉，是一种有潜力的非药物干预策略，可避免药物副作用，减轻SF加重的POCD，为围术期非药物睡眠干预提供了实验依据。但该研究仍存在以下局限性：本研究重点关注海马 CA1 神经元损伤和 θ 振荡，不能完整解释海马整体在术前恢复性睡眠改善睡眠碎片化加重 POCD 中的全部作用；行为学测试在麻醉手术后 2 h 即开展，可能带来动物应激干扰结果，本研究设置充分阴性、阳性对照尽量消除该影响。本实验睡眠碎片化造模不能完全模拟老年患者术前真实睡眠特征；未深入检测睡眠压力相关分子标志物，无法完全揭示睡眠稳态的分子机制。未来仍需要更多实验，解析恢复性睡眠改善术前睡眠碎片化‑手术诱导认知缺损的分子通路。
话险危夷·述评
睡眠碎片化近年被视为术后认知功能障碍的重要可干预因素，但既往证据多集中于术后阶段的睡眠保护或机械性睡眠中断动物模型，术前恢复性睡眠的预防价值一直缺乏系统验证。该研究以18月龄老年小鼠为载体，首次在同一范式下证实：术前短至24小时的睡眠碎片化即可独立加重POCD，而术前6小时恢复性睡眠可有效逆转这一损害，且保护效应强于术后干预——这一发现将睡眠管理的干预窗从术后补救前移至术前预防，具有明确的临床转化指向。方法学上，研究整合行为学、EEG/EMG、LFP、MRI与神经形态学多模态证据，并通过δ波功率与空间记忆、θ振荡与新臂探索记忆的相关分析，为"睡眠—海马网络—认知"通路提供了较完整的电生理闭环，设计严谨性值得肯定。但需指出，其证据仍属临床前机制验证水平：一来，单凭海马CA1区及单次动物批次，尚不足以支撑因果推论向全脑环路外推；二来，术前6小时恢复性睡眠在实际临床术前准备流程中的可操作性与老年患者的安全性（如跌倒、药物交互）均有待人体研究检验。因此，该研究为术前睡眠管理提供了富有启发性的思路，但距临床应用仍有明确距离，后续宜通过多脑区、多样本量及前瞻性临床队列加以验证。
文献出处：Li Y, Hou S, Li F, Long S, Yang Y, Li Y, Zhao L, Yu Y. Preoperative recovery sleep ameliorates postoperative cognitive dysfunction aggravated by sleep fragmentation in aged mice by enhancing EEG delta-wave activity and LFP theta oscillation in hippocampal CA1. Brain Res Bull. 2024 Jun 1;211:110945. doi: 10.1016/j.brainresbull.2024.110945. Epub 2024 Apr 10. PMID: 38608544.