イントロダクション

社会の進歩や仕事のリズムの変化に伴い、睡眠不足に苦しんでいる人が増えています。 睡眠不足は、個人の身体的および精神的健康を損なうだけでなく、仕事のパフォーマンスに深刻な影響を与え、仕事の誤りや事故を引き起こします。 したがって、認知機能に影響を与える睡眠不足のメカニズムを理解することは、睡眠不足の影響を効果的に予防するために非常に重要です。

これまでの研究では、睡眠不足が個人の気分、認知能力、仕事のパフォーマンス、免疫機能に一連の変化を引き起こす可能性があることが明らかに, 2005). 睡眠不足は体の循環を乱し、個人の認知的および感情的能力に影響を与える（Raymond、1988）。 いくつかの研究は、睡眠不足が応答阻害を損なうことを明らかにしている（Ｈａｒｒｉｓｏｎ ａｎｄ Ｈ Horｅ，１ ９ ９ ８；Ｍｕｚｕｒ ｅ ｔ ａ ｌ．，１ ９ ９ ８；Ｍｕｚｕｒ ｅ ｔ ａ ｌ． ら，２ ０ ０ ２；Ｊｅｎｎｉｎｇｓ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2003). 例えば、３ ６時間の睡眠不足の後、陰性刺激を抑制する個体の能力が低下した（Ｃｈｕａｈ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2006). 神経イメージング研究は、睡眠不足が個人の低レベルの視覚処理能力を低下させることを示唆している（Anderson and Platten,2011;Ning et al., 2014). さらに、睡眠不足は海馬を損ない、シナプス可塑性を破壊することによって記憶に影響を与える可能性がある（Cote et al., 2014). Thomas(2003)は、睡眠不足が視床、前頭前野、および頭頂皮質における脳血流および代謝率を低下させることを示している(Géraldine et al., 2005). Jarrayaたちは、部分的な睡眠不足が、口頭での即時記憶、注意、覚醒などの神経心理学的機能に有意に影響することを発見した(Thomas,2003)。 さらに、一部の研究では、部分的な睡眠不足の累積的な影響が認知機能および行動を著しく損なう可能性があることが明らかになっている（Van Dongen,2004;Scott et al. ら、２ ０ ０ ６；Ｊａｒｒａｙａ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2013).ワーキングメモリは、情報を格納および処理するために使用されるシステムであり、限られた容量を有する認知機能である（Bartel et al., 2004). さらに、作業記憶システムに格納されている情報は、改作および他の記憶方法によって短期記憶から長期記憶に変更することができる。 ワーキングメモリは、短期記憶システムと長期記憶システムの間の移行であり、人間のメッセージ処理において非常に重要である（Miyake and Shah、1999）。 これは、一時的な記憶領域と、音声理解、推論、学習などの情報を処理するために必要なリソースを提供します。 睡眠不足は、最初に作業記憶に影響を与えることが示されている。

以前の研究では、睡眠不足を受けた参加者にnバックワーキングメモリのパラダイムを使用し、睡眠不足は、主に情報処理と反応阻害に影響される脳の地域ネットワークにおける代謝活性の低下を誘導することを発見した（Baddeley、2000;Zhang et al., 2019). 睡眠不足後の作業記憶障害は、タスクにおけるデフォルトネットワークの活性化に関連しており（Chee and Chuah、2008）、これは皮質覚醒における視床の重要な役割 例えば、睡眠不足は、海馬、視床、およびデフォルトのネットワークとの間の接続を増加させ、これはしばしば、より高い主観的眠気および作業記憶のより悪い ら，２ ０ １ ５；Ｌｉら，２ ０ １ ５；Ｌｉら，, 2016). 睡眠不足の研究遅延を増加させ、Ｐ３成分の振幅を減少させたｅｄは、長期の飲酒と関連していた（Ｍｏｒｒｉｓ ｅ ｔ ａ ｌ． ら、１ ９ ９ ２；Ｊｏｎｅｓ ａｎｄ Ｈ Ａｒｒｉｓｏｎ，２ ０ ０ １；Ｐａｎｊｗａｎｉ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2010). P3波の減少は、参加者の注意の減少および標的刺激の識別の減少を反映する可能性がある（KoslowskyおよびBabkoff、1992）。しかし、睡眠不足後の作業記憶障害のための電気生理学的証拠を提供した研究はほとんどない。

しかし、睡眠不足後の作業記憶障害のための電気 N-backタスクは、作業記憶を評価するための一般的な方法と考えられている（Owen et al. ら，２ ０ ０ ５；Ｊａｅｇｇｉら，２ ０ ０ ５；Ｊａｅｇｇｉら，, 2010). 張ら 睡眠不足時のワーキングメモリの減少したメッセージの代替を探索するために、2バック発音ワーキングメモリタスクを設計したが、いくつかの研究では、単一の実験でワーキングメモリタスクの異なるタイプを使用しています。 本研究では、2つの時点（ベースラインと36h-TSD）でtsdと記録された参加者EEGデータによる認知機能の障害を探索するために、作業記憶タスク（発音作業記憶、空間 すべてのタスクは2バックのパラダイムを採用しました。 本研究では、TSD中の作業記憶に関連するN2-P3波の変化を評価し、作業記憶に対する睡眠不足の影響の時間的特性を分析した。 我々の知見は、睡眠不足が認知機能に及ぼす影響についての実験的証拠を提供する。

材料と方法

参加者

十六若く、健康な、右利きの男子学生がこの研究に参加しました。 キャンパス内の広告で参加者を募集しました。 参加者はすべて良い睡眠習慣を持っていました（PSQI<>110を持っていました。 実験の前に、実験者は、彼らが方法と手順に精通していたことを確認するために、参加者に手順と注意点を説明しました。 実験の2週間前に、参加者は実験の2日間、喫煙、コーヒーの飲み、アルコールの飲み、または投薬の摂取なしに、1日あたり7-9時間定期的に眠っていました。 実験の前に、すべての参加者は書面によるインフォームドコンセントを提供しました。 実験計画は、第四軍医大学と北航大学の倫理委員会によって承認されました。

実験デザイン

作業メモリタスクの三つのタイプは、すべての参加者に提示されました。 それらは、2バック発音作業メモリタスク(図1参照)、2バック空間作業メモリタスク(図2参照)、および2バックオブジェクト作業メモリタスク(図3参照)でした。 タスクの材料は、大文字と小文字を区別しない英字15文字、l/l、M/mなどの類似した文字を除いたもの、小さな黒い四角、およびそれぞれ12個の幾何学的図形であった。 すべての材料は、1.5°×1.5°（幅：2.0cm、高さ：2.0cm）のおおよその視覚角度で、白色の背景に黒色で示されていたサブテンディング。 122のトレイルは、各タスクで構成され、各トレイルでは、目標刺激は、白”+でマークされた1,600msの刺激発症非同期時間（SOA）で、客観的な刺激の提示後、400msの二つの”参加者は、ターゲットと客観的な刺激が同じときにマウスの左ボタンをクリックするように求められました（”一致”）、そうでないときにマウスの右ボタンをク 一致するかどうかの条件は、1:1の比率で擬似ランダムな順序で提示されました。

空間作業メモリタスクの模式図。

実験手順

実験の前に、参加者は実験タスクを指示されました。 彼らは、90％の精度が達成されるまで、作業記憶タスクの三つのタイプを練習するように知らされました。 参加者は実験の前日に実験室を訪問し、その夜実験室で寝ました。 二人のパートナー参加者は同時に実験を行った。 作業記憶タスクの三つのタイプは、同時脳波（EEG）記録（ベースライン）と翌朝午前7時30分から午前8時30分に行われました。 第二の脳波記録（36h-TSD）は、参加者が眠ることを許されなかった36-h期間の後に実施された。 実験時間全体にわたって、中枢抑制薬および覚せい剤は禁止されていた。 参加者は、tsdセッションを通して目を覚ましておくために、看護スタッフによって同行され、観察され、思い出された。

EEGの録音

連続的な頭皮のEEGはSynamps2アンプが付いている64の位置に置かれる電極の帽子を使用して10-20システムを使用して記録されました。 両側乳房（A1およびA2）を参考に使用し、額を地面として使用した。 脳波は1,000Hzで記録され、すべてのチャンネルのインピーダンスは5k ω以下に維持されました。 バイポーラ垂直および水平電気眼球図を記録するために、四つの追加の電極を左右の目の上下に配置した。

行動実験のデータ分析

技術的なエラーのために、二つのケースが削除され、他の14ケースは、以下の統計分析に含まれていました。 行動データには、平均反応時間、正しい速度、および単位時間あたりの正しい数が含まれていました。 ベースラインおよび36のh-TSDの状態の行動データは分析のために記録されました。 分析は、ＩＢＭ ＳＰＳＳ（Ｖ２ ２．2)、温室-Geisserを用いた反復測定分散分析（ANOVA）法がBonferroniポストホック分析が開始されたところ。 統計結果は、平均および標準偏差（Ｓ Ｄ）として提示された。

EEGデータ分析

スキャン4.3プログラムは、眼球運動のEEGアーティファクトが眼アーティファクト減少法によって補正されたEEGデータを分析す -100から800msの連続脳波データの範囲のエポックを抽出し、0.5から30Hzのバンドパスフィルタによって24dB/octの周波数勾配でフィルタリングしました。 電圧が±100μ vを超えた試験は拒否され、ベースラインは100ミリ秒の平均振幅に補正された。EEG成分は平均化され、補正された応答のみで計算された。 刺激試験のＥＲＰ成分Ｐ２（１ ０ ０〜２ ５ ０ｍ ｓ）、Ｎ２（１ ５ ０〜３ ５ ０ｍ ｓ）、およびＰ３（２ ５ ０〜４ ５ ０ｍ ｓ）を同定し、定量した。 Ｎ２およびＰ３成分の大平均ピーク振幅および潜時は、Ｆ３、Ｆｚ、Ｆ４、Ｃ３、Ｃｚ、Ｃ４、Ｐ３、Ｐｚ、およびＰ４で別々に計算され、Ｐ２成分は、Ｆ３、Ｆｚ、Ｆ４、Ｃ３、Ｃｚ、およびＣ４ ら、２ ０ ０ ６；Ｖｅｒｗｅｉｊ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2014).

反復測定ANOVAは、すべてのERP結果に対して採用されました。 主な効果と睡眠状態（ベースラインと36h-TSD）、タスク（発音ワーキングメモリ、空間ワーキングメモリ、およびオブジェクトワーキングメモリ）、領域（前頭、中央、および頭

結果

行動パフォーマンス

行動実験の結果を表1に示す。 平均反応時間は、増加する傾向を有するが、有意差なしにベースラインよりも36h-TSD状態で長かった。 ANOVAは、タスクの正しい速度がベースラインと36h-TSDの間で有意に異なっていたことを明らかにした。 単位時間あたりの正しい数は、36h-TSDの間に時間の有意な主な効果を示した。テーブル1

ベースライン時および36h-TSD後の2バックタスクのパフォーマンスデータ（平均±SD）。

振幅

ベースラインと比較して、P3の振幅に有意な減少が観察され、TSD後のP2の振幅に有意な増加が観察された。 N2振幅はTSDの36時間後に減少したが、その差は統計的有意性に達しなかった（表2）。テーブル2

ベースラインおよび36h-TSD後の複数の電極部位にわたる正しい応答条件におけるP2、N2、およびP3成分の壮大な平均ピーク振幅。

P2振幅に対する領域および部位の有意な主な効果は、TSD条件下で発見された。 TSDの間、P2の最大振幅は正面領域に現れた（図4）。 さらに、異なる領域（正面対中央）におけるP2振幅の差は、両側電極（左：P=0.001;右：P=0.000）において、中央電極よりも有意であった（図4）。 N2上の領域とサイトの重要な主な効果は、N2振幅が中央領域（P=0.008、図4）よりも正面でより負であり、左側（P=0.011、図5A2、B2）よりも右側で小さかったこ P3振幅に対するサイトの主な効果が観察された。 P3の振幅は、左側よりも中央でより正であった（P=0.009、図4）。 時間と領域の間の有意な相互作用効果は、P3振幅のために観察された。 TSDの間、P3振幅の減少は、頭頂部よりも前頭および中央部でより有意であった（P=0.005;P=0.003）（図5C3）。 他の主効果や相互作用効果は統計的有意性に達しませんでした。

レイテンシー

N2とP2のレイテンシーは、TSD後に有意に延長された。 P3潜時はTSDの36時間後に延長されたが、その差は統計的有意性に達しなかった（表3）。表3

ベースラインおよび36h-TSD後の複数の電極部位にわたる正しい応答条件におけるP2、N2、およびP3成分の壮大な平均ピーク待ち時間。

N2およびP3に対する領域の有意な主な効果は、N2-P3成分の潜伏期が前頭領域（P=0.002;P=0.000）および中央領域（P=0.000;P=0.000）よりも頭頂領域で短かったことを明らかにした（図4）。 P3波の潜時は、右側よりも左側の方が有意に長かった(図4)。

他の主な効果や相互作用の影響は統計的有意性に達しませんでした。

9つの電極サイトで誘発されたN2、P2、およびP3の振幅とレイテンシを図4に示します。 異なる睡眠条件(ベースライン、36h-TSD、および2つの条件の差)におけるワーキングメモリタスクの正しい応答の地形図を図5に示します。

Discussion

本研究では、2つの睡眠状態（ベースラインと36h-TSD）の行動データを同時に脳波記録と組み合わせて、作業記憶に36h睡眠不足の影響を報告し 結果の分析は、36時間TSD後の作業記憶障害に伴う行動データの変化：認知タスクの平均反応時間の増加および精度の低下を示した。

睡眠不足は、注意力のあるリソースの個人の制御を障害しました。 個人は睡眠不足の間に、反応時間と正しい速度を含む覚醒と仕事のパフォーマンスを維持しようとしましたが、情報の処理速度の低下のために作業記憶の情報処理能力は依然として影響を受けました（Casement et al. ら、２ ０ ０ ６；Ｗｉｇｇｉｎｓ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2018). 本研究では、作業記憶に関連するN2およびP3波を測定し、ベースライン測定値と比較して、睡眠不足後の遅延の増加および振幅の減少を示した。 研究は、睡眠不足が注意力の継続的な低下につながることを示しており、P3振幅の減少の現象は、個人の認知のトップダウン制御が徐々に崩壊するこ 睡眠不足は、認知機能、特に精神的または認知に依存するものに、より悪影響を及ぼす（Kusztor et al., 2019).

P3コンポーネントは注意リソースの展開を反映しており、P3の遅延は刺激の分類と評価のための時間ウィンドウとして広く見られています。 P3波振幅の減少はまた、TSD後のマッチング応答の意思決定がある程度損傷していることを確認した（Gosselin et al., 2005). 研究は、睡眠不足が作業記憶の情報処理段階に影響を与える可能性があることを示唆している。 この研究では、パフォーマンス指標はまた、標的刺激に対する応答時間が増加し、Ｐ３波の潜時が延長されたという結論を支持した（Ｃｏｔｅ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2008). P3コンポーネントに対する睡眠不足の影響は、p3コンポーネントが作業メモリ内容の更新に関連しているという以前の結論と一致する情報alterに応答

以前の研究では、n2成分は、個体が応答を抑制する能力を反映する電気生理学的指標と考えられている（Kreusch et al., 2014). 睡眠不足の後、Ｎｏｇｏ−Ｎ２成分の長期潜伏は、その個体の応答を抑制する能力が損なわれていることを示す（Ｊｉｎ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2015). 睡眠不足後の発音作業記憶に関連するN2成分の振幅の減少および遅延の延長は、睡眠不足が発音作業記憶の情報処理を損なうことを明らかにする(Zhang et al., 2019). Ｎ２成分は、一般に、脳の選択的注意および感情的刺激または信号の処理を反映すると考えられている（Ｓｃｈａｃｈｔ ｅ ｔ ａ ｌ． は、個人の精神状態、注意、および注意の程度に関連する内因性の構成要素である。 本研究では、N2成分の潜時が有意に延長されたが、振幅は減少傾向を示しただけであることがわかった。 以前の研究によれば、Ｎ２潜時の延長は、睡眠制限後の応答時間の増加を反映していた（Ｚｈａｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2014). しかし、Ｎ２振幅が有意に変化しなかったという発見は、脳補償応答によるものであった可能性がある（Ｄｒｕｍｍｏｎｄ ａｎｄ Ｂｒｏｗｎ，２ ０ ０ １）。 限られた認知資源の場合、障害された認知機能を回復させるための補償機構があった（Jin et al., 2015).

頭皮の地形によると、睡眠不足に関連するN2-P3成分の変化は、正面領域でより明白である。 前頭頂制御（ＦＰＣ）は認知制御において重要な役割を果たしている。 研究は、FPCがトップダウン認知制御を迂回することができ、個人が標的に関連する情報に焦点を当てることを可能にし、標的に関連しない情報を抑 ら、２ ０ １ １；Ｗｅｎ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2013). ＦＰＣは、作業記憶における情報保持および情報処理のために重要であり、睡眠不足後のＦＰＣの活性化の程度は、通常の睡眠群と比較して減少した（Ｍａ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2014). 脳波の結果は特定の脳領域の変化を詳細に反映していなかったが、作業記憶情報の保持と処理に対するTSDの効果を直感的に反映していた。

P2成分が根底にある正確な認知過程はまだ広く議論されているが、広い定義として、P2成分は注意と視覚処理のプロセスを反映しており、一般的に選択的注意と作業記憶に関連していると考えられており、知覚過程の早期判断を反映している（Saito et al., 2001). 本研究では、睡眠不足後のP2波振幅の有意な増加を見出した。 研究は、メッセージ処理のための初期の認知マッチングシステムの一部であり、記憶された記憶への感覚入力を比較することができるＰ２波が報告 ら、２ ０ ０ ７）は、任務の注意および作業記憶の要求の変化に敏感である（Ｓｍｉｔｈ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2002). 機能的補償は、人間の脳のユニークな機能の一つであり、認知機能を維持するための重要な要因です。 睡眠不足後の背外側前頭前野（ＤＬＰＦＣ）の過剰な活性化は、脳資源が減少するにつれて、ＤＬＰＦＣが代償機能を有するように見えることを示す（Ｄｒｕｍｍｏｎｄ ｅ ｔ ａ ｌ． 2004年ぽet al., 2005). したがって、我々は、この研究で観察されたP2振幅の有意な増加は、個人が睡眠不足の後に正常な認知機能を維持するように見える機能的補償に起因 睡眠不足が認知機能に及ぼす影響を調査するために多数の研究がERP技術を使用してきたが、N1やP2などの初期の成分は体系的に研究されておらず、結果は矛盾している(Evans and Federmeier,2007;Wiggins et al. ら、２ ０ １ ８；Ｚｈａｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2019). 睡眠不足の間のP2成分の変化を探る研究はほとんどない（Mograss et al., 2009). したがって、P2などのERPの初期構成要素に対する睡眠不足の影響は、さらに研究され、探求される必要があります。

この実験では、2バックモデルを使用して発音、空間、およびオブジェクトの作業記憶タスクを設計し、TSDの36時間後の作業記憶の障害を調べました。 睡眠不足が発音ワーキングメモリや応答阻害などの特定の認知機能などの特定の種類の情報に及ぼす影響のみに焦点を当てた以前の研究と比較して、ワーキングメモリモデルの内容を考慮し、睡眠不足がワーキングメモリに及ぼす影響を包括的に分析した。しかし、この研究にはいくつかの制限があります。

まず、2バックタスクのみを使用し、さまざまな困難の作業メモリタスクの参加者のパフォーマンスを比較することができませんでした。 したがって、作業負荷の変化の説明と推測には制限があります。 第二に、男性ボランティアのみが研究に使用され、女性ボランティアにそれらを拡張する際に結論を評価する必要があります。 参加者の数が限られているため、N2波の振幅が減少傾向にあり、P3波の潜時が長期の傾向にあることだけがわかりました。 参加者の数を増やした後、安定した結果が得られる可能性があります。 第三に、作業記憶のためのfMRIと我々の手順を組み合わせることは、結果のさらなる解釈を容易にすることができます。 これまでの研究では、概日バイオリズムが行動パフォーマンスに影響を与え、個人差があることが示されています（Montplaisir、1981;Lavie、2001）。 この実験では同時に脳波データを記録しなかったため、概日バイオリズムが試験結果に及ぼす影響を完全に排除することはできません。

この研究は、TSD後に作業記憶能力が損なわれ、この損傷は作業記憶の刺激内容と関連していないことを示した。 睡眠不足は、記憶に記憶されている情報の質を低下させ、これは注意の退行過程で起こる可能性がある（Ratcliff and Van Dongen、2018）。 本研究は、睡眠不足後の作業記憶障害の下でのメカニズムを理解するための電気生理学的証拠を提供する。 睡眠不足によって引き起こされる作業記憶障害の悪影響に注意を払い、そのような損傷に対する効果的な介入を探求する必要がある。

データ可用性ステートメント

この研究のために生成されたデータセットは、対応する著者への要求に応じて利用可能です。

倫理声明

人間の参加者を含む研究は、第四軍医大学Beihang大学によって審査され、承認されました。 患者/参加者は、この研究に参加するための書面によるインフォームドコンセントを提供した。

著者の貢献

YSは実験を設計しました。 ZPは結果を出し、原稿を書いた。 CDとLZはデータを分析し、解釈しました。 JTとYSは実験を行い、データを知り、この研究の保証人を知りました。 YB、LZ、JTはデータ収集に参加し、文献をレビューすることに貢献しました。 記載されているすべての著者は、最終的な原稿を読んで承認しました。

資金調達

この研究は、助成金No.2019YFF0301600およびHJ20191A020135の下で、中国の冬季オリンピック技術計画の国家科学財団によって支援されました。

利益相反

著者らは、この研究は、潜在的な利益相反と解釈される可能性のある商業的または財政的関係がない場合に行われたと宣言し