重复口服小剂量咖啡因对完全睡眠剥夺条件下视知觉检索能力的影响

　　第四军医大学学报2000年第21卷第1期

杨朝辉　皇甫恩　刘宁　陈足怀

　　摘　要：目的　研究睡眠剥夺(SD)与咖啡因在SD条件下对视知觉检索(VCS)能力的影响.方法　采取随机三盲2×10析因设计，12名健康男性（18～20岁）为被试，进行60 h完全睡眠剥夺(TSD)，用VCS测验研究SD条件下重复口服小剂量咖啡因的保护作用.结果　①SD使VCS的正确反应减少，错误反应增加，同时明显延长反应时；②咖啡因在SD条件下可使VCS的正确反应明显增加，错误反应明显减少，但对反应时没有明显影响.结论　重复口服小剂量咖啡因在60 h TSD条件下对VCS能力有明显保护作用.

　　关键词：睡眠剥夺；咖啡因；视知觉检索

　　0　引言

　　睡眠剥夺（sleep deprivation, SD），指持续24 h以上的时间内完全没有睡眠（total sD, TSD）或睡眠量不足正常的6～8 h（partial SD, PSD）. SD可对注意、记忆、思维及情绪等心理功能产生不同程度的负性影响，如出现微睡眠（microsleeps）、注意错漏（lapses）增加、反应时延长、工作绩效降低以及情绪状态恶化等，甚至可能造成严重的灾难^［1-3］.比如美国三里岛核泄露事件、印度博帕毒气泄露事件等均与监控人员睡眠不足所致的能力下降有关^［4］. sD的对抗措施主要有睡眠管理（如小睡naps）、药物应用（如咖啡因caffeine、酪胺酸tyrosine、莫达芬尼modafinil等）、工作调整以及体育训练等^［1,5-11］. 药物应用研究主要集中在24 h SD中咖啡因的作用上^［5-10］.人服用小剂量咖啡因（50～200 mg）可以兴奋大脑皮层，使睡意消失，疲劳减轻，精神振奋，思维敏捷，工作效率提高^［12］.因此，我们以60 h TSD中重复使用100 mg咖啡因为条件，研究SD对视知觉检索（visual cognitive search，VCS）的影响和咖啡因对VCS的保护作用.

　　1　对象和方法

　　1.1　对象　共12名，2名18岁，10名20岁，均为军校本科二年级男学员，身心健康，睡眠/觉醒正常，不吸烟，不嗜酒，不饮浓茶，近1 mo内未饮用咖啡因类饮料，自愿参加实验，并填写书面同意书.

　　1.2　方法　VCS测验共20题，由计算机随机呈现，每题由0～9十个数码中的9个随机排序组成数字串，而随机缺少其中一个数码，要求被试迅速用小键盘输入所缺数码.如超过规定时间（9 s）自动呈现下一串数码.指导语要求被试在保证正确率的前提下做得越快越好. VCS的评价指标为正确反应（right reactions, RRs）、错误反应（wrong reactions, WRs）、遗漏反应（missing reactions, MR_S）、反应时间（reaction time, RT）.实验采用随机三盲2（咖啡因caffeine、安慰剂placebo）×10（SD测量点）析因设计.12名被试随机分配至A、B两个实验组中，每组6名，其中一组为咖啡因组，一组为安慰剂组.所有被试分别于SD第2日02:00，第3日02:00及14:00（SD 20 h，SD 44 h，SD56 h）等24 h节律低谷期^［13］前1 h左右口服药物胶囊一粒.咖啡因组胶囊内含有100 mg咖啡因，安慰剂组胶囊内为淀粉.胶囊外观、重量完全相同，被试、主试及数据处理者均不能区分.整个实验期间对被试进行10次测量，包括基础值（baseline），SD15 h, SD 21 h, SD 27 h, SD 33 h, SD 39 h, SD 45 h, SD 51 h, SD 57 h以及恢复值（recovery）.被试在正式实验前1 wk内熟悉计算机操作以排除练习效应，同时适应实验室环境. sD前1 d测量基础值. 经过两夜适应性睡眠后，SD于周五06:00开始，周日18:00结束，共60 h. SD期间除心理测量外，被试可以自由活动，但不能离开实验室. sD结束时用问卷形式要求被试、主试对用药情况进行判定.两夜恢复性睡眠之后测量恢复值.

　　实验室为被试提供5个房间，2个供测量用，2个供娱乐用，1个供餐饮用.试验期间为被试提供娱乐设施及餐饮服务. 由2名医生和10名心理学工作者分两批轮流对被试进行保健、观察，不允许通过刺激性手段（如呵叫被试的姓名等）使进入微睡眠的被试觉醒.试验期间禁止服用所有含咖啡因以及其它兴奋物质的饮料、食品.

　　统计方法： 所有数据用SPSS软件包进行处理，采用析因分析、单因数方差分析、以及Student-Newman-Keuls检验等.

　　2　结果

　　所有被试顺利通过SD实验，没有观察到咖啡因的毒副作用，如激动不安、心悸、手颤等^［12］，这说明在60 h TSD中重复3次使用100 mg咖啡因是安全的.数据处理完毕后揭示用药结果，A组为咖啡因组，B组为安慰剂组.咖啡因组有4人认为服用安慰剂，而安慰剂组有2人认为服用咖啡因.主试中未有1人对12名被试用药情况判断完全正确，这说明三盲效果良好.

　　2.1　2×10析因分析　将所有被试的测验结果（正确反应、错误反应、遗漏反应以及反应时）进行2×10析因分析，结果见Tab1.

表1　所有被试2×10析因分析结果

　　tab 1　Results of 2×10 factor analysis of all subjects

(n=12)

　　Tab 1的结果表明：①咖啡因对正确反应和错误反应有显著影响，但对遗漏反应和反应时无明显影响；SD对正确反应、错误反应无明显影响，但对遗漏反应和反应时有明显影响.②咖啡因和SD在正确反应、错误反应、遗漏反应和反应时上都不存在交互作用.

　　2.2　所有被试单因素方差分析　由于咖啡因和SD之间没有交互作用，所以可以分别以服药情况和SD为处理因素，对所有被试的测量结果进行单因素方差分析，进一步明确咖啡因、SD对VCS能力的影响.结果见Tab 2.

表2　所有被试单因素方差分析结果

　　tab 2　Results of simple ANOVA of all subjects

（n=12）

　　Tab 2的结果表明：①咖啡因组和安慰剂组在正确反应和错误反应上有显著差别.咖啡因组均值分别为19.085±1.119和0.497±0.561，安慰剂组均值分别为18.328±1.781和1.017±1.147，即咖啡因组正确反应明显高于安慰剂组，错误反应明显低于安慰剂组.在遗漏反应和反应时上咖啡因组和安慰剂组没有显著差异.②SD时间对正确反应和错误反应没有显著影响；但对遗漏反应和反应时有显著影响. student-Newman-Keuls检验在遗漏反应上没有发现不同SD时间间有显著差异，而在反应时上发现SD27 h, SD 15 h, recovery, SD 21 h都分别和SD 51 h有显著差异，其均值分别为（2901±252）ms,（2908±252）ms, （2918±315）ms, （2934±299）ms和（3292±152）ms，即SD51 h反应时明显长于SD 27 h, SD 15 h, recovery, SD 21 h.

　　2.3　咖啡因组内和安慰剂组内不同SD时间间的比较　为了进一步明确单纯SD对VCS影响和服用咖啡因条件下SD对VCS影响，我们以SD为处理因素，分别对咖啡因组和对照组进行单因素方差分析，结果如Tab3所示.

表3　咖啡因组及安慰剂组方差分析结果

　　tab 3　Results of ANOVA of group caffeine & group placebo

(n=6)

　　Tab 3结果表明：①安慰剂组被试在正确反应、错误反应、遗漏反应、反应时上都没有显著差异，即安慰剂组被试的VCS在整个SD实验期间无显著差异.②咖啡因组被试在正确反应、错误反应、和遗漏反应上均无显著差异，而在反应时上有显著差异. stuedent-Newman-Keuls检验发现SD 15 h和SD 51 h有显著差异，其均值分别是（2808±300） ms和（3420±76） ms，即咖啡因组被试在SD 51 h时VCS速度明显比SD15 h减慢.

　　2.4　咖啡因组和安慰剂组在各个SD时间上的比较　结果3是采用同一被试自身前后对照来说明咖啡因和SD的作用的.我们还可以以用药情况为处理因素，对各个SD长度上咖啡因组和对照组成绩进行单因素方差分析，来进一步明确咖啡因和SD的作用.结果分别见Fig 1～4.

图1　正确反应在睡眠剥夺中的改变

　　fig 1　Changes of right reactions (RRs) during sleep deprivation (SD)

图2　错误反应在睡眠剥夺中的改变

　　fig 2　Changes of wrong reactions (WRs) during sleep deprivation (SD)

图3　遗漏反应在睡眠剥夺中的改变

　　fig 3　Changes of missing reactions (MRs) during sleep deprivation (SD)

图4　反应时间在睡眠剥夺中的变化

　　fig 4　Changes of reaction time during sleep deprivation (SD)

　　从Fig 1可见咖啡因组和安慰剂组仅在基础值之间表现出统计学差异，与SD15 h和recovery综合分析则表明这一差别只能反映出安慰剂组的练习效果较差，到SD15 h时已经没有实际意义.咖啡因组的图形基本呈水平线，正确反应在整个SD期间基本维持在基础水平；而安慰剂组则有一定的波动，并且出现两个低谷.这表明SD可以减少正确反应，而咖啡因可以对抗SD的这一作用，但没有统计学意义.

　　Fig 2与Fig 1相似，所不同的是在Fig 1的低谷位置Fig 2表现为高峰，并且在SD39 h和SD 57 h时表现出统计学差异，这表明SD可以增加错误反应，而咖啡因可以明显对抗SD的这一作用. fig 3表明两组间遗漏反应在不同SD长度上没有显著差别.由于均值均在1以内，所以统计学和实际上都没有意义，故在讨论中予以略去. fig 4与Fig 1恰好相反，安慰剂组呈水平线，在SD 45 h处出现小高峰并得以维持，而咖啡因组呈上升趋势，在SD51 h处达到高峰并与安慰剂组表现出统计学差异.

　　3　讨论

　　3.1　SD对VCS的影响　结果1～3均表明SD可以减少正确反应、增加错误反应，但没有统计学意义，这是指导语“在保证正确的前提下越快越好”的要求的结果.结果1和结果2都表明SD可以明显延长反应时. 结果2中SD 27 h、SD15 h、recovery及SD 21 h均与SD 51 h有显著差异，而结果3中只有咖啡因组内SD15 h和SD 51 h之间有显著差异，安慰剂组内没有显著差别.这说明样本量的作用，所有被试（n=12）的统计能力大于咖啡因组（n=6）和安慰剂（n=6），结合Fig4可以进一步明确这一点. 以上分析说明SD可以明显降低VCS的速度，对准确性也有一定的影响.

　　3.2　SD条件下咖啡因对VCS的保护作用　所有的结果都表明咖啡因对反应时没有明显影响，即咖啡因对VCS速度没有影响.结果1和结果2都表明咖啡因可以显著提高正确反应，而Fig 1表明在相同SD时间上咖啡因组和安慰剂组没有显著差别，这说明重复口服小剂量咖啡因的保护作用仅表现在60 h TSD期间所有测验的总体上. 错误反应在SD 39 h，SD 57 h处表现出明显的保护作用.这表明SD条件下咖啡因的保护作用是明显提高VCS准确性.

　　3.3　与国外文献的比较　Penetar D进行的药代动力学研究发现SD条件下单次应用咖啡因血药浓度30 min就明显升高，90 min就达到高峰，并可以维持12 h，而且随SD时间延长，咖啡因的代谢逐渐减慢^［9,10］. Bonnet等^［8］研究发现咖啡因保护作用有明显的半衰期（约6 h），并能在SD期间较多的测量点上发现显著差异.我们的实验中药效动力学变化较大，第1次服用咖啡因后19 h（SD39 h）时咖啡因组第一次表现出与安慰剂组的显著差异；第2次服药后12 h内未发现显著差异；第3次服药1 h后（SD 57 h）咖啡因组第2次表现出与安慰剂明显差别；而且我们发现的保护作用主要表现在重复小剂量咖啡因对整个SD期间总体成绩的影响上.我们实验的结果与国外文献报道的有很大的不同，可能的原因是：①测验性质、难度的不同；②咖啡因用量的不同，我们的用量较小； ③体型、人种、甚至肝酶的不同；④日常生活中咖啡因摄入量的不同.我们尚不能肯定哪一种原因是主要的，这有待于进一步研究的探讨.

　　基金项目：全军指令性课题(96L050)

　　作者简介：杨朝辉(1972-)，男(汉族),山西省芮城县人. 硕士生(导师皇甫恩，苗丹民). Tel. （029）3374816（O）　Email. psych@fmmu.edu.cn杨朝辉（第四军医大学航空航天医学系心理学教研室，陕西西安 710033)

　　皇甫恩（第四军医大学航空航天医学系心理学教研室，陕西西安 710033)

　　刘宁（第四军医大学航空航天医学系心理学教研室，陕西西安 710033)

　　陈足怀（第四军医大学航空航天医学系心理学教研室，陕西西安 710033）

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