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前言
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入睡困难是一种普遍存在的问题，是睡眠不足导致的不良健康结果的重要原因。已证明与慢波睡眠振荡相位锁定的听觉刺激可以增强深度睡眠，但尚不清楚是否可以采用类似的方法来加速入睡。
本研究的随机对照交叉试验招募了客观验证的入睡潜伏期 (SOL) 大于 30 分钟的成年人，以测试在参与者入睡前特定阶段的 alpha 振荡发出的听觉刺激的效果。
作者使用可穿戴系统 Elemind 神经调节设备 (ENMod) 进行了一项连续多晚的随机对照交叉试验。ENMod 由一个可穿戴头带组成，头带上有 3 个 EEG 通道，根据 10-20 惯例大致对应于 Fp1、Fp2 和 Fpz，并由自定义智能手机应用程序控制。瞬时 alpha 相的计算是使用设备上实现的端点校正希尔伯特变换29完成的。在刺激周期间，系统被编程为在夜晚开始时提供30分钟的 alpha 锁相听觉刺激。在假性治疗周期间，头带静默记录EEG。该研究的主要目的是评估锁相听觉刺激对客观证实有入睡困难失眠症状的个体的入睡潜伏期（sleep onset latencies，SOL）的影响。详细工作于6月6日报道在了《自然·通讯》杂志。
SLEEPFAST研究设计
所有受试者的基线数据收集均在第 0 周进行，在此期间，参与者佩戴带有主动脑电图但没有音频刺激的头带并完成睡眠调查。随机分组后，每周收集四晚（周一至周四）的脑电图和调查数据，为期 2 周，测试条件为两种不同的条件：假性（无音频）和刺激。在研究期间持续收集活动记录仪。
Elemind 神经调节装置 (ENMod)
a. 用于控制该设备的智能手机应用程序的主 UI。用户通过眨眼测试获得有关电极接触的信息，以及每个额电极的实时信号质量。
b. 背面视图显示左耳罩参考电极 (L Ref)、记录电极 Fp1、Fpz 和 Fp2、接地电极“G”和骨传导驱动器。
c. 连接到织物头带的可拆卸处理器单元的正面 3/4 视图。显示左耳罩参考电极。
参与者流程
CONSORT 图表详细说明了整个研究过程中参与者的流程。所有不良事件均与皮肤与骨传导驱动器接触引起的轻微皮肤刺激有关。
粉红噪声脉冲起始点和偏移点与阿尔法活动的相位锁定精度
a~b. 所有可用数据日志（n = 60）的脉冲起始点(a)和偏移点(b)的平均相位误差的极化概率直方图和汇总圆形统计。
c. 所有可用数据日志的每个数据日志相位锁定值的概率分布。中位 PLV 由虚线垂直线表示。
纺锤波时间
a. 在假手术控制条件（白色）和锁相听觉刺激条件（紫色）下，个体受试者的第一纺锤波时间估计值。下方括号中的数字显示有效数据日志的数量（共 21 名受试者）。
b. 跨夜每周第一纺锤波平均潜伏期。使用数据点之间的连接线绘制个体受试者在不同条件下的趋势。平均睡眠开始潜伏期减少的受试者用实线连接；平均每周睡眠开始时间增加的受试者用虚线连接。
c. 由于锁相刺激（刺激-假手术）导致的每位受试者与假手术（无刺激）每周睡眠开始潜伏期估计值的差异。每周入睡时间较快的受试者为负值。
d. 幸存者图显示所有参与者在刺激（紫色圆圈）或假手术（白色圆圈）条件下的每周平均入睡时间。灰色阴影条表示 30 分钟刺激期（仅限刺激期）。
e. 受试者入睡时间的每周标准差（以分钟为单位）。入睡时间的标准差是根据两种条件下四个晚上记录的 EEG 数据计算得出的**表示p<0.05，***表示p<0.001。
通过腕戴式活动追踪器估计的入睡时间
a. 个体受试者在假手术控制条件 (白色) 和锁相听觉刺激条件 (紫色) 下的 SOL 估计值。下面括号中的数字显示有效数据日志的数量 (共 20 名受试者)。
b. 跨夜“每周”平均 SOL。使用数据点之间的连接线绘制个体受试者在各种条件下的趋势。平均入睡潜伏期减少的受试者用实线连接；平均每周入睡时间增加的受试者用虚线连接。
c. 由于刺激 (刺激-假手术) 导致的每位受试者与假手术 (无刺激) 每周入睡潜伏期估计值的差异。每周入睡时间较快的受试者为负值。
d. 受试者入睡时间的每周标准差 (以分钟为单位)。入睡时间的标准差是根据两种条件下记录的四个晚上的活动记录仪数据的可用数据计算得出的。*表示p<0.05，*** 表示p<0.001。
其他EEG特征结果
a. 假刺激治疗与刺激治疗相比，α 频率变异性 (AFV) 的变化。AFV 是在每个治疗的前 5 分钟内计算的。星号表示 P < 0.05。
b. 两种条件下所有治疗的前 30 分钟内主轴的发生情况，对参与者取平均值。线连接每个参与者的点。
结论
声学神经调节是一种相对较新的提高睡眠质量的方法，主要用于增强慢波 (N3) 睡眠。这些研究表明，以慢波频率发射声脉冲可通过影响后续振荡的功率以及主轴活动而产生神经调节作用。值得注意的是，神经调节效应似乎依赖于听觉刺激的相位特定呈现，在慢波睡眠期间应用经颅磁刺激(TMS)时也观察到了类似的相位依赖性效应。这些发现支持了以下一般观点：神经振荡反映了波动的兴奋性状态，这可以组织大脑中的时空信息流。在此框架下，可以预期刺激相对于振荡相位的时间会影响神经调节效应的大小或方向。
在该研究中，作者设置了刺激的时间，使得每个声音刺激的听觉诱发反应电位 (ERP) 与 alpha 振荡反相到达（即与 alpha 波谷同步）。由于听觉 ERP 在感觉处理延迟之后到达，因此需要根据固定的 ERP 延迟 ~ 62 毫秒定制听觉开始和结束的触发相位，以与每个受试者的个体 alpha 峰值频率 (IAF) 保持一致。这种方法类似于 MDD 中用于针对 alpha 波谷相的刺激方案，但不同于针对慢波峰值相的 SWS 刺激方案。这一选择基于以下观察结果：慢波功率与理想的睡眠结果呈正相关，而 alpha 功率与嗜睡呈负相关。但是，从我们的数据中无法确定这种目标相位选择的重要性。理想的目标相位也可能因受试者而异，这需要额外的调整。
最后，在数据收集过程中，原型 ENMod 设备本身的局限性被揭示出来，这为未来的设备设计提供了改进建议。发现 30 名受试者的数据质量不足以进行准确分析，主要是由于 EEG 通道上的信号丢失。重新设计头带以获得更好的接触，并使用不同的电极材料可以帮助缓解这个问题。此外，加入更多传感器和延长电池寿命将提高数据收集的质量和数量，并允许整晚记录。扩展该设备的睡眠跟踪功能还需要重新设计 EEG 采集硬件，由于存在 2 Hz 电子噪声，这需要 2.5 Hz 的高通滤波器设置。将信号质量提高到此值以下将大大增强系统检测慢波活动的能力，慢波活动是 NREM 第 3 阶段睡眠的特征。虽然粉红噪音具有广谱特性，使其成为引发听觉 ERP 的不错选择，但一些受试者报告称，在试图入睡时不喜欢粉红噪音。创建不同的调制声音设计也可能是提高性能和吸引更多用户的一种方式。
▼参考资料
[1] Bressler, S., Neely, R., Yost, R.M. et al. A randomized controlled trial of alpha phase-locked auditory stimulation to treat symptoms of sleep onset insomnia. Sci Rep 14, 13039 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-63385-1.
[2] https://elemindtech.com/
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END
编译 | 刘帅
来源 | Nature Scientific Reports
审核 | 医工学人
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