睡眠在维持生命、生理功能以及人脑发育和认知能力方面发挥着至关重要的作用。青春期是睡眠模式发生显著变化的关键阶段，常表现为睡眠时间缩短、入睡时间推迟以及昼夜节律的重塑。这些可预测的转变通常与神经系统的持续发育过程相一致，而这些系统在支持认知功能发展、为成年期生活做好准备方面至关重要。因此，探索睡眠特征与脑发育之间的潜在联系，尤其是其对认知发展的影响，具有重要意义。尽管成人群体中关于睡眠的神经机制已有较多研究，但青春期，特别是青春期早期个体的睡眠神经表征仍缺乏系统性探究。
2025年4月16日，华东师范大学心理与认知科学学院马庆研究员在生命科学领域国际权威期刊Cell Reports（中科院大类一区Top期刊）在线发表题为 "Neural correlates of device-based sleep characteristics in adolescents" 的研究论文。该研究基于3222名11至12岁青少年，利用腕戴设备采集的客观睡眠特征，结合机器学习方法，识别出与不同睡眠模式相关的脑结构与功能连接特征，并进一步探讨了这些睡眠模式对多项认知能力发展及学业成绩的影响。
本研究基于美国“青少年脑与认知发展”（Adolescent Brain and Cognitive Development，ABCD）项目的5.0版数据库展开。研究将3,222名11至12岁的青少年作为发现样本，另选取1,190名13至14岁的青少年作为验证样本。数据涵盖了被试的85个脑区体积、282条脑功能连接、18项腕戴设备记录的客观睡眠特征，以及多项认知表现和学业成绩等信息（见图1）。
图1. 样本信息
首先，研究团队在高维空间中揭示了睡眠与脑之间关联的两个关键维度。这两个关联维度所涉及的睡眠特征与脑结构/功能特征各不相同。第一个关联维度主要表现为：入睡时间更晚、总睡眠时间更短、夜间觉醒次数更多、浅睡阶段时间更少（见图2）。与之显著相关的神经表征包括：初级/联合皮层网络与皮层下区域之间的广泛功能连接减弱，以及初级网络内部及其间的部分功能连接相对增强（见图3）。
图2. 睡眠-脑的双维关联及相关睡眠特点
第二个关联维度主要特征为：睡眠期间心率较高，浅睡眠时长较短（见图2）。与该维度显著相关的神经表征包括：与第一关联维度相比，较少脑区体积减小，主要涉及海马体、侧枕区、舌回、缘上区及杏仁核；此外，皮层与皮层下区域之间的功能连接以及皮层各网络之间的功能连接也呈现显著减少（见图3）。
图3. 睡眠-脑双维度关联下的脑体积变化与功能连接模式
随后，研究团队进一步基于睡眠相关的脑特征，识别出三类具有差异性特征的青少年亚组。第一组约占总参与者的39%，其平均睡眠时长为7小时10分钟，通常入睡时间最晚，起床时间最早。第二组约占24%，平均睡眠时长为7小时21分钟，各项睡眠指标最接近整体样本的平均水平。第三组占比为37%，平均睡眠时长为7小时25分钟，通常入睡时间最早，且睡眠期间心率较低（见图4）。尽管各组在学业成绩上未显示出显著差异，但在词汇、阅读、问题解决和注意力等认知测试中，第三组的表现优于第二组，第二组则优于第一组。此外，第三组的脑体积最大，皮层-皮层下平均功能连接强度最强；相对地，第一组的脑体积最小，皮层-皮层下平均功能连接强度最弱（图4）。
图4. 三种不同生物亚型及其睡眠模式和认知表现
而且，这种组间睡眠模式、脑结构和功能以及认知能力方面的异同，从青少年9-10岁至13-14岁均持续存在，体现出一定稳定性(图5)。
图5. 三种生物亚型青少年认知能力的纵向变化以及脑体积和功能网络连接的发展
综上，该研究可重复性地揭示了两个不同的关联维度，表现为特定的脑结构特征和功能网络连接模式，与特定的青少年的客观睡眠特征密切相关，从而描绘出多维睡眠特征的神经基础。值得注意的是，研究团队在普通青少年群体中识别出三种基于睡眠相关脑特征获得的生物学亚型。这些假定的亚型在脑功能和认知表现上呈现出显著且稳定的差异，具有潜在的临床应用价值，并为通过优化睡眠行为以促进青少年认知发育提供了重要依据。
本研究论文的第一作者为华东师范大学心理与认知科学学院马庆研究员，通讯作者为复旦大学类脑智能科学与技术研究院程炜研究员。复旦大学类脑智能科学与技术研究院冯建峰教授，复旦大学类脑智能科学与技术研究院 、英国剑桥大学精神病学系Barbara J. Sahakian教授，复旦大学华山医院郁金泰教授，上海交通大学新华医院李斐教授，复旦大学类脑智能科学与技术研究院博士后张蓓博士，复旦大学类脑智能科学与技术研究院博士生李泽雨等为研究作出重要贡献。该工作得到美国青少年脑认知和发展（ABCD）数据集的支持，国家重点研发计划项目（2023YFC3605400）和国家自然科学基金委（82472055）的支持。
剑桥大学官方网站对此研究工作做了专题报道：
https://www.cam.ac.uk/research/news/adolescents-who-sleep-longer-perform-better-at-cognitive-tasks
论文信息：
Ma, Q., Sahakian, B., Zhang, B., Li, Z., Yu, J., Li, F., Feng, J., Cheng, W.* (2025). Neural correlates of device-based sleep characteristics in adolescents. Cell Reports, 44(5), p.115565. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.115565
原标题：马庆和复旦大学程炜团队合作在 Cell Reports 发文揭示青少年睡眠模式的神经表征
本文转载于微信公众号：华东师范大学心理与认知科学学院（ID：gh_5c0d08a2a227），转载引用请注明原出处
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