计算机科学研究人员提出了一种方法，仅使用单电极心电图即可实现与专家级多导睡眠监测相当的结果。这一突破不仅简化了通常昂贵且不切实际的过程，还揭示了心脏与大脑之间比以往认识更深层的联系。
优质睡眠对于生存至关重要，就像食物和水一样。尽管我们大约三分之一的时间都在睡觉，但睡眠的本质仍然是一个科学谜团。
然而，专家们并没有闲着，试图理解它。
多导睡眠监测，或称为睡眠分析，采取多种信息收集方法来诊断睡眠障碍，包括脑活动（来自脑电图或EEG）和心脏功能（通过心电图或ECG）。这通常涉及患者在诊所内睡觉时连接多个传感器和电线，环境并不最为放松。
但如果同样的测试可以在家中进行，且精确度相同并实时监测呢？
南加州大学的研究人员首次开发出一种方法，仅使用单电极心电图就能与专家级多导睡眠监测相媲美。这个开源软件使任何具备基本编码技能的人都能创建一种经济实惠的DIY睡眠监测设备。
“多年来，研究人员一直在寻求更简单、更便宜的睡眠监测方法，而不需要繁琐的设备，”首席作者亚当·琼斯表示，他最近获得了南加州大学的博士学位。“历史上，表现不佳，甚至在理想情况下，都表明这是不可能的，监测脑活动是必不可少的。我们的研究表明，这个假设已经过时。”
研究人员指出，这个模型在准确识别睡眠阶段方面达到了最高水平，还超越了那些不使用EEG的其他模型以及商业睡眠监测设备。“我们的目标是创建一个系统，以解决当前方法的局限性，并满足对睡眠分析提高可及性和经济性的需求，”琼斯解释道。
这项研究于2024年6月发表在《生物与医学中的计算机》期刊上，合著者包括计算机科学教授及琼斯的导师劳伦特·伊蒂，和在休斯顿大学工作的南加州大学校友及电气工程师巴文·舍思。两人与琼斯已有多年合作。
心脏是否引领方向？
睡眠是认知衰退的重要指标，随着年龄增长，睡眠时间往往变得更短、更易打扰——这一趋势已被过去的研究和研究人员的神经网络证实。有趣的是，这一衰退可能比预期的更早开始。发表在《神经学》杂志上的研究表明，30多岁和40多岁时经历更多睡眠干扰的人在十年后面对记忆问题的可能性超过两倍。
此外，持续的睡眠不好可能导致β淀粉样蛋白斑块的积累，这是一种阿尔茨海默病的重要指标。
“这有点令人担忧，”琼斯坦承，他在2010年开始进行睡眠研究作为爱好之前，一直持有“我死后再睡”的心态。“这就是为什么我渴望这些干预措施能迅速实施并向所有人开放。这款软件可能有助于揭示我们夜间睡眠期间发生的事情。”
研究人员利用一个广泛且多样化的数据集训练了他们的模型，该数据集包含来自年龄在5到90岁之间的受试者的4000个记录，仅依赖心脏数据和深度学习神经网络。经过广泛的实验，他们确定他们的自动化仅使用ECG的系统可以和传统的“金标准”多导睡眠监测一样有效地评估睡眠。这个模型成功地区分了所有五个睡眠阶段，包括快速眼动（REM）睡眠——对记忆保持和情感平衡至关重要——以及非REM睡眠，尤其是深睡眠，这对身体和心理的恢复至关重要。
这一创新不仅简化了通常成本高昂且复杂的程序，还表明心脏与大脑之间的联系比之前已知的更为紧密。它强调了自主神经系统的角色，连接着这两个器官。
“心脏与大脑之间的联系复杂且尚未完全理解，本研究旨在弥补这一知识空白，”琼斯说道。“我们的发现中有大量证据表明，心脏可能实际上扮演着主导角色。”
这项工作还可能增强偏远社区的睡眠研究，提供对睡眠的目的和起源的见解。
在正在编写的后续研究中，琼斯计划深入探讨网络通过ECG数据揭示的信息。“我相信心脏内有大量未被探索的信息，”他说。
