皮层功能连接可指示自然睡眠或麻醉下的不同觉醒状态

方  法

METHODS

 本文纳入了五位经神外手术植入经颅皮层电极的被试，记录皮层脑电（ECoG）。每位被试均先后采集睡眠及麻醉数据。

    睡眠数据采集时，使用多导睡眠记录仪，通过肌电（EMG）、经颅EEG、眼电及视频等数据，由两名经系统训练的研究人员对不同状态进行区分：清醒（WS），N1，N2，N3，REM。

    麻醉数据采集时，使用警惕性/镇静(OAA/S)量表评估意识，同时每分钟手动记录一次双谱指数(BIS)。根据OAA/S将麻醉分为三种状态：清醒-用药前(WA)，镇静/有反应(S;OAA/S≥3)，镇静/无反应(U;OAA/S≤2)。维持丙泊酚输注速度在50 – 150 μg/kg/min，每分钟记录一次被试的血浆丙泊酚浓度估值。

    使用解调频带变换（demodulated band transform, DBT）对ECoG数据进行时频分析。计算每个电极对的去偏加权相位滞后指数（debiased weighted phase lag index, wPLI）来衡量皮层功能连接。对比同一患者自然睡眠和丙泊酚麻醉前后不同觉醒状态下的功能连接。

    感兴趣区域（region of interest，ROI）之间的功能连接为两个ROI中所有记录位点之间wPLI值的平均。

    差异基准分析：先计算邻接矩阵之间的差异，再计算差异矩阵的算子范数 (d)来量化连接状态的变化：d值越小表示矩阵越相似。

    五位被试电极位置有些许不同，但均基本覆盖前额叶、颞叶、顶叶（图1a）。

    多导睡眠图及视频用于区分睡眠状态。每名被试的记录时长在284-584 min（平均481min）。失去反应时的平均丙泊酚血浆浓度为2.31 μg/ml ( 1.71–3.01 μg/ml). OAA/S 评分与BIS值有良好的一致性。WA, S和U状态的平均BIS值分别为92（83-98）, 77.5 (45–88) 和45 (41–68)。使用OAA/S评估并不会影响觉醒状态（OAA/S前后的BIS值并无显著差异）。

    WS和WA的PSD曲线表现为安静闭眼时的典型曲线，即功率（power）随频率升高而下降，并在α和β波段出现一个宽峰（图1b, c）。

    WS和N1之间不同频段的平均功率仅在个别ROI有较小差异，而WA和S之间不同频段的平均功率在所有ROI区域均无显著差异（图2）。但当进入N2或S阶段后，PSD出现了明显的频段和脑区分布的特征性改变。N2时δ波功率出现全脑的广泛升高，而N2时α波功率仅在个别ROI升高。U状态下，δ波功率在前额叶和感觉运动区有显著升高，α波功率在PFC区也有选择性升高，这与前人报道一致。然而，无论是α还是δ频段的功率谱均无法区分不同觉醒状态。

▲ 图 1

▲ 图 2

    因PSD中α频段的表现突出，因此作者以α波为例，先计算每对记录位点之间的邻接矩阵（图3a），之后转换为基于ROI的邻接矩阵（图3b），并基于此计算连接和弦图（图3c）。在清醒状态（WA, WS）中，α频段最强的功能连接位于颞叶（图4），N1、REM和S阶段也如此。然而在N2和U阶段，α频段最强的功能连接则位于前额叶内及前额叶与其他ROI之间。而在3名有N3的被试中，这种改变在N3阶段更为明显（图5）。其他频段的功能连接在不同状态下的改变不是很显著（此处未展示图）。

▲ 图 3

▲ 图 4

▲ 图 5

    从以上初步分析可以看出，当被试从有反应（WS，WA，S）或有可知觉的意识活动（N1，REM），向无反应或无意识状态（N2，N3，U）切换时，α频段功能连接的变化最为显著。但因图4是每位被试的平均结果，并且只展示了强度为前10%的功能连接，需要进一步的分析进行确证。

    作者对所有被试每次实验的数据进行了差异基准分析，发现在α频段内，dWS,N1 < dN1,N2，dWA,S < dS,U，dWS,REM ＜ dREM,N2，但在γ和δ频段内未发现前两个现象。

    作者通过分类分析（图6）进一步明确α频段功能连接谱区分两种意识状态的性能。使用WS和N2这两种改变最明显的状态进行分类器训练，再用所有自然睡眠的数据进行验证。用0（N2样状态）和1（WS样状态）来对不同状态进行逻辑赋值。训练结果表明，WS、N1、REM、WA均被分为WS样状态，N2、N3则被分为N2样状态（图6a）。随后将该分类器应用到麻醉数据集中，发现WA被分为WS样状态，U被分为N2样状态，S则居中。该结果在每位被试及每次实验期间均一致。而之前使用差异基准分析时并未得出U与N2相似的结论。

    两个分析的结果共同表明，觉醒状态下降时，α频段功能连接强度发生显著变化；而分类分析进一步表明睡眠与麻醉部分状态相似。

▲ 图 6

    从图4可以看出，睡眠及麻醉时功能连接均是首先在颞顶叶增强，随后向前额叶迁移。而之前的证据表明，意识相关的神经活动主要与大脑后部的活动相对应，特别是涉及颞顶枕叶的广泛区域，并不包括额叶。因此作者进一步对不同觉醒状态下功能连接的空间分布特征进行了分析。

    作者将ROI分为后组（包括颞顶枕叶的ROI）和前组（所有额叶的ROI），随后计算各组内每对ROI之间的α频段的wPLI的均值，进而分析每位被试不同觉醒状态下的空间分布差异（图7a）。可以看出，在睡眠及麻醉状态下，随着觉醒程度的下降，较强的功能连接普遍发生了从后向前的迁移，而WS向N1或WA向S切换时则未发生明显迁移，REM与N2的功能连接分布差异较大而与WS更相似。对每位被试数据进行单独分析的结果也类似。因此α频段的功能连接在从WS向N2切换及WA向U切换时均表现出了从后向前迁移的空间分布特征。

    在以往对睡眠或麻醉的fMRI或EEG的研究中，远程皮质-皮质功能连接在LOC时是增强还是减弱仍存在争议。因此作者计算了每位被试欧氏距离最远的记录位点之间α波的wPLI，以进一步分析不同觉醒状态下皮质-皮质远程功能连接（图7b）。作者发现，觉醒状态下降时远程功能连接有轻微升高（将N2、U与WS、WA、N1、S进行对比），REM相对于WS则显著下降，而在WS向N1或WA向S切换时无显著改变。

▲ 图 7

结 论

CONCLUSION

不同的觉醒状态有不同的功能连接模式。睡眠和麻醉时功能连接模式有部分相似之处，提示皮层的功能网络模式可能可以指示意识状态的切换，对准确预测麻醉后觉醒有重要意义。

编   译：邱    越

   排   版：赵萌萌   

校   审：方    芳

              缪长虹