杨建军教授团队述评 | 把脉大脑节律，助力围术期脑健康

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把脉大脑节律，助力围术期脑健康

潘韦彤1 纪木火2 杨建军1

1 郑州大学第一附属医院麻醉与围术期医学部

2 南京医科大学第二附属医院麻醉科

通信作者：杨建军

Email: jianjunyang1971@163.com

基金项目：国家自然科学基金（82171189，82172131）

自然界和生物机体中广泛存在节律，如一年四季、昼夜节律、激素分泌节律、心脏节律等。同样，日常的脑活动也有其规律性，常以节律性脑电信号即正常脑电波进行表达。常见的脑电波波形有经典的delta波、theta波、alpha波、beta波和近期研究中发现并关注的gamma波、ripple波和纺锤波等。各种脑电波叠加整合后形成脑电图（electroencephalogram， EEG），可反映脑功能的状态。

脑健康是指脑的结构与功能处于完好状态，并对内外环境变化具有良好的适应和调节能力。正常的脑电节律是围术期脑健康的必要条件［1］，而异常的脑电信号及节律则提示脑功能受损。围术期脑功能障碍主要包括围术期神经认知障碍（perioperative neurocognitive disorders， PND）、疼痛、睡眠障碍、焦虑和抑郁等［2］(图1)，可导致患者住院时间延长、医疗消耗增加、就医体验与预后较差以及家庭与社会负担加重。越来越多的研究表明，靶向调控脑电节律可以逆转病理性脑功能状态，优化围术期脑健康管理［3］。本文总结分析常见围术期脑功能障碍的脑电波及其节律特点和针对异常脑电活动的干预，期望达到预防和治疗脑功能障碍、维护围术期脑健康的目的。

焦    虑

焦虑是一种不良情绪，通常指对即将发生的事件或结果不确定的事情感到不安，围术期患者可因对疾病及手术担心等原因引发焦虑。严重的焦虑症状会影响患者的整体状况，也可导致如PND、疼痛耐受度降低、残疾等一系列并发症。焦虑状态下的脑电波会出现异常变化。动物实验证实，焦虑模型小鼠腹侧海马区中theta波功率增加、theta-gamma波耦联增强［4］；血管紧张素Ⅱ可干扰成年小鼠前穿质通路-齿状回通路参与的theta-gamma波耦联，从而诱发焦虑症状［5］。对焦虑患者的脑电活动进行监测，结果显示不同类型的焦虑在静息和发作时都有alpha波功率异常［6］。伴有焦虑样表现的注意缺陷多动障碍和强迫症患者在静息状态下脑gamma波功率增加，而抑郁和焦虑共病患者的前额叶、杏仁核和海马体中也会出现异常脑电信号［4］。

多种方式均可针对性调控焦虑相关的异常脑电波，如药物和非侵入治疗。抗焦虑药物普瑞巴林可降低不同焦虑模型鼠海马区theta波功率，使delta波和慢波主导脑电活动，缓解焦虑样行为［7］。脑深部电刺激（deep brain stimulation， DBS）治疗可逆转药物诱导的焦虑模型小鼠脑中异常节律，使海马区脑电波趋于正常［8］。经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation， tDCS）可通过降低前扣带回theta波和顶叶alpha波的功率来缓解重度抑郁障碍患者的焦虑症状［9］。这些研究结果表明，调控围术期焦虑患者脑电活动是缓解焦虑样行为和维护围术期脑健康的重要方法。

睡眠障碍

围术期患者常因精神紧张或环境变化出现短期或长期睡眠障碍，严重的睡眠障碍能诱发PND或阻塞性睡眠呼吸暂停（obstructive sleep apnea， OSA）等疾病［10］，不利于患者术前准备和术后恢复。合并术后谵妄（postoperative delirium, POD）的睡眠障碍患者认知损伤风险增加，EEG记录显示睡眠状态下alpha波功率降低、纺锤波异常［11］。OSA表现为睡眠结构异常、呼吸功能受损，患者可因为缺氧、炎症、氧化应激等因素增加PND的风险。OSA患者在睡眠中脑beta波功率广泛性降低，其中重度OSA患者在睡眠阶段纺锤波异常、快速眼动期睡眠期delta波功率增加、非快速眼动期睡眠期gamma波活动增加［12］。老年及精神疾病患者住院期间对新环境的适应能力下降，睡眠障碍风险更高。患者处于精神分裂症前驱期时，睡眠-觉醒周期中出现广泛的脑电信号紊乱，如睡眠中beta波及纺锤波功率降低、gamma波功率增高。帕金森患者并发睡眠障碍时，非快速眼动期睡眠阶段的纺锤波和delta波功率降低、快速眼动期睡眠阶段的theta波和alpha波功率增加、清醒状态下的beta波活动异常［13］。以上的异常脑电活动与患者的睡眠延迟和破碎、觉醒增加等障碍有密切联系。

对睡眠障碍患者脑电波进行有效干预可能防治睡眠障碍症状。动物实验表明，tDCS作为一种非侵入性治疗方式，可以逆转氯胺酮诱发的精神分裂症模型小鼠睡眠过程中的gamma波和theta波异常，增加delta波功率和其主导性，恢复较规律的睡眠-觉醒周期［14］。一项关于阿尔兹海默病（Alzheimer's disease， AD）的临床研究［15］表明，使用特殊视听觉刺激设备诱发40 Hz的类gamma波对AD患者进行6个月的治疗后，实验组的夜间苏醒减少，睡眠质量提高。体外循环期间出现术中脑电爆发抑制的老年患者POD发生率高，此类患者术中脑部异常降低的alpha和beta波或是缓解和预防POD的潜在靶点。除此之外，自适应DBS作为一种有潜力的治疗手段，可连续监测睡眠障碍患者脑电波变化，并及时干预［13］。以上研究表明，调节脑节律可缓解睡眠障碍，预防围术期脑功能障碍。

抑    郁

抑郁是常见的心理健康障碍表现，可导致患者自身精神状态和脑功能异常。抑郁患者脑电活动及节律的随机性和不确定性增大，接受手术后脑部并发症增多。脑电波监测有助于及早诊治，避免严重的脑功能损伤。抑郁患者在安静状态下前扣带回、额叶和顶叶gamma波与正常情况相比波形和波幅均改变；执行动作时，额叶中与情绪相关的脑区gamma波功率降低，而额叶、颞叶与空间判断和算术相关的脑区gamma波功率则升高［16］。最近研究表明，抑郁患者睡眠时纺锤波减少，睡眠觉醒增加［17］。其他如双相情感障碍患者，不同波段脑电波功率普遍降低，其中beta波功率降低程度最大［18］。

脑电信号及节律是对抑郁患者病理性脑电信号进行干预、调控神经系统症状和整体状态使实现围术期脑保护的重要切入点。抗抑郁药物是治疗抑郁的主要手段。临床上，亚麻醉剂量的氯胺酮可增加gamma波功率，并有效治疗70%的抑郁患者［16］。阿戈美拉汀可提高睡眠纺锤波密度，有助于减少抑郁期间的睡眠碎片化，一定程度上起到抗抑郁作用［17］。此外，经典的非侵入治疗方式也在同步开展，如重度抑郁和双向障碍的患者中重复性经颅磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation， rTMS）和间歇性theta脉冲（intermittent theta burst stimulation, iTBS）的治疗效果甚至超过传统药物［19］。最近研究发现，改良后DBS（文中称“大脑起搏器”）可缓解抑郁患者症状［20］。这些研究结果表明，围术期抑郁患者脑电特征可作为该类疾病的评估要点与治疗靶点，对其进行调控有益于围术期脑保护。

认知功能障碍

认知功能障碍是围术期常见的并发症，尤其多见于老年患者，常表现为POD、神经认知恢复延迟（delayed neurocognitive recovery， DNR）以及术后神经认知障碍（postoperative neurocognitive impairment， POND），统称为PND［21］。脑活动及功能完整是认知功能正常执行的关键。分析认知活动中脑电波特点，发现gamma波与认知功能关系更密切。动物实验证明，在腹腔注射类毒素脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）的慢性应激模型中，成年小鼠中脑theta波、beta波和gamma波的功率降低，认知能力下降［22］。LPS诱导的神经炎症大鼠模型脑海马区的振荡活动持续性减少，出现异常的gamma和theta节律，术后PND风险增加［23］。神经退行性疾病也会引起神经炎症，伤害正常的γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid， GABA）能中间神经元，扰乱神经回路，导致认知功能障碍的发生。如AD模型小鼠在淀粉样斑块积聚之前就出现了异常gamma节律，这种异常可看作是AD早期认知障碍的标志［24］。

如何干预调控认知障碍相关的异常脑电信号并应用于PND患者脑保护是近些年的关注重点。目前，安全性较高的非侵入性脑刺激技术，如经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation， tACS）和经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation， TMS），可改变AD、PD和精神分裂症等疾病状态下的异常脑电活动，部分修复认知功能。对认知障碍患者脑gamma波的调节可增加神经网络的动态连接，提高信息流的整合和传递效率［25］。产生gamma节律的抑制性微清蛋白（parvalbumin， PV）中间神经元显示出与单个gamma波周期的强耦合。光遗传相关动物研究［26］表明，40 Hz光闪烁装置干预PV中间神经元，可提高AD小鼠海马区gamma波功率，减少视觉皮层中Aβ蛋白沉积，改善AD导致的记忆损伤。此外，经颅光生物调节（transcranial photobiomodulation， tPBM）作为一种新的无创治疗手段，能减轻GABA能中间神经元的损伤，维持抑制性神经网络的完整性和正常的gamma波活动［27］。以上研究表明，认知功能障碍涉及脑电波及其节律特异性变化，对其监测和干预有益于围术期脑健康。

疼    痛

疼痛作为一种不愉快的感官体验，与脑、脊髓及外周神经高度相关，而脑中主要涉及了初级体感皮层、扣带回、前额叶皮层和岛叶皮层。临床证据显示，神经元接受痛觉信息后整合的脑电波及其在不同脑区间的同步性对疼痛信息处理起着关键作用。疼痛体验一般分为三类：急性疼痛、持续性疼痛和慢性疼痛。分析疼痛与脑电波关系可知：（1）疼痛时，相关脑区的gamma波幅度均增加；（2）急性疼痛时，初级体感皮层的alpha和beta波幅度下降；（3）持续性炎性痛时，初级体感皮层的alpha波幅度增加；（4）慢性疼痛时，前扣带皮层的beta波、前额叶皮层和眶额皮层的theta波幅度增加［28］，而异常的gamma波不仅受脑内神经元连接的病理变化影响，还和theta波的侧抑制作用有关［29］。光遗传方法可激活初级体感皮层中的PV中间神经元，诱导增强gamma波功率，加重疼痛表现和伤害性感受的敏感性，并诱导厌恶回避行为［30］。

调控脑节律是监测和治疗疼痛的可行途径。不同的神经系统药物对脑电波及其节律影响不同，需要根据实际情况选择［3］。围术期疼痛管理中，阿片类药物早期能减少不同脑区的gamma波的同步化，并可增强被伤害性刺激所抑制的扣带回的低频脑电波功率［31］。亚麻醉剂量氯胺酮可降低脑alpha波功率，同时增加gamma波功率，与七氟醚复合使用时还会导致额叶beta波幅度反常性增加。tACS和rTMS是调节脑电信号、缓解疼痛的新选择。早期研究中，腰痛患者在tACS治疗后初级体感皮层alpha波活性增强，疼痛症状缓解［32］。最新临床研究显示，运动皮层alpha和beta波能在20 Hz rTMS作用下进行适应性匹配，从而提高运动皮层与远端疼痛调节结构间的功能连接，缓解神经病理性疼痛［33］。以上研究表明，“把脉”疼痛过程中脑电波及其节律有助于围术期疼痛防治，维持正常脑功能状态。

其    他

除上述影响围术期脑健康的疾病外，脑卒中和癫痫等神经系统疾病也会导致患者脑电活动异常及围术期脑功能障碍。基础实验中，脑梗死模型小鼠EEG显示梗死皮层周围gamma波功率下降，而delta波和theta波功率正常。临床上，脑卒中患者脑局灶性缺血后，脑坏死组织周围突触重构增强、脑电活动改变［34］。而癫痫患者临床症状发作时，杏仁核和海马区gamma波和ripple波功率均增加［35］。对相关靶位进行调控同样是未来该研究领域的重点方向。

小    结

脑电波及其节律是反应脑功能的重要神经生物标志。然而，脑电信号解读极其复杂，我们对脑电波及其节律的知识了解仍表浅，须进一步探索与研究。从围术期角度来看，把脉大脑节律及其深层意义，是实现围术期脑健康的保证。

参考文献略。

DOI:10.12089/jca.2022.06.001

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编辑|张文娟

审核|张伟

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