作者：黄永志，吴佳柔，许敏鹏，明东，天津大学；何江弘，首都医科大学附属北京天坛医院 神经外科
如何尽快建立有效的pDOC临床精准诊断与治疗干预体系，是临床医学亟待解决的难题之一。目前对于pDOC 的评估主要依赖临床行为学量表，但由于pDOC 患者大多存在失语、肢体瘫痪等语言及运动障碍，且其觉醒水平存在波动，严重影响了行为学评估结果，误诊率高达40%。
针对pDOC 的治疗也缺乏有效的干预手段，目前主要的治疗方法包括：药物治疗、物理治疗和神经调控治疗等。其中，
pDOC 意识评估和干预面临重大挑战的根本原因在于当前意识及pDOC 相关的脑功能机制尚不明确。近年来，功能磁共振、正电子发射计算机断层扫描和头皮脑电等非侵入脑成像技术的发展促进了关于意识与pDOC 的研究进展。上述技术相关研究已经证实，意识的产生、维持以及pDOC 涉及到大脑中多个皮质下和皮质脑区以及相关的功能网络。根据中央环路假说，pDOC 的发生与上行唤醒网络、中央环路和额顶皮质网络等神经环路的功能障碍密切相关。但上述无创技术由于无法直接探测到大脑皮质和皮质下神经元活动，因此难以精确解析与意识及pDOC 相关的皮质区域及皮质下的功能情况。
目前，随着临床应用脑深部电刺激（deep brain stimulation，DBS）治疗pDOC 病例的逐渐增多，DBS 电极植入手术术中的微电极记录监测、术后的电极外挂等场景能够记录到pDOC 皮质下或皮质神经元的电活动，直接客观有效地获取pDOC 患者大脑的病理变化情况。另外，全麻药物作用于中枢神经系统，能够可逆可控地引起感觉、知觉和神经反射消失，进而导致意识丧失，已被广泛用于意识和pDOC 相关研究。
Chen 等对临床麻醉患者的脑电分析结果表明异丙酚可能通过破坏网络相互作用和皮质协调进而导致意识丧失。Huels 等比较前额叶皮质和顶叶皮质失活前后大鼠经
这提示我们，通过麻醉诱导动物意识丧失与恢复的实验模式研究pDOC 神经机制具有科学性，对pDOC的机制探索也具有较强的借鉴意义。因此，本文主要围绕颅内神经电生理技术在pDOC 及全身麻醉导致的意识丧失的特征研究进展展开综述，从反映大脑皮质下或皮质区域的单个神经元活动的锋电位（微观尺度）和反映神经元集群活动的场电位（宏观尺度）两种典型的颅内电生理技术出发，回顾pDOC 相关颅内电生理特征的研究进展，并探讨当前存在的问题和未来发展趋势，以期推动pDOC 的病理生理机制研究，并为后续pDOC 的临床诊疗提供有益启示。
1. 神经元锋电位信号特征
神经元通过产生动作电位进行信息编码和传递，锋电位（Spike）能够比较精准地记录动作电位的幅值变化及时序特征，反映大脑信息编码和信息处理的能力。通过研究pDOC 大脑深部和皮质区域神经元的锋电位特征，可以揭示意识丧失下神经元兴奋状态的变化。
目前，基于锋电位的pDOC 相关研究主要集中于丘脑和皮质区域神经元锋电位的发放率、发放模式及与皮质区域间的功能连接分析。
1.1 发放率特征
在神经元锋电位分析中，发放率是描述神经元放电整体活动强度的重要指标，它能够揭示锋电位发放序列的频率特性，反映神经元的兴奋程度。研究表明，pDOC 患者丘脑中央中核（centromedian parafascicular complex，CM/Pf）处神经元发放率呈现降低趋势。一项个例研究显示，VS/UWS 患者丘脑CM/Pf 核团处存在锋电位放电的神经元显著少于MCS 患者。
2023 年，He 等采集23 名pDOC 患者丘脑CM/Pf 核团的微电极记录信号，证实预后不良组别患者的锋电位发放率显著低于预后良好组别。动物麻醉研究显示，意识丧失下大脑深部的丘脑中央外侧核、丘脑腹后外侧核、丘脑腹后内侧核及脑干网状结构等皮质下区域的神经元锋电位发放率也出现显著降低。
1.2 发放模式特征
动作电位不同的发放模式可以编码不同的神经信息，其主要研究方法是分析锋电位发放间隔（inter spike interval，ISI）的分布特性。目前的研究表明pDOC 患者中央丘脑处神经元的发放表现为活动强度降低，具体而言，pDOC 患者中央丘脑处不到17% 的神经元表现出爆发活动模式，且VS/UWS 患者的爆发活动水平低于MCS 患者。麻醉引发的意识丧失下，皮质区域神经元发放活动强度也呈现降低现象。一项基于样本熵的研究显示，意识丧失下初级视觉皮质大多数神经元从高强度放电转入低强度放电。
1.3 功能连接特征
pDOC 的发生涉及多个意识相关脑网络的功能障碍，基于锋电位的功能连接分析能够反映大脑不同区域神经元间通信的保留程度，揭示pDOC 患者脑区间的连接耦合情况。一项研究对pDOC 患者中央丘脑和顶叶皮质单个神经元的发放时间进行互相关分析，结果显示VS/UWS 患者的丘脑和顶叶皮质神经元放电时间的互相关系数小于MCS 患者，提示丘脑与皮质神经元间的连接减弱与pDOC 的发生密切相关。此外，皮质神经元之间的功能连接减弱也被认为与意识丧失紧密相关。基于神经元高阶转移熵的功能连接分析也显示，麻醉导致的意识丧失下初级躯体感觉皮质向初级运动皮质的定向功能连接明显减弱，这可能与意识丧失下外部反应性的缺失有关。
2. 神经元集群场电位信号特征
通过研究锋电位信号能够了解单个或少数神经元的放电活动，而通过研究场电位信号则可以探究大脑神经元集群的同步化活动以及神经元集群之间的相互作用。根据信号记录位置的差别，场电位信号一般又分为从脑深部采集的局部场电位（local field potential，LFP）信号和从大脑皮质表面采集的皮层脑电（electrocorticography，ECoG）信号。目前，基于神经元集群场电位信号的pDOC 研究主要使用包括场电位信号的节律振荡特征、诱发电位（evoked potential，EP）特征、非线性动力学特征、功能连接特征和无标度特征。
2.1 节律振荡特征
场电位信号的节律特征表现为不同频率成分的神经振荡活动，能够反映大脑认知功能的基本规律与内在机制。对于低频振荡（< 8 Hz）活动而言，研究表明pDOC 患者的丘脑和皮质区域存在低频活动能量增加现象。针对pDOC 患者丘脑局部场电位的研究显示，VS/UWS 患者中央丘脑场电位的低频（< 8 Hz）功率高于MCS 患者。此外还有研究表明脑外伤患者的多个皮质区域（包括前额叶皮质和前扣带回等），在意识丧失时也出现低频振荡（< 1 Hz）能量升高。
针对麻醉的动物研究显示丘脑处δ 频段（1～3 Hz）功率在意识丧失下显著增加。对于高频振荡（> 8 Hz）活动而言，研究表明pDOC 患者意识水平的升高和意识恢复能力可能与高频振荡活动增强有关。其中，Huang等在pDOC 患者的个例研究中发现MCS 患者中央丘脑处α 频段功率的幅度高于VS/UWS 患者，提示可能与意识功能相关。
进一步，He 等在pDOC 患者组别实验研究中发现，MCS 患者丘脑CM/Pf 核团α 频段功率显著高于VS/UWS 患者。同时，在脑外伤患者皮质区域的场电位研究中也发现，患者前额叶皮质和前扣带回区域α 频段功率的升高与意识恢复相关。此外，Wojtecki 等发现pDOC 患者中央丘脑处β 频段（12～25 Hz）功率在熟悉人语言刺激下会出现显著升高。He 等的研究结果表明，预后较好的pDOC 患者中央丘脑处γ 频段功率显著增高。
2.2 诱发电位特征
诱发电位是大脑在外部感知觉刺激或工作记忆任务等思维认知事件诱发下所产生的特殊脑电信号，反映大脑认知过程中神经元集群的同步化活动变化情况，可客观表征大脑特定功能。目前有少量研究探索颅内诱发电位与意识丧失的关系。总体而言，皮质下和皮质区域诱发电位的潜伏期增加、振幅减小及变异性增大等异常变化可能反映意识水平的降低。一项研究显示颅脑损伤患者前扣带回皮质电刺激诱发的皮质诱发电位的复杂度降低，试次间的变异性增大。
Kantserova 等的麻醉研究结果显示，大鼠中脑处失匹配负波随意识水平降低，其潜伏期增加且振幅逐渐降低。此外麻醉诱发的意识丧失下，人脑联合皮质处40 Hz 稳态
2.3 非线性动力学特征
大脑可被视为一个复杂的系统，通过熵、复杂度和互信息等非线性分析方法能评估其信息整合。基于颅内电生理的非线性动力学特征虽未在pDOC 方面见诸报道，但已广泛应用于麻醉等与意识水平相关的研究。基于麻醉的颅内电生理研究显示，皮质下和皮质区域信号的置换熵、排列熵和排列Lempel-Ziv 复杂度等非线性动力学特征能够有效表征意识水平的变化情况。其中，麻醉诱发的意识丧失下，人脑额叶、顶叶皮质的置换熵显著低于清醒状态；意识丧失下，大鼠额、顶和枕叶皮质的排列熵和排列Lempel-Ziv 复杂度也呈现显著降低。
此外，一项脑外伤患者的病例分析显示，意识丧失下额叶皮质的排列Lempel-Ziv 复杂度降低最为明显。Afrasiabi 等近来的研究利用皮质下和皮质区域熵、互信息和整合信息的整合特征探究麻醉引起的意识丧失变化情况，发现意识可能主要取决于顶叶皮层、纹状体和丘脑之间的信息整合。未来可研究pDOC 皮质下和皮质区域信号的非线性动力学特征，以探究其发生机制。
2.4 功能连接特征
pDOC 的发生涉及多个意识相关网络的功能障碍，基于场电位的功能连接分析能够评估皮质下-皮质和皮质区域间的信息交互。就皮质下-皮质的信息交互而言，丘脑-皮质间功能连接的增强一定程度上反映了受试者残存的意识。Magrassi 等仅在MCS 患者的丘脑CM/Pf 核团观察到θ/α 频段-额叶、枕叶皮质低γ 频段功率较强的跨频耦合，提示MCS 患者可能存在更多的丘脑-皮质间的连接。就皮质-皮质区域间的信息交互而言，意识丧失的主要特征表现为皮质区域间功能连接的减弱。多项麻醉研究显示，意识丧失下皮质网络（额、顶、颞和枕叶区域间）的全局信息传输效率降低而局部皮质区域神经元活动的同步性增强。
Xie 等还发现额-顶叶功能连接的保留程度与意识水平呈现显著的正相关关系，并据此设计了基于相位滞后指数功能连接特征的意识水平分类器，其解码准确率可达到93.68%。
2.5 无标度特征
现在一般认为神经电生理活动可分为周期性振荡成分和非周期性成分，二者可能来源于不同的神经基础。近年来非周期性成分的无标度特征在意识相关的研究中越来越受到重视，基于麻醉的颅内电生理研究提示无标度特征可以反映意识水平的变化。例如，Huang 等发现在麻醉引起的意识丧失下，人脑丘脑底核2～80 Hz 频段拟合的幂律指数显著高于清醒状态。Muthukumaraswamy等的研究表明，麻醉状态下猕猴额叶和颞叶的40～60 Hz 频段拟合的幂律指数大于清醒状态，而枕区5～100 Hz 频段拟合的幂律指数略有下降。因此，在未来无标度特征可能作为一个重要分析手段应用于探究pDOC 的电生理机制和生物标志物。
3. 颅内电生理技术在pDOC 研究中的展望
当前基于颅内电生理技术的pDOC 研究已经取得一定进展，为揭示pDOC 的病理机制提供了有力支撑。但是，还有诸多挑战和工作值得我们进行深入探究，主要集中于机制探索和临床诊疗方面的研究。具体而言，在机制探索方面，可以将颅内电生理技术与其他脑成像技术结合；在临床诊疗方面，可以挖掘颅内电生理相关意识标志物，并用于实现治疗pDOC 的闭环神经调控。
3.1 与其他脑成像技术结合的pDOC 机制研究
目前pDOC 的动物模型尚未建立，研究大多通过全身麻醉的近似场景获得，直接针对pDOC 患者的颅内电生理研究仅有极少数。pDOC 颅内电生理研究的探索与基于全身麻醉的研究结果不尽相同，分歧主要集中于节律振荡和神经元集群间的功能连接特征研究。在节律振荡特征研究中，MCS 患者中央丘脑处α 频段功率显著高于VS 患者，而麻醉引发的意识丧失下，丘脑处α 频段功率呈现显著升高；此外，预后不良组患者丘脑CM/Pf 核团γ 频段功率低于预后良好组，而麻醉引发的意识丧失下，丘脑处γ 频段功率变化情况受药物种类等因素影响，部分存在升高，部分存在降低。
在神经元集群的功能连接特征研究中，仅MCS 丘脑CM/Pf 核团出现较强的θ/α 频段额、枕叶皮质低γ 频段跨频耦合，而在麻醉引发的意识丧失下，丘脑-额、枕叶皮质的连接增强。对于pDOC 和麻醉研究中出现的这种分歧，一种可能的解释是，药理条件下的意识丧失多是由麻醉剂作用于
随着目前临床应用DBS 治疗pDOC 的病例逐渐增多，今后应积极开展针对pDOC 患者的大样本临床颅内电生理技术研究以及颅内电生理标志物与临床因素的相关性研究，并综合现有的基于pDOC 及全身麻醉引起的意识丧失的结论，建立pDOC 动物模型或数字神经元网络模型。
同时，考虑到pDOC 的病因多且繁杂，上行唤醒网络、中央环路和额顶皮层网络等多个意识相关网络中任一节点障碍都有可能导致pDOC 的产生，研究应全面考虑pDOC 的发病机制，从影响意识水平变化的全局性尺度，观察和确定意识相关网络中皮质下和皮质活动状态会受到影响的区域。通过融合高密度EEG 或脑磁图等多模态脑成像手段，探究单一位点与意识相关网络多个位点间的协同作用，以期揭示pDOC 神经环路及脑网络水平的神经机制。
3.2 基于pDOC 颅内电生理标志物的DBS 促醒监测与闭环调控
近些年来，pDOC 患者DBS 神经调控促醒治疗取得了一定的进展，但仍存在程控参数设定依据不足、治疗效果差异大等问题。颅内电生理角度的研究有望为pDOC 的准确评估及其DBS 调控提供更加安全有效的应用指导。目前，基于非人灵长类丘脑电刺激促醒的研究显示，中央丘脑高频电刺激改善了意识丧失下非人灵长类的行为学唤醒，其电生理学特征也逐渐恢复至清醒水平，如丘脑皮质神经元的发放率降低程度明显减弱。这提示我们，未来的研究可积极探究颅内电生理标志物与pDOC 患者DBS 促醒作用的关联情况，以实现对pDOC 患者DBS 促醒效果的客观监测。此外，可进一步尝试将标志物作为闭环DBS 的反馈，以实现pDOC 患者DBS 参数的初始调整以及与疾病进展的自动匹配，优化治疗效果。
4. 总结
pDOC 患者的意识隐匿且不稳定，探究pDOC的机制、准确评估pDOC 患者的意识水平是制定正确诊疗策略的基础。近年来针对pDOC 的非侵入
本文在综述pDOC 相关颅内电生理特征进展的同时，讨论了当前研究存在的一些问题，并提出了相应的解决方案。未来基于颅内电生理技术的发展将帮助我们进一步了解pDOC 的病理机制，在此基础上针对pDOC 患者的闭环DBS 调控将有助于患者更好的康复，减轻家庭和社会的负担。
来源：黄永志,吴佳柔,许敏鹏,等.慢性意识障碍相关颅内电生理特征研究进展[J].生物医学工程学杂志,2024,41(04):826-832.
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