作者：杨金荣，王旭阳，王晶，魏昌伟，吴安石，首都医科大学附属北京朝阳医院麻醉科

围术期神经认知障碍(perioperative neuro cognitive disorders， PND)是围术期常见疾病，主要表现为认知能力下降，在老年患者中更为常见。PND与神经退行性病变、术后神经炎症等关系密切。此外，高龄、ASA分级高、术前认知功能受损以及脑血管疾病等是PND的危险因素，而临床上难以干预以上因素，临床诊断金标准基于精神障碍诊断和统计手册(the diagnostic and statistical manual of mental disorders， DSM-5)中的定义，但这类评估指标依赖主观判断，缺乏客观性。

脑电图(electroencephalography， EEG)及磁共振成像(magnetic resonance imaging， MRI)是客观、无创、可重复测量的工具，具有较高的时空分辨率。本文旨在通过分析PND患者的EEG及MRI特点，加深对PND中枢机制的理解，探索其对预测及诊断PND的临床价值。

1.基于EEG的PND中枢机制

EEG具有较高的时间分辨率，可达毫秒级，在临床特别是认知功能监测方面应用广泛。由于术中量化脑电(processed EEG， pEEG)监测操作简便，已被广泛用于临床麻醉深度监测；而多导联原始脑电(raw EEG， rEEG)监测虽然操作复杂，但可通过频谱分析、连通性分析、复杂度分析等提供更多皮层活动信息。

术中量化脑电指标： 目前术中量化脑电指标主要用于麻醉深度监测，避免术中知晓或麻醉过深，以减少围术期并发症特别是PND的发生。临床常见指标包括BIS、患者状态指数(patient state index， PSI)、熵指数、相位滞后熵(phase lag entropy， PLE)等。

BIS是目前临床应用最广的脑电监测指标，BIS监测仪通过相关子参数的加权和得出范围为0～100的数据，40～60表示麻醉深度适当。术中BIS监测有助于避免麻醉过深及麻醉深度剧烈波动，从而减少手术和麻醉导致的认知功能损害。

围术期基于BIS指导的麻醉深度是否能降低PND的发生尚存争议。Evered等研究比较了两组手术老年患者，其中一组术中目标BIS为50，另一组为35，结果表明，术后谵妄发生率及术后1年认知障碍风险在目标BIS为50的老年患者中明显降低。这一结果与浅麻醉中术中脑电爆发抑制时间的明显降低有关，但是需要注意的是，麻醉过浅可能会增加术中知晓的风险。

Wildes等纳入了老年手术患者，试图在麻醉中最大限度地减少爆发抑制和BIS<40的时间，然而，与常规麻醉护理比较，脑电指导下的麻醉并不能降低PND发生率。这也可能是因为组间脑电爆发抑制时间的差异很小，并且未分析两组平均BIS的相关性。此外，脑电监测仪显示的爆发抑制比(burst suppression ratio， BSR)可能低估了实际的抑制率，从而造成分析结果的偏差。

一项Meta分析表明，术中BIS监测并不能降低PND发生率，这可能与BIS监测组和非BIS监测组的BIS水平及爆发抑制时间缺乏统计学差异相关。目前，BIS监测的局限性主要包括以下两点：一是BIS研发主要基于丙泊酚麻醉，并不适用于所有麻醉镇静药物的深度监测；二是BIS研发主要基于成人患者数据，用于患儿及老年患者麻醉深度监测时，结果可能存在偏差。因此，更加精细化脑电监测指标的研发或许会使患者获益更多。

EEG频谱分析： 与术中麻醉深度监测比较，对围术期多导联原始脑电数据进行频谱分析可获得更多认知相关信息。

1） PND与脑电α频段功率的相关性。脑电α频段起源于丘脑，参与觉醒、注意及其他重要认知功能的调节。在麻醉维持阶段，各频段脑电功率均随年龄的增长而下降，其中α频段功率变化最明显。因此，α频段功率研究成为PND分析的热点。

在中老年骨科及神经介入手术患者中，术前认知功能减低患者在麻醉诱导期α频段功率减小。在老年腹部手术患者中，术前认知功能减低患者在麻醉维持期表现为α频段功率降低及α频段峰值频率下降，这可能与术前认知功能障碍患者使用常规麻醉药量更容易达到过深麻醉有关。

在使用丙泊酚及七氟醚麻醉的患者中，随着诱导期α频段功率从>15 dB降至<-5 dB，爆发抑制的发生率从0增加到1，PND发生率也相应升高，这可能是“脆弱大脑”的客观表征。此外，PND患者术中α频段功率降低，并且独立于麻醉药剂量的影响，这可能与PND患者术中α频段功率相关的丘脑皮层反馈机制破坏相关。

麻醉苏醒期与睡眠-觉醒过程的脑电模式相似，浅睡期特异的纺锤波处于α频段。在麻醉苏醒过程中缺乏纺锤波主导的慢波节律(spindle dominant slow wave activity， sdSWA)的苏醒轨迹与术后恢复室谵妄(post operative care unit delirium， PACU-D)密切相关，特别是当麻醉中使用氯胺酮和氧化亚氮时，这种现象更为明显。PACU-D患者苏醒期在10 Hz水平的相对功率明显降低，可指导麻醉科医师早期识别出PACU-D高危人群。

2） PND与其他脑电频段的相关性。除了α频段的明显变化，其他EEG频段变化也可为PND监测提供客观指标。老年PND患者术前γ频带功率明显降低，95%频谱边缘频率(spectral edge frequency， SEF)小于17.75 Hz的患者发生术后谵妄风险较高，这可能与γ-氨基丁酸能神经元激活减少有关。

在术后阶段，使用单通道(Fp2-Pz)1 min脑电监测结果表明，老年PND患者δ频段功率明显升高，并且当术后谵妄发生时，后优势节律(posterior dominant rhythm， PDR)分布于较低频段，术后谵妄严重程度与枕叶θ相对功率正相关，随着时间的推移，PND患者脑电相对功率向更高频率转移，在θ带和α带相继出现功率谱峰与PND恢复相关。

EEG连通性分析： 脑电连通性分析常见指标有波谱相干、互信息、相锁值、相滞指数(phase lag index， PLI)、有向传递函数等，可以分为功能连接和有向连接两大类。脑电连通性变化与PND的发生密切相关，基于EEG的连通性分析可为脑区间的相互作用提供更多线索，有助于阐明PND神经生理学基础。

1） EEG功能连接。在丙泊酚诱导的全身麻醉中，通过PLI测量的EEG功能连接多样性降低，由于脑区之间的连通性与认知功能密切相关，因而功能连接的改变可能是PND的重要机制。心脏手术后PND患者的平均PLI明显降低、α频段功能连接降低等结果进一步证实以上观点。

PND患者术前结构连接受损，导致α频带功能连接代偿性增加；术后额叶局部慢波(slow-wave activity， SWA)增加，但与PND无相关性，PND及其严重程度与涉及额顶枕叶皮层的SWA增加和功能连接破坏相关，提示局部脑区脑电频谱改变不足以引起谵妄，多个脑区之间连通性降低更易诱发谵妄。因此，功能连通性改变可能是PND发生的重要环节，与患者的临床症状密切相关。

2） EEG有向连接。老年心脏手术PND患者的术后EEG表现为α频段从后向前的有向连接降低，δ频段从前区指向中央区的有向连接增加，其他频带并未发现明显差异。Shafi等研究表明，PND是由于应激源刺激下大脑连通性和可塑性受损而发生的皮层功能崩溃，其有效性可以通过EEG联合经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation， TMS)来验证。Ross等研究表明，老年术后谵妄患者术前频谱功率比(spectral power ratio， SPR)及TMS刺激前后全局平均场振幅(global mean field amplitude， GMFA)曲线下面积的比值不同于非谵妄患者。

EEG的非线性动力学分析： 在脑电的非线性动力学分析中，复杂度和熵的使用较为常见，帕金森病患者脑电近似熵升高，阿尔兹海默病患者脑电排列熵降低，然而在PND脑电特征研究中，非线性动力学分析方法使用较少。

1） EEG复杂度分析。Tanabe等在对接受胸主动脉瘤修复术以及接受其他大手术的老年患者的研究中，使用Lempil-Ziv复杂度(Lempil-Ziv complexity， LZC)评估脑电复杂度的高低，LZC越大代表脑电复杂度越高，结果表明，PND越严重的患者LZC值越低，即EEG获取的信息量越少。PND严重程度与θ频带LZC负相关，与α频带LZC正相关。Tanabe等对相同受试人群的另一分析表明，PND与α频带PLI降低有关，因此α频带LZC的增加可能与功能连接减少相关。上述现象可能与PND发生时神经元放电状态减少，或皮层信息丢失有关，具体机制仍需进一步研究。

2） EEG熵分析。多尺度熵(multi-scale entropy， MSE)可用来量化脑电信号的复杂程度。Acker等在老年非心脏、非神经外科手术患者研究中表明，MSE与PND无关。但PND患者术中额叶平均MSE高于术前，术前与术中MSE在不同时间尺度上的取值曲线之间存在一个甚至多个交叉点；在单交叉点患者中，交叉点对应的时间尺度与PND严重程度呈负相关(Spearman r=-0.31， P=0.054)，并且术前和术中MSE的交叉点可以预测PND发生。然而，此研究样本量小、只在术后第1天评估了PND并且研究结果无法用既有理论解释，所以MSE指标的临床适用性仍有待商榷。目前，EEG熵分析技术多用于神经精神疾病领域，在PND方面的应用较少，亟需未来进一步探索。

2.基于MRI的PND中枢机制

MRI具有较高的空间分辨率，在分析脑结构变化方面具有独特优势。

PND患者的脑结构变化： 丘脑、海马体积缩小及脑血流量减少与术后认知功能障碍相关，而术前、术后脑白质高信号(white matter hyperintensity， WMH)及脑梗死与术后谵妄密切相关。术前皮质厚度与PND严重程度非线性相关，皮质厚度降低可能反映突触、神经元或胶质细胞减少，脑内信息整合障碍从而导致认知功能下降。此外，前中扣带回皮层与人应对挑战时的坚韧性相关，其完整性可能是PND患者恢复能力的潜在生物标志物。因此，围术期特别是术前脑结构特点有助于早期发现PND易感患者，以便针对性加强围术期护理，减少PND的长期影响。

PND患者的脑网络变化： 功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging， fMRI)技术可通过血氧含量变化间接反映神经元活动，在神经退行性疾病的诊断与治疗评估中具有重要作用。fMRI不仅有助于发现术后无症状性脑缺血导致的认知下降，还能检测PND患者功能连接及脑网络变化特点。

谵妄的皮层下起源模型认为术后谵妄状态下，许多皮层下区域之间连通性减弱，皮层下区与纹状体、丘脑连接脱节，纹状体与突显网络(salience network， SN)之间过度连接导致SN功能障碍，随后默认模式网络(default mode network， DMN)和中央执行网络(central executive network， CEN)关系失衡，出现CEN任务响应紊乱和DMN代偿机制，特别是大脑后部DMN代偿性连通性增强和大脑前部DMN内部连接失衡，可能会导致错误信息过度传递进而导致意识不清。

一项针对老年手术患者的研究表明，PND患者术前眶额叶皮层、伏隔核和海马区域功能连接增强，这一变化可能是术前脑功能障碍的代偿表现。一项对老年男性患者进行股骨颈骨折手术的初步研究表明，前扣带皮层和额回之间的连通性是PND发展的预测因子。PND患者这些节点之间的相关性更强，与SN对DMN的控制受损密切相关。

一项针对老年择期手术患者的研究表明，谵妄患者的全脑功能连接强度减弱，并且这种变化可持续3个月，与患者执行功能降低相关。虽然PND患者MRI脑网络变化所包含的信息很丰富，但目前的研究仍相对较少，未来需要进一步探索。

MRI技术进展 神经活动直接成像(direct imaging of neuronal activity， DIANA) 技术可在体无创监测小鼠神经元活动，时间分辨率达5 ms， 空间分辨率达0.22 mm， 极大弥补了fMRI时间分辨率低的特点，可以揭示不同脑区之间的动态神经网络。若顺利进行临床转化，该技术将为PND及各种颅脑疾病的诊治带来巨大变革。

此外，除了单一使用MRI技术，同步EEG-fMRI技术结合了EEG高时间分辨率和fMRI高空间分辨率的优点，但存在信噪比低、个体舒适性差等问题，并且在PND方面研究较少，有待未来进一步研究。

3.小结

在老龄化背景下，PND带来的社会经济负担越来越重，积极预防PND并为高危患者及早提供更全面的护理，对于改善预后具有重大意义。本文从EEG和MRI及其相关分析指标综述了PND患者围术期特点，有助于PND早期发现、诊断及治疗，减轻患者痛苦、减少其家庭和社会的经济负担。临床实践中应更加重视PND高危患者护理，在EEG、MRI等无创检查结果中寻找规律，探索更简单有效的PND预测及治疗方案。

来源：杨金荣,王旭阳,王晶等.围术期神经认知障碍的中枢机制：基于脑电图和磁共振成像的研究进展[J].临床麻醉学杂志,2024,40(02):195-199.

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