作者：杨东升，王甜，李民，北京大学第三医院麻醉科；梁振虎，燕山大学电气工程学院

全麻是通过静脉、吸入、肌肉注射或直肠灌注全麻药使中枢神经系统受到抑制，患者表现为意识消失、无痛、遗忘、自主反射抑制而达到最佳手术状态的一种麻醉方式。安全的麻醉方式和适当的麻醉深度对患者的术中安全和术后恢复至关重要，研究麻醉药物作用于中枢神经系统时的脑电特征和作用机制对临床麻醉意义重大。

脑电图(electroencephalography， EEG)已成为研究大脑电生理活动可靠、经济的工具。人们从中抽取多种量化指标分析药物诱导的特征性变化模式，或者使用数学参数处理EEG并进行总结。研究表明，受多种药物的影响，麻醉状态下的脑电活动变化存在复杂的时空多样性，EEG不能直接揭示结构连接，但可用于估计功能性连接和有效性连接，与功能性磁共振成像比较，EEG可以提供更高的时间分辨率，因此可在更短的时间尺度上估计连通性。本文对EEG的连通性分析方法及其在麻醉药物研究中的应用进行综述，以期进一步探讨未来可能用于研究麻醉药物作用机制的脑电分析方法。

1.EEG连通性指标概述

根据是否可以度量脑区之间联系的方向，可将EEG连通性指标分为两类：功能性连接和有效性连接。功能性连接指空间上相距遥远的神经生理区域之间的相互依赖性，可衡量信号之间的线性和非线性关系，但不能反映因果或方向性信息。大脑的功能连接变化是全麻机制的重要组成部分，各个脑区之间的同步现象是不同脑区信息交流的关键特征，可以通过信号间的相干性和相位同步等关系进行描述。

有效性连接指一个神经区域对其他神经区域的定向影响，通过格兰杰因果关系(Granger causality， GC)、转移熵描述，用于检测大脑区域间的定向作用。各脑区间的“连接性”是大脑维持意识的必要条件，目前麻醉药物引起意识改变的脑电机制大致分为两类，一种是由慢波耦合快波及大规模的波同步化，干扰原有的信息任务处理；另一种是功能连接减弱，减少信息的相互传递，通过分析意识状态与脑区功能连接的关系，可以更好地理解意识的生成和维持机制。

近年来，通过结合最新的EEG连通性分析方法，更多的研究能够直接或间接地反映麻醉药物作用的可能机制，包括不同麻醉药物作用优势脑区，不同皮质脑区之间的关联以及其与丘脑、脑干的功能连接等。脑电连通性指标可以分为三类：基于相干的指标、基于相位同步的指标和基于GC的指标。受多种因素的影响，不同分析方法的侧重不同。

2.EEG连通性指标的应用及其局限性

基于相干的指标： 幅值平方相干简称相干，可以衡量两个信号在特定频段或频点的线性关系，是一种常用的EEG连通性分析方法，用于衡量两个不同脑区之间信号的相关性和同步性。相干的范围为0～1，相干为1表示两个信号在该频率下完全相关，相干为0表示两个信号在该频率下不相关。

Akeju等研究采用相干分析方法比较七氟醚与丙泊酚的EEG特征，结果表明，七氟醚与丙泊酚在维持麻醉诱导的无意识状态下均引发相干额叶α波振荡和缓慢振荡，因此丙泊酚和七氟醚诱导的无意识状态具有共同的分子和系统级机制。Zhang等研究在丙泊酚全麻基础上应用右美托咪定，使用脑电双相干检测，结果表明右美托咪定提高了慢波功率和θ波振荡双相干峰，同时α波峰值功率和双相干性降低，这可能成为右美托咪定减少全麻药用量的依据。

基于相位的同步指标： 相位同步的测量根据一对信号的时频分析获得，通过计算交叉谱密度的加权平均获得，量化相位差分布的一致性。相位滞后指数(phase lag index， PLI)和加权相位延迟指数(weighted phase lag index， wPLI)均可用于评估相位同步程度，测量两个不同电极(或脑区)间相位的滞后或超前。wPLI对额外的噪声源不敏感，可以解释线性和非线性间的相互作用，从而能够检测在意识水平变化时(如严重的脑损伤或麻醉下)大脑功能连接的相对改变。

为研究不同意识状态下右美托咪定和丙泊酚的EEG连接性，Kallionpää等研究对象为47例健康男性，给予受试者不同剂量的右美托咪定或丙泊酚，使用相干性和wPLI测量前额叶-额叶及大脑前部与后部之间的功能连接，结果表明，局部前额叶-额叶相干性和wPLI变化可以反映丙泊酚或右美托咪定诱导的无反应状态，表明二者在监测麻醉药物诱导的意识改变方面具有实用性。为研究全麻状态下患儿的大脑功能连接变化是否与成人患者不同，Puglia等研究收集了50例8～16岁患儿全麻下的EEG数据并使用wPLI测量功能连接性，结果表明，患儿全麻时的功能连接变化更加稳定，在麻醉维持阶段，连接模式表现出高度的相似性。

基于GC的指标： GC是一种基于一个信号预测另一个信号好坏的统计因果关系概念，用于测量因果关联和有效连接，GC可提供有关EEG动力学和方向性的信息。Pullon等研究测量头皮EEG的GC，结果表明，采用丙泊酚行麻醉诱导的健康志愿者反应性的丧失和恢复与脑区间信息流(有效连通性)的降低有关，上述变化在反应性恢复时会被逆转。GC的结果与连贯性的结果形成了对比，连贯性是同步活动的非定向测量，表明信息流是清醒的重要指标，而非区域同步性。

Barrett等研究基于GC方法，将信号源定位于前扣带皮质和后扣带皮质，并采集分析受试者清醒时和丙泊酚全麻期间的EEG数据，结果表明，前扣带皮质和后扣带皮质之间的双向GC关系明显增加，GC关系分析比同步分析一致性更高。虽然解剖通路在大多数情况下是双向的(特别是在皮质-皮质连接中)，但不能假设大脑网络之间通常观察到的静息状态连接模式必然是对称的(例如，从顶叶区域到前额叶皮质的连接效应与相反方向的影响相当)。为增强对功能性大脑组织及可能的分层连接模式的了解，Duggento等研究采用基于GC的多变量方法估计定向网络内交互，研究结果表明，常见的顶叶和前额叶皮质之间的功能相互作用是不对称的。

连通性指标的局限性： 基于相干的指标在麻醉药作用机制及不同药物之间相互作用机制研究中具有一定的应用价值，但该方法也存在一定的局限性。首先，麻醉药对EEG信号的影响有个体差异。其次，它只能评估信号之间的线性关系，且该指标易受信号波幅的影响；基于相位的同步指标可量化信号之间的相位关系，提供对信号同步性的定量描述，且适用于不同频率范围的信号。但信号的相位信息可能受到噪声、伪迹以及信号处理方法、信号幅度和频率变化的影响，引发一定的误差。因此为准确评估基于相位的同步指标，通常需要对信号进行预处理，例如滤波、去噪等。

基于GC的指标可用于统计度量变量之间的因果关系并用于分析复杂系统，包括非线性和多变量系统，且不受时间顺序的限制。但基于GC指标的可靠性可能受到样本量大小和数据分布的影响。基于GC的指标仅能分析给定变量间的因果关系，从而忽略可能存在的隐藏变量。

3.其他EEG连通性指标的应用

转移熵(transfer entropy， TE)是基于信息论的有效连接的替代度量，能够检测到纯非线性相互作用，即使两个信号之间的相互作用延迟分布广泛，也能检测到有效的连接，且具有抗干扰能力。Rathee等研究使用TE分析头皮脑电信号探究额-顶-枕网络，研究结果表明，在轻度和中度丙泊酚镇静期间，额-顶-枕网络中断，特别是额叶和顶枕区域之间的相互作用受到高度干扰。

定向传递函数(directional transfer function， DTF)作为基于自回归模型的多变量方法，能够确定信号间的因果关系并识别EEG活动的定向传播，它可以被理解为时间序列对之间相干性的因子分解。Juel等研究收集并分析了25例接受七氟醚手术麻醉的患者的56通道EEG，并使用DTF量化了每1秒时期的传感器空间定向连接，结果表明，清醒状态下和麻醉状态下DTF无明显差异，显示在患者接受由具有不同分子作用机制的两种不同麻醉药的全麻时，DTF以类似的方式变化。

4.小 结

本文结合麻醉药物的研究对大脑连通性分析方法作了文献综述和评价。与目前临床常用的时域、频域等分析手段比较，EEG连通性分析方法在麻醉药物的作用机制、药物之间的相互作用及麻醉期间信息流的变化研究中有着独特的优势。人脑是一个高效复杂的网络，相较于分子细胞机制的研究，相关的EEG连通性分析方法还需要进一步完善，其中一些方法存在抗噪能力差、对共同源敏感等问题，一些方法只适用于信号间的线性分析而容易遗漏大脑之间存在的广泛的非线性连接，繁杂的计算方法也需要进一步简化。而随着EEG在临床麻醉中的广泛使用，未来可视化、人工智能、源分析等新技术的发展更加成熟，EEG将更好地为科学家和临床工作者提供更准确、更快捷、更丰富的研究资料，最终更好地服务于临床。

来源：杨东升,王甜,梁振虎,等.脑电图连通性指标在麻醉药物研究中的进展[J].临床麻醉学杂志,2024,40(07):762-765.

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