基于脑电的意识障碍重复经颅磁刺激调控评估

摘要:近年来，研究表明重复经颅磁刺激(rTMS)可以有效调控颅脑损伤后意识障碍患者的意识状态，但是最小意识状态患者和植物状态患者在调控中的临床反应存在显著差异。通过脑电活动和脑功能网络，评估rTMS

对意识障碍患者的调控，探索rTMS对意识障碍患者脑调控的潜在机理。共纳入24名意识障碍患者参加rTMS的真假调控实验。在调控前后记录分析64导联脑电信号的相对功率谱能量，相位锁值以及功能网络特征用研究，以评估脑功能活动的变化。结果发现，rTMS可以显著调控最小意识状态患者的Gamma活动:谱能量和功能连接显著增强，这种增强主要发生在前额－中央区以及前额－顶叶部位。基于图论的功能网络分析表明，rTMS可显著降低最小意识状态患者的功能网络平均路径(1.32±0.31vs1.08±0.22)，提高网络集聚系数(0.95±0.15vs1.12±0.21)和小世界特性(0.76±0.24vs1.06±0.32)。研究结果表明，rTMS并不能明显调控植物状态患者的脑电Gamma活动。由于Gamma活动在人类意识和认知活动中至关重要，该研究能为rTMS对意识障碍患者的临床康复应用提供潜在的评估方法和理论。

重大脑损伤引起的意识障碍(disordersofconsciousness，DOC)会导致患者意识的损伤或者消失，这些患者中最小意识状态(minimallyconsciousstate，MCS)保留有觉醒和非反射性的主动活动，但植物状态(vegetativestate，VS)患者(或者称为无反应综合征患者)只保留了觉醒而缺乏觉知能力。过去的几十年里，急救医疗技术的发展使得越来越多的意识障碍患者得以生存。但是，大量意识障碍患者对临床诊断、预后以及提高生存质量的治疗提出了更多的要求。而目前为止，仍没有可遵循的针对意识障碍患者的临床治疗规范。

近年来，随着生物医学工程技术的发展，经颅磁刺激技术成为一种具有重要价值的非侵入式神经生理方法，可用于脑疾病的诊断和康复。在之前的工作中已有报道，重复经颅磁刺激(repetitivetranscranialmagneticstimulation，rTMS)具有对大脑皮层兴奋性长效的调控效应，已经作为一种治疗手段用于意识障碍患者的神经康复研究中。迄今为止，已经有多种调控范式尝试用于意识障碍的意识康复。在这些研究中，许多最小意识状态患者在rTMS调控后获得显著的临床状态的改善，但是很少有植物状态患者从rTMS调控中受益。尽管已经有研究采用一系列的评估手段来评估rTMS调控对意识障碍患者大脑活动的影响，但是rTMS调控引起的临床反应差异的潜在机制仍然不清楚。脑电(electroencephalography，EEG)是一种适用于检测行为和意识相关脑活动的评估技术。EEG记录方便并且可以较容易地克服微小的移动噪声。相对神经成像技术(正电子发射断层扫描成像和功能磁共振成像)而言，EEG设备简便可移动，具有床旁评估的优势。

因此，在临床应用中，EEG通常作为一种辅助诊断和预后的方法用于脑疾病相关评估中。在意识障碍研究中，静息态EEG分析适用于意识障碍大脑皮层功能的检查和评估。由于存在病因、脑损伤以及意识水平的差异，意识障碍患者对治疗手段的反应不尽相同。而对治疗反应的准确评估能够帮助临床医生制定更合理的治疗策略。临床观察中，通常需要较长时间的治疗才可能引起意识障碍患者行为上的显著提升。而基于EEG的分析可以较快地检测到患者皮层活动在药物或非药物治疗中的变化，并依此预测长期治疗的潜在效果。其中，功率谱能量和脑功能连接性因其与患者意识水平和脑功能的紧密联系，已经用于评估意识障碍患者在药物治疗中的皮层反应。因此，针对目前研究中rTMS引起的最小意识状态和植物状态患者临床反应的差异性，本文采用EEG的相对功率、功能连接性和功能网络分析评估患者脑电活动在rTMS调控中的反应。本研究首次从功能连接和网络分析的角度探索rTMS对意识障碍患者的调控效应。同时，本研究旨在为rTMS辅助意识障碍患者的意识康复提供潜在快速评估手段。

1.1被试信息

本研究纳入了共计24名意识障碍患者(8名女性，16名男性的信息)，其中包括14名植物状态患者和10名最小意识状态患者(见表1)。

1.2刺激调控

实验中所有患者接受rTMS真刺激和假刺激。具体调控参数和实验流程如图1所示。真刺激中使用频率为10Hz的rTMS以90%运动阈值的强度作用到患者左侧背外侧前额叶位置，总共触发个脉冲。每个脉冲为一组，每组脉冲中间间隔60s时间。假刺激作为对照刺激，使用同样的参数，以线圈与头皮垂直方向施加脉冲。真假刺激之间间隔最少两天以上。TMS脉冲是通过MagstimＲapid刺激器的70mm八字形线圈触发的，该刺激器由英国Magstim公司提供，可以产生脉冲宽度大约0.1ms左右的双相脉冲。

TMS脉冲的强度根据实验要求调节，一般是参照被试个体的运动阈值大小设定。被试个体和运动阈值是指在初级运动皮层触发的肌电幅值在10次中最少有5次以上峰峰值高于50μV。肌电的测量是在手掌第一拇展肌处，差分电极贴在右侧手背侧的虎口两层，地电极贴在手腕背侧。使用TMS线圈与中线成45°角作用于被试左侧初级运动区，TMS输出从能量40%开始，间隔5%开始上调，每个能量段使用单脉冲作用10次，观察诱发肌电幅值是否大于50μV，直至诱发10次中有至少5次肌电幅值大于50μV，此时的TMS输出能量作为该被试的运动阈值。

脑电采用根据国际标准10－20系统的64通道电极，在EEG采集过程中，患者保持觉醒状态，一旦出现睡眠特征(EEG中出现睡眠纺锤波或者K复杂波)，立即中断数据采集，并使用标准CＲS-Ｒ规范使患者觉醒。

1.4脑电分析

静息态EEG分析采用相对频谱能量，相位锁值以及基于图论的功能网络参数。EEG分为5个频段:delta(1～4Hz)，theta(4～8Hz)，alpha(8～13Hz)，beta(13～30Hz)，gamma(30～45Hz)。

1.4.1相对频谱能量

1.4.2相位锁值计算

静息态EEG功能连接的分析使用相位锁。

1.4.3功能网络分析

为了进一步描述大脑脑区之间的相互关系，使用图论对相位同步矩阵进行网络化分析。每个电极在图论中表示一个节点，而节点之间的连接则用通道间的相位锁值表示。

2.1rTMS调控Gamma频段的能量

EEG分析发现，Gamma频段对rTMS调控有明显的响应(见图2)。(a)中展示了一个MCS和VS患者F3通道的一个EEG数据段以及相应的功率谱，该MCS患者要比VS患者的EEG活动中有更多的快波活动;(b)中展示了MCS以及VS患者的Gamma相对谱能量在全脑的平均分布，结果发现Gamma的平均能量主要分布在额叶区域，但是MCS和VS患者之间存在空间分布上的明显差异。统计结果发现，在rTMS的调控后，MCS患者在一些电极上的Gamma相对谱能量显著增强，但在VS患者中却没有出现明显的变化。

2.2rTMS调控Gamma频段的功能连接性

对通道对的Gamma频段的EEG数据计算相位锁值，形成相位锁矩阵。图3中展示了MCS和VS患者rTMS调控后减去调控前的平均相位锁矩阵。

对于MCS患者，真刺激后Gamma频段的平均功能连接得到增强;但是，VS患者的平均功能连接没有明显的增强。统计结果表明，rTMS真刺激显著地增强了MCS的全脑高频Gamma连接(P=0.)，而调控对VS的全脑高频Gamma连接没有引起显著性的变化。在假刺激中，不管是MCS还是VS患者组，均没有观察到显著的变化。检验结果发现，在MCS患者中，rTMS引起了多个通道对之间连接的显著增强，这些连接主要分布在额叶-顶叶以及额叶-中央区脑区;而对于VS患者，只有少数几个连接得到了增强，而且增强连接也分布于额顶叶连接区域。

2.3Gamma频段的功能网络

本研究进一步评估了rTMS引起的全脑网络化的变化，结果如图4所示。

rTMS真刺激导致了MCS患者平均路径的显著降低，而VS患者的平均路径参数没有显著变化。此外，rTMS真刺激同时引起了MCS患者聚类系数的显著增加，同样在VS患者中没有观察到聚类系数的显著改变。根据小世界性参数的计算公式，平均路径以及聚类系数的变化最终会导致患者网络的小世界性的变化，结果显示MCS患者小世界性网络参数显著增强。如表2所示，在假刺激实验中，各类网络参数在MCS和VS患者中均没有显著的变化。

3.1rTMS调控Gamma频段的能量

为探索rTMS对意识障碍患者神经活动的潜在调控效应，本研究分析了rTMS调控前后静息态EEG功率谱、功能连接和网络。研究表明，rTMS可以显著增强最小意识状态患者的Gamma能量，而植物状态患者则没有明显改变。之前，相关研究已经发现，rTMS可以调控人类的Gamma活动。而对于严重脑损伤患者，研究发现高频脑活动与康复有关。此外，其他无创神经调控(比如经颅交流电刺激)也能增强最小意识状态患者、正常人以及少数植物状态患者的Gamma节律和额-顶叶的功能连接。

本研究结果显示，rTMS可以增强最小意识状态患者的Gamma能量。正如之前的研究表明，Gamma活动能量与大脑皮层的神经同步放电相关。因此，Gamma活动的能量增强可以表示皮层下神经元群脉冲发放的同步化增强。最近的研究使用皮层电极，发现癫痫手术中Gamma活动能量与皮层功能激活相关。并且Gamma波与许多脑功能相关，比如运动、听觉、语言、视觉以及注意，而这些脑功能又是针对意识障碍患者意识诊断的重要指标。因此，rTMS对Gamma活动的调控也许与其提升意识障碍患者的临床意识评分有密切相关。

3.2rTMS调控Gamma频段的功能连接性

本研究使用相位锁值来探索rTMS对患者功能连接的调控效应，结果表明最小意识状态患者的功能连接在rTMS后显著增强，而植物状态患者无显著改变，这些最小意识状态患者增强的功能连接主要分布于额-中央区和额-顶区。一般来说，意识障碍可以表示为“失连接综合征”。因为其具有显著的皮层-丘脑-皮层通路的损伤，特别是广泛的额-顶叶功能连接的损坏经常是意识消失的重要特征。正电子发射断层扫描成像研究发现，植物状态患者与正常人相比具有显著的额-顶和皮层-丘脑连接的中断，而最小意识状态患者则比植物状态患者保留有更多的连接。额-顶叶连接在丘脑-皮层连接网络中扮演重要角色，而丘脑-皮层网络又管理了许多脑功能活动——认知、学习和感知，这些组成了所谓的“意识”。之前就有研究发现，最小意识状态患者的Gamma频段长程额-顶叶连接可以被简单的体感刺激所调控，而植物状态患者在刺激中则没有显著的变化，这与本研究的结果相一致。因此，考虑到Gamma功能连接与意识康复的紧密联系，本研究发现的rTMS调控最小意识患者额-顶叶Gamma连接可能是rTMS对意识障碍患者意识康复作用的电生理机制。

在正常人研究中发现，rTMS可以调控大脑小世界属性。尽管已有研究探讨了意识障碍患者的功能网络特性，但是目前还没有针对患者无创神经调控的功能网络研究。为了探索rTMS对患者功能网络调控效应，本研究针对调控前后的功能网络进行图论分析。结果发现rTMS可以增强最小意识状态患者的功能网络性(平均路径降低，集聚系数和小世界性增高)，而植物状态患者无明显变化。这表明，rTMS调控使得Gamma功能网络变得更加高效:皮层脑区间更加容易连接，并在脑区通信中消耗更少。功能网络的高集聚性和低路径被认为是网络小世界性的特征，这种小世界网络可以处理复杂的工作，并提供近乎优化的局部和全局的功能整合。而在意识障碍患者中，植物状态患者表现为大范围的皮层功能和网络的损伤，这更趋向于破坏小世界性。相反，这些网络特性更容易在最小意识状态患者中保留下来，特别是那些意识水平更好的患者。因此，严重的皮层功能连接的损伤反过来进一步阻碍了rTMS对植物状态患者皮层网络的激活，这也最终导致了这些患者很难从rTMS治疗中获益。总体来说，尽管本研究只进行了单次的rTMS刺激，但是脑电网络活动的瞬时变化表明，rTMS调控能够引起最小意识状态患者的神经活动反应，并且提示rTMS对意识障碍患者的神经调控效应的机理可能是通过兴奋Gamma频段的功能网络来实现意识环路的调控。在本研究中，没有发现植物状态患者神经活动的变化，但脑电特征研究是基于群组统计基础的，不排除少量患者存在神经活动响应，这需要使用个体化检测方法进一步探索。同时，下一步将进行长期调控的临床观察以验证本研究的结果。

本研究发现，rTMS可以调控最小意识状态患者的Gamma活动，表明rTMS可以增强最小意识状态患者的Gamma频段相对功率谱能量，增强Gamma段功能连接性。同时，rTMS可以使最小意识状态患者的脑电Gamma段功能网络趋向于更高效，而植物状态患者的Gamma活动在rTMS调控中无显著反应。本研究是第一次将功能连接和网络指标用于评估rTMS对意识障碍患者的调控效应，最小意识状态和植物状态患者在rTMS中Gamma活动响应存在差异性，这为意识障碍患者在rTMS治疗中的临床表现差异提供了解释，也为rTMS对意识障碍患者的神经康复研究提供了潜在的评估方法。

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