BRAIN：脑电研究：丙泊酚引起的意识丧失与丘脑-皮层连接的减少有关

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BRAIN：脑电研究：丙泊酚引起的意识丧失与丘脑-皮层连接的减少有关

发布者：admin 发布时间：2019/11/11

尽管许多麻醉的分子效应已经很清楚了，对于这些变化如何导致意识丧失，网络层面的解释尚不清楚。EEG研究表明，丙泊酚诱导的麻醉过程中，特定频段的神经振荡会变化，这些变化是由丘脑--皮层功能连接的变化引起的。然而，目前还不清楚这种变化是由于丘脑皮层连接的增强还是减弱造成的。在麻醉过程中直接记录丘脑的研究还很少。为此，美国加州大学神经外科的Malekmohammadi等人在BRAIN发文，研究了10例接受深度脑刺激手术的患者丘脑腹侧中间核的局部场电位和同侧感觉运动皮层的皮层电信号。在被试休息时，丙泊酚麻醉诱导过程中采集信号。在确认了丘脑和皮层记录位点之间的直接结构连接后，我们研究了丘脑和皮层局部功率以及皮层功能连接中丙泊酚相关的变化，并通过相干（coherence）、无偏加权相位延迟指数（debiased weighted phase lag index，dWPLI）和相位幅度耦合（phaseamplitude coupling，PAC）进行了测量。

丙泊酚麻醉可使丘脑和皮层区域的8-12HZ的局部功率增加。宽频带(12-100HZ)在感觉运动皮层功率增加，但在丘脑内却被抑制。尽管丙泊酚会使alpha局部功率增加，但丘脑皮层的相干和dWPLI在alpha/低beta频段(8-16HZ，在清醒状态出现)显著降低(P<0.05)。同样，丙泊酚的给药降低了丘脑alpha/低beta的相位与皮层的gamma(50-200Hz)的振幅的相位幅度耦合(P= 0.031)。尽管发现丘脑和皮层的alpha-功率增加与丙泊酚的使用有关，但丘脑-皮层的连接却降低了，支持了麻醉诱导的丘脑-皮层的连接降低导致意识丧失的理论。

关键词：丙泊酚；麻醉；丘脑-皮层；功能连接；电生理学

缩写：DBS = deep brainstimulation 深部脑刺激; dWPLI = debiasedweighted phase lag index无偏加权相位延迟指数;ECoG = electrocorticography脑皮层电图;PAC = phase-amplitude coupling相位-幅度耦合;SWO = slow wave oscillation慢波振荡;ViM = ventral intermediate腹侧中间体

1. 引言

全身麻醉是一种短暂的无意识状态，每年有数以百万的人会经历这种状态。虽然麻醉在分子水平上的作用已经被很好地描述出来，但这如何转化为意识的丧失仍然没有完全被理解。这在神经系统疾病患者的临床护理中尤其重要，因为他们会表现出对麻醉反应的不同模式。例如，帕金森病患者对麻醉剂的敏感性发生改变。在EEG上，麻醉通常表现为低频功率(<~12hz)的增加和alpha-振荡的位置从枕叶向额叶皮质的转移。这种“额叶alpha”的出现是一种公认的且已深入研究过的现象，与麻醉引起的意识丧失有关，特别是与静脉麻醉丙泊酚。与丙泊酚相关的意识变化和相关的皮质的alpha能量增加的神经生理学基础仍然不清楚，特别是它与丘脑-皮质回路的关系。我们的目标是利用一个独特的机会，从人类的丘脑-皮质系统侵入性地记录，以确定丙泊酚给药后出现的行为和皮质神经生理变化是否由于丘脑-皮质功能耦合的增强或减弱所致。阐明麻醉相关的意识丧失的回路可能会给对意识障碍的理解带来重要的洞见。

越来越多的文献表明，全身麻醉的特点是大脑区域间连接的显著中断。一些研究认为，丘脑通过与大脑皮层的沟通在维持意识方面发挥着核心作用，这表明麻醉针对的是丘脑-皮质系统。其他人认为麻醉主要改变皮质-皮质之间的交流，丘脑的变化仅仅反映了来自这些皮质区域的输入减少。与麻醉相关的区域间耦合中断理论相反，一项研究表明，由于丙泊酚引起的GABA-A（gama-氨基丁酸能）增强，额叶alpha来自于丘脑和皮质之间的alpha波段耦合的增加，而这是由于丙泊酚引起的GABA-A增强所致。这反映了无意识是由皮质或丘脑的变化所致仍不清楚，即，关于alpha能量的增加是在皮质还是在下丘脑的结果仍不确定。

为了评估麻醉引起的跨区域功能关系的变化，研究经常使用基于振幅和相位的一致性度量来描述这些区域跨不同频率的活动之间的相关性。据报道，在麻醉过程中，人类的beta波的相干在丘脑-皮质和皮质-皮层网络中下降。然而，最近在动物身上的侵入性丘脑皮质记录显示了不同的结果，发现大鼠的丘脑皮质相干在alpha和delta范围增加。部分研究结果的不一致可能与丘脑的记录部位在不同的研究中存在很大差异有关。因此，对丘脑-皮层与麻醉的变化关系仍未解决。

最近，关于麻醉的EEG研究也开始描述皮层的相位-幅度耦合(PAC)的存在，其中较高频段的振幅受到另一个频段的相位的限制。PAC作为正常和病理神经生理功能的一部分，越来越被认为是一种重要的现象。当受试者从丙泊酚引起的无意识状态过渡到或脱离这种状态时，皮质alpha/beta活动的振幅最大，但慢波振荡却最小(SWO;频率<1hz)，而在深度镇静丙泊酚水平较高时，这一趋势反转；即，alpha/beta振幅最大，低频振荡峰值也最大。我们使用侵入性记录报告了丘脑-皮质PAC的存在，其中丘脑振荡驱动更高频率皮质振荡的振幅。然而，这些理论还没有在人类大脑皮层和丘脑区域的直接记录中得到正式的测试。

尽管做出了充足的努力并取得了上述进展，但麻醉药引起无意识的理论仍不一致，这可能部分是由于该领域中因记录方法和位置的差异而产生相互矛盾的结果。此外，只有少数研究使用直接的人类记录来测试提出的许多理论和模型。因此，我们使用侵入性颅内记录来研究丘脑腹中核(ViM)和感觉运动皮质在麻醉过程中的电生理学。

在使用磁共振弥散示踪术建立ViM和感觉运动皮层区域之间的结构连接后，我们研究了丙泊酚引起的局部丘脑和皮质功能的变化以及丘脑-皮质功能连接，以评估丘脑在调节皮质神经生理现象中的作用。功能连接的评估采用多种神经生理耦合测量方法，包括相干性和PAC以及格兰杰因果关系测量方法。总之，这些研究证实丙泊酚引起的意识丧失和皮质生理学的变化与丘脑-皮质功能连接的丧失有关，而不是与增强有关。

2.材料和方法

2.1病人及手术程序

双侧(n = 4)和单侧(n= 6)共十名原发性震颤被试参与脑深部电刺激(DBS)(表1)。我们记录了受试者在清醒状态下植入DBS和静脉注射丙泊酚后休息时的ECoG和局部场电位(LFPs)(图1)。

表1 组群的口统计学和相关临床资料

图1 丘脑和皮质记录部位和区域间结构连接

长效或短效药物在手术前至少12小时停用。被试接受临床前后影像学检查。术前成像包括T1加权像和64方向DTI。植入过程中，在颅骨上应用Leksell立体定向头架(Elekta仪器)，用1mm片厚(Siemens Sensation 64)进行全头部CT扫描。术中进行清醒刺激试验，确定DBS的临床最佳位置。

2.2实验设计

所有受试者使用铅的四环电极触点(接触点0、1、2和3，从腹侧到背侧)记录最终植入位置的LFPs。信号采集采用BCI2000v3连接放大器(g.Tec,g.USBamp 2.0)，采样率2400 Hz，在线0.1-1000Hz带通滤波。接地和参考点连接到头皮。

在患者睁眼休息1分钟后的开始记录，然后根据主治麻醉师的临床判断给药丙泊酚。记录继续进行，丙泊酚给药后，患者至少每15-30秒口头评估，以确定失去反应的时间。我们使用修改后的观察者警觉性/镇静量表(MOAA/S)来评估受试者的觉醒水平。之后记录持续1分钟，没有进一步的刺激。丙泊酚给药后，记录平均持续5分钟。由于丙泊酚的剂量、心输出量和不同受试者的血容量存在差异，我们预计在不同受试者的循环时间和麻醉诱导方面存在显著差异。分析麻醉期和麻醉前的差异。

2.3数据分析

电信号分析使用MATLAB和Fieldtrip toolbox进行。剔除所有包含伪迹的片段。剔除的段主要表现为功率谱异常高、谐波过多和电压变化率高的时间序列。采用FIR滤波器，使用2Hz带宽的带阻滤波器将工频干扰噪声(60Hz)及其谐波(高达300Hz)从数据中去除。

2.4分析指标

2.4.1功率谱密度

功率谱密度(PSD)的计算使用多窗口法，频率范围为0.3到300hz，1s的连续时间窗口没有重叠。

2.4.2相干性和dWPLI（无偏加权相位延迟指数）

使用相干性来探索皮质-皮质下的同步。分析同侧ViM与皮质信号的相干性。为了证实相干性结果并不是容积传导效应，我们使用了一种相位一致性的测量方法，该方法显示不受共同源的影响。在测量了功率谱后，我们用相似的时间和频率分辨率作为频谱和相干性分析，计算了每个丘脑-皮层信号对的交叉谱密度。然后计算所有感兴趣的频率(0.3–300Hz)的dWPLI。dWPLI测量了两个信号之间相位超前和滞后的非等概率，并已被证明对容积传导的影响不敏感。

2.4.3相位幅度耦合

采用Tort的调节指数法评估PAC。分析PAC的参数是基于之前对PAC方法的关键分析建议。采用FIR滤波对信号进行带通滤波(相位：0.3- 35hz，1-Hz步长，2Hz带宽)。然后利用Hilbert变换分别提取瞬时相位和振幅，创建相位振幅直方图。Kullback-Leibler散度用于测量直方图与均匀分布的偏差，并计算MI值。

2.4.4格兰杰因果

我们使用频域格兰杰因果来探索丘脑和皮层信号之间的有向功能连接(Barnettand Seth, 2014)。格兰杰因果关系假设原因先于并有助于预测结果。我们使用来自三个触点的信号：ViM，以及与中央沟前1cm和后1cm对应的接触点。

3结果

3.1DBS的解剖定位和与中央前回的结构连接

首先，我们使用上述方法确定植入DBS的解剖位置(图1B)。这确定了丘脑和皮层的理想位置，丘脑图谱覆盖了大部分腹侧触点，表明与中央前回连接的可能性更高。DTI进一步对此进行了证实（图1C）。图2A展示了一个受试者(S4)的原始信号。

图2 原始数据的例子，丘脑和皮质部位的局部功率谱。

(A)来自一名受试者的原始信号示例（顶部面板显示麻醉前(PreAnes)清醒时的信号，底部面板显示麻醉(Anes)状态时的信号）。

(B)A所示的同一受试者在整个记录期间的时频图，显示不同频率的功率在从静息清醒状态过渡到麻醉状态的过程中是如何演变的。每幅图的左边/右边的黑线框起来的矩形显示麻醉前/麻醉后分析所用的时间范围。

(C)六个面板显示被试平均的0.3至300Hz的功率谱密度(PSDs)。时间轴以对数刻度表示，以放大低频的变化。每个PSD曲线周围的相同颜色阴影表示平均值的95%CI。绿色/黄色阴影表示麻醉过程中能量显著增加/减少(p<.05，经多重比较矫正)。

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3.2丙泊酚对丘脑和皮质的局部功率有不同的调节作用

描述每个位点附近局部神经活动的变化，计算麻醉前和麻醉中PSD的变化(图2B和C)。丙泊酚给药后，我们观察到一个低频功率（<12hz）在丘脑和皮层上的整体增加。在12Hz以上，丘脑和皮质之间的功率变化不再一致。在麻醉过程中，丘脑的功率在所有频率为大于12Hz的情况下都下降了，但我们观察到，除了最后面的位点，所有皮质位点的功率在100hz以下的都上升了。

3.3丙泊酚抑制了丘脑-皮层alpha和beta的功能连接

我们观察到，在丘脑和感觉运动皮质alpha/低beta波段(9-19Hz)在麻醉前的相干性显著(图3A)。此外，我们发现丘脑和顶叶连接之间存在显著的高beta相干性(23-31Hz)(图3A)。其他频率(≤300Hz)没有发现明显的丘脑-皮质的相干性。

图3 丘脑-皮质相干、dWPLI和格兰杰因果关系的变化。

(A)丘脑的ViM核与中央沟周围2cm的每个皮质触点之间的相干性，频率在1至50赫兹之间。每个相干曲线周围的同色阴影表示95%的CI。黄色阴影表示麻醉期间相干性受到明显抑制(p<.05)。

(B)对于相同的信号对和频率范围的dWPLI，如图A所示。黄色阴影表示麻醉期间dWPLI明显抑制(p<.05)。

(C)ViM与中央后(上)和中央前(下)皮层信号之间的格兰杰因果关系(MVGC)。每条曲线周围的相同颜色阴影表示平均值的95%CI。黄色阴影表示皮层和皮质-丘脑血流之间存在显著差异(p<.05)，经多次比较校正。

(D)清醒和麻醉状态下MVGC的比较，表明麻醉时丘脑和皮质区之间的因果信号流受到抑制。黄色底纹表示经多次比较校正后差异显著(p<.05)。

接下来，我们通过观察ViM和每个皮层触点对之间的相干性和dWPLI的变化来评估麻醉诱导的丘脑-皮质功能连接的变化。我们观察到在中央沟附近皮质alpha/低beta频段(10-17Hz)麻醉诱导后连接性显著降低。值得注意的是，尽管发现了减少，我们仍然观察到在中央前回和中央沟的这个波段还是有显著的剩余相干性(图3A)。同样，丙泊酚抑制了ViM与后皮质的高beta(26-31Hz)的相干性(图3A)。我们还观察到dWPLI在相似频带上的变化，最显著的是麻醉诱导的中央沟附近alpha/低beta减少，而高beta频带在感觉皮层附近减少(图3B)。

频域因果关系分析显示alpha/低beta和高beta因果关系从ViM到感觉运动皮质显著高于相反方向(即从感觉运动皮质到丘脑，图3B)。Granger因果分析表明ViM的alpha/低beta和高beta波段的振荡是大脑皮层信号信息流的驱动因素。与麻醉前相比，麻醉期间的丘脑-皮质Granger因果关系(在两个方向上)显著变小。

3.4丙泊酚抑制皮质alpha/低beta PAC(相位-幅度耦合)，且增加慢波振荡PAC

我们通过计算所有记录位点间PAC的变化来研究麻醉是如何影响皮质和皮质功能连接的。图4A显示了覆盖中央沟的皮层信号的组平均PAC，显示了两个显著的模式。首先，在多个区域，我们观察到在麻醉过程中alpha/低beta波段的相位和gamma(50- 200hz)带的振幅之间的耦合减少。PAC最显著的下降发生在ViM相位调节皮质振幅，以及中央沟/中央前回相位调节其他皮质的振幅(图4B，顶部)。为了量化这些PAC差异，我们将频率分成alpha和高beta/低gamma波段。图4B说明了此PAC模式中显著减少的位置。

图4 丘脑-皮层局部和不同区域的PAC的变化。

(A)基线(上图)和麻醉诱导后(下图)覆盖中央前回的皮质信号组平均PAC热图。

(B)栅格为alpha/低beta相位和gamma波幅之间的组平均PAC（上图），以及SWO相位和8-200Hz频率的振幅之间的组平均PAC(下图)。计算基线(PreAnes)和麻醉(Anes)条件下的网格，右侧网格显示了这两种条件之间的差异。比较平均PAC值的变化，用星号表示显著性差异(p<0.05)。

(C)麻醉(Anes)期间SWO耦合的首选相位在振幅频率上的组平均圆形分布，表示首选相位是以零为中心)。PreAnes= 麻醉前(pre-anaesthetic)。

其次，我们观察到麻醉诱导后，SWO (0.3-1 Hz)的相位与8-200Hz的宽带频率之间的耦合增加。这种模式主要在皮层中观察到，随着尾侧到喙侧耦合(caudal-to-rostral)的增加，后脑区的相位调节前脑区的振幅(图4B)。麻醉诱导的SWO-宽带PAC在ViM相位和额叶幅度之间也有增加。为了量化这种PAC差异，我们将频率分为SWO和宽带波段。图4B说明了此PAC模式中显著增加的位置。