腦圖譜與類腦智能實驗室揭示意識障礙患者丘腦電生理活動特征

　　近日，首都醫科大學北京天壇醫院何江弘團隊、中國科學院自動化研究所余山團隊、南方醫科大學張旺明團隊，以及國際意識科學研究學會前主席Steven Laureys等聯合在神經調控權威期刊Brain Stimulation上發表了題為Electrophysiological characteristics of CM-pf in diagnosis and outcome of patients with disorders of consciousness的研究成果。該研究收集并分析了目前國際上最大規模的意識障礙患者丘腦活動記錄數據集，報告了一系列與意識障礙患者病情和預后恢復有密切關系的丘腦活動特征。  

　　意識障礙（俗稱“植物人”）是指由外傷、中風或缺氧導致嚴重腦損傷，從而引起長期的意識/喚醒異常?；颊邥跀翟?、數年甚至數十年間喪失意識，而且難以預計蘇醒的可能性與時間，往往給家庭與社會造成沉重負擔。闡明意識障礙的病理機制，特別是意識損傷和恢復的神經機制，是有效治療意識障礙的關鍵所在。 

　　針對這一重要的基礎和臨床問題，本研究收集并分析了23例意識障礙患者丘腦活動記錄數據，通過克服這一特殊群體腦活動沉寂難以分析、病因復雜、樣本量少等困難，發現了與意識損傷程度和預后恢復水平顯著相關的一系列重要電生理特征，對理解意識障礙及其恢復的機制、優化臨床治療策略提供了重要依據。  

　　近年來，以深部腦刺激（DBS）為代表的神經調控療法在帕金森、癲癇和抑郁癥等疾病的治療中的作用引起了廣泛關注。2007年以來，作用于中央丘腦的DBS治療被認為有助于意識障礙患者的蘇醒，但丘腦活動與意識障礙程度或病人意識恢復可能性之間的關系均不清楚，導致丘腦DBS在意識障礙治療中的作用難以充分發揮。因此，深入研究意識障礙患者丘腦的電生理活動特征一方面有助于理解意識損傷與意識恢復的病理生理機制，另一方面有助于優化DBS電極的定位與治療策略。 

　　該研究首先驗證了靶向中央丘腦DBS的治療效果。作者收集了意識障礙患者在DBS植入手術過程中中央丘腦處中央中核-束旁核（CM-pf）的電生理信號，這些患者隨后都開展了為期一年的DBS治療。臨床結果顯示，共有47.8%的患者在DBS治療后意識水平提高，其中8名患者在治療后意識恢復良好，表現出對指令的可重復響應、功能性物體使用或溝通能力（如表1所示）。 

表1.病人信息統計 

　　進一步，該研究分析了中央丘腦核團的電生理信號，分別探究其與治療前意識損傷程度、治療后意識恢復水平間的關系。由于意識障礙患者的單神經元放電較少、信噪比低，作者創新性地使用多單元活動（MUA）來衡量神經活動，這有助于從看似表現為背景活動的信號中提取局部神經元群體的同步活動特征。具體而言，作者在CM-pf核團分析了五類電生理特征，包括神經元放電特性、多單元活動特性、信號穩定性、MUA與峰電位的同步性（syncMUA）以及背景噪音水平（如圖1所示）。結果發現，治療前意識損傷程度相對較小的MCS-患者在syncMUA gamma頻段的同步性更強，其MUA在alpha頻段的歸一化功率也更高。同時作者也發現治療后意識恢復更好的患者有一系列指標均明顯更強：包括放電率、MUA在High-gamma頻段的功率，在alpha頻段的歸一化功率，以及其theta頻段的穩定性。其中，MUA theta頻段活動的穩定性與預后恢復水平相關程度最高，MUA theta頻段活動更穩定的患者經治療后意識恢復更好（如圖2所示）。 

圖1.數據分析流程 

圖2. theta頻段MUA的穩定性 

　　最后，作者分析了中央丘腦電生理特征與主要臨床因素間的關聯。過去二十年里，一系列研究強調了包括病因、年齡和病程在內的臨床因素對于理解意識損傷與意識恢復的重要性，但與這些臨床因素相關的腦活動電生理特性尚不清晰。鑒于中央丘腦對意識障礙與恢復的重要作用，作者也探究了其與這些臨床因素間的關聯。研究發現對于病因，中風與缺氧均與CM-pf的電生理特征有強相關，例如缺氧患者的放電率顯著更低（p<0.001, r= -0.68）?？紤]到前一部分結果發現放電率更少的患者預后更差，所以這里發現缺氧患者放電率更低的現象為以前的臨床經驗，即缺氧腦病的患者恢復較差，提供了機制性的解釋。與之相反，中風患者CM-pf核團的多個電生理指標相對更高，外傷患者的放電率也相對高。此外，盡管作者臨床發現年輕患者預后恢復更好，但研究并未發現年齡與CM-pf指標間的顯著相關性。 

　　綜上，該研究對意識障礙患者中央丘腦的電生理特征進行了全面分析，揭示了CM-pf核團電生理特征對于理解意識障礙的病理生理機制、理解與預測意識恢復、解釋臨床因素的作用均至關重要。這一發現加深了對于意識障礙及其恢復的神經機制的理解，也為未來優化意識障礙治療策略提供了重要線索。 

　　首都醫科大學北京天壇醫院何江弘主任與中國科學院自動化研究所博士研究生張浩然為論文的共同第一作者，南方醫科大學珠江醫院張旺明主任及中國科學院自動化研究所余山研究員為共同通訊作者。該項研究得到國家自然科學基金、中國科學院國際合作計劃等資助。 

 

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.brs.2023.09.021