脑图谱与类脑智能实验室揭示意识障碍患者丘脑电生理活动特征
近日，首都医科大学北京天坛医院何江弘团队、中国科学院自动化研究所余山团队、南方医科大学张旺明团队，以及国际意识科学研究学会前主席Steven Laureys等联合在神经调控权威期刊Brain Stimulation上发表了题为Electrophysiological characteristics of CM-pf in diagnosis and outcome of patients with disorders of consciousness的研究成果。该研究收集并分析了目前国际上最大规模的意识障碍患者丘脑活动记录数据集，报告了一系列与意识障碍患者病情和预后恢复有密切关系的丘脑活动特征。
意识障碍（俗称“植物人”）是指由外伤、中风或缺氧导致严重脑损伤，从而引起长期的意识/唤醒异常。患者会在数月、数年甚至数十年间丧失意识，而且难以预计苏醒的可能性与时间，往往给家庭与社会造成沉重负担。阐明意识障碍的病理机制，特别是意识损伤和恢复的神经机制，是有效治疗意识障碍的关键所在。
针对这一重要的基础和临床问题，本研究收集并分析了23例意识障碍患者丘脑活动记录数据，通过克服这一特殊群体脑活动沉寂难以分析、病因复杂、样本量少等困难，发现了与意识损伤程度和预后恢复水平显著相关的一系列重要电生理特征，对理解意识障碍及其恢复的机制、优化临床治疗策略提供了重要依据。
近年来，以深部脑刺激（DBS）为代表的神经调控疗法在帕金森、癫痫和抑郁症等疾病的治疗中的作用引起了广泛关注。2007年以来，作用于中央丘脑的DBS治疗被认为有助于意识障碍患者的苏醒，但丘脑活动与意识障碍程度或病人意识恢复可能性之间的关系均不清楚，导致丘脑DBS在意识障碍治疗中的作用难以充分发挥。因此，深入研究意识障碍患者丘脑的电生理活动特征一方面有助于理解意识损伤与意识恢复的病理生理机制，另一方面有助于优化DBS电极的定位与治疗策略。
该研究首先验证了靶向中央丘脑DBS的治疗效果。作者收集了意识障碍患者在DBS植入手术过程中中央丘脑处中央中核-束旁核（CM-pf）的电生理信号，这些患者随后都开展了为期一年的DBS治疗。临床结果显示，共有47.8%的患者在DBS治疗后意识水平提高，其中8名患者在治疗后意识恢复良好，表现出对指令的可重复响应、功能性物体使用或沟通能力（如表1所示）。
表1.病人信息统计
进一步，该研究分析了中央丘脑核团的电生理信号，分别探究其与治疗前意识损伤程度、治疗后意识恢复水平间的关系。由于意识障碍患者的单神经元放电较少、信噪比低，作者创新性地使用多单元活动（MUA）来衡量神经活动，这有助于从看似表现为背景活动的信号中提取局部神经元群体的同步活动特征。具体而言，作者在CM-pf核团分析了五类电生理特征，包括神经元放电特性、多单元活动特性、信号稳定性、MUA与峰电位的同步性（syncMUA）以及背景噪音水平（如图1所示）。结果发现，治疗前意识损伤程度相对较小的MCS-患者在syncMUA gamma频段的同步性更强，其MUA在alpha频段的归一化功率也更高。同时作者也发现治疗后意识恢复更好的患者有一系列指标均明显更强：包括放电率、MUA在High-gamma频段的功率，在alpha频段的归一化功率，以及其theta频段的稳定性。其中，MUA theta频段活动的稳定性与预后恢复水平相关程度最高，MUA theta频段活动更稳定的患者经治疗后意识恢复更好（如图2所示）。
图1.数据分析流程
图2. theta频段MUA的稳定性
最后，作者分析了中央丘脑电生理特征与主要临床因素间的关联。过去二十年里，一系列研究强调了包括病因、年龄和病程在内的临床因素对于理解意识损伤与意识恢复的重要性，但与这些临床因素相关的脑活动电生理特性尚不清晰。鉴于中央丘脑对意识障碍与恢复的重要作用，作者也探究了其与这些临床因素间的关联。研究发现对于病因，中风与缺氧均与CM-pf的电生理特征有强相关，例如缺氧患者的放电率显著更低（p<0.001, r= -0.68）。考虑到前一部分结果发现放电率更少的患者预后更差，所以这里发现缺氧患者放电率更低的现象为以前的临床经验，即缺氧脑病的患者恢复较差，提供了机制性的解释。与之相反，中风患者CM-pf核团的多个电生理指标相对更高，外伤患者的放电率也相对高。此外，尽管作者临床发现年轻患者预后恢复更好，但研究并未发现年龄与CM-pf指标间的显著相关性。
综上，该研究对意识障碍患者中央丘脑的电生理特征进行了全面分析，揭示了CM-pf核团电生理特征对于理解意识障碍的病理生理机制、理解与预测意识恢复、解释临床因素的作用均至关重要。这一发现加深了对于意识障碍及其恢复的神经机制的理解，也为未来优化意识障碍治疗策略提供了重要线索。
首都医科大学北京天坛医院何江弘主任与中国科学院自动化研究所博士研究生张浩然为论文的共同第一作者，南方医科大学珠江医院张旺明主任及中国科学院自动化研究所余山研究员为共同通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金、中国科学院国际合作计划等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.brs.2023.09.021