揭示受傷大腦隱藏認知的EEG信號特徵

揭示受傷大腦隱藏認知的EEG信號特徵

來自美國哈佛醫學院的William H. Curley試圖探索能夠作為意識障礙患者認知能力指標的EEG信號特徵，並檢驗將來用於重建溝通的可靠性。該研究發表在《Brain》雜誌上。

嚴重腦損傷的病人是很難評估的且經常被誤診。「認知運動分離」就是描述這樣一小類病人，他們呈現認知和運動水平的極度分離——保留高水平的認知但運動能力卻極端有限甚至完全沒有。對於這類病人隱藏認知的識別是非常重要的，有助於幫助他們恢復溝通能力。但是這項工作也是非常困難的，由於運動能力的缺失，標準的行為學檢測誤差很大，而由於無意識的運動、肌電偽跡和覺醒時的狀態波動，非侵入式的fMRI和EEG記錄的準確性也大受干擾。因此更好地識別腦損傷患者標誌隱藏認知的皮層活動能夠指導建立有效的雙向溝通。

研究招募了28位嚴重、非進行性腦損傷患者，和15位健康對照組被試。病人基本信息和各項檢查結果詳見表1。另外有六位患者我們在兩個時間點進行了縱向研究。

腦電實驗設計是要求被試完成四個不同的運動想像任務，分別是「網球」（用一隻手揮舞網球拍）、「打開/合上右（左）手」、「導航」（在一個房子里走）和「游泳」。為被試帶上穿戴式耳機後播放預先錄好的聲音提示：兩個連續播放的指令——一個是執行要求的任務，一個是停止執行該任務。兩個指令重複八次組成一次記錄，每個任務由多次記錄組成。每次記錄之前，都告知被試在一聽到任務指令就開始執行想像一直到停止的指令。

「陽性」任務表現是指兩次測量都具有指令追隨響應，「不確定」是指只有一次測量具有指令追隨響應，「陰性」是指兩次測量都不具有指令追隨響應。

表1：a.靜息態腦電分類（1=正常/輕度異常，2=中度異常，3=重度異常）。

b.在記錄中丟失運動功能分級。

c.不同的功能核磁共振方案，見Rodriguez Moreno etal.(2010).

AC=偽跡污染；A1=評估1；A2=評估2；EMCS=源自最小意識狀態；F=女性；FMRI=功能核磁共振；M=男性；MCS=最小意識狀態；NT=未檢測；SAH=蛛網膜下出血；TBI=創傷性腦損傷；VS=植物狀態。

研究人員在全部15位健康對照組被試中都觀察到了指令追隨的EEG證據，其中12位在4個運動想像任務中都呈現陽性響應，2位對4個運動想像任務中的三個呈陽性響應，1位對4個中的2個呈陽性響應。大部分健康對照組被試在任務態呈現出α波和/或β波的抑制，圖1以一位被試的在游泳任務中的表現舉例說明。

圖1：健康對照組被試14號在「游泳」任務中表現出顯著、分散的α波（8-12Hz）和β波譜功率抑制。（A）在任務態（紅色）和靜息態（藍色），電極Cz和O2處建立的功率譜密度。沿x軸的綠色星代表經兩組間檢驗鑒定出的任務態和靜息態間存在顯著功率差異的頻段（P<0.05）。（B）兩組間檢驗鑒定出任務態和靜息態間存在顯著差別的所有電極位置和頻率的匯總。紅色的圓圈代表任務態功率大於靜息態的頻段。藍色圓圈代表靜息態功率大於任務態的頻段。長方形代表跨度至少2Hz的功率存在顯著性差異，因此滿足統計顯著性的閾值。電極根據在頭皮上的定位來分組，經FDR校正（0.05）後27.82%的經兩組間檢驗鑒定出的值仍然保持顯著性（未顯示）。

圖2表示出各運動想像任務下，健康被試在任務態和靜息態具有顯著功率差異的電極位置，以及病人對應相同的電極。

圖2：反應剖面。左圖：各個範式的反應剖面以所有被試單個電極的顯著功率調製相對於對照記錄的百分比的地形圖表示（「游泳」：18個健康對照記錄，「打開/合上右手」：21個健康對照記錄，「網球」：27個健康對照記錄，「導航」：13個健康對照記錄）。每個電極的百分比用顏色棒來表示，每一個剖面證實少量電極在各個記錄間都表現出高響應百分比，即「感興趣電極」，在對照組剖面用藍色圓圈顯示。右圖：相同的四個範式的響應剖面用病人的百分比的地形圖來表示，證實在每個電極處的陽性響應（「游泳」：8個病人，「打開/合上右手」：10個病人，「網球」：6位病人，「導航」：7位病人）。對照組被試完成「打開/合上右手任務」的想像版本，提示他們去想像該行為，而指導患者實際去執行該行為（但實際上患者無法這樣做）。不像對照組的響應，我們沒有觀察到病人響應的空間一致性。從對照組得到的感興趣電極在病人剖面用白色圓圈表示。

接著研究人員將昏迷恢復量表的得分根據陽性EEG響應的任務數和清醒背景腦電的正常度進行分類，發現1.CRS-R得分15分以上的被試全部具有EEG陽性響應，只有隻有4位具有fMRI證據；2. 背景腦電嚴重異常的被試不具有EEG陽性證據。

圖3：所有研究的病人總的昏迷恢復量表-修訂版得分總結。因為缺乏數據排除10號病人（評估1）。（A）腦電指令追隨呈陽性（藍色）和陰性（紅色）的病人每次評估記錄的最高昏迷恢復量表得分。病人根據其陽性結果的範式數目來分類。有兩次評估的被試用不同的符號來表示，兩次評估都畫出來了。（B）病人根據清醒時靜息態腦電信號分為三類。具有正常和輕度異常背景腦電信號的病人歸為一類。黑色圓圈代表功能核磁共振顯示出指令追隨能力的患者。

不同的病人對同一個想像任務呈現不同的響應模式，如圖4兩位患者，A圖的19號患者在任務態表現出α-低β功率廣泛的提高（Pz），伴隨20~30Hz功率在右後顳頂區的局部抑制。B圖的9號患者在任務態表現為頂葉低β波段功率有限的抑制（P3），伴隨著前額中部、頂葉和顳葉區的β功率的提高和抑制相混合。

圖4：兩個對「網球」範式響應呈陽性的患者的截然不同的例子。（A）上圖：19號患者在任務態（紅色）和靜息態（藍色）電極Pz處建立的功率譜密度。沿x軸的綠色星代表經兩組間檢驗鑒定出的任務態和靜息態間存在顯著功率差異的頻段（P<0.05）。下圖：19號患者在「網球」任務下所有記錄的腦電信號產生的的兩組間檢驗總結圖。長方形代表跨度至少2Hz的功率存在顯著性差異。α-低β功率廣泛的提高——見於Pz電極處——不僅與任務態相關，而且伴隨20~30Hz功率在右後顳頂區的局部抑制。經FDR校正（0.05）後有3.61%的經兩組間檢驗鑒定出的值仍然保持顯著性（未顯示）。（B）上圖：9號患者（評估1）在任務態（紅色）和靜息態（藍色）電極P3處建立的功率譜密度。下圖：9號患者在「網球」任務下所有記錄的腦電信號產生的的兩組間檢驗總結圖。頂葉低β波段功率有限的抑制——見於電極P3處——伴隨著前額中部、頂葉和顳葉區與任務態相關的β功率的提高和抑制。經錯誤發現率校正（0.05）後有0.37%的經兩組間檢驗鑒定出的值仍然保持顯著性（未顯示）。

平均來看，大約68.2%的對照組記錄在特定感興趣電極處包含顯著響應，而病人只有22.1%在特定感興趣電極處呈現響應，如圖5所示。

圖5：各範式下感興趣電極處響應的頻率。直方圖表明腦電指令追隨反應陽性的患者（橘色）和對照組（藍色）在每一個感興趣電極處顯著響應的百分數，對照組完成4個範式（「游泳」任務：對照組18次記錄，8位患者；「打開/合上右手」任務： 對照組21次記錄，10位患者；「網球」任務：對照組27次記錄，6位患者；「導航」任務：對照組13次記錄，7位患者）。對照組被試完成「打開/合上右手任務」的想像版本，提示他們去想像該行為，而指導患者實際去執行該行為（但實際上患者無法這樣做）。每組被試對各個範式的反應畫在同一個圖中。HC=健康對照組。

考慮到病人的「不確定響應」可能是由於狀態波動造成的，圖6分析了18號病人，發現確實覺醒狀態的波動會影響腦電分析的結果，四次記錄的頻譜圖如圖6A所示，將四次匯合在一起分析掩蓋了顯著響應，按照記錄的時間分開分析，發現第一天的兩次記錄呈現出陽性響應，而第二天不存在。

圖6：

18號患者（評估1）針對「網球」範式的狀態波動分析示例。（A）左圖：「網球」任務四次記錄的複合頻譜，來自CP2電極處記錄的任務態和靜息態所有乾淨的EEG數據，包括每一次記錄。每次記錄的複合頻譜提供提示關於在各次記錄中隨時間推移頻譜總的走勢變化。第一天的兩次記錄（紫色）證實一個明顯的α峰特徵，而該特徵在第二天的記錄（綠色）中很大程度上缺失。右圖：18號患者（評估1）四次「網球」任務記錄分析的兩組間檢驗總結圖——內置頻譜（小上圖）表明用於分析的記錄試次（在這裡是所有的四次）。當我們結合四次記錄中的任務態和靜息態腦電並應用統計標準，經錯誤發現率（0.05）校正後沒有兩組間檢驗鑒別的顯著值仍存在。（B）只有第一天記錄的獨立分析畫出兩組間檢驗總結圖；經錯誤發現率校正（0.05）後有2.65%的經兩組間檢驗鑒定出的值仍然保持顯著性，並以黑色橢圓表示。（C）只有第二天記錄的獨立分析畫出兩組間檢驗總結圖；經錯誤發現率校正（0.05）後無經兩組間檢驗鑒定出的值仍然保持顯著性。

最後分析了六位被試的縱向EEG信號特徵變化，如圖7舉一例所示，十號患者在使用腦機介面前評估時，任務態呈現混合型——δ波和α波既有增加也有降低；到五年後評估時，在任務態只表現為δ波和α波的抑制。

圖7：一位患者隨時間變化響應信號的變化。十號患者相隔5年對「游泳」任務進行兩次評估，證實響應特性的改變，獨立的腦機介面（頭滑鼠控制器）使用前（A）後（B）。綠色長方形表示δ波段（1-4Hz），紫色長方形表示α波段（8-12Hz）。初次評估（A）時與任務表現相關的功率譜呈混合型，既有增加也有抑制，然而第二次評估（B）時只觀察到功率譜的抑制。

綜上所述，研究人員用頻譜密度分析檢測任務表現的EEG證據發現：1.28位嚴重腦損傷病人中有21位具有指令追隨能力，以及全部15位健康對照組被試也具有該能力；2. 大部分的健康對照組被試呈現出α波（8-12Hz）和/或β波（13-40Hz）的抑制，相較於健康對照組被試適度的EEG信號變異性，病人呈現出大量的EEG信號時空變異特性； 3.21位EEG證據表明具有指令追隨能力的被試中，只有9位證實在fMRI中存在指令追隨能力，說明EEG的敏感性高於fMRI。4.標準行為學評估CRS-R中顯示不具有溝通能力的9位被試，也存在指令追隨能力的EEG證據。5.5位對單個任務呈現統計上不確定響應的被試在校正了背景狀態腦電變異後也顯示出陽性響應。綜上所述，我們的發現揭示嚴重腦損傷病人的腦電信號的異質性，有助於洞察認知運動分離障礙潛在的生理機制，這些結果幫助指導未來利用腦機介面重建溝通的病人的努力。

參考文獻：CurleyW H, Forgacs P B, Voss H U, et al. Characterization ofEEG signals revealing

covert cognition in the injured brain[J]. Brain, 2018.

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