麻醉状态下脑活动的无尺度属性：一项探索性的功能磁共振研究

发布时间：2016-03-15 15:53

1 绪论

1.1 功能磁共振研究简介
神经元内部并无糖和氧气储存着作为能量使用，因此神经元的放电需要从外界迅速的输入能量来保证正常运作。通过血液输入的氧气会大于神经元所需要的，从而会使得氧合血红蛋白升高，去氧血红蛋白相对减少。氧合血红蛋白为逆磁性物质，而去氧血红蛋白为顺磁性物质。在 1990 年，Ogawa 的团队发表了三篇文章，说明血红蛋白的两种形式：氧合血红蛋白和去氧血红蛋白均可以通过磁共振机器测得。因此，通过磁共振测量氧合血红蛋白和去氧血红蛋白，，即可实现对脑活动（思考，行动和经验）的间接探测。

1.2意识的神经科学简介

另外还有一些研究也表明，通过功能磁共振(Monti etal., 2010)或者脑电图(Cruse et al., 2012)，能发现大约有 16–19%被诊断为植物人的病人，能通过感觉语言命令来改变他们的脑活动，预示着这些病人可能存在一定的意识水平。因此，这些技术和任务的使用，将有助于发现传统行为测量所不能探测到的意识状态水平(Giacino, Kalmar, & Whyte, 2004; Shiel et al., 2000;Wijdicks, Bamlet, Maramattom, Manno, & McClelland, 2005)。然而，一些因素比如生理状态的起伏，认知功能的损伤或者听从命令能力的减弱都可能因为脑损伤而出现，从而使得无论是传统临床上的行为测量(Majerus, Gill-Thwaites, Andrews, &Laureys, 2005)或者通过脑成像实验范式的测量(Casali et al., 2013)，都存在一定的误诊可能。因此，在健康被试上的麻醉或者镇静状态的研究将有助于克服这些脑损伤对意识探究的干扰，并找到特定的和意识相关的生理指标。
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2 问题的提出

本研究的总体目标为通过功能磁共振(fMRI)，研究麻醉状态下脑活动 BOLD信号的长程相关性(LRTC)和时间变异性相对于清醒状态的差异（清醒状态数据包括病人的清醒状态和一组独立的健康被试清醒状态）。第一个主要目标为研究麻醉状态下长程相关性和时间变异性的全局变化。我们假设长程相关性和时间变异性在全脑都会发生下降。第二个主要目标是研究这两者之间的关系对于意识水平的反应。我们预期在清醒状态下这两个指标将会是显著正相关，而这种相关随着意识水平的减弱将会消失。第三个主要目标为通过逻辑回归(LR)和受试者工作特征曲线(ROC)来确定 BOLD 信号的长程相关性和时间变异性是否能够在个体水平上区分出受试者所属的意识水平状态，即被试者是否为意识状态或者无意识状态。

3 实验方法和流程 .........................14

3.1 被试 ..................................14 
3.2 麻醉和清醒被试组流程 ......................14
3.3 功能磁共振数据采集 ....................17 
3.4 磁共振数据预处理 ......................17
3.5 感兴趣区的定义 ............................................18
3.6 幂律指数的计算 ............................................18
3.7 BOLD 信号的标准差(SD)计算 .................................19
3.8 逻辑回归(LR)和受试者工作特征曲线(ROC)分析 .................19
3.9 弃一法测试 .......................20
3.10 统计分析 .................20
4 结果 ......22
4.1 麻醉状态下 PLE 和 SD 全局降低 ...............................22
4.2 PLE 和 SD 的相关分析 .......................................24
4.3 使用 PLE 和 SD 来鉴别被试的临床上的意识状态 .................25
5 讨论 ........................28
5.1 脑活动的长程相关性和意识程度之间的关系 ....................28
5.2 长程相关性和时间变异性 ....................................28
5.3 方法学议题 ...................29

5 讨论

5.1脑活动的长程相关性和意识程度之间的关系

脑活动的长程相关性通过脑活动的时间序列的自相似性来体现，因此，静息态的脑活动可能存在特定的时间结构(Bullmore et al., 2001; He et al., 2010)。这种时间结构产生的机制可能是由于脑的低频活动和高频活动之间的耦合，如 HE 在2010 年的文章中提到的低频信号的相位和高频信号的能量之间存在的耦合关系。在麻醉状态下的长程相关性的减弱，可能和这种低频相位和高频能量间耦合程度的改变相关，比如，这种耦合程度在麻醉状态下变弱。为了测试该假设，今后的研究需要通过 EEG/MEG 或者颅内电极记录来测试。基于本研究的结果，我们预期长程相关性的减弱，将于高频和低频脑活动间的减弱有关，并可用此来预测意识程度。

5.2长程相关性和时间变异性

然而，这种在清醒状态下两属性之间的相关性在麻醉状态下就消失了。这两者之间的关系似乎被打破，不再与对方相关联。我们的研究表明这种关联的消失很可能和意识水平的减弱相关。然而，我们的研究依然无法说明这种关联的消失是否只是麻醉药的一个副作用，而和意识水平无关。因此后续的研究需要在其他的意识障碍被试中进行研究，如植物人。同时，我们的逻辑回归，ROC 曲线分析和弃一法分析也支持长程相关性和时间变异性之间存在关系。结合PLE和SD能达到最高的分类结果，这预示着PLE，SD 和他们之间的关系很可能与麻醉导致的无意识有关。在临床上，如果能有大样本数据的研究，PLE 和 SD 的结合很可能能提供一种基于生理信号来判断被试意识状态的诊断标准(MacDonald, Naci, MacDonald, & Owen, 2015)。这种基于生理指标的诊断标准若能用于比如植物人的意识的临床诊断，将产生很大的临床应用价值。

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6 结论

本研究首次研究了在麻醉状态下的静息态脑活动的长程相关性的减弱，以及其与时间变异性之间的失耦合。结合已发表的其他研究，我们认为全局脑活动的长程相关性以及其与时间变异性的关系对于意识状态的变化具有重要的作用。此外，我们发现长程相关性和时间变异性的结合能够达到对被试意识状态很高的预测率。如果这项指标能在大样本数据中进行研究，将为临床上通过静息态脑活动的生理指标预测意识水平提供可能性。

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参考文献（略）

本文编号：34891