圖片來源@視覺中國
文｜追問NextQuestion，作者｜劉暉
腦切除手術是治療先天性結構異常、血管異常、腫瘤、腦藥性癲癇等神經系統疾病的標準外科手術。在腦切除手術過程中，醫生既要最大限度地切除病灶組織，又要保留健康的腦功能區。因此，為制定最佳的手術方案，精準的腦功能圖譜必不可少。
現階段，科學家可以利用腦電圖（EEG）、腦磁圖（MEG）、功能性核磁共振成像（fMRI）和正电子發射斷層成像（PET）等技術對皮層語言區進行定位，不過電刺激（ECS）一直是定位接受性語言功能區域的金標準方法。
然而，ESC需要在開顱手術實施過程中保證病患清醒——儘管這已經是一項常規的臨床技術，但是在腦部手術中喚醒病人可能導致一些併發症發生，比如導致病人術中昏迷，誘發短暫或長時間的局灶性缺失；另外，如果病患年齡過小，髓鞘發育不完全，則易誘發癲癇，增加了術后功能障礙的風險。上述問題大大縮小了ECS功能圖譜在病患中的適用範圍。
圖注：A.黑色小圓圈指代電極植入位置，黃框內為電極帶植入手術示意圖。B.清醒和麻醉狀態下，語言刺激和電極採集的信號由良好的時空一致性。C.同一位患者在清醒和麻醉兩種狀態下接受被動語言刺激時活動腦區功能圖譜一致 圖片來源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022
為了消除對清醒開顱手術的要求降低上述併發症的發生，美國華盛頓大學國家適應性神經技術中心、奧爾巴尼醫學院神經外科系研究團隊提出並評估了一種基於皮質電圖（ECoG）技術的腦功能圖譜繪製方法——新技術不需要術中患者保持清醒，同時也不需要對患者進行電刺激。這一最新的研究成果於2023年3月發表在著名期刊Clinical Neurophysiology上，TCCI應用神經技術前沿實驗室主任Gerwin Schalk博士為這項研究的主要研究者。
該文章報道封面 圖片來源：Clinical Neurophysiology期刊官網
在這項研究中，研究人員利用寬頻頻段（70-170赫茲）對20名不同全麻狀態下的神經外科病人進行了ECoG繪圖效果測試，實驗結果表明患者接受全身性麻醉期間，使用ECoG記錄接受性語言皮層被動功能圖譜是可行的，同時也確認了實現最佳語言圖譜記錄的麻醉階段。
本次研究中，被試均患有癲癇或腦腫瘤，年齡在21歲以上，無聽障問題，可以通過英文溝通。癲癇組患者術前1-2周植入ECoG，採集記錄在術前和術中全麻時30-90分鐘皮層活動信號並繪製功能圖譜，患者清醒前移出顱內ECoG；腫瘤組患者在術中全麻后植入ECoG，記錄患者在手術過程中由失去意識到可以做出反應的30-60min的腦功能圖譜，患者清醒后再記錄ECS，隨後去除ECoG。
圖注：麻醉和實驗時間線。全麻過程如圖1（A）所示，藍色指代清醒狀態，紅色指代深度麻醉，當病人失去意識（LOC）即進入全身麻醉狀態 圖片來源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022
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術前研究人員使用高分辨（3T）磁共振圖像（MRI）確定患者皮質解剖結構，創建每個病人的大腦3D模型，術中使用CT確定電極植入位置；若為二、三期手術患者，無法在術中使用CT定位，外科醫生則使用BrainLab神經導航系統手動定位。所有實驗中均採集、記錄病人心電圖信號和ECoG信號。
圖注：電極位置定位及植入示例 圖片來源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022
在研究過程中，研究人員使用接受性語音範式喚起被試皮質反應。刺激由32個獨特的詞組成，通過罩耳式耳機傳遞給患者。每個刺激持續時長為700ms，刺激間隔為1000ms。隨後從ECoG中提取寬頻伽馬波（BBG）以反映局部神經元信號發射從而進行皮質活動定位——BBG在基線或靜止期（即沒有刺激的情況下）活動是隨機的；相反，任務有關的變化則與從參与處理刺激的大腦皮層記錄的BBG包絡會有高度的時空一致性。根據此原理可以確定電極水平上對聽覺-語言刺激有反應的皮質位置。
圖注：不同麻醉狀態下ECoG信號動態變化 圖片來源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022
隨後，研究人員對BBG包絡進行統計分析。為量化大腦的反應性，以便進行數值比較，研究人員先繪製單個反應性電極的接收操作特徵（ROC）曲線，隨後測量曲線下面積（AUC），以量化每個部位的反應幅度，即效應大小。研究人員又計算了反應電極的AUC總和，以此作為每個圖譜大腦活動指數（BAI）。
圖注：統計分析。A.藍色（左）和青色（右）的時間軌跡是“基線”和“任務”之間寬頻伽馬波的z評分，每個時間線旁的數字錶示其對應的實驗編號（1到N）。B.“基線”和“任務”的所有組合（沒有重複）之間的相關性分析，每個面板显示了一對不同實驗的時間痕迹和它們的皮爾遜相關係數（r）。C.“基線”和“任務”r值分佈。D.曲線下面積（AUC）表示兩個分佈的可分離性，所有對刺激有響應的電極的AUC之和即為腦活動指數（brain activity index, BAI） 圖片來源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022
通過BAI表徵大腦的反應和活動，不僅可以用來研究不同條件下皮質對語言刺激的響應度，還可以減免各個受試者植入電極數量不同帶來的潛在影響。實驗人員通過量化不同條件下映射結果之間的相似性計算得出兩組病人麻醉期間被動語言圖譜的平均敏感性和特異性分別為49%（±7.7%）和100%。
圖注：癲癇組群（左）和腦腫瘤組群（右）的被動圖譜測繪結果。分別為12名癲癇受試者和6名腦腫瘤受試者的被動語言腦功能圖譜記錄結果，黑色小圓圈代表ECoG電極位置，藍色和紅色圓圈分別代表在清醒和麻醉狀態下對語言刺激有響應且有統計學意義的電極，每張皮層功能圖譜右下角對應有清醒狀態下的BAI值 圖片來源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022
本項研究側重於繪製麻醉期間的接受性語言皮質圖譜，在之後的實驗中證實這項技術同樣可以參与接受其他感覺輸入的皮層定位。未來若能開發新的技術來量化精確麻醉深度，研究人員就可以進一步精準找到測試的最佳時間窗口，提高全身麻醉期間皮質電圖記錄皮層被動功能圖譜的應用範圍，為神經外科醫生提供製定診療方案的準確信息。
從本次研究結果來看，全身麻醉期間繪製電腦皮層功能圖譜的方法是一種強大而可靠的識別麻醉大腦功能區域的技術，研究小組通過額外的驗證證實基於ECoG方法可以補充或代替ECS，為更多不適合使用常規清醒開顱手術的神經外科病人確定腦功能區域，並增加手術成功率。
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