绘制脑功能图谱的ECoG技术，有望变革清醒开颅手术？

图片来源@视觉中国

文｜追问NextQuestion，作者｜刘晖

脑切除手术是治疗先天性结构异常、血管异常、肿瘤、脑药性癫痫等神经系统疾病的标准外科手术。在脑切除手术过程中，医生既要最大限度地切除病灶组织，又要保留健康的脑功能区。因此，为制定最佳的手术方案，精准的脑功能图谱必不可少。

现阶段，科学家可以利用脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、功能性核磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层成像（PET）等技术对皮层语言区进行定位，不过电刺激（ECS）一直是定位接受性语言功能区域的金标准方法。

然而，ESC需要在开颅手术实施过程中保证病患清醒——尽管这已经是一项常规的临床技术，但是在脑部手术中唤醒病人可能导致一些并发症发生，比如导致病人术中昏迷，诱发短暂或长时间的局灶性缺失；另外，如果病患年龄过小，髓鞘发育不完全，则易诱发癫痫，增加了术后功能障碍的风险。上述问题大大缩小了ECS功能图谱在病患中的适用范围。

图注：A.黑色小圆圈指代电极植入位置，黄框内为电极带植入手术示意图。B.清醒和麻醉状态下，语言刺激和电极采集的信号由良好的时空一致性。C.同一位患者在清醒和麻醉两种状态下接受被动语言刺激时活动脑区功能图谱一致 图片来源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022

为了消除对清醒开颅手术的要求降低上述并发症的发生，美国华盛顿大学国家适应性神经技术中心、奥尔巴尼医学院神经外科系研究团队提出并评估了一种基于皮质电图（ECoG）技术的脑功能图谱绘制方法——新技术不需要术中患者保持清醒，同时也不需要对患者进行电刺激。这一最新的研究成果于2023年3月发表在著名期刊Clinical Neurophysiology上，TCCI应用神经技术前沿实验室主任Gerwin Schalk博士为这项研究的主要研究者。

该文章报道封面 图片来源：Clinical Neurophysiology期刊官网

在这项研究中，研究人员利用宽频频段（70-170赫兹）对20名不同全麻状态下的神经外科病人进行了ECoG绘图效果测试，实验结果表明患者接受全身性麻醉期间，使用ECoG记录接受性语言皮层被动功能图谱是可行的，同时也确认了实现最佳语言图谱记录的麻醉阶段。

本次研究中，被试均患有癫痫或脑肿瘤，年龄在21岁以上，无听障问题，可以通过英文沟通。癫痫组患者术前1-2周植入ECoG，采集记录在术前和术中全麻时30-90分钟皮层活动信号并绘制功能图谱，患者清醒前移出颅内ECoG；肿瘤组患者在术中全麻后植入ECoG，记录患者在手术过程中由失去意识到可以做出反应的30-60min的脑功能图谱，患者清醒后再记录ECS，随后去除ECoG。

图注：麻醉和实验时间线。全麻过程如图1（A）所示，蓝色指代清醒状态，红色指代深度麻醉，当病人失去意识（LOC）即进入全身麻醉状态 图片来源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022

术前研究人员使用高分辨（3T）磁共振图像（MRI）确定患者皮质解剖结构，创建每个病人的大脑3D模型，术中使用CT确定电极植入位置；若为二、三期手术患者，无法在术中使用CT定位，外科医生则使用BrainLab神经导航系统手动定位。所有实验中均采集、记录病人心电图信号和ECoG信号。

图注：电极位置定位及植入示例 图片来源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022

在研究过程中，研究人员使用接受性语音范式唤起被试皮质反应。刺激由32个独特的词组成，通过罩耳式耳机传递给患者。每个刺激持续时长为700ms，刺激间隔为1000ms。随后从ECoG中提取宽频伽马波（BBG）以反映局部神经元信号发射从而进行皮质活动定位——BBG在基线或静止期（即没有刺激的情况下）活动是随机的；相反，任务有关的变化则与从参与处理刺激的大脑皮层记录的BBG包络会有高度的时空一致性。根据此原理可以确定电极水平上对听觉-语言刺激有反应的皮质位置。

图注：不同麻醉状态下ECoG信号动态变化 图片来源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022

随后，研究人员对BBG包络进行统计分析。为量化大脑的反应性，以便进行数值比较，研究人员先绘制单个反应性电极的接收操作特征（ROC）曲线，随后测量曲线下面积（AUC），以量化每个部位的反应幅度，即效应大小。研究人员又计算了反应电极的AUC总和，以此作为每个图谱大脑活动指数（BAI）。

图注：统计分析。A.蓝色（左）和青色（右）的时间轨迹是“基线”和“任务”之间宽频伽马波的z评分，每个时间线旁的数字表示其对应的实验编号（1到N）。B.“基线”和“任务”的所有组合（没有重复）之间的相关性分析，每个面板显示了一对不同实验的时间痕迹和它们的皮尔逊相关系数（r）。C.“基线”和“任务”r值分布。D.曲线下面积（AUC）表示两个分布的可分离性，所有对刺激有响应的电极的AUC之和即为脑活动指数（brain activity index, BAI） 图片来源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022

通过BAI表征大脑的反应和活动，不仅可以用来研究不同条件下皮质对语言刺激的响应度，还可以减免各个受试者植入电极数量不同带来的潜在影响。实验人员通过量化不同条件下映射结果之间的相似性计算得出两组病人麻醉期间被动语言图谱的平均敏感性和特异性分别为49%（±7.7%）和100%。

图注：癫痫组群（左）和脑肿瘤组群（右）的被动图谱测绘结果。分别为12名癫痫受试者和6名脑肿瘤受试者的被动语言脑功能图谱记录结果，黑色小圆圈代表ECoG电极位置，蓝色和红色圆圈分别代表在清醒和麻醉状态下对语言刺激有响应且有统计学意义的电极，每张皮层功能图谱右下角对应有清醒状态下的BAI值 图片来源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022

本项研究侧重于绘制麻醉期间的接受性语言皮质图谱，在之后的实验中证实这项技术同样可以参与接受其他感觉输入的皮层定位。未来若能开发新的技术来量化精确麻醉深度，研究人员就可以进一步精准找到测试的最佳时间窗口，提高全身麻醉期间皮质电图记录皮层被动功能图谱的应用范围，为神经外科医生提供制定诊疗方案的准确信息。

从本次研究结果来看，全身麻醉期间绘制电脑皮层功能图谱的方法是一种强大而可靠的识别麻醉大脑功能区域的技术，研究小组通过额外的验证证实基于ECoG方法可以补充或代替ECS，为更多不适合使用常规清醒开颅手术的神经外科病人确定脑功能区域，并增加手术成功率。

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