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全身麻醉苏醒前短暂的皮层状态:睡眠样感觉反应

古麻今醉网内地男星 2020-05-22 09:33:28 1436

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在清醒状态大脑保持着一种可以协调对感官输入的复杂反应的动态状态，但是大脑是如何自发地产生这种状态的还尚未可知。全身麻醉使我们有机会研究大脑是如何从深度昏迷中恢复其功能的。我们通过记录颅内皮层脑电图以及头皮脑电图来追踪丙泊酚全身麻醉苏醒的神经变化。我们发现一个发生在行为反应恢复之前的大脑短暂过渡状态，这个状态的特征是大振幅的空间分布的慢感觉诱发电位，类似于睡眠第二阶段的标志K复合波，但是其持续自发的动态变化不同于睡眠。本研究发现大脑在苏醒过程中在重新对唤醒刺激产生反应之前会进入一个睡眠样的感觉抑制，证实了诱导和苏醒过程的神经生理学的不对称性。

方法

临床资料 研究对象患有难治性癫痫，为了便于临床监测需接受颅内电极植入手术。植入电极的位置和数量取决于临床标准，本研究不施以干预。手术结束后保持丙泊酚持续输注并开始脑电图记录，直至丙泊酚输注停止，患者苏醒出室停止记录。记录到的数据中无癫痫发作。手术过程中药物治疗按照常规进行，大多数病例术中采用了瑞芬太尼持续输注。本研究共收集15个病例，由于数据记录质量不合格剔除病例2个，由于听觉刺激设备故障剔除病例1个，其中有2例来自同一个患者放置于不同位置的电极，最终分析的数据为13例，来自12名患者，女性5人，男性7人，年龄21-48岁，平均34.5岁。4例患者仅植入了深部电极，9例患者同时植入了深部电极和硬膜下条状/栅格电极。本研究还采集了8例患者在1-3周后接受电极取出手术麻醉诱导过程的脑电数据（诱导过程使用STANPUMP进行丙泊酚泵注，10分钟达到目标血浆浓度最大值6μg/ml）。

行为学测试-颅内脑电记录 听觉刺激为每3.5-4.5秒一次平均时间抖动（11例）或每6秒一次（2例），使用EPrime软件和空气管耳机避免电生理数据中与刺激相关的伪迹。听觉刺激包括双耳各给予一次40Hz/84Hz持续2秒的喀喇音，或者一次非言语的刺激（如关门声、警报声等）或者一个单词。麻醉诱导时患者听取听觉刺激通过按按钮反馈听到的是不是一个单词。在苏醒期，在即将停止丙泊酚输注时开始进行听觉刺激直到患者产生反应。整个听觉刺激过程为20分钟，若患者20分钟后仍未苏醒则重新开始听觉刺激。只有两名患者在苏醒期执行了行为学测试的指令。在行为学观察期间，临床医生每隔1-2分钟要求患者睁开眼睛。行为学反应的恢复被人为地用两种定义标记：被观察到的首次自发体动（首次体动）和患者对睁眼或者动手指令产生反应的时间（首次反应，定义为意识恢复ROC）。采集了在1-3周后接受电极取出手术麻醉诱导过程的脑电数据的8例患者接受了同样的行为学测试，在开始输注丙泊酚前4分钟开始直到血浆药物浓度达到最大值水平后4分钟停止。

颅内电生理数据 使用XLTEK采集系统以2000Hz的采样率采集数据。人工识别不良电极并剔除。深部电极和条状电极参考双极导联组合，每个通道都减去相邻的接触。栅格电极参考拉普拉斯电极组合减去相邻电极的平均值。数据渲染，低通滤波低于200Hz，低采样至500Hz，高通滤波高于0.16Hz。

自动事件检测 自动检测器的设计是为了保守地选择事件，减少假阳性率。由于偶发的大伪迹干扰了事件检测，自发事件的自动检测仅限于具有记录质量合格的最长的手动识别连续分段。自动检测窗口中剔除了其他所有时间点。选择这种方法是因为颅内脑电记录的性质：我们会尽快开始记录，但在实验开始和结束时与患者的临床交流，以及电极的连接和断开，导致在这些时间点出现非常大的伪迹，而我们获取的是一段苏醒过程中长时间稳定的记录。分段时长中位数为650s（四分位数范围：580-1410s）。显然这个长分段还包括一些噪音，这些噪音被自动识别剔除出接下来的分析。数据首先在0.2-4Hz之间过滤。所有阳性和阴性峰的振幅至少为400μV。峰值的持续时间（定义为超过40 mV阈值的时间）要求至少为400 ms。振幅大于1200 mV的峰值作为伪迹被剔除，并且在先前事件的500 ms内发生的事件被剔除。要求单个电极内的所有事件具有相同的极性（在所有自动检测的事件中出现频率最高的极性），因为参考电极根据局部极性和电极位置确定电位为负或正。

事件锁定分析 峰谷差超过1500μV的数据作为伪迹被剔除。在刺激开始后2秒内发生的自动检测事件的实验。计算每个至少有五个事件试验的电极的平均值。因为不同的电极有不同的极性，所以负向电极的信号反转。计算所有电极波形（仅限于至少5个事件试验的电极）和所有12名患者的中值和四分位数。对单个波形的分析（如图2c）选择每个患者检测事件最多的电极。通过计算从200 mV阈值上升和下降到平均事件波形峰值所需的时间作为每个选定电极的平均波形的上升和下降时间。95%置信区间的计算方法是受试者重新取样1000次并报告结果分布的2.5%和97.5%。

光谱分析 选择每个患者具有最多LPs的电极进行光谱分析。触发谱图是相对于由自动探测器选择的LP波形的峰值来计算的。光谱分析使用多锥度估计（Chronux）。分析使用三个锥度和每50毫秒一段的200毫秒的滑动窗口。频谱图在频率内被标准化为峰值前-2-1秒之间该频率的平均功率。宽带伽马功率的计算方法是取40至100赫兹之间的平均功率，相对于[-2–1]s窗口中的平均伽马功率。用Wilcoxon符号秩检验对峰值后300毫秒的平均伽马功率进行了统计分析。自发动力学光谱（图3）在连续3分钟的时间窗口内使用6个30秒的时间段，使用19个锥形。光谱降采样为1/4以便显示。采用分层bootstrap重采样程序对时间窗进行统计比较：（1）对受试者进行重采样；（2）对受试者内的时间段进行重采样；（3）计算重采样时间窗上的平均光谱；（4）计算两个光谱之间的差异。这个过程重复了1000次，以获得光谱中差异的1000个自举估计的差异。一名受试者因清醒后活动伪迹过大数据质量不合格而被排除恢复意识之后与清醒时的基线比较之外。图中阴影误差棒是用刀切估计法在Chronux中计算的。

诱发电位的空间分析 自动检测器为事件振幅设置了一个伪迹阈值，所以空间分析纳入了所有电极的刺激诱发电位。分析仅包括至少有一个电极产生LP的试次，剔除振幅超过1500μV的试次。在使用Free-surfer生成的皮层表面三维重建图上，以彩色绘制每个电极的平均诱发电位峰值，并将栅格电极和条状电极坐标记录到大脑表面。为了对电极的空间位置进行分类，从Freesurfer自动皮层下分割或皮层分割中指定距离最近的解剖标记。在白质中的电极和少于5个接触区域的电极(例如豆状核，枕部皮质）被剔除。用二项检验对9个区域中具有显著高比例的大于5 LPs的电极进行统计检验，将每个区域与各区域的平均值进行比较，并对跨区域的多个比较进行Bonferroni校正。栅格时程是低通过滤低于30Hz和降采样到100Hz显示。

时间分析 通过60s的时间窗内的所有试验每15s滑动一次取平均值，计算诱导期和苏醒期的滑动窗口图。对于z-score分析（图3c），ERP的峰值振幅被标准化为每个60秒的窗口1.5s刺激前的标准差，图中显示得到的z分数。只有当至少8个刺激出现在窗口内时才纳入分析。在分析时间窗的平均诱发振幅（图3d）时，每个时间窗选取3分钟周期并计算了平均诱发反应。计算每个患者0.5–1.5s刺激后窗口的平均振幅。同样的，由于电极断开和数据质量不合格，清醒后数据的分析剔除了一名受试者。

睡眠颅内对照 三名颅内脑电记录患者在住院期间（在第一次麻醉苏醒后和第二次麻醉诱导前）采集了自然睡眠脑电数据。神经生理学专家（G.P.）对睡眠数据进行评分，并在颅内脑电数据中手工标记清晰可见的KCs的开始和消失时间，以初步验证该方法。睡眠数据采集于临床系统，采样率为500或512Hz。为了与丙泊酚的记录同步，使用与苏醒期相同的参考电极，然后在0.16hz和200hz之间过滤所有电极。剔除没有相同参考电极的所有电极。在分析单个事件的峰值振幅的中位数时，睡眠和苏醒期都包含至少四个事件的电极纳入分析。直方图反映了在电极上检测到的所有事件，而统计测试则从每个受试者的睡眠和丙泊酚数据集选择相同数量的事件。对于自举法置信区间的估计，由于受试者人数较少受试者之间的数据被合并，从三个受试者的数据点中提取。为了进行比较，同时也进行单个受试者的数据统计。为了比较睡眠和苏醒的事件的空间分布，从两个数据集中至少有20个事件的单个电极中选择事件时间点，然后使用这些选择的时间点计算所有电极的峰值触发波形。计算峰前100ms和峰后100ms之间的峰值触发波形的平均值，然后在电极之间比较该平均值。通过苏醒期数据中识别4个30 s的高LP率记录窗口，并在睡眠数据中随机选择4个连续的30 s的N2窗口来比较光谱。用Chronux计算19个锥度的光谱，用4个因子降采样显示，用刀切法计算误差条，p<0.05。

头皮脑电数据 头皮脑电图分析使用了先前发表的数据，健康志愿者在缓慢输注丙泊酚期间接受64通道脑电图监测，丙泊酚输注在1小时内血浆浓度从0 逐步升高至5 μg/mL，然后逐步降低直到受试者恢复意识。刺激包括喀喇音（持续2秒）、单词或受试者的名字，整个实验中刺激类型选择是伪随机的。80%的刺激是喀喇音，10%是单词，10%是名字。LP的分析使用的是单一额叶电极。对于每个刺激，我们减去平均值然后除以刺激前2秒的标准差。然后计算刺激出现后1s内的最大刺激诱发振幅，并在1分钟窗口内取其平均值。

结果

麻醉苏醒期听觉刺激可以产生大振幅诱发电位

b、c:在全麻苏醒期我们观察到许多电极听觉刺激产生了一个大振幅（>100μV）慢频率（持续时间>1s）的诱发电位。我们用一套自动检测算法来识别这些事件，我们将之定义为大诱发电位（LP）：振幅>400μV,持续时间>400ms。

d：每个电极刺激触发事件的平均值峰振幅中位数为236μV（QR：183-295），由于所有事件的峰时间有略微差异所以这个值低于自动检测器的阈值。平均刺激触发事件的峰值发生在刺激之后1.01s(QR:0.7–1.38)，持续0.28s（QR: 0.05–0.47），这比清醒时的听觉诱发反应的波形慢且振幅大。

e：由于不同患者的时间以及电极位置的差异，平均刺激对齐波形是模糊的。为了更精确地评价这些事件的振幅和波形，我们选择每个患者有最多事件的电极，与峰值对齐分析检测到的事件的平均波形。这些电极上峰对齐的事件振幅更大（振幅中值为550μV）且是不对称的，上升支比下降支陡峭（上升支平均165ms，下降支平均285ms，差异的95%置信区间（CI）=[84-156]ms，bootstrap；p=0.0002，Wilcoxon符号秩检验）。

f、g：LPs大振幅、慢、不对称的波形类似于K-复合波（KCs），这是一种在第二阶段非快速眼动（NREM）睡眠期间自发或在感觉刺激后发生的特征性神经电生理变化。KC对应于皮层抑制状态，在这种状态下，局部神经放电被抑制。为了研究LPs是否标志着相似的皮层变化，我们分析了在所有检测到LPs中，LFP中的高频率功率，这与局部尖峰率相关。我们选择了每个受试者中LPs最多的电极计算了其峰值触发功率，发现LPs与γ（40–100Hz）功率（-1.29dB，CI=[[0.4–2.5]，bootstrap；p=0.04，Wilcoxon符号秩检验）的剧烈降低有关，表明它们也代表了一种神经活动状态。这种峰锁定分析包括刺激诱发和自发事件。很大比例（28%）的检测到的LPs是自发产生的，因为在2秒内没有被实验性刺激，虽然临床环境中存在的其他听觉输入可能导致它们的产生。当频谱分析与听觉刺激的开始有关时，包括仅在刺激后2秒内出现脂多糖的试验，我们发现在刺激后1.3秒内高频功率的下降达到最小值，提示听觉诱发电位也与神经元活动的长期抑制有关。这个缓慢的时程也类似于睡眠中听觉诱发KCs的时间。

LP涉及一个空间分布的额颞网络

a:颅内记录提供了精确的毫米级的空间分辨率，能够定位LPs 的皮层来源。大多数患者的在许多电极上都出现了LPs，诱发电位的波幅在区域间差异较大。但许多电极尽管在进行电生理活动单没有出现LP说明这不是全皮层的事件。

b:额颞叶的栅格电极和条状电极出现5个以上LPs的比例最高（额叶39%，颞叶36%），比平均值（26%）高得多。顶叶出现LPs的电极比例较低（11%）。灰质中129个深部电极有35个记录到了LPs（27%）。

c:诱发电位峰值时间和电极在同一个患者体内空间上有差异。

感觉诱发LPs发生在一个时间限制的过渡状态

a、b：在丙泊酚输注停止后病人意识恢复前观察到LPs。

c：在苏醒期首次行为反应之前~300s标准化ERP波幅增加，在此之后又再次降低。

d：在采集了诱导和苏醒两次数据的8名患者的研究中发现，ERP平均波幅与行为状态改变有关并且LPs只发生在苏醒期，尤其是意识恢复前的那段时间内。

e：苏醒期的变化完全不同于诱导期。苏醒期甚至直到清醒后有更大的低频率波（<2Hz）和α波。

f：比较意识消失后3min和意识恢复前3min，功率差距较小。

头皮脑电图中的诱发LPs表明诱导和苏醒变化的不对称性

诱发反应和睡眠中的自发K-复合波非常相似

尽管LPs与N2睡眠产生的KCs有一些相同点，但是丙泊酚麻醉苏醒与睡眠还是有显著不同的。为了研究睡眠和苏醒的相似性我们采集了3名患者的睡眠脑电。自动识别算法可以识别睡眠脑电数据的事件，64%人为识别的KCs被自动识别器识别出来说明它可以用于比较睡眠和苏醒。

a：LPs和KCs都是振幅大（>100μV）慢（~1s）波形。

b：两组中值波幅没有显著差异，睡眠664μV（CI=[630 673]),丙泊酚苏醒647mV (CI=[623 665]), bootstrap; p=0.59, Wilcoxon符号秩和检验），事件波幅分布有很高的重叠。

c、d:睡眠的KCs与丙泊酚苏醒的LPs的空间分布也十分相似。睡眠和丙泊酚苏醒的电极平均事件波幅有显著相关性，出现KCs的电极在丙泊酚苏醒期也会出现LPs。

基于LPs与KCs的相似性，我们进一步研究两者持续光谱变化是否具有相似性。我们人为地选择苏醒期间出现LPs的一段时间的功率频谱与人为识别为N2睡眠的记录，发现了显著的差异。丙泊酚苏醒期出现了全皮层10-40Hz功率增加（中位差=5.6db，CI=[3.9 6.1]，bootstrap；各受试者p<0.001，Wilcoxon符号秩和检验）。此外，睡眠光谱出现了跨皮层区域清晰的峰值（10-14Hz）而苏醒光谱没有峰值或者像丙泊酚深麻醉状态的额叶局限的α峰值。这些结果表明，虽然N2睡眠和苏醒过渡期有一些共同的神经生理变化，但是苏醒是一种独特的大脑状态，不同于睡眠。

讨论

通过颅内皮层脑电图和头皮脑电图的记录，我们发现全身麻醉的出现伴随着一种短暂的状态，在这种状态下，听觉刺激可以激发大电位（LPs），对应于持续几百毫秒的全或无皮层抑制。LPs与N2睡眠时观察到的K-复合波非常相似，尽管全麻苏醒的神经变化表现出一种不同的状态。这种状态出现在苏醒期的开端，预示着行为反应性的恢复，这表明这是一种独特的大脑状态，患者通过这种状态在恢复意识时进行过渡。我们的数据表明大脑对丙泊酚的反应是滞后的，因此当前的状态不仅取决于药物浓度，还取决于大脑之前一段时间的激活情况。

我们观察到的大脑状态不同于病人在缓慢麻醉诱导期间所经历的镇静状态，因为只在苏醒期的颅内脑电记录观察到这种状态，而全身麻醉诱导期却没有。在头皮脑电图数据中，在极长时间（>1小时）的麻醉诱导过程中，在一组受试者中观察到到少量的LPs，但数量远不及苏醒期观察到的LPs。此外，之前对丙泊酚全身麻醉缓慢（~1小时）诱导的颅内脑电研究中没有报告类似事件表明这一现象主要是苏醒期的特征。我们还发现，这种过渡状态与睡眠不完全相同：比较同一受试者睡眠和全身麻醉苏醒时的神经变化，发现在功率谱上存在显著差异。丙泊酚麻醉的额叶α波特征在苏醒时仍然存在但在N2睡眠时不存在，表明两者是不同的脑状态。丙泊酚麻醉期间的自发α波被认为是由丘脑回路抑制上升产生的。α波在LPs期间仍然存在,提示丘脑可能表现出兴奋/抑制平衡的改变。然而，尽管在自发变化方面存在差异，LP事件本身与睡眠有许多共同的特性，表现出高度相似的波形和空间分布。此外，LPs在更显著的刺激下更频繁地出现。在睡眠中也发现了类似的效应，显著的刺激（如罕见的刺激或受试者自己的名字）在睡眠期间产生更大的KC峰。因此，这些事件可能反映了在睡眠和苏醒时唤醒刺激的类似效应，这可能与回路状态的某些相似性有关，例如丘脑的持续紧张vs.爆发变化。苏醒期观察到的LPs和睡眠的KCs特征的共性表明，尽管自发变化存在差异，但听觉刺激涉及了相似的环路机制。

有证据表明，与诱导不同，神经调节性唤醒系统介导了全身麻醉的苏醒。orexinergic信号传导的中断增加了麻醉苏醒所需的时间，但不会改变诱导的剂量反应敏感性。在丙泊酚引起的意识丧失时，连贯的α（8–12Hz）和δ（1–4Hz）振荡迅速广泛地在内侧前额叶皮层和丘脑出现，并可能介导这些区域的功能紊乱，导致无意识状态。在苏醒过程中，这些振荡以不同于诱导的顺序消失，首先是表面皮质层和内侧及层内丘脑核，随后是多巴胺能和胆碱能信号的已知皮层和丘脑投射模式。因此，苏醒期的神经调节活动可以导致独特的皮层和丘脑回路状态，使LP对感觉刺激作出反应。鉴于麻醉下LPs与睡眠K-复合波的相似性，相似的机制也可能在调节睡眠时的觉醒水平中发挥作用。

我们观察到的LPs与深部麻醉时持续的slow波振荡有质的不同。LPs发生在持续slow振荡基本消失后，反映了听觉刺激引起的孤立的皮层DOWN状态。然而，LPs的出现增加了慢波振荡所占频谱的同一低频段的功率。因此，未来的研究可能需要注意分析区分这两种不同的状态，因为低频功率增加可能表明孤立的LP发生，预示着觉醒，并且对于区别深部麻醉的慢波振荡很重要。

虽然LPs是显著的，但由于其发生在一个短暂过渡的状态，它们可能在以前的研究中被掩盖了。此外，我们还观察到，在LPs的频率和时间方面，患者之间存在大量的异质性。在颅内脑电数据中，这种异质性可以部分地解释为电极位置的变化、手术的持续时间和复杂程度以及给每位患者使用临床药物的剂量。然而，在头皮脑电图数据中，药物用量得到控制并且没有进行手术，受试者之间的异质性仍然存在。这种异质性也与临床观察一致，苏醒时间在患者之间的差异比诱导时间更大。麻醉苏醒后，患者表现出不同程度的觉醒，有些患者需要数小时才能恢复警醒。虽然动物研究报告了状态之间的定型转换，可能是由于实验控制的增加和个体动物之间的遗传相似性，人类研究表明，个体在从麻醉中苏醒时可能表现出不同的轨迹，在不同的、潜在的睡眠样状态之间经历不同的转变。这种差异性可能反映了个体在唤醒调节回路中的差异，甚至在药物在大脑中的扩散速率上的差异。也可能是一些患者这种短暂过渡状态太快结束，无法通过我们的分析进行识别。另一种可能是个体的生理差异，如受体密度或血管特性，可以调节皮层和皮层下药物清除的相对速率，只有一些个体可能经历这种状态。我们研究的所有患者颅内脑电都检测到了这些事件，可能大多数患者都会出现短暂状态，但由于头皮测得的脑电信号模糊不清，所以头皮脑电图的检测更具挑战性。此外，健康志愿者接受的丙泊酚总量比临床患者要少，因此更容易出现非常快速短暂状态难以被发现。

总之，我们发现了一种短暂的大脑状态，这种状态在全身麻醉苏醒时是不对称的。虽然深麻醉状态的特征已经基本研究明确，其表现出固定的电生理特征，但是追踪状态之间的转换表明，在苏醒之前的几分钟内，选择性地发生了瞬态和不均匀的变化。这种状态与睡眠时的感觉诱发回路变化相似，这表明大脑在麻醉苏醒前可能会经历类似睡眠的感觉阻滞。

“神麻人智”点评

全麻药应用于临床已经有170多年的历史，但全麻药的作用机制目前仍不清楚。一个关键的问题是：大脑是如何在麻醉状态和清醒状态之间进行转换。在苏醒过程中发生的变化是否是诱导过程发生的变化的逆转，或者是否是一个完全不同的过程。近几年来，随着功能磁共振影像、多通道颅内或头皮脑电研究技术的发展，从全脑网络尺度上解释全麻药的作用机制已经成为新的研究热点。

该研究发现全身麻醉后在行为反应恢复之前存在一个大脑短暂过渡状态，在这种状态下，听觉刺激可以激发大电位（LPs），这种LPs类似于睡眠第二阶段的标志K复合波（K-complexes)，说明大脑在苏醒过程中在重新对唤醒刺激产生反应之前会进入一个睡眠样的感觉抑制，同时该研究还发现在麻醉诱导期不能产生LPs，这种神经生理学的不对称性表明全麻诱导和苏醒期大脑皮层可能存在不同的功能连接。

目前我们临床上判断全麻患者意识恢复的金标准是行为学反应。比如让患者睁眼或握手，通过这些指令判断患者的反应能力，这种方法的缺点是患者可能要经历气管导管和伤口疼痛等刺激的不适感，这些不适感可能还会增加患者的应激反应，导致心脑血管等严重不良事件的发生。虽然许多麻醉医生可能会选择深麻醉下拔管，但是深麻醉拔管同样存在许多风险。所以，开发一种客观评估全麻患者苏醒前意识恢复的方法非常必要，该研究通过EEG记录发现前额区k-复合波的出现预示患者的意识即将恢复，为临床上判断患者苏醒提供了客观的依据。但该研究还存在一定的局限性。首先，样本量较小，因此无法检验LPs改变与苏醒时间或其他临床结果的关系。其次，k-复合波是在声音刺激下诱发产生，这给临床的应用带来了一定的限制。因此，未来的研究还需要探索在没有任何刺激的条件下能够反应全麻患者意识恢复的神经电生理学特征。

编译：董婧婧述评：徐道杰

（公益支持）

原文链接：：

Lewis LD, Piantoni G, Peterfreund RA, et al. A transient cortical state with sleep-like sensory responses precedes emergence from general anesthesia in humans. Elife. 2018;7:e33250. Published 2018 Aug 10. doi:10.7554/eLife.33250

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