腦切除手術(shù)是治療先天性結(jié)構(gòu)異常、血管異常、腫瘤、腦藥性癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的標準外科手術(shù)。在腦切除手術(shù)過程中，醫(yī)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(qū)。因此，為制定最佳的手術(shù)方案，精準的腦功能圖譜必不可少。

現(xiàn)階段，科學(xué)家可以利用腦電圖（EEG）、腦磁圖（MEG）、功能性核磁共振成像（fMRI）和正電子發(fā)射斷層成像（PET）等技術(shù)對皮層語言區(qū)進行定位，不過電刺激（ECS）一直是定位接受性語言功能區(qū)域的金標準方法。

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然而，ESC需要在開顱手術(shù)實施過程中保證病患清醒——盡管這已經(jīng)是一項常規(guī)的臨床技術(shù)，但是在腦部手術(shù)中喚醒病人可能導(dǎo)致一些并發(fā)癥發(fā)生，比如導(dǎo)致病人術(shù)中昏迷，誘發(fā)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(fā)育不完全，則易誘發(fā)癲癇，增加了術(shù)后功能障礙的風(fēng)險。上述問題大大縮小了ECS功能圖譜在病患中的適用范圍。

圖注：A.黑色小圓圈指代電極植入位置，黃框內(nèi)為電極帶植入手術(shù)示意圖。B.清醒和麻醉狀態(tài)下，語言刺激和電極采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(tài)下接受被動語言刺激時活動腦區(qū)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(shù)的要求降低上述并發(fā)癥的發(fā)生，美國華盛頓大學(xué)國家適應(yīng)性神經(jīng)技術(shù)中心、奧爾巴尼醫(yī)學(xué)院神經(jīng)外科系研究團隊提出并評估了一種基于皮質(zhì)電圖（ECoG）技術(shù)的腦功能圖譜繪制方法——新技術(shù)不需要術(shù)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于2023年3月發(fā)表在著名期刊Clinical Neurophysiology上，TCCI應(yīng)用神經(jīng)技術(shù)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(wǎng)

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(tài)下的神經(jīng)外科病人進行了ECoG繪圖效果測試，實驗結(jié)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(xiàn)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(shù)前1-2周植入ECoG，采集記錄在術(shù)前和術(shù)中全麻時30-90分鐘皮層活動信號并繪制功能圖譜，患者清醒前移出顱內(nèi)ECoG；腫瘤組患者在術(shù)中全麻后植入ECoG，記錄患者在手術(shù)過程中由失去意識到可以做出反應(yīng)的30-60min的腦功能圖譜，患者清醒后再記錄ECS，隨后去除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(tài)，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(tài) 圖片來源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022

術(shù)前研究人員使用高分辨（3T）磁共振圖像（MRI）確定患者皮質(zhì)解剖結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建每個病人的大腦3D模型，術(shù)中使用CT確定電極植入位置；若為二、三期手術(shù)患者，無法在術(shù)中使用CT定位，外科醫(yī)生則使用BrainLab神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)手動定位。所有實驗中均采集、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范式喚起被試皮質(zhì)反應(yīng)。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(xù)時長為700ms，刺激間隔為1000ms。隨后從ECoG中提取寬頻伽馬波（BBG）以反映局部神經(jīng)元信號發(fā)射從而進行皮質(zhì)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(wù)有關(guān)的變化則與從參與處理刺激的大腦皮層記錄的BBG包絡(luò)會有高度的時空一致性。根據(jù)此原理可以確定電極水平上對聽覺-語言刺激有反應(yīng)的皮質(zhì)位置。

圖注：不同麻醉狀態(tài)下ECoG信號動態(tài)變化 圖片來源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022

隨后，研究人員對BBG包絡(luò)進行統(tǒng)計分析。為量化大腦的反應(yīng)性，以便進行數(shù)值比較，研究人員先繪制單個反應(yīng)性電極的接收操作特征（ROC）曲線，隨后測量曲線下面積（AUC），以量化每個部位的反應(yīng)幅度，即效應(yīng)大小。研究人員又計算了反應(yīng)電極的AUC總和，以此作為每個圖譜大腦活動指數(shù)（BAI）。

圖注：統(tǒng)計分析。A.藍色（左）和青色（右）的時間軌跡是“基線”和“任務(wù)”之間寬頻伽馬波的z評分，每個時間線旁的數(shù)字表示其對應(yīng)的實驗編號（1到N）。B.“基線”和“任務(wù)”的所有組合（沒有重復(fù)）之間的相關(guān)性分析，每個面板顯示了一對不同實驗的時間痕跡和它們的皮爾遜相關(guān)系數(shù)（r）。C.“基線”和“任務(wù)”r值分布。D.曲線下面積（AUC）表示兩個分布的可分離性，所有對刺激有響應(yīng)的電極的AUC之和即為腦活動指數(shù)（brain activity index, BAI） 圖片來源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022

通過BAI表征大腦的反應(yīng)和活動，不僅可以用來研究不同條件下皮質(zhì)對語言刺激的響應(yīng)度，還可以減免各個受試者植入電極數(shù)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(jié)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(jié)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(jié)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(tài)下對語言刺激有響應(yīng)且有統(tǒng)計學(xué)意義的電極，每張皮層功能圖譜右下角對應(yīng)有清醒狀態(tài)下的BAI值 圖片來源：Nourmohammadi, et al./ Clinical Neurophysiology 2022

本項研究側(cè)重于繪制麻醉期間的接受性語言皮質(zhì)圖譜，在之后的實驗中證實這項技術(shù)同樣可以參與接受其他感覺輸入的皮層定位。未來若能開發(fā)新的技術(shù)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(zhì)電圖記錄皮層被動功能圖譜的應(yīng)用范圍，為神經(jīng)外科醫(yī)生提供制定診療方案的準確信息。

從本次研究結(jié)果來看，全身麻醉期間繪制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(qū)域的技術(shù)，研究小組通過額外的驗證證實基于ECoG方法可以補充或代替ECS，為更多不適合使用常規(guī)清醒開顱手術(shù)的神經(jīng)外科病人確定腦功能區(qū)域，并增加手術(shù)成功率。

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