皮层功能连接可指示自然睡眠或麻醉下的不同觉醒状态本文由“山中麻署”授权转载

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背景
BACKGROUND
睡眠和全身麻醉过程均包含了不同程度的觉醒和意识状态，包括①觉醒程度下降但意识保留阶段以及②觉醒程度下降与意识消失阶段。在睡眠和全麻过程中， ①对应过程为非快眼动睡眠阶段1（NREM 1 ， N1）、快速眼动睡眠（REM）以及麻醉中浅镇静状态， ②对应NREM 2/3（N2/N3）以及麻醉中无反应状态。
前人提出，睡眠和全身麻醉过程中意识丧失（loss of consciousness ， LOC）的机制可能是由于大脑皮层功能连接中断，但该假说的可靠性尚未被证实。此外，功能核磁共振（fMRI）及皮层脑电（EEG）的多项研究表明，睡眠与全身麻醉下的皮层功能连接谱有着显著差异，睡眠或全麻是否存在LOC的共有机制也尚不清楚。因此，本文作者检验了如下两个假设：皮层功能连接在觉醒程度下降时会发生显著变化；无论睡眠或全身麻醉前后，觉醒状态的皮层功能连接变化趋势一致。
方法
METHODS
本文纳入了五位经神外手术植入经颅皮层电极的被试，记录皮层脑电（ECoG）。每位被试均先后采集睡眠及麻醉数据。
数据采集
睡眠数据采集时，使用多导睡眠记录仪，通过肌电（EMG）、经颅EEG、眼电及视频等数据，由两名经系统训练的研究人员对不同状态进行区分：清醒（WS）， N1 ， N2 ， N3 ， REM 。
麻醉数据采集时，使用警惕性/镇静(OAA/S)量表评估意识，同时每分钟手动记录一次双谱指数(BIS) 。根据OAA/S将麻醉分为三种状态：清醒-用药前(WA) ，镇静/有反应(S;OAA/S≥3) ，镇静/无反应(U;OAA/S≤2) 。维持丙泊酚输注速度在50 – 150 μg/kg/min ，每分钟记录一次被试的血浆丙泊酚浓度估值。
数据分析
使用解调频带变换（demodulated band transform, DBT）对ECoG数据进行时频分析。计算每个电极对的去偏加权相位滞后指数（debiased weighted phase lag index, wPLI）来衡量皮层功能连接。对比同一患者自然睡眠和丙泊酚麻醉前后不同觉醒状态下的功能连接。
感兴趣区域（region of interest ， ROI）之间的功能连接为两个ROI中所有记录位点之间wPLI值的平均。
差异基准分析：先计算邻接矩阵之间的差异，再计算差异矩阵的算子范数 (d)来量化连接状态的变化：d值越小表示矩阵越相似。
【皮层功能连接可指示自然睡眠或麻醉下的不同觉醒状态】结果
RESULTS
电极覆盖区域
五位被试电极位置有些许不同，但均基本覆盖前额叶、颞叶、顶叶（图1a）。
定义不同的觉醒状态
多导睡眠图及视频用于区分睡眠状态。每名被试的记录时长在284-584 min（平均481min）。失去反应时的平均丙泊酚血浆浓度为2.31 μg/ml ( 1.71–3.01 μg/ml). OAA/S 评分与BIS值有良好的一致性。WA, S和U状态的平均BIS值分别为92（83-98）, 77.5 (45–88) 和45 (41–68) 。使用OAA/S评估并不会影响觉醒状态（OAA/S前后的BIS值并无显著差异）。
睡眠及麻醉时功效谱密度（PSD）的变化
WS和WA的PSD曲线表现为安静闭眼时的典型曲线，即功率（power）随频率升高而下降，并在α和β波段出现一个宽峰（图1b, c）。
WS和N1之间不同频段的平均功率仅在个别ROI有较小差异，而WA和S之间不同频段的平均功率在所有ROI区域均无显著差异（图2）。但当进入N2或S阶段后， PSD出现了明显的频段和脑区分布的特征性改变。N2时δ波功率出现全脑的广泛升高，而N2时α波功率仅在个别ROI升高。U状态下， δ波功率在前额叶和感觉运动区有显著升高， α波功率在PFC区也有选择性升高，这与前人报道一致。然而，无论是α还是δ频段的功率谱均无法区分不同觉醒状态。

皮层功能连接可指示自然睡眠或麻醉下的不同觉醒状态

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