一种改良的癫痫放电脑电图监测方法

施新泽，许 琪

中国医学科学院基础医学研究所 北京协和医学院基础学院 医学分子生物学国家重点实验室，北京 100005

脑电图(electroencephalogram，EEG)是通过电极将脑部自发性脑电活动随时间变化记录下来的图形，在多种脑疾病的临床诊断、疗效评估和预后评价等方面发挥着重要作用[1]。在基础研究领域，EEG检测广泛应用于癫痫动物模型的造模评价、发作监测、癫痫药物筛选等方面[2]。目前实验室主要采用临床脑功能监护仪系统进行EEG记录，其设备昂贵且体积庞大，过高的采样频率生成的记录文件也占用了大量硬盘空间。近年来，很多科学家及脑电爱好者研发了多种便携式、可编程的生物感知平台，如OpenBCI[3]、ThinkGear[4]等。本研究采用OpenBCI模块验证癫痫模型EEG活动的检测效果，并与临床脑功能监护仪系统进行对比，评估OpenBCI系统在科研领域的应用价值。

材料和方法

伦理声明本研究涉及的动物实验符合北京协和医学院伦理委员会的要求，操作流程遵循北京协和医学院基础学院实验动物中心的指导说明进行，并且已尽最大可能减少实验动物的用量，减缓动物痛苦。

实验动物和主要试剂SPF 级雄性C57BL/6J 小鼠20只，8～12周龄，体质量18～25 g，购自北京维通利华有限公司，饲养于中国医学科学院基础医学研究所实验动物中心。海人酸 (kanic acid，KA；美国Sigma-Aldrich公司)，CMW骨水泥 (美国DuPy公司)；其他化学试剂购于国药集团。

癫痫动物模型建立由于癫痫动物模型造模周期较长，小鼠可能在造模期间过度发作死亡，因此在造模时需适当增加动物用量。20只小鼠分为两组，其中，16只小鼠构建为KA诱导的慢性癫痫模型，4只小鼠作为对照组。本研究癫痫造模及EEG检测流程见图1A。腹腔注射5%水合氯醛将小鼠麻醉(10 ml/kg)，待小鼠呼吸平稳后，利用脑立体定位仪固定小鼠，打开头皮并用3%过氧化氢水溶液烧去脑膜。使用手持骨钻开颅，通过微量注射仪向单侧海马注射300 ng溶于生理盐水的KA(1 mg/ml)，注射坐标为AP=-2.0 mm，ML=-1.8 mm，DV=2.3 mm。停针2 min防止注射液倒流，关颅缝合，将小鼠置于热板上恢复。小鼠清醒后，会经历2～3h的癫痫持续发作状态，满足此标准的小鼠，约有80%会在日后逐渐发展为具有自发性癫痫发作的慢性期癫痫模型小鼠。本研究中有2只小鼠死于清醒后的癫痫发作。对照组小鼠行相同手术流程，用等量的生理盐水代替KA。

电极植入与EEG检测小鼠放回笼中继续饲养5周，期间有1只模型组小鼠癫痫过度发作死亡。剩余的小鼠腹腔注射5%水合氯醛麻醉(10 ml/kg)，利用手持骨钻在颅骨左右各钻1孔并植入检测用不锈钢电极(外径1 mm)，正负电极分别置于注射测的海马区域及注射对侧的皮层区域。在电极与颅骨之间点入1滴502胶防止电极倾倒，并使用骨水泥进行固定(图1B)。经过1周的恢复期后，2只对照组小鼠及6只模型组小鼠的电极线连接脑功能监护仪(广州美伦安迪电子科技有限公司)的放大设备，通过安迪特脑电图机软件记录和分析结果。另外2只对照组小鼠及6只模型组小鼠的电极线连接8-bit OpenBCI脑电模块(图1D)，并通过OpenBCI无线接收器(图1C)接收脑电数据，利用OpenBCI官网开源软件OpenBCI GUI v3.2.0记录癫痫发作情况，后续可通过MATLAB软件的EEGLAB模块进行分析。EEG测量每天持续24 h，脑功能监护仪和OpenBCI模块均可同时检测8通道的数据。根据以往的经验，本研究设置1～50 Hz作为脑电数据的滤波标准，并由2名经验丰富的实验人员对EEG数据分析处理。

A.工作流程图；B.小鼠电极植入与固定；C.OpenBCI无线接收器；D.OpenBCI脑电模块

A. experimental design；B. electrode implant；C. OpenBCI USB dongle；D. OpenBCI ganglion board

图1癫痫造模及脑电图检测

Fig1Kainic acid-induced mouse models of epilepsy and electroencephalographic analysis

结 果

造模结果小鼠单侧海马注射KA后，出现了明显的癫痫发作，麻醉状态下表现为胡须剧烈抖动，面部抽搐，清醒后发展为四肢强直性抽搐，身体背屈，跌倒翻滚等。2只小鼠由于过度抽搐而死亡。在1个月的潜伏期内，另有1只小鼠过度发作死亡。由于临床脑电图机和OpenBCI模块分别最多检测8个通道，故在剩余的13只癫痫小鼠中随机挑选12只，加上4只对照组小鼠后平均分为两组，分别使用两套系统进行脑电监测。在经过3周的记录后，发现模型小鼠中有10只达到了平均每天发作2次的水平，视为造模成功。

脑电检测结果按使用者说明(www.openbci.com)安装OpenBCI软件后，将无线接收器插入USB接口，之后打开OpenBCI脑电记录模块上的开关，当无线接收器上的红色指示灯闪烁后说明脑电记录模块与无线接收器连接成功。打开OpenBCI软件上的记录程序，开始脑电记录。连接电极进行脑电检测发现，正常小鼠的脑电波呈现静息放电，波幅为20～50 μV(图2A)，KA诱导的癫痫小鼠在非发作状态下呈现有规律的棘波放电(图2B)，而在发作状态下可见爆发性的高波幅节律性间波放电，波幅200～500 μV，且在持续放电后出现一段明显的抑制期(图2C)。对比脑功能监护仪与OpenBCI模块的EEG记录数据发现，两种检测平台均可以良好地记录正常小鼠的静息脑电(图2A、D)、KA癫痫小鼠的棘波放电(图2B、E)及癫痫大发作放电(图2C、F)，波形没有明显差异。尽管OpenBCI采样频率为250 Hz，低于传统医用脑电图机5000 Hz的采样频率，但实际上临床诊断一般仅需要0.3～50 Hz的滤波通即可实现，因此，OpenBCI模块记录的小鼠脑电完全能够实现对癫痫波的有效鉴别。此外，在同时记录8个通道的脑电信号时，OpenBCI模块表现良好，未发现明显的通道件干扰现象(图3)。

A.脑功能监护仪记录的静息放电；B.棘波放电；C.癫痫大发作放电；D.OpenBCI模块记录的静息放电；E.棘波放电；F.癫痫大发作放电

A.resting discharge；B.electroencephalogram spikes；C.seizure of electroencephalograph recorder；D.resting discharge；E.electroencephalogram spikes；F.seizure of OpenBCI

图2脑功能监护仪与OpenBCI模块脑电图记录数据对比

Fig2Comparison of EEC recording data between electroencephalograph recorder and OpenBCI

讨 论

EEG检测广泛应用于神经科学的基础研究和临床诊断，可以通过对脑电波的波幅、频率、快慢波比例、出现方式等进行分析，或是观察阵发性高幅慢波、棘波、尖波、慢波的有无，从而判断受试者的神经活动状态[6- 7]。检测EEG常使用湿电极、干电极或者植入式电极，其中植入式电极的抗干扰能力和检测精度最高。当前在科研领域进行脑电监测往往还依赖着临床诊断设备，不仅造价昂贵、体积庞大，而且针对人的采样频率和采样精度会造成一定的数据冗余，浪费储存空间。因此，本研究尝试寻找一种更便捷的手段来采集脑电信息，以期为科研工作者提供更多选择。

随着多个国家“脑计划”的启动，越来越多计算机工程、电子工程等领域的学者加入了脑科学的研究，很多集硬件传感设备、数据分析应用、脑电算法于一体的产品也如雨后春笋般的出现。OpenBCI是一家开源的脑机接口研发公司，致力于更加低廉的、更高质量的生物传感元件研发，目前已有一定数量的研究采用了这些设备。国内有学者利用微软公司的Kinect体感设备和OpenBCI设备采集老年人的身体活动和神经活动，并通过相关的分析设备识别具体动作或电位事件，准确率可达90%以上[8]。同时，更有大量学者对该平台进行编程和个性化，极大地满足了个性化的科研要求[3]。而ThinkGear平台更注重便携性，采用干电极进行数据采集，更适用于脑电开发人员或教育领域[9]。

在OpenBCI模块同时接入8对电极线进行脑电记录时，各通道信号记录正常，无明显的干扰现象

There was no significantly different interference phenomenon when simultaneously monitoring the 8 mice，and the recorded EEG files appeared normally

图3利用OpenBCI模块进行8通道脑电同时记录

Fig3Eight-channel EEC recording by the OpenBCI module

本研究采用OpenBCI模块进行EEG监测，发现其脑电数据采集功能与临床脑功能监护仪基本一致，并且该平台设备体积较小，约为5 cm×5 cm×1 cm，质量约15 g，可通过蓝牙无线传输，24 h连续记录所产生的数据量仅为500 M左右，而脑功能监护仪的24 h数据量为6 G左右。该模块可以使用多种供电方法，电源适配器、充电器或者干电池，其供电范围为6～9 V。使用干电池供电能够减少交流电的干扰，避免细微波动，信号采集的效果更好。具体到本研究，我们选择了4节5号电池进行6 V供电，24 h连续工作下能够维持1周以上的时间。此外，一套8通道的OpenBCI设备成本仅2千余元，可以用于大规模的实验脑电记录。通过EEGLAB插件可以方便的对脑电数据进行过滤、编辑、分析和转换，同时良好的可编程能力极大地增加了其适用性。

近年来高频脑电相关研究逐渐热门，而OpenBCI模块的采样频率为250 Hz，无法采集到更高频的脑电信号，因此这部分的研究还无法依赖OpenBCI模块，希望相关的研发人员能进一步提高该模块的采样频率。但如果只使用该模块记录实验动物的癫痫发作状态与频率，还是绰绰有余。以本课题组的癫痫研究为例，一个理想的脑电检测平台应该具备以下特点：(1)能够有效地检出静息放电、棘波放电、癫痫大发作放电等发作状态；(2)可以长期连续监测无故障；(3)能够同时监测大批量动物；(4)尽可能低的设备成本和储存空间成本。综上，本研究结果显示，OpenBCI脑电平台可以较好地完成脑电记录和分析工作，有进一步优化和推广的价值。