脊髓损伤患者静息态脑电α波的改变及其应用

彭金辉，王文丽，敖丽娟

脊髓损伤后脊髓局部神经细胞死亡，可引起躯体功能及精神心理障碍，整体健康水平下降，住院率增加，目前缺乏针对脊髓损伤的有效治疗方法[1]。脊髓损伤后脑皮质可立即发生功能结构重组，但皮质重组个体差异大，程度不一[2]，影响因素包括年龄、损伤原因、损伤时间、损伤程度、行为活动、治疗、睡眠、药物等。此外，是否合并大脑损伤及脑部损伤程度所引起的脑功能重塑亦不同[3-6]。脑电图（electroencephalography，EEG）是一项监测脑功能的快捷、廉价、非侵入性医疗技术，可观察脑皮质功能重组，展现脑电活动、功能网络连接，时间分辨率达毫秒级别[5,7]，目前主要用于临床诊断脑部疾病、脑-机接口技术及脑功能研究[7-9]。根据频率大小，可将EEG 分为δ波（0.5～4 Hz）、θ波（4～8 Hz）、α波（8～13 Hz）、β波（13～30 Hz）及γ波（＞30 Hz）[10]。其中，α波是EEG的重要成分，它和注意力、认知、运动意图、睁眼及闭眼、神经递质等相关[11-13]，对外界刺激及身体状态的改变敏感[11,14]，学习研究α波对神经科学具有重大价值。本综述旨在讨论脊髓损伤后静息态脑电α波的改变及其影响因素，以及阐述近年来关于α波在脑-机接口技术的应用。

1 静息态脑电α波

1929 年，德国Hans Berger 发现人在觉醒闭眼时，枕叶出现频率为8～12 Hz 的α波，睁眼时减少或完全消失，由此推断α波和枕叶视觉皮质活动负相关[9]。后来，Pfurtscheller 等[15]也发现在皮质活动减少的脑区，即“休闲”状态的脑区，α波活动明显。直至今日，学者们仍认为大脑在“休闲”时α波明显，α波是大脑基线状态的代表[16]。

经典学说认为脑电α波的产生取决于丘脑-皮质神经元细胞膜的离子通道、网状核神经元和丘脑-皮质神经元间突触的相互作用，当丘脑-皮质神经元细胞膜电位稍去极化时，细胞产生10 Hz 的振荡（α波），去极化进一步进展时则产生6 Hz 的振荡。此外，α波还受中枢胆碱能系统及起源于蓝斑和中缝核的单胺能投射系统的影响。脑干-丘脑胆碱能投射系统的乙酰胆碱增加，或位于丘脑和基底节前的Meynert 基底核（脑皮质乙酰胆碱的主要来源）与视觉皮质功能连接增强时，静息态睁眼α波去同步化明显，α波活动减少[13,17]。

不同于经典学说，Silva等[18]在研究狗自发脑电α波的活动时发现，丘脑和皮质在产生α波时的作用相互独立，因为皮质-皮质的相关性比丘脑-皮质的相关性高。Basar[14]则认为，α波可在多个脑区产生，如脑干、丘脑、边缘系统、运动和感觉相关的脑区，这些脑区参与感觉、认知等信号的处理过程，形成α波网络，α波网络在脑功能中有举足轻重的作用。

近年来，还有不少学者提出α波和默认模式神经网络（default mode network，DMN）相关。DMN指静息态下不同脑区同步低频信号形成的网络，解剖结构包括内侧前额叶、前扣带回、后扣带回皮质、楔叶/楔前叶、颞顶连接处/角回，也有学者将海马、海马旁回及额极皮质包含在内。类似于α波，DMN在静息态时活动增加，在任务态时活动减少[19]。Rusiniak 等[20]结合 EEG 和 fMRI 研究健康成年男性在静息态睁眼、闭眼时DMN 和α波的相关性，显示后扣带回及楔前叶、内侧前额叶的α波和DMN密切相关。此外，Bonnard 等[21]用经颅磁刺激刺激DMN的内侧前额叶时，诱发了枕区α波活动，表明DMN和α波产生相关。目前关于DMN和α波关系的研究较少。

2 脊髓损伤后的静息态脑电α波

脊髓损伤后的脑皮质功能结构重组[22]、循环功能改变[23]、下丘脑-垂体轴功能障碍[24]等均可引起α波改变，通过α波可帮助判断脊髓损伤病情，为治疗效果及预后提供客观依据[25]。

脊髓损伤后全脑静息态α波波幅及频率减小。Tran和Boord等[25,26]对8例四肢瘫、12例截瘫患者的研究提示，α波在后脑区及中央区的活动明显减少。Herbert等[4]关于慢性完全性截瘫男性的闭眼静息态α波研究显示，除了中央区及后脑区α波幅度显著下降，额区及右侧大脑α波也明显降低，中央区是躯体感觉、运动控制中心，脊髓损伤后神经传入及传出受阻，该区域α波活动减小表示相关脑区皮质功能重组、神经活动增加，脑皮质发生功能代偿，但作者并未对额区及右侧大脑α波波幅降低的原因和机制进行进一步的解释。因α波受年龄、性别、脊髓损伤程度及节段等影响，研究对象不同或是导致结论不完全一致的原因[9,25]。此外，上述研究均未提及受试者是否合并疼痛，因为80%脊髓损伤患者会发生疼痛[27]，长时间的疼痛可使皮质功能结构及α波改变[28]，且疼痛程度不同，其α波亦不同[29]。还有，轮椅使用与否也影响α波。Sato等[30]的研究表明，脊髓损伤患者使用轮椅15 min后，其中央区α波频率增高。

不同节段脊髓损伤的静息态α波不同。四肢瘫患者的α波波幅及频率均低于健康人群，后脑区、中央区及颞区变化显著。四肢瘫和截瘫患者的α波对比，前者幅度、峰值波幅均较后者低，但文中未提及相应的P值及效应值大小。四肢瘫与截瘫患者α波的不同可能是感觉输入、运动输出差异所致[25,26]。

此外，α波的波幅与中枢神经电活动同步性、血流、呼吸、代谢及神经介质等因素相关。神经电活动去同步化时波幅下降，大脑血流减少使波幅增加[9]。脊髓损伤可引起大脑后循环[31]、呼吸循环[23,32]、代谢[33]等改变，但相关并发症及继发症引起的α波改变还需进一步探讨。

3 脊髓损伤后静息态闭眼、睁眼脑电α波

从被发现时起，不少研究均证实α波在睁眼时活动减少、同步化减弱，而在闭眼静息态时活动明显增加且同步化显著[34]。睁眼、闭眼间α波的差异可作为疾病的评估工具，如Miraglia等[35]的研究显示，健康老人闭眼向睁眼转变时α波反应明显，轻度认知障碍者α波反应小，而阿尔茨海默症患者闭眼转变为睁眼时α波的反应明显减小，提示轻度认知障碍和阿尔茨海默症的关系。

脊髓损伤患者静息态下从闭眼向睁眼转变时，其脑电α波反应减小、频率降低，且全脑α波峰值频率均降低，枕叶O2 显著（P=0.05）。此外，功率谱密度的反应也降低[36]。还有，Vuckovic 等[28]发现，脊髓损伤后，从闭眼转变为睁眼状态时，α波的功率反应降低、频率降低，而且这在将来会发生疼痛的患者中更显著，比如，健康人群睁眼、闭眼时的α波频率分别为（10.4±1.0）Hz 和（10.0±0.6）Hz，脊髓损伤患者的α波频率分别是（9.6±1.1）Hz 和（9.2±1.0）Hz，而将来发生疼痛的脊髓损伤患者睁眼、闭眼的α波频率分别是（9.3±1.4）Hz 和（8.6±1.0）Hz。这些改变可能是因为脊髓损伤后大脑皮质功能结构改变，丘脑神经元超极化、钙通道峰电位降低，振荡活动受影响，引起丘脑皮质节律异常，疼痛时又进一步影响丘脑神经元活动，此解释与静息态脑电α波产生的经典学说[17]相符。此外，Claudio Del Percio等[37]表示，运动员静息态睁眼时，其α波功率降低比非运动员更明显，因为运动员的“神经效率”更高，“神经效率”与视觉信息处理相关。脊髓损伤患者闭眼向睁眼转变时α波反应减小，或许和机体代偿性提高“神经效率”相关，但这需进一步的研究证实。

需要说明的是，大脑活动是持续、非静止的，短暂的静息态EEG也并非保持不变[38]。因此，静息态下采集的α波需经过去趋势、区别变异趋势等处理，才能更好地用于建模、预测，以及区分并利用静息态睁眼、闭眼α波的差异[34]。利用静息态闭眼、睁眼产生α波的差异可对脊髓损伤后的疼痛进行客观评估及预测。而且，虽然闭眼、睁眼间α波的反应减小，但二者间的差异仍可用于脑-机接口技术[34]。

4 睁眼、闭眼脑电α波与脑-机接口技术

脑-机接口是相对新的沟通系统，可将大脑活动信息转化为计算机或其他电子设备的命令，从而实现“意念控制机器”[39]。1970 年起，美国即开始研究如何将EEG 用于脑-机接口技术。1999年，美国凯斯西储大学的团队利用EEG信号成功帮助一位四肢瘫痪患者控制假肢，获得手运动功能[40]。我国天津大学团队[41]在2013年发表的文章中表明，其研发的α波脑-机接口系统，受试者从睁眼到闭眼过程中1 s产生的α波波幅即可控制电动轮椅活动，且成功操作前无需接受特殊培训，可帮助脊髓损伤患者提高活动功能。脑-机接口技术是帮助运动障碍患者提高运动功能、自理能力的最好方法，相关方面研究日渐升温[40]。

α波和大脑其他EEG 波或生理信息相比，占有较大优势。基于α波的脑-机接口的优点包括：α波频率稳定，只需数个电极便可提取出有效驱动信号；α波信噪比高，容易获取；90%脑功能正常者在短时间闭眼后即可明显增高α波波幅，不必经过反复长时间的培训便能熟练掌握使用设备，改善运动功能障碍患者运动功能[8,42]。

脊髓损伤、运动神经元性疾病、卒中等患者的运动功能障碍，但认知良好，脑-机接口技术可以提高他们的活动、生活自理能力，如脊髓损伤患者，虽然其静息态闭眼、睁眼时α波反应不同于健康人群，但仍可将其产生的α波用于脑-机接口技术，“意念控制”假肢、机器手、电动轮椅等，减轻个人、家庭及社会负担[26,34,43]。

5 总结与展望

脑功能是大脑固有的、持续的功能，主要包括信息转换加工、预测环境需求并做出回应。与任务态研究相比，大脑静息态的研究更能捕捉脑功能本质，反应大脑能量分布、功能结构等，近年来逐渐成为研究热点[38]。研究表明，脊髓损伤后静息态脑电α波改变，但目前仅用于继发性疼痛的预测及评估[28,30,36,44]。未来关于脊髓损伤后α波的研究可分两个方向：第一，结合脊髓损伤节段、程度、预后、并发症、治疗与脑功能重塑等进行研究，了解不同情况下α波的特点并将其用于临床客观评估；第二，研究如何将α波与脑-机接口技术相结合，帮助脊髓损伤患者更好地“意念控制”大小便、体位等。目前尚无针对脊髓损伤的有效治疗手段，应积极结合观察型研究及应用型研究，探索α波的价值，为脊髓损伤患者提供更全面的功能恢复。