黃 獻，宋 治△，鄭 文，李輝萍，徐 偉

(1.中南大學湘雅三醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，湖南 長沙 410013;2.湖南省馬王堆療養(yǎng)院神經(jīng)內(nèi)科，長沙 410001;3.長沙市中心醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，長沙 410004)

癲癇(epilepsy)是一組反復(fù)發(fā)作的神經(jīng)元異常放電所致的暫時性中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常的慢性疾病。臨床上呈突發(fā)性，無明顯的先兆，且在發(fā)作間歇期約50%患者腦電圖上并沒有癇性電活動，所以癇性發(fā)作前的腦電活動特征用常規(guī)的線性分析無法進行較早期的預(yù)報。本實驗通過對癇性發(fā)作全過程以及不同部位腦電信號進行非線性分析，探討非線性動力學參數(shù)功率譜熵(power spectral entropy，PSE)在癇性發(fā)作大鼠腦電檢測中的應(yīng)用，以期為癇性發(fā)作的預(yù)報和癲癇灶的定位提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 動物和試劑

實驗動物為健康雄性SD大鼠24只，體重250～280g，由湖南農(nóng)業(yè)大學實驗動物中心提供。所有大鼠實驗前均自由進食飲水。

青霉素每支8×105U，生理鹽水，10%水合氯醛，腦立體定位儀，單導(dǎo)生理記錄儀(MS-100，北京新拓)，腦電監(jiān)測儀(SW-2000型，上海諾誠)，功率譜熵分析軟件。

1.2 實驗動物分組及模型制備

24只SD大鼠隨機分為4組(n=6):正常組(A)，生理鹽水對照組(B)，單電極組(C)，多電極組(D)。模型的制備采用10%水合氯醛腹腔內(nèi)注射麻醉大鼠(按0.35 ml/100g劑量給藥)，待麻醉滿意后固定于腦立體定位儀上，按照《大鼠腦立體定位圖譜》[1]沿中線切開頭皮后，根據(jù)注射點坐標位置(前囟后3.5 mm，中線右側(cè)2 mm，深度3.5 mm，圖1a點)用10ml注射器垂直緩慢刺入顱骨，刺穿顱骨后改用鈍頭10ml注射器針頭在孔內(nèi)輕輕旋轉(zhuǎn)，以擴大注射點，并刺破硬膜，然后按實驗分組進行處理。正常組僅在注射點位置插入深部電極;生理鹽水對照組在注射點用微量注射器將2.5μl生理鹽水注入海馬，留置5 min后拔除，以防藥液沿針道外溢。然后沿注射點位置插入一深部電極;C組則將配好的青霉素(按8×105U/4 ml稀釋)注入海馬，10min內(nèi)注完，同樣留置5 min后拔除，然后沿注射點位置插入一深部電極;D組(圖1)，在注射點(a點)處理同C組，并在注射點同側(cè)位置(前囟后5.5 mm，中線右側(cè)2 mm，深度3.5mm，b點)和青霉素注射點對應(yīng)的對側(cè)海馬(前囟后3.5 mm，中線左側(cè) 2 mm，深度3.5 mm，c點)鉆孔，并分別植入腦電深部電極。用502膠和牙托粉混合固定電極于顱骨上，并縫合皮膚。

Fig.1 Multiple electrodes graphy in D group

1.3 動物行為學評估及腦電描記

大鼠在麻醉并注藥后1 h開始出現(xiàn)抽搐，采用Racine分級法進行行為學評估，評級在2級以下的不歸入本實驗。

將各記錄點深部電極及置于大鼠兩耳緣的參考電極分別通過導(dǎo)線與腦電圖儀相連，注射青霉素之前記錄腦電圖30min，注射青霉素后持續(xù)監(jiān)測直到癇性發(fā)作終止。

1.4 功率譜熵的計算方法

功率譜熵是量化時間序列譜的復(fù)雜程度的一種方法，通過傅里葉變換可以得到信號的功率譜密度P(f)，將P(f)轉(zhuǎn)化為功率譜的概率密度分布函數(shù)Pr，它反映了功率譜在頻率f處的概率密度，即在頻率f處的功率譜在整個譜中所占的百分比，即Pr=P(f)/Σ P(f)，功率譜熵的定義如下:H=Σ Prln(1/Pr)，譜熵值H可以解釋為在頻率f處的時間不確定性的量度，系統(tǒng)的不確定性越大，即它的譜熵越大;反之，它的譜熵越小[2]。

將所有的致癇大鼠的腦電數(shù)據(jù)進行分期研究，分為癲癇未發(fā)作期、發(fā)作前期、發(fā)作期和發(fā)作后期，其中未發(fā)作期為臨床無癇性發(fā)作且功率譜熵無明顯變化趨勢的時期;發(fā)作前期為無癇性發(fā)作但功率譜熵發(fā)生明顯變化趨勢的時期;發(fā)作期為癲癇的臨床發(fā)作期;發(fā)作后期為癇性發(fā)作后功率譜熵無明顯變化趨勢的時期。并選取各期3 min腦電信號進行功率譜熵分析。

1.5 統(tǒng)計學處理

2 結(jié)果

2.1 腦電圖結(jié)果

正常大鼠腦電波形以α、β波為主，散在可見θ波，波幅小于75μV，致癇組大鼠腦電均出現(xiàn)多種形式的癇性放電，有散在的尖波、棘波及陣發(fā)性和持續(xù)性癇性病理波(圖2)。在癇性發(fā)作前期，有的大鼠表現(xiàn)為慢波增多，偶見尖、棘波，有的則無明顯變化。分別取C組和D組a點未發(fā)作期、發(fā)作前期、發(fā)作后期3 min腦電信號，人工剔除了偽差和肌電干擾較強的部分，研究兩組腦電功率譜熵值的結(jié)果(表1)。兩組四期兩兩相比無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。但癇性發(fā)作期的功率譜熵值均低于發(fā)作前和發(fā)作后(P＜0.05)，且發(fā)作前期功率譜熵低于未發(fā)作期(P＜0.05)。C組和D組(a點)未發(fā)作期和發(fā)作后期與正常組和對照組比較無明顯差異，而發(fā)作前期和發(fā)作期與對照組、正常組的腦電功率譜熵對比，結(jié)果顯示有顯著性差異(P＜0.05)，發(fā)作前期和發(fā)作中期功率譜熵較正常組和對照組低。本實驗中發(fā)作前期早于發(fā)作4～20min，平均12.25 min。

Fig.2 Electronencephalography of experimental rats in two groups a:Normal group;b:Seizure group

Tab.1 Average of the power spectral entropy in experimental epileptic rats during the four period in seizure(，n=6)

Tab.1 Average of the power spectral entropy in experimental epileptic rats during the four period in seizure(，n=6)

*P＜0.05 vs normal and control;#P＜0.05 vs ictal period;△P＜0.05 vs pre-ictal period

Group Non-ictal period Pre-ictal period Ictal period Post-ictal period Normal 0.550±0.040Control 0.554±0.031 Single electrode 0.543±0.008#△ 0.433±0.016*# 0.296±0.027*△ 0.532±0.027#△Multiple electrodes(a point) 0.541±0.017#△ 0.418±0.011*# 0.285±0.019*△ 0.551±0.009#△

2.2 D組a、b、c點發(fā)作四期功率譜熵

D組 a、b、c點發(fā)作四期功率譜熵比較，發(fā)作前期和發(fā)作期功率譜熵值有明顯的差異(P＜0.05〉，b、c點功率譜熵在發(fā)作前期和發(fā)作期較a點為高，且對側(cè)海馬功率譜熵比同側(cè)b點更高，而三點未發(fā)作期和發(fā)作后期功率譜熵值比較無明顯差異(P＞0.05，表2)。

Tab.2 Average of the power spectral entropy in different points(a，b ，c)of multiple electrodes group(D)during the four period in seizure(，n=6)

Tab.2 Average of the power spectral entropy in different points(a，b ，c)of multiple electrodes group(D)during the four period in seizure(，n=6)

*P＜0.05 vs a point;#P＜0.05 vs b point

Non-ictal period Pre-ictal period Ictal period Post-ictal period a point 0.541±0.017 0.436±0.011 0.297±0.015 0.551±0.009 b point 0.546±0.025 0.482±0.012* 0.355±0.023* 0.543±0.017 c point 0.553±0.012 0.511±0.013*# 0.396±0.009*# 0.564±0.019

3 討論

3.1 功率譜熵在癇性發(fā)作預(yù)測中的應(yīng)用

功率譜熵(PSE)是度量序列的復(fù)雜性和統(tǒng)計量化的非線性動力學參數(shù)，可反應(yīng)了腦電信號的復(fù)雜程度。本實驗中，從C組和D組癇性發(fā)作四期腦電功率譜熵的對比分析顯示出同一類型的癲癇的腦電活動的動力學特征變化過程基本相同，同時顯示致癇灶區(qū)癇性發(fā)作四期變化具有一定的規(guī)律性。腦電功率譜熵從未發(fā)作期到發(fā)作期之間，即發(fā)作前期，持續(xù)約數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘，功率譜熵值呈下降趨勢，但無臨床癇性發(fā)作，癇性發(fā)作期的功率譜熵比未發(fā)作期、發(fā)作前期和發(fā)作后期都有明顯的降低?？梢娫诎B性發(fā)作過程中，腦電信號的復(fù)雜度變化過程是先由高變低，再由低變高。由于當大鼠處于清醒狀態(tài)時，大腦中的神經(jīng)元都處于興奮狀態(tài)，單個神經(jīng)元對神經(jīng)元群體來說是自發(fā)的、散亂的、各自按自己“節(jié)律”行事。此時的腦電以去同步波為主，表現(xiàn)為腦波變化的復(fù)雜性和多樣性，此時EEG的功率譜熵較高。而癇性發(fā)作時腦電表現(xiàn)為大量神經(jīng)元傾向于調(diào)整各自的放電節(jié)律，以符合于某一種共同的節(jié)律，因而產(chǎn)生了時間上的共同行動，即所謂的同步化(synchronization)。同步化興奮的神經(jīng)元增多，腦波變化的復(fù)雜性降低，因此功率譜熵值降低。2005年Burioka N等[3]研究癲癇患者的非線性參數(shù)近似熵(approximate entropy)在癇性發(fā)作期明顯低于發(fā)作間期，而發(fā)作前期與發(fā)作間期相比也降低，且有明顯差異。因此推斷非線性參數(shù)近似熵可用來觀察病理性的腦活動狀態(tài)如癲癇，而且可預(yù)測癲癇的發(fā)作。近年來，國內(nèi)在這一領(lǐng)域也開始有所涉及，所報告的結(jié)果與國外的基本一致[4]。由于在癲癇發(fā)作前期雖然腦電圖無明顯的病理波，但功率譜熵已經(jīng)開始降低，因此，在癇性發(fā)作間期運用功率譜熵對癲癇患者進行動態(tài)檢測對預(yù)報臨床癲癇的發(fā)作具備一定的可行性，從而可以指導(dǎo)我們在臨床癲癇發(fā)作前期采取干預(yù)措施以預(yù)防癲癇的發(fā)作，以降低癲癇患者的致殘率和死亡率。

3.2 功率譜熵在癲癇定位中的應(yīng)用

本實驗對大鼠海馬致癇灶(a)及其同側(cè)附近(b)、對側(cè)(c)癇性發(fā)作四期功率譜熵進行對比分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)作前期和發(fā)作期致癇灶(a點)最低，b、c的功率譜熵值較高，尤以 C處最高。也就是說在致癇灶側(cè)的功率譜熵低于對側(cè)，越靠近致癇灶處功率譜熵值越低，且致癇灶處的功率譜熵最低，特別是在癇性發(fā)作時，致癇灶處的功率譜熵降低最為明顯，這是由于致癇灶區(qū)神經(jīng)元活動高度同步化導(dǎo)致腦電復(fù)雜程度降低的結(jié)果，為此，本實驗為致癇灶的定位提供了實驗依據(jù)。而發(fā)作前期功率譜熵在大腦不同部位的差異性提示癇性發(fā)作由致癇灶局部開始，然后在空間上擴展，在達到臨床發(fā)作的閾值之前，帶動其它腦區(qū)神經(jīng)元與其同步放電。Widman等[5]先在大鼠腦片中加青霉素、咖啡因等致癇劑，結(jié)果在他們的實驗中觀察到腦片上單細胞放電的有效相關(guān)維數(shù)逐漸減低。該實驗小組后來在癲癇患者的腦電圖中也發(fā)現(xiàn)在癲癇灶一側(cè)大腦的電活動的相關(guān)維數(shù)、復(fù)雜性等指標明顯低于健側(cè)，而且離癲癇灶越近，這些指標減低越明顯，即使在癲癇發(fā)作間期也可測到這種變化，據(jù)此，非線性腦電分析可為癲癇病灶的定位提供輔助手段。對致癇灶的定位對于提高難治性癲癇手術(shù)效果和減少手術(shù)副作用很重要。

總之，功率譜熵可以預(yù)報癇性發(fā)作及對致癇灶的定位提供一定的幫助?？梢姺蔷€性動力學方法可以為復(fù)雜的大腦功能的研究提供有效的分析手段，它代表了腦電分析的未來發(fā)展方向，隨著新型的非線性分析方法和信號處理工具的發(fā)展，將會加快非線性腦電分析在癇性發(fā)作的預(yù)報和致癇灶定位的臨床應(yīng)用。

[1]包新民，舒斯云.大鼠腦立體定位圖譜[M].北京:人民衛(wèi)生出版社，1991.20-58.

[2]徐 進，鄭崇勛，劉雪良，等.不同麻醉深度下大鼠腦活動的復(fù)雜性分析[J].西安交通大學學報，2006，40(6):738-741.

[3]Burioka N，Gornelissen G，Maegaki Y.Approximate entropy of the Electroencephalogram inhealthy awake subjects and absence epilepsy patients[J].Clin EEG Neurosci，2005，36(3):188-193.

[4]白冬梅，邱天爽，李小兵.樣本熵及在腦電檢測中的應(yīng)用[J].生物醫(yī)學工程雜志，2007，24(1):200-205.

[5]Widman G，Binmann D，Lehnertz K，et al.Reduced signal complexity of intracellular recordings:a precursor for epileptiform activity[J].Brain Res，1999，836(1-2):156-163.