研究者結(jié)合多層級語言序列范式和頭皮高密度腦電記錄，幫助臨床醫(yī)生對意識障礙患者的意識水平進行診斷并進行預(yù)后判斷。 中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心供圖
長眠不醒的“植物人”是否能聽懂身邊親人的呼喚？如何科學客觀判斷“植物人”是否還存在意識？我國科學家的一項最新成果找到了答案。
中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心王立平研究團隊與復旦大學附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科毛穎、吳雪海團隊合作，結(jié)合機器學習方法對意識障礙患者開展了語言加工相關(guān)神經(jīng)表征的探索性研究，成功實現(xiàn)了對患者意識狀態(tài)的診斷和康復預(yù)測，為意識障礙患者的臨床診療提供了新思路。相關(guān)成果5月25日在線發(fā)表于《自然—神經(jīng)科學》。
據(jù)不完全統(tǒng)計，每年我國有近10萬患者因顱腦外傷、腦卒中、缺血缺氧性腦病等疾病陷入昏迷，繼而進入長期的意識障礙狀態(tài)，即傳統(tǒng)意義上的“植物人”狀態(tài)。意識障礙患者中，以無反應(yīng)覺醒綜合征和最小意識狀態(tài)兩類最為常見。其中，最小意識狀態(tài)患者的殘存意識水平更高，康復可能性也更高。
然而，當前臨床上對患者的狀態(tài)鑒定主要依賴于有經(jīng)驗醫(yī)生的觀察和量表評分，具有一定的主觀性，誤診率高達40%。近年來，也有研究者利用腦電或磁共振成像記錄患者的腦活動，推測意識障礙程度，但在適用性、易用性、準確性等方面依然有一定的提高空間。
王立平研究員介紹，此項成果基于合作者浙江大學丁鼐研究員此前的一項發(fā)現(xiàn)：當健康人聆聽按一定頻率呈現(xiàn)的漢語語音序列時，大腦會以對應(yīng)節(jié)律的神經(jīng)振蕩并行表征序列中不同層級的語言結(jié)構(gòu)（字、詞、短語或句子）。如，當聽到以4字/秒的速度連續(xù)播放的如“小馬過河”的4字句子，大腦會追蹤其中的字（“小”“馬”“過”“河”；出現(xiàn)頻率為4Hz）、詞（“小馬”“過河”；出現(xiàn)頻率為2Hz）和句（“小馬過河”；出現(xiàn)頻率為1Hz）結(jié)構(gòu)，并體現(xiàn)在腦磁或腦電等神經(jīng)信號中。而對
“高學山跑”這樣生造詞語音序列，則只能觀察到大腦中與字結(jié)構(gòu)出現(xiàn)頻率對應(yīng)的神經(jīng)信號。
王立平說：“研究團隊在此基礎(chǔ)上進行假設(shè)，意識障礙患者的殘存意識水平與語言序列中層級結(jié)構(gòu)的加工深度可能存在關(guān)聯(lián)，尤其會在高層級語言結(jié)構(gòu)的神經(jīng)表征上得到體現(xiàn)?！?/p>
研究人員通過設(shè)計3種包含不同層級的語言序列（僅包含“字”層級的單字序列，包含“字及詞”結(jié)構(gòu)的詞組序列，包含“字、詞、句”層級的句子序列），記錄了無反應(yīng)覺醒綜合征和最小意識狀態(tài)患者在接受到語音刺激時的腦電活動，并與健康人進行了對比。
結(jié)果顯示，患者組和健康被試組均表現(xiàn)出了對“字”層級結(jié)構(gòu)的顯著神經(jīng)響應(yīng)，但僅健康被試組的腦電活動對“詞”和“句子”結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出顯著的“追蹤”。
“大腦‘追蹤’字之外的詞、句結(jié)構(gòu)，說明人在‘動腦筋’，可能需要更高的意識水平”，本研究的共同第一作者桂鵬博士解釋說。“在臨床研究中，我們發(fā)現(xiàn)15名會‘動腦筋’的“植物人”中，有6人在腦電記錄100天后真的康復了?！?/p>
“從神經(jīng)機制上來說，意識并不是一個靜止的腦功能，而是一個動態(tài)變化、自我保持和全腦協(xié)同工作的實時演化過程。” 王立平說。
進一步研究表明，利用“詞組”序列和“句子”序列條件下的神經(jīng)活動對鑒別臨床上無反應(yīng)覺醒綜合征和最小意識狀態(tài)兩類患者更為有效。將語言層級相關(guān)的神經(jīng)電活動和腦電微狀態(tài)相結(jié)合，可以準確地判斷患者的意識水平，且“句子”條件下的分辨效果最佳；大腦處理的語言序列句法結(jié)構(gòu)越復雜，涉及到的高級腦區(qū)活動越多。
專家認為，綜合利用語言范式下的腦電指標建立的機器學習模型，不僅在診斷上顯著優(yōu)于基于行為學量表的臨床評估，而且可以更準確地預(yù)測患者的康復。
“我們的研究成果提供了一種更加客觀、普適的大腦意識水平的評價指標，在昏迷、睡眠、麻醉等一系列與意識水平相關(guān)的大腦狀態(tài)評估中將會有廣泛的應(yīng)用價值?！?/p>
