探秘“植物人”的大脑世界 New!

 严重脑损伤可导致意识障碍(Disorders of consciousness, DOC)。由于DOC患者无法与外界进行交流,意识恢复困难且需长期护理,常被俗称为“植物人”。面对慢性DOC患者家属的救治需求和期望,临床医学承担了巨大的社会、经济和道德舆论压力。近年来,随着各领域科学家和医生对DOC研究的日益关注和共同努力,及神经影像学和神经调控技术的发展, DOC在诊断、预后判定、治疗及康复方面都取得了很大的进展。

Neuroscience Bulletin在2018年8月第4期,出版了由中国科学院自动化研究所的蒋田仔研究员和陆军总医院何江弘主任共同组织的“意识障碍——从基础到临床”专辑,旨在总结中国DOC研究的进展。首都医科大学天坛医院赵继宗院士的综述,回顾了中国DOC研究的现状,特别是在DOC诊断、预后、治疗和康复方面的研究进展,同时该综述还介绍了中国与DOC相关的科学组织和活动的发展历程[1],清楚地展现了中国在国际DOC研究中所处的地位。

基于神经影像的脑网络组学为研究意识的神经相关性开辟了新视野,并为临床提供了更多辅助DOC患者诊断、预后和治疗干预的信息。在此框架下,可以在不同的时空尺度上整合不同技术,将零碎的研究结果整合到一个统一的研究体系中。在本期中,中国科学院自动化研究所宋明、蒋田仔等系统地综述了国内外基于正电子发射断层扫描、功能磁共振成像(fMRI)、功能性近红外光谱(fNIRS)、电生理学和弥散磁共振成像(dMRI),对慢性DOC患者的脑网络研究最新进展,并展望了未来DOC的研究方向[2]。


Song M et al. Brain Network studies in chronic disordersof consciousness: advances and perspectives. Neurosci Bull 2018, 34: 592-604.

脑网络组学可分为解剖和功能脑网络组学。弥散张量成像(DTI)是一种体内的dMRI技术,用于研究宏观尺度上的解剖脑网络组学。复旦大学附属华山医院吴学海、龚高浪、毛颖等人研究了基于DTI的DOC患者大脑白质缺陷,并讨论了DTI指标与意识水平临床测量之间的关系 [3]。

功能性脑成像技术(例如fMRI,EEG/ MEG和fNIRS)可以被用来研究功能脑网络组学。华南师范大学的陈平、黄瑞旺等人利用fMRI技术发现脑区之间有效联接方式的个体间差异性,并且构建了一个光谱动态因果模型,以及基于脑网络组将这套模型在预测DOC患者临床评分方面的表现[4]。


Chen P et al. Abnormal effective connectivityof the anterior forebrain regions in disorders of consciousness. Neurosci Bull 2018, 34:647-658.

传统上针对DOC的诊断是通过患者对指令的行为学响应来判断,基于神经影像学和其他技术开发出来的定量DOC诊断标志物仍是一项重大的挑战。上海交通大学医学院附属仁济医院的唐琪临、高国一等人研究了创伤性“植物人”患者眼泪——一种可以非侵入性收集体液的蛋白质组学特征,并在泪液中发现了潜在的DOC诊断标志物 [5]。同时,浙江大学医学院附属第一医院的邹海、罗本燕等人对“植物人”患者的泪液蛋白组学研究也进行了简短评述[6]。

任务范式对DOC的评估很重要,解放军广州总医院的周锋、虞容豪等人的研究提示光比手指动作刺激更能有效地触发DOC患者的惊恐性眨眼,这为研究DOC的临床指标提供了参考资料[7]。预后对DOC患者而言是一个根本问题,因为治疗、康复治疗甚至医学伦理决策都依赖于预后的效果,迫切需要为DOC的预后制定客观和量化的措施。在本专辑中,上海交大学医学院附属仁济医院游文栋、高国一等人评估了振幅整合脑电图对昏迷患者神经功能预后的预测价值[8]。

到目前为止,关于DOC患者治疗的循证医学指南仍比较缺乏。神经调控技术是一种潜在的有效治疗DOC的方法。在本专辑中,陆军总医院的夏小雨、何江弘等人系统地回顾了主要神经调控方式,无创(经颅磁刺激TMS、经颅直流电刺激tDCS等),及手术植入式调控(脑深部电刺激DBS、脊髓电刺激等)在DOC治疗中的重要进展,并对国内外开展情况进行了全面的综述[9]。杭州明州脑康康复医院的李景琦、杨勇等人的研究提示习惯刺激比音乐刺激诱导DOC患者的脑电图反应更强烈,提示它可能是引起患者觉醒的另一种有效方法 [10]。大连理工大学的王小宇、丛丰裕等人利用具有两种频率偏差刺激的范式来诱发JFK昏迷恢复修订版量表确诊的DOC患者中的错配负性,为DOC的诊疗提供了一种新的思路[11]。一方面,定量评估神经调节方法的有效性非常重要。例如,脊髓刺激技术(SCS)是具有治疗DOC的前景,但不同SCS频率影响之间的差异尚不清楚。为了解决这个问题,北京信息科技大学司娟宁和中国科学院自动化研究所蒋田仔等人利用功能性近红外光谱法测量DOC患者对不同SCS频率的血流动力学反应,并开发出一种新的定量方法来评估使用不同SCS频率的结果[12]。


Li JQ et al. Responses of patients with disorders of consciousness to habitstimulation: a quantitative EEG study. Neurosci Bull 2018, 34:691-699.

脑机接口(BCI)已被用于DOC和其他神经系统疾病的临床评估,因为这一技术可在没有行为表达的情况下直接检测患者生理系统对外部刺激的反应。华南理工大学的肖君、虞容豪等人提出了一种基于脑电图的BCI系统,以辅助评估DOC患者的视觉注视能力(昏迷恢复修订版量表视觉功能子量表),他们还证明了该系统对15例DOC患者的有效表现[13]。


Xiao J et al. Visual fixation assessment in patients with disorders of consciousnessbased on brain-computer interface. Neurosci Bull 2018, 34: 679-690.

尽管DOC的临床和基础研究,在过去十年中取得了许多进展,但在意识水平诊断、预后评定、治疗技术和康复手段方面仍面临诸多挑战。例如,DOC患者的进行性脑萎缩非常普遍,因此精确标记、匹配和定位脑区域的技术对于分析DOC是必不可少的;其次,基于纤维定向产生的脑网络组图谱,使大脑分割更加精细化和个性化,对于识别与意识相关的脑区域细分,进而提高和丰富临床干预手段提供了有力保障;此外,DOC的诊断和预后模型必须在具有大量患者的独立临床中心中获得验证,以便在更多的临床中心推广;最后,迫切需要制定DOC生理干扰和电路/网络差异的生物标记标准。有关这些问题的讨论,请参见本专辑中的两篇综述,文中均展望了DOC的未来研究方向[1,3]。同时,神经调控作为一种有潜力的治疗手段,仍需在更大样本的队列研究中进一步验证。

意识来自大脑,人类的大脑可以被认为是一个独特但紧密结合的组织结构:从基因、蛋白、突触、神经元和神经回路,再到脑区、通路和整个大脑。越来越多的证据表明,不同技术的组合和来自不同层次的信息整合,能产生远大于单一技术或水平的分析结论和检视高度。我们相信,汇集和融合了不同学科、特别是生物学、医学和信息学的这期DOC专辑,将加深我们对DOC基础与临床研究的了解,推动学科的发展,并最终使更多DOC患者得到成功救治。

本专辑得到了陆军总医院徐如祥院长的大力支持。此外,中国科学院自动化研究所宋明、张玉瑾、崔玥和陆军总医院杨艺参与了本专辑的准备工作。