脑电图相位振幅耦合在癫痫研究中的应用

任国平，杨小枫，王群

EEG由不同频段的振荡组成。在这些振荡中，低频节律反映了较大空间区域的神经元在长时间窗内的交互活动，而高频节律则反映的是局部神经元在短时间窗内的交互活动[1]。不同频段的神经振荡并不是独立的，它们可以互相影响、调节[2]。这种相互作用被认为是协调同步神经环路的重要机制[3]，所以不同频段之间的关联叫做交叉频率耦合(CFC)，包括相位同步、振幅共调节和相位振幅耦合(PAC)。低频振荡可以通过调节局部神经元集群的兴奋性来控制区域间的信息[1,4]，并且其相位可以影响节律性的高频活动和单个神经元的放电频率[5]。因此，PAC可以促进具有相似相位趋势的神经元之间的有效连接，并且在慢波节律的特殊相位下增强高频频段的同步活动[6]。有研究报道，PAC可以出现在小鼠[7-8]、大鼠[9-10]、羊[11]、猴子和人类等多种物种的EEG中[12-16]。本文将从PAC的产生机制、PAC的计算方法、生理性PAC、病理性PAC与致痫区的关系方面进行文献综述，以总结EEG PAC在癫痫研究中的应用。

1 PAC的产生机制

PAC的形成机制目前仍不清楚，病理性与生理性的PAC的产生机制是否相同也有待进一步研究。目前有两种模型解释theta和高频振荡(HFOs)的生理性PAC形成：(1)HFOs是快放电中间神经元(如轴-轴细胞)产生的抑制性突触后电位(IPSP)的场效应[17-19]，而theta节律可以抑制高频振荡活动导致PAC的产生[7,20-21]。当theta节律抑制开始减弱时，快放电中间神经元开始在较低的频率放电，当抑制作用完全消失时频率更高，因此低频活动可以预测高频活动[22]。(2)PAC来自于分路抑制，即theta和HFOs均来自于节律性的IPSP，对主细胞产生抑制作用，但theta节律对于主细胞的抑制作用强于HFOs，从而使突触后电位到达抑制性反转电位，导致HFOs节律的振幅下降[22]。另外，因为体周篮状细胞可以按照theta节律点燃gamma频段的动作电位，所以在PAC产生中起了重要作用[23]。Lakatos等[13]还发现，EEG是分层控制的，delta节律(1～4 Hz)的相位调节theta节律(4～10 Hz)的振幅，theta节律的相位调节gamma节律(30～50 Hz)的振幅。这种振荡的分层控制了神经系统内基线的兴奋性神经元系统以及与刺激相关的反应。

2 PAC的计算方法

目前有许多计算PAC强度的方法，比如调节指数(MI)[9,24]、高度比[13]、振幅包络的能量谱密度[25]、平均向量长度[26]、锁相值(PLA)[25,27]、相关系数[27]、一般线性模型[27]、相干值[28]、Rayleigh检验等[29]。但目前并没有计算PAC的金标准，各方法既有优点也有缺点。

3 生理性PAC

最早PAC的研究主要集中在认知领域上。不同脑区生理性PAC的强度因执行任务的种类不同而存在差异，并且PAC强度随着感觉、运动、认知事件快速发生变化，与学习任务的表现密切相关[5]。2008年Tort等[9]发现，大鼠在T迷宫决策过程中，海马theta与40～200 Hz的HFOs的PAC显著增加。随后，研究者又在大鼠和人中发现海马theta和gamma频段的PAC与记忆功能有关[14,30]。2011年，Maris等[31]发现，工作记忆操作可以增加某些PAC模式的强度，降低其他PAC模式的强度。由于癫痫是一种脑神经网络异常疾病，所以也存在着认知、行为、精神等功能上的异常[32]。这种认知功能上的异常与生理性PAC改变有关。2016年，Lopez-Pigozzi等[33]在大鼠颞叶癫痫模型上发现海马theta与慢gamma(30～60 Hz)去耦合现象与情景样记忆功能破坏有关，并且微环路缺陷来自小清蛋白篮状细胞放电的异常。但目前这方面的研究有限，应用PAC研究癫痫患者认知、行为、精神上的异常还具有十分广阔的前景。

4 病理性PAC与致痫区的关系

4.1 发作期 病理性PAC改变可能预测癫痫的发生。2014年，Alvarado-Rojas等[34]在难治性局灶性癫痫的颅内EEG中发现慢波调节的high-gamma(40～140 Hz)活动可以预测癫痫发作。Gagliano等[35]将电极置入狗脑内记录EEG后发现，发作前期PAC发生了显著改变(P<0.05)，这种改变在high-gamma频段最明显。

在癫痫发作过程中，慢波节律和高频节律的PAC也发生了一定的改变。2011年，Nariai等[29]发现，发作期的ripple振幅与≤1 Hz的慢波相位紧密耦合，并且发作期慢波可以从癫痫起始区(SOZ)扩散至其他区域。2013年，Weiss等[36]发现，致痫区的核心部位可以记录到持续重复出现的high-gamma(80～150 Hz)与低频节律(1～25 Hz)PAC强度短暂增加。这种现象与神经元间同步性放电增强有关，未出现高频活动的区域代表还未被痫样放电激动，因此作者提出可以根据high-gamma振幅和低频节律相位耦合来探测发作期高频活动，以鉴别癫痫发作的核心区和“半暗带”。2014年，Ibrahim等[37]在17例局部皮质发育不良导致的难治性癫痫的发作期EEG中发现，与非致痫区相比，发作起始区病理性HFOs(40～300 Hz)和theta、alpha节律的PAC显著增加(均P<0.01)。作者对癫痫发作过程中PAC动态变化进行观察后发现，癫痫发作开始时，当病理性HFOs的振幅最大时，低频活动的相位并不一致；但在发作终止时，当病理性HFOs的振幅最大时，低频活动的振幅均位于最低位置(特别是alpha节律)，这可能意味着生理性皮质振荡的恢复。2015年，Guirgis等[38]利用增加的MI(对平均MI进行特征值分解)成功定位了患者的致痫区，并且发现如果这些通道没有被切除则患者预后差。在预后良好(Engel Ⅰ级)的患者中，与theta节律调节的HFOs相比，delta节律调节的HFOs可以定位更多切除通道，灵敏度为75.4%，假阳性率为15.6%；在预后不良(Engel Ⅳ级)的患者中，delta节律调节的HFOs没有定位到任何切除的通道，说明被切除的通道选择不合适。2017年，Zhang等[39]发现，癫痫发作中低频活动(delta、theta、alpha)和高频活动(gamma、ripples)的耦合强度显著增加，在发作终止时和发作后PAC强度明显减弱，并且不同通道的强度不同，左右不对称。作者还发现，发作期致痫区内存在Fall-max模式，即高频活动振幅最高点位于低频活动时相的(-π，0)范围内，也就是低频活动的下降支。2018年，Ibrahim等[40]分析了2例进行丘脑前核脑深部电刺激的难治性癫痫患者的9次发作前后的EEG，分析PAC(MI值)和区域间功能连接(锁相值)发现，在3次发作的发作前期和发作过程中、4次发作结束后的EEG中，PAC显著增加。与非致痫半球相比，在致痫半球同侧的丘脑前核中，不同脑区间低频频段的相位同步显著增强。由此可见，发作期(包括发作前期)的PAC的增强与癫痫致痫区具有密切联系。另外，delta节律调节的HFOs对于判断手术预后有重要价值。

4.2 发作间期 发作间期PAC强度的变化也与SOZ或癫痫致痫区具有重要关系。2011年，Nariai等[29]发现，发作间期的ripple振幅与≤1 Hz的慢波耦合现象并不明显，但与≥3 Hz的慢波相位耦合存在显著统计学差异。2016年，Amiri等[41]观察了不同睡眠时期发作间期致痫区内外PAC的变化发现，PAC强度在3期睡眠时最强，在快速动眼期最弱；SOZ的PAC强于非致痫区，伴有棘波的通道与正常通道相比，PAC升高；致痫区慢活动背景(delta)与这些通道增加的PAC强度存在微小相关性。同年，Nonoda等[42]发现，虽然儿童慢波睡眠的发作间期SOZ和功能区的HFOs与慢波(3～4 Hz)的MI值均增加，但通过HFOs与不同频段慢波的MI值的相减(3～4 Hz减去0.5～1 Hz)可以定位SOZ，并且不会定位到功能区，提示3～4 Hz的MI与SOZ的关系更大，而0.5～1 Hz的MI与功能区的关联更强。2017年，Iimura等[43]观察了23例多脑叶难治性癫痫患儿的慢波睡眠期发作间期EEG，在18例手术预后良好(Engel Ⅰa)的患儿中发现，切除区域3～4 Hz的MI是最大的；另外，预后良好组中所有区域和切除区域的HFOs发生率和MI都比预后不良组更高。因此，癫痫患者慢波睡眠发作间期3～4 Hz频段与HFO频段的PAC耦合强度的增强在定位致痫区(或SOZ)和判断手术预后时具有重要意义。

研究者也在动物癫痫模型上验证了发作间期PAC强度与脑组织致痫性的关系。在皮罗卡品诱导的大鼠颞叶癫痫模型中，SOZ发作间期慢波节律的相位(<1 Hz)和快节律波幅 (50～180 Hz)的PAC显著强于非致痫区，最强的高频活动出现在慢波的上升时期。另外CA3(r=0.44，P<0.001)和下托(r=0.41，P<0.001)的交叉频率耦合强度与每日癫痫发作次数呈正相关[44]。在局部注射海仁酸诱发的小鼠海马癫痫模型中，额叶记录到的快速涟波与双侧颞叶记录的慢波(3～5 Hz)存在显著的PAC现象，提示海马慢波活动可以同步额叶脑区的痫性活动并限制相应范围，这可能是痫性活动扩散的基础[45]。上述动物实验进一步证明了应用发作间期增强的病理性PAC定位癫痫致痫区(或SOZ)的可行性。但在临床应用前，如何鉴别发作间期生理性和病理性PAC仍是目前需要解决的重要问题之一。

5 总结

综上所述，病理性PAC在定位癫痫致痫区、预测癫痫发作方面有一定的帮助，可能是潜在的癫痫致痫区的生物标记物之一，为癫痫的神经调控和手术治疗提供参考[46]。但是在分析过程中，应该注意棘波产生的影响以及生理性PAC的存在。另外，针对癫痫患者生理性PAC异常改变的研究可以进一步帮助认识癫痫患者认知功能损害的机制。目前研究中仍存在一些问题：(1)如何鉴别生理性和病理性PAC；(2)明确头皮EEG上记录到的病理性PAC是否存在一定的临床意义；(3)评估病理性PAC是否可以作为癫痫易感性或者评价治疗效果的指标。