脑电图-功能磁共振成像同步联合记录在癫痫诊疗中的研究进展

王俊伶，杨小枫

癫痫的临床治疗以药物治疗为主，30%左右的癫痫患者因药物无法控制其发作或难以耐受多种抗癫痫药物的毒副作用发展成为难治性癫痫[1-3]。外科手术是药物难治性癫痫的首选治疗方式[4]。术前能否精准定位致痫区是手术治疗成功的关键。由于致痫区还只是一个理论上的概念，目前尚无任何一种技术可以精准定位致痫区[5]。因此，研发无创、精准的定位致痫区方法将对癫痫的诊疗具有重要意义。

近年来，随着致痫网络的提出以及神经影像学的飞速发展，大量研究表明癫痫发作引起的血氧水平依赖(BOLD)效应与癫痫起始区或致痫区密切相关[6]。EEG-功能MRI(fMRI)同步联合记录技术为致痫区的定位以及致痫网络的研究提供了无创、快速、精准的电生理描述及脑功能成像新方法[7]。EEG-fMRI同步联合记录技术从神经元电活动及血流动力学响应两个维度，迅速而精准地定位、追踪全脑的神经元功能活动改变，现已广泛应用于癫痫领域定位发作起始区/致痫区[8]及致痫网络[9]等研究。本文将对EEG-fMRI同步联合记录技术的发展、在癫痫诊疗领域中的研究现状、应用前景及面临的挑战进行综述。

1 EEG-fMRI同步联合记录技术的发展史

EEG-fMRI同步联合记录技术集合了脑电信号毫秒级的时间分辨率及功能核磁图像毫米级的空间分辨率的优点，是一种非常有价值的无创性研究大脑功能的方法[7]。Ives等[10]在1993年完成了首例癫痫患者的EEG-fMRI同步联合记录实验。该实验记录患者清晰的脑电信息的同时，间断采集了功能核磁信息，且患者没有过热、烧伤等不适感，证实了EEG-fMRI同步联合记录技术的可行性。由于早期的EEG-fMRI同步联合记录技术无法去除磁共振扫描产生的EEG伪迹，故核磁扫描方式多为间歇性扫描[11]。但是间歇性扫描获取的功能信息不连续，发作间期痫性放电(IEDs)持续时间较短且不可预测，所以直到Allen等[12]及Sharma等[13]研发了去除同步扫描产生的磁场梯度伪迹和心电脉搏伪迹的相关算法及磁共振兼容EEG机等硬件设备的研发后，EEG-fMRI同步联合记录技术才实现了由间歇性扫描转变为能够同时获取完整EEG和fMRI信息的连续扫描方式。随后该技术广泛应用于难治性癫痫患者定位癫痫起始区或易激惹区的临床研究以及探索fMRI定位致痫区、研究致痫网络或异常功能连接的动物实验研究中。而今3.0～7.0 T、4.7～11.7 T的磁共振机已分别应用到临床研究和动物实验研究中，超强磁场和多频带(multiband)技术联合可以在几百毫秒内精准地获取全脑的功能信息[14]。最近，明尼苏达大学的研究人员通过使用10.5 T磁共振机获取了史无前例的人类大脑解剖细节，未来fMRI成像或EEG-fMRI同步联合记录技术将成为无创研究大脑功能的一种非常有价值的方法[15]。

2 EEG-fMRI同步联合记录技术在癫痫动物模型中的研究

运用癫痫动物模型进行EEG-fMRI同步联合记录实验主要有以下几个目的：(1)精确定位癫痫起始区、致痫区；(2)阐释不同发作类型相关的异常神经网络；(3)对临床EEG-fMRI同步联合记录的研究结果进行机制探索。

2.1 失神样发作癫痫模型 失神样发作的动物研究常采用WAG/Rij转基因模型鼠做为研究对象。这种转基因大鼠能在大脑双侧自发性产生棘波样放电(SWDs)。2004年，Nersesyan等[16]使用EEG-fMRI同步联合记录技术比较了WAG/Rij大鼠自发性失神样发作和荷包牡丹碱诱发的全面性强直阵挛发作BOLD信号激活区域，观察到全面性强直阵挛发作比失神发作BOLD信号激活区域范围更大、更广泛。2011年，Mishra等[17]对WAG/Rij大鼠进行EEG-fMRI同步联合记录，棘波样放电时，大鼠的躯体感觉皮质和丘脑的BOLD、脑血容量(CBV)、脑血流量(CBF)、局部场电位(LFP)、多单元活动(MUA)信号变化百分率增加，而尾壳核LFP、MUA信号增加，BOLD信号出现负激活，CBV、CBF变化的百分率也为负。2013年，Mishra等[18]对WAG/Rij大鼠静息态的功能连接进行分析发现，与非痫性正常对照组相比，WAG/Rij大鼠在静息无发作时大脑半球内躯体感觉皮质与其邻近皮质以及大脑半球双侧皮质间有异常连接，这种异常连接在失神样发作时增强。

2.2 局灶性发作癫痫模型 EEG-fMRI同步联合记录在动物局灶性癫痫模型中研究相对较少。2002年，Opadm等[19]在绵羊右侧运动前区皮质局部注射青霉素后进行EEG-fMRI同步联合记录，结果显示注药部位及同侧的杏仁核BOLD信号激活，推测在发作过程中皮质及皮质下深部组织之间存在神经环路。2005年，Makiranta等[20]在猪的单侧感觉运动皮质局部注射青霉素，头皮EEG与fMRI同步联合记录观察到注药同侧头皮EEG探测到第一个棘波时，BOLD信号激活曲线已经有2.5%～13.5%的增加，即持续性的BOLD信号增加现象比头皮脑电探测到的棘波先出现。作者认为，血流增加早于癫痫电活动的现象不能误解为血流信号增加不是继发于神经元兴奋，可能是头皮电极无法采集到微小神经元的电活动。2006年，Mirsattari等[21]应用EEG-fMRI同步联合记录观察局灶性枕叶癫痫的大鼠模型发现，IEDs引起的BOLD信号激活分布在注射点周围以及同侧和对侧视觉皮质。目前EEG-fMRI同步联合记录之所以在动物局灶性癫痫模型研究中较少，可能是因为局灶性癫痫模型造模技术难度较高，较难获取致痫药物注射前fMRI的基线等。未来局灶性癫痫模型的EEG-fMRI同步联合记录研究需要通过不同注射靶区域探索不同癫痫网络，应用更多脑电记录电极探索BOLD信号和EEG电信号间的相互关系。

2.3 全面性发作癫痫模型 全面性发作癫痫动物模型EEG-fMRI同步联合记录研究主要通过腹腔或者静脉注射致痫剂，分析不同脑区BOLD信号的激活情况。2010年，DeSalvo等[22]应用EEG-fMRI同步联合记录荷苞牡丹碱诱发的大鼠全面性强直阵挛发作，观察了发作前30 s至发作后240 s大脑BOLD信号的变化，证实了脑电发作开始前30 s躯体感觉皮质、初级听觉皮质、丘脑已有BOLD信号激活，发作过程中全脑多个部位相继出现大范围BOLD信号激活，发作停止后全脑信号均为负激活。2012年，Airaksinen等[23]给予大鼠腹腔注射海人酸，其双侧海马均有不同程度的BOLD信号激活，且发作与血流响应几乎是一一对应。全面性发作的癫痫模型EEG-fMRI同步联合记录实验均采取系统注药的方式造模，无法明确致痫区的具体位置，故此类实验对精准定位致痫区的意义较小，但是对癫痫网络的研究意义较大。

3 EEG-fMRI同步联合记录技术在临床研究中的应用

近二十年来，EEG-fMRI同步联合记录技术已经在临床上有了广泛的研究，尤其是在探索局灶性或全面性癫痫中IEDs相关的BOLD信号激活区和癫痫发作起源区或致痫区的位置关系的相关研究[13,24]。2018年，Markoula等[25]运用EEG-fMRI同步联合记录技术进行了一项前瞻性队列研究，探讨了IEDs产生的BOLD信号对于药物难治性癫痫手术术前决策的影响。患者经过常规的术前评估后多学科诊疗团队(MDT)对癫痫进行定侧定位后，研究者显示EEG-fMRI结果；随后，MDT参考EEG-fMRI结果重新定侧、定位。该研究结果显示，纳入的13例患者中仅3例(3/13，23%)EEG-fMRI结果对初始临床决策没有影响，其余10例患者(10/13，77%)的EEG-fMRI结果使初始手术计划发生了改变。影响手术计划的患者中，8例(8/10)指导了颅内电极的植入；2例植入电极的患者(2/8)进行了手术切除，手术预后较好(分别为国际抗癫痫联盟Ⅰ级和Ⅱ级，随访均超过1年)。因此，EEG-fMRI同步联合记录作为一种无创的术前评估方法，可以指导药物难治性癫痫外科手术的切除以及颅内电极的植入。

2018年，González Otárula等[26]创新比较了EEG-fMRI同步联合记录的BOLD信号和高频振荡(HFOs)对致痫区定位的一致性。有趣的是，单一病灶患者IEDs产生的主要BOLD信号激活团块也是高频振荡产生率最高的区域，即25例患者中有18例(18/25，72%)在最主要的BOLD信号激活团块中至少含有一个高频产生率高的通道。因此，该结果提示多模态的致痫区生物标记物具有广泛的研究前景。此外，众多EEG-fMRI同步联合记录的研究都关注于最主要激活区的BOLD信号，忽略了其余的次要激活区团块。2017年，Khoo等[8]运用EEG-fMRI同步联合记录技术发现，异常放电的脑区周围及远隔区域均出现IEDs相关的BOLD信号激活。作者还探讨了这些神经元一致同步化活动是否由于其均处于某致痫网络的节点上。研究表明，除最主要的激活区，其余次要激活区也是有十分重要意义的，这些激活的脑区或许共同构成了致痫网络神经元活动的基础。癫痫患者全脑范围内的BOLD信号激活是否均伴随着异常的神经元电活动，哪些脑区的激活团块在癫痫的产生和传播中发挥了作用，离断或切除此部位能否使癫痫发作减轻甚至终止？为了解决这些问题，未来需要更多的基础实验研究进行探讨。

目前，诸多研究认为癫痫是一种网络性疾病，抗癫痫药物治疗效果欠佳以及癫痫共病的产生均可能是由于癫痫网络之间的相互作用所致[27]。2014年，Luo等[28]应用EEG-fMRI同步联合记录技术探讨了额叶癫痫患者的脑网络连接异常。该研究选择额叶中最大的激活团块为种子点，发现与正常对照组相比，患者额叶致痫区与全脑其他区域之间的功能连接明显增强，并且致痫区周围的区域与致痫区的功能连接也是增强的。2016年，Vaughan等[29]比较了MRI阴性的颞叶癫痫(TLE)和TLE伴发海马硬化患者(HS-TLE)脑功能连接之间的差异发现，MRI阴性的TLE患者患侧颞叶内的功能连接降低，而HS-TLE患者患侧海马与丘脑的功能连接增加，与前额叶皮质的功能连接性降低。因此，EEG-fMRI同步联合记录作为一种非侵入性的癫痫脑网络的研究手段，能够更全面地理解不同病因、不同症状潜在的癫痫脑网络变化，有助于癫痫的诊断及治疗。

4 EEG-fMRI同步联合记录技术面临的挑战

需注意的是，不同的研究机构运用的核磁扫描设备的磁场强度、扫描序列(SE-EPI、GE-EPI、FLASH)和图像参数不同，脑电信号记录电极的种类(头皮电极、硬膜下电极、立体定向EEG电极)和通道数可能不同，功能磁共振信号分析方法(以模型驱动的广义线性模型分析、数据驱动的独立成分分析)亦种类繁多，故目前不同的研究团队报道的研究结果会存在一定的差异性[30]，从而也会影响各研究结果的横向比较。

动物的EEG-fMRI同步联合记录实验在癫痫诊疗领域的研究中具有十分重要的意义。由于近年来神经影像专家大多致力于人脑fMRI信号处理分析，目前人脑fMRI研究相较于动物而言已相对成熟，众多资源开源共享，全球不同地域、不同研究领域的研究结果可比性、可重复性较高[31]。而相较于人类，动物fMRI信号处理方面的仍有诸多问题亟待解决。目前动物fMRI信号处理的流程没有较为公认的标准，完全仿照人脑的处理方式进行。但由于人脑和鼠脑体积大小差异过多，诸多参数需要进行调整，许多实验室沿用的都是自己开发的模板和自定义的参数甚至自己开发的分析软件，信号处理透明度较低，为研究结果的横向比较增加了难度，限制了EEG-fMRI同步联合记录在动物领域的快速发展[32]。同时，癫痫的发展是动态演变的过程，在做统计分析时往往把发作都当成相同的条件而忽略了其中动态的信息，故在癫痫疾病的fMRI信号分析方法上也有诸多问题需要探索[13]。

5 总结与展望

EEG-fMRI同步联合记录技术已成为一种无创探测脑功能的重要研究工具。众多研究已经证实了同步EEG-fMRI联合记录技术在定位癫痫发作起源区和致痫区方面存在着巨大潜力[7]。在难治性癫痫的术前评估中，EEG-fMRI同步联合记录有望指导颅内电极的植入部位并减少电极的使用数量，从而减低电极植入引起的颅脑损伤和患者的经济成本[33]。同时，也应该谨慎应用EEG-fMRI同步联合记录技术，如果不恰当地使用该技术，可能会得出错误的结论。为此，在今后的研究中，应该采取周全的实验设计，严谨的数据质量控制，更灵活、准确的分析方法，以便得到可信的实验结论。随着脑电记录设备、磁共振扫描技术及后处理技术的不断提高，EEG-fMRI成像同步联合记录技术将会为致痫区的定位、癫痫脑网络研究提供一种无创、精准的方法。