研究者結(jié)合多層級(jí)語(yǔ)言序列范式和頭皮高密度腦電記錄，幫助臨床醫(yī)生對(duì)意識(shí)障礙患者的意識(shí)水平進(jìn)行診斷并進(jìn)行預(yù)后判斷。 中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心供圖
長(zhǎng)眠不醒的“植物人”是否能聽(tīng)懂身邊親人的呼喚？如何科學(xué)客觀判斷“植物人”是否還存在意識(shí)？我國(guó)科學(xué)家的一項(xiàng)最新成果找到了答案。
中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心王立平研究團(tuán)隊(duì)與復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科毛穎、吳雪海團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)意識(shí)障礙患者開(kāi)展了語(yǔ)言加工相關(guān)神經(jīng)表征的探索性研究，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)患者意識(shí)狀態(tài)的診斷和康復(fù)預(yù)測(cè)，為意識(shí)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(xué)》。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年我國(guó)有近10萬(wàn)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(jìn)入長(zhǎng)期的意識(shí)障礙狀態(tài)，即傳統(tǒng)意義上的“植物人”狀態(tài)。意識(shí)障礙患者中，以無(wú)反應(yīng)覺(jué)醒綜合征和最小意識(shí)狀態(tài)兩類最為常見(jiàn)。其中，最小意識(shí)狀態(tài)患者的殘存意識(shí)水平更高，康復(fù)可能性也更高。
然而，當(dāng)前臨床上對(duì)患者的狀態(tài)鑒定主要依賴于有經(jīng)驗(yàn)醫(yī)生的觀察和量表評(píng)分，具有一定的主觀性，誤診率高達(dá)40%。近年來(lái)，也有研究者利用腦電或磁共振成像記錄患者的腦活動(dòng)，推測(cè)意識(shí)障礙程度，但在適用性、易用性、準(zhǔn)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(xiàng)成果基于合作者浙江大學(xué)丁鼐研究員此前的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)健康人聆聽(tīng)按一定頻率呈現(xiàn)的漢語(yǔ)語(yǔ)音序列時(shí)，大腦會(huì)以對(duì)應(yīng)節(jié)律的神經(jīng)振蕩并行表征序列中不同層級(jí)的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)（字、詞、短語(yǔ)或句子）。如，當(dāng)聽(tīng)到以4字/秒的速度連續(xù)播放的如“小馬過(guò)河”的4字句子，大腦會(huì)追蹤其中的字（“小”“馬”“過(guò)”“河”；出現(xiàn)頻率為4Hz）、詞（“小馬”“過(guò)河”；出現(xiàn)頻率為2Hz）和句（“小馬過(guò)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(hào)中。而對(duì)
“高學(xué)山跑”這樣生造詞語(yǔ)音序列，則只能觀察到大腦中與字結(jié)構(gòu)出現(xiàn)頻率對(duì)應(yīng)的神經(jīng)信號(hào)。
王立平說(shuō)：“研究團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行假設(shè)，意識(shí)障礙患者的殘存意識(shí)水平與語(yǔ)言序列中層級(jí)結(jié)構(gòu)的加工深度可能存在關(guān)聯(lián)，尤其會(huì)在高層級(jí)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)的神經(jīng)表征上得到體現(xiàn)。”
研究人員通過(guò)設(shè)計(jì)3種包含不同層級(jí)的語(yǔ)言序列（僅包含“字”層級(jí)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(jí)的句子序列），記錄了無(wú)反應(yīng)覺(jué)醒綜合征和最小意識(shí)狀態(tài)患者在接受到語(yǔ)音刺激時(shí)的腦電活動(dòng)，并與健康人進(jìn)行了對(duì)比。
結(jié)果顯示，患者組和健康被試組均表現(xiàn)出了對(duì)“字”層級(jí)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(dòng)對(duì)“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(shuō)明人在‘動(dòng)腦筋’，可能需要更高的意識(shí)水平”，本研究的共同第一作者桂鵬博士解釋說(shuō)。“在臨床研究中，我們發(fā)現(xiàn)15名會(huì)‘動(dòng)腦筋’的“植物人”中，有6人在腦電記錄100天后真的康復(fù)了。”
“從神經(jīng)機(jī)制上來(lái)說(shuō)，意識(shí)并不是一個(gè)靜止的腦功能，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化、自我保持和全腦協(xié)同工作的實(shí)時(shí)演化過(guò)程。” 王立平說(shuō)。
進(jìn)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(dòng)對(duì)鑒別臨床上無(wú)反應(yīng)覺(jué)醒綜合征和最小意識(shí)狀態(tài)兩類患者更為有效。將語(yǔ)言層級(jí)相關(guān)的神經(jīng)電活動(dòng)和腦電微狀態(tài)相結(jié)合，可以準(zhǔn)確地判斷患者的意識(shí)水平，且“句子”條件下的分辨效果最佳；大腦處理的語(yǔ)言序列句法結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，涉及到的高級(jí)腦區(qū)活動(dòng)越多。
專家認(rèn)為，綜合利用語(yǔ)言范式下的腦電指標(biāo)建立的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，不僅在診斷上顯著優(yōu)于基于行為學(xué)量表的臨床評(píng)估，而且可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)患者的康復(fù)。
“我們的研究成果提供了一種更加客觀、普適的大腦意識(shí)水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在昏迷、睡眠、麻醉等一系列與意識(shí)水平相關(guān)的大腦狀態(tài)評(píng)估中將會(huì)有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。”
