基于EEG的失神癫痫发作间期脑功能连接动态改变

蒋丝丽 罗华 阮江海

0 引言

失神癫痫(absence epilepsy，AE)以失神发作(absence seizure，AS)为特征，临床表现为突然发作和迅速终止的意识丧失或行为终止，占儿童和青少年癫痫的10%～17%，脑电图(EEG)上3～4 Hz的棘慢波放电(spike-wave discharge，SWD),是其特征性表现[1]。过去很长一段时间都认为AS是突发突止的，并不会对大脑产生器质性损害。然而，SWD前后大脑网络连接的动态演化，强烈提示SWD并非突然发作、突然终止[2-3]，并且反复的痫性发作可能导致永久性认知功能损害[4]。因此，对SWD间期脑网络功能进行动态分析可能有助于更好地理解SWD及其除痫性发作以外损害的相关的网络基础。

人类大脑是一个复杂的信息处理系统，不同的大脑区域协调构成一个功能网络[5]。而网络的功能依赖于相关结构连接模式，结构和功能连接组学的分析是近年来癫痫研究的热点。通过研究潜在的拓扑结构重组及功能连接改变对癫痫的影响，可为理解癫痫发病提供深刻的见解。这一观点促使本课题组基于脑功能连接(functional connectivity，FC)及图论分析，从全脑复杂脑网络的角度来研究失神癫痫患者的大脑。相位同步分析是推断功能连接的一种重要而有效的分析方法，它考察了神经信号之间的瞬时相位关系，而忽略了它们的幅值的影响，有助于研究复杂脑网络[6]。脑网络参数是基本图论来表征脑网络拓扑结构[7]，本研究对21例典型AE患者发作间期脑电数据行功能连接及图论分析，为更好地理解SWD的网络机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

收集2016年1月—2019年1月于西南医科大学附属医院神经内科门诊就诊并确诊为 AE 患者，纳入标准：符合国际抗癫痫联盟(International League Against Epilepsy，ILAE)关于癫痫和癫痫综合征修订分类的建议[8]；2 h视频EEG在视频记录过程中，至少5次高频全面失神发作,且EEG 显示正常脑电背景下可见双侧同步的3～4 Hz SWD；头颅MRI未见解剖异常；未服用抗癫痫药物；首次因失神发作于我院就诊。排除标准：合并其他神经和精神系统疾病或数据采集质量不佳者。同时纳入性别及年龄与之匹配的健康体检者作为正常对照组，对照组既往无神经精神疾病病史。本研究得到西南医科大学附属医院伦理委员会的批准。

1.2 数据获取

1.2.1 采集前准备

受试者在采集前洗头，避免使用油性清洁或护发产品。在半隔离的房间内，采用同样的脑电设备，记录受试者在安静、放松状态的头皮脑电图。

1.2.2 EEG数据采集

使用意大利GALIEO EBNeuro19导联视频脑电图仪，按照国际通用10-20系统放置电极导联，并记录2 h脑电图。视频和脑电图数据以时间锁定模式记录。放置电极(FP1、FP2、F3、F4、F7、F8、T3、T4、T5、T6、C3、C4、P3、P4、O1、O2、Fz、Cz、Pz)。每个电极的阻抗保持在10 kΩ以下。采样频率为256 Hz。数据采集后，由两名经验丰富的临床医生独立阅读整个数据集，仅存在3～4 Hz SWD的受试者被纳入后续分析。通过人工标记发作间期、发作前和发作后(每期各5段10 s脑电数据)。发作间期是指前后1 min内无棘慢波放电的脑电数据。将全面棘慢波放电前的脑电为发作前脑电图，棘慢波放电结束后的脑电图为发作后脑电。此外，收集了21名年龄和性别匹配，到我院体检的健康对照人群的2 h视频脑电图数据。

1.3 EEG数据预处理

将原始数据均按EDF格式导出，去除眼动信号、肌电等干扰。对每位AE患者各提取5段10 s发作前、发作后及发作间期脑电数据。正常对照组各选择无伪迹、噪音少的静息态EEG数据5段，每段时长10 s。

1.4 数据分析

1.4.1 基于EEG电极导联信号的锁相值脑网络矩阵的建立

参考Dasdemir等[9]的方法通过计算锁相值(phase locking value，PLV)来构建功能网络，同时考察其网络属性特点。定义频段为全频段(0.5～45 Hz)、delta频段(0.5～4 Hz)、theta频段(4～7 Hz)、alpha1频段(8～10 Hz)、alpha2频段(10～13 Hz)、beta1频段(13～30 Hz)、beta2频段(30～45 Hz)。此后通过希尔伯特变换(Hilbert transform)将信号分解为独立的幅值和相位,从而提取不同频段滤波后瞬时相位(instantaneous phase，IP)[10]，计算不同导联之间的相位差，得到各被试脑网络PLV连接矩阵。

1.4.2 图论分析

相位同步分析结果通常用于比较某个区域的大集合，具有复杂的相互作用且很难理解。为了更好地描述对于复杂FC矩阵的差异，在建立PLV脑网络矩阵的基础上，课题组利用PLV矩阵进行了图论分析。

最终通过分析脑网络的4个指标包括局部效率(local efficiency，Elocal)、全局效率(global efficiency，Eglobal)、特征路径长度(characteristic path length，L)、聚类系数(clustering coefficient，C)以了解大脑功能脑网络拓扑结构。L和Eglobal度量网络的全局信息传递、处理能力及脑网络的整合程度；C、Elocal度量大脑功能分化能力。对于L、C、Eglobal和Elocal的详细描述和计算方法见文献[11-15]。

1.5 统计方法

采用双样本t检验对AE组和对照组不同频段之间的PLV值和网络属性参数进行统计分析；采用配对t检验对AE组不同状态的数据进行统计分析；同时，采用One-way ANOVA对发作间期、发作前10 s、发作后10 s三者在不同频段之间的PLV值和网络属性参数整体差异进行统计，若3组病例PLV值和网络属性参数存在整体差异，随后采用事后t检验进行两两比较，PLV值进行FDR矫正，校正后P<0.05被认为差异具有统计学意义。

2 结果

本研究共纳入失神癫痫组患者21例(9.57岁±2.87岁)，其中男性14例，女性7例 ；正常对照组21例(9.67岁±2.58岁)，其中男性13例，女性8例。

2.1 AE组发作间期与正常对照组FC比较

在delta及beta2频段，两组间比较FC具有显著差异。其中在delta频段(0.5～4 Hz),AE组较正常对照组，在额叶、颞叶、顶叶连通性增强；在beta2频段(30～45 Hz)，双侧半球广泛皮质脑区均存在连通性显著增强。

蓝线表示AE组较正常对照组连接增强的节点连接，A组为AE组，B组为正常对照组。图1 AE组与正常对照组PLV网络连接各频段分析Figure 1 PLV network connection analysis of each band between absence epilepsy group and control group

2.2 AE组发作间期与正常对照组网络参数比较

在beta2频段，AE组发作间期与正常对照组4个网络属性参数比较，AE组Elocal、Eglobal、C增加，L降低，且差异具有统计学意义(P<0.05)，见图2。

*表示P<0.05。图2 AE组与正常对照组beta2频段网络参数比较Figure 2 Comparison of network parameters of beta2 frequency band between AE group and normal control group

2.3 AE组发作前、发作后与发作间期FC比较

AE组组内比较，在delta、theta、beta1、 beta2频段均可见发作后较发作间期连通性显著增强(图3)。

蓝线表示发作前/发作后较发作间增强的节点连接，A组为发作间，B组为发作前，C组为发作后。图3 AE组组内PLV网络连接各频段分析Figure 3 PLV network connection analysis of each frequency band in the AE group

2.4 AE组发作前、发作后与发作间期网络参数比较

在delta及beta2频段，AE组发作前与发作间期相比，L降低，Elocal、Eglobal、C增加，P<0.05；发作后与发作间期相比，L降低，Elocal、Eglobal、C增加，P<0.05(图4、图5)。theta 、alpha2、beta1频段可见相同改变。

*表示P<0.05，**表示P<0.001。图4 发作前后与发作间期delta频段网络参数比较Figure 4 Comparison of network parameters of delta frequency band among before-ictal，after-ictal and inter-ictal

*表示P<0.05，**表示P<0.001。图5 发作前后与发作间期beta2频段网络参数比较Figure 5 Comparison of network parameters of beta2 frequency band among before-ictal，after-ictal and inter-ictal

3 讨论

本研究采用PLV进行相位同步及图论分析是两种常用的脑电网络分析方法。研究结果发现AE患者存在脑网络连接及网络属性的异常改变；同时，AE患者在失神发作过程中也伴随着脑网络连接和网络属性的改变，这些改变加深了课题组对失神癫痫的理解，不仅是脑电图上癫痫的周期性棘慢波。

AE患者发作间期脑电节律正常者并不少见，因此很难通过临床报告发现异常。在本研究中发现，AE组发作间期较正常对照组，除了delta及beta2频段，存在以额顶颞区为主的连接增强，在其余频段均未发现功能连接改变。此外，在网络属性参数分析中也仅在beta2频段发现存在异常改变。这提示AE患者发作间期脑网络异常可以通过脑电相位同步分析及网络属性参数比较发现。值得关注的是，有研究认为beta频段的PLV值改变与认知功能有关，课题组推测AE患者beta频段功能连接改变可能与其持续存在的认知功能障碍有关[16-17]。从结构基础上，额顶颞区皮质如内侧额叶、前后扣带回、中央顶叶、外侧额叶、眶额叶、外侧颞顶叶连接区域和丘脑等构成的网络系统被认为与注意及执行功能相关[18]，这提示该网络脑电连接改变可能与AE患儿的认知障碍有关，尤其是注意及执行功能。而这也是AE患儿最常见的认知功能缺陷[19]。

同时，课题组从脑网络角度分析了AE发作的过程。从发作间期到发作前，仅在theta频段发现额顶区存在少量连接增强的边。既往EEG-fMRI研究发现AE发作前在感觉运动网络出现连接增强，涉及前额叶和楔前叶区域[3]。这提示感觉运动网络可能参与SWD的发动过程。从发作间期到发作前到发作后主要的改变为脑同步性逐渐增强，涉及同步性增强的脑区逐渐泛化。这与既往认为皮质-皮质网络学说结果一致，即皮质-皮质网络在SWD启始及维持中起着至关重要的作用。有趣的是，课题组在整个发作间期、发作前及发作后均发现，与对照组比较，聚类系数、全局效率、局部效率增高，特征路径长度降低。脑网络属性参数是反映脑拓扑结构改变的指标，提示AE患者脑功能与拓扑结构呈现同步性改变，同样在放电过程中存在动态变化。这种从发作间期到发作状态，在δ、θ和α频段内同步强度显著增加的现象在既往癫痫患者中已有报道[20]。而在癫痫临床症状出现前10 s即存在同步强度显著增强，可能提示对痫性发作具有预测价值。

对于在整个过程中功能连接与网络属性参数改变的差异，AE患者发作间期脑电图和发作后脑电图的功能连接及网络属性参数存在明显差异，提示脑网络恢复慢于脑电图波形。提示癫痫发作后存在一个空间活动恢复和时间活动恢复的过程，空间活动恢复慢于时间活动恢复。事实上，动态空间活动，如在丘脑，在既往癫痫发作的研究中已经报道[21-22]。

本研究为回顾性研究，但样本量相对较少，有限的EEG导联数目减弱了本研究的空间定位效果，今后拟联合EEG和功能磁共振进一步研究失神癫痫的发生机制。

4 结论

与健康人相比，失神癫痫患者在发作间期，其脑网络连接和网络属性均存在显著差异，主要表现在beta2频段聚类系数、全局效率、局部效率均降低，路径长度增加。失神癫痫患者在发作间期，发作前及发作后均存在脑网络的动态改变，其脑网络属性也存在动态改变。图论分析可能在今后用于识别失神癫痫及预测失神发作。