正确认识脑磁图在癫痫外科中的应用价值

遇涛

脑磁图(magnetoencephalography, MEG)是一种无创性检测工具,可以在颅骨外对大脑中神经元电流产生的微弱磁场进行测量。近年来,MEG的临床应用越来越受到重视,尤其是在癫痫的手术评估中,可以为致痫区定位或颅内电极植入计划提供额外的,有时是独特的信息。本文将对MEG在癫痫外科的术前评估中的作用进行分析和讨论,以推动MEG在癫痫术前评估中的合理应用。

1 MEG定位致痫灶的原理

1.1 MEG的基本原理与源定位的基本概念

神经元电活动包括细胞内的“初级电流”以及其诱导出的细胞外“容积电流”,两种电流共同形成回路。细胞外容积电流增大到一定程度时产生的头皮电位可通过脑电图(electroencephalography, EEG)记录到。初级电流和容积电流同时也产生磁场,当磁场增大到一定程度时,可以通过MEG记录到。事实上,这些磁场非常微小,其磁感应强度只有10-14～10-13T[1]。目前认为MEG测量的神经活动来自皮质灰质的柱状组织。MEG数据代表约一百万个锥体神经元的突触后电位(post-synaptic potential, PSP)总和,PSP电流约为10 μA,沿2 mm的有效皮质深度流动[2]。

在MEG记录期间收集的数据需要使用数学建模进行处理,以确定产生磁场的电流的位置、强度及方向等。对于特定的一次电流,相应头皮电位和外部磁场的计算称为“正问题”;与之相对应,利用记录的MEG或EEG信息建模,推算其源位置,被称为“反问题”。对癫痫患者临床应用MEG的主要目标是解决这个“反问题”。一个简单有效的模型是等效电流偶极子(equivalent current dipole, ECD)模型。ECD模型可表示源位置和电流方向(图1)。单个ECD(single ECD, sECD)是假定ECD来自皮层的单个点进行数据建模,是最常用的,也是验证最充分的一种源建模方式,它是涉及几平方厘米皮层电活动的良好模型,被公认为癫痫术前评估中临床应用的标准方法[3]。通过MEG进行源定位后,与脑薄层MRI影像进行配准,显示解剖位置,称为磁源成像(magnetic source imaging, MSI)。

1.2 MEG与EEG的比较及联合应用

与EEG类似,MEG也是一种对神经功能的直接电生理测量,其以ms为单位记录头皮外的磁场。但与EEG通常只使用20～30个头皮电极不同的是,MEG采集头盔可以有数百个传感器,并且磁场不会因颅骨或其他边界而扭曲,因此这种良好的空间与时间分辨率相结合,可以精确评估癫痫活动的产生和异常传导。

注:A为红色箭头表示癫痫病灶中电流的方向,蓝色线圈表示该电流产生的磁场的方向;B为黄色图形表示磁源成像中的偶极子,圆形表示偶极子的位置,尾端表示偶极子的方向。

对于EEG,早期的体外研究显示6 cm2的脑皮层激活可以产生头皮EEG棘波[4],但后来的研究发现,需要10 cm2或更大的放电皮层才能产生头皮棘波[5]。相比之下,MEG记录所需要激活的皮层面积为3 cm2～4 cm2,提示MEG对发作间期放电具有更高的信噪比和灵敏度[6]。理论上,EEG对脑回表面的垂直方向电流活动敏感;相反,MEG对来自脑沟、岛盖、眶额部及半球间区域产生的切向电流特别敏感[6-9]。因此,MEG为EEG的定位提供了补充信息,也提供了观察癫痫性电活动的不同视角。

在进行癫痫手术评估时,越来越多的研究者建议同时进行MEG和EEG记录作为临床标准,其意义在于:(1)对MEG中记录到的尖波活动进行判别,以免与正常变异的脑电活动混淆;(2)增强对低信噪比MEG波形的检测;(3)进一步提高源定位的可信度;(4)区分EEG中特有的棘波类型[1]。

1.3 偶极子簇

通常将紧密聚集在一起的偶极子称为“偶极子簇”,而将松散分布的偶极子则称为“分散偶极子”。偶极子簇是一种特征性的现象,还需要关注簇的数量及其分布,以及簇内偶极子的密度及其方向的均匀性(图2)。具有单个偶极子簇、密集团簇及偶极子局限于同一脑叶的患者常常具有更好的预后效果。单灶簇更可能与发作区重叠,而多灶簇可能反映广泛的癫痫网络[10-13]。

注:A为分散偶极子;B为岛盖区的单个偶极子簇;C为岛叶-岛盖区的偶极子密集团簇。

2 MEG在致痫灶评估中的作用

MEG在癫痫术前评估中的作用越来越受到重视,可以帮助医生判断是否进行手术、是否需要电极植入及是否需要调整电极植入方案(包括增加额外的电极、移除不必要的电极及调整覆盖感兴趣电极等)等。一项大型的难治性癫痫病例(1 000例连续性入组病例)研究表明,在32%的病例中,MEG为现有的术前方法[包括头皮EEG、单光子发射计算机断层扫描(single photon emission computed tomography, SPECT)及MRI]提供了额外信息,并且完全切除MEG提示的脑区更可能实现无发作[14]。另有研究显示,将MEG结果作为致痫灶的重要定位依据,并将颅内电极充分采样MEG提示的脑区时,患者术后实现无发作的机率显著提高[13]。

2.1 在MRI阴性的局灶性癫痫中的应用

MRI结果阴性的局灶性难治性癫痫患者的外科治疗是一项巨大的挑战,即使应用颅内电极监测,仍然具有较低的手术治愈率。在一项纳入57例患者的前瞻性队列研究中,依据MEG结果改变了32例患者的手术方案,其中6例患者改为直接手术,免除颅内电极记录;5例患者从最初建议的直接手术改为埋置颅内电极;3例曾被视为非手术候选的患者进行了颅内电极的埋置[15]。MEG常常提示需要探测额外的脑区,如脑岛、眶额区及楔前区等。另一项前瞻性的研究也显示,MEG结果导致23%的患者的颅内电极植入方案发生调整[16],33%的患者的手术方案发生改变[17]。这些手术方案的调整,为MRI阴性的局灶性难治性癫痫患者的外科治疗提供了有力支持。

2.2 MEG在颞叶癫痫中的应用

由于颞叶癫痫的定位相对容易,且临床医生对MEG定位深部致痫灶的效果仍有怀疑,因此目前MEG在颞叶癫痫中应用的重视程度不高。根据本中心的研究,在一部分颞叶内侧癫痫患者中,MEG可以准确显示颞叶内侧或颞前部的偶极子,尤其是在海马旁回区域;而一些颞底、颞外侧皮层的簇状棘波偶极子对提示颞叶癫痫,尤其是颞外侧型癫痫具有良好的临床价值。后颞区偶极子的情况较为复杂,可能包括良性的偶极子形态,常位于侧裂周围区域的后颞区,特别是当它们是双侧或具有180度相反方向时,情况则更为复杂[18]。而颞后外侧的单侧性、方向一致的簇状偶极子仍然为临床定位带来强烈提示。

2.3 MEG在额叶癫痫中的应用

额叶是癫痫患者中最常见的MEG棘波偶极子存在部位,在此区域,MEG常显示出比EEG更好的定位效果[19-20]。额叶外侧表面解剖区域广泛,单个、密集而均匀的簇状偶极子对于确认可疑局限的致痫灶非常有帮助,对提高额叶癫痫的手术效果有明确作用。例如眶额叶皮层来源的癫痫是额叶癫痫术前定位中非常困难的一种类型,可能有不同的EEG和临床表现,而且MRI常常容易被认为是阴性。这种情况下,MEG可能是一种有效的定位工具[21]。然而,需要注意的是,检测到位于外侧眶额区的偶极子时,还应该注意鉴别是否存在内侧颞放电传播到眶额皮质的可能性。此外,考虑到额叶MEG结果还可能受到快速传播及内侧面深部源活动等因素的影响,在解释额叶MRI阴性患者的MEG结果时,应始终考虑潜在传播活动及网络连接的影响。

2.4 MEG在岛叶-岛盖区癫痫中的应用

岛叶是一个复杂的结构,包裹在侧裂的深处,由额盖、顶盖及颞盖等结构覆盖。近年来越来越多的证据表明,源自岛叶-岛盖区的癫痫发作并不罕见,但识别困难,可能因此导致一些手术失败[22-23]。如果能够有效地识别岛叶-岛盖致痫灶,大多数患者可能会获得较好的手术结果。头皮EEG对岛叶癫痫的定位相对不敏感,与之相比,MEG对岛叶-岛盖区产生的切向电流特别敏感,为EEG提供了补充信息[24-26](图2 B～C)。

通过MRI检测到的岛叶病变是岛叶癫痫的主要非侵入性证据[27]。但是,许多难治性岛叶癫痫患者的MRI检查难以发现结构异常,在波纹状岛叶皮质中识别出细微的局灶性皮质发育不良(focal cortical dysplasia, FCD)是很困难的。尽管岛叶皮层大体上平行于脑表面,但事实上岛叶皮质包含几个脑回,脑沟内可能产生与头皮成切线位的电流。因此,MEG不仅对盖部的癫痫活动敏感,还可以检测岛叶皮层本身的癫痫活动[26, 28-29]。需要注意的是,位于岛盖前部的MEG偶极子更可能是病理性的,而对局限于后岛盖区的偶极子的解释则需要额外考虑良性MEG变异活动的可能性。

2.5 MEG在后皮层癫痫中的应用

后皮层癫痫的发生率相对较低,而由于其致痫灶定位困难,涉及的功能复杂,其手术治疗始终是一种挑战[30]。关于后皮层癫痫的MEG定位报告也较少,其定位作用有待进一步研究。儿童良性枕叶癫痫是一种常常需要进一步识别的局灶性癫痫综合征[31]。此外,考虑到后外侧裂及枕内侧皮质是良性MEG变异的常见部位,在分析后皮质放电时也需要考虑到该部位[32]。其他检查的特征性定位信息,包括EEG中相应部位的尖波、MRI可疑病灶及PET局灶性低代谢等,均有助于确认这些区域的MEG偶极子的意义,并为致痫灶定位提供新的证据。而阴性结果也可能是由于MEG对内侧和基底部的电活动敏感性较低所致。

3 MEG的进展与展望

尽管MEG在癫痫外科的术前评估中具有明显优势,但目前更广泛的使用仍受到限制,原因包括记录环境特殊、严格限制受试者运动及高维护成本等。国内外应用MEG作为常规术前评估检查的研究中心相对较少。研究者也在不断克服MEG在临床应用中的缺陷,不断优化数据处理、开发新的溯源分析方法及高频信号分析、发展EEG或颅内电极EEG与MEG同步记录等。而最具颠覆性的变革是以新一代使用原子磁强计(也称为光泵磁强计)系统的MEG取代传统的使用超导量子干涉装置(superconducting quantum interference devices, SQUID)传感器的MEG[33]。传统的MEG传感器必须在大型液氦杜瓦瓶中低温冷却,记录只能在磁屏蔽室中进行,患者需要将头部固定在尺寸有限的MEG头盔中,头部相对于传感器的任何运动都有可能影响MEG信号质量,这也限制了其在特殊头型、儿童患者及其他配合度不佳的患者中的应用。新一代的MEG系统不需要液氦,可以在室温下工作,并可通过穿戴式设备长时间进行监测,可更多地记录到发作期信号,这将大大提升MEG在癫痫术前评估中的应用价值,显著降低使用成本。在此基础上,将会创造更先进的硬件和精简的软件,使MEG进一步成为癫痫标准评估与治疗的一部分。