彭金輝，王文麗，敖麗娟

脊髓損傷后脊髓局部神經(jīng)細(xì)胞死亡，可引起軀體功能及精神心理障礙，整體健康水平下降，住院率增加，目前缺乏針對脊髓損傷的有效治療方法[1]。脊髓損傷后腦皮質(zhì)可立即發(fā)生功能結(jié)構(gòu)重組，但皮質(zhì)重組個體差異大，程度不一[2]，影響因素包括年齡、損傷原因、損傷時間、損傷程度、行為活動、治療、睡眠、藥物等。此外，是否合并大腦損傷及腦部損傷程度所引起的腦功能重塑亦不同[3-6]。腦電圖（electroencephalography，EEG）是一項(xiàng)監(jiān)測腦功能的快捷、廉價、非侵入性醫(yī)療技術(shù)，可觀察腦皮質(zhì)功能重組，展現(xiàn)腦電活動、功能網(wǎng)絡(luò)連接，時間分辨率達(dá)毫秒級別[5,7]，目前主要用于臨床診斷腦部疾病、腦-機(jī)接口技術(shù)及腦功能研究[7-9]。根據(jù)頻率大小，可將EEG 分為δ波（0.5～4 Hz）、θ波（4～8 Hz）、α波（8～13 Hz）、β波（13～30 Hz）及γ波（＞30 Hz）[10]。其中，α波是EEG的重要成分，它和注意力、認(rèn)知、運(yùn)動意圖、睜眼及閉眼、神經(jīng)遞質(zhì)等相關(guān)[11-13]，對外界刺激及身體狀態(tài)的改變敏感[11,14]，學(xué)習(xí)研究α波對神經(jīng)科學(xué)具有重大價值。本綜述旨在討論脊髓損傷后靜息態(tài)腦電α波的改變及其影響因素，以及闡述近年來關(guān)于α波在腦-機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用。

1 靜息態(tài)腦電α波

1929 年，德國Hans Berger 發(fā)現(xiàn)人在覺醒閉眼時，枕葉出現(xiàn)頻率為8～12 Hz 的α波，睜眼時減少或完全消失，由此推斷α波和枕葉視覺皮質(zhì)活動負(fù)相關(guān)[9]。后來，Pfurtscheller 等[15]也發(fā)現(xiàn)在皮質(zhì)活動減少的腦區(qū)，即“休閑”狀態(tài)的腦區(qū)，α波活動明顯。直至今日，學(xué)者們?nèi)哉J(rèn)為大腦在“休閑”時α波明顯，α波是大腦基線狀態(tài)的代表[16]。

經(jīng)典學(xué)說認(rèn)為腦電α波的產(chǎn)生取決于丘腦-皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞膜的離子通道、網(wǎng)狀核神經(jīng)元和丘腦-皮質(zhì)神經(jīng)元間突觸的相互作用，當(dāng)丘腦-皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞膜電位稍去極化時，細(xì)胞產(chǎn)生10 Hz 的振蕩（α波），去極化進(jìn)一步進(jìn)展時則產(chǎn)生6 Hz 的振蕩。此外，α波還受中樞膽堿能系統(tǒng)及起源于藍(lán)斑和中縫核的單胺能投射系統(tǒng)的影響。腦干-丘腦膽堿能投射系統(tǒng)的乙酰膽堿增加，或位于丘腦和基底節(jié)前的Meynert 基底核（腦皮質(zhì)乙酰膽堿的主要來源）與視覺皮質(zhì)功能連接增強(qiáng)時，靜息態(tài)睜眼α波去同步化明顯，α波活動減少[13,17]。

不同于經(jīng)典學(xué)說，Silva等[18]在研究狗自發(fā)腦電α波的活動時發(fā)現(xiàn)，丘腦和皮質(zhì)在產(chǎn)生α波時的作用相互獨(dú)立，因?yàn)槠べ|(zhì)-皮質(zhì)的相關(guān)性比丘腦-皮質(zhì)的相關(guān)性高。Basar[14]則認(rèn)為，α波可在多個腦區(qū)產(chǎn)生，如腦干、丘腦、邊緣系統(tǒng)、運(yùn)動和感覺相關(guān)的腦區(qū)，這些腦區(qū)參與感覺、認(rèn)知等信號的處理過程，形成α波網(wǎng)絡(luò)，α波網(wǎng)絡(luò)在腦功能中有舉足輕重的作用。

近年來，還有不少學(xué)者提出α波和默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（default mode network，DMN）相關(guān)。DMN指靜息態(tài)下不同腦區(qū)同步低頻信號形成的網(wǎng)絡(luò)，解剖結(jié)構(gòu)包括內(nèi)側(cè)前額葉、前扣帶回、后扣帶回皮質(zhì)、楔葉/楔前葉、顳頂連接處/角回，也有學(xué)者將海馬、海馬旁回及額極皮質(zhì)包含在內(nèi)。類似于α波，DMN在靜息態(tài)時活動增加，在任務(wù)態(tài)時活動減少[19]。Rusiniak 等[20]結(jié)合 EEG 和 fMRI 研究健康成年男性在靜息態(tài)睜眼、閉眼時DMN 和α波的相關(guān)性，顯示后扣帶回及楔前葉、內(nèi)側(cè)前額葉的α波和DMN密切相關(guān)。此外，Bonnard 等[21]用經(jīng)顱磁刺激刺激DMN的內(nèi)側(cè)前額葉時，誘發(fā)了枕區(qū)α波活動，表明DMN和α波產(chǎn)生相關(guān)。目前關(guān)于DMN和α波關(guān)系的研究較少。

2 脊髓損傷后的靜息態(tài)腦電α波

脊髓損傷后的腦皮質(zhì)功能結(jié)構(gòu)重組[22]、循環(huán)功能改變[23]、下丘腦-垂體軸功能障礙[24]等均可引起α波改變，通過α波可幫助判斷脊髓損傷病情，為治療效果及預(yù)后提供客觀依據(jù)[25]。

脊髓損傷后全腦靜息態(tài)α波波幅及頻率減小。Tran和Boord等[25,26]對8例四肢癱、12例截癱患者的研究提示，α波在后腦區(qū)及中央?yún)^(qū)的活動明顯減少。Herbert等[4]關(guān)于慢性完全性截癱男性的閉眼靜息態(tài)α波研究顯示，除了中央?yún)^(qū)及后腦區(qū)α波幅度顯著下降，額區(qū)及右側(cè)大腦α波也明顯降低，中央?yún)^(qū)是軀體感覺、運(yùn)動控制中心，脊髓損傷后神經(jīng)傳入及傳出受阻，該區(qū)域α波活動減小表示相關(guān)腦區(qū)皮質(zhì)功能重組、神經(jīng)活動增加，腦皮質(zhì)發(fā)生功能代償，但作者并未對額區(qū)及右側(cè)大腦α波波幅降低的原因和機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的解釋。因α波受年齡、性別、脊髓損傷程度及節(jié)段等影響，研究對象不同或是導(dǎo)致結(jié)論不完全一致的原因[9,25]。此外，上述研究均未提及受試者是否合并疼痛，因?yàn)?0%脊髓損傷患者會發(fā)生疼痛[27]，長時間的疼痛可使皮質(zhì)功能結(jié)構(gòu)及α波改變[28]，且疼痛程度不同，其α波亦不同[29]。還有，輪椅使用與否也影響α波。Sato等[30]的研究表明，脊髓損傷患者使用輪椅15 min后，其中央?yún)^(qū)α波頻率增高。

不同節(jié)段脊髓損傷的靜息態(tài)α波不同。四肢癱患者的α波波幅及頻率均低于健康人群，后腦區(qū)、中央?yún)^(qū)及顳區(qū)變化顯著。四肢癱和截癱患者的α波對比，前者幅度、峰值波幅均較后者低，但文中未提及相應(yīng)的P值及效應(yīng)值大小。四肢癱與截癱患者α波的不同可能是感覺輸入、運(yùn)動輸出差異所致[25,26]。

此外，α波的波幅與中樞神經(jīng)電活動同步性、血流、呼吸、代謝及神經(jīng)介質(zhì)等因素相關(guān)。神經(jīng)電活動去同步化時波幅下降，大腦血流減少使波幅增加[9]。脊髓損傷可引起大腦后循環(huán)[31]、呼吸循環(huán)[23,32]、代謝[33]等改變，但相關(guān)并發(fā)癥及繼發(fā)癥引起的α波改變還需進(jìn)一步探討。

3 脊髓損傷后靜息態(tài)閉眼、睜眼腦電α波

從被發(fā)現(xiàn)時起，不少研究均證實(shí)α波在睜眼時活動減少、同步化減弱，而在閉眼靜息態(tài)時活動明顯增加且同步化顯著[34]。睜眼、閉眼間α波的差異可作為疾病的評估工具，如Miraglia等[35]的研究顯示，健康老人閉眼向睜眼轉(zhuǎn)變時α波反應(yīng)明顯，輕度認(rèn)知障礙者α波反應(yīng)小，而阿爾茨海默癥患者閉眼轉(zhuǎn)變?yōu)楸犙蹠rα波的反應(yīng)明顯減小，提示輕度認(rèn)知障礙和阿爾茨海默癥的關(guān)系。

脊髓損傷患者靜息態(tài)下從閉眼向睜眼轉(zhuǎn)變時，其腦電α波反應(yīng)減小、頻率降低，且全腦α波峰值頻率均降低，枕葉O2 顯著（P=0.05）。此外，功率譜密度的反應(yīng)也降低[36]。還有，Vuckovic 等[28]發(fā)現(xiàn)，脊髓損傷后，從閉眼轉(zhuǎn)變?yōu)楸犙蹱顟B(tài)時，α波的功率反應(yīng)降低、頻率降低，而且這在將來會發(fā)生疼痛的患者中更顯著，比如，健康人群睜眼、閉眼時的α波頻率分別為（10.4±1.0）Hz 和（10.0±0.6）Hz，脊髓損傷患者的α波頻率分別是（9.6±1.1）Hz 和（9.2±1.0）Hz，而將來發(fā)生疼痛的脊髓損傷患者睜眼、閉眼的α波頻率分別是（9.3±1.4）Hz 和（8.6±1.0）Hz。這些改變可能是因?yàn)榧顾钃p傷后大腦皮質(zhì)功能結(jié)構(gòu)改變，丘腦神經(jīng)元超極化、鈣通道峰電位降低，振蕩活動受影響，引起丘腦皮質(zhì)節(jié)律異常，疼痛時又進(jìn)一步影響丘腦神經(jīng)元活動，此解釋與靜息態(tài)腦電α波產(chǎn)生的經(jīng)典學(xué)說[17]相符。此外，Claudio Del Percio等[37]表示，運(yùn)動員靜息態(tài)睜眼時，其α波功率降低比非運(yùn)動員更明顯，因?yàn)檫\(yùn)動員的“神經(jīng)效率”更高，“神經(jīng)效率”與視覺信息處理相關(guān)。脊髓損傷患者閉眼向睜眼轉(zhuǎn)變時α波反應(yīng)減小，或許和機(jī)體代償性提高“神經(jīng)效率”相關(guān)，但這需進(jìn)一步的研究證實(shí)。

需要說明的是，大腦活動是持續(xù)、非靜止的，短暫的靜息態(tài)EEG也并非保持不變[38]。因此，靜息態(tài)下采集的α波需經(jīng)過去趨勢、區(qū)別變異趨勢等處理，才能更好地用于建模、預(yù)測，以及區(qū)分并利用靜息態(tài)睜眼、閉眼α波的差異[34]。利用靜息態(tài)閉眼、睜眼產(chǎn)生α波的差異可對脊髓損傷后的疼痛進(jìn)行客觀評估及預(yù)測。而且，雖然閉眼、睜眼間α波的反應(yīng)減小，但二者間的差異仍可用于腦-機(jī)接口技術(shù)[34]。

4 睜眼、閉眼腦電α波與腦-機(jī)接口技術(shù)

腦-機(jī)接口是相對新的溝通系統(tǒng)，可將大腦活動信息轉(zhuǎn)化為計算機(jī)或其他電子設(shè)備的命令，從而實(shí)現(xiàn)“意念控制機(jī)器”[39]。1970 年起，美國即開始研究如何將EEG 用于腦-機(jī)接口技術(shù)。1999年，美國凱斯西儲大學(xué)的團(tuán)隊(duì)利用EEG信號成功幫助一位四肢癱瘓患者控制假肢，獲得手運(yùn)動功能[40]。我國天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)[41]在2013年發(fā)表的文章中表明，其研發(fā)的α波腦-機(jī)接口系統(tǒng)，受試者從睜眼到閉眼過程中1 s產(chǎn)生的α波波幅即可控制電動輪椅活動，且成功操作前無需接受特殊培訓(xùn)，可幫助脊髓損傷患者提高活動功能。腦-機(jī)接口技術(shù)是幫助運(yùn)動障礙患者提高運(yùn)動功能、自理能力的最好方法，相關(guān)方面研究日漸升溫[40]。

α波和大腦其他EEG 波或生理信息相比，占有較大優(yōu)勢?；讦敛ǖ哪X-機(jī)接口的優(yōu)點(diǎn)包括：α波頻率穩(wěn)定，只需數(shù)個電極便可提取出有效驅(qū)動信號；α波信噪比高，容易獲取；90%腦功能正常者在短時間閉眼后即可明顯增高α波波幅，不必經(jīng)過反復(fù)長時間的培訓(xùn)便能熟練掌握使用設(shè)備，改善運(yùn)動功能障礙患者運(yùn)動功能[8,42]。

脊髓損傷、運(yùn)動神經(jīng)元性疾病、卒中等患者的運(yùn)動功能障礙，但認(rèn)知良好，腦-機(jī)接口技術(shù)可以提高他們的活動、生活自理能力，如脊髓損傷患者，雖然其靜息態(tài)閉眼、睜眼時α波反應(yīng)不同于健康人群，但仍可將其產(chǎn)生的α波用于腦-機(jī)接口技術(shù)，“意念控制”假肢、機(jī)器手、電動輪椅等，減輕個人、家庭及社會負(fù)擔(dān)[26,34,43]。

5 總結(jié)與展望

腦功能是大腦固有的、持續(xù)的功能，主要包括信息轉(zhuǎn)換加工、預(yù)測環(huán)境需求并做出回應(yīng)。與任務(wù)態(tài)研究相比，大腦靜息態(tài)的研究更能捕捉腦功能本質(zhì)，反應(yīng)大腦能量分布、功能結(jié)構(gòu)等，近年來逐漸成為研究熱點(diǎn)[38]。研究表明，脊髓損傷后靜息態(tài)腦電α波改變，但目前僅用于繼發(fā)性疼痛的預(yù)測及評估[28,30,36,44]。未來關(guān)于脊髓損傷后α波的研究可分兩個方向：第一，結(jié)合脊髓損傷節(jié)段、程度、預(yù)后、并發(fā)癥、治療與腦功能重塑等進(jìn)行研究，了解不同情況下α波的特點(diǎn)并將其用于臨床客觀評估；第二，研究如何將α波與腦-機(jī)接口技術(shù)相結(jié)合，幫助脊髓損傷患者更好地“意念控制”大小便、體位等。目前尚無針對脊髓損傷的有效治療手段，應(yīng)積極結(jié)合觀察型研究及應(yīng)用型研究，探索α波的價值，為脊髓損傷患者提供更全面的功能恢復(fù)。