论文题目：

Disrupted relationship between intrinsic neural timescales and alpha peak frequency during unconscious states – A high-density EEG study

中文翻译：无意识状态下内在神经时间尺度与α峰值频率之间的中断关系——一项高密度脑电图研究

期刊：NeuroImage  影响因子：8.011（5）

发表时间：2022年12月

发表网址：https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119802

摘要

大脑在处理在不同时间尺度中的环境输入随机性中发挥着重要作用。此时间输入处理机制是意识的关键吗？为了解决这一研究问题，我们计算了静息状态高密度EEG（256通道）记录的较短（α峰值频率，APF）和较长（自相关窗口，ACW）时间尺度上的输入处理度量，并在不同意识水平（清醒/清醒、氯胺酮和七氟烷麻醉、无反应清醒、最低意识状态）上进行了比较。我们复制并扩展了先前的发现：（i）在所有无意识状态下，ACW-0（众所周知的ACW-50的前所未有的更长版本）测量的ACW值明显更长；（ii）在所有四种无意识状态下，通过频率滑动测量，APF值显著降低。最重要的是，我们报告了ACW-0和APF在意识状态下的高度显著相关性，而它们的关系在无意识状态下被破坏。总之，我们证明了大脑在更短（APF）和更长（ACW）时间尺度上的输入处理能力（包括它们之间的关系）与意识的相关性。尽管间接地，例如，通过对静止时的电生理活动的分析，这支持了通过关联不同的神经时间尺度（作为意识的一个关键诱发因素），将时间-空间对准环境的时间输入随机性的机制。

实验被试：

1.麻醉数据集

氯胺酮–麻醉前，在清醒状态下（闭眼）采集10名接受普通手术的右手受试者（年龄32.90±9.48岁，4名女性）的5分钟静息状态脑电图记录。使用高密度脑电图测量系统（Ges300，EGI）和256通道电极帽（HydroCel 130）（遵循10-20个国际系统）收集数据。

随后，同样的10名受试者接受1 mg/kg氯胺酮输注，在10 ml 0.9%生理盐水中稀释2分钟，直到他们达到OAA/S（观察者警觉/镇静评估）评分1。气管插管时，使用超短效阿片类瑞芬太尼（1μg/kg）和神经肌肉松弛剂罗库溴铵（0.6 mg/kg）。确认麻醉诱导后，再次输注稀释的氯胺酮20分钟（1mg/kg/h）。从失去意识后15分钟开始，再次采集静息状态EEG信号5分钟。为受试者提供耳塞，以避免环境噪声的干扰。对于这两种情况，以1000Hz的采样率采集EEG，电极阻抗保持在5KΩ以下。所有通道均在线参考Cz。

七氟烷——对于七氟烷数据集，对10名不同的被试者（年龄=41.4±13.10岁，2名女性）采用与前一节氯胺酮小节中描述的方案类似的方案，并使用前一节中描述的相同设备记录他们的脑电图信号。8%七氟烷最初在6L/min 100%氧气中给药，直到受试者的OAA/S评分达到1；然后，给药瑞芬太尼（1μg/kg）和罗库溴铵（0.6mg/kg）用于气管插管。在该诱导步骤之后，七氟烷的末潮浓度保持在1.3 MAC（2.6%）。

对于两种麻醉剂，在整个实验期间监测心电图、无创血压和脉搏血氧饱和度。

2.意识障碍数据集

81名患有DOC的患者（39名UWS和42名MCS；平均年龄=46.65±15.89岁；性别比=2.24；病因：中风=43；缺氧=7；创伤性脑损伤=31）使用256通道脑电图测量系统（GES 300，EGI）进行了至少5分钟的静息状态hd-EEG记录。脑电图记录是在床边进行的：在记录之前，检查人员进行了标准的系统程序，如唤醒促进协议，以诱导清醒。为了避免唤醒水平改变对自发大脑活动的人为影响，在记录前的24小时内未使用镇静药（主要是咪达唑仑）。执行EEG实验的实验者/医生检查并减少任何电子噪声源；此外，为了减少环境噪音，患者还戴了一副隔音耳罩。入院时使用格拉斯哥昏迷评分（GCS）评估意识障碍的严重程度，训练有素的临床医生通过使用JFK昏迷恢复评分-修订版（CRS-R）进行反复行为评估来进行鉴别诊断。通过CRS-R，临床医生评估了6个分级项目（测试听觉、视觉、运动、口腔运动、沟通和唤醒功能），得出的分数范围为0至23：这些项目中至少一项显示的行为反应性系统证据足以将患者纳入MCS类别。20名健康被试者（年龄37.15±11.29岁）的对照样本也进行了5分钟静息状态高清脑电图记录。使用上述256通道脑电图测量系统（GES 300，EGI）用于记录健康被试的脑电图信号。被试被要求躺在床上，尽量睁大眼睛，以模拟DOC患者的脑电图记录。EEG数据在线参考Cz并以1000Hz的采样率采集，同时所有电极的阻抗保持在20KΩ以下。

表1. 本研究中使用的无意识状态脑电图数据集的汇总统计。

数据预处理

使用MATLAB软件和EEGLAB工具箱进行预处理和数据分析，包括统计分析。

对于麻醉和UWS/MCS数据集，我们进行了相同的预处理程序。首先，将数据重新采样到250Hz。然后，使用0.5至40Hz（汉明窗）的带通有限脉冲响应（FIR）滤波器应用于EEG通道数据。通过半自动程序识别了噪声通道，并将其排除在进一步分析之外。排斥程序的标准如下：移除了平通道（超过5秒没有活动的通道）、相关通道（相关阈值为0.8）、低频漂移、噪声通道和与神经活动无关的短时突发（相对于基线的数据部分的阈值为sd=5）。接下来，使用球形方法对坏通道进行插值，并重新参考公共平均参考。

通过独立成分分析（ICA）识别成分来处理伪影，例如与眼球运动、肌肉噪声和来自心脏活动的干扰相关的伪影。

结果

氯胺酮和七氟醚麻醉期间ACW-0延长

这些发现表明，麻醉状态延长了平均内在神经时间尺度。尽管ACW-0在清醒状态下表现出较大的受试者间差异，但氯胺酮不再如此，受试者在ACW-0中表现出更相似的分布。总之，我们的研究结果表明，在药物诱导的无意识状态下，INT普遍延长，氯胺酮中ACW-0的个体间差异较小。

麻醉状态下α峰值频率降低

我们接下来研究了清醒和麻醉状态下的α峰值频率（APF），即频率滑动。

无反应觉醒（UWS）和最小意识状态（MCS）中自相关窗和α峰值频率的关系

ACW-0和瞬时α频率之间的关系的丧失是否是麻醉特有的，或者在其他意识状态改变时（如UWS和MCS）也能观察到其中断？为了证明我们的结果始终与意识丧失的一般特征相关（而不是反映与药物相关的影响），我们将之前描述的相同管道应用于81名DoC受试者的EEG数据集，包括UWS和MCS。

更多数据结果，请参考原文文献。

结论

大脑允许我们在不同的时间尺度上处理环境输入，包括它们的时间随机性。总之，研究结果显示了在清醒的完全清醒状态下，在更短（APF）和更长（ACW）时间尺度上运行的两种输入处理度量是如何相互关联的。相反，当我们失去意识时（如在麻醉和UWS/MCS中），它们之间的关系偏离了健康清醒状态下显示的负相关：我们认为这可能是由于ACW异常延长和APF减慢所致，我们已经表明这是无意识状态的特征，但需要未来的研究来澄清这种偏离的含义。这些发现进一步支持了大脑在意识的不同时间尺度上的输入处理能力的关键作用。这很好地符合时间-空间对齐的假设，即我们处理和连接外部环境输入的能力，这是《时间-空间意识理论》（TTC）中假设的意识的四个关键机制之一。未来的研究将ACW和APF与特定的心理任务和现象学报告相结合，以证实颞空间对齐的神经现象学意义。

参考文献：

Andrea Buccellato, Di Zang, Federico Zilio, Javier Gomez-Pilar, Zhe Wang, Zengxin Qi, Ruizhe Zheng, Zeyu Xu, Xuehai Wu, Patrizia Bisiacchi, Alessandra Del Felice, Ying Mao, Georg Northoff, Disrupted relationship between intrinsic neural timescales and alpha peak frequency during unconscious states – A high-density EEG study, NeuroImage, Volume 265, 2023, 119802, ISSN 1053-8119, https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119802.

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