背景：大腦皮層的神經(jīng)生理學(xué)復(fù)雜性已經(jīng)被證明反映了成人意識(shí)水平的變化，但在發(fā)育中的大腦中仍然不完全了解。本研究旨在探討與年齡和麻醉狀態(tài)轉(zhuǎn)變相關(guān)的皮質(zhì)復(fù)雜性變化。本研究驗(yàn)證了以下假設(shè)：皮質(zhì)復(fù)雜性(1)隨著發(fā)育年齡的增加而增加，(2)在全身麻醉時(shí)降低。

方法：這是一項(xiàng)單中心、前瞻性研究，研究對(duì)象為年齡在8-16歲、接受全身麻醉手術(shù)的健康兒童。選擇這個(gè)年齡范圍是因?yàn)樗从沉舜竽X網(wǎng)絡(luò)的成熟。從術(shù)前意識(shí)恢復(fù)時(shí)開始收集全頭皮(16通道)無線腦電圖數(shù)據(jù)。使用Lempel-Ziv算法測量并分析基線、用藥前、全麻維持和臨床恢復(fù)期的皮質(zhì)復(fù)雜性。通過比較原始復(fù)雜度值與保留功率譜但通過相位隨機(jī)化生成的替代時(shí)間序列的復(fù)雜度值，分析了頻譜功率對(duì)Lempel-Ziv復(fù)雜度的影響。

結(jié)果：基線時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度隨年齡增長而增加，當(dāng)將頻譜功率歸一化后，年齡對(duì)皮質(zhì)復(fù)雜性沒有顯著影響。全身麻醉與時(shí)空復(fù)雜性顯著降低相關(guān)，在術(shù)后恢復(fù)期間，時(shí)空復(fù)雜性超過了基線水平。當(dāng)正常化時(shí)，全身麻醉的復(fù)雜性也有類似的降低，但在恢復(fù)過程中，復(fù)雜性仍然顯著降低。

結(jié)論：皮質(zhì)復(fù)雜性隨年齡增長而增加，全身麻醉時(shí)降低。當(dāng)控制麻醉引起的意識(shí)擾動(dòng)時(shí)的頻譜變化時(shí)，這種關(guān)聯(lián)仍然顯著，但與發(fā)育年齡無關(guān)。本文發(fā)表在Anesthesiology雜志。

1.介紹

腦是全身麻醉藥的主要靶器官，但手術(shù)期間的神經(jīng)生理監(jiān)測仍無標(biāo)準(zhǔn)。缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測策略可能反映了對(duì)意識(shí)的精確神經(jīng)關(guān)聯(lián)的不完全理解。在兒童群體中，識(shí)別意識(shí)背后的神經(jīng)生物學(xué)過程尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榇竽X在發(fā)育過程中經(jīng)歷了相當(dāng)大的結(jié)構(gòu)和功能變化，導(dǎo)致大量大腦網(wǎng)絡(luò)的形成和完善。因此，皮層的振蕩模式和頻譜特性會(huì)隨著年齡和全身麻醉而發(fā)生很大的變化。此外，網(wǎng)絡(luò)中樞(促進(jìn)信息傳遞的高度連接的大腦區(qū)域)經(jīng)歷了顯著的發(fā)育成熟，在全身麻醉時(shí)非常容易受到功能破壞。兒童手術(shù)期間腦監(jiān)測的候選策略需要考慮隨年齡增長而發(fā)生的神經(jīng)發(fā)育變化。其中一種方法是測量皮質(zhì)的神經(jīng)生理復(fù)雜性，以下簡稱皮質(zhì)復(fù)雜性。皮層復(fù)雜性可以被廣泛地認(rèn)為是代表神經(jīng)活動(dòng)的差異或多樣性，并可以使用數(shù)學(xué)算法進(jìn)行分析。Lempel-Ziv算法就是這樣一種評(píng)估神經(jīng)信號(hào)復(fù)雜度的方法。它是一種符號(hào)序列分析方法，用于測量數(shù)據(jù)序列的“可壓縮性”或可變性。在成年人中，先前的研究已經(jīng)證明了不同麻醉藥物類別中，Lempel-Ziv復(fù)雜性的變化與意識(shí)水平的變化之間的相關(guān)性。然而，在需要手術(shù)和麻醉的兒童人群中，皮質(zhì)復(fù)雜性還沒有得到嚴(yán)格的研究。因此，分析Lempel-Ziv復(fù)雜性可以作為一種候選策略，用于識(shí)別不同年齡的神經(jīng)發(fā)育和意識(shí)狀態(tài)麻醉介導(dǎo)的擾動(dòng)期間皮質(zhì)信號(hào)復(fù)雜性的變化。這項(xiàng)實(shí)證和理論研究的目的是確定皮質(zhì)復(fù)雜性隨年齡和全麻期間的變化。具體來說，本研究驗(yàn)證了皮質(zhì)復(fù)雜性會(huì)隨著發(fā)育年齡的增加而增加，在全身麻醉時(shí)則會(huì)降低的假設(shè)。我們研究了8-16歲的兒童群體，因?yàn)檫@個(gè)年齡范圍反映了大腦網(wǎng)絡(luò)的顯著成熟時(shí)期。此外，這個(gè)年齡的兒童更有可能參與麻醉前基線意識(shí)評(píng)估。

2.EEG數(shù)據(jù)采集和處理

采用無線腦電圖系統(tǒng)記錄16個(gè)Ag/AgCl頭皮電極的腦電圖，采用國際10-20系統(tǒng)。用于數(shù)據(jù)分析的腦電圖分段如圖1所示。術(shù)前閉眼靜息狀態(tài)記錄基線(n=50)腦電圖數(shù)據(jù)(范圍3.27-5.97min)。所有受試者用藥前腦電圖數(shù)據(jù)均提取于2分鐘片段，記錄于全身麻醉誘導(dǎo)前5min內(nèi)，并盡可能接近于誘導(dǎo)前。如果是預(yù)先給藥，所選擇的分段至少在靜脈給藥后2min(n=18)或口服給藥后20min(n=3)。記錄全麻維持期間和手術(shù)切口至停止麻醉維持劑之間的大約中間時(shí)間的腦電圖數(shù)據(jù)(5min)。

圖1研究范式。紫色方塊表示提取用于分析的腦電圖數(shù)據(jù)的分段。對(duì)于每個(gè)分段，腦電圖信號(hào)都進(jìn)行預(yù)處理。首先，通過視覺檢測剔除不良信道和偽影明顯的噪聲時(shí)段。其次，在Chronux分析工具箱中使用10秒窗口(步長為5秒)的局部線性回歸方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行去趨勢化，在EEGLAB工具箱中使用eegfiltnew函數(shù)進(jìn)行50 Hz低通濾波。第三，利用EEGLAB工具箱中的擴(kuò)展infomax算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立分量分析。通過對(duì)時(shí)域波形、功率譜和空間頭皮地形圖的目視檢查，識(shí)別并去除代表心臟、眼睛、肌肉或其他瞬態(tài)偽影的獨(dú)立成分。

3.復(fù)雜度分析

我們使用Lempel-Ziv算法來確定不同狀態(tài)下皮層動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性。Lempel-Ziv復(fù)雜性是一種符號(hào)序列分析方法，作為大腦活動(dòng)的時(shí)間和時(shí)空復(fù)雜性的替代度量。在本研究中，我們?cè)u(píng)估了多個(gè)通道的時(shí)空復(fù)雜性和單個(gè)通道的時(shí)間復(fù)雜性。

時(shí)空復(fù)雜度的測量方法如前所述。具體來說，應(yīng)用希爾伯特變換估計(jì)瞬時(shí)振幅，然后將其分割為4s窗口，重疊50%。然后使用平均值作為每個(gè)通道的閾值將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制值。然后將數(shù)據(jù)窗口轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制矩陣，其中行表示通道，列表示時(shí)間點(diǎn)。矩陣的復(fù)雜度采用時(shí)空Lempel-Ziv算法進(jìn)行評(píng)估，該算法反映了不同時(shí)空模式的數(shù)量。當(dāng)矩陣為隨機(jī)時(shí)，時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度趨于較高；如果通道的行為相似(或相同)，Lempel-Ziv復(fù)雜度低。由于在完全隨機(jī)的情況下，固定長度序列的Lempel-Ziv復(fù)雜度值最大，我們將原始時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度均值歸一化，該均值來自n=50個(gè)的替代數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過隨機(jī)變換每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的原始空間順序生成；因此，合成的時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度值范圍為0到1。為了測試Lempel-Ziv復(fù)雜度是否由頻譜變化所解釋，我們將時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度通過相位隨機(jī)化生成的替代時(shí)間序列(n=50)的平均值歸一化，該替代時(shí)間序列保留了每個(gè)通道的信號(hào)的頻譜輪廓。如果復(fù)雜性變化完全是由于頻譜變化，則各階段的Lempel-Ziv復(fù)雜度值的差異將完全保留在替代數(shù)據(jù)的Lempel-Ziv復(fù)雜度值中;因此，歸一化的時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度將接近于1，并且在各階段之間是相等的。如果復(fù)雜度的變化不是由頻譜變化引起的，則替代數(shù)據(jù)的Lempel-Ziv復(fù)雜度值的變化與時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度值的變化是不同的，而歸一化的時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度將反映頻譜變化之外的信號(hào)多樣性。最后，在所有可用窗口上平均時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度和歸一化時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度值，作為每個(gè)狀態(tài)和參與者的最終估計(jì)。

為了測量單個(gè)通道的時(shí)間復(fù)雜度，分析了每個(gè)通道中不同時(shí)間模式的數(shù)量。然后，這些數(shù)據(jù)被n=50個(gè)替代數(shù)據(jù)的平均值歸一化，這些替代數(shù)據(jù)是由隨機(jī)變換每個(gè)通道的時(shí)間順序產(chǎn)生的，以獲得時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度。我們進(jìn)一步通過將時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度與通過相位隨機(jī)產(chǎn)生的n=50個(gè)替代時(shí)間序列的平均值進(jìn)行比較，來檢驗(yàn)不同狀態(tài)的Lempel-Ziv復(fù)雜度的差異是否由于頻譜變化造成的。時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度和標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度值在所有窗口中平均，作為每個(gè)通道、狀態(tài)和參與者的最終估計(jì)。

4.?人腦網(wǎng)絡(luò)的成熟模擬

為了評(píng)估腦網(wǎng)絡(luò)成熟度和復(fù)雜性之間的一般關(guān)系，我們使用耦合的Stuart-Landau模型模擬了一個(gè)大規(guī)模的功能性腦網(wǎng)絡(luò)，該模型實(shí)現(xiàn)在一個(gè)由人類擴(kuò)散張量成像獲得的神經(jīng)解剖學(xué)信息支架上。比較模擬腦網(wǎng)絡(luò)模型中振蕩的復(fù)雜性值，以評(píng)估網(wǎng)絡(luò)樞紐結(jié)構(gòu)發(fā)育變化的影響。我們選擇Stuart-Landau模型是因?yàn)樗梢詮?fù)制不同類型的大腦信號(hào)的振蕩動(dòng)力學(xué)。耦合的Stuart-Landau模型定義如下：

這里，復(fù)變量zj(t)確定節(jié)點(diǎn)(腦區(qū))j在時(shí)刻t的狀態(tài)，j=1,2,...,N。通過組平均擴(kuò)散張量成像獲得解剖結(jié)構(gòu)A,n=82個(gè)節(jié)點(diǎn)。Ajk由大腦區(qū)域j和k之間的連接權(quán)值決定。在前人研究的基礎(chǔ)上，我們通過調(diào)節(jié)Ajk來模擬大腦網(wǎng)絡(luò)的成熟，研究表明中樞結(jié)構(gòu)與發(fā)育年齡相關(guān)。因此，我們額外使用了弱(連接強(qiáng)度比10個(gè)最強(qiáng)的樞紐低十分之一)和強(qiáng)(連接強(qiáng)度比10個(gè)最強(qiáng)的樞紐大五倍)樞紐結(jié)構(gòu)來模擬大腦網(wǎng)絡(luò)成熟的影響。使用三種不同的腦解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下腦網(wǎng)絡(luò)模型仿真。λj>0時(shí)，振蕩器的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定在一個(gè)極限環(huán)上；λj<0時(shí)，振蕩器的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定在一個(gè)穩(wěn)定焦點(diǎn)上。我們調(diào)制λ=λj從-3到3，δλ=0.2。ωj是每個(gè)振蕩器j的初始角固有頻率。為了簡化模型，我們采用平均頻率為10Hz、標(biāo)準(zhǔn)差為0.3Hz的高斯分布來模擬閉眼靜息狀態(tài)下窄頻帶的人類腦電圖活動(dòng)。我們?cè)?到0.5區(qū)間控制振蕩j和K之間的耦合項(xiàng)Kjk=K，δK=0.01，決定大腦各區(qū)域之間的整體連接強(qiáng)度。為了使模型更加真實(shí)，我們引入了腦區(qū)之間的時(shí)間延遲τjk=Djk/s，腦區(qū)軸突的平均速度s=7ms，腦區(qū)之間的距離Djk。在時(shí)間延遲τjk后，大腦區(qū)域j接收連接區(qū)域k的輸入。當(dāng)時(shí)滯小于振蕩周期的四分之一時(shí)，模型結(jié)果沒有本質(zhì)上的不同。我們用1000離散步驟的Stratonovich-Heun方法數(shù)值求解Stuart-Landau模型的微分方程。產(chǎn)生的信號(hào)的前10秒被丟棄，后50秒被用來分析每個(gè)仿真。在一個(gè)模擬中，每個(gè)腦區(qū)在每個(gè)分岔參數(shù)λ和耦合強(qiáng)度K處產(chǎn)生自己的自發(fā)振蕩動(dòng)力學(xué)。以不同的頻率配置重復(fù)仿真50次，以獲得統(tǒng)計(jì)魯棒性。在模擬的不同分岔參數(shù)λ和耦合強(qiáng)度K下的腦信號(hào)中，我們選擇了能夠代表意識(shí)狀態(tài)的特定參數(shù)集下的腦狀態(tài)。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中全局同步水平的變化，稱為配對(duì)相關(guān)函數(shù)（pair correlation function），選取在一定耦合強(qiáng)度K下具有最大配對(duì)相關(guān)函數(shù)的狀態(tài)作為各分岔參數(shù)λ的意識(shí)狀態(tài)。

這里如果所有相位都相等則r(t)=1，但如果所有相位都是隨機(jī)分布的則r(t)接近0。在配對(duì)相關(guān)函數(shù)最大的狀態(tài)下誘導(dǎo)對(duì)整個(gè)腦網(wǎng)絡(luò)的整體脈沖刺激，從刺激反應(yīng)的復(fù)雜性來觀察。與刺激項(xiàng)u(t)耦合的Stuart-Landau模型如下:

這里p是T=t2-t1時(shí)期刺激的強(qiáng)度。我們?cè)O(shè)定p=30，刺激持續(xù)時(shí)間T=100ms。在一次迭代中，我們?cè)?0個(gè)不同的隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)誘導(dǎo)刺激。每個(gè)刺激被單獨(dú)應(yīng)用于一個(gè)頻率配置內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)。通過比較刺激前后的瞬時(shí)振幅值計(jì)算顯著性響應(yīng)。在每次迭代中，對(duì)刺激后的每個(gè)節(jié)點(diǎn)j的I(t)采用節(jié)點(diǎn)j基線幅值的均值和SD歸一化。基線值的獲得總共使用100秒，包括10個(gè)試次，每次迭代的刺激前為10秒。計(jì)算了具有低、中、高中心結(jié)構(gòu)連接的腦網(wǎng)絡(luò)模型的Lempel-Ziv復(fù)雜度。

5.結(jié)果頻譜分析

圖2顯示了頻譜性質(zhì)的年齡相關(guān)變化。前額和頂葉區(qū)域的基線歸一化γ功率和頂葉區(qū)域的β值與年齡相關(guān)，而基線θ值與年齡負(fù)相關(guān)。總功率隨著年齡的增長而下降，在8歲時(shí)達(dá)到峰值，隨后在基線、維持和恢復(fù)階段出現(xiàn)下降。隨著年齡的增加，總功率在不同區(qū)域和頻段也有下降的趨勢。在維持期間，頂區(qū)的歸一化θ波功率呈負(fù)相關(guān)。

圖2歸一化頻譜性質(zhì)的年齡相關(guān)變化。(A)在基線、維持期和恢復(fù)期，前額(頂部)和頂葉(底部)腦區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化腦電圖功率隨年齡變化的組水平譜。(B)在基線、維持期和恢復(fù)期的每個(gè)頻帶中，年齡與額葉和頂葉腦區(qū)正常腦電圖功率之間的Spearman相關(guān)性。

頻譜性質(zhì)的組水平變化如圖3所示。總的來說，在全麻期間，δ功率和α均增加，而較高頻帶功率降低。在總功率方面，全身麻醉誘導(dǎo)的總功率增加(γ除外)，大多數(shù)頻率恢復(fù)后回到基線水平。

圖3 歸一化功率的組水平頻譜性質(zhì)。

(A)額葉(頂部)和頂葉(底部)區(qū)域的基線、維持和恢復(fù)期的標(biāo)準(zhǔn)化功率作為頻率的函數(shù)。

(B)基線、維持和恢復(fù)期每個(gè)頻帶的歸一化功率的地形表示(注意每個(gè)頻帶的比例尺的差異)。

與年齡相關(guān)的皮質(zhì)復(fù)雜性變化麻醉前意識(shí)基線狀態(tài)與年齡、時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度呈正相關(guān)，也與年齡、平均時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度呈正相關(guān)。同樣，這兩項(xiàng)指標(biāo)都與年齡有顯著的線性關(guān)聯(lián)(圖4A，B)。當(dāng)這些數(shù)據(jù)被歸一化以解釋頻譜效應(yīng)時(shí)，歸一化時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度和歸一化平均時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度沒有相關(guān)性。同樣，線性關(guān)聯(lián)也沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖4C，D)。顳葉Lempel-Ziv復(fù)雜度和歸一化顳葉Lempel-Ziv復(fù)雜度的區(qū)域分析反映了上述全腦平均結(jié)果。當(dāng)我們通過改變窗口分析的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)健性測試時(shí)，結(jié)果在定性上是相似的。

圖4麻醉前基線期間皮質(zhì)復(fù)雜性的年齡相關(guān)變化。(A)時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜性。(B)平均時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度。(C)歸一化時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度。(D)閉眼麻醉前基線期腦電圖數(shù)據(jù)歸一化平均顳葉Lempel-Ziv復(fù)雜度。

腦網(wǎng)絡(luò)成熟對(duì)模擬人腦模型復(fù)雜性的影響

由于我們的研究設(shè)計(jì)假設(shè)但沒有測量參與者隊(duì)列中的大腦網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，我們采用了一種有原則的方法來評(píng)估發(fā)展網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，即：由中樞結(jié)構(gòu)逐漸增加的網(wǎng)絡(luò)定義的復(fù)雜性。在模擬擾動(dòng)之后，復(fù)雜性在計(jì)算大腦模型中被測量，該模型由人類神經(jīng)解剖學(xué)提供，并在弱、中等和強(qiáng)中樞結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行比較。隨著網(wǎng)絡(luò)樞紐結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度的增加，Lempel-Ziv的復(fù)雜性在整個(gè)模擬大腦模型中顯著增加(圖5)。

圖5 Lempel-Ziv模擬大腦模型的復(fù)雜性與網(wǎng)絡(luò)樞紐連接強(qiáng)度的變化

咪達(dá)唑侖預(yù)處理對(duì)腦電圖功率和皮層復(fù)雜性的影響在整個(gè)大腦測量時(shí)，咪達(dá)唑侖藥物治療前與皮質(zhì)復(fù)雜性的變化無關(guān)(圖6A)。然而，無論是時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度還是歸一化時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度在中央?yún)^(qū)和頂葉都發(fā)現(xiàn)了區(qū)域復(fù)雜性的增加。咪達(dá)唑侖藥物治療前與正常腦電圖功率的頻率和區(qū)域特異性變化相關(guān)。在大腦的所有區(qū)域，都出現(xiàn)了θ波的減少和β波的增加，額葉和前額葉α波的減少。

圖6咪達(dá)唑侖預(yù)處理對(duì)皮質(zhì)復(fù)雜性的影響。(A)首次術(shù)中麻醉給藥前腦電圖數(shù)據(jù)的時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度、歸一化時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度、平均顳葉Lempel-Ziv復(fù)雜度和歸一化平均顳葉Lempel-Ziv復(fù)雜度。(B)使用咪達(dá)唑侖和不使用咪達(dá)唑侖時(shí)顳葉Lempel-Ziv復(fù)雜性和歸一化顳葉Lempel-Ziv復(fù)雜性的地形表征。(C)時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度和歸一化時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度的區(qū)域分析。

全身麻醉對(duì)皮質(zhì)復(fù)雜性的影響

在全麻穩(wěn)定維持階段，兩種復(fù)雜性測試的皮質(zhì)復(fù)雜性均較基線值下降，其中時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜性較基線下降最大。在全麻維持期，復(fù)雜性的變化與頻譜功率無關(guān)。在恢復(fù)期間，時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度超過基線值；但在控制頻譜變化后，恢復(fù)過程中歸一化時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度較基線顯著降低。除了恢復(fù)期恢復(fù)到基線水平時(shí)的歸一化平均時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度外，平均時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度分析也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)化顳葉Lempel-Ziv復(fù)雜性結(jié)果的區(qū)域變化與全腦平均數(shù)據(jù)相似。總的來說，當(dāng)我們改變分析窗口持續(xù)時(shí)間時(shí)，這些結(jié)果是一致的。在使用麻醉(n = 11)和不使用麻醉(n = 38)的維持時(shí)期的時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜性的事后分析中，除了麻醉組的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜性更高之外，沒有任何差異。

6.討論

本研究以手術(shù)麻醉兒童為研究對(duì)象，驗(yàn)證了腦電圖皮層復(fù)雜性隨發(fā)育年齡增加而增加，隨全身麻醉而降低的假設(shè)。在基線記錄中，年齡與皮質(zhì)復(fù)雜性呈正相關(guān)，進(jìn)一步的分析表明，這可歸因于頻譜變化。我們通過研究代表發(fā)育的模擬腦網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，通過一種原則性的方法來支持這一經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。該分析表明，隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度的增加，復(fù)雜性也隨之增加。在麻醉狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，我們發(fā)現(xiàn)全麻維持階段的皮質(zhì)復(fù)雜性較閉眼基線降低。此外，意識(shí)恢復(fù)后，歸一化時(shí)空復(fù)雜度與基線相比仍然降低。總的來說，我們發(fā)現(xiàn)年齡和麻醉介導(dǎo)的意識(shí)水平擾動(dòng)與皮質(zhì)復(fù)雜性的變化有關(guān)，年齡相關(guān)的變化可能是頻譜變化導(dǎo)致的，正如我們的模擬結(jié)果所表明的，功能結(jié)構(gòu)的進(jìn)化。皮質(zhì)復(fù)雜性會(huì)隨著年齡的增長而增加的假說是由這一時(shí)期的發(fā)育成熟決定的。結(jié)構(gòu)和功能的改變，如白質(zhì)密度的增加，長程連接，和網(wǎng)絡(luò)連接，可以產(chǎn)生一個(gè)更少的可簡化和更“復(fù)雜”的大腦網(wǎng)絡(luò)。此外，對(duì)兒童和青少年大腦網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的研究表明，網(wǎng)絡(luò)功能的分化、專門化和組織，可能導(dǎo)致神經(jīng)振蕩活動(dòng)的更大多樣性，并使用復(fù)雜性算法進(jìn)行測量。事實(shí)上，之前對(duì)使用Lempel-Ziv復(fù)雜度算法分析的靜息狀態(tài)腦磁圖數(shù)據(jù)的研究表明，兒童和青少年時(shí)期的復(fù)雜性顯著增加，并持續(xù)到整個(gè)生命周期，在60歲達(dá)到頂峰。我們的結(jié)果與此一致，但這種影響可歸因于頻譜特性的變化，而Fernández等人的研究并未對(duì)頻譜特性進(jìn)行控制。考慮到大腦網(wǎng)絡(luò)在這一時(shí)期發(fā)生的變化的幅度，除了頻譜特性之外，在復(fù)雜性方面缺乏年齡效應(yīng)有點(diǎn)令人驚訝，但這可能是由幾個(gè)因素造成的。首先，我們沒有控制發(fā)育異質(zhì)性。還有一種可能是，復(fù)雜性的標(biāo)準(zhǔn)化測量不夠敏感，無法測量發(fā)育差異，但需要明顯更大的擾動(dòng)。即使在控制頻譜變化的情況下，全身麻醉顯著下降的有力發(fā)現(xiàn)也支持這一解釋。還應(yīng)考慮到，盡管8至16歲的兒童發(fā)生了巨大的發(fā)育變化，但仍有可能這個(gè)年齡范圍可能無法捕捉到規(guī)范化復(fù)雜性中可識(shí)別差異所需的結(jié)構(gòu)和功能變化。此外，一個(gè)發(fā)展中的網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)引起頻譜和復(fù)雜性的變化。我們的計(jì)算大腦模型發(fā)現(xiàn)，具有更強(qiáng)中樞結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，這進(jìn)一步支持了經(jīng)驗(yàn)的年齡相關(guān)結(jié)果。此外，我們小組先前的研究表明，異丙酚給藥會(huì)破壞網(wǎng)絡(luò)樞紐結(jié)構(gòu)，這與全身麻醉復(fù)雜性的降低是一致的。使用Lempel-Ziv算法進(jìn)行復(fù)雜性分析，得到了動(dòng)態(tài)結(jié)果。術(shù)前咪達(dá)唑侖給藥增加了中央?yún)^(qū)和頂葉區(qū)復(fù)雜性，而全麻時(shí)復(fù)雜性整體降低。我們組以前的研究表明，亞麻醉氯胺酮給藥的復(fù)雜性與氯胺酮麻醉時(shí)的復(fù)雜性相似。雖然亞麻醉狀態(tài)中復(fù)雜性增加的機(jī)制尚不清楚，但已證明γ-氨基丁酸A型受體激動(dòng)劑，如異丙酚，可以誘導(dǎo)反常興奮。此外，苯二氮卓類藥物已被證明可以增加中央和頂葉區(qū)域的β活性，這與我們觀察到的β活性增加一致。支持的是，一項(xiàng)時(shí)間復(fù)雜度和β功率的事后分析顯示了正相關(guān)，在控制頻譜變化后，在無用藥前組緩解，但在咪達(dá)唑侖組仍然顯著。這表明復(fù)雜性和功率之間存在關(guān)聯(lián)，這可能是咪達(dá)唑侖對(duì)腦電圖的同時(shí)作用。然而，最近一項(xiàng)亞麻醉氧化亞氮的研究表明腦電圖復(fù)雜性降低(香農(nóng)復(fù)雜性)。各種亞麻醉藥物對(duì)兒童皮質(zhì)復(fù)雜性的影響仍是一個(gè)未決的問題。此外，可能會(huì)有特定區(qū)域的變化(圖7B)，但需要進(jìn)一步的調(diào)查，包括高密度記錄，才能完全解決這一問題。

圖7全身麻醉對(duì)皮質(zhì)復(fù)雜性的影響(A)時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度(左上)，平均時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度(左下)，歸一化時(shí)空Lempel-Ziv復(fù)雜度(右上)，標(biāo)準(zhǔn)化平均時(shí)間Lempel-Ziv復(fù)雜度(右下)腦電圖數(shù)據(jù)的基線、維持期和恢復(fù)期。(B)基線、維持和恢復(fù)時(shí)期的時(shí)態(tài)Lempel-Ziv復(fù)雜性和標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)態(tài)Lempel-Ziv復(fù)雜性的地形表征。主要的意識(shí)理論認(rèn)為，空間和時(shí)間信息的多樣性對(duì)意識(shí)處理很重要。全身麻醉期間皮質(zhì)復(fù)雜性的顯著降低，與頻譜變化無關(guān)，這表明復(fù)雜性的測量可能有助于開發(fā)成人和兒童人群的實(shí)時(shí)監(jiān)測模式。值得注意的是，這項(xiàng)研究中的復(fù)雜性測量反映了意識(shí)水平，盡管在大量神經(jīng)發(fā)育期間發(fā)生了與年齡相關(guān)的能量變化。在我們的研究中，所有兒童的時(shí)空復(fù)雜性和平均時(shí)間復(fù)雜性都有所下降;然而，當(dāng)數(shù)據(jù)歸一化后，時(shí)空復(fù)雜性分析組的9名兒童和平均時(shí)間復(fù)雜性分析組的7名兒童在全麻維持期間的復(fù)雜性實(shí)際增加。額外的年齡、麻醉劑量或通道排斥反應(yīng)的事后分析不能解釋這種增加(數(shù)據(jù)未顯示)。最近，我們小組在動(dòng)物模型中人為地將觀察到的意識(shí)水平與包括復(fù)雜性在內(nèi)的各種腦電圖測量方法分離開來。然而，正如本研究所指出的，僅僅因?yàn)闋顟B(tài)相關(guān)和神經(jīng)生理動(dòng)態(tài)變化可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中分離，并不意味著它們?cè)谧园l(fā)的生理、藥理或病理狀態(tài)轉(zhuǎn)變中不相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明，使用標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)雜性分析的單一定量意識(shí)替代可能不足以可靠地確定所有患者的意識(shí)水平，未來的發(fā)展研究也應(yīng)解決組合不同的測量。為了證實(shí)我們的研究結(jié)果與以往研究中顯示的跨發(fā)育的頻譜特征一致，我們分析了該隊(duì)列腦電圖的絕對(duì)功率和歸一化功率。與之前對(duì)學(xué)齡兒童和青少年兒童的研究相似，我們觀察到全身麻醉時(shí)，大多數(shù)大腦區(qū)域的絕對(duì)腦電圖功率隨年齡而下降。此外，當(dāng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，區(qū)域差異與這一時(shí)期發(fā)生的發(fā)展結(jié)構(gòu)和功能變化保持一致。具體來說，有一種向更快的振蕩活動(dòng)的普遍轉(zhuǎn)變。當(dāng)我們分析全麻期間的頻譜數(shù)據(jù)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)絕對(duì)功率增加，δ功率增加，γ功率減少，α活動(dòng)的前向化，這與之前在這個(gè)發(fā)育時(shí)期所顯示的一致。

7.局限性

這項(xiàng)調(diào)查有幾個(gè)局限性。首先，這是一項(xiàng)沒有標(biāo)準(zhǔn)麻醉方案的觀察性研究，雖然這是實(shí)用的，但我們無法詳細(xì)分析單個(gè)麻醉藥物的作用。我們進(jìn)行了事后分析，以調(diào)查一氧化二氮和最小肺泡濃度值對(duì)復(fù)雜性的影響。雖然我們?cè)诮忉屵@些數(shù)據(jù)時(shí)很謹(jǐn)慎，因?yàn)檫@些子樣本較小，但結(jié)果與總體結(jié)果是一致的。此外，患者的特征可能存在，并可歸因于術(shù)前焦慮加劇，也可能影響復(fù)雜性和頻譜特性。此外，性別差異已被證明會(huì)影響發(fā)育過程中皮層的復(fù)雜性，未來更大規(guī)模的研究應(yīng)該解決這一問題。在考慮Lempel-Ziv復(fù)雜性度量時(shí)，有幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn):它是非參數(shù)測量，可用于較短的數(shù)據(jù)段，并可用于非平穩(wěn)數(shù)據(jù)。但是，由于測量需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行二值化，在分析過程中存在信息丟失的可能性，同時(shí)也會(huì)受到腦電圖慢波的影響。此外，這項(xiàng)研究是在手術(shù)期環(huán)境下進(jìn)行的，受低腦電圖(16通道)密度的限制，在某些情況下，腦電圖通道的信息丟失可能會(huì)影響皮質(zhì)復(fù)雜性的評(píng)估。然而，當(dāng)我們重復(fù)我們的分析排除了壞通道的參與者，結(jié)果是相似的(數(shù)據(jù)沒有顯示)。綜上所述，皮質(zhì)復(fù)雜性隨發(fā)育年齡增加而增加，在全身麻醉時(shí)降低。與年齡相關(guān)的皮質(zhì)復(fù)雜性的增加可以由頻譜特性解釋，但根據(jù)建模數(shù)據(jù)，這與成熟的大腦網(wǎng)絡(luò)是一致的。相比之下，全身麻醉復(fù)雜性的降低超出了頻譜特性。總的來說，這些發(fā)現(xiàn)有助于越來越多的關(guān)于皮質(zhì)復(fù)雜性以及意識(shí)的潛在神經(jīng)關(guān)聯(lián)是如何受到年齡和麻醉狀態(tài)轉(zhuǎn)變的影響的研究。

總結(jié)

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