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()发表了一篇《CombinedbehavioralandelectrophysiologicalevidenceforadirectcorticaleffectofprefrontaltDCSondisordersofconsciousness》的论文。该团队利用行为和电生理联合评估，观察对前额叶行tDCS对意识障碍的作用机制。

严重的脑损伤可导致持久的意识障碍(DOC)，如植物状态/无反应觉醒综合征(VS/UWS)或最小意识状态(MCS)。虽然行为学评估仍然是确定意识状态的金标准，但EEG已被证明是一种可用来检测新疗法效果的辅助工具。有创电刺激大脑获得了令人鼓舞的结果，最近的研究证实了经颅直流电刺激(TDCS)是一种有效的对照试验方法。这种非侵入性和廉价的工具可能是首选的治疗方案。然而，它的机制对脑活动的作用和生理作用尚不清楚。在这里，我们做了一项刺激60名DoC患者，阳极放置在左前额叶背外侧皮质的研究，临床行为改善十二例(20%)，无恶化。TDCS后的行为反应与意识的脑电图信号的增强一致:与无应答者相比，应答者在θ-α带中表现出功率增加和长程皮质-皮质功能连接的增加，更大和更持久的P表明有意识地获得听觉诱发电位。脑电图改变与前额叶皮质的电场强度有关，与头皮无相关性。总而言之，对一大群Doc患者的开放性研究增强了意识的脑电图信号的有效性，并提示tDCS对意识的直接因果影响。

急性期昏迷后，严重的急性脑损伤可导致持续的意识障碍（DoC）。昏迷恢复量表修订版（CRS-R）是区分植物状态/无反应觉醒综合征（VS/UWS）和最低意识状态（MCS）患者最广泛接受的工具。然而，这种行为学评估方法存在局限性，15-20%的VS/UWS患者表现出的大脑活动表明了其具有更高的意识状态。

一、tDCS治疗后的行为反应

年10月至年9月，在69名符合条件的DoC患者中，66名患者接受了一次20分钟的tDCS治疗，阳极放置在左前额叶背外侧皮质，阴极放置在右眶上皮质，使用的参数与之前在DoC患者中报道的相同。通过使用CRS-R量表行为学评估和高密度EEG记录在静息态和刺激前后的听觉oddball范式的电生理评估，60名患者可被纳入研究（一名患者昏睡，一名患者在脑电图记录期间发作，四名患者脑电图数据不足，无法进行后续分析）。因此，该队列由24名VS/UWS、32名MCS和4名exit-MCS患者组成。

响应者（R+:定义为刺激后CRS-R评分较刺激前增加的患者）：包括4VS/UWS、7MCS和1名exit-MCS的患者。3名患者意识状态发生变化，1名VS/UWS向MCS移动，2名MCS向exit-MCS移动。R+的比例接近27%。

无应答者（R-:定义为tDCS后稳定或CRS-R评分下降的患者），有趣的是，没有一个病人的CRS-R评分下降。总的来说，刺激后CRS-R评分变化显著大于零。R+和R-人群在其人口统计学特征（年龄、性别、病因和受伤后时间）方面没有发现显著差异，重要的是，他们在tDCS前的数据和数据预处理方面也没有显著差异。

图1TDCS的行为反应结果

二、θ-α波段的光谱功率和连接性在TDCS应答者中增加

我们首先利用刺激前后5min的EEG分析了静息状态脑活动与tDCS刺激后行为反应的相互作用。为此，我们使用自动化程序计算了两次EEG记录上的意识状态特征（见方法）。然后。我们用TDCS在R+与R中不同的反应来监测这些EEG特征是否有改变。

功率谱密度刺激后，与R-相比，R+显示出标准化θ功率显著增加，顶叶皮质上方范围最大（图2）。类似地，我们观察到原始和标准化α功率的增加。光谱功率的其他频谱在R-和R+之间没有区别（图2）。

图2静息状态脑电图标志物在R+的TDCS刺激后增加

复杂性由脑电图θ-α带的排列熵显示，与同一顶叶区域的R-相比，R+有增加的趋势

功能连接对tDCS的反应还表现为θ-α带（4-10hz）的功能连接性增加，通过加权符号互信息进行评估，其捕获电极对之间的线性和非线性耦合，并且显示为随意识状态而变化。比较平均脑地形图时，我们发现顶枕丛的R+值比R-患者高（图2，最后一行）。通过对所有电极对进行的分析证实了这一点：4对位于顶叶和枕叶皮质上的电极，显示R+患者的功能连接性值大于R-患者（图3A）。这些R+和R-之间的差异是由刺激后R+患者比刺激前增加所致，而R-患者没有发现显著变化（图3B）。我们发现R+和R-在δ-θ波段（2–5Hz）和α-β波段（8–20Hz）的功能连接性上没有差异。注意，当比较VS/UWS患者与MCS患者和exit-MCS患者时，tDCS效应没有系统性差异。

图3θ-α带中的功能连通性

三、对tDCS刺激R+患者听觉诱发电位特征的改善

除了静息状态外，我们还评估了tDCS对患者听觉诱发电位的影响。患者被要求统计5个相同声调（中随机出现的新异刺激（4个相同声调的序列，然后是第5个不同声调）。我们计算了tDCS前后的事件相关电位（ERP），并使用与静息状态相同的相关性与R+与R-进行比较。在对数据质量进行评估后，5份脑电图记录被丢弃。对剩下的55个数据集（11r+和44r-）进行的分析显示，在第5声开始后28ms到ms之间左前外侧集群出现了显著的阳性（图4A）。前/后对比将此效应的来源定位于R+患者中的两个显著集群簇（第一个后集群簇为52-ms，第二个左前集群簇为68-ms，）。虽然在刺激后观察到的ERP反应在第5声后早期开始，但它在时间上是持续的，并且作为典型的P3a成分在ms左右达到峰值，表明听觉诱发电位的高级处理。相比之下，在刺激前R+只观察到典型的失匹配负波，在R-患者中没有观察到差异（图4B）。

为了更好地描述ERP的动态特性，我们在单变量分析的基础上，采用了一种多变量时间解码和基于聚类的排列分析相结合的方法。从它们的空间分布来看，这在涉及脑损伤患者的研究中特别有用，因为经典的ERP组件的识别可能由于主体间的空间变异性而失败。R+与R-患者的解码性能增加，有显著性差异。R-患者在TDCS记录前后比较没有显示出明显的集群簇，R+患者的试验等级解码显著增加，对应于两个晚期和持续的集群簇(在第五次发声后毫秒)。值得注意的是，TDCS之后的解码性能的增加呈方形形状，在泛矩阵上大约从毫秒增加到毫秒，这表明在这个时间窗中的亚稳态脑活动，唤起人们的后期听觉新异刺激。

图4对tDCS刺激R+患者听觉诱发电位特征的改善

综上所述，我们的研究结果表明，TDCS的行为反应具有完全或无差异:而R+组表现出显著的效果，包括听觉新异刺激晚期P信号。在单变量和多变量的方法中，R-组中均没有检测到这种反应。

四、TDCS刺激R+患者意识状态改善的多变量预测

除了单变量测量外，我们还评估了tDCS的行为反应是否与基于多变量脑电图意识状态预测方法的改进有关。为此，我们使用支持向量机分类器和68个静息状态脑电图特征(上面描述的单变量标记的时间和空间的平均值和波动)来区分MCS和VS/UWS。98名患者(75V/UWS和67MCS)记录的份脑电图数据数据使用该算法。对于每个患者，我们计算了在tDCS前后意识状态被分类为MCS的预测，并使用重复测量的非参数分析。

图5电生理反应与电场大小的相关性

五、电生理反应与前额皮层的电场强度有关

到目前为止，我们发现tDCS后意识的行为改善与意识状态和意识通路的客观脑电活动测量的增强是相关的。为了评估这种脑电活动的增强是否是由tDCS特异性介导的，是通过何种机制介导的，我们接着研究了脑电变化与tDCS诱发电场之间的关系。

tDCS的作用机制包括神经元兴奋性的调节和对突触可塑性的影响。这两种机制已经在体外和体内动物实验中得到了明确的证明，它们是由外加电场引起的神经元膜极化驱动的。这种极化率随电场强度线性增加，因此可以合理地假设电场强度对神经功能的影响。有人担心，就电强而言，传统的治疗方案足以影响神经回路，最近也有人提出，经颅刺激的效果可能是由于激活了周围神经，特别是头皮感觉的激活。由于外周神经的膜极化相同，这些外周效应也随电场大小而变化。为了确定刺激在人身上可能的作用机制，并区分皮层和周围效应，我们分析了大脑和头皮的电场与脑电图效应之间的关系。

为此，我们根据可用的T1加权MRI（n=47）估计了tDCS诱导的患者整个头部的电场，然后将患者头部的电场与脑电图效应的前后差异相关联。对于EEG，我们使用了前一节中描述的意识状态的多变量预测。相关分析仅限于平均电场可能产生生理效应的区域，即0.5V/m。在多次比较中的正相关区域包括靠近刺激电极的左背外侧和眶上前额叶皮质（r=0.，p=0.），而负相关仅限于邻近头皮（r=-0.，p=0.，图5）。很难调和头皮感觉的外周效应与负相关，因此更强的脑电图效应将与较弱的感觉相一致。但是相反，研究结果提示额叶皮层区域的强电场改善了意识的脑电图信号。

讨论

对我们迄今为止最大的一组DoC患者进行研究，观察对单次左背外侧前额叶皮质tDCS的行为和电生理反应。首先证明，意识的行为改善与静息状态的脑电图意识信号的增加，以及听觉诱发电位的神经信号的出现有关。然后，我们将这些电生理变化与tDCS联系起来，前额叶皮质的电生理反应与电场呈正相关，而头皮则呈负相关。

尽管实验属开放性设计，但有几个论点强烈支持tDCS的临床相关性和影响作用。首先，我们发现与前人使用相同刺激参数的随机对照试验（12/60（20%）与15/55（27%））的应答率（R+患者占比）没有显著差异。其次，这个应答率超过了文献中观察到的与患者自发改善的变化。第三，没有观察到任何一个无应答者CRS-R评分下降，而自发改善的效果存在双向波动的情况。

当然，这可能是由于评估之间的短暂期（2小时）限制了潜在的混杂因素，这些因素可以独立于TDCS（如药物，脓毒......）所观察到的效应。我们观察到tDCS后的评分没有减少（CRS-R量表得分），患者的自发改善被认为主要反映了觉醒的时间波动，这与我们在这段短时间内出现的疲劳现象有关。此外，每个CRS-R评分都是从唤醒方案开始的，该方案旨在最大限度地提高患者的唤醒水平。最后也是最重要的是，行为反应与意识脑电图信号增强的关联，以及前额叶皮质电场与客观电生理反应的关联，都暗示了tDCS对大脑功能的直接因果影响，而头皮的负相关则反对由头皮感觉介导的间接影响。在经颅电刺激研究中，使用这种客观和量化的大脑活动测量是必不可少的，不仅因为它可以研究行为和认知功能之间的因果关系以及tDCS的作用机制，也因为用标准的假刺激程序似乎很难甚至不可能实现。

行为改善和意识的脑电信号增强之间的相关性增加了我们对意识神经生理学的理解。事实上，这些结果支持意识改善与θ-α频率功率增加和功能连接之间的直接关系（如果不是因果关系的话）（与4例患者的病例报告和1例患者的迷走神经刺激一致）。到目前为止，证据仅仅是相关的，来源于对VS/UWS和MCS患者的个体间比较的观察研究。重要的是，目前的介入研究结果表明，这些脑电信号标记物不仅对意识有特异性，而且对细微的行为改善也很敏感。我们的研究还强调了后联合皮质和后长程功能连接在θ带中的中心作用，它们是意识的关键要素，这可能是远距离神经网络产生连贯和持续的大规模活动模式的基础，这是由全脑工作空间理论提出的意识。类似地，在听觉oddball范式中，R+和R-之间的全差或无差也支持这样的假设，即识别P到有意识进入的特定信号。这也与先前发现的MCS患者重复tDCS后P波幅增加相一致。

我们的研究也丰富了对TDCS能引起意识改善的机制的理解。以前在健康受试者中使用fMRI的研究表明，在左侧前额叶背外侧皮质的阳极tDCS可以调节前额叶皮层和丘脑之间的功能连接。然而，很少有研究探讨tDCS对DoC患者的电生理效应，一些研究着重于根据患者意识状态来区分tDCS的影响，显示tDCS对MCS皮层兴奋性和长程连贯性的影响。

我们的研究是第一个将电生理变化与tDCS的行为反应和大脑中的电场强度联系起来的研究。tDCS对大脑的影响被认为依赖于外加电场对神经元兴奋性或突触可塑性的直接调节。然而，一些作者也提出了通过激活周围神经，特别是头皮感觉的间接影响。电场强度与客观脑电图测量之间的关联，与行为评估无关，是tDCS作用于人的有力论据。此外，我们发现电生理反应和额叶皮层区域的电场之间存在显著的正相关，与tDCS邻近的周围神经的头皮感觉成负相关。P成分的左前方脑地形图，包括tDCS的阳极位点，也支持了刺激位点与特定皮质网络增强之间的关系。最后，一些R+患者只提高了CRS-R评分，提示皮质介导的上行网状激活系统的激活。结合电场分布，识别特定的光谱功率和意识的连接性特征，可以为开发更有效的刺激tDCS策略做铺垫，例如基于患者神经解剖的个体定制montage。事实上，对电刺激行为反应的差异性可能源于刺激部位的不准确性，因为不同受试者的大脑解剖结构存在差异。

最近一项对前额叶tDCS研究任务表明，健康受试者之间的前额叶皮质形态差异占tDCS疗效差异的三分之一以上。对于患有各种严重脑损伤的DoC患者来说，这可能更为重要，他们对tDCS的反应依赖于残留的脑代谢和灰质完整性。我们创新的建模方法可以预示个体对经颅电刺激参数的适应，以提高其对意识障碍的治疗能力。我们的研究是令人鼓舞的，因为它提供了更多的证据，有利于在DoC患者中tDCS的作用，以及通过调节残余皮质活动和皮质间连接从而改善意识的机制。

方法

在这项研究中，我们的主要目标是根据行为反应的存在/不存在来评估tDCS对脑活动（EEG）的影响。为了做到这一点，我们采用以下设计，在一次tDCS治疗前后进行了行为学评估和电生理评估：（i）刺激前行为学评估，（ii）刺激前电生理评估，（iii）20分钟tDCS治疗，（iv）刺激后电生理评估，和（v）刺激后行为学评估（图1A）。下面详细介绍了刺激参数和行为学和电生理评估程序的细节，但应当注意的是，整个刺激后评估在大约45分钟到1小时内完成。考虑到已知一次tDCS对皮层兴奋性的影响至少持续一小时，并且报道了更长的行为效应，我们的设计允许我们能够捕捉刺激的电生理和行为效应（如果有的话）。

经颅直流电刺激（tDCS）刺激包括在左背外侧前额叶皮层上进行一次20分钟2mA的tDCS刺激。阳极放置在左前额叶背外侧皮质上，阴极放置在右眶上额叶皮质上（分别在10-20国际系统EEG放置中的F3和FP2）。刺激是通过25平方厘米的圆形海绵电极进行的。在整个刺激过程中，阻抗保持在10kΩ以下。我们选择这种montage来匹配以前对DoC患者tDCS的研究。

行为学评估使用临床金标准昏迷恢复量表（CRS-R）评估意识状态，刺激后CRS-R评分（R+）高于刺激前CRS-R评分，而CRS-R评分（R-）无变化或下降。所有CRS-R均由训练有素的医生在一天的同一时间（上午结束）进行。每个病人都由同一位医生进行评估，并且医生不盲目干预。然而，值得注意的是，我们在刺激后行为学评估之前使用了基于客观脑电图测量和刺激后脑电图记录的分析，并且由于所有患者都接受了相同的主动刺激，因此R+与R-比较的结果和EEG电场相关性不太可能用期望偏差来解释。

脑电图分析tDCS的电生理效应通过5分钟静息状态EEG和听觉oddballERP范式进行评估，该范式源自之前发表的范式，旨在激发自动听觉新异刺激检测的（MMN和P3a）和意识（P3b）信号。使用NetAmps放大器和通道的高密度盐水电极帽（EGI脑电图系统），以Hz的采样率记录头皮脑电，阻抗低于kΩ。

文章摘自《ScientificReports》杂志

《CombinedbehavioralandelectrophysiologicalevidenceforadirectcorticaleffectofprefrontaltDCSondisordersofconsciousness》

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