岑盼 科技日報記者 王春
據統計，每年我國有近10萬患者因顱腦外傷、腦卒中、缺血缺氧性腦病等病陷入昏迷，繼而進入長期的意識障礙狀態，即傳統意義上的「植物人」狀態，長期治療給家庭和社會都帶來了巨大的壓力。如何利用神經科學的方式更準確地判斷「植物人」有無清醒的可能，便成為當前研究取得突破性進展的著眼點。
中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、中國科學院靈長類神經生物學重點實驗室王立平研究組與復旦大學附屬華山醫院神經外科毛穎/吳雪海團隊歷時多年,針對意識障礙患者開展了語言加工相關神經表徵的探索性研究，並將相關神經表徵與機器學習方法相結合，成功實現了對患者意識狀態的診斷和康復預測，為意識障礙患者的臨床診療提供了新的參考。相關成果5月25日在《自然-神經科學》期刊在線發表。
圖片來源：中科院腦智卓越中心
從量表評分誤診率40%到評估正確率達80%
意識障礙患者中，以無反應覺醒症候群和最小意識狀態兩類最為常見。相較於無反應覺醒症候群患者，最小意識狀態患者的殘存意識水平更高，康復可能性也更高。然而，現階段對「植物人」患者的狀態鑑定依賴於有經驗醫生的觀察和量表評分，具有一定的主觀性，誤診率高達40%。
據王立平介紹，近年來有研究者利用腦電或磁共振成像記錄患者的腦活動，進而推測其意識障礙程度，但範式較為局限，神經指標也較為匱乏，準確性仍有一定的提升空間。令人欣喜的是，此次探索性研究不僅在診斷上顯著優於基於行為學量表的臨床評估，而且可以更準確地預測患者個體在腦電記錄100天後的康復，正確率達到80%。
更深度研究或找到更普適評價指標
王立平介紹說，此次研究根據的原理其實很簡單，大腦只有越清醒，才能理解越複雜的句子。
雖然現階段科研人員尚未徹底理解語言層級結構在大腦中的神經基礎和計算機制，但現有的基礎研究結果已經可以為臨床轉化提供借鑑。該研究合作者浙江大學丁鼐研究員在以往的工作中發現，當健康人聆聽按一定頻率呈現的漢語語音序列時，大腦會以對應節律的神經振蕩並行表徵序列中不同層級的語言結構。「當播放『高學山跑』此類無關聯的四字時，正常人大腦會跟著節奏，研究者會觀察到4赫茲/秒的震蕩。」王立平說。如果播放的是「嬰兒哭泣」或「小馬過河」，若能理解詞組，會觀察到2赫茲/秒的震蕩，若理解句子則變為1赫茲/秒。
以此類研究為基礎，臨床中醫生則可以通過患者自身的神經響應獲得更為科學的推論，而不僅僅依靠主觀經驗與量表。
圖片來源：中科院腦智卓越中心
通過初步研究，團隊假設，意識障礙患者的殘存意識水平與語言序列中層級結構的加工深度可能存在關聯，尤其會在高層級語言結構的神經表徵上得到體現。
基於此，研究人員首先設計了3種包含不同層級的語言序列，記錄了無反應覺醒症候群和最小意識狀態患者在接受到語音刺激時的床旁腦電活動，並與健康人進行了對比。群體對比的結果顯示，患者組和健康被試組均表現出了對字層級結構的顯著神經響應，但僅健康被試組的腦電活動顯著體現出對詞和句子結構的追蹤。
更重要的是，在個體分析中，研究人員發現15名患者表現出對詞和句子結構追蹤的神經活動，其中6名患者在腦電記錄的100天後表現出明顯的意識水平康復，正確率達到80%。機器學習進一步顯示，利用詞組序列和句子序列條件下的神經活動對兩類患者的區分更為有效。研究人員進一步引入新一批患者數據，對當前模型進行預測功能的泛化驗證，成功復現了準確的分類和預測效果。
這一系列驗證意味著研究團隊可能找到了一種普適的大腦意識水平的評價指標，在昏迷、睡眠、麻醉等一系列與意識水平相關的大腦狀態評估中有著廣泛的潛在應用價值。研究團隊表示，將在今後的研究中進一步提高研究結果的臨床效果、適應面和自動化程度，最終為研究意識障礙的神經機制、意識活動的神經表徵，以及在意識障礙患者上開展相關科學研究提供實驗依據和理論基礎。
編輯：李俊霞
審核：朱麗