劉衍素, 范艷珠, 方光戰(zhàn)*
(1.四川護(hù)理職業(yè)學(xué)院,成都610100; 2. 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所,成都610041)
全身麻醉是指藥物誘導(dǎo)下中樞神經(jīng)系統(tǒng)被抑制的狀態(tài),該狀態(tài)能保證長(zhǎng)時(shí)間的手術(shù)操作和有創(chuàng)實(shí)驗(yàn)研究的順利進(jìn)行(Antogninietal.,2005;Goddard & Smith,2013)。全身麻醉以痛覺(jué)消失、靜止不動(dòng)和意識(shí)喪失為特征,是麻醉藥品劑量和被麻醉對(duì)象意識(shí)狀態(tài)之間的平衡(Pocock & Richards,1993;Brownetal.,2010)。麻醉不充分可導(dǎo)致術(shù)中覺(jué)醒,而麻醉過(guò)量則增加并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)(Zhangetal.,2001;Loepke & Soriano,2008)。因此,精確的麻醉深度監(jiān)測(cè)對(duì)手術(shù)安全至關(guān)重要(Goddard & Smith,2013)。麻醉深度可用大腦活動(dòng)的復(fù)雜度來(lái)刻畫(huà)(Bruhnetal.,2000;Zhangetal.,2001;Ferenetsetal.,2006;Liangetal.,2015;Hudetzetal.,2016):清醒時(shí)復(fù)雜度最高,而麻醉時(shí)復(fù)雜度最低。研究發(fā)現(xiàn),不同腦區(qū)的大腦活動(dòng)復(fù)雜度變化不盡相同;同時(shí),與其他腦區(qū)相比,中腦網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、丘腦、頂葉聯(lián)合皮層和額葉聯(lián)合皮層等特定區(qū)域?qū)β樽硭幬锔鼮槊舾?Heinke & Koelsch,2005)。有研究認(rèn)為,丘腦-皮層環(huán)路(特別是丘腦)可能在麻醉-覺(jué)醒調(diào)控中起著重要的調(diào)節(jié)作用(Ries & Puil,1999;Franks,2008),但是在麻醉-覺(jué)醒過(guò)程中,丘腦活動(dòng)復(fù)雜度的動(dòng)態(tài)變化特征依然不夠明確,同時(shí)尚不清楚丘腦是否為最重要的調(diào)控腦區(qū)。
大腦功能偏側(cè)性普遍存在于動(dòng)物中(Rogers & Vallortigara,2008;Samara & Tsangaris,2011;Satoetal.,2011;Roussigneetal.,2012;Salvaetal.,2012;Frasnelli,2013;Rogersetal.,2013;Rogers,2014;Guoetal.,2016;薛飛等,2016)。當(dāng)信息傳入大腦時(shí),偏側(cè)性可確保大腦左右半球并行處理信息,從而提高信息處理能力(Vallortigara & Rogers,2005;Daddaetal.,2009;Fangetal.,2014)??梢?jiàn),偏側(cè)性具有適應(yīng)性意義,即通過(guò)提高動(dòng)物感知信息和行為響應(yīng)的效率來(lái)提高適合度。意識(shí)是大腦功能之一,所以麻醉-覺(jué)醒的調(diào)控(即意識(shí)的保持與恢復(fù))可能亦存在偏側(cè)性,但需實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
腦電(electroencephalogram,EEG)是大量錐體細(xì)胞同步產(chǎn)生的突觸后電位總和在大腦皮層或頭皮表面的反映(Muthuswamyetal.,1996)。EEG是評(píng)估不同麻醉狀態(tài)下大腦活動(dòng)情況最直接的方法,但是通過(guò)傳統(tǒng)的線性方法對(duì)原始EEG信號(hào)進(jìn)行分析得到的結(jié)果往往難以解釋大腦在不同麻醉狀態(tài)下的各種特征(Billardetal.,1997;Katohetal.,1998;Bruhnetal.,2006;Mahonetal.,2008)。大腦通常表現(xiàn)出非線性和混沌行為(Bruhnetal.,2000;Buriokaetal.,2005),其特征可通過(guò)非線性參數(shù)加以描述;復(fù)雜度是眾多非線性參數(shù)中的一種,與事物的本質(zhì)特征有關(guān),而與事物的大小、多少等物理量沒(méi)有必然聯(lián)系。Lempel-Ziv復(fù)雜度(Lempel-Ziv complexity,LZC)是用來(lái)度量信號(hào)復(fù)雜程度,算法簡(jiǎn)單快速且能有效刻畫(huà)腦電信號(hào)復(fù)雜度的物理量(Zhangetal.,2001;Abásoloetal.,2015),可用來(lái)研究大腦功能狀態(tài)及麻醉劑對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的抑制作用(Schartneretal.,2015)。
從宏觀解剖結(jié)構(gòu)看,兩棲類動(dòng)物的大腦與爬行類、鳥(niǎo)類和哺乳類(含人類)相似,均分為端腦、間腦、中腦、后腦和延髓等部分(Wilczynski & Endepols,2007),其間腦由背側(cè)的丘腦和腹側(cè)的下丘腦組成,且直接位于顱骨下方,而不像其他高等動(dòng)物被大腦皮層覆蓋。這樣的結(jié)構(gòu)有利于電極植入,更有利于采集到高信噪比的丘腦活動(dòng)信號(hào)。非洲爪蟾Xenopuslaevis是兩棲類中應(yīng)用最廣的動(dòng)物模型,在發(fā)育、遺傳和神經(jīng)系統(tǒng)功能等研究領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用(Kay & Peng,1991;Schultz & Dawson,2003;Guénetteetal.,2013)。魚(yú)安定(triciane methanesulfonate,MS-222)是一種安全有效的水溶性麻醉劑,常用于魚(yú)類和蛙類等變溫動(dòng)物的麻醉。
本研究以非洲爪蟾為對(duì)象,在其端腦、間腦、中腦左右兩側(cè)分別埋植電極,通過(guò)MS-222麻醉,連續(xù)記錄動(dòng)物在“麻醉前清醒-給藥-恢復(fù)-麻醉后清醒”整個(gè)過(guò)程中的EEG信號(hào)。通過(guò)計(jì)算不同時(shí)期各腦區(qū)的LZC,探討麻醉-覺(jué)醒過(guò)程中大腦活動(dòng)復(fù)雜度的動(dòng)態(tài)特征,及可能存在的麻醉-覺(jué)醒調(diào)控偏側(cè)性。
以14只成年非洲爪蟾(雌雄各半)為研究對(duì)象,按性別飼養(yǎng)于2個(gè)透明玻璃缸(長(zhǎng)120 cm×寬50 cm×高60 cm)中,水深20 cm。每周投食、換水1次。養(yǎng)殖房室溫20 ℃±1 ℃,光周期12L∶12D(08∶00開(kāi)燈)。手術(shù)時(shí)動(dòng)物體長(zhǎng)為8.1 cm±1.1 cm、體質(zhì)量為67.1 g±22.2 g。所有手術(shù)及實(shí)驗(yàn)流程均符合中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所動(dòng)物福利倫理委員會(huì)的相關(guān)要求。
將動(dòng)物浸入3.5 g·L-1MS-222溶液中進(jìn)行麻醉,通過(guò)夾趾反應(yīng)判斷麻醉程度,無(wú)夾趾反應(yīng)時(shí)立即停止麻醉。局部消毒,去除手術(shù)區(qū)皮膚,剝離頭骨表面肌肉暴露頭骨。根據(jù)圖1所示坐標(biāo),分別在左右端腦(LT和RT)、左右間腦(LD和RD)、左右中腦(LM和RM)埋植不銹鋼電極(φ=0.8 mm),參考電極埋植在小腦上方(P)。LT和RT位于人字縫前方6.4 mm,旁開(kāi)1 mm;LD和RD位于人字縫前方3.4 mm,旁開(kāi)1 mm;LM和RM位于人字縫前方1.4 mm,旁開(kāi)1 mm;P位于人字縫中線后1 mm處。電極擰入顱骨深度約1 mm,再用牙托水泥固定并覆蓋整個(gè)手術(shù)創(chuàng)口,用局部消炎止痛藥膏均勻涂抹創(chuàng)口。最后用自封膜包裹電極接插件以防水。術(shù)后,動(dòng)物置于水深約10 cm的塑料盒中單獨(dú)飼養(yǎng),休息1 d后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
圖1 電極位置分布及相應(yīng)的10 s腦電特征波形Fig. 1 Electrode placements and corresponding typical electroencephalogram tracings of 10 s
LT.左端腦, RT. 右端腦, LD. 左間腦, RD. 右間腦, LM. 左中腦, RM. 右中腦, P. 小腦上方; 下同
LT and RT. the left and right telencephalon, LD and RD. the left and right diencephalon, LM and RM. the left and right mesencephalon, P. above the cerebellum; the same below
在電磁屏蔽的隔音室(背景噪音24.3 dB±0.7 dB)內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將動(dòng)物放在透明實(shí)驗(yàn)盒(底面積18 cm×11 cm,開(kāi)口處20 cm×13 cm,高12 cm)內(nèi)吸滿水的海綿(厚度為1 cm、吸水量約150 mL)上,以保證動(dòng)物皮膚濕潤(rùn),實(shí)驗(yàn)盒上方加通氣透明的蓋子。光照和溫度與養(yǎng)殖房一致。在實(shí)驗(yàn)盒上方約40 cm處安裝具有運(yùn)動(dòng)偵測(cè)功能的紅外攝像機(jī),記錄動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為。
實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,將動(dòng)物連接至信號(hào)采集系統(tǒng)(RM6280,成都儀器廠),并設(shè)定采樣頻率為1 000 Hz,記錄動(dòng)物麻醉-覺(jué)醒周期的EEG和行為數(shù)據(jù):(1)麻醉前清醒期(Stage Ⅰ):記錄EEG 30 min,此時(shí)動(dòng)物頭部通常朝向?qū)嶒?yàn)盒一角并保持不動(dòng);(2)給藥期(Stage Ⅱ):從將動(dòng)物換入裝有200 mL 3.5 g·L-1MS-222溶液的、與實(shí)驗(yàn)盒同規(guī)格的塑料盒中進(jìn)行麻醉開(kāi)始,至無(wú)夾趾反應(yīng)止;(3)恢復(fù)期(Stage Ⅲ):從將動(dòng)物放入原記錄盒開(kāi)始,至輕觸即出現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)止;(4)麻醉后清醒期(Stage Ⅳ):恢復(fù)期后連續(xù)記錄30 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,通過(guò)過(guò)量麻醉對(duì)動(dòng)物進(jìn)行安樂(lè)死,并在電極的相應(yīng)位點(diǎn)注射蘇木精染料,檢查電極位置是否與預(yù)期一致。
LZC是由Lempel和Ziv(1976)提出的一種時(shí)間序列復(fù)雜性測(cè)度分析方法,即先對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行符號(hào)化(粗?;?處理后,通過(guò)計(jì)算其符號(hào)序列出現(xiàn)新模式的概率來(lái)表征時(shí)間序列的復(fù)雜度。計(jì)算步驟為:
(1)對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行符號(hào)化(粗?;?處理:對(duì)于時(shí)間序列xt(t=1,2,3,…,n),根據(jù)選取的閾值(大于閾值時(shí)取1,否則取0),將其轉(zhuǎn)化成(0,1)符號(hào)序列,即St(t=1,2,3,…,n)。
(2)令St(t=1,2,3,…,n)和Qt(t=1,2,3,…,m)為2個(gè)由(0,1)序列組成的字符串;SQ表示S和Q 2個(gè)字符串的級(jí)聯(lián),即SQ={S1,S2,…,Sn,Q1,Q2,…,Qm};SQπ表示把SQ中最后一個(gè)字符刪去后所得的字符串,即SQπ=(S1,S2,…,Sn,Q1,Q2,…,Qm-1}。令V(SQπ)表示SQπ中所有不同子串的集合,并設(shè)C(n)為符號(hào)序列St的復(fù)雜度。
(3)初始化:令C(n)=1,S={S1},Q={S2},則SQπ={S1}。
(5)重復(fù)步驟(4),直到待求序列中所有的字符被取完。這樣就把符號(hào)序列St(t=1,2,3,…,n)分成了C(n)個(gè)不同的子串,即得到復(fù)雜度。
由于對(duì)任意足夠長(zhǎng)的序列,進(jìn)行二進(jìn)制符號(hào)化后所得的符號(hào)序列的復(fù)雜度趨向定值:
因此,復(fù)雜度可歸一化為:LZC=C(n)/b(n)。LZC值為0~1,反映時(shí)間序列的復(fù)雜程度。LZC值越小,說(shuō)明時(shí)間序列的規(guī)律性越明顯;LZC值越大,則表示其復(fù)雜性越高,說(shuō)明出現(xiàn)新模式的概率越高,即隨機(jī)性越強(qiáng)。
EEG信號(hào)經(jīng)50 Hz陷波、0.5~45 Hz帶通濾波和256 Hz降采樣后,以2 s為長(zhǎng)度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段。若數(shù)據(jù)最大幅度大于100 μV,即視為偽跡剔除;由于中值對(duì)奇異值不敏感,所以對(duì)無(wú)偽跡數(shù)據(jù)段,取其中值為閾值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行符號(hào)化(Abásoloetal.,2015);然后計(jì)算每段的LZC值;最后每只動(dòng)物按時(shí)段和腦區(qū)對(duì)LZC值進(jìn)行平均。后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析均基于上述均值。
用Shapiro-WilkW檢驗(yàn)和Levene’s檢驗(yàn)對(duì)LZC值進(jìn)行正態(tài)性及方差齊性檢驗(yàn),采用三因素(時(shí)段、腦區(qū)和性別)重復(fù)測(cè)量ANOVA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,同時(shí)檢測(cè)主效應(yīng)和交互效應(yīng)。必要時(shí)使用Greehouse-Geisser校正;若存在交互效應(yīng)則進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析。利用最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行事后檢驗(yàn);效應(yīng)度通過(guò)partialη2估計(jì)。利用Pearson相關(guān)分析計(jì)算各時(shí)段LZC值與給藥時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性。所有統(tǒng)計(jì)在SPSS 21.0中完成,顯著性水平設(shè)置為α=0.05。
在麻醉-覺(jué)醒過(guò)程中,不同腦區(qū)腦電LZC值的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖2,在清醒階段(Stages Ⅰ/Ⅳ),LZC值最大;給藥時(shí),LZC值急劇下降到最??;恢復(fù)時(shí),LZC值逐漸上升。
ANOVA分析結(jié)果顯示(表1),時(shí)段[F(2, 24)=20.802,partialη2=0.634,P<0.001]和腦區(qū)[F(5, 60)=21.115,ε=0.547,partialη2=0.638,P<0.001]的主效應(yīng)極顯著,而性別[F(1, 12)=4.342,partialη2=0.266,P=0.059]無(wú)主效應(yīng),且時(shí)段和腦區(qū)交互效應(yīng)顯著[F(10, 120)=3.506,ε=0.394,partialη2=0.226,P=0.014]。
簡(jiǎn)單效應(yīng)分析顯示(表2),麻醉-覺(jué)醒周期中左端腦的LZC值最大,并且清醒階段(Stages Ⅰ/Ⅳ)端腦的LZC值極顯著大于間腦[Stage Ⅰ:F(5, 65)=36.252,ε=0.434,partialη2=0.736,P<0.001;Stage Ⅳ:F(5, 65)=8.668,partialη2=0.400,P<0.001],但在恢復(fù)階段,它們的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)于每個(gè)腦區(qū)而言,清醒階段的LZC值均極顯著大于恢復(fù)階段[左端腦:F(2, 26)=17.695,partialη2=0.576,P<0.001;右端腦:F(2, 26)=20.450,partialη2=0.611,P<0.001;左間腦:F(2, 26)=13.502,partialη2=0.509,P<0.001;右間腦:F(2, 26)=12.980,partialη2=0.500,P<0.001;左中腦:F(2, 26)=8.616,partialη2=0.399,P=0.001;右中腦:F(2, 26)=16.977,partialη2=0.566,P<0.001]。
相關(guān)性分析結(jié)果顯示,在右端腦(r=0.665,P=0.009)和右間腦(r=0.625,P=0.017),Stage Ⅰ的LZC值與給藥時(shí)長(zhǎng)顯著正相關(guān);在右間腦(r=-0.542,P=0.045),Stage Ⅳ的LZC值與給藥時(shí)長(zhǎng)顯著負(fù)相關(guān)(表3)。
圖2 在麻醉-覺(jué)醒過(guò)程中非洲爪蟾不同腦區(qū)的腦電Lempel-Ziv復(fù)雜度Fig. 2 Lempel-Ziv complexity for different brain regions during the anesthesia-awakening cycle of Xenopus laevis
Ⅰ. 麻醉前清醒期, Ⅱ. 給藥期, Ⅲ. 恢復(fù)期, Ⅳ. 麻醉后清醒期; 下同
Ⅰ. Stage Ⅰ (pre-anesthesia stage), Ⅱ. Stage Ⅱ (administration stage), Ⅲ. StageⅢ (recovery stage), Ⅳ. Stage Ⅳ (post-anesthesia stage); the same below
表1 Lempel-Ziv復(fù)雜度的ANOVA統(tǒng)計(jì)結(jié)果
注: >表示其左側(cè)相應(yīng)條件下的LZC值大于右側(cè), 同側(cè)內(nèi)無(wú)差異; NA. 不適用; 下同
Notes: > denotes that Lempel-Ziv complexity values for the given conditions on the left side are significantly larger than those on the right side, and no significant difference exists among the corresponding conditions on the same side; NA. not applicable; the same below
表2 Lempel-Ziv復(fù)雜度的簡(jiǎn)單效應(yīng)分析Table 2 Simple effects analysis for Lempel-Ziv complexity
表3 Lempel-Ziv復(fù)雜度與給藥時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性Table 3 Correlation analysis between Lempel-Ziv complexity and the duration of administration stage
通過(guò)計(jì)算非洲爪蟾“麻醉前清醒-給藥-恢復(fù)-麻醉后清醒”整個(gè)周期中EEG信號(hào)的LZC值,發(fā)現(xiàn)全身麻醉能引起其顯著改變:在麻醉前清醒期,LZC值處于較高水平;給藥時(shí),LZC值驟降;當(dāng)動(dòng)物處于深度麻醉時(shí),LZC值最小;恢復(fù)階段,LZC值逐漸恢復(fù)到原始清醒狀態(tài)時(shí)的水平。這種大腦復(fù)雜度隨著麻醉-覺(jué)醒周期動(dòng)態(tài)變化的結(jié)果與非洲爪蟾在麻醉-覺(jué)醒過(guò)程中EEG信號(hào)的熵的動(dòng)態(tài)變化相似(Fanetal.,2018),同時(shí)與人類病人在全身麻醉時(shí)大腦復(fù)雜度的動(dòng)態(tài)變化類似(Bruhnetal.,2000),表明利用LZC值可以較好地刻畫(huà)麻醉-覺(jué)醒周期大腦的動(dòng)態(tài)變化和測(cè)量麻醉深度(Zhangetal.,2001;Fanetal.,2011;Schartneretal.,2015;Hudetzetal.,2016)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,清醒期(麻醉前和麻醉后)的LZC值顯著高于恢復(fù)期。LZC值越大,表明大腦系統(tǒng)復(fù)雜度越高,EEG信號(hào)更難預(yù)測(cè);相反,LZC值越小,表明大腦系統(tǒng)復(fù)雜度越低,EEG信號(hào)變化具有更強(qiáng)的規(guī)律性和可預(yù)測(cè)性。清醒期LZC值的高水平與此時(shí)動(dòng)物需不停采集外界信息并進(jìn)行分析處理的功能需求一致(Heinke & Koelsch,2005);而在恢復(fù)期,大腦意識(shí)喪失,對(duì)外界刺激無(wú)響應(yīng),此時(shí)LZC值較低。由此可見(jiàn),LZC值的變化與動(dòng)物大腦功能狀態(tài)的改變相對(duì)應(yīng),說(shuō)明此方法適用于麻醉深度和大腦活動(dòng)復(fù)雜度的監(jiān)測(cè)。
相關(guān)性分析顯示,右端腦和右間腦(丘腦)在麻醉前清醒期的LZC值與給藥時(shí)長(zhǎng)正相關(guān),說(shuō)明右端腦和右側(cè)丘腦在麻醉前清醒期越活躍,進(jìn)入全身麻醉狀態(tài)所需的時(shí)間就越長(zhǎng),這一結(jié)果與用近似熵和排列熵的分析結(jié)果類似(Fanetal.,2018)。另外,右側(cè)丘腦在麻醉后清醒期的LZC值與給藥時(shí)長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明給藥時(shí)長(zhǎng)越短,右側(cè)丘腦在麻醉后清醒期就越活躍;反之,給藥時(shí)間越長(zhǎng),右側(cè)丘腦就越處于抑制狀態(tài)。由于LZC值和給藥時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性主要出現(xiàn)在右側(cè)丘腦,而且和清醒期相比,恢復(fù)期丘腦與端腦之間的LZC值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,說(shuō)明右側(cè)丘腦在麻醉-覺(jué)醒調(diào)控中可能起著重要作用。這一推論與既往的研究結(jié)果一致:首先,脊椎動(dòng)物不同腦區(qū)對(duì)麻醉劑的敏感程度不同(Heinke & Koelsch,2005);其次,大腦皮層、邊緣系統(tǒng)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及皮層-丘腦環(huán)路在意識(shí)調(diào)控過(guò)程中起著關(guān)鍵作用(Heinke & Schwarzbauer,2002;Heinke & Koelsch,2005),而丘腦是多種感覺(jué)信息投射到端腦的中繼站(Sherman & Guillery,2002;Béhuretetal.,2013),全身麻醉導(dǎo)致的無(wú)意識(shí)狀態(tài)通常伴隨著丘腦代謝或血流減少,提示丘腦起著意識(shí)開(kāi)關(guān)的作用(Alkireetal.,1997;Fisetetal.,1999)。當(dāng)前結(jié)果進(jìn)一步提示,右側(cè)丘腦在麻醉-覺(jué)醒調(diào)控中可能起著更為重要的作用,即這種調(diào)控具有偏側(cè)性,這一結(jié)論與包括人在內(nèi)的所有脊椎動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)都具有結(jié)構(gòu)和功能偏側(cè)性這一事實(shí)相符(Fangetal.,2014;Rogers,2014;薛飛等,2016;Vallortigara & Versace,2017)??傮w上,端腦的LZC值最大,這與蛙類端腦具有高級(jí)認(rèn)知和信息處理的功能相匹配(Fangetal.,2015;Xueetal.,2016a,2016b;Yueetal.,2017)。