失匹配負波在意識障礙評估中的臨床價值探討

周良，劉子源，劉勁芳

顱腦創傷、腦卒中、缺血缺氧性腦病等急性腦損傷造成的昏迷，通常有四種轉歸：蘇醒(包括閉鎖綜合征)、慢性昏迷、腦死亡及慢性意識障礙(disorders of consciousness,DoC)。隨著醫療技術水平的提高，昏迷患者存活率有所升高；然而，DoC的患病率仍不低，據國外文獻報道，植物狀態(vegetative state,VS)或無反應性覺醒綜合征(unresponsive wakefulness syndrome,UWS)為(0.2～3.4)/10萬，微意識狀態(minimally conscious state,MCS)約為1.5/10萬[1]。對這部分患者進行準確的診斷及預后評估至關重要，卻又比較困難，其直接影響臨床醫生及患者家屬的醫療決策及患者結局。目前，對急性腦損傷患者昏迷程度的評估常使用格拉斯哥昏迷量表(Glasgow coma scale,GCS)及全面無反應性量表(full outline of unresponsiveness,FOUR)評分[2]。而對于DoC的診斷，目前認為昏迷恢復量表修訂版(coma recovery scale-revised,CRS-R)評分是行為學評估的金標準，其誤診率卻依然高達約40%[3]。因此，DoC的診斷還需借助神經影像學、神經電生理及神經生物學標志物等相對客觀的手段。

大腦活動所產生電場和磁場的變化可以從頭皮上記錄下來，這是神經電生理檢查得以應用的基礎。現有的證據表明，表面上無意識的患者中若存在前注意加工，將預示延遲的顯性行為恢復。事件相關電位(event-related potentials,ERPs)中的失匹配負波(mismatch negativity,MMN)代表的就是對兩種物理刺激的自動辨別及誘導注意定向，即所謂的前注意加工[4-5]。近年來，許多研究表明，MMN的存在及波幅的動態變化與DoC患者的蘇醒及意識狀態改變密切相關，是預測這類患者預后的重要指標。目前，對于MMN在意識障礙中的臨床價值研究取得了較大的進展，但同時也存在一些困難和疑惑。為此，本文對MMN的產生機制、在意識障礙中的臨床意義、判讀方法及其影響因素綜述如下。

1 意識及意識障礙

意識的起源自古以來被稱作“整個科學領域最深奧，最令人著迷的問題之一”。意識是個多層面的概念，主要包含兩個成分：覺醒和覺知。覺醒主要表現為能夠自動睜眼，有正常的睡眠-覺醒周期等；覺知是指對自身及外界環境的感知。昏迷是一種無法被喚醒的完全無反應性狀態，這種狀態在急性腦損傷后通常持續數天或數周[2]。DoC是指意識障礙持續≥28 d，包括VS或UWS、MCS-及MCS+[6]。VS/UWS是一種無臨床覺知跡象的覺醒狀態，此類患者可自動睜眼，但僅表現出反射性(即非意向性的)行為，因此被認為對自己及周圍環境無意識[3]。MCS患者表現出明確的皮層介導的行為跡象[7]，對環境刺激的反應不穩定但可重復；盡管某些MCS患者可能會在一定程度上遵循指令，但卻無法進行功能性交流[8]。覺醒的維持依賴腦干上行網狀系統及其投射到的丘腦及大腦皮層神經元的功能完整，而覺知的產生依賴于皮層及皮層下環路結構的功能完整性。除此之外，中央環路(前額葉-蒼白球-中央丘腦-皮質環路)中任一結構的損傷均可能導致意識障礙的發生[9]。當然，這些機制也是神經電生理檢查得以應用的結構基礎。

2 MMN的概念及發生機制

MMN是1978年由芬蘭認知心理學家N??t?nen首次提出的，是將反復出現的大概率刺激(標準刺激)及隨機的小概率刺激(偏差刺激)分別疊加平均，然后再將偏差ERP成分與標準ERP成分相減得到的差異波[4]。臨床上，聽覺刺激是最常用的引出MMN的方式，且偏差刺激相較標準刺激可以是聲音頻率、強度、音長、間隔時間等的差異。MMN是在oddball范式作用下產生的位于100～250 ms之間的最大負向偏轉(負波)[10]。當然，對于意識障礙患者，其潛伏期可延長至300 ms[11]。Alho等[12]利用頭皮腦電圖及腦磁圖檢查，發現MMN主要起源于聽覺皮層聯合區，其次是額葉，通常在額-中央區波幅最高[11]。MMN主要參與大腦對不同聲音的自動辨別及誘導注意的定向，即所謂前注意加工[12]。MMN不受主動注意的影響[4]，在某些意識障礙[4,11]、鎮靜[13]、麻醉[14]、睡眠狀態中[15]也可引出；這也是MMN在意識障礙患者中得以應用的前提。目前，關于MMN的產生機制存在三種假說。

2.1 變化察覺假說 這一假說基于三種神經元及三個皮層區域(圖1)。假定穩定性神經元位于初級聽覺皮層，對重復的聲音產生基本一致的反應，得到標準N1；而可塑性神經元位于次級聽皮層，由于突觸抑制作用對重復的聲音產生慣化，反應逐漸降低，而對突變的聲音反應強烈，這就產生了偏差N1。第三種神經元則是位于聽覺皮層聯合區的非線性神經元，只對刺激的變化產生反應，可同時接受來自初級和次級聽覺皮層神經元的信息輸入。如果刺激是新的，興奮超過抑制，神經元就會被激活；如果刺激是重復的，抑制超過興奮，神經元保持沉默。這樣，當偏差刺激傳入后，變化察覺被激活，從而產生MMN[16]。這一假說在Kropotov等[17]用立體定向腦電圖分析聽覺皮層對聲音的辨別研究中得到了驗證。

2.2 記憶痕跡假說 這一假說認為MMN是由于異常的聽覺輸入和代表標準刺激的感覺記憶痕跡之間的神經元失匹配造成的。聲像記憶是一種注意前的聽覺存儲，在這種記憶中，聲音細節會被完整地保留幾秒鐘，當一個穩定的聲音被改變了音高或音質時，大腦會產生自動比較加工(失配響應)；通過腦電后處理技術即可將這一響應表現出來，即MMN[5,12]。

2.3 適應性假說 該假說認為并不存在產生MMN的獨立神經元，MMN的產生主要依賴于聽覺標準刺激誘發的N1a及偏差刺激誘發的N1p。偏差刺激作用下的聽覺皮層神經元的反應大于對標準刺激產生了適應性的神經元，因此，用處理技術將兩者的波形相減，MMN便可視化了[18]。

假說一與假說二相似相通，而此兩者與假說三的矛盾之處在于是否存在獨立的神經元產生MMN。至今為止，大多數學者還是支持前兩種假說[5,12,14]。

41：初級聽覺皮層區，42：次級聽覺皮層區，22：聽覺皮層聯合區

3 MMN在意識障礙評估中的臨床意義

3.1 MMN與急性腦損傷昏迷 昏迷是一種嚴重的意識障礙，是導致死亡和殘疾的主要原因。然而，由于部分昏迷患者無法對外界刺激作出反應，影響臨床醫生對患者殘存神經功能及環境感知能力的評估，如認知-運動分離[20]。這樣，床旁ERPs就顯得尤為重要了，而MMN就是其中重要組成成分之一。

兩種純音oddball范式刺激下引出的MMN預測各種原因導致昏迷患者(GCS評分≤8分)意識恢復的特異度達90%～100%，而靈敏度為31.6%～90%[21-23]，這兩種純音間的差異為頻率或刺激持續時間上的不同。MMN的存在提示患者聽覺傳導通路的相對完整及額-顳葉部分神經元功能連接的保留。而造成各研究靈敏度差異大的原因可能主要是刺激范式的差異，以及目前沒有嚴格定義MMN存在與否，使研究者在結果判讀方面有較大個體差異。昏迷患者的MMN波幅(0.36～2.77 μV)明顯低于健康對照(0.87～5.16 μV)[21]，這提示MMN的波幅與意識水平相關，只是個體差異較大，這也是目前MMN波幅的量化分析沒有得到推廣的原因之一。Tzovara等[22]對缺血缺氧后昏迷患者采用交叉設計方法檢測MMN引出情況，發現預測意識恢復的準確性為78%，這種交叉設計方式避免了因刺激物之間的物理差異而產生的早期差異。另外也有學者將自編的相對復雜音作為偏差刺激，純音作為標準刺激引出MMN，其陽性檢出率較純音更高，且得到的MMN波幅普遍高于純音，與昏迷患者預后呈現明顯相關性[24]，提高了檢測的靈敏度。目前，多數基于聽覺系統的神經生理學研究使用的都是正弦波音調，而實際上其在自然界中從未出現過。在聽覺系統的高級中樞，如皮層，只有當聲音刺激具有自然和生物屬性時，才更有可能以功能上有意義的方式激活大量神經元群。

當然，也有少數學者認為MMN不太可能成為檢測患者意識的臨床工具，其認為MMN對不同病因昏迷的預測價值可能不同[25]。需要注意的是，由于在腦損傷急性期，患者病情變化快，因此，重復多次的動態MMN監測是必要的。另外，考慮到ICU嘈雜的環境，相比頻繁出現的聲音刺激，罕見的刺激也許會與偽差更為相關，這種差異不僅代表了皮層信號的差異，同時也可能代表與背景噪聲的差異，因此MMN的獲得需要合適的刺激時間及優化的后期自動處理程序。

3.2 MMN與慢性意識障礙 自上而下的額-顳葉皮層投射的損傷是VS患者的顯著特征。雖說這類患者可存在自下而上的前反饋，但長潛伏期誘發電位及事件相關電位是自上而下的后反饋來調節的，這為利用MMN研究DoC，區分VS和MCS及清醒狀態提供了可能[26]。與急性腦損傷昏迷不同的是，DoC患者一般病情較為穩定，且一般未使用鎮靜、鎮痛藥物，因此在檢測MMN那段時間內，影響因素相對較少，從而越來越多學者以這部分人群作為研究對象，認為MMN是評估患者意識狀態及預后的可靠指標。

哈佛醫學院的Wijnen等[27]對10例VS患者進行為期3.5個月的隨訪，每兩周進行一次MMN測試。結果顯示，隨著患者意識狀態的改善，MMN波幅會有較為明顯的上升，且一般早于患者與外界環境產生交流。除此之外，患者第一次檢查時MMN的潛伏期和波幅可用于預測VS患者意識恢復的可能性。這種縱向觀察的方法可以消除個體差異帶來的MMN異質性，值得積極借鑒。隨著神經調控技術的發展，有學者研究發現高分辨率經顱直流電刺激治療Doc患者后第1、7、14 d，其CRS-R評分及MMN波幅較治療前基線值依次增高，因此MMN有望成為評估DoC患者治療效果的可靠指標[28]。將呼喚患者姓名、罕見純音分別當偏差刺激，出現頻繁的純音作為標準刺激，對DoC患者進行測試，同時以健康者作為對照，發現意識障礙人群中也可觀察到類似正常人的MMN模式，且相比純音作為偏差刺激，喚名這一偏差刺激可引出潛伏期更短、波幅更高的MMN[29]。無論是在正常對照者還是DoC患者中，當被叫到自己名字時，人類大腦皮層自動獲取并注意這一聽覺信息的靈敏度會提高，且在200～400 ms時引起相應的腦功能連接相對最強[30]。研究發現，在DoC患者中，MMN波幅絕對值與CRS-R評分呈顯著正相關，且偏差刺激與標準刺激的頻率差越大，MMN波幅越高，與CRS-R評分的相關性也越顯著，而這種差異性主要分布于額-中央區[11]。這體現了MMN分布的空間特性，同時也強調了規范MMN刺激范式的重要性。2018年版慢性意識障礙的神經調控外科治療中國專家共識[31]將MMN列入意識障礙臨床評估手段，并對應不同的意識狀態，給出了MMN波幅參考值：≤0.5 μV為昏迷，0.5～1.0 μV為VS，1.0～1.7 μV為MCS-，1.7～2.0 μV為MCS+。這是目前唯一的以MMN波幅參考范圍定義不同意識狀態的文獻，且無疑是未來研究的一個方向和目標，因為這有利于臨床實踐中的個體評估。

4 MMN與鎮痛鎮靜

雖然鎮痛、鎮靜藥物和病情本身對MMN均有影響，且難以區分，但由于病情需要，ABI昏迷患者常需用到鎮靜、鎮痛藥物。因此目前關于急性腦損傷昏迷與MMN相關性的研究大多數都有鎮靜、鎮痛藥物介入，包括近期在新英格蘭醫學雜志上報道的利用機器學習方法探測ABI患者中認知-運動分離情況的研究[20]。當然，也有研究只納入未使用鎮痛、鎮靜藥物或停用滿24 h的患者，但似乎不太符合真實世界臨床試驗的理念，因為這無形中就排除了許多需要使用鎮痛鎮靜藥物的重癥患者，而這部分患者往往病情更重。

Azabou等[13]對ICU持續機械通氣或惡性顱高壓需要使用強鎮靜患者，使用丙泊酚或/和咪達唑侖聯合/不聯合舒芬太尼，使其RASS評分<-3分，發現這部分患者MMN仍存在，只是整體潛伏期延長且波幅下降；提示在深度(但不完全)鎮靜/麻醉期間，一些前注意加工和自下而上的自動注意定向功能被保留下來[14]，而在意識喪失時消失。與丙泊酚、咪達唑侖(γ-氨基丁酸受體激動劑)作用機制不同，右美托咪定屬于選擇性α2腎上腺素受體激動劑，作用于藍斑核而負反饋抑制去甲腎上腺素釋放，從而抑制前額葉皮層。右美托咪定誘發的腦電紡錘或慢波震蕩均小于丙泊酚，這可能反映了右美托咪定對神經元活動的干擾程度低于丙泊酚[32-33]，同時也說明了為何右美托咪定誘導的鎮靜可被喚醒，而丙泊酚不行[34]；由此推測其對MMN的引出及形態可能有影響，但影響不如丙泊酚類藥物那么大。

另外，一研究發現在鎮痛藥物瑞芬太尼1.0 ng/mL效應部位濃度靜脈泵入作用下，健康受試者聽覺MMN波幅增加，特別是在女性受試者中；考慮這與疼痛處理相關的μ型阿片類受體區域(包含顳葉及額葉等)的血氧水平依賴反應和局部腦血流量增加有關[35]。當然，無論是鎮痛還是鎮靜藥物，對MMN相關指標的影響大多是劑量依賴性的。

5 MMN的判讀與分析

人類大腦對聲音改變的察覺或探測所引出的MMN成分發生源主要位于顳葉聽皮層，而隨后出現的額葉MMN亞成分則與誘導注意定向或自動注意轉移相關[36]。由于顳區聽皮層會不同程度地受到來自外界環境聲音的影響；與之相比較，額區MMN成分顯得更為穩定，且波幅總體更高。因此，目前臨床上主要參考Fz處(腦電圖國際10-20系統，額中線)MMN的引出情況來評估意識障礙嚴重程度及預測蘇醒預后。當然，也有學者提出對這部分患者MMN的分析還應在顳葉，而健康者才應在額-中央區[29]。因此，進行意識障礙相關研究時，最好在雙側額-中央、顳區同時記錄，以減少額顳區連接受損及MMN空間分布特性差異所造成的漏診[11]。

回顧眾多的國內外研究，大多數的分析重點在于MMN是否引出，而未明確何為MMN引出，且未將MMN的波形特征(如潛伏期、波幅等)進行量化。所以目前對于MMN的判讀還是以目測波形的分化情況為主，摻雜了研究者的主觀因素，導致各判讀者間的個體差異較大，從而影響數據質量和試驗結果。因此，這個問題需要被解決。有學者將MMN嚴格規定為潛伏期150～250 ms[23]，甚至是250～269 ms間的最大負波[13]。另外，考慮到N1為聽覺門控系統的代表指標之一[37]，因此MMN引出的前提是標準及偏離N1[23]甚至是P2引出[28]，且消除噪音后，N1波幅須大于0.1～0.5 mV[37]。還有研究記錄包括Fz、Cz(腦電圖國際10-20系統，中央中線)在內的9個電極，使用方差分析各區域在150～250 ms的平均波幅，且各區域的條件效應存在統計學差異即認為MMN引出[24]。更有研究將記錄到的波形由5位經驗豐富的神經生理學家進行互盲的個體視覺分析，而后利用Fleiss’kappa分數行組間分析得出有意義的MMN[13]。后兩種事后分析的方法較為精準、嚴格地定義了MMN是否存在，提高了意識障礙患者蘇醒預測的特異性。但是，作為臨床神經功能檢查工具，這些分析方法顯得過于繁瑣、復雜了。因此，近期有研究以健康被試者作為基線對照，利用機器學習自動識別MMN，欲達到快速準確評估的目的[38]。雖然此系統暫時還缺乏大量昏迷患者進行測試，但確實提供了一個新的可行性思路。

6 結 語

ERPs是對嚴重意識障礙患者殘存認知功能有效的評估方法，在自動聽覺辨別及誘導注意定向方面，MMN范式的有效性較高，因為多數存在MMN反應的患者預后較好。但由于MMN的產生機制未明確、刺激范式及后期處理方法未統一、波形判讀和分析方法需要進一步研究等原因，以往的研究在質量和結果方面存在較大差異。因此，在今后的臨床試驗或實踐中，應該從以下幾個方面嚴格規范和創新：首先，要盡可能減少儀器設備的電磁干擾以及周圍環境噪音干擾，以獲得可靠的數據，這是前提。其次，必須要平衡刺激時間過短導致的信噪比低與刺激時間過長導致的產生干擾可能性增高之間的利弊，尋找合適的刺激時間。此外，盡管有ERPs相關的專家共識、建議可供參考[23]，但仍需要探索更優化、更適用于臨床的聽覺刺激范式、后期自動處理程序及MMN的計算分析方法，才能更快速準確地得出更符合實際的結果。當然，這需要大樣本多中心研究，且需要進行分類，如病因分類、急、慢性意識障礙分類及使用鎮靜、鎮痛藥物情況分類等，最終將MMN相關值量化分層，為臨床實踐提供便利。實際上，結合臨床表現、神經影像及包括MMN在內的神經電生理檢查，利用機器學習的方法，綜合評估意識障礙患者腦功能，個體化預測預后，才真正符合精準化醫療的理念。