痫样放电大鼠不同频段脑电信号的非线性分析

痫样放电大鼠不同频段脑电信号的非线性分析

夏 阳，刘衍素，游自立，尧德中

电子科技大学生命科学与技术学院，四川 成都 610054

E-mail ：xiayang@https://www.wendangku.net/doc/2914402085.html,

摘要: 目的 了解痫样放电不同阶段脑电信号各节律的同步关系及其在不同脑功能状态间转换时的变化。方法：建立匹鲁卡品痫样放电大鼠模型，似然同步方法分析皮层和海马不同节律脑电信号。结果 在相同脑功能状态下，左右皮层和海马脑电信号各节律的同步性之间存在显著差异。其中无痫样放电时，δ节律的同步性显著增高（01.0

05.0

1. 引 言

大脑是通过整合外来信息进而发出相应的指令来完成工作任务的，而信息的整合则是依靠不同脑区间的信号同步活动。癫痫发作表现为大量脑神经元兴奋性增高和过度同步放电，有研究表明癫痫发作过程中不同节律脑电信号的作用存在明显差异[1]。但在痫样放电过程的不同阶段，脑电信号各节律的同步性有何差异以及在不同状态间相互转换时的变化规律尚未见报道。

研究信号同步性常用的方法是相干算法，但其方法具有仅对线性均匀的相互作用敏感的弱点而不能用来处理像EEG 这种不稳定的数据。最近提出了几种基于广义同步概念的算法，这些算法克服了相干算法的一些缺陷，但其算法也都是有偏的。Stam 等(2002) 提出的似然同步（Synchronization likelihood ）算法是一种一个时间序列和另一个或多个时间序列间动态

973 Project （No. 2003CB71606）,NSFC （No. 30400105）, 高等学校博士学科点专项科研基金和UESTC 青年基金资助

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相互作用的测量方法[2]。与相干算法比较，似然同步既能测量线性又能测量非线性的相互作用，并且能够反映这种相互作用随时间的变化，适用于不稳定的时间序列。

基于上述理由，本文选用似然同步分析方法对匹鲁卡品诱发的痫样放电大鼠皮层和海马脑电信号各节律在相同脑功能状态下同步性的差异和不同脑功能状态间转换时同步性的变化进行了分析。

2. 材料和方法

2.1 材料

选用健康成年雄性Sprague-Dawley 大鼠10例（体重150－250g ，四川大学实验动物中心提供）。用乌拉坦腹腔麻醉大鼠（剂量：1g/kg ）；在立体定位系统（WPI, USA ）的引导下埋植双侧皮层和海马电极，皮层电极的坐标位置为：前囟后2.5mm ，旁开2.5mm ，硬膜下0.5mm ；海马电极的坐标位置为：前囟后3.8mm ，旁开2.0mm ，硬膜下2.6mm [3]，并用502胶水及牙托粉固定。用RM6240C 型生理信号采集处理系统（成都仪器厂）记录正常实验大鼠的脑电信号30分钟；匹鲁卡品（Pilocarpine nitrate ，Fluka ）腹腔注射制备痫样放电大鼠模型（剂量：370mg/kg ），连续记录脑电信号约5~6小时。

将记录的脑电信号分为：无痫样放电、连续性痫样放电、周期性痫样放电三种脑功能状态[4]；用3阶蝶形滤波器进行0.5Hz~30Hz 的带通滤波，以滤除信号的不稳定成分及工频干

扰；参考文献[1]，

将大鼠脑电信号分为：δ节律（0.5~4.5Hz ）、θ节律（4.5~8Hz ）、α节律（8~12Hz ）、σ节律（12~16Hz ）、β节律（16~30Hz ）五种节律。并进行200Hz 的离线欠采样后分别进行后续的分析处理。

2.2 方法

似然同步分析是一种一个时间序列和另一个或多个时间序列间动态相互作用的测量方法，其定义及算法如下[2]：

1．将同时记录的时间序列（i k x ,M k L L 1=，是通道数；N i L L 1=，是离散时间）延迟l 嵌入m 为空间中：

),,,()1(,2,,,,l m i k l i k l i k i k i k x x x x X ?+++=L L （1）

2．对每个通道和时间i ，嵌入矢量彼此间的距离小于k ε的概率为：

∑

,,12,)()(21εθε （2） 其中：.是欧几里德距离；

θ是Heaviside 阶梯函数：当0≤x 时，0)(=x θ；当时，0>x 1)(=x θ；

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1w 和是两个窗，并满足：2w N w w <<<<21；

3．对每个和每个i 确定临界距离k i k ,ε： 其中：；

ref i k p p i k

=,,ε1<

k j k i k i k j i X X H 1,,,,)(εθ （3）

5．对每个通道和每个离散时间对定义似然同步为：

k ),(j i j i k S ,,当i k j k i k X X ,,,ε

,,,??=M H S j i j i k （4） 当i k j k i k X X ,,,ε≥?时：0,,=j i k S （5）

6．对所有的j 平均可得到：

i k S ,∑

,,12,)(21 （6）

本文对痫样放电大鼠模型脑电信号进行同步分析时，其参数取值分别为：、、、、1001=w 2002=w 05.0=ref p 8=m 1=l ；窗口宽度（计算所用数据长度）根据数据处理的实际需要选取；并将计算结果在时间及空间上进行平均。

同步分析结果用SPSS 统计软件进行单因素方差分析(ANOVA)来评估其统计学意义。

3. 结果

为了了解相同脑功能状态下脑电信号不同节律之间的同步性差异，我们分别分析了无痫样放电、连续性痫样放电、周期性痫样放电三种脑功能状态下，脑电信号五种节律间的同步性，结果发现无痫样放电时，δ节律的同步性显著高于α、σ、β节律的同步性（）；连续性痫样放电时，δ节律的同步性显著低于θ、α节律的同步性（01.0

05.0>p 对无痫样放电、连续性痫样放电和周期性痫样放电三种脑功能状态之间转换时左右皮层和海马脑电信号各节律的同步性分析，结果发现：从无痫样放电向连续性痫样放电转换时，左右皮层和海马脑电信号各节律的同步性均显著增强（01.0

05.0

皮层产生的慢波振荡（<1Hz ）是发作性去极化漂移的先兆，并且在病理条件下这种振荡可发展为超同步，这种加速的振荡（2~4Hz ）会产生棘—慢和多棘—慢癫痫发作波[5]。 - 3 -

表1 相同脑功能状态下皮层－海马各节律脑电信号间的同步性比较无痫样放电连续性痫样放电周期性痫样放电

δ与θ

δ与α

δ与σδ与β

Syδ＝Syθ

**Syδ>Syα

**Syδ>Syσ

**Syδ>Syβ

*Syδ

*Syδ

Syδ=Syσ

Syδ=Syβ

Syδ＝Syθ

Syδ=Syα

Syδ=Syσ

Syδ=Syβ

注：**P<0.01；*P<0.05

表2 不同脑功能状态之间转换时皮层－海马各相应节律脑电信号同步性比较无痫样放电与连续性痫样放电连续性痫样放电与周期性痫样放电

δ节律θ节律α节律σ节律β节律**Synon

**Synon

**Synon

**Synon

**Synon

Sycontinuous=Syperiod

**Sycontinuous>Syperiod

*Sycontinuous>Syperiod

*Sycontinuous>Syperiod

*Sycontinuous>Syperiod

注：**P<0.01；*P<0.05

图1 不同脑功能状态间转换时，各节律平均同步性比

较（*表示与无痫样放电的同步性间有显著性差异；**

表示与连续性痫样放电的同步性间有显著性差异）

Carpentier等通过功率谱分析发现δ节律活动还是胆碱酯酶抑制剂引起的脑损伤的早期指标之一[6]，Papatheodoropoulos在正常灌注的海马脑片中记录到腹侧海马CA1区神经元可以产生类似发作间期痫样放电的自发性同步活动，而且这种自发性同步主要趋向于2.8±0.2Hz的

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低频节律[7]。我们对相同脑功能状态下，不同频段脑电信号的同步分析研究表明：无痫样放电时，δ节律的同步性显著高于α、σ、β节律的同步性，提示在该痫样放电模型中，可能由于匹罗卡品的药理作用而致δ节律早于其它节律活动产生了类似于痫样放电的同步现象。

Bergey等用匹配追踪法分析了12位患者的17次癫痫发作发现癫痫发作终止前脑电信号复杂度便逐渐增加[8]。我们对不同脑功能状态间转换时，不同频段脑电信号的同步分析研究发现：从无痫样放电向连续性痫样放电转换过程中，脑电信号各节律的同步性均显著增强，结合相同功能状态下的分析结果可知低节律段的同步性增强的程度低于高节律段，这预示了在痫样放电过程中脑电信号高节律同步性增强可能占主导地位；从连续性痫样放电向周期性痫样放电转换时，除δ节律外，其余各节律的同步性均显著降低，即脑区间的功能耦合减弱，神经元的规律性同步活动降低，说明在痫样放电后期，高节律脑电活动的复杂度增加早于痫样放电的终止。特别值得注意的是在该状态转换过程中δ节律的同步性无显著性变化即它始终维持在连续性痫样放电时的强同步状态，我们推测δ节律在痫样放电结束过程中可能起着至关重要的作用，但其确切机制还需要作进一步深入的研究。

参考文献

[1] Ferri R.; Stam C.J.; Lanuzza B. et al. Different EEG frequency band synchronization during

nocturnal frontal lobe seizures. Clinical Neurophysiology. 2004; 115(5): 1202-1211.

[2] Stam C.J.; Van Dijk B.W. Synchronization likelihood: an unbiased measure of generalized

synchronization in multivariate data sets. Physica D. 2002; 163 (3-4): 236–251.

[3] 包新民；舒斯云. 大鼠脑立体定位图谱. 北京：人民卫生出版社. 1991.12.

[4] Jung K.Y.; Kim J.M.; Kim D.W. Nonlinear dynamic characteristics of electroencephalography

in a high-dose pilocarpine-induced status epilepticus model, Epilepsy Research 2003; 54(5): 179-188.

[5] Cellular bases of normal and paroxysmal oscillations in cortical and thalamic networks.

Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 1997; 103(1):8

[6] Carpentier P.; Foquin A.; Dorandeu F. et al. Delta activity as an early indicator for

soman-induced brain damage: a review. Neurotoxicology. 2001; 22(3):299-315

[7] Papatheodoropoulos C.; Kostopoulos G. Spontaneous, low frequency (_2–3 Hz) field activity

generated in rat ventral hippocampal slices perfused with normal medium. Brain Research Bulletin. 2002; 57(2):187–193.

[8] Bergey G. K.; Franaszczuk P. J. Epileptic Seizures are Characterized by Changing Signal

Complexity. Clinical Neurophysiology. 2001; 112(2):241-249.

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Nonlinear analysis of different band frequency EEG signal of eplieptiform discharges rats

Xia Yang，Liu Yansu，You Zili，Yao Dezhong

School of life science and Technology, UESTC, Chengdu Sichuan 610054

E-mail：xiayang@https://www.wendangku.net/doc/2914402085.html,

Abstract: Objective To understand synchronized relation between rhythms at different function state and states shifted during epileptiform discharges. Methods Synchronization changes of different rhythm of ECoG and EHG from Pilocarpine-induced epileptiform discharges rats were studied by Synchronization likelihood Analysis. Results It was found that for non-epileptiform discharges state, synchronization of delta rhythm was significantly higher than that of alpha, sigma and beta rhythm (p<0.01); for continuous-epileptiform discharges, synchronizations of delta rhythm were significantly lower than that of theta and alpha rhythm (p<0.05). When the state transited from non-epileptiform discharges to continuous-epileptiform discharges, synchronizations of all rhythms were significantly strengthened (p<0.01). But when the state transited from continuous-epileptiform discharges to period-epileptiform discharges, synchronizations of all rhythms except delta were significantly weakened (p<0.05). Conclusions These results suggest that delta rhythm comes into synchronization phenomenon before the others, which was similar with epileptiform discharges; and strengened synchronization of high frequency band signals acted as leading role during epileptiform discharges. Furthermore, delta rhythm always was kept at high synchronization level during epileptiform discharges ending. Therefore, we guess that delta rhythm might have important effect during epileptiform discharges.

Keywords:epileptiform discharge; EEG rhythm; synchronization likelihood

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抗癫痫药物在临床下痫样放电儿童中应用的前瞻性研究

抗癫痫药物在临床下痫样放电儿童中应用的前瞻性研究 目的:观察抗癫痫药物(antiepileptic drugs,AEDs)对临床下痫样放电(subclinical epileptiform discharges,SEDs)患儿的癫痫发作、痫性放电及认知的影响。方法:将2016.09-2017.09在重庆医科大学附属儿童医院康复科就诊的符合纳入排除标准的SEDs患儿作为研究对象,根据其家长的意愿分配到试验组或对照组,所有患儿均根据其自身疾病给予相应的一线治疗,包括药物治疗和(或)综合康复治疗(除外可能诱发癫痫发作的兴奋或刺激大脑的康复治疗),试验组会根据其脑电图结果额外给予AEDs治疗,随访1年。 所有患儿以门诊及电话的方式进行随访,每半年复查一次脑电图、Gesell发育量表(Gesell Development Schedule,GDS)或中国修订版韦氏儿童智力量表(Wechsler Intelligence Scale for Children Revised in China,WISC-RC)等,收集并分析相关资料。结果:随访情况:最终试验组有52例坚持随访,对照组有36例坚持随访。 癫痫发作情况:试验组随访期间有1例(1.92%)出现临床发作,51例(98.08%)未出现临床发作;对照组中分别为3例(8.33%)、33例(91.67%),两组差异无统计学意义(P>0.05)。脑电图痫性放电情况:试验组中SEDs控制无效23例(44.20%),有效29例(55.80%);对照组分别为24例(66.70%)、12例(33.33%),两组差异具有统计学意义(P<0.05)。 Gesell评估情况:试验组与自身治疗前后比较,患儿在应人、应物、粗大运动、精细运动、语言方面均有改善,差异具有统计学意义(P<0.05);而对照组与自身治疗前后比较,患儿治疗后各个能区评估均较治疗前差,但差异无统计学意义(P>0.05);而两组Gesell评估组间比较,治疗前两组Gesell评估差异无

关于痫样放电

癫痫的脑电图一、癫痫脑电图概述 癫痫是反复发作的神经元异常放电而表现为短暂中枢神经系统功能失常的疾病和综合征，因此当病人有二次以上的痫样发作而拟诊为癫痫时，就必须寻求脑电图之支持。脑电图的异常有背景波异常和痫样放电，但只有痫样放电，才能确诊为癫痫。痫样放电是电生理概念，而癫痫是临床诊断，两者不能等同，因为痫样放电不仅可见于其它疾病，亦可在0.9%正常人群中见到，特别是新生儿或早产儿。 国外有三个样本各为500－1000人的飞行员体检中，有痫样放电者为0.3－6.4%，其中10例追踪20年，均未见癫痫发作。因此没有癫痫临床表现而脑电图有痫样放电者，不能诊断为癫痫，也不能称为亚临床发作。亚临床发作只用于已确诊为癫痫的患者，在发作间期出现痫样放电时使用。拟诊癫痫患者，如反复脑电图检查未见痫样放电者，原则上不能确诊为癫痫。 （〇）关于痫样放电：当6cm2皮层神经元超同步化放电时，头皮脑电图就可见尖、棘波，若作皮层脑电图，更小范围的神经元同步放电亦可记录到。 （一）皮层脑电图为棘波时，同部位的头皮脑电图上可表现为尖波或高幅慢波，这是由于皮层放电在颅壁中传播速度参差，使到达头皮电极的同步化程度降低所致。任何突然高于背景的发作性电活动，均应视之为痫样放电，它包括棘波、尖波、多棘波、尖慢或棘慢综合波、多棘慢综合波、高幅失律、阵发性高幅慢波以及其它节律性电活动。二在发作期，局部背景活动之减弱或消失，亦是有意义的癫痫脑电图。不同类型的痫样放电，确诊癫痫的可靠性是不同的。高幅失律、3Hz棘-慢综合波及2－2.5Hz棘-慢综合波诊断癫痫的可靠性为98％－99％。前颞棘波灶、半球棘波灶及多棘波灶之可靠性为87％－91％，额棘波灶及中颞棘波灶为79％－80％。6或14Hz正棘波只有32％为癫痫，成串慢波为39％，而弥漫性阵发慢波只有22％为癫痫。 （二）脑电图在癫痫诊治中的作用 1、帮助鉴别癫痫和非痫性发作性疾病，如心因性发作、心源性发作、代谢障碍引起的发作性症状以及发作时间短暂的偏头痛或其等位征等。 2、癫痫发作类型与癫痫分型诊断的确立，必须依赖脑电图。 3、作为抗痫治疗的客观判断手段，对治疗有效患者作减停抗痫药物之参考。 4、脑电图是指导癫痫外科治疗的重要手段，在手术前，患者必须作足够时间的脑电图监护，总的描记可长达1－2周，以收集到足够数量的痫样发作脑电图以定位并判断其传播规律，从而确定手