与清醒和麻醉状态下的持续痛觉有关的皮层血流动力学信号振荡功率变化——一项探索性的fNIRS研究

与清醒和麻醉状态下的持续痛觉有关的皮层血流动力学信号振荡功率变化——一项探索性的fNIRS研究浙江省水利人员在线学习系统,际高空调,网页设计服务, 作者：米勒之声 本文由“山中麻署”授权转载 背 景 BACKGROUND 全身麻醉主要包括镇痛、镇静和肌松三个方面。镇静程度可以通过 BIS 等指标进行检测，肌松水平也有 TOF 等方法

作者：米勒之声

本文由“山中麻署”授权转载

背 景

BACKGROUND

全身麻醉主要包括镇痛、镇静和肌松三个方面。镇静程度可以通过 BIS 等指标进行检测，肌松水平也有 TOF 等方法进行评价，但术中如何评估镇痛效果是否充分仍然是一个需要关注的问题。如果中枢神经系统的痛觉激活发生在全身麻醉下，对痛觉刺激的反应可能不容易在临床上检测到，而功能成像和神经生理学监测可以帮助我们进行观察。有功能磁共振成像(fMRI)研究显示，持续性疼痛下低频 BOLD 信号振荡功率会发生特征性的变化。在健康清醒的受试者中，急性有害刺激下，默认模式网络（DMN）的关键区域，如内侧前额叶皮层、楔前、后扣带皮层和下顶叶皮层中次低频振荡的功率明显下降。持续疼痛期间的功率谱改变可能反映了由于通过外周疼痛途径的持续痛觉输入而引起的大脑连接的重组。功能性近红外光谱 (fNIRS)与fMRI有着相似的生理基础，能够直接测量皮层血流动力学变化，并反映低频振荡的振幅和功率。作者团队在之前的研究中使用fNIRS在清醒、镇静、和麻醉状态下，成功观察到了皮层血流动力信号对瞬时痛觉刺激的反应。本研究中作者主要关注额叶皮层，这个皮层区域参与痛觉信息的高级整合，而且在手术室里很容易使用fNIRS 进行观察。研究假设：（1）持续的痛觉（健康志愿者的热刺激和手术引起的创伤）将诱发额叶皮层低频振荡功率的降低；（2）与单纯全身麻醉相比，手术患者的低频功率降低将通过增加区域神经阻滞而得到缓解。

方 法

METHODS

研究对象

研究招募了两组受试者：第一组是健康志愿者，以评估大脑对外部疼痛刺激的清醒痛觉反应；第二组是接受常规膝关节手术麻醉的患者，以评估麻醉状态下的痛觉反应。排除标准包括有神经系统创伤或精神疾病史、肌肉疾病、糖尿病和吸烟。

研究流程

清醒组：使用持续的热作为诱导刺激，健康清醒的志愿者按顺序进行了三个数据采集环节：静止状态环节、热温环节和热痛环节。在静止状态下，被试者被要求在椅子上静坐6分钟，睁着眼睛，没有额外的任务或刺激。在进行热温或热痛治疗之前，用热敏分析仪对左手背进行不同强度的连续热刺激，以确定每个参与者的主观痛觉水平。被试被要求报告，当热刺激导致感知得分在0到10分之间时，3/10分被描述为 "被试应该强烈意识到刺激，但应该只是感到舒适的温暖，完全没有疼痛"（热暖），5/10分是 "被试应该感到中等程度的疼痛，但疼痛应该可以忍受至少5分钟，没有屏住呼吸、出汗或任何退缩反应"（热痛）。与这两个感知水平相对应的热强度被记录下来，并在下一次热温或热痛治疗中使用。在刺激过程中，受试者在前100秒处于休息状态，然后是5分钟的刺激期，用3/10的强度（在热暖期）或5/10的强度（在热痛期）对左手的同一区域进行连续热刺激。在刺激期结束时再收集100秒的静止期记录，以捕捉恢复阶段的信号变化。

麻醉组：首先将招募的膝关节手术患者根据预定的手术类型和镇痛水平分配到以下两个研究亚组之一：膝关节镜手术亚组和前交叉韧带重建手术亚组。研究特别选择了膝关节手术患者，因为这两种手术的早期程序有相似之处，都是由骨科医生做小切口，切除软组织，并将探测性关节镜插入患者的膝关节进行诊断或治疗。所有患者的麻醉都是标准化的，用丙泊酚和芬太尼诱导，七氟烷维持麻醉。对前交叉韧带重建手术亚组的患者（但不包括普通的膝关节镜手术患者）进行额外的神经阻滞麻醉以控制疼痛，如股神经阻滞和内收肌管阻滞。这两个亚组的早期手术过程相似，但镇痛水平不同，这为我们提供了一个理想的模型来研究全身麻醉下持续疼痛对大脑动态的影响。对于每个病人，在整个手术过程中都进行fNIRS监测。可能诱发重大神经或组织损伤（因此可能导致重大的持续痛觉输入）的手术事件的时间点被直接标记在数据中。具体如图1所示。

▲ 图 1

数据收集和分析

研究利用690和830纳米的激光二极管的多通道连续波功能性近红外光谱系统（CW7，TechEn公司，美国）来收集健康志愿者组和手术病人组的脑血流动力学数据。研究主要感兴趣的区域(ROC)被确定为额叶皮层。三个功能性近红外光谱发射器和四个光探测器被放置在ROC，形成总共八个通道，发射器和探测器的正常距离为3厘米，以覆盖额叶皮层的侧面（通道C1、C4、C5和C8）和中间部分（通道C2、C3、C6和C7）。对于健康清醒的志愿者，另外安装了8个通道（通道C9至C16），以覆盖初级体感皮层。然而，在保持仰卧姿势的手术病人中，不可能保持光极接触并从体感皮层通道获得可靠的fNIRS信号。因此，在对麻醉病人的研究中没有包括体感皮层信号。

研究首先对氧合血红蛋白浓度变化数据进行功率谱分析，以研究静止和刺激条件下低频振荡的功率差异。首先用快速傅里叶变换将每个受试者每个通道感兴趣的时间段内的氧合血红蛋白时间过程转换为频域。在志愿者组中，感兴趣的时间段被定义为从任务（休息、热温或热痛）开始后60秒到任务结束的数据，总持续时间为240秒。在麻醉患者组中，为了公平比较膝关节镜患者亚组（无神经阻滞的亚组）和前交叉韧带重建患者亚组（有神经阻滞的亚组），研究中只关注软组织切除这一事件。感兴趣的时间段被选为第一次进行软组织切除前后共 5 分钟，并且软组织切除至少占据了窗口的50%（即总共持续了2.5分钟以上）。刺激时间的第一分钟不包括在转换中，以避免在建立持续的热温或疼痛的稳定感觉之前对热刺激的任何诱发的、短暂的大脑反应（例如，突出反应）。研究在感兴趣的时间段内计算功率谱密度，作为每个频率成分的快速傅里叶变换振幅的平方。研究采用Buzsáki的命名法将功能性近红外光谱数据频率范围（即0.01至0.5赫兹）分为五个不同的子带：慢-5（0.01至0.027赫兹）、慢-4（0.027至0.073赫兹）、慢-3（0.073至0.198赫兹）、慢-2（0.198至0.25赫兹）和慢-1（0.25至0.5赫兹）。每个子带的功率谱密度成分相加，然后归一到整个频率范围（0.01至0.5赫兹）的功率之和，得到比值功率。具体如图2所示。

健康清醒的志愿者（第1组）或麻醉的手术患者（第2组）的子带提取的功率比值以平均值±SD表示。第1组热刺激之间和内部以及第2组手术分组之间的比值功率差异以效应大小、P值（见下文 "健康清醒志愿者数据 "和 "麻醉病人数据 "中对所进行的统计测试的描述）和差异的95%CI表示。研究中使用用双尾配对t检验比较了不同刺激条件下每个功能近红外光谱通道的每个子带的比值功率。并对于每个子带，在基线比值功率和刺激比值功率之间进行双尾配对t检验，以研究从静止期到刺激期，慢5和其他子带有没有统计学意义上的下降。

▲ 图 2

结 果

RESULTS

数据分析共包括15名健康志愿者（15名男性；年龄，25.5±5.5岁；年龄范围，20至39岁）和13名接受关节手术的患者（3名男性；年龄，17.5±3.8岁；年龄范围，13至25岁）。这些健康的志愿者作为他们自己的对照，在三种不同的条件下（静止、热温和热痛）对fNIRS信号进行了比较。在手术患者组中，6名患者（2名男性；年龄，18.7±3.3岁；年龄范围，15至23岁）接受了常规的膝关节镜手术，没有额外的镇痛控制，而另外7名患者（1名男性，年龄，16.6±4.2岁；年龄范围，13至25岁）接受了前交叉韧带重建手术，并在手术开始前进行了神经阻滞。如表1所示。

▲ 表 1

在清醒志愿者中，位于侧额极皮层的两个通道（C5和C8），与静止或热温期相比，在持续的热痛期间，慢5频段的总分数功率出现了统计学上的显著下降（C5，静止与热痛P = 0. 020，差异的95%CI=[0.028至0.275]，热温与热痛P=0.009，差异的95%CI=[0.030至0.173]；C8，静止与热痛P=0.016，差异的95%CI=[0.031至0.257]，热温与热痛P=0.006，差异的95%CI=[0.046至0.227]）。静止和热温期之间没有显著差异（C5，静止与热温P = 0.294，差异的95%CI = [-0.147 to 0. 048]；C8，静止与热温，Cohen's d = 0.03，P = 0.902，95%的差异CI = [-0.135 to 0.120]），突出了慢5频段功率下降对持续疼痛感知的特异性。对其他低频段（即慢4到慢1）的功率谱密度分析没有显示出三种测试条件下的任何统计学上的显著差异。如图3、图4所示。

▲ 图 3

▲ 图 4

对于接受膝关节手术患者。考虑到两个手术亚组之间的手术时间和程序的差异性，我们生成了每个病人相同的4分钟期间（即第一个主要软组织切除事件后）的比值功率谱密度图。双尾双样本t检验显示，与预先进行神经阻滞的患者相比，没有神经阻滞的患者内侧额极皮层通道C3的慢-5带的比值功率明显较低（有神经阻滞的患者与无神经阻滞的患者， P = 0.004，差异的95% CI = [0.095 to 0.391]）)。如图5所示。

▲ 图 5

下图以通道C3为例，显示了两位病人在整个手术过程中的慢-5和慢-4动态比值功率变化时间过程。从图中可以看出，许多记录到的侵入性手术事件都与慢5比值 功率的下降有关。没有神经阻滞的病人（如病人5）的变化幅度似乎一般比有神经阻滞的病人（病人4）大。从所有记录的手术事件的时间变化的简单平均值中提取的比值功率反应函数证实了这一点。在没有神经阻滞的患者中，通道C3显示了统计学上的显著下降（P < 0. 05），与响应函数中t=0时的比值功率水平相比，慢-5比值功率大多从129s到187s显著下降（C3，比值功率响应函数中t=0时的标准化慢-5总比值功率：0.017±0.010，反应函数129s和187s之间的慢5总比值功率：-0.235±0.115，基线与反应时间内的慢5归一化比值功率Cohen's d=2.16，P=0.003，差异的95%CI=[0.129到0.375]）。但在预导神经阻滞患者的任何通道中都没有出现这种慢-5比值功率下降的趋势。事实上，两个手术亚组之间的测试显示，与神经阻滞亚组相比，无神经阻滞亚组C3中124s至168s的反应函数的慢-5比值功率明显较低（P=0.002，95%CI的差异=[0.147 to 0.469]）。如图6所示。

▲ 图 6

结 论

CONCLUSION

本研究用fNIRS对健康的清醒的志愿者和全身麻醉下病人的持续痛觉输入进行了评估。在清醒的个体中，与静止状态或持续的无害热温刺激相比，持续的有害热刺激产生了额叶皮层上慢-5振荡的比值功率的减少。在接受膝关节手术的麻醉病人中，观察到与侵入性手术过程有关的持续痛觉输入下类似的频谱变化。在接受区域神经阻滞的病人中，这种改变可以部分被逆转，因为区域神经阻滞可能减少了传入的痛觉信号。这些结果表明，在有意识和无意识状态下的持续痛觉处理过程中，慢波皮质血流动力学振荡有共同的功率变化。观察到的信号有可能促进未来开发一种替代信号，以评估全身麻醉下的持续痛觉。

原始文献：

Peng K, Deepti Karunakaran K, Lee A, et al. Rhythmic Change of Cortical Hemodynamic Signals Associated with Ongoing Nociception in Awake and Anesthetized Individuals: An Exploratory Functional Near Infrared Spectroscopy Study. Anesthesiology. 2021;135(5):877-892.

编 译：郝 芮

排 版：赵萌萌

校 审：方 芳

缪长虹

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