約翰·霍普金斯大學(xué)Adam Li研究組發(fā)現(xiàn)神經(jīng)脆性可作為癲癇發(fā)作區(qū) (SOZ)的腦電圖 (EEG)標(biāo)志物。他們通過使用注釋 SOZ 的神經(jīng)脆弱性作為預(yù)測手術(shù)預(yù)后的指標(biāo)，在對 91 名患者的回顧性分析中開發(fā)并回顧性驗證了一種新的EEG標(biāo)志物——神經(jīng)脆弱性。
對于世界各地 1500 多萬無法通過藥物控制的癲癇患者來說，唯一剩下的選擇是切除大腦中癲癇發(fā)作的部分。 即便如此，手術(shù)的有效性也只有 50% ，因為精確定位負(fù)責(zé)的大腦區(qū)域具有非常大挑戰(zhàn)性。 約翰·霍普金斯大學(xué) (Johns Hopkins University) 生物醫(yī)學(xué)工程師開發(fā)了一種新的方法，可以突出大腦中癲癇最嚴(yán)重部分。 該方法不僅可以更準(zhǔn)確地診斷癲癇發(fā)作，還有助于指導(dǎo)更精確的手術(shù)治療。 該團隊的研究最近發(fā)表在《 Nature Neuroscience 》期刊上。
該項研究的工作人員 AdamLi 表示，“對這些患者來說，唯一可行的治療方法是通過手術(shù)切除導(dǎo)致癲癇發(fā)作的大腦區(qū)域。 然而，手術(shù)往往無法達(dá)到應(yīng)有的效果，因為沒有生物標(biāo)記物可以精確定位癲癇大腦區(qū)域。 我們的目標(biāo)就是解決這個問題。 ” 在這項研究中，研究小組描述了他們?nèi)绾文M腦電波的動態(tài)，從而開發(fā)出一種定量測試，來計算任何一個大腦區(qū)域?qū)е掳d癇發(fā)作的可能性。 這個數(shù)學(xué)模型是基于生物實驗得出的，這些實驗表明，大腦區(qū)域連接的變化會導(dǎo)致大腦不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致癲癇發(fā)作。 這種不穩(wěn)定性被稱為神經(jīng)脆弱性 (neural fragility) 。 神經(jīng)脆弱的直觀圖-不平衡和平衡的網(wǎng)絡(luò) 上圖： 多次 癲癇發(fā)作( 左) 和癲癇發(fā)作期間 ( 右) 的 iEEG 軌跡。 下圖:顯示導(dǎo)致癲癇發(fā)作的脆弱節(jié)點連通性變化的網(wǎng)絡(luò)示意圖(右)。這定性地描述了動態(tài)iEEG網(wǎng)絡(luò)背景下的神經(jīng)脆弱性概念，節(jié)點代表興奮性 (E) 和抑制性 (I) 神經(jīng)元群 。從動態(tài)系統(tǒng)的角度來看，這種不平衡是由少數(shù)脆弱節(jié)點引起的，以過度激勵或抑制不足的形式導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。 我們將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的脆弱性定義為在使網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定之前對其鄰居的權(quán)重施加的最小能量擾動16,18。 在系統(tǒng)理論中，當(dāng)節(jié)點受到擾動時，穩(wěn)定系統(tǒng)會返回到基線狀態(tài)。 相反，當(dāng)節(jié)點受到擾動時，不穩(wěn)定的系統(tǒng)會振蕩并增長。 在癲癇的背景下，脆弱的節(jié)點需要較小的擾動才能導(dǎo)致癲癇發(fā)作。 脆弱性理論可以在線性動力系統(tǒng)的背景下建模： x(t + 1) = Ax(t)。 擾動A矩陣 的列將改變一個特定節(jié)點(即該列)與其相鄰節(jié)點的動態(tài)連接，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不平衡。 研究小組將這個數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于 EEG 數(shù)據(jù)，計算每個 EEG 電極的神經(jīng)脆弱性。 之后，研究人員開發(fā)軟件用于處理腦電圖數(shù)據(jù)，處理并返回結(jié)果圖顯示整個大腦通道的神經(jīng)脆弱性隨著時間的推移。 這些信息有助于提高癲癇的診斷和幫助指導(dǎo)患者的手術(shù)治療。 該軟件獲得了 FDA 510k 的許可， Adam Li 預(yù)計該熱圖將有助于臨床醫(yī)生診斷癲癇腦區(qū)。
上圖為DRE患者可能出現(xiàn)的不同癲癇病因的困難示意圖。由于EZ沒有生物標(biāo)志物，也從未被直接觀察到，導(dǎo)致癲癇發(fā)作的網(wǎng)絡(luò)機制是復(fù)雜的。根據(jù)數(shù)據(jù)集中存在的定位困難程度的增加，臨床病例的復(fù)雜性排序為lesional (1), focal temporal (2), focal extratemporal (3) 以及 multifocal (4)。這四種分類簡化了可能的癲癇表現(xiàn)，但為臨床觀察到的簡單或復(fù)雜病例提供了廣泛的分類。 實驗設(shè)計示意圖。下圖:一個簡化的類似工作流程，臨床醫(yī)生用來評估他們對提議的SOZ定位，從而進(jìn)行手術(shù)。 Adam Li 表示 : “我們目前正在尋求更多資金，將產(chǎn)品推向市場。 我們預(yù)計這可能需要一到兩年的時間。 ” 研究團隊在 openneuro.org( 一個 NIH 資助的神經(jīng)數(shù)據(jù)存儲庫 ) 上發(fā)布了匿名 EEG 數(shù)據(jù)的子集，以幫助促進(jìn)數(shù)據(jù)共享和分析。 該團隊的下一個目標(biāo)是在癲癇發(fā)作之外記錄的 EEG 數(shù)據(jù)中復(fù)制其發(fā)現(xiàn)。 Adam Li 表示“我們想在沒有任何癲癇活動的情況下記錄 EEG 數(shù)據(jù)，看看我們是否可以僅使用這些數(shù)據(jù)來確定癲癇大腦區(qū)域。 這是非常有用的，因為這樣我們就可以利用患者通常擁有的大量癲癇性 EEG 數(shù)據(jù)。 ”這將減少確定治療所需的時間，并最大限度地減少患者與顱內(nèi)腦電圖監(jiān)測相關(guān)的風(fēng)險和醫(yī)院費用。 Adam Li et al, Neural fragility as an EEG marker of the seizure onset zone, Nature Neuroscience (2021). DOI: 10.1038/s41593-021-00901-w https://medicalxpress.com/news/2021-10-epilepsy-surgical-precision.html
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