脑缺血的脑电监测基本概念和临床应用

申林赵春光翻译赵双平校对

摘要:脑电图对缺血引起的神经功能变化非常敏感。作者简要回顾了脑电信号产生的本质和缺血对神经活动的影响,并讨论了不同的神经元/神经活动如突触传递对能量缺乏的敏感性差异。临床应用回顾包括颈动脉手术和急性缺血性脑卒中的连续脑电监测以及心跳骤停后的脑电图监测。

关键词:脑电图，缺血，颈动脉内膜切除手术，卒中，缺氧性脑病，疗效预测

大脑活动对能量的要求很高，约占身体总能量需求的20%，或20到25J/s。大部分能量用于维持细胞膜内外离子梯度，这对于生成静息膜电位和动作电位至关重要。而依赖ATP的Na/K泵消除突触传递与神经传递和配体门控通道相互作用产生的跨膜离子运动，从而维持体内电解质平衡。据估计，大脑皮层产生的ATP大约有40%用于维持静息膜电位和恢复参与产生动作电位的离子浓度。突触传递消耗大约35%的能量，主要用于逆转突触后受体传递离子的运动，其余的用于维持机体运作如蛋白质的合成。

如果体内能量供应受限，体内平衡机制失效，神经元最终会死亡。这个过程存在能量依赖的敏感性，即根据ATP耗尽的程度和持续时间而存在差异，从而导致局灶性或全脑性缺血后出现各种并发症。如大脑血流仅停止几分钟的情况下，突触传递失效，但随着灌注恢复功能也会完全恢复。然而如果神经元能量剥夺超过5-8分钟，膜电位将发生变化，最终达到Donnan电位，随后细胞内渗透压增加，导致细胞肿胀和死亡。

本文综述了脑缺血的神经生理学与临床脑电监测的关系，重点介绍了脑缺血在颈动脉外科、全脑缺血和急性缺血性卒中中的应用。

脑电信号与神经关联

脑电信号主要来源于上位皮层和下位皮层锥体细胞突触后电流的总和，部分依赖于丘脑对颗粒层(IV层)的传递。这些单元可以看作是微小的电流粒子，单个突触后电流的强度约为20fAm。因为单个神经元的电流粒子太小尚不足以产生在白噪声之上的可供记录的脑电信号，因此脑电信号的产生需要大量锥体细胞同步放电。神经元树突的共同放电形成一个“净”电流源，比单个神经元放电大几个数量级。头皮电极可测量的电压下限为10nAm，大约是一个突触后放电的万倍。这也为头皮电极脑电监测的空间分辨率设定了一个下限，即大约40平方毫米的活跃皮层产生产生的电信号。生理条件下动作电位对脑电信号没有显著的影响，但可能有助于病理条件下产生痫样放电。胶质细胞也可能参与脑电信号构成，但主要是减缓电压变化。

大脑皮层脑电节律是由大型神经元组件的相互作用（主要是突触的化学作用）产生的。关于脑电节律活动性机制尚未完全阐明。

一般而言，神经活动的变化可能是由于突触特性的改变或固有神经元特性的改变。突触特征的形态学改变远低于典型的成像阈值，而这些变化可能仅反映为功能变化而非典型的影像变化。尽管存在争议，但在微观层面上这些变化可以被可视化，如在缺氧条件下突触棘突可能会改变大小甚至消失。

脑电监测在缺血方面的应用

根据缺血深度和持续时间的不同，不同的神经元活动会受到不同影响。在生理条件下，大脑血流量大约为每分钟毫升，相当于心脏射血量的15%到20%。这相当于每克脑组织每分钟获得50到54毫升血液。

在轻度到中度缺血(15-35mL/g/min)的情况下，主要是突触传递受到影响。在这些条件下，神经元不会改变细胞膜电位，细胞不会发生肿胀，CT或MRI显示无异常，但脑电监测根据缺血的严重程度和持续时间的不同会出现节律活动的变化，典型的反应是快波减少。在严重的情况下，脑电图会变成等电位。这可能意味着突触传递失效，但也可能是可逆的。图1中展示了心跳停止后对脑电的影响。

图1展示了心跳骤停后脑电对缺血的敏感性（患者为反复晕厥入院，10s为观察周期，上为脑电，下为心电。A：正常脑电以及心电；B：脑电节律减慢，心跳自5s开始停止；C：脑电快波消失，慢波出现；D：脑电进一步减慢/心跳停止后20s；E：持续慢波，电位减低，患者双眼上翻无反应；F：完全恢复正常节律，心跳恢复）。

突触传递失效是否会恢复取决于缺血的深度和持续时间。例如对1小时短暂性大脑中动脉闭塞的大鼠进行的研究显示，突触前传递失效导致了突触功能的不可逆变化，而突触后兴奋性和神经元完整性得到了保留。

并非所有的突触或神经元对缺血事件都同样敏感。例如抑制性神经元可能更容易受到缺血事件的影响，这可能是由于谷氨酸能突触变化导致兴奋减少所致或发生内在功能障碍。这可能解释了在伴有广泛性周期放电的严重缺氧损伤患者中经常观察到的脑电同步性的增加。

如果缺血更严重，灌注低于10ml/g/min，膜电位会发生变化，并可能发展成Donnan电位，一般在-15到-20mV之间。这种非零膜电位一般发生在所有ATP依赖的过程都停止的情况下，特别是钠-钾泵停止工作后，细胞内存在无法通过膜的负电荷大分子从而产生Donnan电位。伴随着细胞内渗透压的增加，细胞外水分进入神经元细胞，导致细胞毒性水肿和细胞死亡的出现，脑电活动将永久消失。这些过程的概述见图2。

图2,缺血期间神经元功能可能发生的变化。A：只有突触传递失效,但仍保持产生膜电位和动作电位的能力,B缺血更加严重,膜电位改变并且动作电位消失。C细胞毒性水肿(已从b开始)可能最终导致细胞膜破裂。

临床应用

颈动脉手术中的脑电图

在颈动脉手术中，颈内动脉夹闭是进行动脉内膜切除术的必要条件。钳夹过程中若Willis环完整，大脑同侧半球血流可由另一半球供血。但如果通过这条支路的血流不足，可采用临时分流将颈内动脉进行桥接。由于脑电图对缺血反映很敏感，因此它被广泛应用于检测夹闭过程中对同侧半球的血流是否有损害。

为了确定围手术期患者的脑缺血风险，脑电图在反映脑血流的减少方面表现为快波减少，通常随后出现慢波增加。在图3中，提供了两例行内膜切除术治疗颈内动脉狭窄的患者的脑电反应。

图3,在对两个病人进行夹闭左侧颈内动脉的手术，脑电图的变化如图所示。左：快波活动的减少,在这种情况下,左侧大脑血流流速(CBF)25-30ml/g/min；右：快波活动减少和慢波活动增加，此时CBF为15ml/g/min。在这两种情况下,均建议行分流术。

哪一种脑电改变需要行分流手术尚存在争议。例如在手术中10%的alpha/beta波振幅降低可以接受，并不会导致缺血损害。在57位进行分流手术的病人中出现规律的脑电变化(8-13HZ节律存在50%或更多的振幅衰减，1HZdelta波增加)和术后病人中风无相关性。然而术后出现了中风的患者（2/22）出现了显著变化(8-14HZ节律衰减甚或消失，1Hz的delta波增加了2倍)。如果脑电图用于选择性分流术中，大多数神经电生理学家认为如果脑电图出现任何变化都建议进行分流。

尽管经颅多普勒也在不同的中心被使用，但目前尚无临床证据表明其比脑电图更可靠或更敏感。最近有报道称基于经颅多普勒进行的选择性分流术围手术期卒中率4.8%，而基于脑电图的卒中率为1.6%。尽管脑电图对大脑深部的血液流动不敏感，但皮质层脑电节律的不变是血流充足的可靠指标。理论上完全夹闭颈动脉后，旁支能够提供足够的血流给同侧的皮质，但不能提供给更深的脑部组织，但这种差异性的血流流动并不常见，深部以及皮层的血流变化往往是一致的。考虑到深部皮质层往往需要更多的血流，如果术中脑电节律不出现变化,可以安全评估大脑血流可以保证整个大脑神经组织的生存。

动脉内膜切除手术是否分流仍然是有争议的。有些外科医生采用常规分流手术，有些采用选择性分流手术。其他人可能不会使用分流。AbuRahma等人的研究表明，常规分流颈动脉内膜切除术平均围术期卒中率为1.4%，脑电图(EEG)指导下的选择性分流为1.6%，常规无分流术为2%。结果表明常规分流和选择性分流均与较低的围手术期卒中发生率相关。据我们自医院提倡选择性分流的经验，使用分流的病人卒中比例大约是3%到5%。这一低比例可能解释了常规/选择性分流与无分流之间的小差异。在夹闭中脑电图的显著变化与术后卒中风险显著相关，而这可以通过分流预防。在试验夹闭期间发生显著脑电图改变的病人比例相对较小，并且使用常规分流术可能增加动脉损伤或相关血栓栓塞引起围手术期卒中的风险，因此我们鼓励选择性分流，也有其他神经电生理学家持相同观点。

除了视觉评估之外，还提出了各种定量技术来帮助阐释脑电图。vanPutten等人于年引入脑对称指数(BSI)，即为量化大脑半球的平均不对称频谱。测量时需要首先评估每个大脑半球的平均光谱密度,而后按照频率为i=1,2,…n取值，并取双侧通道为j=1,2,…m，然后取标准化差值。Ri,j和Li,j分别表示右左半球J通道的i频率的能量。通常m=8,n=50，光谱分辨率0.5Hz，频率上限25Hz。BSI在0-1之间是正常的，其生理值是0.05-0.08左右。通常0.05的变化认为是有意义的并和视觉评估相关联。

因为在某些情况下夹闭术后全身会发生变化，脑电双频谱指数(tBSI)被应用于夹闭术。该指数通过取不同大脑半球不同时刻标准化差值量化了脑电图的变化。关于BSI指数的应用不同地点和时间的考虑也在之前的研究中提及。如图4所示。

图4,应用脑电双频指数在病人颈动脉手术时的脑电图。A：BSI无改变,不建议分流；B：BSI有显著改变,建议分流，同时在分流术中不对称波出现。

脑电图在急性缺血卒中的应用

40多年来脑电图一直被用来预测缺血性中风的预后。我们对连续脑电监测进行了研究以确定其在病人恢复过程中预测预后的潜在效用。几种定量脑电图特征（alpha、theta或delta波段的功率比值）已被证明作为中风后6个月好转或死亡的预测指数。衍生脑电双频指数是对原双频脑电指数的轻微修正,它并不估计每个半球的平均谱密度的标准差，而是估计每个半球的每个双极信号的谱密度的标准差。这使得衍生双频脑电指数对脑电图的局灶性对称性变化更加敏感。

无论是视觉评估还是定量评估，评估的预测值都较低或中等。比如在34例缺血卒中病人起初7个月恢复期内的一系列脑电监测显示了相对alpha功率的增加，这与Barthel指数增加相匹配，但是恢复情况和脑电之间的关联尚不明确。在另一项研究中记录例病人中风24小时后(3–小时)的脑电图，脑电pdBSI指数和DTABR指数与发病后6个月的改良mRS量表值中度相关（Spearmanrho1/40.46andrho1/40.47）。6个月的残疾率与患者入院时的NIHSS评分和pdBSI的相关系数分别是1.15和4.07。其他的研究报导了未受影响大脑半球变化的重要性，比如对侧半球delta波能量增加提示预后不良，使用事件相关去同步、对侧和同侧脑电调节在前几周的演变与运动功能的恢复相关。有研究进一步回顾了关于早期定量脑电图对缺血性卒中的预后评估。

脑电图监测在急性中风中的应用可能有助于早期治疗，比如尽早发现癫痫或监控中风进程，可使用持续定量脑电监测利用BSI指数去评估病人的临床神经状况和监测静脉血栓溶解的影响。如图5所示。

图5行r-TPA治疗后大脑对称指数(BSI)的变化。在时间=0时开始，持续1小时。在时间为80-min时，因为设备移除BSI指数不能获取。6小时内BSI指数的升高显而易见，随着BSI指数提高，病人卒中评分也随之提高。

在非常低的频率范围即低于0.5Hz的脑电活动的可靠测量与扩散性抑制或去极化相关的现象，也具有很高的临床意义。有神经学证据表明急性中风病人中发生扩散性抑制或去极化可能意味着病灶进展。然而对完整头骨患者的去极化测量存在相当难度，对于临床操作是个挑战。目前，只有硬膜下或实质内电极的脑电监测才能可靠地记录结构性脑损伤患者去极化扩散的情况。

心脏骤停的脑电图

心脏骤停后昏迷的病人的预后很难确定。尽管在重症监护病房接受治疗，但约有一半患者因严重的缺氧性脑病而预后不佳。早期识别没有脑功能恢复机会的患者可能会避免无效治疗，促进医患之间的沟通。目前的指南将心肌骤停72小时后躯体感觉诱发电位(SSEP)反应缺失和瞳孔或角膜反射缺失作为不良预后的可靠预测因素。然而这些措施对于检测最终不良结果的敏感性较低：只有约20%的患者没有康复机会。

因为脑电活动反映皮质突触活动，而皮层突触活动对缺氧的影响非常敏感，脑电监测对缺氧诱导的脑损伤的检测非常敏感。循环停止后10~40秒内，脑电活动变为等电位。然而病理脑电图活动预测不良预后的特异性长期以来一直不确定，而对与脑电图时间无关的脑电图背景模式对预后存在中度预测价值。

最近有研究表明，特定的病理或生理性脑电图模式确实可以准确地预测心搏停止后缺氧性脑病患者的预后，这些模式是根据心脏骤停后的时间来判定的。如图6所示.

图6,两例缺氧性脑病病人的脑电图变化。上图预后较好，出院时CPC评分=2分，下图预后较差，心跳停止7天后治疗中止。需要注意的是即使前几个小时的脑电图为等电位或仅显示零星的低电压活动，预后可能是有利的(上)，也有可能是不利的(下)。A、B和C对应于图7所示的时间点。

图7,两例脑卒中缺血性脑病患者脑电图变化，通过脑恢复指数进行量化。预后较好的患者脑恢复指数(CRI)为0.7,在心脏骤停24小时结果较差的患者大脑恢复指数(CRI)为0.3。最初24小时的脑电图生理节律改变对病人预后有着很好的预测价值。

患者在心脏骤停后的第一个小时出现深度昏迷并不一定妨碍功能的完全恢复。即使最初的脑电图显示为等电位，只要观察到其迅速改善，脑功能的恢复也是可能的。在心脏骤停后出现昏迷的病例中，几天后仍无改善则与预后不良有关。同样如果在12小时内恢复到持续的生理脑电节律的患者神经预后非常好。在这种情况下，病人的预后取决于大脑以外其他器官的损伤情况。

然而24小时内如果病人没有相应的改善，脑电图持续等电位，低波幅，存在爆发-抑制中某些特殊爆发波形通常提示预后不良。

基于两个前瞻性队列研究的一篇meta分析表明了早期脑电监测对于缺氧性脑病的预测价值，如表1所示，所有病人均接受了亚低温治疗和镇静治疗。

表1：基于对两组独立的前瞻性收集的队列(共名患者)的荟萃分析，脑电图背景模式预测心脏骤停后昏迷患者预后好坏的预测价值。

直观地讲，心脏骤停后脑电监测预测患者预后的价值会随着时间的推移而增加。然而现有数据显示的情况正好相反。在心脏骤停后的24小时内，脑电监测在有恢复机会和没有恢复机会的患者之间的差异以及预后好坏的预测值似乎是最大的。一个重要的原因是在许多最终预后不佳的患者中，超过24小时的非特异性脑电图活动是否仍包括定性或定量的预测特征仍有待阐明。

在低体温或镇静治疗过程中脑电监测往往不能作为预测指标。但这是一个没有数据支持的长期的错误观念。虽然离子通道动力学和神经递质释放与温度有关但影响程度较小，轻度治疗性低体温至32℃对脑电监测影响不大。此外丙泊酚引起的脑电改变已被医学界所熟知，在日常使用剂量下脑电图有望随着α节律的前移保持连续性而不发生等电位现象。如果诱导出现爆发-抑制且爆发不均匀并逐渐出现和消失，即为相对健康的大脑对镇静的一种生理反应。如与观察到的病理性爆发-抑制模式相对比，病理性爆发-抑制模式具有相同的爆发间隔，在抑制和突发活动之间有平坦的间隔和突变。尽管存在这些因素和现有的数据，耐人寻味的是最近的指南没有包括使用早期脑电监测协助判断缺氧性脑病患者的预后。

为了帮助解释脑电监测对缺氧性脑病患者预后的评估作用开发了脑恢复指数。脑恢复指数提供了一个来源于五个定量脑电图特征的数值：平均振幅，α/delta，熵，一致性和连续性。如图6所示脑恢复指数标准值范围为0~1，两例患者脑恢复指数的变化如图7所示。

讨论和总结

脑电对于因局部缺血引起的能量损耗导致的神经功能破坏非常敏感，机体代谢极度依赖突触传递相互作用以及保持离子通道的相对活性。脑电节律很大程度上依赖于这两个过程，而这两个过程的改变直接影响能量供应。此外脑电图是非侵袭性的诊疗手段不会引起患者的不适感。

在颈动脉手术过程中，脑电图为患者选择预防性分流术提供了一种准确的评价手段。在心脏骤停后昏迷的患者中，与心脏骤停后的时间相关的脑电图背景模式的判断可以准确预测患者的预后。因此未来的指南很可能会纳入脑电监测。脑电监测在急性缺血性脑卒中的潜在应用包括早期发现继发性恶化或病理生理改变，如皮层抑制扩散，但诊断价值仍有待确立。持续脑电监测将越来越多地得到计算机定量分析的帮助。

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