7脑的电活动睡眠与觉醒

脑的群电活动(EnsembleElectricActivity)与睡眠觉醒节律罗非教授北京大学基础医学院神经生物学系电话:82801010;Email:[e-mail]:…动作电位是脑内唯一可以快速远距离传递的信号神经元相互结合成电网络，同时也可按某种节律同步放电群电活动可以通过表面或深部电极加以记录BrainisElectric……脑内的电信号有膜电位动作电位突触后电位Andalotmore……脑使用电信号的优势…电信号的时间精度(temporalaccuracy)远超化学信号有可能进行多点(multi-site)的实时(real-time)记录有可能进行无创(non-invasive)检测适合进行高级分析Beforewestart…我们一生中1/3的时间将在睡眠中度过吃饭和娱乐也会占据另外的1/3时间在剩余1/3的生命中童年和各种教育占据1/3老年时期占据另外1/3因此，只有大约1/9的生命，大约不足10年时间，可以用于有效的工作Beforewestart…睡眠的大部分时间都被浅睡或梦境占据通常在整个夜晚，只有不足30分钟是真正的深睡眠事实上，我们在所谓清醒的日间也很少有真正清醒、没有做白日梦或注意力分散的时候因此:我们有必要了解下述两类过程睡眠和觉醒梦与非梦Whatwewilllearn脑电图脑的状态：睡眠与觉醒脑电图(Electroencephalogram,EEG)EEG简介EEG的记录EEG的计算机辅助分析EEG在基础和临床医学中的应用事件相关电位EEG简介EEG的定义通过放置在头皮表面的多个电极所记录到的一组场电位EEG的历史RichardCaton,利物浦内科医生将电极直接放在暴露的动物脑表面，发现存在电信号，发表于1875年1887年,Caton通过干扰落在动物眼中的光线，检测到脑电的负向波动HistoryofEEGDr.HansBerger,奥地利精神病学家首次记录人体脑电十八世纪20年代早期，利用移动感光纸和闪动光点记录脑电，发现每秒10次的常规波动由于这是他第一个从人类EEG中分离出来的波，他将此波动命名为波1929年，Berger发表了该结果，这是有关人类脑电的第一篇论文HistoryofEEGDr.HansBerger的谨慎精神Berger在自己和其它许多人身上反复记录通过同步记录心电和头部血压变化，排除了由血循环造成波动假相的可能性将电极放在皮肤以下记录，排除了波动来自皮肤的可能性HistoryofEEGDr.HansBerger十八世纪30年代，首先命名了波和波第一个采用EEG作为脑电图的缩写名称提出波幅度小于波指出波与集中注意力和惊跳反应有关HistoryofEEGDr.HansBerger1931年，发现波在睡眠、全身麻醉、使用可卡因等情况下消失发现脑损伤造成颅内高压的患者波幅度减低发现癫痫患者的高幅脑电波发现Alzheimer‘s病和多发性硬化患者存在EEG改变HistoryofEEGDr.HansBergerCarlZeiss基金会注意到Berger的一系列发现赠送给他电子放大器和特质的示波器，并为他配备了助手HistoryofEEGDr.HansBerger发现癫痫病人在发作后脑波几乎变平；波随着意识的恢复而恢复脑波在出生两月后采出现，与脑内神经元髓鞘化的过程一致Dr.HansBergerEEG的本质未知部分动作电位、兴奋性突触后电位、抑制性突触后电位等电位活动的总和(Eccles,张香桐,Jung等)已知部分大群神经元的同步放电EEG的本质EEG的记录电极的放置国际标准10–20系统(Jasper,1958)Gibbs系统(Illinoissystem)EEG的记录参考电极单极与双极记录遥控EEG记录24小时跟踪EEG的参数：频率定义：单位时间(秒)内波的个数单位:赫兹(Herz,Hz)EEG频率的分类波:7.5-13Hz波:14-30Hz波:3.5-7.5Hz波:0.4-3Hz种类频率(Hz)波幅(uV)主导时期Alpha7.5-1320-60清醒、放松Beta14-302-20思维活动Theta3.5-7.520-100儿童的支配频率，在成人随困倦和注意而增加Delta0.4-320-200深睡，婴儿支配频率频率与波幅脑波的起源两种可能的振荡控制中心指挥型凑呜曲型脑波的起源简单的细胞环路即可产生振荡脑波的起源甚至单个细胞在外来刺激下也会产生振荡脑波的起源目前认为，神经细胞的内在特性(intrinsicproperties)及其相互间的突触连接决定了神经网络的振荡特性EEG的参数：波幅EEG的参数：波形正常波形EEG的参数：波形•正常变异EEG的参数：波形病理波形EEG的参数：波形人工假相:技术问题或外部干扰所致，一般较为短暂可能因电极移动、接触不良、肌肉或头部运动、出汗等造成EEG解释的困难每个通道的皮层电位是脑内大量神经元活动组合的反映源的贡献随着其与电极距离的缩短而非线性地增大在向头皮传递过程中受脑膜、头骨和皮肤影响可能会衰减或扭曲计算机辅助下的EEG分析在计算机协助下，可以生成脑电地形图声称三维重构影像进行功率谱分析以及其它许多分析绘制意识之图数字化的EEG模/数转换(A/Dconverter)采样间隔(samplingtimeinterval):0.005-0.01s实时(realtime)记录定量EEG:可用于显示、滤波、频率及波幅分析、以及彩色地形图EEG脑地形图功率谱分析EEG与基础医学研究EEG与基础研究EEG与运动功能成人:no无肯定的关系儿童:脑电高频者fastreactiontime反应时间较短EEG与情绪正性情绪时左侧额叶EEG活动增加负性情绪时右侧额叶EEG活动增加EEG与基础研究EEG与IQ没有肯定的关系EEG与感觉听阈在波较强时比其它时候更低(听觉更敏锐)刺激复杂性增加时波抑制增加EEG与基础研究EEG与感觉听觉辨别任务难度增加时波抑制增加EEG与注意当任务不要求注意环境时,(例如心算)比要求注意环境时顶叶波增加EEG的临床应用癫痫由于神经元混沌式活动导致的惊厥睡眠障碍脑肿瘤诱发电位(EvokedPotential)与事件相关电位(Event-RelatedPotential)Definition指对神经系统某一特定部位(包括从感受器到大脑皮层)给予相宜的刺激，或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工，在该系统和脑的相应部位产生可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反应。EP/ERP的特性空间特性:只能在特定的空间范围内检测到时间特性:具有特定的波形和强度分布相位特性:刺激和反应之间存在锁时(time-locked)关系EP/ERP的起源大部分源于大脑皮层,因为皮层神经元有特殊的层状排列部分可能反映了脑干神经元的活动EP/ERP均反映了脑内神经元群体的活动EP/ERP的采集：平均策略平均技术的原理由于刺激与EP之间存在锁时关系而背景噪音与刺激之间的关系是随机的多次叠加可以消除噪音影响，增大信噪比再除以叠加次数就可以使EP保持原大小而大大削弱噪音EP/ERP的种类外源性刺激相关的诱发电位(EP)感觉(visualorVEP,auditoryorAEP,somatosensoryorSEP)运动(电或磁刺激诱发)内源性事件相关诱发电位(ERP)记忆和思维相关电位:P300语言相关电位:N400准备或预期相关:CNV短潜伏期体感诱发电位(SLSEP)几乎不受意识状态影响外周及中枢通路都很清楚成分之间的关系及其传导途径也较清楚在临床各科室有广泛的应用短潜伏期体感诱发电位(SLSEP)脑干听觉诱发电位(BAEP)主要用于耳科学用于各种听觉检测中用于了解听神经及脑干通路活动用于诊断影响这些通路的功能性或结构性疾病脑干听觉诱发电位(BAEP)运动诱发电位(MEP)在运动区及其传出通路上施加电或磁刺激在下游通路上记录诱发电位可利用经颅磁刺激(TranscranialMagneticstimulation,TMS)应用：客观、定量地反映中枢运动功能运动诱发电位(MEP)ERP与EP的区别ERP研究中要求被试的主动参与用于ERP研究的刺激不能单调至少需要两种模式、序列或种类的刺激ERP的外源性成分与刺激的物理性质相关,而内源性成分(如P300,N400等)则与认知活动相关P300简介最经典、最早发现且研究最广泛的ERP波形在顶叶中线附近最明显主要反映脑对外部信息的认知过程P300:应用P300与反应时：无必然联系P300与智能：操作智能越低，P300的潜伏期越长，幅度越低P300与测谎：从植物神经生理到神经电生理变化P300与临床：主要用于各种原因而致的认知障碍的病人，可以为智能障碍及其程度提供神经电生理的依据；神经精神药物的药效学和药理学指标ERP的定量化与参数提取波幅(Amplitude)潜伏期(Latency)波峰间期(Inter-PeakLatency)波幅比值和峰间期比值(Ratio)波面积(AreaunderCurve)ERP的临床解释首先建立正常值数据库理解各种参数的生理学和病理生理学意义潜伏期:反映传导功能幅度:参与放电的神经元成分缺失:严重损伤的存在进一步还需研究EP活动的来源ERP的多通道记录ERP长于说明事件在脑内发生的时刻，却无法有效地说明他们发生的位置NoseLeftRightOccipitalERP的脑地形图P300在头皮表面电场分布的2D地形图利用内插值法可以计算出头皮上任何一点在任何时刻的电位ERP的生物电模型研究的真正目的是了解脑内,而不是头皮上发生了什么脑内每一个电活动均可在头皮表面投影成某种地形图逆问题：源分析建模逆问题的进展使用高密度(例如128导联)ERP记录已降低测量误差使用磁力数字化装置定位ERP记录电极在头皮上的位置获得被试头部的磁共振影像影像分割根据MRI图像灰度值将影像分割成不同的组织类型(皮肤、骨骼、灰质、白质、脑脊液)TopN3D头部建模根据这些组织类型生成具有解剖精度的三维头部模型根据组织类型给每个象素赋予电学特性数值将ERP和MRI的数据空间融合P300在头皮上的生物电模型P300在皮层表面的模型偶极子源模型采用真实的头模型计算逆问题的解SummaryEP/ERP可以反映视网膜、视觉通路、内耳、听神经、脑干、外周神经、脊髓后索、感觉皮质以及上下运动神经元的各种病变，事件相关诱发电位则用以判断患者的注意力和反应能力。诱发电位具有高度敏感性，对感觉障碍可进行客观评诂，对病变能进行定量判断。对心理精神领域可进行一定的检测，故当前广泛应用于对神经系统病变的早期诊断，病情随访，疗效判断，予后估计，神经系统发育情况的评估以及协助判断昏迷性质和脑死亡等。但图形无特异性，必须结合临床资料进行判断；不在有关神经传导径路中的病变，不能发现异常。睡眠与觉醒睡眠－觉醒周期是一种昼夜节律人的睡眠可按EEG特征分期睡眠过程呈现慢波睡眠和快速眼动睡眠的周期性交替睡眠的生物学意义睡眠－觉醒节律的机制-中枢的主动活动概述睡眠与觉醒：两种不同的功能状态觉醒状态：与环境有主动感觉运动联系，产生复杂适应行为睡眠状态：联系减弱或消失，伴有躯体和植物性功能变化睡眠与觉醒是以自然昼夜为周期的生理活动研究方法:EEG,EOG.EMG人类对睡眠的认识两种睡眠时相,特别是快动眼睡眠的发现睡眠/觉醒周期与昼夜节律Ⅰ约日节律/昼夜节律(circadianrhythm)与24小时自然昼夜交替大致同步人一生中的睡眠觉醒周期始于出生时,随年龄增长而变化:新生儿一昼夜多个周期