【摘 要】
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麻醉药物引起大脑神经活动和血流动力学活动的变化,由于成人和儿童的脑发育程度存在差异,因此麻醉药物会对不同年龄段的大脑产生不同的影响。目前不同年龄麻醉下神经活动和血流动力学活动的变化尚未明确。分析神经血管耦合是理解药物作用于大脑机制的重要途径。因此本文以临床获取的数据为基础,对不同年龄段麻醉下神经血管耦合进行研究。首先,利用脑电（electroencephalography,EEG）和功能近红外光谱
【基金项目】
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国家自然科学基金； 河北省自然科学基金优秀青年基金；
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麻醉药物引起大脑神经活动和血流动力学活动的变化,由于成人和儿童的脑发育程度存在差异,因此麻醉药物会对不同年龄段的大脑产生不同的影响。目前不同年龄麻醉下神经活动和血流动力学活动的变化尚未明确。分析神经血管耦合是理解药物作用于大脑机制的重要途径。因此本文以临床获取的数据为基础,对不同年龄段麻醉下神经血管耦合进行研究。首先,利用脑电（electroencephalography,EEG）和功能近红外光谱成像技术（functional near infrared spectroscopy,fNIRS）系统同步采集儿童（6-12岁）和成人（18-60岁）两个年龄段的神经活动和血流动力学活动数据。对原始EEG数据进行了去除工频干扰、肌电干扰、眼电干扰等预处理。基于修正的比尔朗伯定律将原始fNIRS信号转化为相对含氧血红蛋白（oxy-hemoglobin,Δ[Hb O]）与脱氧血红蛋白（deoxy-hemoglobin,Δ[Hb]）信号,并对其进行去除运动噪声、低通滤波等预处理。针对神经活动,从线性角度,采用多锥度算法对EEG信号进行功率谱和时频谱分析;从非线性角度,计算两个年龄段在清醒、麻醉、恢复三个状态的排序熵（permutation entropy,PE）。并对各频段能量(SO（0.1-1Hz）,δ（1-4Hz）,θ（4-8Hz）,α（8-13Hz）,β（13-30Hz）,γ（30-45Hz）和PE进行年龄依赖性分析。针对血流动力学活动,采用希尔伯特变换计算Δ[Hb]和Δ[Hb O]之间的相位差（phase of oxygenation and deoxygenation hemoglobin,hpod）指数,并对Δ[Hb]、Δ[Hb O]及hpod指数进行年龄依赖性分析。结果表明,PE对成人和儿童均有很好的状态辨别能力,且在清醒和麻醉状态没有年龄依赖性;Δ[Hb]对成人和儿童的状态区分能力良好且只在麻醉状态有年龄依赖性。其次,从振荡同步的角度,本文提出采用小波相干性（wavelet coherence,WTC）分析和基于相位锁、shannon熵、条件概率的相位同步（phase synchronization,PS）分析方法量化不同年龄段麻醉下神经血管耦合强度的变化。神经活动指标选取各频段能量和PE,血流动力学活动指标选取Δ[Hb]和Δ[Hb O]。对清醒、麻醉、恢复三个状态的相干性和相位同步指数进行年龄依赖性分析。结果表明,儿童和成人意识丧失后神经活动指标与血流动力学活动指标的相干性均降低,意识恢复后回到清醒状态。清醒期的相位同步指数(PSPLV、PSSE、PSCP)在儿童和成人之间有显著差异,且成人的PSPLV高于儿童,这说明了儿童和成人的脑发育程度不同。PSPLV（ΔHb-Gamma,ΔHb O-Gamma）、PSCP（ΔHb O-Theta、ΔHb O-Alpha、ΔHb O-Beta）在麻醉期儿童和成人有显著差异。麻醉引起成人PSPLV（ΔHb O-各频段能量、PE）升高,PSSE（ΔHb O-各频段能量、PE）降低,引起儿童PSCP（ΔHb-PE、ΔHb-SO、ΔHb-Delta、ΔHb-Theta）降低。这些结果说明,麻醉和年龄是影响神经血管耦合强度的重要因素。最后,基于因果分析方法,本文对神经活动和血流动力学活动的驱动关系进行分析。采用基于二元自回归模型的格兰杰因果分析和基于无模型的符号转移熵方法量化不同年龄段麻醉下不同方向的神经血管耦合强度的变化。神经活动指标选取各频段能量和PE,血流动力学活动指标选取Δ[Hb]和Δ[Hb O]。对清醒、麻醉、恢复三个状态的格兰杰因果和符号转移熵进行年龄依赖性分析。本研究发现,儿童和成人意识丧失后,神经驱动和血流动力学驱动的能力均下降、低频段（0.1-4Hz）能量与Δ[Hb]的符号转移熵增加。意识恢复后,低频段（0.1-4Hz）能量与Δ[Hb]的符号转移熵减少。每个状态内儿童和成人的低频段Δ[Hb]之间的符号转移熵在年龄间是有显著性差异的（P<0.05）。以上结果显示神经血管耦合强度和方向与意识的有无有关,且具有一定的年龄依赖性。总之,麻醉下神经活动、血流动力学活动及两者的耦合关系均具有年龄依赖性,对神经活动指标和血流动力学指标进行结合优化对建立年龄依赖的生物标志物,提高监测麻醉深度的精度有帮助。
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