【大家说】栏目，关注脑疾病转化医学前沿，综合研究成果概述、研究作者自述和国内权威专家解读。本期栏目，我们特别邀请到北京天坛医院的高国一教授，为我们解读并分享最新发表在Nature子刊《Communications Medicine》上关于使用头皮脑电图对重度创伤性脑损伤患者的播散性去极化进行无创且可靠的自动检测的研究成果。
一、研究概述
播散性去极化（SD）是大脑中的神经化学变化波，在皮质表面缓慢播散（1~8mm/min）并抑制神经活动，由跨神经元细胞膜的离子稳态破坏而引发。越来越多的证据表明，SD与创伤性脑损伤（TBI）、脑卒中和脑出血的不良预后有关，而且这种关联具有因果关系，SD的神经生理后遗症可直接导致继发性脑损伤的恶化。因此，作为一种可靠的生物标志物和有潜力的治疗靶点，SD的检测可能有助于改善相关患者的临床预后。
当前的SD检测基于侵入式颅内记录方法，覆盖的空间范围有限。SD对活动抑制进行播散，而此前一项针对真实数据进行的相关研究显示，使用脑电图（EEG）记录来定位大脑的非播散性活动抑制（神经静默[neural silences]）——“静默定位”（Silence Localization）具有可行性。由静默定位获得的见解不仅表明，使用EEG检测SD是有可能实现的，而且也为后续的研究提供了指导。
最近，一项研究通过适用于真实数据的自动算法，对重度颅脑创伤（sTBI）患者进行了SD无创检测的可行性探索和性能表现量化，相关结果于2023年8月19日发表在Nature子刊《Communications Medicine》上。
研究者基于其最近开发的WAVEFRONT算法，设计了一种SD自动检测方法。该算法具有可学习的参数和经过改进的速度估计，能够使用低密度EEG对传播的功率抑制进行提取和追踪。
研究采集了12名sTBI患者（9名男性，3名女性）的数据。患者接受了去骨瓣减压术（DHC），而后使用直流（DC）耦合EEG放大器，通过256 Hz采样频率和10~20个标准部位的19个电极，对持续的EEG信号进行记录（平均95±42.2小时）。此外，在DHC过程中，6个单级皮质脑电图（ECoG）电极成条状排布置入到患者的术侧脑半球，电极间距1cm，持续ECoG和EEG数据使用同一个放大器同步记录。
用于测试算法的数据集共包含700个SD，以实际真实的颅内EEG记录进行标记。研究者利用同步记录的头皮EEG信号，从真阳性率（TPR）、假阳性率（FPR）和SD频率估计准确性方面，对WAVEFRONT的检测准确性进行了量化。此外，研究者对不同频率范围的头皮EEG信号——[0.001，0.01]Hz（近DC）、[0.5，4]Hz（Delta）、[4，8]Hz（Theta）、[8，12]Hz（Alpha）和[12，30]Hz（Beta）——进行了带通滤波，以探究SD事件无创检测在不同频段中的可行性和性能表现。
结果显示，使用Delta频段头皮EEG信号时，WAVEFRONT算法实现了可靠的SD检测性能：在阳性预测值（PPV）＞0.66的受试者操作特征（ROC）区域，平均交叉验证TPR为74%（12,303/16,685个SD窗[含有SD标注事件的时间窗]接受检测），平均交叉验证FPR＜1.5%（在所有437,849个非SD窗中，错误报警＜7000次）；报告结果的置信区间（CI）均为95%。在平均ROC曲线中，上述运行点与最佳参数设置对应，交叉验证的误差最小（0.4256）。
基于不同频段的训练和验证结果显示，WAVEFRONT在Delta频段的检测性能优于Theta（73% TPR，2.0% FPR）、Alpha（65% TPR，2.0% FPR）、近DC（63% TPR，1.8% FPR）和Beta（59% TPR，1.6% FPR）频段（CI 95%）。虽然在大脑ECoG记录的SD波中，播散的DC偏移是众所周知的特征，但与更高的Delta频段的最佳性能表现相比，WAVEFRONT使用头皮EEG信号的近DC频率分量进行SD检测的性能更差（TPR减少11%，FPR增加0.4%，PPV减少9%）。
此外，研究者还探究了WAVEFRONT在SD检测事件总时长中预测SD频率的表现，并有意选择30小时的时间窗，以纳入含有大量SD的窗口（单个窗口的SD高达75个）。尽管数据有限且错误报警数量多，但初步结果表明，WAVEFRONT初步展现了在预测SD频率方面的工作潜力（回归R²≃0.71）。
综上，WAVEFRONT的性能表现显示，通过无创检测SD的方法以预测继发性脑损伤的恶化是有可能实现的，但仍有必要使用更多数据进行进一步研究，以了解这种算法的潜力。
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文章来源
Chamanzar A, Elmer J, Shutter L, Hartings J, Grover P. Noninvasive and reliable automated detection of spreading depolarization in severe traumatic brain injury using scalp EEG. Commun Med (Lond). 2023;3(1):113. Published 2023 Aug 19. doi:10.1038/s43856-023-00344-3
二、作者自述
通讯作者、美国匹兹堡卡耐基梅隆大学神经科学研究所、电力与计算机工程副教授Pulkit Grover博士等表示，“越来越多证据表明，SD是TBI患者预后的可靠预测因子。WAVEFRONT有可能通过测量SD频率用于脑损伤恶化的预测。”
“在头部，颅骨层的电导率非常低（据报告，大脑-颅骨电导率约为80），且颅骨会弱化大脑信号。随着大脑信号穿过头部多层结构到达头皮，这种活动在高空间频率中会被进一步减弱，”Grover博士等接着说，“这让SD波的检测和追踪变得困难，对狭窄的SD波来说更是如此。事实上，这种挑战在DHC（大骨瓣减压术）患者中会小一些，因为其电导率很低的颅骨层已被去除。”
对于后续研究，Grover博士等表示，“下一步是要探索SD无创自动检测用于颅骨完整患者的可行性。”
三、高国一教授的权威解读
这项研究解决了一个非常重要的问题，即对脑损伤患者进行SD无创检测。过去20年的研究指出，SD是损伤进展的主要驱动因素，针对SD的多项干预试验也正在启动。在此方面，可靠的SD无创检测存在巨大差距。目前，仅有进行手术（通常是去骨瓣减压术）的小部分患者可以进行SD检测，其允许在术中置入硬膜下条状电极来监测SD。这项研究旨在改进使用传统头皮EEG电极阵列的SD检测方法。
研究者对先前开发的WAVEFRONT算法进行了改进，并将其用于12例接受了DHC的sTBI患者的SD检测。该研究假设，使用无创EEG进行SD自动检测是有可能实现的。同时，研究者采用ECoG条状电极对手术侧进行了SD检测。该算法的性能量化基于SD的准确性检测，包括TPR、FPR和SD频率估计。最终结论是，WAVEFRONT可以在SD检测估计中达到很好的性能效果。这是一项非常好的成就，为未来使用更大数据集进行测试提供了良好的基础。
神经外科临床工作要求临床医生能够及时准确地判断或预测继发性脑损伤。目前通过脑电检测技术在床旁进行无创监测，并对脑电数据进行分析，是主要的监测手段之一。播散性去极化（SDs）导致细胞稳态的严重破坏，它会通过灰质缓慢传播，并提示脑组织代谢异常。SD与损伤进展之间关系的证据具备高度相关性，但其因果关系的判断则与临床处置手段措施密切相关，在这方面实现研究结果的临床转化，还需要做更多的研究工作。
专家介绍
高国一 教授
首都医科大学附属北京天坛医院
首都医科大学附属北京天坛医院创伤神经外科主任
神经外科教授，主任医师，博士研究生导师
中华创伤学会全国委员会委员
中华创伤学会神经损伤专业委员会副主任委员
中国神经外科医师协会颅脑伤专家委员会副主任委员
中华医学会神经外科学分会颅脑伤专业组副组长
世界神经外科联合会（WFNS）颅脑创伤委员会现任委员
Journal of Neurotrauma杂志亚太区编辑
承担多项国家级课题，在Lancet Neurology、Eclincalmedicine等杂志发表论著，获国家科技进步二等奖（排名第7）
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