近期，首都医科大学附属北京天坛医院神经外科杨艺教授团队在神经医学期刊《Stroke and Vascular Neurology》发表了题为“Mechanisms of disorders of consciousness based on source-level microstate characteristics under deep brain stimulation neuromodulation”的研究论文。

本研究旨在提高意识障碍神经调控治疗有效率，针对脑时空动力学变化可揭示疾病大尺度脑网络内在机制这一关键问题，对9例慢性意识障碍（DOC）患者开展不同频率（25Hz、50Hz、100Hz，电压3.0V、脉宽120μs）中央丘脑DBS（脑深部电刺激）神经调控，术后通过同步分析刺激期EEG源空间微状态时空动力学特征，探索不同刺激频率下脑网络变化机制，以期迅速确定个体化程控参数。结果显示微状态聚类分析得到7个最佳微状态类型，100Hz刺激组微状态平均持续时间显著长于25Hz、50Hz组，尤以左侧感觉运动区与右侧颞叶变化最为突出；微状态语法矩阵表明，100Hz刺激可诱发更广泛皮层的微状态转换，且与25Hz、50Hz相比，左侧感觉运动状态、右侧背部状态向右侧颞叶状态的转换更为显著。结论表明，不同频率中央丘脑DBS均可引起患者源水平微状态指标响应，且不同刺激频率对应差异化的脑时空动力学响应模式。

首都医科大学附属北京天坛医院的赵继宗院士、杨艺教授，山东大学齐鲁医院（青岛）张春云教授为本论文的共同通讯作者。航空总医院曹天庆、山东大学齐鲁医院（青岛）的姜彬和王益华为本论文的共同第一作者。

[REF:Cao T, Wang Y, Jiang B, Liu D, Nan W, Chai X, He Q, Zhu S, Wu H, Jia Y, Zhang C, Yang Y, Zhao J. Mechanisms of disorders of consciousness based on source-level microstate characteristics under deep brain stimulation neuromodulation. Stroke Vasc Neurol. 2026 Jan 2:svn-2025-004148. doi: 10.1136/svn-2025-004148. Epub ahead of print. PMID: 41482344.

意识障碍（DoC）是以意识和/或觉醒异常为特征的脑功能障碍，通常由外伤、中风或缺氧引起的严重脑损伤引起。DoC包括昏迷、无反应觉醒综合征/植物状态（UWS/VS）和最低意识状态（MCS）。根据语言相关反应（命令跟随行为等）的有无，MCS可以进一步分为MCS+和MCS-。对于意识障碍的发病机制和治疗机制，现有研究仍不充分。现在被广泛接受的是“丘脑-皮层”投射关键节点的破坏和“皮层-皮层”结构的广泛失连接，导致来自大脑各个区域神经活动的不协调，丧失了大脑的自我维持、协调的脑活动的动态过程。

大脑是一个高度复杂的动态系统，脑电图（EEG）活动揭示了大脑中丰富的时空动态，即随时间重复出现的空间分布模式，这是意识的先决条件。现有的理论认为不同的空间和时间信息是意识加工所必须的。在过去的几十年里，用头皮脑电检测患者的意识状态是已被证明有效的方法。静息态脑电图研究主要集中在频谱模式和功能连接网络的动态变化上，综合了几秒钟内的大脑活动，但不能在较短时间尺度上（例如几分之一秒）发生的静息状态脑网络的空间和时间特性。基于脑电地形图的微状态分析是研究大脑的时空动力学的重要工具。这些头皮电极拓扑学的时间演变提供了对远距离电极之间长程抑制性的准稳定期的理解，反映了大规模皮层网络内的功能协调。EEG微状态分析可以在亚秒尺度上捕获不同大脑区域的活动的时空动态。因此，可以促进对DOC患者信息处理受损背后的脑动力学变化的研究。EEG微状态是合适的候选生物标志物，具有比功率谱或功能网络分析更快的时间尺度，用于研究大脑状态及其在认知和精神疾病中的快速转变。相比功能磁共振，EEG源水平微状态具有高时间分辨率及高空间分辨率，更能明确意识障碍患者脑皮层水平的时空动力学变化。

脑时空动力学紊乱导致意识障碍。既往鲜有研究探讨不同刺激频率下DBS刺激期意识障碍患者脑网络的动态变化。因此本研究旨在识别DOC患者不同刺激频率DBS刺激期间源水平EEG微状态参数的差异，明确对应的脑时空动力学变化，探究其作用机制，从而优化神经调控刺激参数设置，实现个体化程控策略提供依据。

图3 A：患者的术前头颅MRI扫描和术后CT扫描（上部），以及患者植入深部脑电极后的重建（下部）。B：在患者接受DBS手术且病情稳定后，我们启动DBS并设置不同的刺激参数，在床边用高密度数字脑电图机记录患者的脑电图变化。C：实验方案介绍：在不同刺激频率（25Hz、50Hz和100Hz）下开启DBS，每天4个小循环。每循环包括0.5h的刺激，1.5h的休息。

本研究对9名患者在三种不同刺激频率及基线状态（刺激前）下的36段静息态脑电（EEG）时间序列进行了溯源重建。基于180 000个全局场强（GFP）峰值样本，采用k‑均值聚类对所有患者的脑电微状态进行分类。通过肘部法则确定，微状态的最佳聚类数为7。图4A展示了当聚类数k从2到20变化时全局解释方差（GEV）的变化情况。图4B为各典型脑电源水平微状态的空间拓扑图，包括：左侧感觉运动态、右侧背侧态、右侧颞叶态、左侧颞叶态、右侧额叶态、前部态及左侧背侧态。

图4 A：基于肘部法则，采用k‑均值聚类算法确定微状态最佳聚类数（7类）。B：各典型脑电源水平微状态的空间拓扑图。

本研究进一步对比了刺激前与三种不同频率刺激条件下各微状态的属性。图5A显示，刺激前与三种刺激条件下的全局解释方差（GEV）无显著差异（p=0.0635，Wilcoxon符号秩检验）。图5B表明，100Hz刺激组的微状态平均持续时间显著长于25Hz刺激组（p=0.0484，FDR校正）。

随后，针对特定类型微状态，计算其平均持续时间、覆盖度及出现频次。结果显示，三种微状态（左侧感觉运动微状态、左侧颞叶微状态与右侧颞叶微状态）的时间参数存在统计学的显著差异：100Hz刺激下左侧感觉运动微状态的平均持续时间长于25Hz刺激（p=0.0499，FDR校正）及刺激前（p=0.0499，FDR校正）（图6A）。100Hz刺激下左侧颞叶微状态的覆盖度低于25Hz刺激（p=0.0234，FDR校正）（图6B）。100Hz刺激下右侧颞叶微状态的平均持续时间长于50Hz刺激（p=0.0195，FDR校正）、25Hz刺激（p=0.0117，FDR校正）及刺激前（p=0.0195，FDR校正）（图6C）。100Hz刺激下右侧颞叶微状态的覆盖度高于50Hz刺激（p=0.0195，FDR校正）、25Hz刺激（p=0.0195，FDR校正）及刺激前（p=0.0117，FDR校正）（图6D）。100Hz刺激下右侧颞叶微状态的出现频次低于25Hz刺激（p=0.0234，FDR校正）（图6E）。

在7种微状态中，左侧颞叶与右侧颞叶微状态在刺激后表现出更明显的差异，这一趋势同样体现在组水平微状态句法矩阵中。微状态句法矩阵反映不同微状态之间的转移概率，可进一步刻画时空动态特性。

与刺激前相比，25Hz刺激后，右侧背侧态与左侧背侧态更易向左侧颞叶微状态转移（图7A）。与刺激前相比，100Hz刺激后，左侧感觉运动态、右侧背侧态、左侧颞叶态及右侧额叶态更易向右侧颞叶微状态转移；同时，右侧颞叶态与左侧背侧态更易向左侧背侧态转移（图7B）。与25Hz相比，100Hz刺激后，左侧感觉运动态与右侧背侧态更易向右侧颞叶态转移；相反，25Hz刺激后，右侧背侧态、右侧额叶态、前部态及左侧背侧态更易向左侧颞叶态转移（图7C）。与50Hz相比，100Hz刺激后，左侧感觉运动态、右侧背侧态及右侧额叶态更易向右侧颞叶态转移（图7D）。

本研究得到了脑科学与类脑研究科技创新2030青年科学家项目（2022ZD0205300）、国际港澳台科技合作项目（Z221100002722014）、民政部康复领域重点实验室和工程技术研究中心2022年开放项目（2022GKZS0003）、北京脑科学与类脑研究所青年学者计划（2022-NKX-XM-02）和北京市自然科学基金（7232049）的支持。