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原创 复杂网络分析方法在癫痫中的应用

梁树立 主任医师 北京儿童医院 儿童功能神经外科
2017-02-05 198人已读
梁树立 主任医师
北京儿童医院

癫痫的外科治疗中,已有研究显示切除发作起始区与癫痫术后效果的关系并非那么简单,相当一部分切除了发作起始区本以为效果会很好的病例却仍有单纯部分性发作甚至更复杂的发作。这些情况提示癫痫并非是单个局灶区域引起的发作,它的发生可能存在着更复杂的网络机制。ILAE(国际抗癫痫联盟)的最新版(2010版)癫痫分类标准突出强调了癫痫脑网络的概念,认为癫痫可以作为一种脑网络连接失调的疾病。近年来,突破传统癫痫灶的概念理去解癫痫发作的观点越来越受到重视,癫痫脑网络分析显得越来越重要,基于图论的脑网络分析具有重要意义,并取得一定成果。下面简要介绍基于图论的复杂网络分析在癫痫脑网络方面的研究进展。北京儿童医院儿童功能神经外科梁树立

2.1 癫痫发作与脑网络变化关系

      2007Ponten等人发现mTLE患者在发作期部分频带上的脑功能网络趋向于规则网络,Srinivas等发现海马功能网络的小世界特性在发作期丢失。2010Kramer等人通过分析癫痫患者的脑皮层脑电图数据发现,对应于癫痫发作前—发作中—发作后这 3 个阶段, 患者的功能性脑网络依次表现出趋向于随机网络—趋向于规则网络—趋向于随机网络的特性, 也即功能性脑网络的拓扑特性表现出随患病状态而变化的动力学行为。2013年的一项脑网络研究表明脑网络拓扑学结构在发作期趋向规则,并伴随局部子网络形成,而在发作终止后变得更加随机。

2.2 癫痫发作预测

       癫痫脑网络的研究对预防癫痫发作具有十分重要的意义。对癫痫发作的预测可能打开药物或者刺激方法治疗癫痫的闭环,为防止癫痫发作的产生,提高治疗效果,降低治疗相关的副作用提供更多可能。早在1975年,Viglione Walsh就指出癫痫发作间期到发作期的转换不是一个突然的过程,在癫痫的预发作阶段有相应改变预示癫痫发作;2003年,利用平均相位相干分析方法,Mormann等指出脑电数据的同步性下降预示着癫痫发作;Le等在2005年研究了颞叶癫痫患者颅内电极脑电图IEEG)数据,他们发现70%癫痫发作在真正发作前数小时有具体的大脑同步性状态改变,这些改变可以是大脑同步水平的提高或降低并常集中于主要致痫灶附近,因而他们认为相位同步方法可以用来区分癫痫发作前和发作间期脑部电活动]2011Kerr等人通过构建不同时间窗的相干连接矩阵研究癫痫患者多部位脑立体定向脑电图SEEG)记录数据揭示了如何利用多因素分析方法研究脑网络结构来更好的探测到早期癫痫发作。

2.3癫痫致痫灶的定位

        把记录脑电图部位作为图中的一个节点,区分哪一个节点最先表现异常可以为致痫灶定位提供重要信息。1994年,Franaszczuk等人用多变量Granger因果分析方法,采用定向传递函数(directed transfer function DTF)分析颅内电极脑电图数据定位致痫灶,对3个内侧颞叶癫痫患者癫痫发作传播模式的可视化分析表明颞叶深部内侧结构是癫痫活动的源头[19]2004Baccala等人利用头皮脑电的部分定向相干(PDC)结合图形(强连通子图)分析的方法正确定位致痫灶,此外PDC分析结合介数中心度算法也成功用于定位由局灶性皮质发育不良引发的继发性癫痫2011年,Jung等人基于集成定向传递函数分析3Lennox-Gastaut综合征患儿两侧同步性痫样放电的脑电图,结果显示具有较高平均产出信息的区域与手术要切除的致痫区域相吻合。在2014年的一项研究中,Kim等人利用DTF方法结合延时估计以提高LGS患者的定位精确度,他们展示了手术切除区域与他们定位的致痫区重合较多的患者有更好的术后效果,认为这一方法可以在术前预测病人术后效果。

复杂脑网络分析从全脑的角度出发,为癫痫的发作预测和致痫灶定位提供了新的视角,但这项研究方法中也存在许多需解决的问题,比如如何确定哪种节点定义方法是最合理的,以前的研究提示不同的网络节点定义方式对网络拓扑性质有着广泛的影响,同样的不同网络连接定义方式也对网络拓扑性质存在广泛影响,如何评价不同定义方法对网络的影响并确定最合理的定义方式是构建大脑功能网络需要面对的一个关键问题。目前关于脑网络研究的报道有一些不一致的结果,这些差异可能是不同分析方法造成的,也可能有其内在的机制,无论如何,这都要求研究者对脑网络进行更深入的研究。

目前大多数研究都集中在较小的具体的患者组,相应的研究方法也只较好使用于特定病例。因使用条件的不同,不同研究方法的比较不容易进行,需要对实验进行一定标准化。结构是功能的基础,当前的一些研究为理解大脑结构和功能之间的关系提供了重要线索[ ],要理解结构网络组织模式对大脑功能形成的作用以及大脑功能的塑造对大脑结构的影响仍然需要结合多模态成像技术等进一步研究。随着网络概念的进展,脑结构网络成像、功能网络成像与脑电图的联合应用,能反映信息在节点之间传播方向的效应连接将得到进一步研究,再结合相应的后处理方案的建立将为癫痫灶的定位以及癫痫发作的预测和控制癫痫的发生、发展,揭示其潜在病理基础提供有力证据。

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梁树立 主任医师

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