125% 的最佳治療強(qiáng)度，依瑞德光學(xué)腦機(jī)技術(shù)助力揭示意識(shí)障礙治療的“倒U型”黃金法則

在神經(jīng)重癥監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，意識(shí)障礙（DOC）患者的治療一直是醫(yī)學(xué)界面臨的重大挑戰(zhàn)。這些患者如同被困在意識(shí)的灰色地帶，與外界溝通困難，有針對(duì)性的治療手段非常有限。

近年來(lái)，脊髓刺激（SCS）技術(shù)為這類患者帶來(lái)了新的曙光，但如何確定最佳刺激參數(shù)卻成為臨床治療中的關(guān)鍵難題。

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院何江弘教授團(tuán)隊(duì)與北京信息科技大學(xué)司娟寧副教授團(tuán)隊(duì)近期發(fā)表的一篇論文《Stimulation intensities influence the effects of spinal cord stimulation in disorders of consciousness:an fNIRS study》通過(guò)近紅外腦功能成像技術(shù)（fNIRS），首次系統(tǒng)揭示了脊髓刺激強(qiáng)度與腦血流反應(yīng)之間的關(guān)系，為意識(shí)障礙患者的精準(zhǔn)治療提供了重要科學(xué)依據(jù)。這項(xiàng)研究不僅發(fā)現(xiàn)了刺激強(qiáng)度的"黃金區(qū)間"，更能讓我們對(duì)神經(jīng)調(diào)控機(jī)制有了更深層次的理解。

研究方法

被試

納入共11名意識(shí)障礙患者；

年齡范圍：18-62歲，平均年齡42.3±12.7歲、病程均超過(guò)28天、符合國(guó)際DOC診斷標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)植入SCS裝置。

被試基線特征

患者CRS-R評(píng)分7-17分，運(yùn)動(dòng)閾值強(qiáng)度2.0-7.0mA，具體臨床數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)表1。

表1 意識(shí)障礙患者的臨床數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)被試個(gè)體達(dá)到的運(yùn)動(dòng)閾值（能夠引起上肢可見(jiàn)運(yùn)動(dòng)的最小刺激強(qiáng)度）的刺激強(qiáng)度分為四種：

• 低強(qiáng)度組（50%閾值）；

• 閾值強(qiáng)度組（100%閾值）；

• 中等強(qiáng)度組（125%閾值）；

• 以及高強(qiáng)度組（150%閾值）。

其他刺激參數(shù)包括70Hz的頻率和210μs的脈沖寬度。

實(shí)驗(yàn)每個(gè)階段包括60秒基線后接四個(gè)分塊，每個(gè)分塊由30s刺激和120s間隔組成。每位受試者均接受 4 種強(qiáng)度測(cè)試。不同刺激組的順序隨機(jī)，每階段后有5分鐘休息期。

圖1

a：研究設(shè)計(jì)

b：fNIRS探頭排布

c：被試佩戴fNIRS光纖帽

fNIRS數(shù)據(jù)收集

在研究過(guò)程中，采用依瑞德集團(tuán)的臺(tái)式激光近紅外腦功能成像系統(tǒng)BS-7000S對(duì)11名意識(shí)障礙患者，進(jìn)行四種不同強(qiáng)度SCS時(shí)腦部血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)。

該設(shè)備采用690nm、830nm雙波長(zhǎng)檢測(cè)，光纖帽按國(guó)際10-20標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射極和接收極排布為106通道，覆蓋全腦，在該研究中重點(diǎn)關(guān)注前額葉皮層（PFC）和顳頂聯(lián)合區(qū)（TPJ）的氧合血紅蛋白的濃度變化。

研究結(jié)果

1、整體血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)：倒U形劑量 - 反應(yīng)曲線

四種強(qiáng)度刺激下，HbT濃度呈現(xiàn)明確的倒U形變化：

• 中等強(qiáng)度組（125%閾值）在刺激中（0-30秒）引發(fā)的血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)最顯著，峰值出現(xiàn)在15-20秒；

• 高強(qiáng)度組（150%閾值）響應(yīng)稍弱，且刺激后出現(xiàn)負(fù)向響應(yīng)；

• 閾值強(qiáng)度組（100%閾值）呈正向響應(yīng)但幅度低于中、高強(qiáng)度組；

• 低強(qiáng)度組（50%閾值）響應(yīng)微弱，部分腦區(qū)甚至出現(xiàn)HbT下降（TPJ區(qū)域刺激中HbT顯著低于基線，p=0.0483）。

2、不同腦區(qū)的特異性響應(yīng)

前額葉皮層（PFC）

中、高強(qiáng)度組的HbT均值和峰值均顯著高于低強(qiáng)度組（p<0.01），且PFC對(duì)高強(qiáng)度耐受性更強(qiáng)，中、高強(qiáng)度組響應(yīng)差異不顯著，提示PFC具有更寬的治療窗口。

顳頂聯(lián)合區(qū)（TPJ）

僅中等強(qiáng)度組HbT均值顯著高于低強(qiáng)度組（p=0.0104），高強(qiáng)度組峰值較中等強(qiáng)度組呈下降趨勢(shì)（p=0.0539），說(shuō)明TPJ對(duì)強(qiáng)度更敏感，治療窗口更窄。

圖2 TPJ和PFC組，在四種強(qiáng)度SCS刺激時(shí)，平均HbT濃度變化的時(shí)間進(jìn)程。每條曲線周圍的紅色陰影區(qū)域表示標(biāo)準(zhǔn)差。灰色陰影區(qū)域表示SCS期間。

圖3 四種刺激強(qiáng)度下SCS前、中、后各階段HbT濃度的比較。圖中每個(gè)點(diǎn)代表單個(gè)患者在SCS前階段（-5至0秒）、SCS中階段（0至30秒）和SCS后階段（30至60秒）的平均值。

圖4 在四種SCS強(qiáng)度下，兩個(gè)腦區(qū)ROI之間HbT濃度峰值和平均值

圖5

a：左右半球在不同刺激強(qiáng)度下的激活水平。表面顏色是BrainNetVierwer可視化呈現(xiàn)的SCS期間平均血紅蛋白閾值（HbT陽(yáng)性信號(hào)）。

b：各通道在各刺激塊中的組平均HbT（排除變異系數(shù)＞25%的數(shù)據(jù)）。刺激間隔期（30至150秒）由虛線間的灰色區(qū)間標(biāo)示。

C：不同刺激強(qiáng)度下激活通道數(shù)量。

d4：四種刺激強(qiáng)度下的凈曲線下面積（AUC）值。

研究結(jié)論

最優(yōu)刺激強(qiáng)度

對(duì)于DOC患者，基于個(gè)體運(yùn)動(dòng)閾值的125%（中強(qiáng)度） 的SCS能產(chǎn)生最優(yōu)的皮層血流動(dòng)力學(xué)激活，遵循“倒U型”劑量—反應(yīng)規(guī)律。

精準(zhǔn)與個(gè)體化參數(shù)設(shè)置的重要性

本研究證明了“一刀切”的固定強(qiáng)度方案不可取。強(qiáng)度過(guò)低（低于閾值）可能無(wú)效甚至產(chǎn)生抑制，過(guò)高則可能因過(guò)度刺激而降低療效，甚至產(chǎn)生負(fù)面影響。必須基于個(gè)體反應(yīng)（如運(yùn)動(dòng)閾值）進(jìn)行精確滴定。

fNIRS作為神經(jīng)調(diào)控中“精準(zhǔn)調(diào)參”的價(jià)值

在DOC患者無(wú)法提供主觀反饋的困境下，fNIRS能夠?qū)崟r(shí)、客觀、無(wú)創(chuàng)地可視化SCS對(duì)大腦的即刻效應(yīng)，為評(píng)估療效和優(yōu)化參數(shù)提供了不可替代的客觀生物標(biāo)志物。這為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)腦機(jī)接口（根據(jù)實(shí)時(shí)腦血流反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整刺激參數(shù)）奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

總結(jié)展望

這項(xiàng)研究為意識(shí)障礙患者的神經(jīng)調(diào)控治療開(kāi)辟了新的道路。通過(guò)精確的強(qiáng)度調(diào)控，我們有望為這些"沉睡"的患者找到喚醒的鑰匙。未來(lái)研究可以進(jìn)一步探索不同刺激參數(shù)的組合效應(yīng)，結(jié)合多模態(tài)神經(jīng)影像技術(shù)（MEG、EEG等），建立更加完善的個(gè)體化治療體系。

隨著腦科學(xué)與神經(jīng)工程技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，我們能夠?yàn)槊恳晃灰庾R(shí)障礙患者量身定制最優(yōu)的治療方案，幫助他們重新建立與世界的連接，讓生命的曙光再次照亮那些沉寂的心靈，為無(wú)數(shù)家庭帶來(lái)了新的希望。

撰文：鄧青云

審稿：鐘 健、堯利書(shū)

參考文獻(xiàn)：

LiuA,GeQ,JiaoL,PengH,SunY,HanS,ZhangQ,SiJ,HeJ.Stimulationintensitiesinfluencetheeffectsofspinalcordstimulationindisordersofconsciousness:anfNIRSstudy.Neurophotonics.2025Jul;12(3):035003.doi:10.1117/1.NPh.12.3.035003.Epub2025Aug7.PMID:40777927;PMCID:PMC12331174.

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