麻醉和海洛因依赖状态下大鼠前额联络皮层脑电特征

黄 磊，潘群皖，朱再满，高春芳，李 田，徐晓燕

(皖南医学院 1.麻醉与影像设备教研室；2.生理学教研室，安徽 芜湖 241002)

有研究表明，药物成瘾期间脑电的变化，可反映与药物依赖有关的认知活动[1]，海洛因诱导所产生的条件性位置偏爱(conditioned place preference,CPP)大鼠的觅药行为，与大脑前额联络皮层(front association cortex，FrA)的神经元功能及其突触间基质蛋白的改变有关[2]。我们先前的实验表明，海洛因诱导CPP大鼠黑-白箱(伴药箱)穿梭时， FrA区脑电与对照组比较，显示δ波百分比减少，β1、β2、α1、α2波百分比增加，尤以左侧FrA显著[3]。但也有报道在吗啡-诱导CPP状态下，大鼠左右侧皮层δ、θ、α1、α2、β1、β2脑电波及绝对功率降低[4]，这种实验结果的差异，推测可能与不同用药状态或脑电记录数据选取的时间有关，譬如大鼠处于麻醉状态、海洛因注射即刻(药物注射2 h内，呈类嗜睡样状态)和戒断状态(药物注射后12 h后，清醒活动状态)下，所记录的脑电可能存在差异。众所周知，脑电特征提取分析方法大致可分为时域、频域及复杂度分析三大类方法，其中时域分析方法就是通过查看脑电时域波形图上能突出反映某些重要信息(如癫痫脑电中的棘慢波)的峰值电位及波形的持续时间等参数来辨别非正常病理信息,其具有很强的直观性及明确的物理意义，在定量化分析脑电信号中占有重要地位。其缺点是没有考虑脑电信号在频率上的分辨率,而脑电频率变化是药物作用及各种生理、病理状态下脑电变化的主要特征[5-6]；而频域分析方法就是基于经典的傅立叶变换，把脑电波电位随时间变化的时域波形图直接转换为以脑电功率随频率变化的谱图，从而可直观查看脑电的频率变化来判断大鼠状态的改变，但缺点是它无法反映脑电信号在时间上的分辨率；不仅如此，脑电信号还是非线性、非平稳的随机复杂信号,在不同的时刻有着不同的频率成分,单从时域或频域角度来分析和表示脑电信号是不能够准确表达出来的。样本熵作为度量序列复杂性的统计方法，具有需要数据点数少、计算速度快以及抗噪能力强等特点，已广泛应用于癫痫[7-8]、疲劳脑电[9]等生理过程脑电信号处理研究中。为此，本课题组采用慢性电极FrA区埋藏，利用脑电无线遥测结合视频监测技术，动态测定大鼠麻醉、海洛因注射即刻和戒断状态下FrA区实时脑电，并通过小波消噪处理后还原的时域波形、功率谱及样本熵三种分析方法，对大鼠麻醉、海洛因注射即刻和海洛因戒断三种状态下FrA区脑电进行综合分析，以期探索麻醉和海洛因用药不同时段的FrA区脑电变化，为相关实验脑电记录时间段的选择提供参考。

1 方法

1.1 小波消噪方法 小波分析消噪的主要理论依据是:脑电信号的能量在小波域内主要集中于有限系数中,而噪声能量却分布在整个小波域。目前应用最广泛的是小波阈值去噪方法[10]，其算法流程是：①选择合适的小波函数，对脑电信号进行N层分解得到对应尺度下的小波系数；②应用非线性阈值函数来处理步骤①中的小波系数，得到各小波系数的估计值；③用所得的小波系数重构脑电信号，得到小波消噪后的脑电时域信号。

1.2 功率谱分析方法 功率谱分析的主要理论依据是假设脑电信号为线性、平稳信号。据此可通过在较长时间的脑电数据中截取一段有限时长(点数为N，采样率为f)的数据X，然后直接对这一段数据进行傅立叶变换，得到XN(ejw)，取其幅值的平方，再除以N就得到了这一段数据的功率谱密度，并估计出整体脑电信号的功率谱密度，其核心就是傅立叶变换。

1.3 样本熵分析方法 样本熵分析技术主要是基于可以把脑电信号视为非线性、非平稳的随机过程。而由Richman[11]提出的一种时间序列复杂性测度方法，其具有需要数据点少，计算速度快以及抗干扰能力强等优点。具体算法详见文献[5-6] 。

1.4 动物及分组 大鼠FrA区电极埋藏及海洛因诱导戒断大鼠模型制备详见文献[3]。实验大鼠麻醉使用20%氨基甲酸乙酯，4 ml/kg，腹腔注射。FrA区电极埋藏后，立即采集实验大鼠脑电，即为麻醉组脑电数据；将手术后饲养成活大鼠分成对照组和海洛因组，海洛因组大鼠又分为海洛因连续注射7 d的即刻大鼠(注射后2 h内)和海洛因戒断大鼠(注射后12 h)。通过脑电无线遥测系统和视频监测记录实验大鼠不同状态自发脑电20 min，目测选取其中特征明显脑电数据，每段数据时间为10 s，采样率：500 Hz，高通：0.10 Hz，低通：50 Hz。

2 结果

2.1 小波消噪后的时域分析方法 通过实验对比，本文最后选用Daubechies小波函数分别对正常组大鼠、麻醉组大鼠、海洛因即刻组大鼠、海洛因戒断组大鼠脑电信号进行6层分解后提取小波系数，应用非线性阈值函数处理得到消噪后各小波系数估计值，再利用这个估计值重构脑电信号。小波消噪后的脑电时域信号波形图如图1所示。

从图1中可知：正常对照大鼠脑电时域脑电信号电位幅度变化很小，几乎都在均值15 μV左右(细节查看可知：最小14.07 μV，最大15.88 μV)，表明正常大鼠脑电中既有同步化的慢波(低频高幅)，也有去同步化的快波(高频低幅)，其外在整体表现是电位幅度变化不大。与对照组比较，氨基甲酸乙酯麻醉大鼠时域图最明显的特征就是间断地出现类似癫痫样的棘状损伤电位，这与麻醉药、手术创伤和电极固定所使用的自凝牙托水刺激导致局部脑细胞损伤有关。海洛因注射即刻大鼠和海洛因戒断大鼠脑电时域波形与正常对照大鼠相比，其电位幅度变化明显加大， FrA区同步化慢波明显增多，去同步化快波明显减少，其外在整体表现是电位幅度变化加大。

2.2 功率谱分析方法 对1.1中经过消噪后的脑电数据做傅里叶变换，可得出每组大鼠的脑电归一化功率谱图，如图2所示。图2显示，与正常对照组相比，麻醉、海洛因注射即刻、海洛因戒断三种状态下，δ波(0～4 Hz)明显增加。而三种状态自身相比其δ波峰值按序右移，表明随着麻醉、药物注射后(清醒但类嗜睡享受)和戒断后觅药三种行为状态下，FrA区脑电δ波由高幅低频向低幅高频移行，这种移行分别与麻醉药阻断了中枢神经元突触间信息传递、海洛因导致嗜睡样享受状态脑电改变以及戒断期大鼠觅药行为相适应。视频观察也显示海洛因注射即刻状态，大鼠处于安静、类似嗜睡样的享受状态，全身伸肌紧张，尾部上翘，激惹阈值偏高，而海洛因戒断大鼠神志清醒，活动度增加，常出现怪异动作且易躁动，故其在δ波增多且峰值右移的同时，13～30 Hz频段显示去同步化波(低幅高频波)增多，这与皮层神经元兴奋状态下出现的脑电β波频段相吻合，提示与大鼠戒断状态下“毒瘾”发作有关。上述分析都是基于脑电信号是线性、平稳系统。但与行为有关的脑电信号是FrA区无数神经元活动的总体表现，属于典型的非线性、非平稳的随机复杂过程，用表示非线性动力系统产生新信息的速率即下文的样本熵分析技术来表示两者的差异更有说服力。

图1 小波消噪后时域波形图

图2 实验大鼠脑电归一化功率谱图

2.3 样本熵分析方法 通过自编程序对1.1中经过消噪后的脑电数据做样本熵分析，麻醉、即刻、戒断三组(每组15只实验)大鼠的样本熵均值与正常组大鼠(15只实验大鼠)比较结果如表1所示,其柱状图如图3所示。

从图3中可知：与正常对照组相比较，麻醉状态、海洛因注射即刻状态和海洛因戒断状态FrA区脑电的样本熵均值均显著性减小(P<0.01);海洛因注射即刻状态与海洛因戒断或麻醉状态大鼠相比，其样本熵均值也显著性减小(P<0.01)，表明麻醉、海洛因注射即刻和海洛因戒断三种状态下，实验大鼠FrA区神经元活动趋于有序化改变，其脑电序列的相似性增高。

海洛因注射即刻状态下FrA区样本熵值较麻醉和海洛因戒断大鼠显著降低，可能与实验大鼠FrA区神经元活动趋于有序化，脑电序列的整体相似性更高有关，这种脑电序列的相似性导致的熵值下降，与麻醉状态下FrA区熵值下降不同，前者是由于海洛因注射引起的一种皮层某些药物依赖通路的主动抑制，行为上呈现类嗜睡享受的表现，后者是麻醉药阻断了中枢上行激活系统，使皮层处于广泛性被动抑制，行为上处于非觉醒的表现。尽管此两种状态熵值较对照组比较均降低，脑电序列呈现同步化慢波(皮层抑制脑电)为主，行为学上同是处于抑制状态，但本研究结果统计分析表明，熵值低于0.4及以下者，应当可以作为海洛因依赖和麻醉药效鉴别的一个标准。

表1 麻醉、即刻、戒断三组大鼠的样本熵均值与正常组大鼠比较Tab 1 Comparison of the sample entropy in rats at narcotization,immediate injection of heroin and heroin withdrawal with the normal controls

海洛因注射即刻状态FrA区脑电样本熵值较戒断状态为低，其原因是虽然两种状态均表现为脑电的序列相似性增高，但戒断状态下，大鼠FrA区脑电较即刻状态δ波峰值右移的同时，低幅高频的去同步化波增多，且行为上由类嗜睡状态变成了清醒活动和觅药状态，因此，两者脑电序列的相似性虽然均增高，但其性质却截然不同。

3 结论

很多有关药物依赖大脑皮层机制的研究报道中，所描述的脑电百分比的改变常大相径庭，甚至相同的药物依赖模型在同一皮层记录的脑电百分比会出现相反的结果，究其原因，可能与脑电记录的实验状态及其时段不同有关。我们的实验表明，FrA区埋藏电极的大鼠在正常对照状态、麻醉、海洛因注射即刻和戒断状态时，其皮层脑电特征及其熵值是不相同的，具体表现为：氨基甲酸乙酯麻醉状态下、海洛因注射即刻和戒断状态下，大鼠FrA区皮层脑电去同步化慢波较对照组明显增加，其中δ波增加并依次由高幅低频向低幅高频移行，其样本熵均值减小；同时，与麻醉和戒断状态下FrA区脑电样本熵比较，海洛因注射即刻状态熵值显著减小。本实验结果提示麻醉阶段、海洛因注射即刻和戒断阶段，FrA区脑电与正常大鼠有本质区别，大鼠麻醉状态、海洛因注射即刻和戒断阶段FrA区脑电同样存在着较大不同，而这种不同可被小波消噪时域分析、功率谱及样本熵综合分析所鉴别。此外，本实验也证实不同的实验状态下，FrA区所记录的脑电百分比及其特征也并非相同，这为药物依赖机制皮层部位研究提供了一个较好的借鉴。

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