睡眠脑电波的个性化指纹 为了解疾病提供强有力新工具

美国麻省总医院的研究人员开发了一种强大的计算工具，通过表征大脑在睡眠中的个性化活动电波，用于理解大脑健康和疾病。

　　

脑电图测量头皮上的脑电波，科学家通常使用脑电图(EEG)来研究睡眠时的大脑活动。睡眠脑电图中的短暂振荡波形代表短期的协调大脑活动，其中一组特别重要的睡眠脑电波事件被称为睡眠纺锤波，这些纺锤波是短振荡波形，通常持续不到1-2秒。已知睡眠纺锤波是与记忆巩固（即将短期记忆转换为长期记忆）有关的短暂振荡事件，纺锤波的变化与许多神经退行性疾病有关，如精神分裂症、自闭症和阿尔茨海默病等，也与自然衰老有关。其实，从20世纪30年代中期开始，人们已经开始通过观察机器画在纸带上的脑电波图形来研究睡眠脑电图。不过，即使是最新的检测睡眠波形的机器学习和信号处理算法，许多睡眠脑电图的重要特征依然是基于近一个世纪以前人们最容易观察到的波形图。在这项研究中，研究人员提出了这样一个问题：如果将睡眠脑电波的概念扩展能通过眼睛识别的范围之外，能发现什么?

由来自麻省总医院的研究团队设计了一种新的脑电图表型分型方法，从一个睡觉的人的脑电波中提取数万个电子事件——关键在于他们没有像标准的睡眠研究那样根据固定的睡眠阶段(如清醒、快速眼动和非快速眼动阶段1-3)来观察波形，而是描述了睡眠期间大脑中发生的渐进变化的完整连续图形——利用连续动力学在宽频率范围内描述一种广义的瞬态时间-频率事件。来自这些波形的信息被用来创建大脑活动的图像——研究小组利用所有这些数据创建了称为慢振荡功率和相位直方图的图形表示，它提供了一个强大的可视化的所有波形的活动作为连续睡眠深度和皮层同步活动的函数。

当研究小组观察一组健康的参与者，每个人都有两晚的睡眠记录时，观察到的模式似乎就像指纹一样——每个人都有高度特异性，而且在不同的夜晚有很强的一致性。这些结果揭示了大脑活动因人而异的新方式，甚至在被选为对照组的健康人群中也是如此。然后，研究人员比较了健康受试者和精神分裂症患者之间的活动，精神分裂症是一种会减少纺锤体活动的疾病。使用他们的方法，研究小组不仅看到了精神分裂症患者的已知差异，还发现了大脑中其他频率出现的其他纺锤状波形的差异。这表明，精神分裂症的脑电图生物标志物可能有助于更好地理解这种疾病的机制，并有助于开发有针对性的治疗方法。

研究结果发表在《睡眠》杂志上。“这种方法真的很令人兴奋，”马萨诸塞州总医院精神科的合著者Dara Manoach博士说。“我们期待着看到我们如何增进我们对精神分裂症的理解，以及其他以睡眠差异为特征的神经发育障碍，如自闭症和儿童癫痫。”资深作者Michael Prerau博士说：“我们才刚刚开始了解存在于一般人群中的神经多样性的范围。。。如果我们能更准确地描述在神经健康和疾病中观察到的个体差异，我们就可以致力于改进诊断和治疗。。。这项研究拓展了我们观察睡眠时大脑活动的方式。。。通过超越将复杂的睡眠连续体划分为特定类别和波形类别的传统观念，我们可以揭示新的信号类型和动态，这可能对理解大脑健康和疾病很重要。”