Neuromodulation:脑电图评估脊髓电刺激相关神经调控活动

人们对不同模式的脊髓刺激 (SCS) 如何抑制疼痛知之甚少。 作用机制可能存在于脊髓局部，但也涉及更大的网络，包括皮层下和皮层大脑结构。 SCS 的强直、爆发和高频模式原则上可以在这个网络中引入不同的时间活动模式，而最终必须对疼痛抑制产生特定的影响。 本文采用高密度脑电图 (EEG) 和最近开发的空间滤波技术来减少 SCS 伪影并增强与 SCS 神经调节特别相关的 EEG 信号。文章发表在《Neuromodulation: Technology at the Neural Interface》。

数据是从四名慢性疼痛患者的样本中收集的，这些患者接受了颈椎或胸椎硬膜外脊髓刺激以治疗由于外周和脊髓损伤引起的神经性疼痛。患者有多种病因，包括复杂区域疼痛综合征 (CRPS) 和脊髓海绵状血管瘤出血导致的中央脊髓疼痛。在最终植入刺激发生器几天后记录了四名患者中的三名，这是在证明 SCS 疗效的试验期之后。四名患者中的一个被记录了两次，在第一次会议中，在测试植入后两天，刺激发生器仍然在外部，在第二次治疗中，在刺激发生器最终植入后一天，14 天后。实验符合赫尔辛基宣言，并得到马格德堡奥托冯格里克大学伦理委员会 (135/19) 的批准。

SCS对大脑振荡的神经调节作用分析

使用 Brainamp 记录系统（Brain Products GmbH，Germany）从 61 个头皮标准位置记录脑电图（EEG），电极 AFz 接地，FCz 参考。额外的皮肤电极被放置在面部、颈部和手臂上，以测量眼球运动、心电图和与 SCS 相关的伪影。 SCS 患者舒适地坐在隔音、电屏蔽的录音室中，始终与实验者接触。对于每种 SCS 模式和 SCS 关闭的情况，以 3 到 5 分钟的间隔记录了睁眼的静息状态脑电图。在块之间，实验者使用 SCS 遥控器为下一个记录块选择刺激模式。在所有五个疗程中都记录了一个强直刺激（TONIC 模式）。在四个疗程中，强直脉搏频率为 40 Hz（患者 1、3 和 4），一个为 80 Hz。

得注意的是，分析不是针对特定模式参数之间的详细差异，而是针对模式之间的一般差异。在患者 1 的四个疗程中记录了脉冲频率为 200 Hz 和突发频率为 40 Hz 的主动充电爆发刺激（BURST 模式）和设置为 1200 Hz 脉冲频率（HF 模式）的高频刺激块。在三个疗程（患者 3 和 4）中，记录了 2 Hz（LF 模式）的低频刺激块，以表征对单个 SCS 脉冲的反应。对于 BURST，刺激强度始终保持在诱发感觉异常的阈值水平以下 20%，对于 HF 模式，刺激强度低于阈值水平 30%。对于 TONIC 模式，将刺激强度设置为患者在感觉异常阈值时感到舒适的水平。在所有会话中，我们最终记录了 SCS 关闭（关闭状态）的休息块。我们将不同模式下 SCS 期间的静息脑电图与每个会话中相应的 OFF 条件进行了比较。我们没有告知受试者所选的 SCS 模式；尽管他们不能完全被切换模式所蒙蔽。我们使用最大可能的 5000 Hz 采样率进行脑电图记录，以减少 SCS 伪影造成的失真。使用伪影和伪影后间隔中的平均 EEG 响应作为目标信号，分别设计用于伪影衰减的空间 SCS 伪影滤波器和用于增强神经调节信号的 SCS 响应滤波器。

用于伪影衰减 (SFA) 和响应增强 (SFR) 的空间滤波器

在对 SCS 有反应的脑电区域中，神经调节在所有 SCS 模式下都大大降低了 theta 和低 alpha 范围（6-10 Hz）的活动。 所有患者的结果都是一致的，并且与疼痛的丘脑皮质节律失常假说一致。 只有在将感觉异常作为副作用的强直模式下，SCS 也持续且强烈地降低高伽马活性 (>84 Hz)。虽然几十年来 SCS 一直是神经性疼痛的临床有效治疗方法，但其作用机制，特别是其对脊髓上神经元处理的影响，仍未完全了解。由于其节律性，SCS 可能与正在进行的神经同步节律相互作用。

然而，深入了解这种相互作用是困难的。 SCS 电生理分析的主要问题是，SCS 诱发的大脑反应和正在进行的大脑活动中与 SCS 相关的变化很难与刺激伪影和非特异性警觉效应分开。然而，通过空间滤波，我们大大减少了 SCS 伪影，并特别增强了 SCS 调制的 EEG 活动，揭示了不同 SCS 模式下大脑振荡的明显和常见变化。尽管我们为去除 SCS 伪影信号而优化的第一个空间滤波器在从正在进行的 EEG 中去除 SCS 伪影方面非常有效，但有时在 SCS 相关频率及其谐波处的频谱峰值的小残差仍然存在。由于它们在空间滤波后仍然存在，这些峰值与重建的伪影信号的相关性较低。它们可能是由与我们的伪影信号无关的隐藏伪影源产生的，或者是由 SCS 诱发的大脑反应时间和锁相到 SCS 周期的，但与 SCS 伪影本身并不完全相关。值得注意的是，空间过滤减弱了早期的 SCS 伪影，而不影响 SCS 诱发的反应，这表明存在与伪影不相关的晚期反应。与神经调节期间减少电刺激伪影的其他方法相比，的分析流程非常有效 。

EEG 频谱分析与空间滤波相结合，可以对 SCS 相关的神经调节 EEG 活动进行空间和时间特异性评估，有助于解开 SCS 的治疗和副作用的机制。

Buentjen, L., Vicheva, P., Chander, B., Beccard, S.-A., Coutts, C., Azañón, E., Stenner, M.-P. and Deliano, M. (2021), Spatial Filtering of Electroencephalography Reduces Artifacts and Enhances Signals Related to Spinal Cord Stimulation (SCS). Neuromodulation: Technology at the Neural Interface, 24: 1317-1326. https://doi.org/10.1111/ner.13266