在重癥醫(yī)學和康復科，常常會出現(xiàn)一類讓人揪心的患者：他們在重度腦損傷后心跳呼吸保住了，卻始終不能與外界有效交流。家屬最想知道的，是床上這個看似清醒、卻又對呼喚毫無反應的人，到底“還在不在里面”。這就是醫(yī)學上所說的慢性意識障礙（Disorders of Consciousness, DOC），其中見的兩類是無反應覺醒綜合征（VS/UWS，俗稱植物狀態(tài)）和微意識狀態(tài)（MCS）。

VS/UWS 患者存在睜眼行為與睡眠 - 覺醒周期，但缺乏自我及環(huán)境覺知；MCS 患者則可出現(xiàn)偶發(fā)、細微且有目的性的行為反應。兩類患者外在表現(xiàn)高度相似，治療策略與預后卻差異顯著；文獻顯示，僅依靠傳統(tǒng)床旁行為評估，誤診率高達 41%，難以精準識別殘存意識。為實現(xiàn)客觀、可靠的意識水平判定，神經(jīng)影像技術(shù)成為重要探索方向：PET、fMRI、EEG各有優(yōu)勢，但也存在明顯局限 ——fMRI 價格高昂、對運動偽影高度敏感，難以用于重癥患者；EEG 空間分辨率不足、易受環(huán)境噪聲干擾，床旁應用受限。

中山大學附屬第三醫(yī)院康復醫(yī)學科聯(lián)合杭州師范大學浙江—比利時意識障礙聯(lián)合實驗室，在《Journal of Translational Medicine》發(fā)表了題為“Functional connectivity in whole-brain and network analysis differentiates minimally conscious from unresponsive patients: a resting-state fNIRS study”的研究論文。研究納入52名意識障礙患者和49名健康對照，借助便攜式近紅外腦功能成像系統(tǒng)進行5分鐘靜息態(tài)掃描，從全腦、感興趣區(qū)、通道以及靜息態(tài)網(wǎng)絡四個層面刻畫功能連接，比較健康人、MCS和VS/UWS的差異，并嘗試識別可用于區(qū)分兩類意識障礙的客觀生物標志物。

文章信息

研究采用橫斷面設計，意識障礙患者來自中山大學附屬第三醫(yī)院康復科，健康對照在社區(qū)招募，時間跨度為2023年12月至2025年1月。入組要求意識障礙持續(xù)超過28天，病因包括腦卒中、顱腦外傷或缺血缺氧性腦病。所有患者均由兩位對fNIRS結(jié)果設盲的康復治療師在兩周內(nèi)完成至少5次CRS-R評估，最終確定為VS/UWS或MCS。

近紅外信號采集使用730/850 nm雙波長連續(xù)波模式，采樣率11 Hz，布有24個光源和24個探頭，按國際10-20系統(tǒng)在頭皮上形成63個有效通道。研究者根據(jù)MRIcro的Brodmann分區(qū)把通道劃歸到前額葉皮層、運動前皮層、Wernicke區(qū)、感覺運動皮層和視覺皮層五個感興趣區(qū)，并細分左右半球。

圖1  fNIRS光極配置

數(shù)據(jù)采集在安靜無外界刺激的房間中進行，床頭搖高30°，連續(xù)記錄5分鐘靜息態(tài)信號。整體分析流程如圖2所示。預處理在MATLAB中完成，結(jié)合Homer2、NIRS-KIT和BrainNet Viewer工具箱：去除10秒、剔除變異系數(shù)過高的壞通道，轉(zhuǎn)換為光密度后用樣條插值校正運動偽影，再以0.01—0.1 Hz帶通濾波抑制呼吸、心跳等生理噪聲，最后通過修正比爾—朗伯定律得到含氧、脫氧和總血紅蛋白濃度。后續(xù)功能連接分析全部基于穩(wěn)健性更好的總血紅蛋白HbT。

圖2 分析流程

研究分別構(gòu)建了全腦平均功能連接、ROI到ROI的連接矩陣和63通道之間的連接矩陣，并以多種子點相關(guān)法刻畫感覺運動、聽覺、額頂、默認模式和視覺五個靜息態(tài)網(wǎng)絡，各網(wǎng)絡的種子點位置和連接如表1所示。統(tǒng)計層面采用方差分析或兩樣本t檢驗，并以性別、年齡、病因和病程作為協(xié)變量，所有結(jié)果經(jīng)FDR校正，并用ROC曲線和留一法交叉驗證下的支持向量機評估個體水平的分類能力。

表1  健康參與者和DOC患者靜息態(tài)種子點網(wǎng)絡連接分析中各種子點的位置及其相關(guān)連接

1. 健康人與意識障礙：全腦功能連接顯著受損

研究共納入 101 名受試者，包括 26 名 VS/UWS 患者、26 名 MCS 患者與 49 名健康對照，腦出血為首要病因。三組對比顯示，健康對照、MCS、VS/UWS 的全腦平均 z 值依次降低且差異顯著。相較于健康人群，意識障礙患者前額葉、運動前區(qū)、感覺運動皮層、Wernicke 區(qū)出現(xiàn)廣泛功能連接下降，提示意識障礙存在彌漫性腦網(wǎng)絡整合障礙。

圖3 健康對照者與意識障礙患者的全腦功能連接對比  

2. MCS 與 VS/UWS：高階腦網(wǎng)絡連接差異顯著

校正性別、年齡、病因及病程后，MCS 患者在雙側(cè)前額葉、雙側(cè)感覺運動皮層、右側(cè) Wernicke 區(qū) — 左側(cè)感覺運動皮層的功能連接，顯著高于 VS/UWS 患者。通道級分析進一步篩選出 5 條穩(wěn)定差異連接：Ch3—Ch11、Ch4—Ch26、Ch4—Ch29、Ch9—Ch21、Ch20—Ch50，集中分布于雙側(cè)前額葉與左側(cè)運動前區(qū)（圖 4）?？梢?MCS 保留更多前額 — 運動 — 語言高階網(wǎng)絡連接，而 VS/UWS 呈現(xiàn)明顯的腦網(wǎng)絡解體特征。

圖4 校正后MCS和VS/UWS患者的全腦功能連接分析

A 基于ROI的功能連接t值矩陣B 兩組間顯著ROI–ROI功能連接的小提琴圖C 校正后兩組間顯著的基于通道的功能連接D 兩組間顯著通道–通道功能連接圖

3. 功能連接與臨床評分：腦連接越強，意識表現(xiàn)越好

Pearson 相關(guān)分析顯示，Ch3—Ch11、Ch4—Ch26、Ch4—Ch29、Ch20—Ch50四條連接強度，與 CRS-R 總分呈顯著正相關(guān)。亞量表層面：Ch20—Ch50關(guān)聯(lián)視覺評分；Ch3—Ch11、Ch4—Ch26、Ch4—Ch29關(guān)聯(lián)運動評分；雙側(cè)感覺運動皮層連接關(guān)聯(lián)言語評分（圖 5）。前額葉 — 運動相關(guān)腦連接越完整，患者視覺、運動、言語等行為表現(xiàn)越佳。

圖5 DOC患者CRS-R評分與全腦特征之間的相關(guān)分析

A–D CRS-R總分與通道對3-11、4-26、4-29、20-50功能連接的相關(guān)E CRS-R視覺評分與通道20和50功能連接的相關(guān)F–H CRS-R運動評分與通道對3-11、4-26、4-29功能連接的相關(guān)I CRS-R言語評分與左右感覺運動皮層之間功能連接的相關(guān)

4. 優(yōu)區(qū)分標志物：跨半球連接與聽覺網(wǎng)絡

ROC 曲線與支持向量機分析顯示：全腦通道特征中，Ch4—Ch29區(qū)分效能優(yōu)，AUC=0.818、準確率 76.92%，Ch9—Ch21 次之（AUC=0.817）；ROI 層面，雙側(cè)感覺運動皮層連接準確率達 69.23%（圖 6）。靜息態(tài)網(wǎng)絡中，聽覺網(wǎng)絡表現(xiàn)佳，AUC=0.803、準確率 73.08%；默認模式、額頂網(wǎng)絡 AUC 分別為 0.802、0.800，各特征分類性能詳見表 2。

圖6 區(qū)分MCS與VS/UWS患者的ROC曲線及分類準確率

A 全腦平均z值的ROC曲線B 基于ROI的功能連接的ROC曲線C 基于通道的功能連接的ROC曲線D 基于網(wǎng)絡的功能連接的ROC曲線

表2 靜息態(tài)特征區(qū)分MCS與VS/UWS的分類性能

5. 網(wǎng)絡連通性梯度：意識水平與腦整合呈正相關(guān)

基于各網(wǎng)絡差異腦區(qū)構(gòu)建特征圖，提取平均 z 值與 CRS-R 總分關(guān)聯(lián)分析：感覺運動、聽覺、額頂、默認模式、視覺五大網(wǎng)絡連接強度，均與 CRS-R 總分顯著正相關(guān)；視覺、感覺運動、聽覺網(wǎng)絡還分別匹配視覺、運動亞量表評分（圖7）。證實意識狀態(tài)與腦網(wǎng)絡連通性呈連續(xù)譜，意識水平越高，腦網(wǎng)絡整合越有序。

圖7 MCS和VS/UWS患者中CRS-R總分與基于種子點的網(wǎng)絡連接的相關(guān)性

A 感覺運動網(wǎng)絡；B 聽覺網(wǎng)絡；C 額頂網(wǎng)絡；D 默認模式網(wǎng)絡；E 視覺網(wǎng)絡

這項研究通過靜息態(tài)fNIRS技術(shù)，系統(tǒng)闡明了意識障礙患者全腦及腦網(wǎng)絡功能連接的損傷規(guī)律。相較于健康人群，意識障礙患者呈現(xiàn)彌漫性全腦與網(wǎng)絡功能連接受損；VS/UWS患者的連接損傷較MCS患者進一步加重，主要集中于前額葉、感覺運動區(qū)、Wernicke區(qū)，以及聽覺、額頂、默認模式三大網(wǎng)絡。同時，這些功能連接差異與CRS-R總分及視覺、運動、言語亞量表得分顯著相關(guān)，跨半球長程連接與聽覺網(wǎng)絡可作為區(qū)分兩類患者的關(guān)鍵生物標志物，實現(xiàn)約77%的個體分類準確率。

研究結(jié)果為客觀識別意識障礙患者殘存意識、區(qū)分MCS與VS/UWS提供了可靠神經(jīng)證據(jù)，也為意識障礙床旁評估提供了有效技術(shù)路徑。未來可進一步擴大樣本量，開展多中心驗證并納入不同病因、病程患者；深入解析腦深部結(jié)構(gòu)與皮層網(wǎng)絡連接的關(guān)聯(lián)機制；融合任務態(tài)范式、長期隨訪與機器學習方法，推動fNIRS從意識分類工具升級為預后評估工具，為意識障礙精準診療與康復監(jiān)測提供科學支撐。

原文信息鏈接

Wu, S., Zhu, B., Ye, Z., Cai, H., Yin, M., Ai, Y., Yu, X., Zheng, F., Chen, A., Wang, R., Zhang, Y., Di, H., Hu, N., Hu, X., & Zhang, L. Functional connectivity in whole-brain and network analysis differentiates minimally conscious from unresponsive patients: a resting-state fNIRS study. Journal of Translational Medicine, 2025, 23: 1093.

作者及團隊介紹

共同一作者 Shaoping Wu、Bohan Zhu、Ziying Ye 來自中山大學附屬第三醫(yī)院康復醫(yī)學科，長期從事意識障礙的臨床評估與神經(jīng)影像研究。通訊作者 Xiquan Hu、Liying Zhang同屬該科室，團隊聚焦腦損傷后意識障礙的多模態(tài)評估、康復干預與神經(jīng)可塑性機制，在fNIRS、fMRI、EEG多模態(tài)融合及其重癥腦損傷應用領(lǐng)域持續(xù)產(chǎn)出成果。第二單位為杭州師范大學浙江—比利時意識障礙聯(lián)合實驗室、國際無反應覺醒綜合征與意識科學研究所，由 Haibo Di，專注意識障礙國際比較研究與理論建模。本研究受國家重點研發(fā)計劃（2022YFC3601200、2022YFC3601204）及中山大學附屬第三醫(yī)院相關(guān)臨床研究項目資助。

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