7脑的电活动睡眠与觉醒(英文版).ppt

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1、脑的群电活动(Ensemble Electric Activity)与睡眠觉醒节律罗非 教授北京大学基础医学院神经生物学系电话:82801010;Email:Website:http:/ we startn动作电位是脑内唯一可以快速远距离传递的信号n神经元相互结合成电网络，同时也可按某种节律同步放电n群电活动可以通过表面或深部电极加以记录Brain is Electricn脑内的电信号有n膜电位n动作电位n突触后电位nAnd a lot more脑使用电信号的优势n电信号的时间精度(temporal accuracy)远超化学信号n有可能进行多点(multi-site)的实时(real-tim

2、e)记录n有可能进行无创(non-invasive)检测n适合进行高级分析Before we startn我们一生中1/3的时间将在睡眠中度过n吃饭和娱乐也会占据另外的1/3时间n在剩余1/3的生命中n童年和各种教育占据1/3n老年时期占据另外1/3n因此，只有大约1/9的生命，大约不足10年时间，可以用于有效的工作Before we startn睡眠的大部分时间都被浅睡或梦境占据n通常在整个夜晚，只有不足30分钟是真正的深睡眠n事实上，我们在所谓清醒的日间也很少有真正清醒、没有做白日梦或注意力分散的时候因此:n我们有必要了解下述两类过程n睡眠和觉醒n梦与非梦What we will lear

3、nn脑电图n脑的状态：睡眠与觉醒脑电图(Electroencephalogram,EEG)nEEG简介nEEG的记录nEEG的计算机辅助分析nEEG在基础和临床医学中的应用n事件相关电位EEG简介nEEG的定义n通过放置在头皮表面的多个电极所记录到的一组场电位EEG的历史nRichard Caton,利物浦内科医生n将电极直接放在暴露的动物脑表面，发现存在电信号，发表于1875年年 n1887年,Caton通过干扰落在动物眼中的光线，检测到脑电的负向波动History of EEGnDr.Hans Berger,奥地利精神病学家n首次记录人体脑电n十八世纪20年代早期，利用移动感光纸和闪动光点

4、记录脑电，发现每秒10次的常规波动n由于这是他第一个从人类EEG中分离出来的波，他将此波动命名为波n1929年，Berger发表了该结果，这是有关人类脑电的第一篇论文History of EEGnDr.Hans Berger的谨慎精神nBerger在自己和其它许多人身上反复记录n通过同步记录心电和头部血压变化，排除了由血循环造成波动假相的可能性n将电极放在皮肤以下记录，排除了波动来自皮肤的可能性History of EEGnDr.Hans Bergern十八世纪30年代，首先命名了波和波n第一个采用EEG作为脑电图的缩写名称n提出波幅度小于波n指出波与集中注意力和惊跳反应有关History o

5、f EEGnDr.Hans Bergern1931年，发现波在睡眠、全身麻醉、使用可卡因等情况下消失n发现脑损伤造成颅内高压的患者波幅度减低n发现癫痫患者的高幅脑电波n发现Alzheimers病和多发性硬化患者存在EEG改变History of EEGnDr.Hans BergernCarl Zeiss基金会注意到Berger的一系列发现n赠送给他电子放大器和特质的示波器，并为他配备了助手History of EEGnDr.Hans Bergern发现癫痫病人在发作后脑波几乎变平；波随着意识的恢复而恢复n脑波在出生两月后采出现，与脑内神经元髓鞘化的过程一致Dr.Hans BergerEEG的本

6、质n未知部分n动作电位、兴奋性突触后电位、抑制性突触后电位等电位活动的总和(Eccles,张香桐,Jung 等)n已知部分n大群神经元的同步放电EEG的本质EEG的记录n电极的放置n国际标准10 20 系统(Jasper,1958)nGibbs系统(Illinois system)EEG的记录n参考电极n单极与双极记录n遥控EEG记录n24小时跟踪EEG的参数：频率n定义：单位时间(秒)内波的个数n单位:赫兹(Herz,Hz)nEEG频率的分类n波:7.5-13 Hzn波:14-30 Hzn波:3.5-7.5 Hzn波:0.4-3 Hz种类频率(Hz)波幅(uV)主导时期Alpha7.5-13

7、20-60清醒、放松Beta14-302-20思维活动Theta3.5-7.520-100儿童的支配频率，在成人随困倦和注意而增加Delta0.4-320-200深睡，婴儿支配频率频率与波幅脑波的起源n两种可能的振荡控制n中心指挥型n凑呜曲型脑波的起源n简单的细胞环路即可产生振荡脑波的起源n甚至单个细胞在外来刺激下也会产生振荡脑波的起源n目前认为，神经细胞的内在特性(intrinsic properties)及其相互间的突触连接决定了神经网络的振荡特性EEG的参数：波幅EEG的参数：波形n正常波形EEG的参数：波形正常变异EEG的参数：波形n病理波形EEG的参数：波形n人工假相:技术问题或外部

8、干扰所致，一般较为短暂n可能因电极移动、接触不良、肌肉或头部运动、出汗等造成EEG解释的困难n每个通道的皮层电位是脑内大量神经元活动组合的反映n源的贡献随着其与电极距离的缩短而非线性地增大n在向头皮传递过程中受脑膜、头骨和皮肤影响可能会衰减或扭曲计算机辅助下的EEG分析n在计算机协助下，可以n生成脑电地形图n声称三维重构影像n进行功率谱分析n以及其它许多分析绘制意识之图数字化的EEGn模/数转换(A/D converter)n采样间隔(sampling time interval):0.005-0.01 s n实时(real time)记录n定量EEG:可用于显示、滤波、频率及波幅分析、以及彩

9、色地形图EEG脑地形图功率谱分析EEG与基础医学研究EEG与基础研究nEEG与运动功能n成人:no无肯定的关系n儿童:脑电高频者 fast reaction time反应时间较短nEEG与情绪n正性情绪时左侧额叶EEG活动增加n负性情绪时右侧额叶EEG活动增加EEG与基础研究nEEG与IQn没有肯定的关系nEEG与感觉n听阈在波较强时比其它时候更低(听觉更敏锐)n刺激复杂性增加时波抑制增加EEG与基础研究nEEG与感觉n听觉辨别任务难度增加时波抑制增加nEEG与注意n当任务不要求注意环境时,(例如心算)比要求注意环境时顶叶波增加EEG的临床应用n癫痫n由于神经元混沌式活动导致的惊厥n睡眠障碍n

10、脑肿瘤诱发电位(Evoked Potential)与事件相关电位(Event-Related Potential)Definitionn指对神经系统某一特定部位(包括从感受器到大脑皮层)给予相宜的刺激，或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工，在该系统和脑的相应部位产生可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反应。EP/ERP的特性n空间特性:只能在特定的空间范围内检测到n时间特性:具有特定的波形和强度分布n相位特性:刺激和反应之间存在锁时(time-locked)关系EP/ERP的起源n大部分源于大脑皮层,因为皮层神经元有特殊的层状排列n部分可能反映了脑干神经元的

11、活动nEP/ERP均反映了脑内神经元群体的活动EP/ERP的采集：平均策略n平均技术的原理n由于刺激与EP之间存在锁时关系n而背景噪音与刺激之间的关系是随机的n多次叠加可以消除噪音影响，增大信噪比n再除以叠加次数就可以使EP保持原大小而大大削弱噪音EP/ERP的种类n外源性刺激相关的诱发电位(EP)n感觉(visual or VEP,auditory or AEP,somatosensory or SEP)n运动(电或磁刺激诱发)n内源性事件相关诱发电位(ERP)n记忆和思维相关电位:P300n语言相关电位:N400n准备或预期相关:CNV短潜伏期体感诱发电位(SLSEP)n几乎不受意识状态影

12、响n外周及中枢通路都很清楚n成分之间的关系及其传导途径也较清楚n在临床各科室有广泛的应用短潜伏期体感诱发电位(SLSEP)脑干听觉诱发电位(BAEP)n主要用于耳科学n用于各种听觉检测中n用于了解听神经及脑干通路活动n用于诊断影响这些通路的功能性或结构性疾病脑干听觉诱发电位(BAEP)运动诱发电位(MEP)n在运动区及其传出通路上施加电或磁刺激n在下游通路上记录诱发电位n可利用经颅磁刺激(Transcranial Magnetic stimulation,TMS)n应用：客观、定量地反映中枢运动功能运动诱发电位(MEP)ERP与EP的区别nERP研究中要求被试的主动参与n用于ERP研究的刺激不

13、能单调n至少需要两种模式、序列或种类的刺激nERP的外源性成分与刺激的物理性质相关,而内源性成分(如P300,N400等)则与认知活动相关P300简介n最经典、最早发现且研究最广泛的ERPn波形在顶叶中线附近最明显n主要反映脑对外部信息的认知过程P300:应用nP300与反应时：无必然联系nP300与智能：操作智能越低，P300的潜伏期越长，幅度越低nP300与测谎：从植物神经生理到神经电生理变化nP300与临床：主要用于各种原因而致的认知障碍的病人，可以为智能障碍及其程度提供神经电生理的依据；神经精神药物的药效学和药理学指标ERP的定量化与参数提取n波幅(Amplitude)n潜伏期(Lat

14、ency)n波峰间期(Inter-Peak Latency)n波幅比值和峰间期比值(Ratio)n波面积(Area under Curve)ERP的临床解释n首先建立正常值数据库n理解各种参数的生理学和病理生理学意义n潜伏期:反映传导功能n幅度:参与放电的神经元n成分缺失:严重损伤的存在n进一步还需研究EP活动的来源ERP的多通道记录nERP长于说明事件在脑内发生的时刻，却无法有效地说明他们发生的位置NoseLeftRightOccipitalERP的脑地形图P300在头皮表面电场分布的2D地形图n利用内插值法可以计算出头皮上任何一点在任何时刻的电位ERP的生物电模型n研究的真正目的是了解脑内

15、,而不是头皮上发生了什么 n脑内每一个电活动均可在头皮表面投影成某种地形图n逆问题：源分析建模逆问题的进展n使用高密度(例如128导联)ERP记录已降低测量误差n使用磁力数字化装置定位ERP记录电极在头皮上的位置获得被试头部的磁共振影像影像分割n根据MRI图像灰度值将影像分割成不同的组织类型(皮肤、骨骼、灰质、白质、脑脊液)TopN3D头部建模n根据这些组织类型生成具有解剖精度的三维头部模型n根据组织类型给每个象素赋予电学特性数值将ERP和MRI的数据空间融合P300在头皮上的生物电模型P300在皮层表面的模型偶极子源模型n采用真实的头模型计算逆问题的解SummaryEP/ERP可以反映视网膜

16、、视觉通路、内耳、听神经、脑干、外周神经、脊髓后索、感觉皮质以及上下运动神经元的各种病变，事件相关诱发电位则用以判断患者的注意力和反应能力。诱发电位具有高度敏感性，对感觉障碍可进行客观评诂，对病变能进行定量判断。对心理精神领域可进行一定的检测，故当前广泛应用于对神经系统病变的早期诊断，病情随访，疗效判断，予后估计，神经系统发育情况的评估以及协助判断昏迷性质和脑死亡等。但图形无特异性，必须结合临床资料进行判断；不在有关神经传导径路中的病变，不能发现异常。睡眠与觉醒n睡眠觉醒周期是一种昼夜节律n人的睡眠可按EEG特征分期n睡眠过程呈现慢波睡眠和快速眼动睡眠的周期性交替n睡眠的生物学意义n睡眠觉醒节

17、律的机制-中枢的主动活动概述n睡眠与觉醒：两种不同的功能状态n觉醒状态：与环境有主动感觉运动联系，产生复杂适应行为n睡眠状态：联系减弱或消失，伴有躯体和植物性功能变化n睡眠与觉醒是以自然昼夜为周期的生理活动研究方法:EEG,EOG.EMGn人类对睡眠的认识n两种睡眠时相,特别是快动眼睡眠的发现睡眠/觉醒周期与昼夜节律n约日节律/昼夜节律(circadian rhythm)n与24小时自然昼夜交替大致同步n人一生中的睡眠觉醒周期n始于出生时,随年龄增长而变化:n新生儿一昼夜多个周期(6090 min)n儿童两个周期(午睡与夜间睡眠)n成年人一个周期(与昼夜交替大致同步)睡眠/觉醒与昼夜节律n睡眠

18、觉醒周期由身体内部的生物钟决定n曾经的推测-由昼夜节律决定的被动反应n如今的认识-n与外界环境隔离(隔绝昼夜,温度,真实的时间变化)的受试者:n睡眠觉醒周期依然存在,但延长至25小时而非24小时n与体温变化的相应关系出现分离睡眠/觉醒与昼夜节律n睡眠觉醒周期由身体内部的生物钟决定n睡眠觉醒周期的节律是独立于外界,并与其他生理节律无依从关系的内部节律n脑内内在的节律-生物钟,在正常情况下接受自然界的明暗变化信息,并将内在节律与自然界昼夜节律同步起来睡眠的脑电图特征与分期n睡眠深度n唤醒阈：刚能中断睡眠的临界刺激强度nEEG最特异n睡眠的EEG分期：发现REM睡眠分期之前:Loomis按睡眠EEG

19、特征将睡眠分A、B、C、D、E 5期：A期，觉醒期；B期，入睡期；C、D、E期分别为浅睡，中等度睡眠和深睡眠期睡眠的脑电图特征与分期IIn睡眠的EEG分期：发现REM睡眠后:睡眠的EEG分为1、2、3、4阶段，成为公认的分期：n阶段1：波明显减少，出现低幅快波n阶段2：出现睡眠梭形波(变异的波，13 15 Hz，20 40 V，0.5 1 s)，伴有少量波、波n阶段3：在波、波为背景的基础上，有睡眠梭形波n阶段4：高幅慢波，波超过50，1.52Hz，75V以上睡眠各期的脑波睡眠的脑电图特征与分期IIIn整夜中睡眠EEG各阶段的持续时间及其转化规律n睡眠开始后，EEG变化为阶段1234，即随着睡

20、眠加深，EEG频率、振幅、波，约需30 45 min，然后返回，4321，此时的阶段1是首次开始出现的快速眼动睡眠(REM)REM)，该时相持续10 20 min，再顺序进入阶段4。一夜中循环4 5次。越近早晨，最大睡眠深度，不能到阶段4。n入睡时的阶段1及全部2，3，4均为慢波睡眠n除入睡的阶段1外，其余的阶段1均为快速眼动睡眠睡眠各期的循环慢波睡眠和快速眼动睡眠-In慢波睡眠：脑电同步化n首次出现的阶段1及阶段2、3、4均属慢波睡眠或同步化睡眠n脑电特征：在该睡眠时相，脑电以频率逐渐减慢、幅度逐渐增高、波所占比例逐渐增多为特征。阶段3，4合称为睡眠n功能特征：循环、呼吸、交感神经等系统活动

21、随睡眠加深而降低，且相当稳定；肌张力明显下降但保持一定肌紧张，平均20min调整睡眠姿势一次慢波睡眠和快速眼动睡眠-IIan快速眼动睡眠(REM)：去同步化脑电n除入睡后第一次出现的阶段1外，再出现的阶段1均为REMn脑电特征：脑电回到阶段1，行为睡眠继续，脑电则去同步化类似觉醒，称为快波睡眠或去同步化睡眠；但海马电图显示4 10 Hz的高度同步化波，并与全身肌张力进一步降低偶联慢波睡眠和快速眼动睡眠-IIbn快速眼动睡眠(REM)：去同步化脑电n功能特征：此期颈后肌、四肢抗重力肌几乎消失，交感活动广泛抑制，心率、心输出量，血压，下丘脑体温调节功能或丧失，内稳态低下是此阶段的显著特征；似乎睡眠

22、进一步加深，但与脑电变化不一致，故也称异相睡眠慢波睡眠和快速眼动睡眠-IIIan快速眼动睡眠：去同步化脑电n其它特征：控制眼运动、听小骨位移和呼吸的肌肉保持张力。眼球快速 扫视，叠加在缓慢眼动的背景上；并呈现位相性中耳肌活动、呼吸急促而不规则、血压、心率、四肢肌肉抽动等。慢波睡眠和快速眼动睡眠-IIIbnREM期间唤醒，74%-95%正在做梦；SWS期间唤醒，0%-51%做梦。上述现象可能与梦境有关n觉醒状态只能进入SWS；SWS或REM均可直接觉醒，但REM自动觉醒可能性更大(似乎是最浅的睡眠)；但REM期环境刺激唤醒阈显著提高(此角度又是最深的睡眠)。哪一种睡眠更深?在REM睡眠,睡眠深度

23、不能只用一种参数说明慢波睡眠和快速眼动睡眠-IVn快速眼动睡眠期位相性运动由脑区神经元活动触发 从脑干可记录到位相性电发放，脑桥背部面神经核、前庭神经核、三叉神经核动眼神经核、外侧膝状体视、听皮层，称为桥膝枕峰(PGO)。REM睡眠期间眼动首次诱发与PGO峰对应慢波睡眠和快速眼动睡眠-IVn两种睡眠状态的周期性交替:一夜中慢波睡眠与REM睡眠周期性交替4-6次,每一周期约90-120min 两次REM睡眠间的时间间隔渐短,但每次的REM睡眠持续时间渐增加 青年人,REM睡眠占总睡眠的20-25%慢波睡眠的较深时期(阶段3、4)主要在睡眠的前半段,较浅的睡眠时期和REM睡眠主要在睡眠时间的后半,

24、故清晨人易醒来.睡眠的生物学意义-Ian不同种属和不同发育阶段动物睡眠需求不同nSWS存在于所有哺乳类、鸟类和部分爬行动物，两栖类和鱼类无；REM首先出现在鸟类，仅见于孵化后很短时间，占总睡眠时间1%；成年哺乳动物则占2030%睡眠的生物学意义-Ibn不同种属和不同发育阶段动物睡眠需求不同n睡眠时间：婴儿期16h以上，青春期8h，老年期更短；SWS-REM周期：新生儿45min，成年人90min；睡眠E期随年龄增长指数递减，60岁后几乎消失；REM睡眠婴儿占50%，2岁占3035%，10岁后25%睡眠的生物学意义-Icn不同种属和不同发育阶段动物睡眠需求不同n生理功能变化：SWS期血压、心率、

25、呼吸频率、脑血流、脑代谢、机体总耗能、垂体促激素分泌、生长素分泌；REM期血压、心率、呼吸非规律性间断，脑和自主神经系统激活，阴茎勃起或阴蒂充血，体温调节机能丧失睡眠的生物学意义-IIan剥夺睡眠后的睡眠反弹n剥夺睡眠导致清醒后出现补偿性睡眠反弹n选择性剥夺REM睡眠导致REM睡眠反弹(几乎所有鸟类和哺乳类)睡眠的生物学意义-IIbnREM睡眠与神经系统发育成熟n人类睡眠时间随年龄变化n个体发生过程中，人睡眠的成熟表现在REM睡眠和慢波睡眠阶段4 REM睡眠：出生前在子宫内已有，出生时8小时，青春期只有1.5-1.7小时 慢波睡眠阶段4：从胚胎发育到中年呈指数下降，60岁后可消失。nREM睡眠

26、时的氧耗量比觉醒状态下强体力或脑力活动时更多，提示REM睡眠可促进脑发育成熟。睡眠的生物学意义-an梦与生理睡眠梦与REM睡眠有关的事实的确立,改变了过去的关于梦的观点:过去:梦少,且从受试者对梦的回忆来判断是否有梦 现代生理学研究表明,每个人夜间睡眠中(每次的REM睡眠)都可能有梦.但随着REM睡眠转入慢波睡眠后的时间越长,回忆出梦的可能性越少.睡眠的生物学意义-nREM强度例如眼运动等与梦的内容有关，多变化的梦较平静的梦与REM的频度有关。nREM睡眠时梦是清晰的。慢波睡眠时也有梦，但梦不易回忆，梦中的形象也是模糊的，情绪也少睡眠/觉醒与中枢主动活动-In早期认为睡眠是被动的去传入机制n孤

27、立脑动物EEG持续高幅慢波，孤立头动物觉醒睡眠周期正常；进一步切断感觉神经则进入睡眠n认为前脑的感觉传入对维持睡眠觉醒周期必要n损毁外侧被盖区特异性感觉上行通路不影响睡眠周期；损毁脑干中轴部位网状结构上行投射则导致持续深度睡眠n认为脑干网状结构活动维持觉醒，该活动减弱则睡眠睡眠/觉醒与中枢主动活动-IIn现代睡眠理论：睡眠是睡眠中枢引起的主动活动结果n脑干存在特定睡眠诱导区n低频刺激猫丘脑导致深度睡眠，刺激下丘脑后部引起觉醒n在三叉神经根前方切断中脑，不论是否保留脑神经，都可产生失眠n麻醉脑干头端可使清醒猫入睡，麻醉其尾侧可时睡眠猫清醒，提示脑干尾侧可诱发睡眠n脑干睡眠诱导区位于脑桥中央睡眠与

28、延髓尾侧之间，包括中缝核、孤束核、蓝斑及网状结构背内侧；中缝核头部损毁影响SWS，尾部损毁主要抑制REM睡眠/觉醒与中枢主动活动-IIIn现代睡眠理论：睡眠是睡眠中枢引起的主动活动结果n中缝核群：5-HT能神经元密集区。其头部和尾部在功能上有区别，主要由于结构联系不同：头部纤维投射到间脑和大脑皮层，尾部与脑桥背内侧背盖有纤维联系。分别损毁头部与尾部的实验表明：中缝头部形成慢波睡眠，其尾部则触发REM。n孤束核：激活此区可引起睡眠，但损伤该区并不引起失眠，提示其间接作用，分析表明，引发睡眠可能与调制网状结构的唤醒物质有关。n一般认为，中缝核头部、孤束核极其邻近的网状神经元是产生慢波睡眠的特定脑区

29、。它们共同组成上行抑制系统，一方面调制网状结构的唤醒物质引发睡眠，另一方面还可对驱动他的网状激活系统有负反馈作用，从而诱发睡眠。睡眠时的脑功能活动睡眠/觉醒与中枢主动活动-IVn现代睡眠理论：睡眠是睡眠中枢引起的主动活动结果 与快波睡眠有关的脑区：蓝斑位于脑桥背内侧背盖(与中缝尾部神经元有密切联系)n损毁蓝斑头部的上行投射延长EEG同步化，不影响REM，故维持觉醒；破坏其中、后部及邻近网状结构，REM大幅度减少或消失，不影响SWS，故执行REMn中缝背核的5-HT神经元觉醒时最大发放，REM时放电，提示其兴奋可抑制REM及其相关改变睡眠/觉醒与中枢主动活动-Vn中枢神经递质与睡眠/觉醒：5-H

30、T、NE和Achn抑制5-HT可造成完全失眠，但一周后SWS和REM可恢复70%，提示有代偿机制存在nNE上行背束可抑制中缝核5-HT神经元，影响SWS；损毁NE导致SWS增加；损毁蓝斑尾部，REM完全被抑制n阻止ACh合成可延长SWS，注射ACh到蓝斑附近可触发REM；网状大细胞核胆碱能神经元在REM期位相性快速放电；蓝斑NA神经元REM期放电减少n总之，中缝核头部5-HT神经元产生和维持SWS；蓝斑尾部NA神经元及低位脑干被盖ACh神经元在中缝核尾部5-HT触发下产生REM。交互作用导致周期性改变。睡眠时的脑功能活动nREM-on细胞：脑桥的胆碱能细胞nREM-off细胞：蓝斑及中缝核中的

31、去甲肾上腺素能及5-羟色胺能细胞睡眠/觉醒与中枢主动活动-VIn视交叉上核：昼夜节律的可能生物钟n明暗变化可将近日节律变成日节律n损毁下丘脑可消除日节律n切断视束或视交叉尾侧，光照仍可继续导致 睡眠/觉醒周期n提示存在视网膜下丘脑直接通路n基本生物钟位于下丘脑视交叉上核n接受视网膜直接输入和中缝核纤维投射n损毁可取消内源性行为和激素分泌的昼夜节律 随处可见的近日节律光对近日节律的调节睡眠/觉醒与中枢主动活动-n肽类物质参与睡眠觉醒节律调节n剥夺睡眠狗脑脊液导致正常狗睡眠，提示存在促睡眠因子nS因子：胞壁酰肽和胞壁酰二肽，促眠和增强免疫n促眠肽：9肽，使EEG幅度、波增加nSPS：尿苷和氧化谷胱甘肽，可来自人参等植物n前列腺素D2、褪黑素、血管活性肠肽、精氨酸催产素、IL1、IFN、TNF均可促睡眠祝各位安眠无梦、常做美梦、梦想成真！谢谢大家！