中国科学家《自然》子刊发文:探索植物人语言能力和意识水平_患者

中国科学家《自然》子刊发文:探索植物人语言能力和意识水平_患者
原标题:我国科学家《天然》子刊发文:探究植物人言语才能和认识水平 2020年5月25日,我国科学院脑科学与智能技能杰出立异中心(神经科学研讨所)、我国科学院灵长类神经生物学要点试验室王立平研讨组与复旦大学隶属华山医院神经外科毛颖/吴雪海团队在《天然-神经科学》期刊在线宣布了题为《探究认识妨碍患者层级言语加工》的协作研讨论文。 研讨团队在认识妨碍患者上展开了言语加工相关神经表征的探究性研讨,并将相关神经表征与机器学习方法相结合,成功完结了对患者认识状况的确诊和恢复猜测,为认识妨碍患者的临床医治供给了新的参阅(图1)。 图1、研讨者结合多层级言语序列范式和头皮高密度脑电记载,帮忙临床医师对认识妨碍患者的认识水平进行确诊和预后判别 每年我国有近10万患者因颅脑外伤、脑卒中、缺血缺氧性脑病等病堕入昏倒,继而进入长时刻的认识妨碍状况,即传统含义上的“植物人”状况,长时刻医治给家庭和社会都带来了巨大的压力。认识妨碍患者中,以无反响觉悟综合征(unresponsive wakefulness syndrome,UWS)和最小认识状况(minimally conscious state,MCS)两类最为常见;相较于无反响觉悟综合征患者,最小认识状况患者的残存认识水平更高,恢复或许性也更高。但是,现阶段对患者的状况判定依赖于有经历医师的调查和量表评分,具有必定的主观性,误诊率高达40%。近年来有研讨者使用脑电或磁共振成像记载患者的脑活动,从而估测其认识妨碍程度,但范式较为限制,神经目标也较为匮乏,精确性仍有必定的进步空间。因而,将言语加工这一大脑高档认知功用与认识状况相结合的研讨,一方面关于研讨大脑在不同认识状况下处理言语加工的才能及神经机制有着重要的科学价值,另一方面,将言语加工才能做为大脑认知才能目标来判别患者残存的认识水平,关于认识妨碍患者状况确诊和恢复猜测有着极其重要的临床价值和社会含义。 尽管现阶段科研人员没有彻底了解言语层级结构在大脑中的神经根底和核算机制,但现有的根底研讨成果现已可认为临床转化供给学习。本研讨协作者丁鼐研讨员在以往的作业中发现,当健康人倾听按必定频率呈现的汉语语音序列时,大脑会以对应节律的神经振动并行表征序列中不同层级的言语结构(字、词及语句/短语;图2a)。如,当以4字/秒的速度接连播映如“小马过河”的4字语句,大脑会追寻其间的字(“小”、“马”、“过”、“河”;呈现频率为4 Hz)、词(“小马”、“过河”;呈现频率为2 Hz)和句(“小马过河”;呈现频率为1 Hz)结构,并在脑磁或脑电等神经信号上得以表现。相应的,假如呈现的是“高学山跑”这样不存在词和句结构的4字语音序列,则只能调查到与字结构呈现频率对应的神经信号。 图2、研讨流程。a)多层级言语序列范式和言语层级追寻相关神经反响的示意图。b)脑电微状况示意图。c)使用多层级言语序列范式下的言语层级追寻相关神经反响及脑电微状况目标,对认识妨碍患者的认识水平进行判别并猜测恢复。 在此根底上,团队假定,认识妨碍患者的残存认识水平与言语序列中层级结构的加工深度或许存在相关,特别会在高层级言语结构的神经表征上得到表现。根据此,研讨人员首要规划了3种包括不同层级的言语序列(仅包括字层级的单字序列,包括字及词结构的词组序列,包括字、词、句层级的语句序列),记载了无反响觉悟综合征和最小认识状况患者在承受到语音影响时的床旁脑电活动,并与健康人进行了比照。集体比照的成果显现,患者组和健康被试组均表现出了对字层级结构的显着神经呼应,但仅健康被试组的脑电活动显着表现出对词和语句结构的追寻。值得注意的是,在个别剖析中,研讨人员发现15名患者表现出对词和语句结构追寻的神经活动,其间6名患者在脑电记载的100天后表现出显着的认识水平恢复。机器学习进一步显现,使用词组序列和语句序列条件下的神经活动对两类患者的区别更为有用。 从神经机制上来说,认识并不是一个停止的脑功用,而是一个动态改变、自我坚持和全脑协同作业的实时演化过程。根据认识的大局作业空间理论中认识与高档皮层脑区的联系,团队进一步假定:高认识水平的脑活动会长时刻停留在较为高档的前额叶-顶叶皮层信息环路中,而低认识水平的脑活动则更常散布于感觉等初级信息处理脑区——即大脑处理的言语序列句法结构越杂乱,涉及到的高档脑区活动越多。研讨人员记载了3组被试在承受3种包括不同层级结构的言语序列时的脑电微状况,并与静息状况进行了比照。脑电微状况根据全脑EEG电极活动变异最大时的脑电地形图聚类得到,包括了持续时刻、呈现次数等多种目标,能够反映大脑全体活动状况的时刻和空间特征(图2b)。成果发现,根据集体脑电活动判定出的4种脑电微状况的多项目标均表现出了组间及使命间的差异。被试组间比较显现,在处理多层级言语序列时,健康被试更多地表现出了与高档认知活动信息环路相关的脑电微状况,而患者上与感觉信息处理相关的脑电微状况的呈现概率更高。比照两组患者时发现,相较于无反响觉悟综合征组,最小认识状况组上感觉相关微状况的持续时刻更短,而高档认知相关微状况的单位时刻内呈现次数更多。使命间比较显现,患者组间的脑活动微状况差异在高档言语使命条件下更为显着(图3)。两种机器学习方法的成果均显现,将言语层级相关的神经电活动和脑电微状况相结合(图2c),能够精确地判别患者的认识水平,且语句条件下的分辩作用最佳。 图3、三种脑电微状况参数的最小认识状况与无反响觉悟综合征组间差异随使命中言语层级的进步而加大 更重要的是,综合使用上述言语范式下的脑电目标树立的机器学习模型,不仅在确诊上显着优于根据行为学量表的临床点评,并且能够更精确地猜测患者个别在脑电记载100天后的恢复,正确率到达80%。为充沛检测言语-脑电模型对单个患者的分类和猜测成果的可靠性,研讨人员进一步引进新一批患者数据,对当时模型进行猜测功用的泛化验证,成功复现了精确的分类和猜测作用。与之相对的是,根据临床行为评分的模型彻底不具备对新数据集的泛化才能。这一系列对猜测作用泛化才能的验证极为重要,意味着研讨团队或许找到了一种普适的大脑认识水平的点评目标,在昏倒、睡觉、麻醉等一系列与认识水平相关的大脑状况点评中有着广泛的潜在使用价值。研讨团队将在往后的研讨中进一步优化测验计划,结合多模态测验和记载手法,进一步进步研讨成果的临床作用、习惯面和自动化程度,终究为研讨认识妨碍的神经机制、认识活动的神经表征,以及在认识妨碍患者上展开相关科学研讨供给试验根据和理论根底。 该研讨由中科院脑智杰出中心(神经所)王立平研讨员与复旦大学隶属华山医院吴雪海教授一起辅导,由脑智杰出中心桂鹏博士、蒋雨薇博士、温云卿博士、姜建博士,复旦大学隶属华山医院臧迪、齐增鑫博士、谈家兴、谷川弘美,首都医科大学隶属天坛医院徐珑博士协作完结,受到了脑智杰出中心学术主任蒲慕明院士、首都医科大学隶属北京天坛医院赵继宗院士、法国国家健康与医学研讨院Stanislas Dehaene院士、复旦大学隶属华山医院副院长毛颖教授、浙江大学丁鼐研讨员的大力支持,并得到脑智杰出中心灵长类生理检测渠道的帮忙。研讨获得了来自我国科学院、国家天然科学基金委员会和上海市的项目赞助。 (原题为:《探究“植物人”言语才能和认识水平》) (本文来自汹涌新闻,更多原创资讯请下载“汹涌新闻”APP) 回来搜狐,检查更多 责任编辑:

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