音乐刺激范式：意识障碍评估的新突破

近日，陈悦等脑机团队成员在潘家辉教授的指导下，与南方医科大学珠江医院的谢秋幼主任团队合作，完成了一项具有里程碑意义的研究成果。这项研究题为“Assessing Consciousness in Patients with Disorders of Consciousness Using a Musical Stimulation Paradigm and Verifiable Criteria”，已被《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》期刊（影响因子：4.8，JCR Q1，中科院康复医学一区）正式录用。论文自2024年3月9日提交，至8月8日被正式接收。

研究背景

在意识障碍（Disorders of Consciousness, DOC）领域中，对处于植物状态 (Vegetative State, VS)或微意识状态(Minimally Conscious State, MCS)的患者进行意识评估尤为重要。在神经科学研究中，听觉刺激作为一种有效的神经激活手段，已被证实可以显著激活大脑皮层，为意识评估提供了新的视角。MCS患者听觉刺激对大脑皮层的激活比VS患者更显著，这表明听觉刺激产生的激活程度能有效区分MCS和VS患者。此外，与显著情绪刺激相关的声音可能会强烈刺激DOC患者相应的大脑皮层，从而提高临床测试的敏感性。

研究成果 

本研究提出了一种创新的音乐刺激范式和评估标准，旨在提高DOC患者的意识评估准确性。主要贡献包括：

1. 音乐刺激范式：设计了一种记录喜好音乐和放松音乐的大脑激活状态的音乐刺激范式，该范式能深入探索大脑响应听觉刺激的功能活动，为辨别残余认知过程和意识水平提供新途径。
2. CNN-LSTM混合模型：集成了微分熵（DE）、大脑连接模式（ENP）和共空间模式（CSP）三种特征的多维融合，以提高意识评估的准确性和可靠性。通过合并这些特征，该模型能够以更高的精度对音乐引起的大脑活动模式进行分类，从而有助于更细致地了解患者的认知状态。
3. 可验证的评估标准：通过将客观脑电图活动与基于行为的昏迷恢复量表（CRS-R）评分相结合，建立了一个可验证的评估框架来区分MCS和VS患者，从而更准确地评估他们的意识状态。

研究方法

研究人员通过调查访问患者家属来确定每个受试者喜欢的音乐。放松音乐则选自专业音乐治疗师的音乐库，因此所有受试者使用同一首放松音乐。设计的音乐刺激范式如图1所示。首先，将患者转移到安静的环境中保持静息状态5分钟。当医护人员判断受试者处于清醒状态时，研究人员进行脑电数据采集。接着，音乐治疗师演奏五分钟放松音乐，然后休息五分钟，再演奏受试者喜好音乐五分钟，最后休息五分钟。若受试者在此期间有头部移动、磨牙等行为，则暂停或终止数据采集，并在医务人员确定受试者已恢复清醒状态且没有其他并发症时继续，以防止脑电图信号采集过程中的其他因素干扰。

图1. 音乐刺激范式流程图。

研究的总体流程图如图2所示。本研究在呈现音乐刺激的同时收集受试者的脑电图数据，探索音乐对大脑激活状态的影响。研究采用一系列预处理步骤，包括降噪和滤波，从脑电图数据中提取时间、空间和功能连接信息，并将其转化为三维特征。这些特征矩阵在维度级别进行融合，并输入到CNN-LSTM混合模型中进行训练。该模型包含四层卷积层和一层时间层，并使用批量归一化函数对每个卷积层的结果进行归一化，加速收敛。研究过程中，将健康受试者的脑电数据作为模型训练的训练集，DOC患者的脑电数据作为测试集。如果患者的脑电数据在模型输出中达到了很高的准确度，表明其大脑在两种类型的音乐下的激活状态与健康受试者非常相似，则该患者被认为具有高水平的认知功能，因而推断他们可能具有更高水平的意识。研究团队在两个月后对所有患者进行了随访，获得了他们的CRS-R评分以验证意识评估结果的可靠性。

图 2. 研究总体流程图。

实验验证

研究团队招募了29名参与者（包括13例健康受试者、6例微意识状态[MCS]、10例植物状态[VS]）进行音乐刺激范式。结果显示，健康受试者的平均分类准确率达到85.58%。MCS组中的两名患者的分类准确率分别达到78.18%和66.14%，两个月后均诊断为脱离MCS状态（EMCS）。VS组中三名患者的准确率分别为58.18%、64.32%和62.05%，其中两名患者的量表评分略有增加。研究表明，音乐刺激可能是意识检测的有效方法，对DOC患者具有重要的诊断意义。

结论

综上所述，本研究的音乐刺激范式和评估框架为意识障碍患者的意识评估提供了一种新工具，有望成为辅助诊断的重要手段。这一技术的应用前景广阔，将对DOC患者的诊断和治疗产生深远影响。