人类婴儿伤害性感受的电生理测量与分析

摘要

由于婴儿无法用语言描述其感受，对婴儿疼痛的评估和治疗十分困难。在本视频中，我们介绍可用于定量测量婴儿神经系统对有害刺激反应的电生理学方法及分析技术。

摘要

疼痛是一种令人不快的感觉和情绪体验。由于婴儿无法用语言描述其感受，目前的疼痛评估方法主要基于行为和生理反应，例如哭泣、身体运动或面部表情的变化。尽管这些指标表明婴儿在受到有害刺激后会产生反应，但其存在局限性：这些反应依赖于皮层下躯体和自主运动通路的激活，可能无法可靠地反映大脑中枢感觉信息的处理过程。了解中枢神经系统对有害刺激的反应方式，有助于揭示新生儿如何加工伤害性信息和疼痛感知。

从住院婴儿足跟采血的操作为研究婴儿期疼痛提供了独特的机会。在本视频中，我们描述了如何利用与该操作时间同步的脑电图（EEG）和肌电图（EMG），来研究大脑和脊髓中的伤害性感受活动。

这种对婴儿疼痛进行综合测量的方法有望为开发一种有效且敏感的临床测量工具铺平道路。

方案

在对婴儿进行任何研究之前，必须获得伦理审批以及父母的知情书面同意。

本研究获得了大学医院伦理委员会的伦理批准，每次操作前均取得家长的知情书面同意。本研究遵循《赫尔辛基宣言》和良好临床实践指南所规定的要求。

1. 数据采集——设置

1. 根据10-20电极放置系统（图1A），在婴儿头部皮肤准备后放置至少16个独立的一次性脑电图（EEG）Ag/AgCl杯状电极。使用嵌入电极的EEG帽可实现更全面的覆盖。使用EEG帽可使操作更快捷且对婴儿干扰更小，尤其是电极在放置帽具前已预先填充导电凝胶。一次性EEG电极的应用需要更多时间与技术，但通常可获得更优质的记录信号。若对婴儿的操作空间受限，可考虑减少电极数量，但必须保留中线电极（Cz、CPz和FCz）。使用FCz作为记录的参考电极。
2. 使用脑电图导电膏以优化电极与皮肤之间的电接触。
3. 在电极上方放置弹性网罩以固定电极位置。
4. 将电极导线绑扎在一起，以尽量减少电干扰。
5. 将接地电极置于胸部或头部。
6. 在双侧腿部股二头肌处进行皮肤准备后放置肌电图（EMG）电极（图1B）。
7. 为记录心电图（ECG）活动，在皮肤准备后将I导联ECG电极放置于躯干（一个电极置于胸部左侧，另一个置于右侧），并使用与EEG相同的接地电极。
8. 将运动传感器置于腹部以测量呼吸活动。
9. 将脉搏血氧饱和度探头置于足部，以测量血氧饱和度和心率。确保探头固定稳妥，并持续记录信号，避免信号丢失。血氧探头应置于拟进行刺激的对侧足部。
10. 架设三脚架固定的摄像机，对准婴儿面部，以便记录面部表情的变化。
11. 在摄像画面中放置一个发光二极管（LED）。该LED连接至定时电路，当呈现刺激时会闪烁，以实现脑电图、肌电图与视频记录的同步。

2. 数据采集 - 记录

1. 开始视频录制。
2. 开始脉搏血氧仪记录。
3. 开始脑电图（EEG）/肌电图（EMG）记录。
4. 等待婴儿状态稳定。
5. 握住婴儿足部，模拟进行足跟采血操作，并对手动事件标记脑电图和肌电图记录。该时间段将用于识别一段对照背景脑电图和肌电图信号。
6. 通过轻敲附着在腱反射锤臂上的橡胶塞，对足跟表面施加触觉刺激。刺激未连接脉搏血氧仪的足部。当对婴儿施加刺激时，必须对脑电图/肌电图和视频记录进行事件标记，以便确定刺激发生的时间点。可通过将阻抗头连接至腱反射锤，使刺激器与记录设备实现电子联动，从而完成事件标记；视频记录则通过LED闪光进行事件标记。可重复施加多次触觉刺激，并可对身体不同部位（例如肩部）进行刺激。
7. 通过将采血针旋转90度并将其贴附于足部，执行无伤害性对照刺激，使得弹簧驱动的刀片释放后不会接触皮肤。该事件可通过固定在采血针顶部的加速度计实现时间锁定。加速度计可检测刀片释放时产生的振动。
8. 按照新生儿病房的临床规范执行临床必需的足跟采血操作。在进行足跟采血前，需等待脑电活动恢复稳定。足跟采血的时间锁定方式与对照刺激相同。完成足跟采血后，至少30秒内不得挤压足部，以确保所记录的反应完全由采血操作引起。
9. 确保采集到所需量的血液，并将样本准备妥当用于临床分析。
10. 保存数据并停止所有记录。
11. 记录婴儿的人口统计学信息及实验细节，并将其输入数据库，以便安全存储和后续查阅。
12. 在所需数量的婴儿样本中重复该实验流程。本示例中婴儿数量为23例。

3. 脑电图数据分析

1. 创建与每次触觉、对照和针刺刺激及背景脑电图（EEG）相对应的1.7秒长的EEG片段。每个片段应从事件发生前0.6秒开始。每种刺激模态对应的片段数量应相等。
2. 通过减去基线信号的平均值对片段进行基线校正，并在0.1 Hz处进行高通滤波。
3. 选取在CPz或Cz电极记录的片段用于进一步分析，并排除受运动伪迹污染的片段。运动伪迹定义为在小于50毫秒内振幅变化超过50μV。
4. 对刺激后50至300毫秒时间窗内的信号进行对齐，以校正潜伏期抖动，并在此时间区间内进行主成分分析（PCA），以识别触觉诱发电位（即与触觉刺激相关的EEG活动）。将各个EEG片段视为变量，时间点视为观测值。PCA将EEG片段分解为称为主成分（PCs）的基本波形，代表信号振幅在不同时间点上的系统性变化。
5. 对前两个主成分（PCs）各自的权重进行单因素方差分析（ANOVA），以确定哪一个PC代表触觉诱发电位。该PC在触觉刺激后的权重应显著高于背景脑电图条件下的权重。
6. 对刺激后300至700毫秒时间窗内的信号进行对齐，以校正潜伏期抖动，并在此时间区间内进行主成分分析（PCA）。
7. 对前两个主成分（PCs）各自的权重进行单因素方差分析（ANOVA），以确定哪一个PC代表特异性伤害性刺激诱发电位。该PC在有害刺激后的权重应显著高于触觉刺激和背景脑电图条件下的权重。

4. 肌电图数据的分析

1. 计算控制刺激和刺痛刺激后前1000毫秒内肌电图（EMG）信号的均方根（RMS）值。
2. 对RMS值进行t检验，以确定伤害性特异性脊髓反射回缩反应。

5. 代表性结果

图 1. (A) (i) 脑电图记录电极放置的示意图和 (ii) 照片（改良的国际10/20电极放置系统）；(B) 股二头肌肌电图记录电极放置的示意图。

图 2. （A）3 名婴儿在触觉刺激下Cz电极记录到的感觉诱发电位示例；（B）3 名婴儿在有害性刺痛刺激下Cz电极记录到的伤害性特异性诱发电位示例。

图3. Cz电极处主成分权重对刺激模态的依赖性（均值 ± 标准误）。在刺激开始后50-300 ms内提取的主成分代表触觉诱发电位，而在刺激开始后300-700 ms内提取的主成分代表特异性伤害性诱发电位。主成分（粗线）叠加于所有刺激类型（背景脑电、触觉、有害针刺）的总平均波形之上，各单次记录已按指定时间区间对齐。

图4. （A）一名婴儿在（i）有害性足跟穿刺和（ii）足跟触碰后的肌电图（EMG）活动示例。（B）婴儿在受到有害性足跟刺激和无害性触觉刺激后，EMG均方根活动的平均值（±标准误）。

讨论

本视频展示了如何利用脑电图（EEG）和肌电图（EMG）记录来表征人类婴儿在触觉和伤害性刺激下诱发的电生理反应。此类研究将有助于理解人类疼痛处理的发育过程及其可塑性，并推动婴儿疼痛的临床评估与治疗的改进^{1, 2}。

这些实验的成功需要多学科团队的紧密合作。团队需具备新生儿学、临床神经生理学、生物工程学和发育神经科学领域的专业知识。

在进行这些实验时，必须将婴儿的护理放在首位。执行足跟采血的研究护士或医生对婴儿的健康负有责任，并需确保实验按照临床实践规范进行。开展这些研究必须获得医院伦理委员会的批准以及家长的书面同意。

足跟穿刺是一项临床必需的操作，不能为了研究目的而重复进行。因此，必须以一种可靠且稳健的方式采集记录，且不能干扰临床操作^{3, 4}。特别是，用于锁定刺激时间的方法必须可靠，且不得妨碍临床采血过程。

所有婴儿疼痛的测量都必然是间接的，因此重要的是要确认所记录的活动是由有害事件特异性引发的，而非婴儿护理中的其他方面²。这可以通过精心的技术设计以及数据的后期处理来实现。