自睡眠脑电波的个性化指纹为了解疾病提供了强大的新工具

由布莱根妇女医院的研究人员领导的一个团队，是麻省总医院布莱根医疗保健系统的创始成员，与麻省总医院和贝丝以色列女执事医疗中心的研究人员密切合作，开发了一种强大的计算工具，用于了解大脑健康和疾病，提供了一种增强的方式来表征睡眠期间大脑的活动。

研究人员设计了一种新方法，可以从熟睡者的脑电波中提取数以万计的电事件。然后，来自这些波形的信息被用来创建大脑活动的图像，看起来就像指纹一样——每个人都是独一无二的，并且从一个晚上到另一个晚上都是一致的。然后，他们使用他们的方法来识别精神分裂症患者大脑活动中新的潜在生物标志物。他们的发现发表在《睡眠》杂志上。

博士后研究员 Patrick Stokes 博士是该研究的第一作者，高级作者是 Michael Prera​​u 博士，他是副神经科学家，也是睡眠和昼夜节律障碍部神经生理信号处理核心主任在布莱根。

“这项工作扩展了我们在睡眠期间观察大脑活动的方式，”Prera​​u 说。“通过超越将复杂的睡眠连续体分解为特定类别和波形类别的传统概念，我们可以揭示可能对了解大脑健康和疾病很重要的新型信号和动态。”

科学家们通常使用脑电图或 EEG 来研究睡眠期间的大脑活动，该脑电图测量头皮的脑电波。从 1930 年代中期开始，首先通过观察机器在纸带上绘制的脑电波痕迹来研究睡眠脑电图。睡眠的许多重要特征仍然基于近一个世纪前人们在复杂的波形轨迹中最容易观察到的东西。

即使是用于检测睡眠波形的最新机器学习和信号处理算法也会根据其重现人类观察的能力来进行评判。在这项研究中，研究人员问道：如果我们将睡眠脑电波的概念扩展到历史上容易用肉眼识别的范围之外，我们能学到什么?

一组特别重要的睡眠脑电波事件称为睡眠纺锤波。这些纺锤波是短的振荡波形，通常持续不到 1-2 秒，这与我们将短期记忆转换为长期记忆的能力有关。纺锤体活动的变化与许多疾病有关，例如精神分裂症、自闭症和阿尔茨海默病，以及自然衰老。

在这项研究中，该团队没有根据历史定义寻找纺锤体活动，而是开发了一种新方法，可以在整个晚上从 EEG 数据中自动提取数以万计的短纺锤状波形事件。接下来，他们没有像标准睡眠研究那样根据固定睡眠阶段(即唤醒、快速眼动和非快速眼动阶段 1-3)查看波形，而是描述了大脑在睡觉。

使用所有这些数据，该团队创建了称为慢振荡功率和相位直方图的图形表示，它提供了所有波形活动的强大可视化，作为连续睡眠深度和皮层同步活动的函数。“这进一步证明了传统手动评分留下的信息的丰富性，”布里格姆精神病学系的共同作者 Shaun Purcell 博士说。

当研究小组观察一组健康的参与者时，每人都有两晚的睡眠记录，观察到的模式几乎就像指纹一样——对每个人都具有高度特异性，并且在整个晚上都具有很强的一致性。这些结果表明了大脑活动因人而异的新方式，即使在被选为对照组的健康人群中也是如此。

然后，研究人员比较了健康受试者和精神分裂症人群之间的活动，精神分裂症是一种降低纺锤体活动的疾病。使用他们的方法，该团队不仅看到了精神分裂症参与者的已知差异，而且还发现了大脑中其他频率出现的其他纺锤状波形的差异。这表明新的潜在的精神分裂症脑电图生物标志物可能有助于更好地了解疾病的机制和开发靶向治疗。

“这种方法真的很令人兴奋，”马萨诸塞州总医院精神病学系的合著者 Dara Manoach 博士说。“我们期待看到我们如何能够增强我们对精神分裂症以及其他以睡眠差异为特征的神经发育障碍的理解，例如自闭症和小儿癫痫。”

“我们才刚刚开始了解普通人群中存在的神经多样性的范围，”Prera​​u 说。“如果我们能够更准确地描述在神经健康和疾病中观察到的个体差异，我们就可以努力改进诊断和治疗。”