第三節　組織結構相關的腦電活動

在個體神經細胞電活動的基礎上，腦電活動的有效記錄依賴于腦皮質的結構、群體神經細胞排列的組織結構。同時與神經細胞活動的多少、同步化程度、方向等多種因素有關。

一、腦皮質結構特異性

新皮質的細胞構層

新皮質主要為大腦半球表面的灰質，因在種系進化中比古皮質和舊皮質發生較晚而得名。大腦半球表面的灰質厚2～5mm，表面積在2400cm2左右。根據神經元、軸突、樹突、膠質細胞分布等特征，一般將皮質分為6層，各層的構成見表2-1。皮質不同部位各層次的排列密度和厚度不同，有些區域的某些層次甚至缺如。

皮質的垂直結構

大量研究發現，垂直于皮質表面的柱狀結構是皮質的基本功能單位。一個柱狀單位的表面積在1mm2左右，由神經元胞體、樹突、軸突和跨層連接的突觸構成。在一個垂直柱內，丘腦中繼核團的輸入經由Ⅳ層的某些顆粒細胞，快速而有效地向下傳導至Ⅴ層和Ⅵ層的傳出神經成分，同時從Ⅳ層向上到達Ⅱ層及Ⅲ層的錐體細胞，再回返向下興奮Ⅴ層的大錐體細胞，構成基本的垂直環路。一個垂直柱內的神經元對感覺或運動的反應性質非常相似，而平行分布的鄰近神經元則可能具有十分不同的反應。通過簡單增加柱狀結構的數量即可建立新的區域和功能（圖2-8）。

皮質的平行結構

皮質神經元的軸突可在同一層或跨層平行連接，包括連接鄰近的垂直柱、連接同側半球內相鄰的兩個區域或連接對側半球的相應區域。在皮質的第Ⅰ層中，有大量并列分布的錐體細胞頂樹突，頭皮EEG所記錄到的主要是這一層的電位變化。平行連接可使更大范圍的腦區參與到某項活動中，同時也是癲癇活動擴散的基礎。對某些局灶性癲癇病人進行軟腦膜下橫切術，即是通過切斷皮質的橫向平行纖維防止癲癇擴散，同時保留垂直柱狀結構的功能（圖2-8）。

基于皮質細胞構筑的腦皮質分區

每個大腦半球分為背外側面，垂直的內側面和底面。中央溝以前、外側裂以上為額葉，外側裂以下為顳葉，頂枕裂后方為枕葉，外側裂上方、中央溝與頂枕裂之間為頂葉，島葉埋藏在外側裂里。一個世紀前，許多科學家嘗試對大腦皮質進一步分區，其中德國科學家Brodmann在1909年報道了根據皮質細胞構筑（cytoarchitecture）特征所進行的人腦功能分區圖譜。Brodmann圖譜是人腦組織結構研究的里程碑事件，為研究大腦的解剖-功能研究提供了基石，也為解剖-功能-腦電生理的研究提供了基本框架，對于神經系統疾病和精神疾病的認識和研究提供了堅實的基礎（圖2-9）。

在Brodmann圖譜上，每個半球皮質的分區從1到52進行標記，Brodmann展示了43個細胞構層區域，但缺少12～16和48～51編號的區域。Brodmann的解釋是這些分區在其他靈長類動物明顯，但在人類難以鑒別。人們在長期應用Brodmann分區進行研究的同時，對Brodmann分區也做了進一步完善。例如對于額葉，Petrides和Pandya在20世紀90年代做了進一步劃分，對于46、12、14等區重新進行了定義。近年來隨著神經影像學和腦功能研究技術的進步，Brodmann腦區被進一步細分為某些亞腦區（圖2-10）。

二、組織結構依賴性電場

大腦皮質的結構基礎決定了頭皮表面記錄到的腦電活動。皮質錐體細胞的排列整齊而緊密，頂樹突垂直于皮質表面，有利于電活動在時間和空間上的綜合，同時樹突表面膜的面積占錐體細胞膜總面積的97%，具有很高的電興奮性。對于單個錐體細胞，來自頂樹突的興奮導致局部細胞內外極性變化，細胞內由負性變為正性，而細胞外由正性變為負性。胞體的變化與此相反，錐體細胞的頂樹突和胞體形成了局部的電偶極子。在細胞內，電流沿著軸索從頂樹突到胞體傳播，但由于細胞膜的絕緣性，其產生的電場在細胞外可以忽略。而在細胞外，電流從胞體流向頂樹突部位。從細胞內向細胞外的電流稱為“ 電源”或出電流，相反方向的電流稱為“ 電穴”或入電流，產生局部的細胞外電場（圖2-11）。

極性的電生理基礎

當EPSP產生的去極化電位發生在接近皮質表面時，在表面電極產生負相電位，深層部位的EPSP則在表面記錄到正相電位。而IPSP產生的極化電位效應則相反（圖2-12）。因為表面電極的面積較大，可記錄到很多神經元的電活動，而這些電活動的性質、方向和時間不盡相同，因而從某一皮質或頭皮表面電極記錄到的腦電波形、頻率和位相，反映的是記錄電極下面許多神經元突觸后電位的加權疊加的結果。由于EPSP和IPSP之間相互復雜的作用，實際記錄到的綜合腦電活動是相當隨機的，但皮質自發腦電中的負相電位總是與細胞的去極化過程相關聯。

開放電場和封閉電場

當一大組神經元共同活動時，形成一個足夠大的場電位，則可從頭皮記錄到這種電位的宏觀變化。產生開放領域的神經元，比如錐體細胞，對于細胞外電場的形成有很大的促進作用。相反，球對稱神經元（例如丘腦皮質細胞）在各個方向發出大小相對一致的神經元，則產生一個封閉區域（圖2-13）。但只有當一些樹突同步興奮時才可以產生一個嚴格封閉的區域。即使球對稱細胞中單個樹突的去極化產生一個小的偶極子，這種情況也很少見。

電流源密度分析

突觸電活動對于 層狀場電位（laminar field potential，LFP）的貢獻最大，但場電位記錄不能準確反映細胞外電流流進和流出細胞的部位。應用微電極記錄，當線性電極陣列記錄點的排列方向與被記錄的神經細胞排列方向一致時，各個記錄點可以依次測量到神經細胞樹突、胞體和軸突不同層次上的電壓信號，即電流源密度（current source density，CSD）。

應用CSD技術，有利于準確定位細胞外電流流進和流出細胞的部位。CSD標志著進入或者離開細胞外間隙的凈電流體密度的數量，是為了克服場電位記錄的不確定性而發展起來的神經電生理和計算機技術相結合的方法，有助于分析產生LFP的出膜來源（從細胞內到細胞外的陽離子流）和入膜位置（進入細胞的陽離子流）。其原理在于假定腦組織的導電性具有均質性，通過歐姆定律，利用3個或3個以上在同一LFP的連續位置記錄到的電場強度，從不同電壓和導電率中計算兩個記錄點之間的電流。運用高密度記錄探針監測LFP，有可能精確確定CSD最大量并由此確定電流消逝（或產生）的精確位置。CSD法可以顯示電流源和電流穴在時間和空間上的分布，CSD由一定距離間隔上記錄的多路場電位信號計算得到，常用的是一維CSD（圖2-14）。

三、影響細胞外電場強度的因素

頭皮EEG以及大腦表面EEG記錄到的是宏觀水平的大腦活動。20世紀70年代，Cooper等發現皮質6cm2的同步腦電活動才能產生頭皮可記錄的電場。EEG的有效記錄還主要與下列因素有關。

神經元活動的同步化

細胞外電場強度最重要的決定因素是神經元產生偶極子的時間同步性，即同步化。在皮質規則的細胞結構中，錐體細胞的頂樹突彼此平行并且傳入電流垂直于軸索，由于EEG測量的是群組神經元在空間和時間上的平均活動，同步性電場通過疊加能夠產生可記錄的腦電活動，而來自細胞體電流的電源和來自鄰近神經元樹突電流的電穴方向相反，非同步性活動的電場容易被抵消，在這種情況下，電壓場的總和可能不足以被頭皮或皮質電極所記錄到。此外，正常腦電活動的背景在頭皮產生幾十微伏的電活動，而病理性電位如癲癇性放電由于異常同步化，其波幅可以非常高。

偶極子方向和立體角理論

EEG記錄的是立體空間內大腦皮質產生的三維分布的腦電活動，盡管總體說來，距離發生源越近，電場線的強度越大，但是在實際中，并不能僅根據腦電記錄到的波幅簡單推論發生源的位置。影響細胞外電流強度的重要的形態因素在于高級哺乳動物皮質高度折疊的特性。當皮質彎曲成腦回時，在其凹面頂樹突被推擠得彼此接近，這就比腦回凸面的頂樹突有著更高的電流密度。如果相鄰的活動皮質區域所形成的電場方向不同，例如在腦溝的兩側壁上，兩個偶極子的電場方向正相反，就會相互抵消，從而在頭皮無法記錄到明顯的電位。

Gloor在1985年系統地提出了 立體角理論。即在參考電極為0的理想記錄情況下，介質中某一點的電場強度可以由公式P=（±e/4π）·Ω表示。其中P代表了在介質內任何一點的電場強度，±e為發生源（正性或者負性）電場強度，而Ω為在P點面對偶極子層的固體角（圖2-15）。

立體角的理論為解釋腦電信號的起源奠定了基礎。根據這一理論，當皮質區域產生的偶極子電場方向正對電極時，記錄到的腦電活動最為明顯，而當活動性的皮質區域相對于記錄電極由正對的直線關系變為切線方向時，電極所記錄到的電壓幅度逐步下降。即使腦電起源的偶極子正位于電極下方，但當電場的方向與記錄電極呈切線方向時，電極將記錄不到腦電活動，因為電極位于偶極子電場的零位線上。同樣，電極記錄到了最大的電壓，也并不意味著電極下方即為活動皮質。因此，頭皮記錄到的腦電活動，特別是針對癲癇性放電，借助于多個方向的導聯組合顯示，可以大致反映放電的部位，但精確定位需要根據立體角理論進行溯源分析（圖2-16）。

在頭皮和皮質EEG記錄中，由于電極間隔距離較大，采用0電位的參考導聯記錄，在頭皮或者皮質表面能夠觀察到不同電極之間的局部絕對電位差。而應用深部電極包括SEEG電極，由于電極排列密集，以0電位為參考記錄到的相鄰兩點的絕對電壓差很小，不利于區分，因而目前國際和國內的臨床工作中，多應用相鄰電極互為參考的雙極記錄方式反映電極之間的相對電壓變化，有利于區別各點的電位變化。但要注意的是，由于深部電極位于腦實質內，電極位置與電場的關系相對復雜，特別是當相鄰的電極跨越腦皮質以及皮質-白質交界時，其相對電壓會發生較大的變化。因此在解釋深部電極EEG結果時，要密切結合電極的具體位置進行分析。

顱骨和頭皮的屏蔽效應

顱骨和頭皮對皮質電活動具有電壓衰減和高頻濾波作用，根據歐姆定律，從頭皮記錄到的電位只有皮質表面電位的1/10～1/5，同時，由于在臨床腦電圖應用的高頻濾波多為70Hz，所以高于70Hz的腦電活動在頭皮EEG中被明顯衰減，很難記錄到高頻電活動。

四、海馬與邊緣系統

1937年，康乃爾大學James Papez提出起源于海馬的神經通路經乳頭體、丘腦前核和扣帶回的中繼，返回海馬構成一封閉環路，此環路能作為情緒表達的神經基礎，稱為Papez環。1952年Maclean提出和完善了邊緣系統這一術語，邊緣系統的主要部分環繞大腦兩半球內側形成一個閉合的環，邊緣系統所包括的大腦部位相當廣泛，如梨狀皮質、內嗅區、眶回、扣帶回、胼胝體下回、海馬回、腦島、顳極、杏仁核群、隔區、視前區、下丘腦、海馬以及乳頭體都屬于邊緣系統。

相對于新皮質結構，邊緣系統在組織結構、電生理特征以及功能方法具有特征性；從進化的角度，包括具有3～5層細胞構筑的異生皮質（allocortex），包括以海馬及齒狀回為代表的古皮質（archicortex），以海馬旁回以及梨狀皮質為代表的舊皮質（palocortex），以下托（subiculum）和內嗅皮質（entorhinal）為代表的處于異生皮質和新皮質之間的旁異生皮質（periallocortex）。邊緣系統內部互相連接與神經系統其他部分也有廣泛的聯系，參與感覺、內臟活動的調節并與情緒、行為、學習和記憶等心理活動密切相關，特別是與癲癇具有密切的關系。

邊緣系統可以進一步劃分為前邊緣系統和后邊緣系統，并具有相對特征癲癇發作癥狀學表現。其中，杏仁核、前島、眶額回、丘腦前部、前扣帶回組成前邊緣系統，主導情感功能，而后邊緣系統包括海馬、內嗅皮質、旁嗅皮質、海馬旁回、壓部皮質、后扣帶回等，更多地涉及記憶功能。

總體來說，癲癇性放電在以古皮質和舊皮質為主的邊緣系統內的傳播和募集的速度較慢，內側顳葉癲癇的發作時間往往要較新皮質起源發作的時間長。需要注意的是，顳葉內外側皮質也存在緊密的相互聯系，來自新皮質的發作也可能很快出現顳葉內側的癥狀。

海馬的結構

根據細胞構筑的不同，海馬（hippocampus）分為CA1（Sommer段）、CA2、CA3和CA4區。其中CA1和CA3區對缺氧最敏感，為易損區；CA2和CA4區為相對耐受區。CA3區的錐體細胞具有內源性點燃性質和高興奮性的旁路連接（軸突Schaffer旁路），盡管有抑制性的中間神經元調節，但抑制性的輕度減低即可導致CA3區明顯的同步化爆發，并通過Schaffer旁路傳至CA1區。CA3區的這種性質與癲癇有密切關系。CA1區的錐體細胞無內源性爆發特性，但容易被CA3區的爆發點燃募集，加入到癲癇樣活動中（圖2-17A）。

海馬的主要傳入纖維來自內嗅皮質，通過前穿支（perforate paths）到達齒狀回。齒狀回是皮質興奮進入海馬的重要通路。齒狀回顆粒細胞具有非常負的靜息電位，因而興奮閾值很高，對點燃具有很強的適應性，對發作引起的損傷也具有較強的耐受性，起到過濾信息的作用。顆粒細胞的另一個特性是其軸突苔狀纖維具有很強的可塑性，正常情況下苔狀纖維與CA3區錐體細胞的樹突形成聯系，突觸電流和電壓依賴性離子通道的改變可誘導苔狀纖維發芽并進入含有顆粒細胞樹突的分子層，形成局部異常神經環路，對癲癇樣放電起到放大作用。門區中包含苔蘚樣細胞和籃細胞等。苔蘚樣細胞是海馬中最易受到損傷的細胞，其與齒狀回分子層顆粒細胞的樹突構成興奮性連接，苔蘚樣細胞的放電閾值很低，容易產生爆發性點燃。苔蘚樣細胞死亡可觸發齒狀回顆粒細胞的軸突發芽?；@細胞是GABA能的抑制性中間神經元，對Ca2+介導的興奮毒敏感，容易受到損傷。其丟失使得暴露在高水平長時間刺激中的齒狀回顆粒細胞興奮性增加（圖2-17B）。

內嗅皮質

新皮質的信息主要通過內嗅皮質（entorhinal cortex）進入海馬。內嗅皮質的錐體細胞具有持續點燃和爆發性點燃的特性，其傳出纖維前穿支與齒狀回顆粒細胞形成連接。當內嗅皮質-海馬環路改變時，齒狀回喪失某些過濾信息的功能，并開始放大同步化放電，加強而不是減弱內嗅皮質-海馬環路的異常活動。

梨狀區

梨狀區（piriform）或稱嗅皮質（olfactory cortex），與內嗅皮質和外嗅皮質有豐富的聯系，其錐體細胞點燃的速度比邊緣系統其他結構都快，可快速引發臨床發作，是一個敏感性極高的致癇區，常常成為癲癇事件的觸發器和放大器。

杏仁核

杏仁核（amygdala）接受來自嗅球和梨狀皮質的傳入，并有來自丘腦及腦干的廣泛傳入纖維。其傳出纖維可到達前額葉皮質、隔區、扣帶回前部、顳葉外側、島葉等部位。電刺激杏仁核可產生一系列行為改變和自主神經癥狀。

扣帶回

扣帶回是額葉的一部分，也參與邊緣系統的組成?？蹘Щ亟邮馨肭蛐缕べ|廣泛區域的傳入，并通過海馬-扣帶回通路接受海馬的傳入。傳出纖維可投射至海馬、杏仁核、隔核、丘腦前核及額、頂葉皮質等。電刺激扣帶回可引起各種自主神經反應及情緒反應，如血管舒縮變化引起病人面部潮紅或蒼白、呼吸頻率改變、消化道癥狀，以及驚恐、逃避等反應。

邊緣系統的電活動

由于邊緣系統主要位于大腦半球的內側面和底面，頭皮電極很難直接記錄到其電位活動，常需借助接近顱底的蝶骨電極、卵圓孔電極等特殊部位記錄，或進行顱內深部電極記錄。

海馬的固有節律為4～7Hz的θ活動。早期研究認為海馬θ活動主要源自隔區和內嗅皮質，通過前穿支激活齒狀回顆粒細胞和CA1錐體細胞神經元產生EPSP，而后激活局部環路的抑制性神經元，如此反復，從而產生θ頻率的膜電位振蕩。以后的研究顯示在邊緣系統節律性慢活動的產生中，CA1錐體細胞的IPSP占優勢。膽堿能系統也可能介導海馬θ節律的產生。目前究竟哪一種突觸后電位在海馬θ節律的產生中占主導依然沒有一致的結論。

新皮質的電活動可通過內嗅皮質傳入海馬，在此經過整合后，輸出到邊緣系統其他結構、大腦皮質及腦干下行通路。前述的海馬特殊環路結構使之具有“放大器”的效應，微小的異常電活動在此環路內被逐漸放大，經傳出通路抵達效應器后引起腦電活動的異常同步化放電，因而海馬常常成為癲癇發作的起源地。