近年來,隨著腦損傷、神經系統功能障礙等重癥疾病的診療取得巨大突破,越來越多患者轉歸為意識障礙。在臨床工作中,準確評估意識障礙對其治療起著關鍵作用,患者經過治療后如何評估意識水平及預后也成為了近幾年的研究熱點。意識缺失與恢復模型是理解意識神經機制的理想工具,臨床試驗易受倫理等諸多因素限制,因此常用動物模型作為臨床前基礎實驗,而非人靈長類動物(non-human primates, NHP)與人類親緣關系近,是研究人類疾病的理想模型。目前針對 NHP 意識水平的評估實驗較多,方法也各異,均具有一定的優點及局限性。該文特對 NHP 意識水平量表評估工具現狀的研究文獻進行梳理后發現其評估主要分為麻醉實驗后基于刺激反應的意識水平評估、刺激-獎賞實驗后基于行為任務完成度的意識水平評估以及多指標綜合評估 NHP 意識水平。因此,該文就當前各 NHP 意識水平量表評估工具現狀及其優缺點進行綜述,以期從動物模型角度為評估意識水平提供新的思考,以望尋找更加合適的評估工具。
引用本文: 康細珍, 楊洋, 孫偉銘, 賀彬峻, 郭淑月, 馮珍, 馬朝林. 非人靈長類動物意識水平量表評估工具現狀分析. 華西醫學, 2023, 38(11): 1755-1759. doi: 10.7507/1002-0179.202303220 復制
我國現存意識障礙(disorders of consciousness, DOC)患者數量約 141 萬,且每年約以 6.37%的速度持續增長,這給患者家庭和社會醫療資源帶來沉重的壓力[1]。因此,對 DOC 患者進行評估意識水平及促醒治療,改善其日常生活能力,幫助其重返家庭和社會,具有重要的經濟和社會意義。由于 DOC 種類多樣,且致病機制復雜,實驗研究和臨床治療尤為重要,以人作為試驗對象研究疾病在時間、空間上存在諸多局限性,且在方法和倫理上受到限制,因而常用動物模型進行臨床前基礎實驗。非人靈長類動物(non-human primates, NHP)在遺傳、神經解剖學和認知、行為特征等方面與人類密切相關,是研究人類疾病的理想模型。因而本文特對 NHP 的意識水平評估工具研究文獻進行系統綜述,比較各種方法的優劣,以期從動物模型角度為評估意識水平提供新的思考,以望尋找更加合適的評估工具,為后續研究提供依據。
1 意識水平概述
1.1 意識
意識是大腦對自身以及外界各種環境的覺察能力[2],包括 2 個維度:覺醒(wakefulness)和覺知(awareness),分別表示意識的意識水平和內容[3]。覺醒使機體維持一定的興奮狀態,是大腦意識內容活動的基礎;覺知即意識內容,涉及自我及環境。意識受大腦皮質功能的影響,其正常維持依賴于丘腦、上腦干和基底前腦的聯想皮層和皮層下喚醒系統的完整性,皮層嚴重損傷會導致患者意識喪失[4-5]。意識具有連續性、多維度的特點,DOC、麻醉和睡眠等意識缺失狀態為意識研究提供了良好的模型。
1.2 DOC
DOC 指患者意識受到抑制時的醫學狀態,表現為對外來刺激失去反應,喪失運動和感覺功能,只保留自主神經系統功能[6]。DOC 按其臨床表現可分為昏迷狀態、植物狀態/無反應性覺醒綜合征、最小意識狀態[7]。DOC 多由腦外傷、腦出血、心臟驟停等疾病引起,其中腦外傷是導致 DOC 的主要病因。隨著神經危重癥醫療水平的發展,臨床學科技術的提高,顱腦損傷患者的搶救成功率顯著提高,病死率明顯降低,但患者腦組織長時間缺血、缺氧、壞死易誘發腦神經元變性,造成神經功能喪失而導致 DOC[8]。DOC 患者長期臥床,常伴有肺部感染、泌尿系感染、營養不良、關節攣縮和皮膚壓瘡等并發癥,這給醫護人員帶來極大困擾,也給患者及其家庭帶來極大的經濟和心理負擔[9]。
1.3 意識水平評估
意識水平評估是判斷患者預后和制訂康復方案的重要依據。目前應用較多的評估方法主要是行為量表評估法,如改良昏迷恢復量表和格拉斯哥昏迷評分等。當患者主觀性較高,易造成一定程度的誤診率,如將最小意識狀態患者診斷為植物狀態/無反應性覺醒綜合征[10]。近年來隨著功能神經影像學、神經電生理學的發展,客觀技術如腦電圖、正電子發射計算機斷層顯像和功能磁共振成像可作為評估意識的工具[11]。但由于神經技術等價格昂貴、耗時、操作不便等原因,尚未被廣泛接受為評估意識水平的工具。行為測試仍然是評估人類意識水平的金標準[12]。但對長期 DOC 患者的預后評估至今仍缺乏系統的評價體系和有效的手段。另外,對于意識清醒的判斷標準也沒有統一的共識。
2 NHP 模型優勢
意識恢復和麻醉蘇醒的臨床前實驗模型對于理解昏迷蘇醒過程中恢復覺醒的神經回路至關重要。這樣的模型有助于更好地理解昏迷期間如何促進或阻礙腦損傷的恢復。臨床試驗易受倫理等諸多因素限制,利用動物模型闡明意識機制日益成為神經科學研究的熱點[13]。目前,動物實驗多以嚙齒類為研究對象,但其腦結構解剖學、遺傳學和神經功能等方面與人類差異較大。NHP 在認知、情感和社會行為特征方面與人類密切相關,且在解剖學、生理學、遺傳學和神經功能方面與人類具有相似的發育路徑[14]。NHP(恒河猴等)可模仿人類的正常狀態和疾病狀態,常作為動物模型被廣泛用于理解各種高級大腦功能和神經系統疾病[15],如神經退行性疾病,包括帕金森病、阿爾茨海默病和亨廷頓舞蹈癥等。研究其發病機制、病程的發生發展及治療藥物等,為人類神經科學及相關醫學研究作出了不可替代的貢獻[16]。因此,以 NHP 開展研究勢必能更深入地揭示意識和 DOC 的神經機制。
3 NHP 意識水平評估現狀
臨床上主要通過行為學評估來判斷人的意識水平,常用的行為學量表有改良昏迷恢復量表和格拉斯哥昏迷評分等[17]。在 NHP 模型實驗中也常以其行為表現作為評估依據,但目前暫無客觀有效的 NHP 的 DOC 評估量表,嚴重阻礙了實驗進展。此處擬對國內外相關試驗中用到的行為學評估方法進行概述,以期為后續科學研究提供借鑒和參考。綜合國內外相關文獻發現,其行為學評估方法主要分為麻醉實驗后基于刺激反應的意識水平評估、刺激-獎賞實驗后基于行為任務完成度的意識水平評估以及多指標綜合評估 NHP 意識水平。
3.1 基于刺激反應的意識水平評估
麻醉是一種可逆的、受控的無意識狀態,是研究大腦在睡眠、昏迷或需要全身麻醉的醫療程序等中斷后如何恢復意識的工具。在臨床上,了解無意識病理性狀態后的特定恢復模式可以為治療策略或預后提供信息。麻醉實驗中常以 DOC 評估水平作為實驗成功的標準,研究人員對此提出了不同的判斷依據。
Schroeder 等[18]以恒河猴對外界刺激無應答作為麻醉成功的標志,并在喚醒實驗中提出 5 個意識水平評估指標,包括自發運動、踏板(腳趾捏)反射、眨眼反射、肢體操縱(抬起手臂或腿并允許落入實驗者手中)以及垂直眼球震顫。當自發運動、踏板反射、眨眼反射以及操縱肢體逐漸正常,垂直眼球震顫逐漸消失,表明恒河猴意識的恢復。Schroeder 團隊認為麻醉 240 min 后恒河猴表現出四肢、面部和軀干正常運動、快速邁步、正常眨眼、四肢縮回、不存在垂直眼球震顫可作為意識水平恢復正常的指標[18]。該行為學評估項目設置較為簡單,采用觀察法進行評估,平均 2 min 即可以完成,方便快捷、可操作性強,同時保持了良好的內部一致性,但缺乏相對細化的評分指標,結構效度和診斷效度也未被證實。
同樣基于刺激反應進行意識水平評估的還有 Yanagawa 等[19],其團隊在麻醉過程中限制恒河猴的雙臂和頭部運動,并將恒河猴的眼睛遮住以避免引起視覺反應。注射麻醉劑后,當恒河猴不再能操縱手且對棉簽觸摸鼻孔無反應時,認為麻醉成功、意識喪失。當恒河猴手對棉簽觸摸鼻孔存在反應,且可以平靜地坐著多達 20 min,即認為恒河猴恢復清醒狀態。該行為評估忽略了恒河猴的視覺反應,也只針對清醒和意識喪失作出評估,顯得較為簡單,臨床應用受限較大。
臨床醫護人員對意識水平的理解、定義分類的界定不清晰是導致 DOC 患者高誤診率的原因之一[20],對此,Bastos 等[21]將意識喪失定義為恒河猴眼睛閉合并保持閉合的那一刻,意識恢復在行為上定義為眼睛睜開并保持連續睜開的那一刻,而從意識喪失到意識恢復的時期被稱為無意識狀態。在實驗中,在實現異丙酚麻醉后對恒河猴進行深部腦刺激,該團隊按照“喚醒分數”對所有的深部腦刺激電極(deep brain stimulating electrodes, DBS)試驗進行行為評分,以確定電刺激引起的覺醒變化的程度。該“喚醒分數”分為 3 個部分,包括自發睜眼、對外部刺激的反應(針對眼睛/臉部的氣撲)及面部/身體運動,得分范圍為 0~2 分[21],量表每個 DBS 試驗的單一總體得分匯總即為試驗的最終喚醒分數。該評分是基于是否存在自發行為或對特定的感覺刺激有行為反應,并且每項條目是標準化和可操作的。
3.2 基于任務完成度的意識水平評估
通過刺激-獎賞實驗使恒河猴習得特定行為,并以行為任務完成度作為意識水平的評估指標,也是實驗中常用的評估方法。Ballesteros 等[22]在 2020 年以液體作為獎勵,訓練恒河猴在特定的感覺刺激(空氣撲氣、聲音或同時空氣撲氣和聲音、無刺激)條件下形成按面前的按鈕到實驗結束的行為習慣,在實現麻醉后給予相同的刺激,并記錄其行為反應。在實驗中,動物行為被分為正確的反應(保持按鈕直到實驗結束和釋放)、失敗的嘗試(提前釋放、延遲觸摸或沒有釋放按鈕)和沒有反應,任務參與的概率(包括正確的反應和所有失敗的嘗試)≤0.3 被定義為意識喪失,>0.3 被定義為意識恢復。該評定以恒河猴的行為反應為出發點,基于行為學評估意識水平這一金標準,具有一定的信度。但以任務參與的概率為依據,具有主觀性和偶然性,其效度有待考量。
眼球運動與認知功能密切相關,研究眼球運動異常和意識水平之間的相關性有助于研發更簡便、易操作的意識水平評估工具[23]。Redinbaugh 等[24]使用數碼攝像機(每秒捕捉 30 幀)和眼動儀(500 Hz 采樣率)對恒河猴進行眼球追蹤,以果汁獎勵訓練恒河猴執行注視任務,保持注視 57 cm 外的中心注視點(黑色背景上直徑為 0.42 度視角的灰色圓圈),研究人員則依據其眼球穩定時期(眼球位置保持固定至少 1 s)的電生理數據評估意識水平。同樣,Ecker 等[25]關注于恒河猴的眼球運動,通過聲音刺激和果汁獎勵,規范恒河猴形成注視目標 300 ms 且半徑維持在 0.5~1°以內的行為,并以行為完成度作為清醒狀態的標準。實驗結果被分類為“命中”“未命中”“正確拒絕”(用于成功完成沒有變化的實驗)和“假警報”(用于在任何變化發生之前對刺激進行的掃視)。在每種注意力條件下的 10%的實驗中,若沒有發生任何變化,恒河猴因保持固定而獲得獎勵。Signorelli 等[26]在實驗中訓練清醒狀態的恒河猴坐在靈長類動物椅子上的獅身人面像位置,在黑暗磁共振成像掃描儀內以 120 Hz 監測其眼睛,進行眼動追蹤收集磁共振成像數據以確保恒河猴在整個掃描過程中保持清醒。當恒河猴不再進行眼球追蹤表示麻醉成功。以上研究均是利用眼球追蹤恒河猴由刺激-獎賞習得的特定行為的完成度以評估意識水平,充分考慮了眼球運動對于 DOC 評估的重要性,然而對于評估指標較為模糊,有待更深入的研究探討。
3.3 基于多指標綜合的意識水平評估
另有學者從多方面行為指標綜合評估恒河猴意識水平,以提高客觀性和準確性。Redinbaugh 等[24]研發了一種喚醒指數以評定恒河猴的意識狀態,其包含肢體/面部運動、口部運動、身體運動、眼部運動和生命體征(與刺激前 30 s 的基線相比)5 個指標,每個指標得分為 0、1 或 2 分,以及產生喚醒指數的 5 個指標的得分之和(范圍 0~10 分)。用于計算喚醒評分的行為指數是基于從全身麻醉或 DOC 中恢復的個體所表現出的行為。得分總和≥3 分認為意識水平正常,<3 分則為 DOC。該喚醒指數不但對其評分方案進行了詳細闡述,同時對植物狀態和最小意識狀態進行區分,管理和評分程序較為規范。與其他行為學評估所不同的是,它將生命體征(呼吸速率、心率)也納入評估范圍。
Uhrig 等[27]在實驗中使用恒河猴鎮靜量表和丙泊酚、氯胺酮的腦電圖評估其意識水平。喚醒水平是在行為量表上定義的,基于自發的運動和對果汁展示、搖晃/刺激、腳趾捏和角膜反射 5 個指標的反應。該鎮靜量表將意識分為喚醒、輕度鎮靜、中度鎮靜、深度麻醉/全身麻醉 4 個水平,當 5 個指標的行為反應均存在時,認為恒河猴意識水平恢復正常。行為評估時按照一定順序進行:首先是對果汁展示的反應,然后是自發的運動,再是搖晃/刺激、腳趾捏,最后是角膜反射(用一縷棉花)。該鎮靜量表以行為反應存在與否作為評估指標,操作簡單方便,但卻忽略了多可能性結果,缺乏標準化,敏感度較低,容易漏診誤診。
綜上,行為學量表評估仍是評估 NHP 意識水平的主要方式,眼部、口部、肢體運動以及自發運動是其關注的重點。由于缺乏統一、標準化 NHP 的 DOC 評估量表,導致 NHP 意識水平評估方法不一,有些評估工具的信度和效度也有待檢測以及進一步完善。
4 總結與展望
隨著腦損傷、神經系統功能障礙等重癥疾病的管理取得巨大進步,越來越多患者轉歸為 DOC。與此同時,腦科學與認知神經科學的快速發展使得意識研究日益成為熱點。意識水平評估在實驗研究以及臨床應用中顯得尤為重要。通過查閱大量文獻,本研究小組發現“喚醒指數”“鎮靜量表”是研究實驗中最常用評估 NHP 意識水平的方法,但各研究所用的“喚醒指數”“鎮靜量表”指標、得分等存在差異,導致意識水平評估缺乏統一[28]。垂直眼球震顫、自發運動、原始反射(如踏板反射、眨眼反射)、肢體/面部運動和生命體征是目前運用較多的評估指標,指標得分一般分為 0、1 或 2 分。評估指標的局限性以及 3 點式得分嚴重影響了意識水平的評估,極易導致意識水平的誤判。
在對 NHP 意識水平評估的應用中,行為學量表雖然是最常用的,但也有一定局限性。視知覺或運動功能存在障礙的恒河猴,因無法對特定的指令作出相應的反應,將直接影響評估的準確性。此外,恒河猴的“無反應”可能并不代表其意識喪失。因此,僅憑行為學量表對 NHP 意識水平評估是不夠準確的。
針對 NHP 意識水平量表的評估工具現狀,現今仍缺乏更準確、客觀、科學的相關行為評估工具,這嚴重影響了實驗研究進展以及臨床診斷治療。由此,需要繼續思考與探討以研究出更合適的工具準確評估意識水平,進而將意識水平評估上升到一個全新的高度。與此同時降低 DOC 漏診率和誤診率,推動 DOC 的治療進程,幫助患者更快、更好地回歸家庭和社會。總之,未來的研究必定是聯合應用多指標,開展多中心、大樣本的研究,使評估結果更精準。
利益沖突:所有作者聲明不存在利益沖突。
我國現存意識障礙(disorders of consciousness, DOC)患者數量約 141 萬,且每年約以 6.37%的速度持續增長,這給患者家庭和社會醫療資源帶來沉重的壓力[1]。因此,對 DOC 患者進行評估意識水平及促醒治療,改善其日常生活能力,幫助其重返家庭和社會,具有重要的經濟和社會意義。由于 DOC 種類多樣,且致病機制復雜,實驗研究和臨床治療尤為重要,以人作為試驗對象研究疾病在時間、空間上存在諸多局限性,且在方法和倫理上受到限制,因而常用動物模型進行臨床前基礎實驗。非人靈長類動物(non-human primates, NHP)在遺傳、神經解剖學和認知、行為特征等方面與人類密切相關,是研究人類疾病的理想模型。因而本文特對 NHP 的意識水平評估工具研究文獻進行系統綜述,比較各種方法的優劣,以期從動物模型角度為評估意識水平提供新的思考,以望尋找更加合適的評估工具,為后續研究提供依據。
1 意識水平概述
1.1 意識
意識是大腦對自身以及外界各種環境的覺察能力[2],包括 2 個維度:覺醒(wakefulness)和覺知(awareness),分別表示意識的意識水平和內容[3]。覺醒使機體維持一定的興奮狀態,是大腦意識內容活動的基礎;覺知即意識內容,涉及自我及環境。意識受大腦皮質功能的影響,其正常維持依賴于丘腦、上腦干和基底前腦的聯想皮層和皮層下喚醒系統的完整性,皮層嚴重損傷會導致患者意識喪失[4-5]。意識具有連續性、多維度的特點,DOC、麻醉和睡眠等意識缺失狀態為意識研究提供了良好的模型。
1.2 DOC
DOC 指患者意識受到抑制時的醫學狀態,表現為對外來刺激失去反應,喪失運動和感覺功能,只保留自主神經系統功能[6]。DOC 按其臨床表現可分為昏迷狀態、植物狀態/無反應性覺醒綜合征、最小意識狀態[7]。DOC 多由腦外傷、腦出血、心臟驟停等疾病引起,其中腦外傷是導致 DOC 的主要病因。隨著神經危重癥醫療水平的發展,臨床學科技術的提高,顱腦損傷患者的搶救成功率顯著提高,病死率明顯降低,但患者腦組織長時間缺血、缺氧、壞死易誘發腦神經元變性,造成神經功能喪失而導致 DOC[8]。DOC 患者長期臥床,常伴有肺部感染、泌尿系感染、營養不良、關節攣縮和皮膚壓瘡等并發癥,這給醫護人員帶來極大困擾,也給患者及其家庭帶來極大的經濟和心理負擔[9]。
1.3 意識水平評估
意識水平評估是判斷患者預后和制訂康復方案的重要依據。目前應用較多的評估方法主要是行為量表評估法,如改良昏迷恢復量表和格拉斯哥昏迷評分等。當患者主觀性較高,易造成一定程度的誤診率,如將最小意識狀態患者診斷為植物狀態/無反應性覺醒綜合征[10]。近年來隨著功能神經影像學、神經電生理學的發展,客觀技術如腦電圖、正電子發射計算機斷層顯像和功能磁共振成像可作為評估意識的工具[11]。但由于神經技術等價格昂貴、耗時、操作不便等原因,尚未被廣泛接受為評估意識水平的工具。行為測試仍然是評估人類意識水平的金標準[12]。但對長期 DOC 患者的預后評估至今仍缺乏系統的評價體系和有效的手段。另外,對于意識清醒的判斷標準也沒有統一的共識。
2 NHP 模型優勢
意識恢復和麻醉蘇醒的臨床前實驗模型對于理解昏迷蘇醒過程中恢復覺醒的神經回路至關重要。這樣的模型有助于更好地理解昏迷期間如何促進或阻礙腦損傷的恢復。臨床試驗易受倫理等諸多因素限制,利用動物模型闡明意識機制日益成為神經科學研究的熱點[13]。目前,動物實驗多以嚙齒類為研究對象,但其腦結構解剖學、遺傳學和神經功能等方面與人類差異較大。NHP 在認知、情感和社會行為特征方面與人類密切相關,且在解剖學、生理學、遺傳學和神經功能方面與人類具有相似的發育路徑[14]。NHP(恒河猴等)可模仿人類的正常狀態和疾病狀態,常作為動物模型被廣泛用于理解各種高級大腦功能和神經系統疾病[15],如神經退行性疾病,包括帕金森病、阿爾茨海默病和亨廷頓舞蹈癥等。研究其發病機制、病程的發生發展及治療藥物等,為人類神經科學及相關醫學研究作出了不可替代的貢獻[16]。因此,以 NHP 開展研究勢必能更深入地揭示意識和 DOC 的神經機制。
3 NHP 意識水平評估現狀
臨床上主要通過行為學評估來判斷人的意識水平,常用的行為學量表有改良昏迷恢復量表和格拉斯哥昏迷評分等[17]。在 NHP 模型實驗中也常以其行為表現作為評估依據,但目前暫無客觀有效的 NHP 的 DOC 評估量表,嚴重阻礙了實驗進展。此處擬對國內外相關試驗中用到的行為學評估方法進行概述,以期為后續科學研究提供借鑒和參考。綜合國內外相關文獻發現,其行為學評估方法主要分為麻醉實驗后基于刺激反應的意識水平評估、刺激-獎賞實驗后基于行為任務完成度的意識水平評估以及多指標綜合評估 NHP 意識水平。
3.1 基于刺激反應的意識水平評估
麻醉是一種可逆的、受控的無意識狀態,是研究大腦在睡眠、昏迷或需要全身麻醉的醫療程序等中斷后如何恢復意識的工具。在臨床上,了解無意識病理性狀態后的特定恢復模式可以為治療策略或預后提供信息。麻醉實驗中常以 DOC 評估水平作為實驗成功的標準,研究人員對此提出了不同的判斷依據。
Schroeder 等[18]以恒河猴對外界刺激無應答作為麻醉成功的標志,并在喚醒實驗中提出 5 個意識水平評估指標,包括自發運動、踏板(腳趾捏)反射、眨眼反射、肢體操縱(抬起手臂或腿并允許落入實驗者手中)以及垂直眼球震顫。當自發運動、踏板反射、眨眼反射以及操縱肢體逐漸正常,垂直眼球震顫逐漸消失,表明恒河猴意識的恢復。Schroeder 團隊認為麻醉 240 min 后恒河猴表現出四肢、面部和軀干正常運動、快速邁步、正常眨眼、四肢縮回、不存在垂直眼球震顫可作為意識水平恢復正常的指標[18]。該行為學評估項目設置較為簡單,采用觀察法進行評估,平均 2 min 即可以完成,方便快捷、可操作性強,同時保持了良好的內部一致性,但缺乏相對細化的評分指標,結構效度和診斷效度也未被證實。
同樣基于刺激反應進行意識水平評估的還有 Yanagawa 等[19],其團隊在麻醉過程中限制恒河猴的雙臂和頭部運動,并將恒河猴的眼睛遮住以避免引起視覺反應。注射麻醉劑后,當恒河猴不再能操縱手且對棉簽觸摸鼻孔無反應時,認為麻醉成功、意識喪失。當恒河猴手對棉簽觸摸鼻孔存在反應,且可以平靜地坐著多達 20 min,即認為恒河猴恢復清醒狀態。該行為評估忽略了恒河猴的視覺反應,也只針對清醒和意識喪失作出評估,顯得較為簡單,臨床應用受限較大。
臨床醫護人員對意識水平的理解、定義分類的界定不清晰是導致 DOC 患者高誤診率的原因之一[20],對此,Bastos 等[21]將意識喪失定義為恒河猴眼睛閉合并保持閉合的那一刻,意識恢復在行為上定義為眼睛睜開并保持連續睜開的那一刻,而從意識喪失到意識恢復的時期被稱為無意識狀態。在實驗中,在實現異丙酚麻醉后對恒河猴進行深部腦刺激,該團隊按照“喚醒分數”對所有的深部腦刺激電極(deep brain stimulating electrodes, DBS)試驗進行行為評分,以確定電刺激引起的覺醒變化的程度。該“喚醒分數”分為 3 個部分,包括自發睜眼、對外部刺激的反應(針對眼睛/臉部的氣撲)及面部/身體運動,得分范圍為 0~2 分[21],量表每個 DBS 試驗的單一總體得分匯總即為試驗的最終喚醒分數。該評分是基于是否存在自發行為或對特定的感覺刺激有行為反應,并且每項條目是標準化和可操作的。
3.2 基于任務完成度的意識水平評估
通過刺激-獎賞實驗使恒河猴習得特定行為,并以行為任務完成度作為意識水平的評估指標,也是實驗中常用的評估方法。Ballesteros 等[22]在 2020 年以液體作為獎勵,訓練恒河猴在特定的感覺刺激(空氣撲氣、聲音或同時空氣撲氣和聲音、無刺激)條件下形成按面前的按鈕到實驗結束的行為習慣,在實現麻醉后給予相同的刺激,并記錄其行為反應。在實驗中,動物行為被分為正確的反應(保持按鈕直到實驗結束和釋放)、失敗的嘗試(提前釋放、延遲觸摸或沒有釋放按鈕)和沒有反應,任務參與的概率(包括正確的反應和所有失敗的嘗試)≤0.3 被定義為意識喪失,>0.3 被定義為意識恢復。該評定以恒河猴的行為反應為出發點,基于行為學評估意識水平這一金標準,具有一定的信度。但以任務參與的概率為依據,具有主觀性和偶然性,其效度有待考量。
眼球運動與認知功能密切相關,研究眼球運動異常和意識水平之間的相關性有助于研發更簡便、易操作的意識水平評估工具[23]。Redinbaugh 等[24]使用數碼攝像機(每秒捕捉 30 幀)和眼動儀(500 Hz 采樣率)對恒河猴進行眼球追蹤,以果汁獎勵訓練恒河猴執行注視任務,保持注視 57 cm 外的中心注視點(黑色背景上直徑為 0.42 度視角的灰色圓圈),研究人員則依據其眼球穩定時期(眼球位置保持固定至少 1 s)的電生理數據評估意識水平。同樣,Ecker 等[25]關注于恒河猴的眼球運動,通過聲音刺激和果汁獎勵,規范恒河猴形成注視目標 300 ms 且半徑維持在 0.5~1°以內的行為,并以行為完成度作為清醒狀態的標準。實驗結果被分類為“命中”“未命中”“正確拒絕”(用于成功完成沒有變化的實驗)和“假警報”(用于在任何變化發生之前對刺激進行的掃視)。在每種注意力條件下的 10%的實驗中,若沒有發生任何變化,恒河猴因保持固定而獲得獎勵。Signorelli 等[26]在實驗中訓練清醒狀態的恒河猴坐在靈長類動物椅子上的獅身人面像位置,在黑暗磁共振成像掃描儀內以 120 Hz 監測其眼睛,進行眼動追蹤收集磁共振成像數據以確保恒河猴在整個掃描過程中保持清醒。當恒河猴不再進行眼球追蹤表示麻醉成功。以上研究均是利用眼球追蹤恒河猴由刺激-獎賞習得的特定行為的完成度以評估意識水平,充分考慮了眼球運動對于 DOC 評估的重要性,然而對于評估指標較為模糊,有待更深入的研究探討。
3.3 基于多指標綜合的意識水平評估
另有學者從多方面行為指標綜合評估恒河猴意識水平,以提高客觀性和準確性。Redinbaugh 等[24]研發了一種喚醒指數以評定恒河猴的意識狀態,其包含肢體/面部運動、口部運動、身體運動、眼部運動和生命體征(與刺激前 30 s 的基線相比)5 個指標,每個指標得分為 0、1 或 2 分,以及產生喚醒指數的 5 個指標的得分之和(范圍 0~10 分)。用于計算喚醒評分的行為指數是基于從全身麻醉或 DOC 中恢復的個體所表現出的行為。得分總和≥3 分認為意識水平正常,<3 分則為 DOC。該喚醒指數不但對其評分方案進行了詳細闡述,同時對植物狀態和最小意識狀態進行區分,管理和評分程序較為規范。與其他行為學評估所不同的是,它將生命體征(呼吸速率、心率)也納入評估范圍。
Uhrig 等[27]在實驗中使用恒河猴鎮靜量表和丙泊酚、氯胺酮的腦電圖評估其意識水平。喚醒水平是在行為量表上定義的,基于自發的運動和對果汁展示、搖晃/刺激、腳趾捏和角膜反射 5 個指標的反應。該鎮靜量表將意識分為喚醒、輕度鎮靜、中度鎮靜、深度麻醉/全身麻醉 4 個水平,當 5 個指標的行為反應均存在時,認為恒河猴意識水平恢復正常。行為評估時按照一定順序進行:首先是對果汁展示的反應,然后是自發的運動,再是搖晃/刺激、腳趾捏,最后是角膜反射(用一縷棉花)。該鎮靜量表以行為反應存在與否作為評估指標,操作簡單方便,但卻忽略了多可能性結果,缺乏標準化,敏感度較低,容易漏診誤診。
綜上,行為學量表評估仍是評估 NHP 意識水平的主要方式,眼部、口部、肢體運動以及自發運動是其關注的重點。由于缺乏統一、標準化 NHP 的 DOC 評估量表,導致 NHP 意識水平評估方法不一,有些評估工具的信度和效度也有待檢測以及進一步完善。
4 總結與展望
隨著腦損傷、神經系統功能障礙等重癥疾病的管理取得巨大進步,越來越多患者轉歸為 DOC。與此同時,腦科學與認知神經科學的快速發展使得意識研究日益成為熱點。意識水平評估在實驗研究以及臨床應用中顯得尤為重要。通過查閱大量文獻,本研究小組發現“喚醒指數”“鎮靜量表”是研究實驗中最常用評估 NHP 意識水平的方法,但各研究所用的“喚醒指數”“鎮靜量表”指標、得分等存在差異,導致意識水平評估缺乏統一[28]。垂直眼球震顫、自發運動、原始反射(如踏板反射、眨眼反射)、肢體/面部運動和生命體征是目前運用較多的評估指標,指標得分一般分為 0、1 或 2 分。評估指標的局限性以及 3 點式得分嚴重影響了意識水平的評估,極易導致意識水平的誤判。
在對 NHP 意識水平評估的應用中,行為學量表雖然是最常用的,但也有一定局限性。視知覺或運動功能存在障礙的恒河猴,因無法對特定的指令作出相應的反應,將直接影響評估的準確性。此外,恒河猴的“無反應”可能并不代表其意識喪失。因此,僅憑行為學量表對 NHP 意識水平評估是不夠準確的。
針對 NHP 意識水平量表的評估工具現狀,現今仍缺乏更準確、客觀、科學的相關行為評估工具,這嚴重影響了實驗研究進展以及臨床診斷治療。由此,需要繼續思考與探討以研究出更合適的工具準確評估意識水平,進而將意識水平評估上升到一個全新的高度。與此同時降低 DOC 漏診率和誤診率,推動 DOC 的治療進程,幫助患者更快、更好地回歸家庭和社會。總之,未來的研究必定是聯合應用多指標,開展多中心、大樣本的研究,使評估結果更精準。
利益沖突:所有作者聲明不存在利益沖突。