第三节　组织结构相关的脑电活动

在个体神经细胞电活动的基础上，脑电活动的有效记录依赖于脑皮质的结构、群体神经细胞排列的组织结构。同时与神经细胞活动的多少、同步化程度、方向等多种因素有关。

一、脑皮质结构特异性

新皮质的细胞构层

新皮质主要为大脑半球表面的灰质，因在种系进化中比古皮质和旧皮质发生较晚而得名。大脑半球表面的灰质厚2～5mm，表面积在2400cm2左右。根据神经元、轴突、树突、胶质细胞分布等特征，一般将皮质分为6层，各层的构成见表2-1。皮质不同部位各层次的排列密度和厚度不同，有些区域的某些层次甚至缺如。

皮质的垂直结构

大量研究发现，垂直于皮质表面的柱状结构是皮质的基本功能单位。一个柱状单位的表面积在1mm2左右，由神经元胞体、树突、轴突和跨层连接的突触构成。在一个垂直柱内，丘脑中继核团的输入经由Ⅳ层的某些颗粒细胞，快速而有效地向下传导至Ⅴ层和Ⅵ层的传出神经成分，同时从Ⅳ层向上到达Ⅱ层及Ⅲ层的锥体细胞，再回返向下兴奋Ⅴ层的大锥体细胞，构成基本的垂直环路。一个垂直柱内的神经元对感觉或运动的反应性质非常相似，而平行分布的邻近神经元则可能具有十分不同的反应。通过简单增加柱状结构的数量即可建立新的区域和功能（图2-8）。

皮质的平行结构

皮质神经元的轴突可在同一层或跨层平行连接，包括连接邻近的垂直柱、连接同侧半球内相邻的两个区域或连接对侧半球的相应区域。在皮质的第Ⅰ层中，有大量并列分布的锥体细胞顶树突，头皮EEG所记录到的主要是这一层的电位变化。平行连接可使更大范围的脑区参与到某项活动中，同时也是癫痫活动扩散的基础。对某些局灶性癫痫病人进行软脑膜下横切术，即是通过切断皮质的横向平行纤维防止癫痫扩散，同时保留垂直柱状结构的功能（图2-8）。

基于皮质细胞构筑的脑皮质分区

每个大脑半球分为背外侧面，垂直的内侧面和底面。中央沟以前、外侧裂以上为额叶，外侧裂以下为颞叶，顶枕裂后方为枕叶，外侧裂上方、中央沟与顶枕裂之间为顶叶，岛叶埋藏在外侧裂里。一个世纪前，许多科学家尝试对大脑皮质进一步分区，其中德国科学家Brodmann在1909年报道了根据皮质细胞构筑（cytoarchitecture）特征所进行的人脑功能分区图谱。Brodmann图谱是人脑组织结构研究的里程碑事件，为研究大脑的解剖-功能研究提供了基石，也为解剖-功能-脑电生理的研究提供了基本框架，对于神经系统疾病和精神疾病的认识和研究提供了坚实的基础（图2-9）。

在Brodmann图谱上，每个半球皮质的分区从1到52进行标记，Brodmann展示了43个细胞构层区域，但缺少12～16和48～51编号的区域。Brodmann的解释是这些分区在其他灵长类动物明显，但在人类难以鉴别。人们在长期应用Brodmann分区进行研究的同时，对Brodmann分区也做了进一步完善。例如对于额叶，Petrides和Pandya在20世纪90年代做了进一步划分，对于46、12、14等区重新进行了定义。近年来随着神经影像学和脑功能研究技术的进步，Brodmann脑区被进一步细分为某些亚脑区（图2-10）。

二、组织结构依赖性电场

大脑皮质的结构基础决定了头皮表面记录到的脑电活动。皮质锥体细胞的排列整齐而紧密，顶树突垂直于皮质表面，有利于电活动在时间和空间上的综合，同时树突表面膜的面积占锥体细胞膜总面积的97%，具有很高的电兴奋性。对于单个锥体细胞，来自顶树突的兴奋导致局部细胞内外极性变化，细胞内由负性变为正性，而细胞外由正性变为负性。胞体的变化与此相反，锥体细胞的顶树突和胞体形成了局部的电偶极子。在细胞内，电流沿着轴索从顶树突到胞体传播，但由于细胞膜的绝缘性，其产生的电场在细胞外可以忽略。而在细胞外，电流从胞体流向顶树突部位。从细胞内向细胞外的电流称为“ 电源”或出电流，相反方向的电流称为“ 电穴”或入电流，产生局部的细胞外电场（图2-11）。

极性的电生理基础

当EPSP产生的去极化电位发生在接近皮质表面时，在表面电极产生负相电位，深层部位的EPSP则在表面记录到正相电位。而IPSP产生的极化电位效应则相反（图2-12）。因为表面电极的面积较大，可记录到很多神经元的电活动，而这些电活动的性质、方向和时间不尽相同，因而从某一皮质或头皮表面电极记录到的脑电波形、频率和位相，反映的是记录电极下面许多神经元突触后电位的加权叠加的结果。由于EPSP和IPSP之间相互复杂的作用，实际记录到的综合脑电活动是相当随机的，但皮质自发脑电中的负相电位总是与细胞的去极化过程相关联。

开放电场和封闭电场

当一大组神经元共同活动时，形成一个足够大的场电位，则可从头皮记录到这种电位的宏观变化。产生开放领域的神经元，比如锥体细胞，对于细胞外电场的形成有很大的促进作用。相反，球对称神经元（例如丘脑皮质细胞）在各个方向发出大小相对一致的神经元，则产生一个封闭区域（图2-13）。但只有当一些树突同步兴奋时才可以产生一个严格封闭的区域。即使球对称细胞中单个树突的去极化产生一个小的偶极子，这种情况也很少见。

电流源密度分析

突触电活动对于 层状场电位（laminar field potential，LFP）的贡献最大，但场电位记录不能准确反映细胞外电流流进和流出细胞的部位。应用微电极记录，当线性电极阵列记录点的排列方向与被记录的神经细胞排列方向一致时，各个记录点可以依次测量到神经细胞树突、胞体和轴突不同层次上的电压信号，即电流源密度（current source density，CSD）。

应用CSD技术，有利于准确定位细胞外电流流进和流出细胞的部位。CSD标志着进入或者离开细胞外间隙的净电流体密度的数量，是为了克服场电位记录的不确定性而发展起来的神经电生理和计算机技术相结合的方法，有助于分析产生LFP的出膜来源（从细胞内到细胞外的阳离子流）和入膜位置（进入细胞的阳离子流）。其原理在于假定脑组织的导电性具有均质性，通过欧姆定律，利用3个或3个以上在同一LFP的连续位置记录到的电场强度，从不同电压和导电率中计算两个记录点之间的电流。运用高密度记录探针监测LFP，有可能精确确定CSD最大量并由此确定电流消逝（或产生）的精确位置。CSD法可以显示电流源和电流穴在时间和空间上的分布，CSD由一定距离间隔上记录的多路场电位信号计算得到，常用的是一维CSD（图2-14）。

三、影响细胞外电场强度的因素

头皮EEG以及大脑表面EEG记录到的是宏观水平的大脑活动。20世纪70年代，Cooper等发现皮质6cm2的同步脑电活动才能产生头皮可记录的电场。EEG的有效记录还主要与下列因素有关。

神经元活动的同步化

细胞外电场强度最重要的决定因素是神经元产生偶极子的时间同步性，即同步化。在皮质规则的细胞结构中，锥体细胞的顶树突彼此平行并且传入电流垂直于轴索，由于EEG测量的是群组神经元在空间和时间上的平均活动，同步性电场通过叠加能够产生可记录的脑电活动，而来自细胞体电流的电源和来自邻近神经元树突电流的电穴方向相反，非同步性活动的电场容易被抵消，在这种情况下，电压场的总和可能不足以被头皮或皮质电极所记录到。此外，正常脑电活动的背景在头皮产生几十微伏的电活动，而病理性电位如癫痫性放电由于异常同步化，其波幅可以非常高。

偶极子方向和立体角理论

EEG记录的是立体空间内大脑皮质产生的三维分布的脑电活动，尽管总体说来，距离发生源越近，电场线的强度越大，但是在实际中，并不能仅根据脑电记录到的波幅简单推论发生源的位置。影响细胞外电流强度的重要的形态因素在于高级哺乳动物皮质高度折叠的特性。当皮质弯曲成脑回时，在其凹面顶树突被推挤得彼此接近，这就比脑回凸面的顶树突有着更高的电流密度。如果相邻的活动皮质区域所形成的电场方向不同，例如在脑沟的两侧壁上，两个偶极子的电场方向正相反，就会相互抵消，从而在头皮无法记录到明显的电位。

Gloor在1985年系统地提出了 立体角理论。即在参考电极为0的理想记录情况下，介质中某一点的电场强度可以由公式P=（±e/4π）·Ω表示。其中P代表了在介质内任何一点的电场强度，±e为发生源（正性或者负性）电场强度，而Ω为在P点面对偶极子层的固体角（图2-15）。

立体角的理论为解释脑电信号的起源奠定了基础。根据这一理论，当皮质区域产生的偶极子电场方向正对电极时，记录到的脑电活动最为明显，而当活动性的皮质区域相对于记录电极由正对的直线关系变为切线方向时，电极所记录到的电压幅度逐步下降。即使脑电起源的偶极子正位于电极下方，但当电场的方向与记录电极呈切线方向时，电极将记录不到脑电活动，因为电极位于偶极子电场的零位线上。同样，电极记录到了最大的电压，也并不意味着电极下方即为活动皮质。因此，头皮记录到的脑电活动，特别是针对癫痫性放电，借助于多个方向的导联组合显示，可以大致反映放电的部位，但精确定位需要根据立体角理论进行溯源分析（图2-16）。

在头皮和皮质EEG记录中，由于电极间隔距离较大，采用0电位的参考导联记录，在头皮或者皮质表面能够观察到不同电极之间的局部绝对电位差。而应用深部电极包括SEEG电极，由于电极排列密集，以0电位为参考记录到的相邻两点的绝对电压差很小，不利于区分，因而目前国际和国内的临床工作中，多应用相邻电极互为参考的双极记录方式反映电极之间的相对电压变化，有利于区别各点的电位变化。但要注意的是，由于深部电极位于脑实质内，电极位置与电场的关系相对复杂，特别是当相邻的电极跨越脑皮质以及皮质-白质交界时，其相对电压会发生较大的变化。因此在解释深部电极EEG结果时，要密切结合电极的具体位置进行分析。

颅骨和头皮的屏蔽效应

颅骨和头皮对皮质电活动具有电压衰减和高频滤波作用，根据欧姆定律，从头皮记录到的电位只有皮质表面电位的1/10～1/5，同时，由于在临床脑电图应用的高频滤波多为70Hz，所以高于70Hz的脑电活动在头皮EEG中被明显衰减，很难记录到高频电活动。

四、海马与边缘系统

1937年，康乃尔大学James Papez提出起源于海马的神经通路经乳头体、丘脑前核和扣带回的中继，返回海马构成一封闭环路，此环路能作为情绪表达的神经基础，称为Papez环。1952年Maclean提出和完善了边缘系统这一术语，边缘系统的主要部分环绕大脑两半球内侧形成一个闭合的环，边缘系统所包括的大脑部位相当广泛，如梨状皮质、内嗅区、眶回、扣带回、胼胝体下回、海马回、脑岛、颞极、杏仁核群、隔区、视前区、下丘脑、海马以及乳头体都属于边缘系统。

相对于新皮质结构，边缘系统在组织结构、电生理特征以及功能方法具有特征性；从进化的角度，包括具有3～5层细胞构筑的异生皮质（allocortex），包括以海马及齿状回为代表的古皮质（archicortex），以海马旁回以及梨状皮质为代表的旧皮质（palocortex），以下托（subiculum）和内嗅皮质（entorhinal）为代表的处于异生皮质和新皮质之间的旁异生皮质（periallocortex）。边缘系统内部互相连接与神经系统其他部分也有广泛的联系，参与感觉、内脏活动的调节并与情绪、行为、学习和记忆等心理活动密切相关，特别是与癫痫具有密切的关系。

边缘系统可以进一步划分为前边缘系统和后边缘系统，并具有相对特征癫痫发作症状学表现。其中，杏仁核、前岛、眶额回、丘脑前部、前扣带回组成前边缘系统，主导情感功能，而后边缘系统包括海马、内嗅皮质、旁嗅皮质、海马旁回、压部皮质、后扣带回等，更多地涉及记忆功能。

总体来说，癫痫性放电在以古皮质和旧皮质为主的边缘系统内的传播和募集的速度较慢，内侧颞叶癫痫的发作时间往往要较新皮质起源发作的时间长。需要注意的是，颞叶内外侧皮质也存在紧密的相互联系，来自新皮质的发作也可能很快出现颞叶内侧的症状。

海马的结构

根据细胞构筑的不同，海马（hippocampus）分为CA1（Sommer段）、CA2、CA3和CA4区。其中CA1和CA3区对缺氧最敏感，为易损区；CA2和CA4区为相对耐受区。CA3区的锥体细胞具有内源性点燃性质和高兴奋性的旁路连接（轴突Schaffer旁路），尽管有抑制性的中间神经元调节，但抑制性的轻度减低即可导致CA3区明显的同步化爆发，并通过Schaffer旁路传至CA1区。CA3区的这种性质与癫痫有密切关系。CA1区的锥体细胞无内源性爆发特性，但容易被CA3区的爆发点燃募集，加入到癫痫样活动中（图2-17A）。

海马的主要传入纤维来自内嗅皮质，通过前穿支（perforate paths）到达齿状回。齿状回是皮质兴奋进入海马的重要通路。齿状回颗粒细胞具有非常负的静息电位，因而兴奋阈值很高，对点燃具有很强的适应性，对发作引起的损伤也具有较强的耐受性，起到过滤信息的作用。颗粒细胞的另一个特性是其轴突苔状纤维具有很强的可塑性，正常情况下苔状纤维与CA3区锥体细胞的树突形成联系，突触电流和电压依赖性离子通道的改变可诱导苔状纤维发芽并进入含有颗粒细胞树突的分子层，形成局部异常神经环路，对癫痫样放电起到放大作用。门区中包含苔藓样细胞和篮细胞等。苔藓样细胞是海马中最易受到损伤的细胞，其与齿状回分子层颗粒细胞的树突构成兴奋性连接，苔藓样细胞的放电阈值很低，容易产生爆发性点燃。苔藓样细胞死亡可触发齿状回颗粒细胞的轴突发芽。篮细胞是GABA能的抑制性中间神经元，对Ca2+介导的兴奋毒敏感，容易受到损伤。其丢失使得暴露在高水平长时间刺激中的齿状回颗粒细胞兴奋性增加（图2-17B）。

内嗅皮质

新皮质的信息主要通过内嗅皮质（entorhinal cortex）进入海马。内嗅皮质的锥体细胞具有持续点燃和爆发性点燃的特性，其传出纤维前穿支与齿状回颗粒细胞形成连接。当内嗅皮质-海马环路改变时，齿状回丧失某些过滤信息的功能，并开始放大同步化放电，加强而不是减弱内嗅皮质-海马环路的异常活动。

梨状区

梨状区（piriform）或称嗅皮质（olfactory cortex），与内嗅皮质和外嗅皮质有丰富的联系，其锥体细胞点燃的速度比边缘系统其他结构都快，可快速引发临床发作，是一个敏感性极高的致痫区，常常成为癫痫事件的触发器和放大器。

杏仁核

杏仁核（amygdala）接受来自嗅球和梨状皮质的传入，并有来自丘脑及脑干的广泛传入纤维。其传出纤维可到达前额叶皮质、隔区、扣带回前部、颞叶外侧、岛叶等部位。电刺激杏仁核可产生一系列行为改变和自主神经症状。

扣带回

扣带回是额叶的一部分，也参与边缘系统的组成。扣带回接受半球新皮质广泛区域的传入，并通过海马-扣带回通路接受海马的传入。传出纤维可投射至海马、杏仁核、隔核、丘脑前核及额、顶叶皮质等。电刺激扣带回可引起各种自主神经反应及情绪反应，如血管舒缩变化引起病人面部潮红或苍白、呼吸频率改变、消化道症状，以及惊恐、逃避等反应。

边缘系统的电活动

由于边缘系统主要位于大脑半球的内侧面和底面，头皮电极很难直接记录到其电位活动，常需借助接近颅底的蝶骨电极、卵圆孔电极等特殊部位记录，或进行颅内深部电极记录。

海马的固有节律为4～7Hz的θ活动。早期研究认为海马θ活动主要源自隔区和内嗅皮质，通过前穿支激活齿状回颗粒细胞和CA1锥体细胞神经元产生EPSP，而后激活局部环路的抑制性神经元，如此反复，从而产生θ频率的膜电位振荡。以后的研究显示在边缘系统节律性慢活动的产生中，CA1锥体细胞的IPSP占优势。胆碱能系统也可能介导海马θ节律的产生。目前究竟哪一种突触后电位在海马θ节律的产生中占主导依然没有一致的结论。

新皮质的电活动可通过内嗅皮质传入海马，在此经过整合后，输出到边缘系统其他结构、大脑皮质及脑干下行通路。前述的海马特殊环路结构使之具有“放大器”的效应，微小的异常电活动在此环路内被逐渐放大，经传出通路抵达效应器后引起脑电活动的异常同步化放电，因而海马常常成为癫痫发作的起源地。