Dette manuskriptet beskriver hvordan man bruker wavelet entropi-indeksen for å analysere data med høy tetthet elektroensfalografi (EEG) og elektrokardiografi (EKG). Vi viser at uregelmessigheten av hjernevirksomhet og hjerteaktivitet ble mer koordinert under mindfulness-basert stressreduksjonspraksis.
I både øst og vest sier tradisjonelle læresetninger at sinnet og hjertet på en eller annen måte er nært korrelert, spesielt under åndelig praksis. Ett problem med å bevise dette objektivt er at naturene i hjernen og hjerteaktiviteten er ganske forskjellige. I dette papiret foreslår vi en metode som bruker wavelet entropi til å måle de kaotiske nivåene av både elektroencefalogram (EEG) og elektrokardiogramdata (EKG) og vise hvordan dette kan brukes til å undersøke den potensielle koordinasjonen mellom sinn og hjerte under forskjellige eksperimentelle forhold . Videre ble Statistisk Parametrisk Kartlegging (SPM) brukt til å identifisere hjerneområder hvor EEG-wavelet-entropien var mest påvirket av eksperimentelle forhold. Som en illustrasjon ble EEG og EKG registrert under to forskjellige forhold (normal hvile og oppmerksom pust) ved starten av et 8-ukers standard Mindfulness-Based Stress Reduction (MBSR) treningsforløp (pretest) og etter cVår (posttest). Ved hjelp av den foreslåtte metoden viste resultatene konsekvent at wavelet-entropien i hjernen EEG ble redusert under MBSR-bevisst pustetilstand sammenlignet med det under lukkede øyne. Tilsvarende ble det funnet en lavere wavelet entropi av hjertefrekvens under MBSR-bevisst pusting. Imidlertid ble ingen forskjell i wavelet-entropi under MBSR-bevisst pust funnet mellom pretest og posttest. Ingen korrelasjon ble observert mellom entropi av hjernebølger og entropi av hjertefrekvens under normal hvile hos alle deltakere, mens en signifikant korrelasjon ble observert under MBSR-bevisst pust. I tillegg var de mest godt korrelerte hjernegruppene lokalisert i hjernens sentrale områder. Denne studien gir en metode for å fastslå at bevissthetstrening ( dvs. oppmerksom pusting) kan øke koordinasjonen mellom sinn og hjerteaktivitet.
Med fremskritt innen nevrovitenskap og medisin 1 er vi i en mye bedre posisjon til å forstå de ikke-farmakologiske fordelene med oppmerksomhet og meditasjon på mentale og fysiske sykdommer. Mange studier har vist at trening med nedsatt stress (MBSR) som en form for mental trening kan redusere unødvendig stress i sinnet og kroppen 2 . Under øvelsen av meditasjon, kan kroppen og sinnet bli mer medvirket. Disse problemene har tiltrukket interessene til både det akademiske samfunnet og allmennheten og har motivert oss til å utforme en metodikk for å undersøke mulig samordning mellom sinn og kropp (eller mer spesifikt mellom hjernen og hjertet) under forskjellige forhold for å vurdere effekten Av MBSR trening og praksis.
Uregelmessigheten til elektroencefalogrammer (EEG) regnes vanligvis som støy i den konvensjonelle EEG-spektrumanalysen, bUt det kan inneholde nyttig informasjon og kan måles ved signal entropi. EEG entropi har blitt brukt som en indeks for kliniske forhold som epilepsi, Alzheimers sykdom og anestesi, og noen bevis tyder på at entropi av EEG kan være et mer sensitivt tiltak for å overvåke hjernestatus enn den tradisjonelle EEG spektrumanalysen 3 , 4 . Entropi har lenge vært brukt i termodynamikk som en indeks for å beskrive systemets kaotiske tilstand. Hjernens bølger målt ved EEG er kjent for deres dynamiske aktivitet på grunn av hjernenettverk som virker mellom orden og kaos 5 . Blant de forskjellige entropier, tilbyr wavelet entropi en metode for å beregne entropi av energier under forskjellige observasjonsskalaer, som er velegnet til å analysere EEG-signaler med svært varierte funksjoner i forskjellige skalaer. For et helt tilfeldig signal vil de relative energiene ved forskjellige oppløsningsnivåer væreSamme, og entropien vil nå sitt maksimum. Derfor fungerer wavelet entropi som et mål på kaotisk aktivitet i EEG og kan brukes som en indeks for å differensiere forskjellige sinnstilstander 6 .
Tidligere elektrokardiogramstudier (EKG) ga konsekvent bevis på meditasjonsrelaterte endringer i hjertefrekvensvariabilitet sammenlignet med premeditasjonstilstander 7 . Heartbeat reguleres av det autonome (inkludert det sympatiske og parasympatiske) nervesystemet. Den autonome tonen moduleres ved interaksjoner mellom ganglion; Sino-auricular node; Vagus nerver; Og høyereordens hjernestrukturer, som medulla oblongata, insulaen og limbic systemet. Disse strukturene danner et hierarkisk system, og dets ikke-lineære aktivitet kan måles gjennom entropi 8 . For eksempel kan de neurale utbruddene i høyereordens hjernestrukturer påvirke hjerte-rytmen 9 .I kliniske tilstander forstyrrer hjernesykdommer som epileptiske anfall hjerterytmen 10 . Neurokardiologiforskning foreslår også et nært samspill mellom hjertet og hjernen 11 .
Ett problem med å undersøke sammenhengen mellom hjerne og hjerte signaler er at de er ganske forskjellige i signalinnhold og tidsskala. Derfor er en stor utfordring å identifisere et felles tiltak som ikke bare gjelder både hjernens og hjerte signaler, men også meningsfylt for tolkning i sammenheng med koordinering mellom kropp og kropp. I dette papiret foreslår vi bruk av wavelet entropi for å oppdage mulig koordinering mellom uregelmessigheter i hjernen og hjerteaktiviteten ved å korrelere entropier av EEG og hjerteslags signaler, som deretter kan evalueres ved hjelp av et MBSR-eksperiment.
Fordi MBSR involverer mindfulness praksis i både kropp og sinn, forutser vi at MBSR oppmerksom pusting prAktør kan påvirke ikke bare hjernens aktivitet, men også hjerteslag. Tidligere studier undersøkte hovedsakelig effekten av oppmerksomhetstrening og / eller praksis på hjernen eller hjertet separat og basert på forskjellige aspekter; Samtidig endring i disse to nært beslektede systemene forblir stort sett uutforsket. Bare noen få studier rapporterte bedre koordinering av kropp og sinn etter oppmerksomhetstrening 12 . Ved hjelp av den foreslåtte metoden viste de representative resultatene og en tidligere studie 13 at MBSR-mindfulness-trening kan øke koordinasjonen av kropp og sinn når det gjelder deres kaotiske aktiviteter, noe som kan gi nytt innblikk i effekten av mental trening på sentrale og perifere Nervesystemer.
Denne EEG-studien gir konkret bevis på at, sammenlignet med normal hvile, forsterker MBSR-bevisst pust alfa-bølgene i de frontale og occipitale lobene. Dette er i tråd med flertallet av rapporter om økte alfa bølger under meditasjon, spesielt hos nybegynnere 21 . Alfa bølger indikerer vanligvis en tilstand av oppmuntring og årvåkenhet og frihet fra enhver bestemt oppgave. En slik mental tilstand er et av målene med meditasjon; Det vil si å holde tankene rene og skarpe, frie fra flukt eller i søvn. Den forbedrede alfa-bølgesynkronen under MBSR-praksis kan også forbedre samordningen mellom sinn og kropp 22 .
De elektroniske aktivitetene til det store antallet nevroner i hjernen danner et ikke-lineært hierarkisk system, og dets uregelmessighet kan godt måles av entropi 8 . Vi fant at under MBSR praksis, uregelmessigheten av hjernen electrOniske aktiviteter gikk ned over en stor del av hodebunnen EEG, spesielt i frontpolen og bilaterale oksidale hjerneområder. Ytterligere kildeanalyse av wavelet entropi viste at uregelmessigheten av occipital og precuneus aktiviteter ble redusert under MBSR praksis. Andre involverte områder inkluderer høyre-midtre cingulate og den overlegne temporal lobe. Dette er i tråd med en annen studie som indikerer at grå materie øker i precuneus etter MBSR trening 23 . Avanserte meditasjonsutøvere har vanligvis høyere parieto-occipitale EEG-gamma-bølger under ujevn øyebevegelsessom 1 . En viktig funksjon av MBSR-opplæring er å være nonjudgmental av sinnet / hjernen informasjonsflyten. Dette kan potensielt redusere uregelmessigheten i hjernens aktiviteter. Fordi en hovedkilde i hjernen er den visuelle cortex, er det trolig at de visuelle relaterte hjernegruppene er mer berørt av MBSR-praksis enn andre regionerns. Dette gjør at sinnet blir mindre lydhør overfor irrelevant informasjon og å være mer oppmerksom på å tenke pusten.
Wavelet entropi-analyse viste mindre uregelmessighet i hjertefrekvensen ved å tenke pusten i forhold til normal hvilestatus, noe som innebærer en mer raffinert balanse mellom det autonome nervesystemet på grunn av relativt uvirkelige vekselvirkninger mellom parasympatiske og sympatiske toner. Oppsiktsvekkende pust kan også påvirke hjertefrekvensen fordi lungens sensoriske afferenter sender hemmelige fremspring til hjertevagmotoriske nevroner i midthjernen, som hemmer hjertefrekvensen via vagusnerven 24 . Kardiorespiratorisk interaksjon er formidlet av hjernestammen og limbic systemet i hjernen 25 . Gitt forbindelsen mellom sentralnervesystemet og hjerteaktiviteten, er det trolig at ved å trene sinnet, kan MBSR eller andre meditasjonspraksis også påvirke andre kroppsfunksjoner, som for eksempelTilbakestille baroreflex følsomheten, forbedre gassutvekslingseffektiviteten i lungene og balansere det autonome nervesystemet 26 .
Sinn-kroppsforbindelsen vektlegges i mange østlige tradisjoner. I denne forbindelse gir vår studie det første objektive beviset når det gjelder entropi. Uregelmessighetene i hjernen og hjerteaktiviteten ble mer koordinert under MBSR-praksis, og koordinasjonen var størst i de bilaterale somatosensoriske områdene. Denne regionen har direkte ansvar for kroppens sensoriske inngang og bevegelse, og denne økte koordinasjonen innebærer større kroppsbevissthet under MBSR-praksis. Mindfulness trening ble funnet å øke aktiviteten til de viscerosomatiske områdene i en funksjonell MR-studie, som har bedre romlig oppløsning enn EEG 27 . Våre resultater tyder på at hjernen og hjertet kan bli mer medvirket under MBSR-praksis, avlastning av unødvendig entropi i systemet <s Opp klasse = "xref"> 28. Fordi hjerteslaget reguleres av det autonome nervesystemet, hvor den autonome tonen moduleres av samspillet mellom ganglionet; Sino-auricular node; Vagus nerver; Og hjernestrukturer av høyere rekkefølge, som medulla oblongata, insula og limbic systemet, kan de autonome og sentrale nervesystemene bli bedre koordinert under MBSR-praksis.
Et viktig steg i en studie som vår er å velge riktig entropiindeks for å måle uregelmessigheten til EEG og EKG. I motsetning til Renu Madhavi et al ., Som brukte omtrentlig entropi 29 , har vi valgt å bruke wavelet entropi for å fokusere på kompleksiteten mellom energiene i forskjellige skalaer. Fordi hjernens elektroniske aktiviteter stammer fra et stort antall neuroner som har forskjellige egenskaper i forskjellige skalaer og spektrum, bør wavelet-entropi være mer egnet for å måle uregelmessigheten til EEG> 30. På samme måte har øyeblikkelig hjertefrekvens også forskjellige egenskaper under forskjellige tidsskalaer, så det er rimelig å bruke wavelet entropi til EKG 31 . Videre er Shannons entropi og tilnærmet entropi følsomme for samplingsfrekvensen, og omtrentlig entropi krever store beregningstider som øker eksponentielt med datalengden, dette i tillegg til beregningen i kildeplassen.
Flere begrensninger av den nåværende studien er verdt å merke seg. For det første er den romlige oppløsningen av hodebunnen EEG relativt dårlig, til tross for sin høye temporale oppløsning. For å ta opp dette, ble kildesanalyse brukt i vår studie. EEG-kildekonstruksjon er et dårlig problem, og en alternativ tilnærming er å ha romlige prestasjoner fra tidligere funksjonelle magnetiske resonansbilder (fMRI) -studier, som kan bidra til å forbedre rekonstruksjonsnøyaktigheten 32 , 33 . En annen begrensning er tHat koordinasjonen mellom hjernen og hjerteaktiviteten ble vurdert mellom fag; Innenfor faglig koordinering er igjen for fremtidige studier. I tillegg er ikke entropien av EKG avledet direkte fra EKG-signalet, men heller fra hjerteintervallet, fordi amplituden av EKG kan påvirkes sterkt av elektrodposisjonen og hudimpedansen og dermed ikke er sammenlignbar mellom emner.
Tidligere studier utførte vanligvis en spektrumanalyse av EEG-signalet, og avviste uregelmessighet i EEG som støy. I motsetning, foreslår vi å bruke wavelet entropi som en mer sensitiv indeks for å måle hjernens kaotiske elektroniske aktiviteter som en refleksjon av sinnstilstanden. Den foreslåtte metoden gir objektivt bevis for den tradisjonelle antagelsen om at sinnet og hjertet er mer koordinert under meditasjon.
Fordi wavelet entropi kan overvåke meditasjonstilstanden ganske følsomt, kan den bli brukt i mental treningNg felt, akkurat som entropi brukes i klinisk praksis for å måle nivået av anestesi under operasjonen. Ved hjelp av en indeks som ligner på wavelet-entropi, kan trådløse EEG-enheter brukes til å overvåke enkeltpersonens daglige meditasjonspraksis eller annen mental trening for utdanningsformål. Ikke desto mindre, fordi et trådløst EEG vanligvis bare måler stabilt kanalene i pannen, må vi undersøke om disse kanalene er følsomme nok til å overvåke tilstandstilstanden.
De kritiske trinnene i denne prosedyren inkluderer å holde hudimpedansen for hver elektrode lav for bedre signalkvalitet og mindre støy; Passende og riktig gjennomføring av MBSR trening; Sikre en god, ikke-utmattet mental tilstand før forsøket, da meditasjon krever stor energi; Velge riktig entropi-indeks (wavelet entropi); Og er kjent med SPM kilde analyse av EEG data.
The authors have nothing to disclose.
Denne studien ble støttet av SPF-201209176152-fondet ved Universitetet i Hong Kong. Vi takker Dr. Helen Ma for å undervise kurset og rekruttere MBSR-deltakere.
Synamps 2/RT 128-channel EEG/EP/ERP | Compumedics NeuroScan | Model 8050 | Amplifiers and EEG acquisition |
Quik-CapEEG 128 electrodes | Compumedics NeuroScan | EEG caps | |
Quik-Gel | Compumedics NeuroScan | conductive electrode gel | |
EEGLAB | Swartz Center for Computational Neuroscience | EEG analysis software | |
Matlab R2011a | MathWorks | EEGLAB is based on Matlab | |
SPM | Wellcome Trust Centre for Neuroimaging | EEG source analysis software |