Elektrophysiologische Messungen und Analyse von Nozizeption in Human Infants

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die schmerzspezifische Aktivität im Gehirn und Rückenmark von Säuglingen zu erfassen und zu charakterisieren. Dies wird mithilfe von EEG- und EMG-Verfahren erreicht, um die elektrische Aktivität im zentralen Nervensystem zu messen. Nach klinisch notwendigen nozizeptiven Eingriffen besteht der erste Schritt darin, sicherzustellen, dass von Säuglingen hochwertige physiologische Aufzeichnungen erzielt werden, während sie experimentellen, taktilen und klinisch notwendigen nozizeptiven Reizen ausgesetzt sind.

Danach müssen nachgelagerte analytische Verfahren auf die Daten angewendet werden, um die hervorgerufenen Aktivitätsmuster zu charakterisieren. Es können Ergebnisse erzielt werden, die zeigen, dass keine spezifische Aktivität im Gehirn und Rückenmark bei menschlichen Säuglingen nachweisbar ist. Diese Methode wird uns helfen zu verstehen, wie das sich entwickelnde Nervensystem auf nozizeptive Reize reagiert.

Zur Vorbereitung dieses Experiments zuerst die Haut des Säuglings vorbereiten und anschließend mindestens 16 einzelne, wegwerfbare EEG-Silber-Silberchlorid-Kupferelektroden am Kopf anbringen. Gemäß dem modifizierten internationalen 10-20-Elektrodenplatzierungssystem EEG-Leitpaste verwenden, um die elektrische Kopplung zwischen Elektrode und Haut zu optimieren. Hier ist ein Schema der Elektrodenplatzierung für EEG-Aufnahmen zu sehen, das vom internationalen 10-20-Elektrodenplatzierungssystem abgeleitet ist.

Verwenden Sie FCZ als Bezugselektrode für die Ableitung. Verwenden Sie dieselbe Erdungselektrode für das EKG und das EEG. Platzieren Sie eine Erdungselektrode auf der Brust oder am Kopf.

Danach die EKG-Aufzeichnung vorbereiten, indem die Haut vorbereitet und EKG-Elektroden auf der linken und rechten Seite der Brust platziert werden. Die Elektrodenkabel zusammenbinden, um elektrische Störungen zu minimieren. Anschließend einen Bewegungstransducer auf dem Bauch platzieren, um die Atmung zu messen.

Der nächste Schritt besteht darin, die Haut vorzubereiten und EMG-Elektroden an den Bizeps für die Morice beider Beine anzubringen. Bringen Sie nun eine Sauerstoffsättigungs-Messsonde am Fuß an, der dem zu stimulierenden Fuß gegenüberliegt, und stellen Sie sicher, dass die Sonde sicher befestigt ist. Überprüfen Sie am Monitor das EEG-Signal und stellen Sie sicher, dass die Sauerstoffsättigung und die Herzfrequenz ohne Signalverluste aufgezeichnet werden.

Stellen Sie abschließend eine auf einem Stativ montierte Videokamera so auf, dass das Gesicht des Säuglings im Bildausschnitt erfasst wird, um Veränderungen der Gesichtsmimik aufzuzeichnen. Platzieren Sie eine Leuchtdiode (LED) im Kamerabild. Die LED ist mit der Zeitschaltung verbunden, sodass sie blinkt, wenn die Stimulation präsentiert wird, um die E-E-G-E-M-G- und Videoaufzeichnung zu synchronisieren.

Sobald die Einrichtung abgeschlossen ist, beginnen Sie mit der Datensammlung. Starten Sie die Videoaufnahme und, nachdem sich das Kind beruhigt hat, halten Sie den Fuß, als würden Sie eine Fersenlanzetierung durchführen, und markieren Sie das Ereignis in den EEG- und EMG-Aufzeichnungen. Dieses Zeitintervall wird verwendet, um einen Abschnitt der Hintergrundkontrolle zu identifizieren.

Als Nächstes wird eine taktile Stimulation durch leichtes Anklopfen eines Gummistopfens an der Ferse durchgeführt. Stimulieren Sie den Fuß, der nicht am Pulsoximeter befestigt ist. Hier wird das Stimulationsereignis elektronisch markiert, indem ein an einem Impedanzkopf eines Sehnenhammers befestigter Gummistopfen verwendet wird, der mit der Aufzeichnungsausrüstung verbunden ist.

Die Videoaufnahme wird durch den LED-Blitz zeitlich markiert. Wiederholte Berührungen können angewendet werden, und der Reiz kann auf verschiedene Körperregionen appliziert werden, z. B. die Schulter.

Wenden Sie nun die Kontrollstimulation an, indem Sie das Lanzett um 90 Grad drehen und am Fuß ansetzen, sodass die federbelastete Klinge beim Auslösen nicht mit der Haut in Kontakt kommt. Nachdem sich die EEG-Aktivität beruhigt hat, führen Sie gemäß klinischer Praxis den klinisch notwendigen Ferseinstich als Ferse durch. Der Einstich wurde nicht am bis zu diesem Zeitpunkt gefilmten Säugling durchgeführt; hier dargestellt ist ein Ferseinstich an einem anderen Säugling, zeitlich synchronisiert mit dem Ferseinstich.

Der Lanzettstich sollte genauso durchgeführt werden wie bei der Kontrollstimulation. Nach dem Fersenstich die Ferse mindestens 30 Sekunden lang nicht zusammendrücken, um sicherzustellen, dass die aufgezeichneten Reaktionen ausschließlich auf den Lanzettstich zurückzuführen sind. Nach dem Sammeln der erforderlichen Blutmenge die Proben für die klinische Analyse vorbereiten. Die Daten speichern und alle Aufnahmegeräte ausschalten.

Entfernen Sie anschließend die Elektroden. Tragen Sie schließlich die demografischen Informationen des Säuglings sowie die experimentellen Details auf. Geben Sie diese Daten in eine anonymisierte Datenbank zur sicheren Speicherung und zukünftigen Referenzierung ein.

Wiederholen Sie dieses Verfahren an der erforderlichen Stichprobe von Säuglingen in der Studie. Um die EEG-Datenanalyse zu beginnen, erstellen Sie zunächst EG-Epochen von 1,7 Sekunden, die jeder Berührungssteuerung, Lanzettenstimulation und der Hintergrund-EEG entsprechen. Diese Epochen sollten 0,6 Sekunden vor jedem Ereignis beginnen.

Die Anzahl der Epochen, die jeder Modalität entsprechen, sollte denselben Basislinienwert aufweisen; korrigieren Sie die Epoche, indem Sie das mittlere Basisliniensignal subtrahieren. Anschließend filtern Sie sie mit einem Hochpass bei 0,1 Hertz. Berücksichtigen Sie für die weitere Analyse die bei CPZ oder CZ aufgezeichneten Epochen und schließen Sie Epochen aus, die durch Bewegungsartefakte verunreinigt wurden, bei denen die Amplitudenänderung innerhalb von weniger als 50 Millisekunden größer als 50 Mikrovolt war.

Wiederholen Sie dies für alle Aufnahmen. Danach richten Sie die von jedem Säugling aufgezeichneten Spuren aus, um eine Latenzstreuung zwischen 50 und 30 Millisekunden nach der Stimulation zu korrigieren.

Führen Sie eine Hauptkomponentenanalyse in diesem Zeitintervall durch, um das taktile Potential zu identifizieren, das die mit der taktilen Stimulation verbundene EEG-Aktivität darstellt. Betrachten Sie die EPOCH als die Variablen und die Zeitpunkte als die Beobachtungen.

Hauptkomponentenanalyse. Zerlegt die EEG-Epochen in grundlegende Wellenformen, sogenannte Hauptkomponenten oder PCs, und stellt systematische Variationen in der Amplitude des Signals über verschiedene Zeitpunkte hinweg dar. Richten Sie nun die Spuren aus, um Latenzjitter zwischen 300 und 700 Millisekunden nach Stimulation zu korrigieren, und führen Sie im Anschluss die Hauptkomponentenanalyse in diesem Zeitintervall durch. Für die Analyse der EMG-Daten berechnen Sie zunächst den Effektivwert des EMG-Signals in den ersten 1000 Millisekunden nach Stimulation für die Kontroll- und Lanzenreize.

Führen Sie dann einen T-Test an den Effektivwerten durch, um die nozizeptiv spezifische spinale Reflexrückzugsbewegung zu bestimmen. Hier sehen wir den Gesamtmittelwert an CZ, der über alle Stimulationsarten hinweg nach der Ausrichtung zwischen 50 und 300 Millisekunden erhalten wurde. Die Hauptkomponenten, dargestellt durch die fett hervorgehobene Linie, repräsentieren ein sensorisches Potential, das sowohl durch taktile als auch nozizeptive Stimulation hervorgerufen wird, da die Gewichtungen dieser Komponente im Vergleich zur Hintergrund-EEG nach der taktilen und nozizeptiven Stimulation signifikant größer sind.

Im Gegensatz dazu stellt die Hauptkomponente, die zwischen 300 und 700 Millisekunden nach Stimulusbeginn auftritt, ein nozizeptives spezifisches Potential dar. Das Gewicht dieser Komponente ist nach noxischer Stimulation im Vergleich zur taktilen Stimulation und zur Grundaktivität signifikant größer. EEG zeigt hier Beispiele des sensorischen Potentials in Blau an Cz, hervorgerufen durch taktile Stimulation bei drei Säuglingen, und hier Beispiele des nozizeptiven spezifischen Potentials in Grün an Cz, hervorgerufen durch noxische Lanzettenstimulation bei drei Säuglingen.

Abschließend sehen wir hier ein Beispiel für die EMG-Aktivität eines Säuglings nach einer schmerzhaften Fersepunktion sowie nach einer nicht schmerzhaften Berührung der Ferse. Die Effektivwert-EMG-Aktivität ist nach schmerzhafter Stimulation im Vergleich zur nicht schmerzhaften signifikant größer. Diese Technik wird in der Neurowissenschaft dazu beitragen, das Verständnis der Entwicklung der Schmerzverarbeitung voranzubringen.