Wavelet Entropy gebruiken om te demonstreren hoe Mindfulness Practice verhoogt de coördinatie tussen onregelmatige cerebrale en cardiale activiteiten
10 mei 2017
Dit manuscript beschrijft hoe u de wavelet entropy index gebruikt om elektrodenfalografie (EEG) en elektrocardiografie (ECG) data te analyseren. We tonen aan dat de onregelmatigheid van cerebrale en cardiale activiteiten meer gecoördineerd is tijdens de mindfulness-based stress reduction praktijk.
Het algemene doel van dit EEG-experiment is om de wavelet-entropie-index te gebruiken om high-density EEG- en ECG-gegevens te analyseren. We laten zien dat de onregelmatigheid van cerebrale en hartactiviteiten meer gecoördineerd werd tijdens mindfulness-gebaseerde stressreductiepraktijk. Deze methode kan helpen om de vragen in neurowetenschappen en psychologie te beantwoorden over hoe men de chaotische activiteiten van geest en hart kan meten en vergelijken tijdens de praktijk van mindfulness.
De uniciteit van deze methode is de creatie van een gemeenschappelijke index met behulp van wavelet-entropie-analyse om chaotische hersen- en hartactiviteiten te meten, zodat hun relatie effectief kan worden geanalyseerd en vergeleken. Een verscheidenheid aan religieuze en spirituele tradities gelooft dat het lichaam en de geest op de een of andere manier gecoördineerd zijn. Echter, wetenschappers hebben moeite gedaan om dit te bewijzen omdat ze geen gemeenschappelijke index kunnen vinden om de twee te vergelijken.
Deze methode kan ook inzicht geven in het werkingsmechanisme van hoe mindfulness en andere mentale trainingen de activiteiten van de hersenen en het hart kunnen moduleren. We hadden voor het eerst het idee om wavelet-entropie te gebruiken om de correlatie tussen de hersenen en het hart te verkennen toen we ontdekten dat wavelet-entropie gevoelig is voor de acties op de verschillende mentale toestanden. Naast Junling en Jicong, zal Hang Kin, van mijn laboratorium, assisteren met de demonstratie van deze procedures.
Hij zal ook ons onderwerp zijn tijdens de demonstraties. Begin met het begeleiden van de deelnemer naar een rustige elektro-encefalografie, of EEG, kamer. Om de opname uit te voeren, verzamel een 128-kanaals EEG-systeem bestaande uit een EEG-kap, versterker, headbox en desktopcomputer.
Gebruik vervolgens alcoholwatten om het gezichtsgebied en de mastoïde van de deelnemer te reinigen. Meet de omtrek van het hoofd van de deelnemer met meetlint en kies vervolgens een geschikte maat kap. Neem een meting van de nasium naar de inion en een andere meting over de bovenkant van de oren en over de hoofdhuid.
Markeer de vertex, het punt op halve afstand tussen de nasium en inion op halve afstand tussen de twee oren, met een zachte markeringsstift. Stel vervolgens de elektrodepositie in volgens het 10-5 elektrodensysteem. Plaats de kap zodanig dat de Cz-elektrode boven de vertex ligt, de Nz-elektrode op de nasium, de Lz-elektrode op de inion, de RM-elektrode op de rechter mastoïde en de LM-elektrode op de linker mastoïde.
Vul de elektrodehouders met gel met behulp van een stomp puntige spuit. Plaats vervolgens de ECG-elektroden bij zowel de linker als rechter infraclaviculaire fossae. Houd de impedantie onder de 20 kiloohm voor elke elektrode.
Verminder de impedantie door de elektrodeplaatsing aan te passen om meer contact met de hoofdhuid te maken en voeg indien nodig meer gel toe. Neem vervolgens EEG-gegevens op aan het begin van de mindfulness-gebaseerde stressreductie, of MBSR, cursus. Laat de deelnemer een korte lichaamsscan uitvoeren om het hele lichaam te ontspannen door hen te vragen aandacht te besteden aan zijn of haar ademhaling tijdens het inademen en uitademen.
Laat ten slotte elke deelnemer 10 minuten MBSR-mindful ademhaling uitvoeren en 10 minuten normale rust tijdens het verzamelen van EEG-gegevens om een pre-MBSR-trainingsdataset met twee voorwaarden te genereren. Herhaal vervolgens deze EEG-procedure na twee maanden om een post-MBSR-trainingsdataset met twee voorwaarden te genereren. Begin met het openen van de EEG-software en het laden van de dataset en selecteer vervolgens Tools en Sampling rate wijzigen om de gegevens opnieuw te bemonsteren.
Selecteer vervolgens Tools, Filter de gegevens en Basis FIR-filter om de Finite Impulse Response-filter te gebruiken voor bandpass-filtering met een doorlaatband van 0,5 tot 100 hertz. Om ruis als gevolg van de wisselstroom van het lichtnet te verminderen, selecteer Tools, Filter de gegevens en Korte niet-lineaire IIR-filter om de korte niet-lineaire Infinite Impulse Response-filter te gebruiken voor notch-filtering met een stopband van 47 tot 53 hertz. Selecteer vervolgens Plot en Kanaalgegevens binnen de EEG-software om visueel door het EEG-signaal te scrollen en te inspecteren.
Vervolgens, klik met de linkermuisknop en sleep de muis over slechte segmenten om EEG-segmenten die duidelijke spierruis en andere vreemde gebeurtenissen bevatten te markeren en te verwijderen. Bepaal na het verwijderen van slechte segmenten of er slechte kanalen zijn. Reconstrueer elk slecht kanaal met behulp van de sferische interpolatiemethode door Tools en Kanaal interpoleren te selecteren.
Selecteer vervolgens Tools en ICA uitvoeren om een onafhankelijke componentenanalyse op de gegevens uit te voeren. Identificeer vervolgens visueel goede componenten en verwerp componenten van oogbeweging en knipperen, spierbewegingen en componenten van andere mogelijke ruis door Tools te selecteren, Gegevens afwijzen met behulp van ICA, gevolgd door Componenten afwijzen per kaart, dan Tools en Componenten verwijderen. Selecteer ten slotte Tools en Opnieuw referentie voor het opnieuw referentieën van de gegevens naar het gemiddelde van alle kanalen vóór verdere analyse.
Gebruik vervolgens de formule die hier te zien is om de waveletcoëfficiënten te berekenen, om relatieve energie te definiëren en wavelet-entropie te berekenen. In de spectrumanalyse van EEG-gegevens, vergeleken met normale rust, waren er versterkte alfa- en bèta- en verminderde deltagolven tijdens MBSR-mindful ademhaling. Verder toont bronanalyse aan dat de belangrijkste hersengebieden die werden beïnvloed door de MBSR-mindfulnesstraining zich in de linker occipitale gyrus, rechter precuneus, middelste temporale gyrus en linker fusiforme bevinden.
Ten slotte waren de entropiën van de hersenen en het hart significant gecorreleerd tijdens MBSR-mindful ademhaling maar niet tijdens normale rust. Eenmaal beheerst, kan de procedure in één week worden uitgevoerd als deze goed wordt uitgevoerd. Wanneer u deze procedure probeert, is het de moeite waard om op te merken dat alle juiste sensorische stappen essentieel zijn om de verwachte resultaten te bereiken.
Volgend op deze procedure kunnen we
Overzicht
Dit manuscript beschrijft het gebruik van de wavelet-entropie-index om gegevens van hoge-densiteit elektro-encefalografie (EEG) en elektrocardiografie (ECG) te analyseren. De studie toont aan dat de onregelmatigheid van cerebrale en cardiale activiteiten meer gecoördineerd wordt tijdens de praktijk van mindfulness-gebaseerde stressreductie.
Belangrijkste Onderdelen van het Onderzoek
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Psychologie
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- Er wordt aangenomen dat mindfulness-praktijken lichaam en geest coördineren.
- In eerdere studies ontbrak een gemeenschappelijke index om hersen- en hartactiviteiten te vergelijken.
- Wavelet-entropie is gevoelig voor verschillende mentale toestanden.
- Deze studie heeft tot doel de correlatie tussen de hersenen en het hart tijdens mindfulness te onderzoeken.
Doel van de studie
- Om EEG- en ECG-gegevens te analyseren met behulp van wavelet-entropie.
- Om de coördinatie van cerebrale en cardiale activiteiten tijdens mindfulness te onderzoeken.
- Om inzicht te verschaffen in hoe mindfulness de hersen- en hartactiviteiten moduleert.
Gebruikte methoden
- Opstelling van het 128-kanaals EEG-systeem en voorbereiding van de deelnemer.
- Registratie van EEG-gegevens tijdens mindfulness-based stress reduction (MBSR)-beoefening.
- Gegevensverwerking, inclusief filtering, artifact-verwijdering en Independent Component Analysis (ICA).
- Berekening van wavelet-coëfficiënten en entropie voor analyse.
Belangrijkste resultaten
- Verhoogde alfa- en bètagolven, verminderde deltagolven tijdens MBSR.
- Significante correlatie van hersen- en hartentropieën tijdens mindfulness.
- Belangrijke beïnvloede hersengebieden omvatten de linker occipitale gyrus en de rechter precuneus.
- De methodologie kan worden toegepast op andere mentale trainingpraktijken.
Conclusies
- Wavelet-entropie meet effectief de coördinatie tussen hersenen en hart.
- Mindfulness-praktijken verbeteren de relatie tussen hersenactiviteit en hartactiviteit.
- Toekomstige studies kunnen met deze methode andere contemplatieve oefeningen onderzoeken.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Het vaststellen van objectieve biomarkers voor de coördinatie tussen geest en lichaam vult een kritiek gat in de validatie van neuropsychiatrische targets, waarbij subjectieve eindpunten het voorspellend vertrouwen bij de ontwikkeling van geneesmiddelen voor het centraal zenuwstelsel beperken. Deze methodologie biedt een kwantitatief, op elektrofysiologie gebaseerd kader om de mechanistische betrokkenheid van door mindfulness gemoduleerde pathways te beoordelen, wat bijdraagt aan het verminderen van risico's bij neuropsychiatrische indicaties. Door cross-modale correlatieanalyse tussen neurale en autonome outputs mogelijk te maken, wordt de translationele continuïteit van vroege ontdekking naar preklinische validatie verbeterd.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om therapeutische hypothesen te onderzoeken die neurale activiteit koppelen aan autonome regulatie via een gemeenschappelijke entropie-gebaseerde index.
- Operationele waarde: Biedt een reproduceerbare metriek voor functionele doelvalidatie in onderzoek naar de geest-brein-lichaam-as.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt portfolio-triage door de mechanistische risicoreductie van CNS-modulerende verbindingen te kwantificeren via gecoördineerde brein-hart-biomarkers.
Screening & assayontwikkeling
- Klaarheid voor analyse: Genereert gestandaardiseerde, kwantitatieve wavelet-entropie-outputs van gesynchroniseerde EEG- en ECG-opnamen voor validatie van de analyse.
- Schaalbaarheid: Ondersteunt elektrofysiologische screeningplatforms met hoge dichtheid die vergelijking van signalen tussen verschillende systemen vereisen.
- Reproduceerbaarheid: Maakt consistente biomarker-meting mogelijk over verschillende experimentele condities, waardoor de variabiliteit in downstream screening wordt verminderd.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Relevantie voor ziekten: Toepasbaar op stressgerelateerde stoornissen waarbij dysregulatie van de hersen-hartas een pathofysiologisch kenmerk is.
- Translationele continuïteit: Slaat een brug tussen mechanistische inzichten uit de ontdekkingsfase en preklinische validatie via objectieve metrieken voor neurocardiale koppeling.
- Risico-gecorrigeerde beslissingen: Informeert go/no-go-criteria door target engagement in autonome neurale circuits te kwantificeren.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode integreert in discovery-workflows door een mechanistische read-out te bieden voor vroege targetvalidatie, die via assay-ontwikkeling leidt tot de preklinische evaluatie van CNS-actieve verbindingen die de autonome regulatie beïnvloeden.
- Discovery Biology: Faciliteert hypothesetesting van de modulatie van de geest-hersenen-hart-route door entropie te gebruiken als gedeelde biomarker.
- Screening: Levert assay-klare, kwantitatieve output die vergelijking van de effecten van verbindingen op de neurale-cardiale coördinatie mogelijk maakt.
- Analytics: Genereert correlationele gegevens tussen EEG- en ECG-entropie om de target engagement van meerdere systemen te beoordelen.
- Translationeel onderzoek: Ondersteunt preklinische continuïteit door neurocardiale biomarkers te valideren in ziekte-relevante modellen.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar elektrofysiologisch platform voor onderzoek naar CNS- en psychosomatische indicaties.
Operationele impact & impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in targetvalidatie door mechanistische ambiguïteit bij de modulatie van de hersen-lichaam-as te verminderen.
- Operationele waarde: Waarborgt standaardisatie en reproduceerbaarheid van neurofysiologische beoordelingen over verschillende locaties en studies heen.
- Strategische waarde: Verbetert de kwaliteit van go/no-go-beslissingen door objectieve, kwantificeerbare biomarkers van targetengagement te leveren.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van CNS-kandidaten mogelijk op basis van aangetoonde autonome neurale modulatie.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in elektrofysiologie, signaalverwerking en wavelet-analyse voor een nauwkeurige entropieberekening.
- Afhankelijk van high-density EEG- en ECG-acquisitiesystemen met nauwkeurige elektrodeplaatsing en impedantiecontrole.
- Necessiteert gestandaardiseerde preprocessing-pipelines, inclusief filtering, artifact-verwijdering en ICA voor een schone signaalisolatie.
- Omvat crossfunctionele samenwerking tussen teams uit de neurowetenschappen, cardiologie en data science voor de interpretatie.
- Beperkt tot laboratoriumomgevingen vanwege de complexiteit van de apparatuur; niet geschikt voor high-throughput-toepassingen of klinische implementatie zonder aanpassingen.
