Pomiary elektrofizjologiczne i analiza nocycepcji u niemowląt

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest rejestracja i charakterystyka specyficznej aktywności mózgu i rdzenia kręgowego w odpowiedzi na bodźce nocyceptywne u niemowląt. Jest to realizowane przy użyciu technik EEG i EMG w celu pomiaru aktywności elektrofizjologicznej w ośrodkowym układzie nerwowym. Po przeprowadzeniu klinicznie niezbędnych procedur nocyceptywnych, pierwszym krokiem jest zapewnienie uzyskania wysokiej jakości zapisów fizjologicznych od niemowląt podczas doświadczania eksperymentalnych, dotykowych i niezbędnych bodźców nocyceptywnych.

Następnie, w celu scharakteryzowania wywołanych wzorców aktywności, do danych należy zastosować analityczne techniki post-processingu. Wyniki mogą wskazać, że w mózgu ludzkiego niemowlęcia nie można zarejestrować specyficznej aktywności mózgu i rdzenia kręgowego wywołanej bodźcami. Metoda ta pomoże nam zrozumieć, w jaki sposób rozwijający się układ nerwowy reaguje na stymulację nocyceptywną.

Aby rozpocząć przygotowania do tego eksperymentu, najpierw należy przygotować skórę niemowlęcia, a następnie umieścić na głowie minimum 16 pojedynczych jednorazowych srebrno-chlorkowych elektrod EEG typu kubkowego. Zgodnie z zmodyfikowanym międzynarodowym systemem rozmieszczenia elektrod 10-20, należy użyć przewodzącej pasty EEG w celu optymalizacji sprzężenia elektrycznego między elektrodą a skórą. Tutaj przedstawiono schemat rozmieszczenia elektrod do zapisów EEG, zmodyfikowany na podstawie międzynarodowego systemu rozmieszczenia elektrod 10-20.

W rejestracji należy zastosować elektrodę FCZ jako elektrodę odniesienia. Dla EKG i EEG należy użyć tej samej elektrody uziemiającej. Elektrodę uziemiającą należy umieścić na klatce piersiowej lub głowie.

Następnie, aby przygotować rejestrację EKG, należy przygotować skórę i umieścić elektrody EKG po lewej i prawej stronie klatki piersiowej. Przewody elektrod należy powiązać, aby zminimalizować zakłócenia elektryczne. Następnie na brzuchu należy umieścić przetwornik ruchu do pomiaru oddychania.

Kolejnym krokiem jest przygotowanie skóry i umieszczenie elektrod EMG na mięśniach dwugłowych obu nóg. Teraz należy umieścić sondę pulsoksymetryczną na stopie przeciwległej do stopy, która będzie stymulowana, i upewnić się, że sonda jest stabilnie zamocowana. Należy sprawdzić na monitorze sygnał EEG oraz upewnić się, że saturacja tlenem i tętno są rejestrowane bez przerw w sygnale.

Na koniec ustaw zamontowaną na statywie kamerę tak, aby objęła twarz niemowlęcia, co pozwoli na rejestrację zmian w mimice. W kadrze kamery umieść diodę elektroluminescencyjną LED. Dioda LED jest połączona z układem czasowym, dzięki czemu będzie migać w momencie podawania stymulacji, co pozwoli na synchronizację zapisów E-E-G-E-M-G oraz wideo.

Po zakończeniu konfiguracji należy rozpocząć zbieranie danych. Włącz nagrywanie wideo, a gdy niemowlę się uspokoi, chwyć stopę w sposób imitujący nakłucie pięty i zaznacz to zdarzenie w zapisach EEG oraz EMG. Ta epoka posłuży do zidentyfikowania fragmentu tła kontrolnego.

Następnie zastosuj stymulację dotykową, lekko uderzając gumowym korkiem w piętę. Stymuluj stopę, do której nie jest podłączony pulsoksymetr. W tym przypadku stymulacja dotykowa jest znakowana zdarzeniem za pomocą gumowego korka przymocowanego do głowicy impedancyjnej w młotku neurologicznym, który jest połączony elektronicznie z urządzeniem rejestrującym.

Nagranie wideo jest znakowane zdarzeniami za pomocą błysku diody LED. Można stosować wielokrotne dotknięcia, a bodziec może być aplikowany w różnych regionach ciała, np. na bark.

Teraz zastosuj stymulację kontrolną, obracając lancet o 90 stopni i przykładając go do stopy w taki sposób, aby po zwolnieniu sprężynowego ostrza nie miało ono kontaktu ze skórą. Po ustabilizowaniu się aktywności EEG wykonaj klinicznie niezbędne nakłucie pięty zgodnie z praktyką kliniczną. Nakłucie pięty nie zostało wykonane u niemowlęcia filmowanego do tego momentu; pokazane tutaj nakłucie pięty wykonano u innego niemowlęcia w celu zablokowania czasu pięty.

Nakłucie należy przeprowadzić w taki sam sposób, jak w przypadku stymulacji kontrolnej; po nakłuciu pięty nie należy uciskać stopy przez co najmniej 30 s, aby upewnić się, że zarejestrowane odpowiedzi wynikają wyłącznie z samego nakłucia. Po pobraniu wymaganej ilości krwi należy przygotować próbki do analizy klinicznej. Zapisz dane i wyłącz całą aparaturę pomiarową.

Następnie zdejmij elektrody. Na koniec zapisz dane demograficzne niemowlęcia oraz szczegóły eksperymentu. Wprowadź te dane do zanonimizowanej bazy danych w celu bezpiecznego przechowywania i przyszłych odniesień.

Powtórz tę procedurę dla wymaganej grupy niemowląt w badaniu. Aby rozpocząć analizę danych EEG, najpierw utwórz epoki EEG o długości 1,7 sekundy, odpowiadające każdemu dotykowi kontrolnemu, stymulacji lancetem oraz aktywności EEG w tle. Epoki te powinny rozpoczynać się 0,6 sekundy przed każdym zdarzeniem.

Liczba epok odpowiadających każdej modalności powinna stanowić taką samą linię bazową; należy skorygować epoki poprzez odjęcie średniego sygnału bazowego. Następnie należy zastosować filtr górnoprzepustowy o częstotliwości 0,1 Hz. Do dalszej analizy należy wybrać epoki zarejestrowane w punktach CPZ lub CZ oraz wykluczyć epoki zanieczyszczone artefaktami ruchowymi, w których zmiana amplitudy przekraczała 50 µV w czasie krótszym niż 50 ms.

Powtórz tę czynność dla wszystkich rejestracji. Następnie wyrównaj ślady zarejestrowane od każdego niemowlęcia, aby skorygować jitter opóźnienia między 50 a 30 milisekundami po stymulacji.

Przeprowadź analizę głównych składowych w tym przedziale czasowym w celu zidentyfikowania potencjału dotykowego, czyli aktywności EEG związanej ze stymulacją dotykową. Przyjmij EPOCH za zmienne, a punkty czasowe za obserwacje.

Analiza głównych składowych. Rozkłada epoki EEG na podstawowe formy falowe, nazywane głównymi składowymi (PCs), i reprezentuje systematyczną zmienność amplitudy sygnału w czasie. Następnie wyrównaj ślady w celu skorygowania jittera latencji między 300 a 700 milisekund po stymulacji i przeprowadź analizę głównych składowych w tym przedziale czasowym. W przypadku analizy danych EMG najpierw oblicz pierwiastek z kwadratu średniej (RMS) sygnału EMG w pierwszych 1000 milisekundach po stymulacji dla bodźców kontrolnych i bodźców typu lance.

Następnie należy przeprowadzić test t dla wartości średnia kwadratowa (RMS), aby określić specyficzny dla nocycepcji odruch wycofania rdzeniowego. Tutaj przedstawiono średnią ogólną w punkcie CZ, uzyskaną dla wszystkich rodzajów stymulacji po wyrównaniu w przedziale od 50 do 300 milisekund. Główna składowa zaznaczona pogrubioną linią reprezentuje potencjał sensoryczny wywołany zarówno przez stymulację dotykową, jak i nocyceptywną, ponieważ wagi tej składowej są znacząco większe po stymulacji dotykowej i nocyceptywnej w porównaniu do tła EEG.

W przeciwieństwie do tego, główna składowa uzyskana w czasie od 300 do 700 milisekund po wystąpieniu bodźca reprezentuje potencjał specyficzny dla nocycepcji. Waga tej składowej jest istotnie większa po stymulacji nocyceptywnej w porównaniu ze stymulacją dotykową i tłem. EEG przedstawia tutaj przykłady potencjału sensorycznego w kolorze niebieskim w odprowadzeniu cz, wywołanego stymulacją dotykową u trzech niemowląt, a tutaj przykłady potencjału specyficznego dla nocycepcji w kolorze zielonym w odprowadzeniu cz, wywołanego nocyceptywnym nakłuciem u trzech niemowląt.

Na koniec przedstawiamy przykład aktywności EMG u niemowlęcia po nocyceptywnym nakłuciu pięty oraz nocyceptywnej stymulacji dotykowej pięty. Efektywna wartość aktywności EMG (RMS) jest znacznie większa po stymulacji nocyceptywnej w porównaniu ze stymulacją nienocyceptywną. Technika ta utoruje drogę badaczom w dziedzinie neuronauki do zrozumienia rozwoju procesów przetwarzania bólu.