Dette manuskript beskriver, hvordan man bruger wavelet entropi indekset til at analysere data med høj densitet elektroencefalografi (EEG) og elektrokardiografi (EKG). Vi viser, at uregelmæssigheden af cerebrale og hjerteaktiviteter blev mere koordineret under mindfulness-baseret stressreduktionspraksis.
I både øst og vest siger traditionelle lære at sindet og hjertet er en eller anden måde tæt korreleret, især under åndelig praksis. Et problem med at bevise dette objektivt er, at hjernens og hjerteaktiviteten er helt anderledes. I dette papir foreslås en metode, der bruger wavelet entropi til at måle de kaotiske niveauer af både elektroencefalogrammet (EEG) og elektrokardiogramdata (EKG) og vise, hvordan dette kan bruges til at undersøge den potentielle koordinering mellem sindet og hjertet under forskellige eksperimentelle forhold . Desuden blev Statistisk Parametrisk Kortlægning (SPM) brugt til at identificere hjerneområderne, hvor EEG-wavelet entropi var mest ramt af forsøgsbetingelserne. Som en illustration blev EEG og EKG registreret under to forskellige forhold (normal hvile og opmærksom vejrtrækning) i begyndelsen af et 8-ugers standard Mindfulness-Based stress reduction (MBSR) træningsforløb (pretest) og efter cVores (posttest). Ved hjælp af den foreslåede metode viste resultaterne konsekvent, at wavelet entropien i hjernens EEG faldt under MBSR-sindssynet vejrtrækningstilstand sammenlignet med det i lukkede øjne hvilestatus. Tilsvarende blev der fundet en lavere wavelet entropi af hjertefrekvens under MBSR opmærksom vejrtrækning. Imidlertid blev der ikke fundet nogen forskel i wavelet entropi under MBSR opmærksom vejrtrækning mellem pretest og posttest. Der blev ikke observeret nogen korrelation mellem entropi af hjernebølger og entropi af hjertefrekvens under normal hvile hos alle deltagere, hvorimod en signifikant korrelation blev observeret under MBSR-opmærksom vejrtrækning. Derudover var de mest velkorrelerede hjerneområder placeret i hjernens centrale områder. Denne undersøgelse giver en metode til at bevise, at mindfulness praksis ( dvs. opmærksom vejrtrækning) kan øge koordineringen mellem sind og hjerteaktiviteter.
Med fremskridt inden for neurovidenskab og medicin 1 er vi i en langt bedre position til at forstå de ikke-farmakologiske fordele ved mindfulness og meditation på mentale og fysiske sygdomme. Talrige undersøgelser har vist, at Mindfulness-Based Stress Reduction (MBSR) træning som en slags mental træning aktivt kan reducere unødvendig stress i sindet og kroppen 2 . Under øvelsen af meditation kan kroppen og sindet blive mere medvirket. Disse spørgsmål har tiltrukket både det akademiske samfunds og offentligheden interesse og har motiveret os til at designe en metode til at undersøge muligheden for koordinering mellem sind og krop (eller mere specifikt mellem hjernen og hjertet) under forskellige forhold for at vurdere effekten Af MBSR træning og praksis.
Uregelmæssigheden af elektroencefalogrammer (EEG) betragtes normalt som støj i den konventionelle EEG-spektrumanalyse, bUd det kan indeholde nyttig information og kan måles ved signal entropi. EEG entropi er blevet anvendt som et indeks for kliniske tilstande som epilepsi, Alzheimers sygdom og anæstesi, og nogle beviser tyder på, at entropi af EEG kan være en mere følsom foranstaltning til overvågning af hjernestater end den traditionelle EEG spektrumanalyse 3 , 4 . Entropi har længe været anvendt i termodynamik som et indeks for at beskrive systemets kaotiske tilstand. Hjernens bølger målt ved EEG er kendt for deres dynamiske aktivitet på grund af hjernenetværk, der virker mellem orden og kaos 5 . Blandt de forskellige entropier tilbyder wavelet entropi en metode til at beregne entropi af energier under forskellige observationsskalaer, som er velegnet til at analysere EEG signaler med meget varierede funktioner i forskellige skalaer. For et fuldstændigt tilfældigt signal vil de relative energier ved forskellige opløsningsniveauer væreSamme, og entropien vil nå sit maksimum. Derfor fungerer wavelet entropien som et mål for kaotiske aktiviteter i EEG og kan bruges som et indeks til differentiering af forskellige sindstilstande 6 .
Tidligere elektrokardiogramstudier (ECG) gav konsistente beviser for meditationsrelaterede ændringer i hjertefrekvensvariationen sammenlignet med præmeditationssituationer 7 . Heartbeat reguleres af det autonome (herunder det sympatiske og parasympatiske) nervesystem. Den autonome tone moduleres af interaktioner mellem ganglion; Sino-auricular knudepunkt; Vagus nerver; Og højere ordens hjerne strukturer, såsom medulla oblongata, insula og limbic systemet. Disse strukturer danner et hierarkisk system, og dets ikke-lineære aktivitet kan måles gennem entropi 8 . For eksempel kan de neurale udbrud i højere ordens hjernestrukturer påvirke hjerte-rytmen 9 .I kliniske tilstande forstyrrer hjernesygdomme som epileptiske anfald hjerterytmen 10 . Neurokardiologisk forskning foreslår også et tæt samspil mellem hjerte og hjerne 11 .
Et problem ved at undersøge sammenhængen mellem hjerne og hjerte signaler er, at de er helt forskellige i signalindhold og tidsskala. Derfor er en stor udfordring at identificere en fælles foranstaltning, der ikke kun gælder både hjernens og hjertesignalerne, men også betydningsfuld for fortolkning i forbindelse med koordinering af sind-krop. I dette papir foreslår vi brugen af wavelet entropi til at detektere mulig koordinering mellem uregelmæssigheder i hjerne- og hjerteaktivitet ved at korrelere entropierne af EEG- og hjerteslagsignaler, som derefter kan vurderes ved hjælp af et MBSR-eksperiment.
Fordi MBSR involverer mindfulness praksis i både krop og sind, antager vi, at MBSR opmærksom vejrtrækning prAktør kan påvirke ikke kun hjerneaktivitet, men også hjerteslag. Tidligere undersøgelser undersøgte primært effekten af mindfulness træning og / eller praksis på hjernen eller hjertet separat og baseret på forskellige aspekter; De samtidige ændringer i disse to nært beslægtede systemer forbliver stort set uudforskede. Kun få undersøgelser rapporterede bedre koordinering af krop og sind efter mindfulness træning 12 . Ved hjælp af den foreslåede metode viste de repræsentative resultater og en tidligere undersøgelse 13 , at MBSR mindfulness-træning kan øge koordinering af krop og sind med hensyn til deres kaotiske aktiviteter, hvilket kan give nyt indblik i effekten af mindfulness-træning på det centrale og perifere Nervesystemer.
Denne EEG-undersøgelse giver konkrete tegn på, at i sammenligning med normal hvile forstærker MBSR-opmærksom vejrtrækning alfa-bølgerne i de frontale og occipitale lobes. Dette er i tråd med de fleste rapporter om øgede alfa bølger under meditation, især i begyndere 21 . Alfa bølger angiver normalt en tilstand af ophidselse og årvågenhed og frihed fra enhver bestemt opgave. En sådan mental tilstand er et af målene med meditation; Det vil sige at holde sindet rent og skarpt, fri for enten fancyflyvninger eller at falde i søvn. Den forbedrede alfa-bølge-synkronisering under MBSR-praksis kan også forbedre samordningen mellem sind og krop 22 .
De elektroniske aktiviteter af det store antal neuroner i hjernen danner et ikke-lineært hierarkisk system, og dets uregelmæssighed kan godt måles af entropi 8 . Vi fandt, at under MBSR praksis, uregelmæssigheden af hjernen electrOniske aktiviteter faldt over en stor del af hovedbunden EEG, især i frontpolen og bilaterale occipitale hjerneområder. Yderligere kildeanalyse af wavelet entropi viste, at uregelmæssigheden af occipital og precuneus aktiviteter blev reduceret under MBSR praksis. Andre involverede områder omfatter højre midt cingulate og den overlegne temporal lobe. Dette er i tråd med en anden undersøgelse, der tyder på, at gråt materiale stiger i precuneus efter MBSR træning 23 . Avancerede meditation praktiserende læger har normalt højere parieto-occipitale EEG gamma bølger under ikke-hurtig øjenbevægelse søvn 1 . Et vigtigt træk ved MBSR træning er at være nonjudgmental af sind / hjerne informationsstrømmen. Dette kan muligvis reducere uregelmæssigheden af hjernens aktiviteter. Fordi en hovedkilde i hjernen er den visuelle cortex, er det plausibelt, at de visuelle relaterede hjerneområder er mere påvirket af MBSR-praksis end andre regionerns. Dette gør det muligt for sindet at være mindre lydhør over for irrelevant information og at være mere opmærksom på opmærksom vejrtrækning.
Wavelet entropi analyse viste mindre uregelmæssighed af hjertefrekvens under mindful vejrtrækning i forhold til den normale hvilestatus, hvilket indebærer en mere raffineret balance i det autonome nervesystem på grund af forholdsvis uvæsentlige interaktioner mellem parasympatiske og sympatiske toner. Mindful vejrtrækning kan også påvirke hjertefrekvensen, fordi lungens sensoriske afferenter sender hæmmende fremskrivninger til hjertevagmotoriske neuroner i midterhjernen, som hæmmer hjertefrekvensen via vagusnerven 24 . Den kardiorespiratoriske interaktion medieres af hjernestammen og det limbiske system i hjernen 25 . I betragtning af forbindelsen mellem centralnervesystemet og hjerteaktiviteten er det plausibelt, at ved at træne i sindet, kan MBSR eller andre meditationspraksis også påvirke andre kropsfunktioner, såsomTilbagestilling af baroreflex følsomheden, forbedring af gasudvekslingseffektiviteten i lungerne og afbalancering af det autonome nervesystem 26 .
Kropsforbindelsen understreges i mange østlige traditioner. I den henseende giver vores undersøgelse det første objektive bevis for entropi. Uregelmæssighederne i hjerne- og hjerteaktivitet blev mere koordineret under MBSR-praksis, og koordinationen var størst i de bilaterale somatosensoriske regioner. Denne region har direkte ansvar for kroppens sensoriske input og bevægelse, og denne øgede koordinering indebærer større kropsbevidsthed under MBSR-praksis. Mindfulness-træning viste sig at øge aktiviteterne i de viscerosomatiske områder i et funktionelt MR-studie, som har en bedre rumlig opløsning end EEG 27 . Vores resultater tyder på, at hjernen og hjertet kan blive mere medvirket under MBSR-praksis, idet man unloader unødvendig entropi i systemet. <s Up class = "xref"> 28. Fordi hjerteslag reguleres af det autonome nervesystem, hvor den autonome tone moduleres af interaktionerne mellem ganglionet; Sino-auricular knudepunkt; Vagus nerver; Og højere ordens hjerne strukturer, såsom medulla oblongata, insula og limbic systemet, kan de autonome og centrale nervesystemer muligvis blive mere koordineret under MBSR praksis.
Et vigtigt skridt i en undersøgelse som vores er at vælge det rigtige entropiindeks for at måle uregelmæssigheden af EEG og EKG. I modsætning til Renu Madhavi et al ., Der brugte omtrentlig entropi 29 , har vi valgt at bruge wavelet entropi til at fokusere på kompleksiteten blandt energierne i forskellige skalaer. Fordi hjernens elektroniske aktiviteter stammer fra et stort antal neuroner, der har forskellige egenskaber i forskellige skalaer og spektrum, bør wavelet entropi være mere egnet til at måle EEG's uregelmæssighed> 30. På samme måde har øjeblikkeligt hjertefrekvens også forskellige funktioner under forskellige tidsskalaer, så det er rimeligt at anvende wavelet entropi på EKG 31 . Endvidere er Shants entropi og tilnærmet entropi følsomme over for prøveudtagningsfrekvensen, og omtrentlig entropi kræver store beregningstider, som øges eksponentielt med datalængde, dette i tillæg til beregningen i kildepladsen.
Flere begrænsninger af den nuværende undersøgelse er værd at bemærke. For det første er den rumlige opløsning af hovedbund EEG forholdsvis dårlig, på trods af dens høje tidsmæssige opløsning. For at løse dette blev kildeanalyse anvendt i vores undersøgelse. EEG-kildekonstruktion er et dårligt problem, og en alternativ tilgang er at have rumlige præstationer fra tidligere funktionelle magnetiske resonansbilleddannelsesundersøgelser (fMRI) -studier, som kan bidrage til at forbedre genopbygningsnøjagtigheden 32 , 33 . En anden begrænsning er tHat koordinering mellem hjerne og hjerte aktiviteter blev vurderet mellem emner; Koordinering inden for fagområdet overlades til fremtidige undersøgelser. Derudover er entropien af EKG ikke afledt direkte fra EKG-signalet, men snarere fra hjerteintervalintervallet, fordi EKG'ens amplitude kan påvirkes stærkt af elektrodepositionen og hudimpedansen og således ikke er sammenlignelig mellem emner.
Tidligere undersøgelser udførte sædvanligvis en spektrumanalyse af EEG-signalet og afviste uregelmæssigheder i EEG som støj. I modsætning hertil foreslår vi at bruge wavelet entropi som et mere følsomt indeks til måling af hjernens kaotiske elektroniske aktiviteter som en afspejling af sindstilstanden. Den foreslåede metode giver objektivt bevis for den traditionelle antagelse, at sindet og hjertet er mere koordinerede under meditation.
Fordi wavelet entropi kan overvåge meditationstilstanden ganske følsomt, kan den bruges i mentaltræningenNg-felt, ligesom entropi anvendes i klinisk praksis til at måle niveauet af anæstesi under operationen. Ved hjælp af et indeks, der ligner wavelet entropi, kan trådløse EEG-enheder bruges til bekvemt at overvåge individets daglige meditationspraksis eller anden mental træning til uddannelsesmæssige formål. Ikke desto mindre, fordi et trådløst EEG normalt kun måler stabilt kanalerne i panden stabilt, skal vi undersøge, om disse kanaler er følsomme nok til at overvåge sindstilstand.
De kritiske trin i denne procedure inkluderer at holde hudimpedansen for hver elektrode lav for bedre signalkvalitet og mindre støj; Passende og korrekt gennemførelse af MBSR-træning At sikre en god, ikke-træt mental tilstand før eksperimentet, da meditation kræver stor energi; Valg af det korrekte entropi indeks (wavelet entropi); Og er bekendt med SPM kilde analyse af EEG data.
The authors have nothing to disclose.
Denne undersøgelse blev støttet af SPF-201209176152-fonden ved The University of Hong Kong. Vi takker Dr. Helen Ma for at undervise i kurset og rekruttere MBSR-deltagere.
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 |