Электрофизиологические измерения и анализ ноцицепции в человеческих младенцев

Общая цель следующего эксперимента заключается в регистрации и характеристике специфической активности головного и спинного мозга младенца человека в ответ на ноцицептивные стимулы. Это достигается с помощью методов ЭЭГ и ЭМГ для измерения электрофизиологической активности центральной нервной системы. После проведения клинически необходимых болезненных процедур первым шагом является обеспечение получения высококачественных физиологических записей от младенцев при воздействии экспериментальных, тактильных и необходимых болезненных стимулов.

Затем к полученным данным необходимо применить методы аналитической постобработки для характеристики вызванных паттернов активности. В результате может быть установлено, что в головном и спинном мозге младенка человека не регистрируется специфическая восприимчивая активность. Данный метод поможет нам понять, как развивающаяся нервная система реагирует на ноцицептивную стимуляцию.

Для начала подготовки к данному эксперименту сначала обработайте кожу младенца, а затем разместите на голове не менее 16 индивидуальных одноразовых чашеобразных ЭЭГ-электродов из серебра и хлорида серебра. Согласно модифицированной международной системе расстановки электродов «10-20», используйте проводящую ЭЭГ-пасту для оптимизации электрического контакта между электродом и кожей. Здесь представлена схема размещения электродов для ЭЭГ-записи, модифицированная на основе международной системы расстановки электродов «10-20».

Используйте FCZ в качестве референтного электрода для записи. Используйте один и тот же заземляющий электрод для ЭКГ и ЭЭГ. Разместите заземляющий электрод на грудной клетке или голове.

Затем для настройки записи ЭКГ подготовьте кожу и разместите электроды ЭКГ на левой и правой сторонах грудной клетки. Свяжите провода электродов вместе, чтобы минимизировать электрические помехи. Далее поместите датчик перемещения на живот для измерения дыхания.

Следующим шагом является подготовка кожи и размещение ЭМГ-электродов на двуглавых мышцах бедра обеих ног. Теперь поместите датчик пульсоксиметра на стопу, противоположную той, которая будет стимулироваться, и убедитесь, что датчик надежно зафиксирован. Проверьте сигнал ЭЭГ на мониторе, а также убедитесь, что сатурация кислорода и частота сердечных сокращений регистрируются без выпадений сигнала.

Наконец, установите на штатив видеокамеру так, чтобы в кадр попадало лицо младенца для записи изменений мимики. Поместите в поле зрения камеры светоизлучающий диод (LED). Светодиод подключен к схеме синхронизации, поэтому он будет вспыхивать в моменты подачи стимула для синхронизации данных ЭЭГ, ЭМГ и видеозаписи.

После завершения подготовки начните сбор данных. Запустите видеозапись и, когда младенец успокоится, зафиксируйте стопу, как при выполнении прокола пятки, и поставьте событийно-временную метку в записях ЭЭГ и ЭМГ. Эта эпоха будет использована для выделения участка фонового контроля.

Затем проведите тактильную стимуляцию, осторожно постукивая резиновым наконечником по пятке. Стимулируйте стопу, к которой не прикреплен пульсоксиметр. В данном случае тактильная стимуляция синхронизируется с помощью резинового наконечника, закрепленного на датчике импеданса неврологического молотка, который электронно соединен с записывающим оборудованием.

Видеозапись синхронизируется с событием с помощью вспышки светодиода. Можно применять повторные касания, а стимул может воздействовать на различные области тела, например, на плечо.

Теперь примените контрольную стимуляцию, повернув ланцет на 90 градусов и приложив его к стопе так, чтобы при срабатывании подпружиненного лезвия оно не касалось кожи. После стабилизации ЭЭГ-активности выполните клинически необходимый прокол пятки в соответствии с клинической практикой. Прокол пятки не проводился младенцу, который снимался до этого момента; здесь показан прокол пятки у другого младенца в момент забора крови из пятки.

Прокол следует выполнять так же, как и при контрольной стимуляции; после прокола пятки не сдавливайте стопу в течение как минимум 30 секунд, чтобы гарантировать, что регистрируемые ответы вызваны исключительно проколом. После сбора необходимого количества крови подготовьте образцы для клинического анализа. Сохраните данные и выключите все регистрирующее оборудование.

Затем снимите электроды. В завершение зафиксируйте демографические данные младенца и детали эксперимента. Внесите эти данные в анонимизированную базу данных для безопасного хранения и последующего использования.

Повторите эту процедуру для необходимого количества младенцев, участвующих в исследовании. Чтобы начать анализ данных ЭЭГ, сначала создайте эпохи ЭЭГ продолжительностью 1,7 секунды, соответствующие каждому контрольному касанию, стимуляции ланцетом и фоновой ЭЭГ. Эти эпохи должны начинаться за 0,6 секунды до каждого события.

Количество эпох для каждой модальности должно соответствовать одному и тому же базовому уровню; скорректируйте эпоху, вычтя средний сигнал базового уровня. Затем примените фильтрацию высоких частот с порогом 0,1 hertz. Для дальнейшего анализа используйте эпоху, записанную в точках CPZ или CZ, и исключите эпохи, загрязненные артефактами движения с изменением амплитуды более 50 µV менее чем за 50 milliseconds.

Повторите эту процедуру для всех записей. Затем выровняйте кривые, записанные от каждого младенца, чтобы скорректировать джиттер задержки в диапазоне от 50 до 30 миллисекунд после стимуляции.

Проведите анализ главных компонент в этом временном интервале, чтобы выделить тактильный потенциал, представляющий собой ЭЭГ-активность, связанную с тактильной стимуляцией. Рассматривайте EPOCH как переменные, а временные точки — как наблюдения.

Метод главных компонент. Позволяет разложить эпохи ЭЭГ на базовые формы волн, называемые главными компонентами или ПК, и представляет систематические вариации амплитуды сигнала в различных временных точках. Теперь выровняйте трассы, чтобы скорректировать джиттер латентности в интервале от 300 до 700 миллисекунд после стимуляции, и проведите анализ главных компонент в этом временном интервале. Для анализа данных ЭМГ сначала рассчитайте среднеквадратичное значение сигнала ЭМГ в первые 1000 миллисекунд после стимуляции для контрольного стимула и стимула в виде укола.

Затем проведите T-критерий для среднеквадратичных значений, чтобы определить специфический спинальный рефлекс отдергивания при ноцицепции. Здесь представлено общее среднее значение в точке CZ, полученное для всех типов стимуляции после выравнивания в интервале от 50 до 300 миллисекунд. Главные компоненты, обозначенные жирной линией, представляют собой сенсорный потенциал, вызванный как тактильной, так и ноцицептивной стимуляцией, поскольку веса этого компонента после тактильной и ноцицептивной стимуляции значительно больше по сравнению с фоновой ЭЭГ.

Напротив, главный компонент, полученный в интервале от 300 до 700 миллисекунд после начала стимуляции, представляет собой специфический ноцицептивный потенциал. Амплитуда этого компонента значительно выше после ноцицептивной стимуляции по сравнению с тактильной стимуляцией и фоном. На ЭЭГ представлены примеры сенсорного потенциала синего цвета в точке cz, вызванного тактильной стимуляцией у трех младенцев, а также примеры специфического ноцицептивного потенциала зеленого цвета в точке cz, вызванного болезненным уколом у трех младенцев.

Наконец, здесь представлен пример ЭМГ-активности младенца после болезненного прокола пятки и безболезненного тактильного воздействия на пятку. Среднеквадратичное значение ЭМГ-активности значительно выше после болезненной стимуляции по сравнению с безболезненной. Данный метод откроет новые возможности в области нейробиологии, позволяя исследователям изучить развитие механизмов обработки болевых сигналов.