Detta manuskript beskriver hur man använder wavelet entropi index för att analysera data med hög densitet elektroencefalografi (EEG) och elektrokardiografi (EKG). Vi visar att oregelbundenhet av hjärn- och hjärtaktivitet blev mer samordnad under mentalitetsbaserad stressreduceringspraxis.
I både öst och väst säger traditionella läror att sinnet och hjärtat på något sätt är nära korrelerade, särskilt under andlig övning. En svårighet att bevisa detta objektivt är att naturen i hjärnans och hjärtaaktiviteten är helt annorlunda. I detta dokument föreslår vi en metod som använder wavelet entropi för att mäta de kaotiska nivåerna av både elektroencefalogrammet (EEG) och elektrokardiogramdata (EKG) och visa hur det kan användas för att undersöka den potentiella samordningen mellan sinnet och hjärtat under olika experimentella förhållanden . Vidare användes statistisk parametrisk kartläggning (SPM) för att identifiera hjärnregionerna där EEG-wavelet entropin var mest påverkad av försöksförhållandena. Som en illustration registrerades EEG och EKG under två olika förhållanden (normal vila och medveten andning) i början av en 8-veckors standard Mindfulness-based stress reduction (MBSR) träningspass (pretest) och efter cOurse (posttest). Med användning av den föreslagna metoden visade resultaten konsekvent att wavelet entropin i hjärnens EEG minskade under det MBSR-uppmärksamma andningstillståndet jämfört med det under det slutna ögat vilande tillståndet. På liknande sätt hittades en lägre wavelet entropi av hjärtfrekvens under MBSR-uppmärksam andning. Emellertid fann ingen skillnad i wavelet entropi under MBSR medveten andning mellan pretest och posttest. Ingen korrelation observerades mellan entropin av hjärnvågor och entropi av hjärtfrekvensen under normal vila hos alla deltagare, medan en signifikant korrelation observerades under MBSR-uppmärksam andning. Dessutom var de mest välkorrelerade hjärnregionerna belägna i hjärnans centrala delar. Denna studie ger en metod för att fastställa bevis för att mindfulness-övning (det vill säga uppmärksam andning) kan öka samordningen mellan hjärnans och hjärnans aktiviteter.
Med framsteg inom neurovetenskap och medicin 1 är vi i en mycket bättre position att förstå de icke-farmakologiska fördelarna med mindfulness och meditation på mentala och fysiska sjukdomar. Många studier har visat att Mindfulness-based stress reduction (MBSR) träning som en form av mental träning kan aktivt minska onödig stress i sinnet och kroppen 2 . Under övningen av meditation kan kroppen och sinnet bli mer entrained. Dessa frågor har lockat intresse för både det akademiska samhället och allmänheten och har motiverat oss att utforma en metod för att undersöka möjlig samordning mellan sinne och kropp (eller mer specifikt mellan hjärnan och hjärtat) under olika förhållanden för att bedöma effekten Av MBSR-träning och träning.
Oregelbundenheten av elektroencefalogram (EEG) betraktas vanligtvis som brus i den konventionella EEG-spektrumanalysen, bUt det kan innehålla användbar information och kan mätas med signal entropi. EEG entropi har använts som ett index för kliniska tillstånd som epilepsi, Alzheimers sjukdom och anestesi, och vissa bevis tyder på att entropin av EEG kan vara en mer känslig åtgärd för övervakning av hjärnstater än den traditionella EEG-spektrumanalysen 3 , 4 . Entropi har länge använts i termodynamik som ett index för att beskriva det kaotiska tillståndet för ett system. Hjärnvågorna uppmätta av EEG är kända för sin dynamiska aktivitet på grund av hjärnnätverk som fungerar mellan order och kaos 5 . Bland de olika entropierna erbjuder wavelet entropi en metod för att beräkna entropin av energier under olika observationsskala, vilket är väl lämpat för att analysera EEG-signaler med mycket varierade funktioner i olika skalaer. För en helt slumpmässig signal kommer de relativa energierna vid olika upplösningsnivåer att varaSamma, och entropin når sitt maximala. Därför tjänar wavelet entropin som ett mått på kaotiska aktiviteter i EEG och kan användas som ett index för differentiering av olika sinnena 6 .
Tidigare elektrokardiogramstudier gav konsekvent bevis på meditationsrelaterade förändringar i hjärtfrekvensvariationen jämfört med premeditationssituationer 7 . Heartbeat regleras av det autonoma (inklusive det sympatiska och parasympatiska) nervsystemet. Den autonoma tonen moduleras genom interaktioner mellan ganglion; Sino-auricular nod; Vagus nerver; Och högre ordningens hjärnstrukturer, såsom medulla oblongata, insula och limbiska systemet. Dessa strukturer bildar ett hierarkiskt system, och dess olinjära aktivitet kan mätas genom entropi 8 . Till exempel kan de neurala sprängningarna i högre ordningens hjärnstrukturer påverka hjärtatrytmen 9 .I kliniska tillstånd stör hjärtsjukdomar, såsom epileptiska anfall, hjärtrytmen 10 . Neurokardiologisk forskning tyder också på ett nära samspel mellan hjärtat och hjärnan 11 .
En svårighet att undersöka sambandet mellan hjärn- och hjärtsignaler är att de är ganska olika i signalinnehåll och tidsskala. Därför är en stor utmaning att identifiera en gemensam åtgärd som inte bara är tillämplig på både hjärn- och hjärtsignaler, men också meningsfullt för tolkning i samband med koordinering mellan kropp och själ. I detta dokument föreslår vi användningen av wavelet entropi för att upptäcka möjlig samordning mellan oregelbundenheter i hjärnans och hjärtaktivitet genom att korrelera entropierna av EEG- och hjärtslagsignaler, som då kan utvärderas genom ett MBSR-experiment.
Eftersom MBSR involverar mindfulness-övning i både kropp och själ, förutser vi att MBSR-uppmärksam andning prAktris kan påverka inte bara hjärnaktivitet utan även hjärtslag. Tidigare studier undersökte huvudsakligen effekten av mindfulness träning och / eller övning i hjärnan eller hjärtat separat och baserat på olika aspekter; Samtidiga förändringar i dessa två närbesläktade system förblir i stor utsträckning oförskattade. Endast ett fåtal studier rapporterade bättre koordinering av kropp och själ efter uppmärksamhetsutbildning 12 . Med hjälp av den föreslagna metoden visade representativa resultat och en tidigare studie 13 att MBSR-mindfulness-träning kan öka koordinering av kropp och själ när det gäller deras kaotiska aktiviteter, vilket kan ge ny inblick i effekterna av mindfulness-träning på centrala och perifera Nervsystem.
Denna EEG-studie ger konkreta bevis för att, jämfört med normal vila, förbättrar MBSR-uppmärksam andning alfabuljorna i front- och occipitalloberna. Detta stämmer överens med majoriteten av rapporterna om ökade alfavågor under meditation, särskilt hos nybörjare 21 . Alfa vågor brukar indikera ett tillstånd av upphetsning och vaksamhet och frihet från en viss uppgift. Ett sådant mentalt tillstånd är ett av målen med meditation; Det vill säga, hålla sinnet rent och skarpt, fritt från antingen snygga flygningar eller somna. Den förbättrade alfavågsynkroniseringen under MBSR-övningen kan också förbättra samordningen mellan sinne och kropp 22 .
De elektroniska aktiviteterna hos det stora antalet neuroner i hjärnan utgör ett olinjärt hierarkiskt system, och dess oegentlighet kan väl mätas av entropi 8 . Vi fann att under MBSR-övning, oregelbundenheten hos hjärnelektronOniska aktiviteter minskade över en stor del av hårbotten EEG, speciellt i främre polen och bilaterala occipital hjärnregioner. Ytterligare källanalys av wavelet entropi visade att oregelbundenheten av occipital och precuneus aktiviteter reducerades under MBSR-praxis. Andra områden som är inblandade inkluderar höger-mellersta cingulate och den överlägsen temporal lobe. Detta stämmer överens med en annan studie som indikerar att gråmaterialet ökar i precuusen efter MBSR-träning 23 . Avancerade meditationsexperter har vanligtvis högre parieto-occipitala EEG-gammavågor under icke-snabb ögonrörelse sömn 1 . Ett viktigt inslag i MBSR-träning är att inte bedöma hjärnans informationsflöde. Detta kan eventuellt minska oregelbundenheten hos hjärnans aktiviteter. Eftersom en viktig informationskälla i hjärnan är den visuella cortexen är det troligt att de synrelaterade hjärnregionerna påverkas mer av MBSR-övning än andra regionerns. Detta gör det möjligt för sinnet att bli mindre mottagligt för irrelevant information och att ägna mer uppmärksamhet åt uppmärksam andning.
Wavelet entropi-analys visade mindre oregelbundenhet av hjärtfrekvensen vid uppmärksam andning jämfört med det normala vilodetillståndet, vilket innebär en mer förfinad balans i det autonoma nervsystemet på grund av relativt oväsentliga interaktioner mellan parasympatiska och sympatiska toner. Mindful andning kan också påverka hjärtfrekvensen, eftersom lungens sensoriska afferenter skickar hämmande projicer till hjärtsvagmotoriska neuroner i mitten av hjärnan, vilket hämmar hjärtfrekvensen via vagusnerven 24 . Den kardiorespiratoriska interaktionen medieras av hjärnstammen och det limbiska systemet i hjärnan 25 . Med tanke på sambandet mellan centrala nervsystemet och hjärtaktiviteten är det troligt att, genom att träna sinnet, kan MBSR eller andra meditationspraxis också påverka andra kroppsfunktioner, såsomÅterställa baroreflex-känsligheten, förbättra gasutbyteseffektiviteten i lungorna och balansera det autonoma nervsystemet 26 .
Sinn-kroppsanslutningen betonas i många östra traditioner. I detta avseende ger vår studie det första objektiva beviset när det gäller entropi. Oegentligheterna i hjärnans och hjärtaaktiviteten blev mer samordnade under MBSR-övningen, och samordningen var störst i de bilaterala somatosensoriska regionerna. Denna region har direkt ansvar för kroppens sensoriska ingång och rörelse, och denna ökade koordinering innebär större kroppsmedvetenhet under MBSR-träning. Mindfulness-utbildning visade sig öka aktiviteten hos de viscerosomatiska områdena i en funktionell MR-studie, som har bättre rumsupplösning än EEG 27 . Våra resultat tyder på att hjärnan och hjärtat kan bli mer involverade under MBSR-övning, avlastning av onödig entropi i systemet <s Up class = "xref"> 28. Eftersom hjärtslaget regleras av det autonoma nervsystemet, varvid den autonoma tonen moduleras av interaktionerna mellan ganglionen; Sino-auricular nod; Vagus nerver; Och högre ordning hjärnstrukturer, såsom medulla oblongata, insula och limbic systemet, kan de autonoma och centrala nervsystemet väl bli mer samordnade under MBSR praktiken.
Ett viktigt steg i en studie som vår är att välja rätt entropiindex för att mäta oegentligheten hos EEG och EKG. Till skillnad från Renu Madhavi et al ., Som använde ungefärlig entropi 29 , har vi valt att använda wavelet entropi för att fokusera på komplexiteten bland energierna i olika skalaer. Eftersom hjärnans elektroniska aktiviteter härstammar från ett stort antal neuroner som har olika egenskaper i olika skalor och spektrum, bör wavelet entropi vara mer lämplig för att mäta EEG-oegentligheten> 30. Likaså har momentant hjärtfrekvens också olika egenskaper under olika tidsskala, så det är rimligt att tillämpa wavelet entropi på EKG 31 . Dessutom är Shannon entropi och approximativ entropi känsliga för provtagningsfrekvensen, och ungefärlig entropi kräver stora beräkningstider som ökar exponentiellt med datalängd, detta förutom beräkningen i källrummet.
Flera begränsningar av den aktuella studien är värda att notera. För det första är den rumsliga upplösningen av hårbotten EEG relativt fattig trots sin höga temporala upplösning. För att ta itu med detta användes källanalys i vår studie. EEG-källkonstruktion är ett felaktigt problem, och ett alternativt tillvägagångssätt är att ha rumsliga priorier från tidigare funktionella magnetiska resonansbildningsstudier (fMRI), vilket kan bidra till att förbättra rekonstruktionsnoggrannheten 32 , 33 . En annan begränsning är tHatten koordinerades mellan hjärnans och hjärtans aktiviteter bedömdes mellan ämnen; Samordning inom ämnet är kvar för framtida studier. Dessutom är entropin av EKG inte härledd direkt från EKG-signalen, utan snarare från hjärtfrekvensintervallet eftersom EKG-amplituden kan påverkas starkt av elektrodpositionen och hudimpedansen och således inte är jämförbar mellan subjekt.
Tidigare studier utförde vanligtvis en spektrumanalys av EEG-signalen, avvisande oregelbundenhet i EEG som brus. Däremot föreslår vi att använda wavelet entropi som ett känsligare index för att mäta hjärnans kaotiska elektroniska aktiviteter som en återspegling av sinnet. Den föreslagna metoden ger objektivt bevis för det traditionella antagandet att sinnet och hjärtat samordnas mer under meditation.
Eftersom wavelet entropi kan övervaka meditationstillståndet ganska noggrant, kan det användas i mentaltrainenNg-fält, precis som entropi används i klinisk praxis för att mäta narkosnivå under operationen. Med hjälp av ett index som liknar wavelet entropi kan trådlösa EEG-enheter användas för att enkelt övervaka en persons dagliga meditationspraxis eller annan mental träning för utbildningsändamål. Men eftersom en trådlös EEG normalt bara kan mäta kanalerna stabilt i pannan, måste vi undersöka om dessa kanaler är känsliga nog att övervaka sinnesstämningen.
De kritiska stegen i denna procedur innefattar att hålla hudimpedansen för varje elektrod låg för bättre signalkvalitet och mindre ljud; Korrekt och korrekt genomförande av MBSR-träning Säkerställa ett gott, icke-trött mentalt tillstånd före experimentet, eftersom meditation kräver stor energi; Välja rätt entropiindex (wavelet entropy); Och är bekant med SPM-källanalys av EEG-data.
The authors have nothing to disclose.
Denna studie stöddes av SPF-201209176152-fonden vid University of Hong Kong. Vi tackar Dr Helen Ma för att undervisa kursen och rekrytera MBSR-deltagare.
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 |