Utilizzare l'entropia di Wavelet per dimostrare come la pratica di consapevolezza aumenta il coordinamento tra attività cerebrale irregolare e cardiache
Summary
Questo manuale descrive come utilizzare l'indice di entropia wavelet per analizzare dati elettroencefalografici ad alta densità (EEG) e elettrocardiografia (ECG). Mostriamo che l'irregolarità delle attività cerebrali e cardiache è diventata più coordinata durante la pratica di riduzione dello stress basato sulla mentalità.
Abstract
In entrambi l'Oriente e l'Occidente, gli insegnamenti tradizionali dicono che la mente e il cuore sono in qualche modo strettamente correlati, soprattutto durante la pratica spirituale. Una difficoltà a dimostrarlo in modo oggettivo è che le nature delle attività del cervello e del cuore sono molto diverse. In questo articolo si propone una metodologia che utilizza l'entropia del wavelet per misurare i livelli caotici di dati di elettroencefalogramma (EEG) e di elettrocardiogramma (ECG) e mostrare come questo possa essere utilizzato per esplorare il potenziale coordinamento tra la mente e il cuore in condizioni sperimentali differenti . Inoltre, è stata utilizzata la mappatura parametrica statistica (SPM) per identificare le regioni del cervello in cui l'entropia del wavelet di EEG è stata la più influenzata dalle condizioni sperimentali. Come illustrazione, l'EEG e l'ECG sono stati registrati in due differenti condizioni (riposo normale e respirazione mentale) all'inizio di un corso di formazione a 8 anni di base basato su Mindfulness (MBSR) e dopo la cOurse (posttest). Utilizzando il metodo proposto, i risultati hanno dimostrato costantemente che l'entropia del wavelet del cervello EEG è diminuita durante lo stato di respirazione mentale MBSR rispetto a quella durante lo stato di riposo di un occhio chiuso. Allo stesso modo, una entropia inferiore di wavelet di heartrate è stata trovata durante MBSR respirazione mentale. Tuttavia, nessuna differenza nell'entropia dei wavelet durante respiratori mentali MBSR è stata trovata tra il pretest e il posttest. Nessuna correlazione è stata osservata tra l'entropia delle onde cerebrali e l'entropia del cuore durante il normale riposo in tutti i partecipanti, mentre una correlazione significativa è stata osservata durante la respirazione mentale MBSR. Inoltre, le regioni del cervello più correlate si trovavano nelle aree centrali del cervello. Questo studio fornisce una metodologia per la creazione di prove che la pratica di consapevolezza ( ossia, la respirazione mentale) può aumentare il coordinamento tra attività mentale e cuore.
Introduction
Con i progressi nella neuroscienza e nella medicina 1 , siamo in una posizione molto migliore per comprendere i benefici non farmacologici della consapevolezza e della meditazione sulle malattie mentali e fisiche. Numerosi studi hanno dimostrato che la formazione di riduzione dello stress basato su Mindfulness (MBSR) come una sorta di esercizio mentale può attivamente ridurre lo stress non necessario nella mente e nel corpo 2 . Durante la pratica della meditazione, il corpo e la mente possono diventare più entusiasti. Questi temi hanno attirato l'interesse della comunità accademica e del grande pubblico e ci hanno motivato a progettare una metodologia per esplorare il potenziale coordinamento tra la mente e il corpo (o più specificamente, tra il cervello e il cuore) in condizioni diverse per valutare l'effetto Della formazione e della pratica MBSR.
L'irregolarità degli elettroencefalogrammi (EEG) è di solito considerata rumore nell'analisi classica di spettro EEG, bUt può contenere informazioni utili e può essere misurata mediante entropia del segnale. L'entropia di EEG è stata utilizzata come indice di condizioni cliniche come l'epilessia, la malattia di Alzheimer e l'anestesia, e alcune prove suggeriscono che l'entropia dell'EEG può essere una misura più sensibile per il monitoraggio degli stati del cervello rispetto alla tradizionale analisi del spettro EEG 3 , 4 . L'entropia è stata da tempo utilizzata in termodinamica come indice per descrivere lo stato caotico di un sistema. Le onde cerebrali misurate dall'EEG sono noti per la loro attività dinamica a causa delle reti cerebrali che operano tra ordine e caos 5 . Tra i vari tipi di entropie, l'entropia del wavelet offre un metodo per calcolare l'entropia delle energie in diverse scale di osservazione, che è adatto per analizzare i segnali EEG con caratteristiche molto variabili in diverse scale. Per un segnale completamente casuale, le energie relative a differenti livelli di risoluzione saranno ilLo stesso, e l'entropia raggiungerà il suo massimo. Quindi, l'entropia del wavelet funge da misura di attività caotiche in EEG e può essere usata come indice per differenziare stati diversi della mente 6 .
Precedenti studi sull'elettrocardiogramma (ECG) fornivano una prova coerente dei cambiamenti della meditazione nella variabilità cardiaca rispetto agli stati di pre-meditazione 7 . Il battito cardiaco è regolato dal sistema nervoso autonomo (compreso il simpatico e parasimpatico). Il tono autonomo è modulato dalle interazioni tra il ganglio; Nodo sino-auricolo; Nervi vagus; E le strutture cerebrali di ordine superiore, come l'oblongata medulla, l'insula e il sistema limbico. Queste strutture formano un sistema gerarchico e la sua attività non lineare può essere misurata attraverso l'entropia 8 . Ad esempio, le esplosioni neurali nelle strutture cerebrali di ordine superiore possono influenzare il ritmo cardiaco 9 .Nelle condizioni cliniche, i disturbi cerebrali come crisi epilettiche interferiscono con il ritmo cardiaco 10 . La ricerca sulla neurocardiologia suggerisce anche una stretta collaborazione tra il cuore e il cervello 11 .
Una difficoltà nell'esaminare l'associazione tra i segnali del cervello e del cuore è che sono piuttosto differenti nel contenuto del segnale e nella scala temporale. Di conseguenza, una grande sfida consiste nell'individuare una misura comune non solo applicabile ai segnali del cervello e del cuore, ma anche significativa per l'interpretazione nel contesto del coordinamento mentale-corpo. In questo articolo proponiamo l'uso dell'entropia dei wavelet per individuare il possibile coordinamento tra irregolarità nelle attività del cervello e del cuore, correlando le entropie dell'EEG e dei segnali del battito cardiaco, che possono poi essere valutati mediante un esperimento MBSR.
Poiché MBSR coinvolge la pratica di consapevolezza sia nel corpo che nella mente, ipotizziamo che la MBSR mentale respiri prActice può influenzare non solo l'attività del cervello, ma anche il battito cardiaco. Studi precedenti studiarono principalmente l'effetto della formazione e / o della pratica della mente sul cervello o sul cuore separatamente e basati su aspetti diversi; Le modifiche simultanee in questi due sistemi strettamente correlati rimangono in gran parte inesplorate. Solo pochi studi hanno segnalato un migliore coordinamento del corpo e della mente dopo la formazione di consapevolezza 12 . Utilizzando la metodologia proposta, i risultati rappresentativi e uno studio precedente 13 hanno mostrato che la formazione di attenzione di MBSR può aumentare il coordinamento del corpo e della mente in termini di attività caotiche, che possono offrire una nuova visione degli effetti della formazione di consapevolezza sul sistema centrale e periferico Sistemi nervosi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo studio EEG fornisce prove concreti che, rispetto al resto normale, la respirazione mentale MBSR migliora le onde alfa nei lobi frontali e occipitali. Questo è in linea con la maggior parte delle segnalazioni sulle onde alfa aumentate durante la meditazione, specialmente nei principianti 21 . Le onde alfa indicano solitamente uno stato di eccitazione e di vigilanza e di libertà da qualsiasi compito specifico. Questo stato mentale è uno degli obiettivi della meditazione; Cioè, mantenendo la mente pulita e nitida, libera da voli di fantasia o da addormentarsi. La sincronia aumentata dell'onda alfa durante la pratica MBSR può anche migliorare il coordinamento tra mente e corpo 22 .
Le attività elettroniche del vasto numero di neuroni nel cervello costituiscono un sistema gerarchico non lineare e la sua irregolarità può essere misurata con precisione dall'entropia 8 . Abbiamo scoperto che durante la pratica MBSR, l'irregolarità del cervello elettrLe attività oniche sono diminuite su gran parte del cuoio capelluto EEG, soprattutto nel polo frontale e nelle regioni bilaterali occipitali del cervello. L'ulteriore analisi della fonte di entropia del wavelet ha mostrato che l'irregolarità delle attività occipitali e precarie si è ridotta durante la pratica MBSR. Altre aree coinvolte includono il cingolo destro-centrale e il lobo temporale superiore. Questo è in linea con un altro studio che indica che la materia grigia aumenta nel precuneo dopo la formazione MBSR 23 . I praticanti di meditazione avanzati hanno solitamente più alti livelli di onde EEG parieto-occipitali durante il sonno 1 a movimento non rapido. Una caratteristica importante della formazione MBSR è quella di non essere giustificativi del flusso di informazioni di mente / cervello. Ciò potrebbe potenzialmente ridurre l'irregolarità delle attività cerebrali. Poiché una fonte di informazioni principale nel cervello è la corteccia visiva, è plausibile che le regioni del cervello relative al viso siano maggiormente colpite dalla pratica MBSR rispetto ad altre regionins. Ciò consente alla mente di diventare meno sensibili alle informazioni irrilevanti e di prestare maggiore attenzione alla respirazione mentale.
L'analisi di entropia di Wavelet ha mostrato meno irregolarità di heartrate durante la respirazione mentale rispetto allo stato di riposo normale, il che implica un equilibrio più raffinato del sistema nervoso autonomo a causa di interazioni relativamente inconfondibili tra toni parasimpatici e simpatici. La respirazione consapevole può anche influire sul heartrate perché gli afferenti sensoriali del polmone inviano proiezioni inibitori ai neuroni motori vagali cardiaci nel mid-brain, che inibiscono il cuore attraverso il nervo vagus 24 . L'interazione cardiorespiratoria è mediata dal sistema cerebrale e dal sistema limbico nel cervello 25 . Data la connessione tra il sistema nervoso centrale e l'attività cardiaca, è plausibile che, allenando la mente, MBSR o altre pratiche di meditazione possono influenzare anche altre funzioni del corpo, qualiResettando la sensibilità baroreflex, migliorando l'efficienza di scambio dei gas nei polmoni e bilanciando il sistema nervoso autonomo 26 .
Il collegamento corpo-corpo è sottolineato in molte tradizioni orientali. A questo proposito, il nostro studio fornisce la prima prova oggettiva in termini di entropia. Le irregolarità delle attività cerebrali e cardiache sono diventate più coordinate durante la pratica MBSR e il coordinamento è stato più grande nelle regioni somatosensoriali bilaterali. Questa regione è direttamente responsabile dell'entrata e del movimento sensoriali del corpo e questo maggiore coordinamento implica una maggiore consapevolezza del corpo durante la pratica MBSR. La formazione di consapevolezza è stata accertata per aumentare le attività delle aree viscerosomatiche in uno studio MRI funzionale, che ha una migliore risoluzione spaziale rispetto a EEG 27 . I nostri risultati suggeriscono che il cervello e il cuore possano entrare maggiormente durante la pratica MBSR, scaricando l'entropia inutile nel sistema <s Up class = "xref"> 28. Poiché il battito cardiaco è regolato dal sistema nervoso autonomo, in cui il tono autonomo è modulato dalle interazioni tra il ganglio; Nodo sino-auricolo; Nervi vagus; E le strutture cerebrali di ordine superiore, come l'oblongata medulla, l'insula e il sistema limbico, i sistemi nervosi autonomi e centrali possono diventare più coordinati durante la pratica MBSR.
Un passo importante in uno studio come quello del nostro è quello di scegliere l'indice di entropia giusto per misurare l'irregolarità dell'EEG e dell'ECG. A differenza di Renu Madhavi et al ., Che ha utilizzato entropia approssimativa 29 , abbiamo scelto di utilizzare l'entropia wavelet per concentrarsi sulla complessità tra le energie in diverse scale. Poiché le attività elettroniche cerebrali provengono da un vasto numero di neuroni che presentano caratteristiche diverse in diverse scale e spettri, l'entropia del wavelet dovrebbe essere più adatta per misurare l'irregolarità dell'EEG> 30. Allo stesso modo, la frequenza cardiaca istantanea ha anche caratteristiche diverse in diverse scale temporali, quindi è ragionevole applicare l'entropia del wavelet all'ECG 31 . Inoltre, l'entropia di Shannon e l'entropia approssimativa sono sensibili alla frequenza di campionamento e l'approssimazione dell'entropia richiede grandi tempi di calcolo che aumentano esponenzialmente la lunghezza dei dati, in aggiunta al calcolo nello spazio di origine.
Vale la pena notare diverse limitazioni dello studio in corso. In primo luogo, la risoluzione spaziale del cuoio capelluto EEG è relativamente scarsa, nonostante la sua alta risoluzione temporale. Per risolvere questo problema, nel nostro studio è stata applicata un'analisi di origine. La ricostruzione di origine EEG è un problema malato e un approccio alternativo è quello di avere dei priori spaziali dai precedenti studi di resonance magnetici (fMRI) funzionali, che possono contribuire a migliorare l'accuratezza della ricostruzione 32 , 33 . Un'altra limitazione è tIl coordinamento tra attività cerebrale e cardiaca è stato valutato tra soggetti; Il coordinamento all'interno del soggetto è lasciato agli studi futuri. Inoltre, l'entropia dell'ECG non deriva direttamente dal segnale ECG, ma piuttosto dall'intervallo cardiaco, in quanto l'ampiezza dell'ECG può essere fortemente influenzata dalla posizione dell'elettrodo e dall'impedenza cutanea e quindi non è comparabile tra i soggetti.
Precedenti studi di solito hanno effettuato un'analisi dello spettro del segnale EEG, smantellando l'irregolarità in EEG come rumore. Al contrario, proponiamo di utilizzare l'entropia wavelet come indice più sensibile per misurare le attività elettroniche caotiche del cervello come riflesso dello stato mentale. La metodologia proposta fornisce una prova oggettiva dell'assunto tradizionale che la mente e il cuore sono più coordinati durante la meditazione.
Poiché l'entropia del wavelet può monitorare la condizione di meditazione abbastanza sensibilmente, può essere utilizzata nei traini mentaliNg, proprio come l'entropia è usata nella pratica clinica per misurare il livello di anestesia durante l'intervento chirurgico. Utilizzando un indice analogo all'entropia del wavelet, i dispositivi EEG wireless possono essere usati per monitorare convenientemente la pratica di meditazione quotidiana di un individuo o un'altra formazione mentale per scopi educativi. Tuttavia, poiché un EEG di solito può solamente misurare stabili i canali sulla fronte, dobbiamo esaminare se questi canali sono sufficientemente sensibili per controllare lo stato d'animo.
Le fasi critiche di questa procedura includono la tenuta dell'impedenza cutanea per ogni elettrodo basso per una migliore qualità del segnale e meno rumore; Adeguatamente e correttamente condotta la formazione MBSR; Assicurando uno stato mentale buono e non affaticato prima dell'esperimento, poiché la meditazione richiede grande energia; Scegliendo l'indice di entropia corretto (entropia wavelet); E conoscere l'analisi di origine SPM dei dati EEG.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato sostenuto dal fondo SPF-201209176152 presso l'Università di Hong Kong. Ringraziamo la dottoressa Helen Ma per insegnare il corso e reclutare i partecipanti MBSR.
Materials
| 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 |
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