Наукові звіти про контроль за відсутністю судом за допомогою інтерфейсу мозку

Предмети

Анотація

Вступ

Двосторонні генералізовані спайкові та хвильові розряди (SWD), що є електрофізіологічною ознакою відсутності епілепсії, утворюються в межах кортико-таламо-кортикальної мережі 1,2,3. Довгий час вважалося, що SWD непередбачувані і раптово виникають із звичайного фонового ЕЕГ 4. Однак офлайн-аналіз наявних наборів даних ЕЕГ за допомогою передових методів мережевого аналізу виявив внутрішньокіркові та кортико-таламо-кортикальні зміни в мережевій активності, які можна було виявити за 2 секунди до початку SWD 5, 6. SWD також передують короткочасні дельта-тета-попередники в корі та таламусі 7. У цій роботі ми представляємо новий алгоритм прогнозування припадків SWD/відсутність, який в реальному часі оцінює зміни синхронізму між корою та таламусом, які передбачають SWD.

За 0,5 секунди (II) до настання SWD означало, що SWD ось-ось почнеться. Це збільшення енергії вейвлетів відбулося в смузі частот 5–10 Гц (еквівалентний часовий масштаб 0,1–2,2 Гц -1, Δ 1), що означає, що спектральна складова цього ЕЕГ-сигналу починає синхронізуватися між корковими шарами, а також між корою та таламусом.

(a) Набір записів ЕЕГ, зроблених із субгранулярних шарів 4 (Ctx4) та 5 (Ctx5) соматосенсорної кори та заднього/бічного ядра таламуса (PO). () Енергія вейвлет-перетворення, що відповідає показаним вище ЕЕГ-сигналам і розподіляється в діапазоні часових шкал = 1 /f, де f - лінійна частота. (c) Отримана поверхня \ (W (s, t) = ^ <> _(s, t) \). Коливальний малюнок, що виникає до настання SWD, який вважається попередником SWD, оточується. (d) Моментальний розподіл енергії вейвлету в діапазоні 5–10 Гц, прийнятий протягом 4 секунд (I) і

0,5 секунди (II) до початку SWD. Лівий малюнок показує, що за 4 секунди до початку SWD лише ЕКГ кортикальної зони виявляють локальну синхронізацію в смузі попередника (тобто місцеве збільшення енергії з'являється на частоті

7 Гц). Енергії вейвлетів коркових ЕЕГ демонструють синхронізоване збільшення (тобто лінії вирівняні одна до одної), тоді як енергія вейвлетів таламічної ЕЕГ не (тобто лінія таламуса зміщена відносно інших). Правий малюнок показує, що при

За 0,5 секунди до початку SWD енергія вейвлету збільшується для всіх трьох каналів. (e) Відсоток передбачених та виявлених SWD протягом 4-годинного запису першої групи з шести щурів WAG/Rij. Пам'ятайте, що жоден SWD не залишався невизначеним за допомогою цього (першого) алгоритму, SWD, які не були передбачені, були швидко виявлені; Кількість помилкових спрацьовувань у різних станах настороженості. Для кожного щура та кожного стану настороженості в кожному записі випадковим чином було обрано 5 сегментів тривалістю 50 секунд для кількісного визначення кількості помилкових тривог.

Ефективність прогнозування нападів алгоритму оцінювали за допомогою ЕЕГ (тривалістю чотири години) щурів WAG/Rij, добре перевіреної генетичної моделі тварини з відсутністю епілепсії, оскільки вони переживають кілька сотень спонтанно виникаючих SWD на день. Вони супроводжуються м’яким міоклонусом обличчя у нерухомої тварини 8. Було виявлено, що алгоритм правильно прогнозував у середньому 88% SWD (діапазон 80–100%), тоді як решта SWD були (рано) виявлені (рис. 1д). Помічено велику кількість хибнопозитивних прогнозів; вони в основному відбувались під час легкого повільного сну, стану настороженості, при якому нейрони дещо гіперполяризовані і мають високий ризик розвитку судом 9. Лише декілька помилкових тривог генерувались під час активного неспання, пасивного неспання та глибокого повільного сну (рис. 1д).

Алгоритм був розширений для того, щоб зменшити кількість помилкових спрацьовувань. Розширення базувалося на одночасному врахуванні енергій вейвлетів двох інших смуг частот, пов’язаних із синхронізованою мозковою діяльністю: \ (>> __> \) (7–20 Гц, діапазон веретен сну, які у щурів мають широкий спектр частот) та \ (> _ \) (діапазон низькочастотних коливань (дельта високої (3–5) Гц, легкий повільний сон)). Прекурсори тепер були автоматично виявлені за допомогою набору логічних умов (детально див. розділ «Методи» та додаткову мал. 3). Це призвело до значного зменшення частоти помилкових тривог на 83% (± 3,3%) ((F (1,10) = 321,35, p Рисунок 2

Ця остання версія алгоритму була згодом реалізована в системі стимуляції глибокого мозку із замкнутим циклом. У цій системі ЕЕГ вільно переміщуються щурів WAG/Rij, записані з двох ділянок кори і таламуса, подавались через підсилювач до системи збору даних. ЕЕГ аналізували з точки зору синхронності в реальному часі за допомогою алгоритму прогнозування. Щоразу, коли рівень синхронності перевищував попередньо встановлене порогове значення, і були задоволені два інші критерії (детальніше див. Розділи «Методи»), у вільному каналі системи збору встановлювали маркер, а стимулятор постійного струму спрацьовував для подачі низької інтенсивності 1 сек. Імпульсного руху 130 Гц до щура (рис. 2а, б). Попередньо встановлене порогове значення виявлення було визначено для кожного окремого щура і коливалось від 0,10 до 0,40 (див. Розділ «ЕЕГ-запис та обробка» для деталей щодо визначення порогу виявлення).

Ми припустили, що імпульсна послідовність 130 Гц повинна запобігати SWD. Це припущення базувалося на нашій попередній роботі, в якій було встановлено, що цей імпульсний механізм був досить ефективним (близько 90%) у перериванні увімкнених SWD 10. Порівняння активності SWD між одночасним початковим записом, при якому не застосовували стимуляцію, та активністю SWD протягом одногодинного сеансу стимуляції показало, що активність SWD знизилася на 72 ± 10% (F (1,5) = 48,52, p 8 Крім того, в записах ЕЕГ тварин під час або після стимуляції не спостерігалося жодного іншого виду аберрантної активності, а враховуючи низьку інтенсивність електричної стимуляції для запобігання та порушення SWD та відносних коротких стимуляційних поїздів, ми припускаємо, що цей тип стимуляції можна вважати відносно безпечною стратегією втручання.