Электроэнцефалографическая огибающая сна как нейронный биомаркер

Введение в исследование ЭЭГ огибающей сна

Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) сна представляет собой непрерывный сигнал, отражающий электрическую активность мозга, а ее спектр показывает относительный вклад различных частот в итоговую форму волны. В отличие от этого, огибающая ЭЭГ сна оценивает мгновенную амплитуду сигнала (обычно после фильтрации до интересующих частот), а ее спектр оценивает периодичность всей ограниченной по полосе активности. Другими словами, спектр огибающей оценивает типичный ритм, с которым амплитуда сигнала на определенных частотах увеличивается и уменьшается.

Методология исследования

Участники и сбор данных

В исследовании 1 использовались данные инвазивной ЭЭГ 13 пациентов с лекарственно-устойчивой эпилепсией. Все процедуры были одобрены этическими комитетами, пациенты дали информированное согласие. В исследовании 2 использовались данные скальповой ЭЭГ 176 здоровых участников (средний возраст 29.8 лет) из многоцентровой базы данных.

Обработка и анализ сигналов

ЭЭГ данные обрабатывались с использованием оригинального метода сталкивающихся окон, который обеспечивал оптимальное использование данных при наличии артефактов. Спектральная плотность мощности (PSD) огибающей оценивалась с помощью дискретного преобразования Фурье в скользящих 100-секундных окнах.

Основные результаты

Связь с нейронной активностью

В исследовании 1 продемонстрировано, что огибающая поверхностного ЭЭГ сигнала отражает patterns нейронного firing во всех частотных диапазонах. Наблюдались различные patterns связи в зависимости от частотного диапазона: в дельта-тета диапазонах множественная unit активность (MUA) была最低 во время или сразу после пика огибающей, в то время как в сигма-гамма диапазонах MUA была最高 во время восходящих фаз огибающей.

Надежность измерений

Спектр огибающей ЭЭГ показал высокую внутрииндивидуальную стабильность в NREM сне (надежность чет-нечет: 0.886) и умеренную в REM сне (0.513). Надежность была самой высокой для среднечастотных ЭЭГ диапазонов (альфа и низкая сигма).

Демографические корреляции

Спектр огибающей значимо ассоциировался с возрастом и полом, но не с общими когнитивными способностями. Старший возраст ассоциировался с уменьшением низкочастотных oscillations мощности ЭЭГ частот и увеличением высокочастотных oscillations.

Мультивариативный анализ

С использованием elastic net регрессии возраст мог быть предсказан с точностью r=0.616 по данным NREM сна, пол - с точностью r=0.447. Корреляция между предсказанным и фактическим IQ была низкой (r=0.151).

Обсуждение результатов

Наши результаты демонстрируют, что периодичность fluctuations амплитуды в ЭЭГ сна, отражаемая огибающей, является перспективным человеческим биомаркером. Она отражает fluctuations в нейронном firing, высоконадежна и сильно ассоциирована со старением.

Ограничения исследования

Использование single IME на пациента ограничивало запись нейронного firing очень ограниченной cortical area. Наличие только одной ночи измерения у здоровых individuals ограничило оценку надежности within-night данными.

Заключение

Спектр огибающей ЭЭГ сна представляет собой novel, основанный на нейронном firing человеческий биомаркер, обладающий значительным потенциалом для исследования возрастных изменений и индивидуальных различий в нейронной функции.