Este manuscrito descreve como usar o índice de entropia wavelet para analisar dados de eletrencefalografia de alta densidade (EEG) e eletrocardiograma (ECG). Mostramos que a irregularidade das atividades cerebrais e cardíacas se tornou mais coordenada durante a prática de redução do estresse baseada na atenção plena.
Tanto no Oriente quanto no Ocidente, os ensinamentos tradicionais dizem que a mente eo coração estão de alguma forma estreitamente correlacionados, especialmente durante a prática espiritual. Uma dificuldade em provar isso objetivamente é que as naturezas das atividades do cérebro e do coração são bem diferentes. Neste artigo, propomos uma metodologia que utiliza a entropia wavelet para medir os níveis caóticos dos dados do eletroencefalograma (EEG) e do eletrocardiograma (ECG) e mostrar como isso pode ser usado para explorar a coordenação potencial entre a mente eo coração sob diferentes condições experimentais . Além disso, o mapeamento estatístico paramétrico (SPM) foi utilizado para identificar as regiões cerebrais em que a entropia wavelet EEG foi a mais afetada pelas condições experimentais. Como ilustração, o EEG eo ECG foram registrados sob duas condições diferentes (repouso normal e respiração consciente) no início de um curso padrão de 8 semanas de redução de estresse baseado em Mindfulness (MBR) (pré-teste) e após o cOurse (pós-teste). Utilizando o método proposto, os resultados mostraram consistentemente que a entropia wavelet do EEG do cérebro diminuiu durante o estado de respiração consciente MBSR quando comparada com aquela durante o estado de repouso dos olhos fechados. Similarmente, uma entropia wavelet inferior do heartrate foi encontrada durante a respiração consciente MBSR. No entanto, não houve diferença na entropia wavelet durante MBSR respiração consciente foi encontrado entre o pré-teste e pós-teste. Não houve correlação entre entropia de ondas cerebrais e entropia de heartrate durante o repouso normal em todos os participantes, enquanto que uma correlação significativa foi observada durante MBSR respiração consciente. Além disso, as regiões cerebrais mais bem correlacionadas foram localizadas nas áreas centrais do cérebro. Este estudo fornece uma metodologia para o estabelecimento da evidência que a prática do mindfulness ( isto é, a respiração consciente) pode aumentar a coordenação entre atividades da mente e do coração.
Com os avanços em neurociência e medicina 1 , estamos em uma posição muito melhor para entender os benefícios não-farmacológicos da atenção plena e meditação em doenças mentais e físicas. Numerosos estudos têm demonstrado que Mindfulness-based Stress Reduction (MBSR) formação como um tipo de exercício mental pode ativamente reduzir estresse desnecessário na mente e no corpo 2 . Durante a prática da meditação, o corpo ea mente podem tornar-se mais arrastados. Essas questões têm atraído o interesse da comunidade acadêmica e do público em geral e nos motivaram a desenvolver uma metodologia para explorar a coordenação potencial entre mente e corpo (ou mais especificamente, entre o cérebro e o coração) sob diferentes condições para avaliar o efeito Treinamento e prática de MBSR.
A irregularidade dos eletroencefalogramas (EEG) é geralmente considerada como ruído na análise do espectro EEG convencional, bPode conter informações úteis e pode ser medido por entropia de sinal. A entropia EEG tem sido usada como um índice de condições clínicas como epilepsia, doença de Alzheimer e anestesia, e algumas evidências sugerem que a entropia do EEG pode ser uma medida mais sensível para monitorar os estados cerebrais do que a análise tradicional do espectro EEG 3 , 4 . A entropia tem sido usada há muito tempo na termodinâmica como um índice para descrever o estado caótico de um sistema. As ondas cerebrais medidas pelo EEG são conhecidas por sua atividade dinâmica devido às redes cerebrais que operam entre ordem e caos 5 . Entre os vários tipos de entropia, entropia wavelet oferece um método para calcular a entropia de energias sob diferentes escalas de observação, o que é bem adequado para a análise de sinais EEG com características altamente variadas em diferentes escalas. Para um sinal completamente aleatório, as energias relativas em diferentes níveis de resolução serãoMesmo, ea entropia atingirá seu máximo. Assim, a entropia wavelet serve como uma medida de atividades caóticas em EEG e pode ser usado como um índice para diferenciar diferentes estados mentais 6 .
Estudos anteriores de eletrocardiograma (ECG) forneceram evidências consistentes de mudanças relacionadas à meditação na variabilidade do heartrate quando comparado aos estados pré-meditação 7 . Os batimentos cardíacos são regulados pelo sistema nervoso autónomo (incluindo o simpático e parassimpático). O tom autonômico é modulado pelas interações entre o gânglio; Sino-auricular nó; Nervos vago; E estruturas cerebrais de ordem superior, como a medula oblonga, a ínsula e o sistema límbico. Essas estruturas formam um sistema hierárquico, e sua atividade não-linear pode ser medida através da entropia 8 . Por exemplo, as explosões neurais em estruturas cerebrais de ordem superior podem influenciar o ritmo do heartrate 9 .Em condições clínicas, distúrbios cerebrais como convulsões epilépticas interrompem o ritmo cardíaco 10 . Neurocardiologia investigação também sugere uma estreita interação entre o coração eo cérebro [ 11] .
Uma dificuldade em examinar a associação entre sinais cerebrais e cardíacos é que eles são muito diferentes no conteúdo de sinal e escala de tempo. Por isso, um grande desafio é identificar uma medida comum que não é aplicável apenas aos sinais cerebrais e cardíacos, mas também significativa para a interpretação no contexto da coordenação mente-corpo. Neste artigo, propomos o uso da entropia wavelet para detectar a possível coordenação entre as irregularidades no cérebro e as atividades cardíacas, correlacionando as entropias dos sinais EEG e heartbeat, que podem ser avaliadas por meio de uma experiência MBSR.
Porque MBSR envolve a prática da atenção plena no corpo e na mente, nós hipotetizamos que MBSR respiração consciente prPode afetar não apenas a atividade cerebral, mas também o batimento cardíaco. Estudos anteriores investigaram principalmente o efeito do treinamento e / ou prática da atenção plena no cérebro ou no coração separadamente e com base em diferentes aspectos; As mudanças simultâneas nesses dois sistemas estreitamente relacionados permanecem em grande parte inexploradas. Apenas alguns estudos relataram melhor coordenação do corpo e da mente após o treinamento com atenção plena 12 . Utilizando a metodologia proposta, os resultados representativos e um estudo anterior 13 mostraram que o treinamento MBSR de atenção plena pode aumentar a coordenação do corpo e da mente em termos de suas atividades caóticas, o que pode oferecer uma nova visão sobre os efeitos do treinamento mindfulness no centro e periféricos Sistema nervoso.
Este EEG estudo fornece evidência concreta de que, em comparação com o resto normal, MBSR respiração consciente aumenta as ondas alfa nos lobos frontal e occipital. Isto está em linha com a maioria dos relatórios sobre o aumento das ondas alfa durante a meditação, especialmente em iniciantes 21 . As ondas alfa geralmente indicam um estado de excitação e vigilância e liberdade de qualquer tarefa específica. Esse estado mental é um dos objetivos da meditação; Ou seja, manter a mente limpa e afiada, livre de qualquer vôo de fantasia ou de adormecer. A sincronia de ondas alfa melhorada durante a prática MBSR também pode melhorar a coordenação entre mente e corpo 22 .
As atividades eletrônicas do vasto número de neurônios no cérebro formam um sistema hierárquico não-linear, e sua irregularidade pode ser bem medida pela entropia 8 . Descobrimos que durante a prática MBSR, a irregularidade do cérebro elétrAs atividades onic diminuiu em uma grande parte do EEG do couro cabeludo, especialmente nas regiões do pólo frontal e occipital bilateral. A análise adicional da fonte da entropia de wavelet mostrou que a irregularidade das atividades occipital e precuneus foi reduzida durante a prática de MBSR. Outras áreas envolvidas incluem o cíngulo médio direito e o lobo temporal superior. Isto está em linha com outro estudo que indica que a substância cinzenta aumenta no precuneus após o treinamento de MBSR 23 . Os praticantes avançados de meditação geralmente têm ondas gamma EEG parieto-occipitais maiores durante o sono não rápido do movimento ocular 1 . Uma característica importante do treinamento MBSR é não julgamento do fluxo de informação mente / cérebro. Isso pode potencialmente reduzir a irregularidade das atividades cerebrais. Como uma fonte de informação principal no cérebro é o córtex visual, é plausível que as regiões cerebrais relacionadas ao visual sejam mais afetadas pela prática do MBSR do que outras regiões regioNs. Isso permite que a mente se torne menos responsiva a informações irrelevantes e preste mais atenção à respiração consciente.
A análise de entropia de wavelet mostrou menos irregularidade do heartrate durante a respiração consciente em comparação com o estado de repouso normal, o que implica um equilíbrio mais refinado do sistema nervoso autônomo devido a interações relativamente inabalável entre tons parasimpáticos e simpáticos. A respiração consciente pode também afetar o heartrate porque os aferentes sensoriais do pulmão enviam projeções inibitórias aos neurônios motores vagal cardíacos no mid-brain, que inibem o heartrate através do nervo vago 24 . A interação cardiorrespiratória é mediada pelo tronco encefálico e sistema límbico no cérebro 25 . Dada a conexão entre o sistema nervoso central ea atividade cardíaca, é plausível que, treinando a mente, MBSR ou outras práticas de meditação também podem influenciar outras funções do corpo, comoRedefinindo a sensibilidade barorreflexa, melhorando a eficiência de troca gasosa nos pulmões e equilibrando o sistema nervoso autônomo 26 .
A conexão mente-corpo é enfatizada em muitas tradições orientais. Nesse sentido, nosso estudo fornece a primeira evidência objetiva em termos de entropia. As irregularidades das atividades do cérebro e do coração se tornaram mais coordenadas durante a prática de MBSR ea coordenação foi maior nas regiões somatossensoriais bilaterais. Esta região é diretamente responsável pela entrada e movimento sensorial do corpo, e essa coordenação aumentada implica maior consciência do corpo durante a prática de MBSR. Foi constatado que o treinamento de atenção plena aumentava as atividades das áreas viscerosomáticas em um estudo funcional de ressonância magnética, que apresentava melhor resolução espacial do que o EEG 27 . Nossos resultados sugerem que o cérebro e o coração podem se tornar mais arrastados durante a prática MBSR, descarregando entropia desnecessária no sistema <s Up class = "xref"> 28. Porque a pulsação do coração é regulada pelo sistema nervoso autónomo, em que o tom autonómico é modulado pelas interacções entre o gânglio; Sino-auricular nó; Nervos vago; E as estruturas cerebrais de ordem superior, como a medula oblonga, a ínsula e o sistema límbico, os sistemas nervoso autônomo e central podem muito bem se tornar mais coordenados durante a prática MBSR.
Um passo importante em um estudo como o nosso é escolher o índice de entropia certo para medir a irregularidade do EEG e ECG. Ao contrário de Renu Madhavi et al ., Que usaram a entropia aproximada 29 , optamos por usar a entropia wavelet para focar na complexidade entre as energias em diferentes escalas. Como as atividades eletrônicas do cérebro se originam de um grande número de neurônios que têm características diferentes em diferentes escalas e espectros, a entropia wavelet deve ser mais adequada para medir a irregularidade do EEG> 30. Da mesma forma, o heartrate instantâneo também tem características diferentes em escalas de tempo diferentes, por isso é razoável aplicar entropia wavelet para ECG 31 . Além disso, a entropia de Shannon ea entropia aproximada são sensíveis à freqüência de amostragem, e a entropia aproximada requer grandes tempos de computação que aumentam exponencialmente com o comprimento dos dados, isto além do cálculo no espaço fonte.
Vale a pena notar várias limitações do presente estudo. Primeiro, a resolução espacial do EEG do couro cabeludo é relativamente pobre, apesar de sua alta resolução temporal. Para tratar disso, a análise da fonte foi aplicada em nosso estudo. A reconstrução da fonte de EEG é um problema mal posicionado, e uma abordagem alternativa é ter priores espaciais de estudos anteriores de Ressonância Magnética Funcional (fMRI), o que pode ajudar a melhorar a precisão da reconstrução 32,33. Outra limitação é tA coordenação entre as atividades do cérebro e do coração foi avaliada entre sujeitos; A coordenação dentro do sujeito é deixada para estudos futuros. Além disso, a entropia do ECG não é derivada diretamente do sinal de ECG, mas sim do intervalo de heartrate, porque a amplitude de ECG pode ser muito influenciada pela posição do eletrodo e impedância da pele e, portanto, não é comparável entre os sujeitos.
Estudos anteriores geralmente realizaram uma análise de espectro do sinal EEG, descartando irregularidade no EEG como ruído. Em contraste, propomos usar a entropia wavelet como um índice mais sensível para medir as atividades eletrônicas caóticas do cérebro como reflexo do estado mental. A metodologia proposta fornece evidência objetiva da suposição tradicional de que a mente eo coração são mais coordenados durante a meditação.
Como a entropia wavelet pode monitorar o estado de meditação com bastante sensibilidade, ela pode ser usada no traini mentalNg, assim como a entropia é utilizada na prática clínica para medir o nível de anestesia durante a cirurgia. Usando um índice semelhante à entropia wavelet, dispositivos de EEG sem fio podem ser usados para monitorar convenientemente a prática de meditação diária de um indivíduo ou outro treinamento mental para fins educacionais. No entanto, como um EEG sem fio geralmente só pode medir os canais na testa de forma estável, precisamos explorar se esses canais são sensíveis o suficiente para monitorar o estado de espírito.
Os passos críticos deste procedimento incluem manter a impedância da pele para cada eléctrodo baixo para uma melhor qualidade do sinal e menos ruído; Apropriadamente e devidamente conduzir treinamento MBSR; Garantindo um estado mental bom, não fatigado antes do experimento, como a meditação requer grande energia; Escolhendo o índice de entropia adequado (entropia wavelet); E estar familiarizado com a análise da fonte SPM de dados de EEG.
The authors have nothing to disclose.
Este estudo foi apoiado pelo fundo SPF-201209176152 na Universidade de Hong Kong. Agradecemos ao Dr. Helen Ma por ensinar o curso e recrutar participantes do MBSR.
Synamps 2/RT 128-channel EEG/EP/ERP | Compumedics NeuroScan | Model 8050 | Amplifiers and EEG acquisition |
Quik-CapEEG 128 electrodes | Compumedics NeuroScan | EEG caps | |
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Matlab R2011a | MathWorks | EEGLAB is based on Matlab | |
SPM | Wellcome Trust Centre for Neuroimaging | EEG source analysis software |