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目前脑电图和基于脑电图的认知、精神和大脑健康标志物的诊断、预后和治疗应用概述

Priya米兰达

美国加州大学尔湾分校外科与生物医学工程系

克里斯托弗·D·考克斯

美国加州大学洛杉矶分校大卫格芬医学院神经内科

迈克尔·亚历山大

美国加州大学尔湾分校外科与生物医学工程系

斯拉夫人Danev

美国加州圣巴巴拉市媒体公司

乔纳森·RT·雷基

美国加州大学尔湾分校外科与生物医学工程系

DOI: 10.15761 / IMM.1000378

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摘要

认知、精神、神经和药物使用障碍的全球负担达到2.58亿残疾调整生命年,这要求立即采取“行动”预防和管理这些疾病。脑电图(EEG)是应用最广泛的无创脑功能和健康神经生理测量仪器之一。脑电图最初仅用于监测和记录脑电活动产生的电波,以帮助临床决策和诊断。技术的进步使得最先进的基于脑电图计算机的系统,如媒体公司的NeuralScan,能够评估脑电波的功率变化以及脑电波与大脑和精神健康状况变化的比例。今天的脑电图机也可以识别这些变化的精确定位,从而实现更准确的诊断和治疗。脑电图技术的改进使它们变得坚固、固定/便携、高保真、多功能,能够执行复杂的功能和计算,但仍然对用户/临床医生友好,突出了它们在临床、研究、流行病学和公共卫生环境中的应用潜力。本文概述了脑电图机及其在诊断、预后和治疗中的应用,并在认知、精神和大脑健康领域产生基于脑电图的标志物。

关键字

脑电图,qEEG, LORETA,神经成像,诊断,神经扫描

介绍

脑电图在大脑健康和认知中的作用

大脑皮层的正常功能对生理、神经和心理健康至关重要。目前,认知、精神、神经和药物使用疾病/障碍占2.58亿残疾调整生命年(占所有原因伤残调整生命年总数的10.4%)。这重申需要有更好的脑健康预防、诊断和治疗方案,可用于临床、流行病学和公共卫生环境[1-2]。脑健康的诊断和评估工具包括:a)非侵入性:神经临床-体格检查、问卷/仪器、脑电图(EEG)、神经成像等超声波,磁共振成像(MRI),功能磁共振成像(fMRI),正电子发射断层扫描(PET)和计算机断层扫描(CT);b)侵入性:生化测试,基因测试,脑脊液(CSF)分析、血管造影和biopsies。MRI、fMRI、PET和CT提供了良好的大脑健康空间分辨率,而EEG通过毫秒范围内的大脑功能时间分辨率来评估大脑健康[3-5],这是其他方法无法做到的。由于其对脑功能和结构变化的敏感性以及在临床环境中使用的简单性,近年来在重症监护中的应用不断增加[6-8]。

脑电图通过捕捉大脑皮层电活动产生的电波来评估大脑功能的神经生理方面。大脑皮层分为四个脑叶:额叶、顶叶、颞叶和枕叶;每一个都执行特定的功能。根据细胞结构、组织学和功能,Brodmann将4mm厚的大脑皮层划分为52个Brodmann 's area (BA)。目前对大脑和心理健康的神经电生理研究感兴趣的有26个学士学位。大脑皮层根据其电活动发出的正常脑电波是α (a)在8-15赫兹,β (β)在16-30赫兹,γ (γ)在31-100赫兹与l低伽马在30-70赫兹和高伽马在70-150赫兹感觉运动节律(SMR)在13 ~ 15 Hz。这些电波的强度和比例随着大脑皮层的区域、手头的任务和不同的精神状态而变化。这些波的形态、功率和比值如今被用于区分正常和异常的脑功能,以及诊断、预后和治疗。今天的脑电图机可以精确定位大脑中正常/异常的波形,进而确定哪些脑区参与了临床决策过程。

脑电图作为诊断、预后和治疗工具

脑电图监测的适应症包括癫痫[9-13]、脑外伤[14-17]、脑卒中[18-24]、脑炎[25-27]、脑肿瘤[28]、脑病[29-31]、记忆问题[32-33]、睡眠障碍[34-35]、昏迷[36-39]、心脏骤停[40]、脑死亡诊断[41-42]和痴呆。近年来,脑电图也被用于研究阿尔茨海默病(AD)[43-44]和其他形式的痴呆[45-46]、多发性硬化症[47-49]、疼痛障碍[50-51]、帕金森病[52-55]、偏头痛[56-58],以及行为障碍,如注意缺陷多动障碍(ADHD)[59-61]、自闭症[62-64]、抑郁症[65-67]、创伤后应激障碍[68-71]、复杂发育性创伤障碍[72]和药物滥用[73-75]。随着神经反馈技术的出现,脑电图作为一种治疗选择变得可行,被用于提高表现(学术、运动或精神),并用于治疗多动症、自闭症、阿尔茨海默氏症、创伤后障碍和药物滥用[76-80]。因此,自1924年以来[81],脑电图已经从诊断大脑健康的附加工具发展成为用于诊断,疾病分期[82-88],评估预后(包括治疗过程中(药物治疗和化疗)[89-93]的工具,并且本身作为治疗工具[76-80]。

脑电图:辅助诊断,防止误诊和漏诊

近年来,脑电图已被用于不明病因证的鉴别诊断[94-97]。例如,已知皮质下缺血或多次梗死或单次中风可导致人格改变、情感障碍甚至精神病。同样,精神疾病,如强迫症(OCD)、精神分裂症、自闭症、阅读障碍和成瘾,在受试者和对照组之间显示出明显的神经特征差异。脑电图也可用于区分症状相似但病因生理不同的疾病。例如,认知障碍可由一系列原因引起,如电解质失衡、低血糖、睡眠障碍、压力、头部损伤、疼痛、痴呆等[94]。

近年来,EEG在AD[43-44]、多发性硬化症[47-49]、帕金森氏病[52-55]、精神分裂症[98]、自闭症[62-64]和阅读障碍等神经系统疾病的早期诊断标志物或生物标志物方面的潜力得到了探索。例如,一项关于从轻度认知障碍(MCI)到完全发展的AD的神经变性和进展的研究显示,AD受试者中delta带的水平明显较高[84]。一项对86名MCI患者进行的为期2年的纵向研究使用了6种脑电图生物标志物,成功预测了25名具有β活性的患者向AD的转化,其敏感性为88%,特异性为82%[86]。自动特征提取技术有助于预测局灶性癫痫发作,灵敏度提高到87.8%[88]。

当前脑电图技术概述

电极[99-109]、电极放置系统[109-118]、接地和参考电极的使用、脑电图机(模拟、数字或多通道)、脑电图校定器和蒙太奇[119]的设计、规格、维护和校准协议都遵循严格的标准和指南[120-129]。EEG记录过程分为两个阶段:a)数据采集和预处理,b)特征提取。各阶段执行如下:

采集和预处理:在兴奋性刺激后,EEG通过电极捕捉锥体神经元的活动,包括动作电位(3ms)和突触后电位(200ms)[98]。20μV信号先用差分放大器放大,再用普通放大器放大。然后使用高通(HPF)、低通(LPF)和陷波滤波器来最小化/克服/消除由内在和外在因素引起的“噪声”,以及模数转换器对模拟信号进行数字化时由混叠引起的失真[122-128]。

工件更正:根据数据和研究设计对伪影去除或衰减进行校正。眨眼或摇头引起的伪影(症状)减弱但未消除。ICA(独立分量分析)和SSP(信号空间投影)是用于伪影衰减的一些方法[130-133]。然后进行信号平均、输出阈值化、信号增强,最后进行边缘检测。

数据处理:数据的处理包括特征提取、选择和分类。一般来说,大多数数字脑电图机只进行特征提取。快速傅里叶变换(FFT)、小波变换(WT)、时频分布(TFD)以及正反源空间分析都是用于特征提取的方法[133-137]。然后存储患者数据,用于神经临床评估和报告生成[138-140]。

EEG技术的软件开发

以前,单独使用脑电图波形/波形态结合其他神经学检查来诊断神经系统疾病[141-143]。近年来,经过处理的脑电图数据(波形)通过定量脑电图(q-EEG)进行量化,其中一个专门的软件程序将一维(1-D)脑电波信号转换为二维地形彩色地图,将患者的脑功能与标准数据库(Neuroguide, FDA研究标准)进行比较[144-146]。生成的颜色代码允许生成定量相关的z分数。另一个革命性的提高脑电图空间分辨率的软件开发是使用独立分量分析(ICA)结合低分辨率电磁断层扫描(LORETA)[145-153]将二维脑电图数据转换为三维脑电图数据,从而能够在皮质叶上定位脑电图的来源。来源位置(最初只能通过CT或MRI)很重要,因为它可以识别与特定反应或疾病状态有关的功能区域。

的组件,如图1所示NeuralScan这是一个最先进的基于计算机的脑电图系统。它符合当前的标准,并结合了脑电图机器领域最新的技术改进。图1A为21通道脑电图帽。内置软件可进行脑电图(alpha、beta、theta或gamma)的常规临床评估和波形测试,即;静息状态脑电图(闭眼和睁眼)。或者,该系统可以通过诱发电位(视觉、听觉、怪球范式)和行为运动测试来评估工作记忆和erp(图1B)。该系统能够通过FFT、小波和ICA去除“自动”伪影(闪烁、脉冲伪影、MR梯度伪影、弹道心电图和坏块),以及ii)特征提取,iii)基于频率的脑电图波形分析,iv)从时域到频域的转换。该软件还可以执行qEEG进行脑图绘制、功率和频率分析,并与软件包提供的规范数据库进行比较(图1C),与eLORETA进行源分析(图1D)。它还提供了一份神经心理学问卷,其中一些部分由患者回答(自我报告),其他部分由临床医生管理。这个测试总共需要15分钟来完成。报告系统可以定制,可以制作便于医患双方理解的汇总报告(图1E),也可以制作描述脑电图与生命体征对应关系的详细报告(图1F)。

图1所示。medianeuroscan的组件。(A) 21通道脑电图帽;(B)事件相关电位(ERP)生成的信号平均;(C)功率分析、频率分析、QEEG作图;(D)精确低分辨率电磁层析成像(eLORETA)定位震源;(五)简单报告;(六)与生命体征读数时间对应的完整报告

基于脑电图的认知、心理和大脑健康标记

正常脑电图形式[154-156]随年龄、精神状态以及是刺激诱发还是静息状态而变化。异常波形模式[126,157]可分为癫痫性和广义非发作性波形,包括:间歇性减慢、间歇性节律性三角洲活动(IRDA)、连续缓慢活动(弥漫性减慢、阿尔法昏迷)、周期性异常(突发抑制、周期性放电(gpd /SIRPIDS)和背景抑制。疾病特有的模式也被观察到。例如,亚急性硬化性全脑炎(SSPE)[158]和克雅氏病(Creutzfeldt-Jakob disease)[159]中发现了疾病特异性脑电图模式。

在a)静息状态EEG(闭眼和睁眼),b)特定任务后(工作记忆)和c)事件相关电位(erp)包括诱发电位(视觉、听觉、奇球范式)捕获的处理脑电图波形是几种脑健康生物标志物的来源[160-162]。图1总结了脑电图中可用于提供神经和心理健康信息的波类型。脑电图产生的标记已用于神经/心理健康研究和临床评估。

疾病和研究中的事件相关电位(ERPs)

诱发电位或事件相关电位(erp)是在事件/刺激之后获得的。刺激可以是视觉的、听觉的、运动的或任务相关的。有黑白方块的棋盘,黑白方块在预先设定的时间内交替其位置,常被用作视觉刺激。它们在电脑屏幕上显示一段指定的时间,因为大脑能够在几分之一秒内识别出黑白方块的交换;这种识别被捕获在脑电图波形中。捕捉一个完整的刺激和反应周期的时代被标记出来并被选择。由于刺激/测试时间可能为5分钟。所有与这个持续时间和刺激有关的时代都同样被标记和选择。对特定刺激的平均反应提供了该刺激的事件相关电位(图1D)。ERP波形有正分量和负分量,分别用“P”和“N”表示,用数字(P100和N100)表示延迟时间(以毫秒为单位)或波形的层次位置。

在一项针对精神分裂症患者的ERP研究中,P100振幅主成分分析显示,虽然第一主成分(整体活动)和第二主成分(前后互易激活)在患者和对照组中相似,但第三主成分(半球活动互易)显示精神分裂症患者的中心区域与前后区域的独特激活[163]。在一项关于自闭症谱系障碍(ASD)的研究中,与正常发育(TD)儿童相比,自闭症儿童表现出更长的P100潜伏期,更弱的N100振幅和更大的P300振幅。[164]。在创伤性脑损伤早期检测到的erp可作为损伤后6个月功能和认知恢复的预测指标[165]。erp也被用于识别帕金森病的背外侧前额叶和前扣带皮层损伤[166]。脑电图(非线性复杂性)结合神经心理学评估(阿尔茨海默病评估量表-认知:ADAS-Cog)和心血管病史评估也被发现可将区分AD、血管性痴呆、混合性痴呆和MCI的诊断准确率从80%提高到92%[82]。

特异性皮层听觉诱发的erp也被用于识别幼年人工耳蜗受者初级听觉皮层发育的敏感期截止时间[167]。此外,erp已被用于识别创伤后应激障碍退伍军人对负面情绪刺激反应的差异情绪加工[168]。一项针对非裔美国老年人的研究也发现,在一次背卡学习测试(OCL,记忆)中,闭眼休息时的脑电图频谱功率能够区分那些有MCI风险的人和那些稳定的人。

EEG的技术变体

近年来,针对特定功能开发了专门类型的脑电图。这些都为研究或临床应用提供了独特的优势。本节讨论了最近最常见的两种基于脑电图的技术,定量脑电图和低分辨率电磁断层扫描。(表1)。

表1。基于脑电图的大脑/精神健康标记

脑电图描记器

3、波形特性

●记录脑电波的峰值频率

3、功率比

3、临床意义/相关性:a)低峰频率,b)高峰频率

诱发电位&
事件相关电位(erp)

3、视觉诱发电位、听觉诱发电位

3、erp的平均、峰值和潜伏期跨越神经和精神障碍。

●基于ERP的潜在脑生物标志物:C1、P1、P200、P300、P3a、P3b、P600、N100、N200、N2pc、N170、N400、早期左前阴性(ELAN)错误相关负性(ERN);
后期正成分(LPC)、侧化准备电位(LRP)、错配负性、N2pc、Bereitschaft电位、偶然负变异(CNV)、体感诱发电位、视觉N1、ERP同步和ERP非同步。

3、ERP: P300和延迟(毫秒)

●稳态视觉诱发电位(ssvep),大脑对重复视觉刺激(RVS)的反应

3、休息状态脑电图

频率分析与qEEG

3、绝对功率(电压,P=mV2)在患者的脑电图数据库中

●脑电波的相对功率与患者脑电图的总功率的比较(q/ q + β + a + D)

3、半球之间和半球内部的一致性,左右半球和前后半球的力量和对称性的平衡

3、脑电波的比率(Hz)及其对大脑和精神健康的影响

3、病人脑电波的平均频率

●将患者的原始分数与规范数据库的Z-score值进行对比——其差异的方向和幅度及其对大脑健康的影响

是否有局部、局部、局部或全身性异常,是否出现上述变量?

斯洛蕾塔和埃洛蕾塔

这种电活动的来源是大脑中的电极/通道/衍生物

3、大脑中涉及到哪些布罗德曼区域?

3、它们的细胞结构、组织学和功能如何?

定量脑电图

定量脑电图qEEG), EEG数据用于创建二维地形彩色编码脑图,反映与规范参考数据库(Neuroguide, FDA研究标准)相比获得的患者脑功能z分数(图1C)。然后对这些波进行分析,以确定它们在脑叶中的分布、功率、比例、相干性和连通性[144-146]。一项应用qEEG监测和辅助治疗创伤性脑损伤(TBI)的研究证实,α功率(AUC=0.87, p<0.01)和相对快速θ功率的变异性(AUC=0.84, p<0.01)具有较高的预后价值[17]。qEEG也被证明对病毒性脑炎具有临床诊断价值,与脑电图[27]相比,显示出更高的细节和精度。在多动症患者中可以观察到额叶区域异常高的θ活动和较高的θ - β活动[169]。一项关于帕金森病(PD)的研究综述发现,脑电图频率减慢与认知能力下降有关,在这种疾病中,δ和θ的频谱功率增加,α、β和γ活动减少。在地形上,枕叶、顶叶和颞叶也与帕金森病中观察到的频谱变化具有较高的相关性[170]。

低分辨率电磁断层扫描(LORETA)

在低分辨率电磁断层扫描(LORETA)中,[147-153]将二维脑电图数据转换为三维数据,以定位皮层叶上的脑电图波源。这进而确定涉及的功能区域,定位波响应的来源,以提供神经解剖学背景(图1D)。

在一项研究多巴胺激动剂KB200z治疗ADHD的案例研究中,LORETA成功地识别出治疗后,前、背、后扣带区和右背外侧前额叶皮层的频带增加。另一项使用LORETA的研究表明,精神分裂症患者脑过程之间的分离增加,这是解释精神分裂症患者认知和情绪状态差异的关键因素[98]。特定的LORETA参数(电流相密度和滞后相同步)也已成功地与阿尔茨海默病患者的Aβ42和总tau浓度相关。LORETA z-score反馈方法也被证明可以减轻头颈癌患者的疼痛,这种改善与改变疼痛相关脑区域的大脑活动有关。在另一项比较健康个体与接受治疗和未接受治疗的绝经综合征和抑郁症患者的研究中,LORETA被用于成功识别抑郁症的皮质解剖相关性以及药物治疗的作用模式。LORETA还能够识别偏头痛患者楔前叶和后颞中回的α活性显著升高,而内侧额叶皮层(包括前扣带和额叶上回和内侧回)的α活性降低。

结论

近几十年来,脑电图已经从一种无创监测工具发展成为一种用于神经和精神疾病的诊断、预后和治疗/神经反馈的仪器。当今最先进的EEG机器允许使用qEEG进行频谱分析,并使用LORETA进行源分析。以脑电图为基础的技术在诊断复杂病因障碍和早期诊断认知障碍方面也被证明是有用的,为临床医生提供了一个宝贵的机会窗口,通过改变生活方式和/或治疗干预措施实施预防措施。今天最先进的脑电图机器,如media公司的NeuralScan,可以在15分钟内完成高精度的测试。目前脑电图仪的便携性允许在公共卫生和实验室环境中易于使用,以及用于研究目的和临床使用。

作者及贡献

PM, CC, JL, MA和SD都对本文的写作,审查和批准做出了同等的贡献。

资金信息

本研究得到了media Inc. (SD)和加州大学欧文分校外科部门的内部资助。(pm, cc, jl, ma)。

利益冲突

其中一位作者受雇于生产NeuralScan的media公司。

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编辑信息

主编

文章类型

研究文章

出版的历史

收稿日期:2019年7月22日
接受日期:2019年8月6日
发布日期:2019年8月13日

版权

©2019 Miranda P.这是一篇根据知识共享署名许可条款发布的开放获取文章,允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制,前提是注明原作者和来源。

引用

Miranda P(2019)目前脑电图和基于脑电图的认知、精神和大脑健康标志物的诊断、预后和治疗用途概述。integrated Mol Med 6 DOI: 10.15761/IMM.1000378

相应的作者

乔纳森·RT·雷基

美国加利福尼亚州奥兰治市西路333号1600室外科

电子邮件:bhuvaneswari.bibleraaj@uhsm.nhs.uk

图1所示。medianeuroscan的组件。(A) 21通道脑电图帽;(B)事件相关电位(ERP)生成的信号平均;(C)功率分析、频率分析、QEEG作图;(D)精确低分辨率电磁层析成像(eLORETA)定位震源;(五)简单报告;(六)与生命体征读数时间对应的完整报告

表1。基于脑电图的大脑/精神健康标记

脑电图描记器

3、波形特性

●记录脑电波的峰值频率

3、功率比

3、临床意义/相关性:a)低峰频率,b)高峰频率

诱发电位&
事件相关电位(erp)

3、视觉诱发电位、听觉诱发电位

3、erp的平均、峰值和潜伏期跨越神经和精神障碍。

●基于ERP的潜在脑生物标志物:C1、P1、P200、P300、P3a、P3b、P600、N100、N200、N2pc、N170、N400、早期左前阴性(ELAN)错误相关负性(ERN);
后期正成分(LPC)、侧化准备电位(LRP)、错配负性、N2pc、Bereitschaft电位、偶然负变异(CNV)、体感诱发电位、视觉N1、ERP同步和ERP非同步。

3、ERP: P300和延迟(毫秒)

●稳态视觉诱发电位(ssvep),大脑对重复视觉刺激(RVS)的反应

3、休息状态脑电图

频率分析与qEEG

3、绝对功率(电压,P=mV2)在患者的脑电图数据库中

●脑电波的相对功率与患者脑电图的总功率的比较(q/ q + β + a + D)

3、半球之间和半球内部的一致性,左右半球和前后半球的力量和对称性的平衡

3、脑电波的比率(Hz)及其对大脑和精神健康的影响

3、病人脑电波的平均频率

●将患者的原始分数与规范数据库的Z-score值进行对比——其差异的方向和幅度及其对大脑健康的影响

是否有局部、局部、局部或全身性异常,是否出现上述变量?

斯洛蕾塔和埃洛蕾塔

这种电活动的来源是大脑中的电极/通道/衍生物

3、大脑中涉及到哪些布罗德曼区域?

3、它们的细胞结构、组织学和功能如何?