23239

رمزگشايي درد با استفاده از پتانسيل‌هاي درون قشري مغز موش صحرايي

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي

1396

1399/10/23

دكتر وحيد شالچيان

برق

مقدمه: درد يك تجربه حسي و احساسي ناخوشايند است كه در اثر آسيب واقعي يا پنهاني بافت‌ها ايجاد مي‌شود. يكي از ناحيه‌هاي مهم مرتبط با درد، قشر كمربندي قدامي (Anterior cingulate cortex) است كه جنبه عاطفي و جنبه حسي مربوط به درد در آن رمزگذاري مي‌شود. در اين پژوهش تمركز ما بر روي جنبه حسي درد و به‌صورت ويژه، شدت درد بود. تحريك‌ مكانيكي را براي اعمال درد نوسيسپتيو انتخاب كرديم و با استفاده از فيلامان‌هاي ون‌فري الكترونيكي دست‌ساز، دو شدت تحريك دردناك و غيردردناك با توجه به پاسخ رفتاري موش اعمال نموديم. اين سيستم تحريك قادر بود زمان اعمال تحريك و زمان خروج پا را به سيستم ثبت ارسال نمايد. تحريك‌ها به كف پاي چپ موش اعمال شد. الكترودهاي ثبت به‌صورت دوطرفه در ناحيه ACC كاشته شد سه الكترود در نيمكره چپ و سه الكترود در نيمكره راست كاشته شد و ثبت‌ها در حالت هوشيار انجام گرفت. سيگنال‌هاي پتانسيل ميداني محلي ناشي از اعمال تحريك‌ها در ناحيه ACC مغز ثبت شد. روش‌ها: پردازش سيگنال‌هاي مغزي در چهار بخش صورت گرفت. در بخش اول به بررسي پتانسيل برانگيخته پرداختيم. پارامترهاي دامنه و زمان وقوع مؤلفه‌هاي P1 و N1 را در تحريك دردناك و غيردردناك را موردبررسي قرار داديم. در قسمت دوم به طبقه‌بندي تحريك دردناك، غيردردناك و حالت استراحت پرداختيم. از ويژگي تبديل موجك مورلت براي طبقه‌بندي‌ها استفاده نموديم و بعد از انتخاب بهترين ويژگي‌ها با استفاده از روش حداقل افزونگي حداكثر ارتباط (mRMR) به طبقه‌بندي تحريك‌ها با استفاده از روش ماشين بردار پشتيبان (SVM) پرداختيم. در بخش سوم توان باندهاي تتا، آلفا، بتا، گاماي پايين و گاماي بالا را با استفاده از تبديل موجك مورلت استخراج نموديم و با استفاده از آزمون آماري ويلكاكسون به بررسي تفاوت معناداري توان سه حالت تحريك دردناك، غيردردناك و حالت استراحت پرداختيم. در بخش آخر به بررسي دو نيمكره در اثر اعمال تحريك مي‌پردازيم. در اين قسمت با استفاده از روش همبستگي متقابل اختلاف‌زماني وقوع پتانسيل برانگيخته دو نيمكره را بررسي نموديم همچنين همبستگي و همدوسي دو نيمكره را در طول زمان بررسي نموديم. نتيجه‌گيري: الگوي رفتاري پتانسيل برانگيخته در دو تحريك اعمالي مشابه هم هستند ولي دامنه و زمان وقوع اولين قله (P1) و اولين دره (N1) در دو تحريك متفاوت بودند. در تحريك دردناك اندازه دامنه P1 و N1 به‌صورت معناداري بيشتر از تحريك غير دردناك است و زمان وقوع P1 و N1 در تحريك غيردردناك به‌صورت معناداري سريع‌تر از تحريك دردناك است. ما توانستيم با دقت 88 درصد، تحريك دردناك را از حالت بدون تحريك، با دقت 68 درصد تحريك غيردردناك را از حالت بدون تحريك و با دقت 73 درصد تحريك دردناك را از تحريك غيردردناك تفكيك نماييم. تنها توان باند تتا و بتا در سه حالت تحريك دردناك، تحريك غيردردناك و بدون تحريك باهم تفاوت معنادار داشتند. در اين پژوهش مشاهده شد پتانسيل برانگيخته در دو نيمكره به‌صورت هم‌زمان اتفاق مي‌افتد همچنين همبستگي زماني و همدوسي فركانسي بين دو نيمكره بلافاصله بعد از اعمال تحريك افزايش مي‌يابد و بعد از گذشت حدود 500 ميلي‌ثانيه كاهش مي‌يابد و كمتر از مقدار خط پايه مي‌شود. جمع‌بندي: ناحيه ACC بعد از اعمال تحريك به‌صورت دوطرفه فعال مي‌شود و الگوي رفتاري دو نيمكره بسيار مشابه هم هستند. دقت طبقه‌بندي ذكرشده بيانگر اين است كه ناحيه ACC جهت رمزگشايي و جداسازي تحريك دردناك، تحريك غيردردناك و بدون تحريك مناسب است. تنها توان باند تتا و بتا در سه حالت تحريك دردناك، غيردردناك و استراحت با هم تفاوت معنادار دارند.

1399/11/30

Pain decoding by using intracortical potential in the rat

1/13/2022 12:00:00 AM

Background and Aim: Pain is an unpleasant sensory experience caused by actual or latent tissue damage. One of the most important areas of the brain associated with pain is the anterior cingulate cortex (ACC), in which the emotional and sensory aspects of pain are encoded. In this study, our focus is on investigating the distinction between sensory responses to noxious and non-noxious mechanical stimulation in this area. Using von-frey filaments, with two different intensities obtained from the behavioral responses of stretching, painful and non-painful stimuli were applied to the rat sole and at the same time the local field potential in the ACC area was recorded by implanted intracortical microelectrodes. The evoked response and the frequency band powers were examined in noxious and non-noxious stimuli. After extracting time, frequency and time-frequency features, we classified the painful and non-painful stimuli by LDA method. We were able to distinguish painful stimulation from rest with 88% accuracy and non-painful stimulation from rest with 68% accuracy. The accuracy of this classification indicates that the ACC area is able to distinguish pain intensity. We examined the event-related potential (EP) and the power of different frequency bands for two applied stimuli. The results show that the amplitude and time of occurrence of the first peak (P1) and the first valley (N1) change according to the intensity of the stimulus, which are different for the two applied stimuli. In the study of time-frequency domain, we used Morlet wavelet transform for the power extraction of different bands. The power of different bands increased significantly in EP length, and in the interval of 500 to 1500 milliseconds after stimulation, the power was significantly different from that of Baseline, but only the theta and beta bands were able to distinguish pain intensity. In this study, two hemispheres of the brain were evaluated during stimulation. Despite the EP time differences between the two hemispheres, we saw an increase in time correlation and frequency coherence between the two hemispheres immediately after stimulation and a sharp drop after about 500 milliseconds. In general, it can be said that the two hemispheres behave relatively similarly due to stimuli and act bilaterally. We showed that by having a time interval of -3 to +3 seconds from the local field potential signal in the anterior cingulate cortical region and extracting time domain features from event-related potential such as amplitude and time occurrence of the first peak (P1) and the first valley (N1) or features in the time-frequency domain such as power performed using wavelet transform can make an acceptable distinction between painful and non-painful sensory stimuli relative to the resting state.

درد حسي، قشر كمربندي قدامي، پتانسيل ميداني محلي، فيلامان ون‌فري، تبديل موجك، پتانسيل برانگيخته، طبقه‌بندي

Sensory pain, Anterior cingulate cortex, Local field potential, Von Frey filament, Wavelet transform, Event-related potential