2019 | 神經反饋訓練,STN LFP,帕金森

2021-03-01 NELN共享平臺

神經反饋訓練，STN LFP，帕金森

張國坤 供稿


文章基本信息標題：Beta Oscillation-Targeted Neurofeedback Training Based on Subthalamic LFPs in Parkinsonian Patients期刊：EMBS Conference on Neural Engineering作者：Shenghong He, Emilie Syed, Flavie Torrecillos.作者簡介：Shenghong He 2018年加入牛津大學Peter Brown和Huiling Tan團隊，目前主要研究方向為基於PD患者的LFP信號實現腦機接口研究。金句分享IntroductionAs one of the earliest applications of BCI, neurofeedback (NFB) enables the self-regulation of neural activity, and has the potential to alter pathological brain oscillations which play a role in different disorders（介紹背景）.However, cortical beta power may not be the best biomarker for the disease, since its amplitude is similar in PD and non-PD patients and in PD patients on DBS or levodopa therapy compared to PD patients off therapy（提出目前研究的不足）.MethodSince tremor tends to introduce power change in beta power and interfere with the performance in the task, we excluded 2 data sets (P1 right side and P2 left side) where the contralateral hand was strongly affected by tremor（解釋數據選擇依據）.ResultIt shows that there is reduction in the targeted frequency bands during the NFB training trials comparative to the pre-cue in both the targeted STN and the ipsilateral motor cortex(說明實驗結果).DiscussionHowever, whether this can have any therapeutic effect for improving motor symptoms in PD depends on whether effective neurofeedback training is associated with improvement in motor performance, and whether the effect persists beyond the time when the visual feedback is provided.（提出該研究還需探究的問題）.研究背景和主要內容

Neurofeedback(NFB)的目標是利用神經信號形成患者訓練時的反饋，幫助其自主調節大腦電信號的節律特徵從而改善運動失調等症狀。之前針對帕金森患者的NFB訓練大多是基於感覺運動皮質的ECoG信號，然而該信號並不是帕金森疾病的特徵信號，並且在患者和正常人間該信號的特徵並沒有明顯的區分。該研究希望探究帕金森疾病的特徵表現信號-STN核團的LFP電位-作為NFB的反饋信號能否幫助患者調節相應的腦電信號節律，尤其是降低Beta節律幅值突然升高的發生頻率。

數據

該研究指導三位帕金森患者在電極手術植入後（還未植入IPG）的3-6天時進行NFB訓練實驗，並記錄了三位患者實驗時的STN LFP信號，EEG信號以及手臂的加速度和肌電信號。

實驗範式及數據處理方法

在進行在線訓練之前，需要根據運動相關性選擇每位患者的一個LFP通道中5Hz寬的beta頻段作為特徵信號，並且設定該頻段能量幅值的反饋閾值。在完成上述步驟後，患者將使用該特徵信號和閾值進行NFB訓練實驗。

實驗時患者將會面對一個GUI界面，界面中的小球在水平方向上將會以固定的速率向右移動，而在垂直方向上的移動則取決於特徵信號的幅值，當信號幅值超過閾值時小球將會下降一段固定高度。在進行訓練實驗時，研究人員會提示患者進行抬手的運動想像來阻止小球的下降，而進行非訓練實驗時則提示患者看著屏幕而不要試圖控制小球的運動。

圖1 GUI界面示意圖

每個實驗對象進行了5次session,每個session包含了10個訓練trial和10個非訓練trial。

圖2 實驗過程實驗結果

在對三位患者進行訓練實驗後，第1，3位患者能夠實現對小球運動的控制而第2位患者在訓練和非訓練期的小球運動軌跡沒有明顯差別。圖3和圖4分別為第1，3位患者的目標核團和對側和核團的LFP和EEG信號。紅框內為訓練時的特徵頻段，時間坐標0點代表實驗開始時刻。實驗結果表明部分患者STN的LFP信號能夠幫助其實現NFB訓練，但是訓練結果和特徵信號都存在明顯的個體化差異。

圖3 目標核團時頻信號圖4 對側核團時頻信號（標題錯誤，應為Right STN NFB）討論

該研究首次證明了PD患者的STN LFPs信號作為NFB的反饋和目標能夠幫助部分患者實現腦電信號節律的自主調節。但是實驗過程和結果提示該方法還存在一定局限性：

不同患者對該方法的表現存在著明顯的差異性： 例如第二位患者使用該方法進行NFB訓練並沒有明顯的beta節律調節效果。在第1，3位患者間，訓練效果表現也存在較大差異，例如患者1的目標核團和對側核團在訓練期的beta頻段能量都有明顯衰減，而患者3的對策核團則沒有類似表現。該研究是在患者術中進行的短暫訓練，該方法的長期效果未得到證實。 例如長時間的訓練是否能夠幫助患者改善臨床症狀，在進行一段時間的DBS治療後該方法的表現是如何的。參考文獻

He S, Syed E, Torrecillos F, et al. Beta Oscillation-Targeted Neurofeedback Training Based on Subthalamic LFPs in Parkinsonian Patients[J]. Int IEEE EMBS Conf Neural Eng, 2019,2019:81-84.

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