Портативная система, способная измерять стационарные визуальные вызванные потенциалы, была разработана и опробована на 65 любительских регбистах в течение 18 недель для изучения SSVEP в качестве потенциального электрофизиологического биомаркера сотрясения мозга. Базовые показатели игроков измерялись в предсезонке, при этом повторное тестирование на надежность, сотрясение мозга и оценку восстановления проводилось в течение контролируемых периодов времени, соответственно.
Портативная система, способная измерять стационарные зрительно-вызванные потенциалы (SSVEP), была разработана для обеспечения объективного, количественного метода тестирования электроэнцефалограммы (ЭЭГ) после травматического события. В этом исследовании портативная система использовалась на 65 здоровых игроках в регби в течение сезона, чтобы определить, является ли SSVEP надежным электрофизиологическим биомаркером сотрясения мозга. Перед соревновательным сезоном все игроки прошли базовую оценку SSVEP. В течение сезона игроки были повторно протестированы в течение 72 часов после матча для проверки надежности теста или оценки после травмы. В случае диагностированного с медицинской точки зрения сотрясения мозга игроки были повторно переоценены после того, как врач посчитал их выздоровевшими. Система SSVEP состояла из смартфона, размещенного в VR-кадре, обеспечивающем стимул мерцания 15 Гц, в то время как беспроводная гарнитура ЭЭГ записывала затылочную активность. Игрокам было приказано смотреть на точку фиксации экрана, оставаясь сидячими и тихими. Электроды были расположены в соответствии с номенклатурой ЭЭГ-позиционирования 10-20, причем O1-O2 был каналом записи, а P1-P2 – ссылками и смещением, соответственно. Все данные ЭЭГ обрабатывались с использованием полосового фильтра Баттерворта, преобразования Фурье и нормализации для преобразования данных для частотного анализа. Ответы игроков SSVEP были количественно определены в соотношении сигнал/шум (SNR), причем 15 Гц были желаемым сигналом, и обобщены в соответствующих исследовательских группах для сравнения. Было отмечено, что игроки с сотрясением мозга имеют значительно более низкий SNR по сравнению с их базовым уровнем; однако после восстановления их SNR существенно не отличалась от исходного уровня. Тест-повторный тест показал высокую надежность устройства для портативной системы. Улучшенная портативная система SSVEP также была проверена на соответствие установленному усилителю ЭЭГ, чтобы гарантировать, что исследовательская конструкция способна получить измерения качества исследований ЭЭГ. Это первое исследование, которое выявило различия в ответах SSVEP у спортсменов-любителей после сотрясения мозга и указывает на потенциал SSVEP в качестве помощи в оценке и лечении сотрясения мозга.
Люди в настоящее время хорошо осведомлены о заболеваемости, вызванной черепно-мозговыми травмами в спорте1. Сотрясение мозга, связанное со спортом (SRC), является формой легкой черепно-мозговой травмы (mTBI), которая часто сообщается в контактных видах спорта, таких как футбол, регби и бокс 2,3,4. Биомеханическая трансдукция импульсивной силы в мозг после воздействия на поле приводит к нарушению функции нейронов, что приводит как к немедленным, так и к преходящим симптомам, которые влияют на физическое, когнитивное и эмоциональное состояние спортсмена 1,5. В большинстве случаев эти симптомы подавляются в течение короткого периода времени, при условии, что спортсмен получает соответствующее лечение и не подвергается дальнейшим воздействиям6.
Поскольку SRC наносит ущерб неврологическому здоровью игроков, руководящие органы спорта сталкиваются с проблемой использования точной и своевременной диагностики сотрясения мозга, чтобы обеспечить безопасный протокол возвращения в игру 5,7,8,9. Тем не менее, обнаружение сотрясения мозга может быть исключено спортсменами, которые минимизируют или отрицают симптомы, чтобы избежать диагноза сотрясения мозга, тем самым ускоряя их возвращение к игре. Эти действия могут потенциально увеличить риск синдрома второго удара, состояния, при котором быстрый отек мозга образуется после второй травмы головы во время фазы восстановления после сотрясениямозга 10. Кроме того, из-за отсутствия образования в отношении диагностики сотрясения мозга и переменного характера его физиологического определения, SRC нередко остается незарегистрированным или неправильно диагностированным11. К сожалению, длительные периоды повторных и неправильно управляемых сотрясений мозга могут привести к ряду хронических неврологических нарушений, таких как хроническая травматическая энцефалопатия (ХТЭ), которая тесно связана с SRC 12,13,14.
В целях борьбы с проблемами, связанными с SRC, спортивные организации используют различные инструменты оценки сотрясения мозга. Наиболее часто используемый и доступный инструмент, спортивный инструмент оценки сотрясения мозга (SCAT), представляет собой стандартизированный бумажный тест, который включает в себя физические и когнитивные оценки в сочетании с масштабированным сообщением о симптомах15,16. Тем не менее, предыдущие исследования показали, что отчетность о симптомах является субъективной и ненадежной, путем выявления гендерных различий в группах mTBI и выбросов в контрольной группе17,18. Более продвинутые инструменты, которые используются на профессиональном уровне, такие как Инструмент оценки немедленного после сотрясения мозга (ImPACT), который работает как компьютеризированный нейрокогнитивный тест (CNT), также становятся жертвами манипуляций, поскольку они требуют активного участия и усилий от спортсмена. Несмотря на встроенные проверки на манипуляции в УНТ, исследования показали, что они подвержены воздействию потолка и страдают от низкой надежности19,20. Ограничения этих существующих инструментов оценки в сочетании с более публичным пониманием значительных последствий SRC для здоровья привели к критической необходимости в объективном биомаркере, который может точно и своевременно диагностировать сотрясение мозга.
Одной из областей, которая показала перспективность в определении объективного биомаркера сотрясения мозга, является электрофизиология. Появляются доказательства того, что связанные с событиями потенциалы, в частности зрительные вызванные потенциалы (VEP), нарушаются после сотрясениямозга 21,22. Одно подмножество VEP; стационарные зрительно-вызванные потенциалы (SSVEP) представляют собой объективную, поддающуюся количественной оценке флуктуацию электрической активности, которая происходит в мозге в ответ на определенный набор визуальных стимулов, измеренных с помощью технологии электроэнцефалограммы (ЭЭГ)23,24. SSVEP обеспечивает улучшенную устойчивость к шумовым артефактам и переменное контактное сопротивление обычным измерениям VEP. Кроме того, из-за контролируемой частоты зрительного стимула происходит снижение синхронности между записями ЭЭГ и стимулом, что приводит к более упрощенной электрической модели 25,26. Этот подход был проверен частотами в диапазоне 12-15 Гц, что обеспечивает оптимальную характеристику значимости для стимулов мерцающего типа27. В целом, эти преимущества означают, что SSVEP предлагает более надежные электрофизиологические измерения, которые могут использоваться в неклинических условиях, таких как спортивные площадки и кабинеты врачей. Эта возможность применения в стороне в сочетании с положительными результатами технологии в предыдущей литературе делает ее перспективным кандидатом для идентификации объективного биомаркера для SRC.
Цель этого исследования состояла в том, чтобы изучить потенциальные различия в SSVEP, которые были зарегистрированы у спортсменов, которые были оценены опытным спортивным врачом как здоровые, сотрясенные или восстановленные после недавнего сотрясения мозга. Методология исследования предусматривала, что 65 мужчин-любителей регбийного союза регулярно оценивались с помощью портативной системы SSVEP в течение 18-недельного соревновательного сезона. Игроки должны быть оценены на исходный уровень до начала полноконтактного обучения и повторно оценены в течение 72 часов после соревновательных игр. Игроки, получившие травмы в течение сезона, были оценены врачом команды на сотрясение мозга и повторно оценены с помощью системы SSVEP для показателей после травмы и восстановления. Кроме того, это исследование расширяет свой протокол для проверки способности портативной системы SSVEP получать показания ЭЭГ исследовательского качества, которые потенциально могут помочь в боковой оценке SRC.
Это первое исследование, в котором был разработан протокол, который выявляет различия в ответах SSVEP у здоровых мужчин-любителей на трех стадиях сотрясения мозга; до травмы (исходный уровень), сотрясение мозга и восстановление (рисунок 1). Метод включал в себя набор и скрининг 65 участников, которые регулярно оценивались с помощью исследовательской установки SSVEP в течение соревновательного сезона. Поскольку установка SSVEP была относительно простой и портативной, все оценки проводились в неклинической среде, демонстрируя потенциальное использование в качестве оценки сотрясения мозга в месте оказания медицинской помощи. Исследование успешно продемонстрировало, что способность человека генерировать SSVEP ослабевает после диагностированного сотрясения мозга. Было замечено, что депрессивное влияние сотрясения мозга уменьшается после определенного периода восстановления, как видно, когда значения SSVEP возвращаются к предварительному сотрясению мозга для каждого человека. Статистический анализ между группами участников показал значимость эффектов затухания SSVEP. Высокая надежность испытаний-повторных испытаний у участников без сотрясения мозга подчеркнула стабильность электрофизиологического биомаркера в простых и более совершенных портативных системах SSVEP (таблица 2). Кроме того, абсолютное соглашение между системой SSVEP и традиционным усилителем ЭЭГ подтверждает технологию для использования в качестве медицинской помощи, способной получать сигналы ЭЭГ исследовательского качества (рисунок 10).
Поскольку это исследование зависело от участников, добровольно участвовавших в посттравматическом периоде, а также от повторных оценок в течение сезона регби, в метод пришлось внести некоторые логистические изменения. Расчетные периоды времени между исходными и повторными испытаниями должны быть гибкими, с тем чтобы соответствовать графикам участников. Несмотря на эти меры, некоторые игроки по-прежнему были потеряны для последующих действий по целому ряду различных причин, включая травмы, не связанные с этим, или отсутствие интереса. Это привело к использованию более полного статистического расчета, ICC, для надежности устройства в течение нескольких недель. Никаких побочных эффектов для установки SSVEP не наблюдалось. Были обнаружены некоторые логистические проблемы, которые потребовали незначительных изменений протокола: длинные или густые волосы, в частности, оказались проблематичными в приобретении хорошего контакта между гарнитурой и кожей головы участника. Поскольку плохой контакт снижал качество показаний ЭЭГ (рисунок 4), участники с длинными или густыми волосами должны были расчесывать и держать волосы вверх и сбоку головы, пока датчики были размещены. Дополнительный критерий исключения был сформирован из-за этой проблемы, когда люди со сложными прическами (например, дреды) были исключены из этого исследования.
Как указывалось ранее в этой статье, современные инструменты оценки сотрясения мозга очень субъективны и подвержены риску манипуляций со стороны спортсмена, которые в конечном итоге могут помешать способности клинициста поставить критически важный диагноз34. Некоторые исследования по отслеживанию спортсменов пытались исследовать более объективный биомаркер сотрясения мозга с помощью радиологических методов, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ). Однако эти методы предоставляют информацию только о макроскопических структурных повреждениях, таких как кровоизлияния, которые варьируются от определения сотрясения мозга как функциональной черепно-мозговой травмы 6,35. Результаты этого исследования подтверждаются предыдущими исследованиями, которые продемонстрировали, что VEP является функциональным биомаркером36, который ослабевает или задерживается при наличии сотрясениямозга 21,37,38. Хотя в этих предыдущих методах исследования VEP есть сходство в отношении нашей физической установки и гипотезы, наше исследование расширяет литературу за счет использования SSVEP над VEP. Кроме того, протокол варьируется в зависимости от изучения оценок игроков в режиме реального времени на трех стадиях сотрясения мозга по сравнению с традиционными контрольными и сотрясенными тематическими исследованиями. Кроме того, метод расширяет свои исследовательские возможности путем сравнения инновационных и традиционных систем ЭЭГ для выявления потенциальных различий, которые могут ограничивать их точность при получении объективных электрофизиологических измерений. Таким образом, протокол, используемый в этом исследовании, обеспечивает уникальное и ценное дополнение к существующей литературе по объективным биомаркерам сотрясения мозга.
Несмотря на общий успех этого протокола, следует отметить несколько ограничений. Например, была отмечена небольшая степень внутриучастной изменчивости фонового шума ЭЭГ для оценки, проводимой в непосредственной последовательности. Два ограничения проектирования протокола могут оказаться виноватыми в этой первой изменчивости: во-первых, отсутствие в 14-канальной системе ЭЭГ высокоточной импедансной обратной связи и слабые ограничения на влияние усталости и окружающей среды на внимательность субъекта. Хотя эта внутриучаствующая изменчивость не была замечена с другими системами ЭЭГ, используемыми в этом протоколе, стоит изучить эти эффекты более подробно, чтобы подтвердить, что их причина является результатом конструкции гарнитуры, а не неидентифицированным природным явлением. Во-вторых, большинство участников имели более крупные сигналы SSVEP после второй оценки по сравнению с первой (таблица 1). Это может быть результатом того, что участники становятся более знакомыми с процессом оценки и последующей поведенческой адаптацией к настройке оборудования, включая снижение моргания и беспокойства во время повторного представления стимула. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, действительно ли существует ознакомительный эффект протокола SSVEP, и если да, то какие потенциальные изменения необходимо внести, чтобы уменьшить его распространенность в будущих исследованиях. Наконец, важно отметить, что из-за обширной зависимости от добровольцев из относительно небольшой популяции лиц (тех, кто подвергается высокому риску возникновения сотрясения мозга с готовностью к повторному обследованию), это исследование было ограничено небольшим размером выборки из 65 участников, 12 из которых перенесли сотрясение мозга. Исследования с большим размером когорты понадобятся для оценки надежности оценки сотрясения мозга в этом протоколе, особенно его чувствительности и специфичности. Также было бы интересно увидеть, как этот протокол воспроизводится в ряде возрастных групп, чьи состояния развития мозга варьируются, от тех, кто все еще развивается (подростки), до тех, у кого потенциальное снижение когнитивных функций (пожилые люди), и определить, значительно ли отличается реконсивность. Что касается улучшенной системы SSVEP, ее сравнительное исследование выявило встроенные ограничения устройства по сравнению с традиционными системами ЭЭГ. Традиционные системы ЭЭГ обычно используют полную систему монтажей 10-20, которые включают 21 электродный участок (рисунок 7B). Система SSVEP, с другой стороны, использует только три электродных канала (O1, O2 и Oz), соответствующих зрительной коре (рисунок 7A). Это снижение возможностей означает, что система имеет более узкую сферу применения ЭЭГ и ограничивает потенциальный анализ, который может быть проведен на основе электрофизиологических данных, полученных в рамках этого протокола.
Как упоминалось ранее, необходимы дальнейшие исследования, чтобы преодолеть ограничения этого протокола и проверить его силу на более широкой когорте, чтобы оценить, могут ли его результаты быть обобщены. Что еще более важно, необходимы дополнительные исследования, чтобы лучше понять механизмы, лежащие в основе нашего открытия в ослаблении SSVEP. Например, изменения в реакции SSVEP, обнаруженные у наших участников с сотрясением мозга, являются наиболее вероятными представлениями о нарушениях функции нейронов, но пока не установлено, являются ли они первичными (например, поврежденное белое вещество) или вторичными (например, нейровоспалительными) явлениями. Одним из потенциальных будущих применений этого метода является исследование восстановительного периода, связанного с депрессией нейронов и сотрясением мозга, индивидуализированным для субъекта. Более глубокое понимание этого периода восстановления может привести к внесению изменений в правила и положения о возвращении к игре (RTP), которые лучше защищают травмированного спортсмена. Этот метод также вводит практичность портативной системы SSVEP, применяемой в неклинических условиях, таких как оценка сотрясения мозга, проводимая целесообразно на боковой линии спортивного поля. Это может принести значительную пользу не только медицинским работникам, но и тренерам, спортсменам и их соответствующим семьям для устранения негативных физиологических последствий сотрясения мозга и синдрома второго удара10,11. Создание улучшенных систем SSVEP, таких как портативная система SSVEP, используемая в этом исследовании, может привести к появлению более совершенного оборудования и технологических применений в области нейрофизиологии и SRC, которые окажутся полезными для успеха будущих исследований.
Таким образом, этот протокол оказался успешным в своей цели идентификации SSVEP в качестве объективного биомаркера сотрясения мозга у спортсменов контактного спорта. Исследование в целом предоставляет доказательства того, что SSVEP значительно ослаблены при наличии сотрясения мозга и могут быть надежно получены на уровне качества исследований с помощью упрощенной портативной системы ЭЭГ. Поэтому мы предлагаем использовать SSVEP в качестве дополнительной помощи для оценки сотрясения мозга, в частности, для боковой оценки SRC. Дальнейшие исследования с более совершенными протоколами, передовыми методами и улучшенным оборудованием могут основываться на этом исследовании и предоставлять важную информацию для борьбы с пагубными последствиями сотрясений мозга для жизни спортсменов.
The authors have nothing to disclose.
Оборудование, использованное в первоначальном эксперименте (исследовательский SSVEP), было предоставлено Школой аэрокосмической, механической и мехатронной инженерии в Сиднейском университете. Оборудование, используемое во второй половине исследования, интегрированные системы SSVEP и EEG, были предоставлены HeadsafeIP.
Ag-AgCl Electrodes | Compumedics | 97000153 | Disposable EEG electrode Wires |
Cardboard VR | 87002823-01 | VR Frame | |
CaviWipes | Metrex | 13-1100 | Disinfectant Wipes |
Emotiv Xavier | Emotiv | EMO-BCI-ONET-MAC-01 | EEG Headset Software / Contact Quality |
EPOC Felt Sensors | Emotiv | EMO-EPO-FELT-00 | EEG soft electrode contacts |
USB Reciever Universal Model | Emotiv | EMO-EPO-USB-04 | Signal Reciever for 14 channel EEG Headset |
EPOC+ | Emotiv | EPOC+ V1.1A | 14 Channel EEG headset |
Excel 2016 | Microsoft | KB4484437 | Spreadsheet Software |
Grael 4K EEG Amplifier | Compumedics | 928-0002-02 | Clinical EEG / 40 Channel EEG Amplifier Unit |
iPad 5th Generation | Apple | A1822 | iOS Device |
iPhone 6s | Apple | A1633 | iOS Device |
iTunes | Apple | V12.5.5.5 | Mobile Device Management Utility |
MATLAB | MathWorks | R2015b | Numerical Computing Software |
Nurochek iOS App | HeadsafeIP | HS02 | SSVEP iOS App Software |
Nurochek System | HeadsafeIP | HS01 | Portable SSVEP System |
Polyurethane Sensor Cylinders | Headsafe | HSIP01-213 | EEG soft electrode contacts |
Profusion EEG 5 | Compumedics | AH744-00 | Clinical Neurology Software for EEG Amplifier |
Quik-Gel Electrolyte | Compumedics | 92000016 | EEG Conductive Gel |
Renu Fresh Solution | Bausch+Lomb | 435720 | Saline Solution |
SPSS 24 | IBM | CRZ0WML | Statistical Analytics Software |
Ten20 Paste | Weaver | 92100031 | EEG Skin Prep Gel/Paste |
Vaio Pro 11 | Sony | SVP1132A1CL | Computer / Laptop |
Xperia Z1 | Sony | C6906 | LCD Smartphone |