Twój mózg w sześć minut: platforma NeuroCatch do oceny mózgu

Historycznie jedyną oceną funkcji mózgu było badanie neurologiczne/neuropsychologiczne. Te tradycyjne testy przeprowadzono poprzez długie wywiady z pacjentami z kilkoma żmudnymi testami typu papier-ołówek.

W pewnym momencie do tych tradycyjnych testów dodano metody neurofizjologiczne, takie jak elektroencefalografia (EEG), a następnie udoskonalono je przez dodanie nowych metod neuroobrazowania.

Jednak ostatnie odkrycia sugerują, że wywiad i test nie wystarczą. Obecne metody neuroobrazowania, takie jak tomografia komputerowa (CT), wiele różnych metod opartych na obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego (MRI), pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) i magnetoencefalografii (MEG) są zwykle bardzo drogie i wymagają zarówno intensywnej infrastruktury, jak i profesjonalnego personelu. Dlatego zarówno przemysł, jak i środowisko akademickie poszukują metod, które są tańsze, bardziej niezawodne i bardziej dostępne dla codziennych pacjentów.

Jedną z takich metod jest potencjał związany ze zdarzeniami (ERP). Obecnie pomiar potencjałów wywołanych jest jedną z najpopularniejszych metod eksperymentalnych w neurobiologii kognitywnej do badania fizjologicznych korelatów przetwarzania informacji czuciowych i poznawczych z procesami uczenia się, pamięcią i uwagą, przeciążeniem, a nawet stresem.

Chociaż ERP jest metodą o ugruntowanej pozycji ( po raz pierwszy został opracowany w latach 30. ), wdrażanie do codziennych badań klinicznych wciąż trwa. ERP są również wykorzystywane w jednym z najpopularniejszych protokołów nieinwazyjnego interfejsu mózg-komputer (BCI).

NeuroCatch to ekscytująca firma, która nie tylko pracuje nad klinicznym zastosowaniem ERP ( szczególnie w przypadku urazów mózgu, chorób neurologicznych i zdrowia psychicznego ), ale także wykorzystuje ERP w kontekście optymalizacji mózgu i badań naukowych.

Mówiąc dokładniej, NeuroCatch opracowuje własne metody oceny i monitorowania szeregu schorzeń, takich jak wstrząs mózgu i zespół stresu pourazowego, i już bada szersze zastosowania swojego rozwiązania.

Rozwiązanie NeuroCatch to dostępne, wydajne narzędzie do oceny i monitorowania mózgu

Rozwiązanie NeuroCatch opiera się na technologii elektroencefalografii (EEG), która w sposób nieinwazyjny ( elektrody umieszczane wzdłuż skóry głowy ) rejestruje aktywność elektryczną mózgu. Pomiar taki jest dostępną, tanią i przenośną metodą, którą można wykonać w każdym gabinecie neurologicznym.

Jego rozwiązanie zawiera kubek EEG, słuchawki, komputer i urządzenie, które może urzeczywistnić dokładne pomiary: adapter Evoked Potential Input/Output (EPiO)™. Korzystając z tego systemu, firma wykorzystuje potencjały wywołane (ERP) do szybkich pomiarów funkcji mózgu.

Jednym z krytycznych parametrów każdego systemu ERP jest precyzja czasowa, ponieważ potencjały mózgowe wymagają wielu powtórzeń stymulacji, a reakcja mózgu na te bodźce następuje po dziesiątkach lub setkach milisekund po ich wystąpieniu. Właśnie dlatego NeuroCatch opracował swój synchronizator czasu — EPiO™. Ich technologia pozwala [jeden] uchwycić fale mózgowe z niedokładnością pomiaru bliską zeru.

NeuroCatch wykorzystuje czepek EEG z trójkanałową siatką z najpopularniejszymi mokrymi elektrodami AG/AgCl umieszczonymi w standardowych pozycjach do pomiaru ERP — Fz ( nad płatem czołowym ), Cz ( między płatami czołowymi a ciemieniowymi, nad korą somatosensoryczną ), & Pz ( nad płatem ciemieniowym ), wszystkie trzy oparte na ustalonych badaniach naukowych.

Wybrali dobrze ugruntowane ERP od czucia do poznania: (1) odczucie słuchowe po około 100 ms po bodźcu; (2) dziwak słuchowy ( tj . podstawowa uwaga ) po 300 ms; oraz (3) przetwarzanie mowy słuchowej ( tj. przetwarzanie poznawcze) po 400 ms. Publikacje pokazują, że te ERP mogą dostarczać konkretnych informacji dotyczących funkcjonowania mózgu, od niskiego poziomu czuciowego do wyższego poziomu przetwarzania poznawczego, a tym samym mają zdolność diagnostyczną. Poza podstawowymi parametrami technicznymi ich system posiada wbudowane algorytmy wykrywania i korekcji hałasu, które przyspieszają generowanie końcowego raportu oceny dla pacjenta lub lekarza. Co więcej, w pełni automatyczne oprogramowanie filtrujące sygnały wykrywa szczyty ERP i wykonuje wszystkie obliczenia w tle potrzebne do dostarczenia wnikliwego raportu ( więcej na ten temat poniżej ).

Konwencjonalne EEG ma ugruntowaną pozycję w środowisku medycznym w szpitalnej lub ambulatoryjnej ilościowej ocenie aktywności napadów, wykrywaniu ognisk padaczkowych, ocenie snu, monitorowaniu stanów znieczulenia. Jednak technologia ta na ogół nie jest przenośna, wymaga dłuższych sesji oceny (np. > 45 minut, czasem nawet z dnia na dzień), a do interpretacji i monitorowania danych potrzebni są specjaliści. Zatem konwencjonalne EEG jest powolną, uciążliwą i wymagającą dużego personelu metodą oceny.

Co więcej, w przypadku konwencjonalnej oceny EEG brakuje automatycznie generowanego raportu zawierającego wnikliwe wyniki badań, które są łatwo dostępne zarówno dla klinicystów, jak i pacjentów.

Ogólnie rzecz biorąc, platforma NeuroCatch jest zarówno szybka, jak i przenośna i może dostarczać raporty, które można wykorzystać w różnych kontekstach, na przykład do oceny ewolucji stanów mózgu po wstrząśnieniu mózgu.

Procedura testowania NeuroCatch jest znacznie bardziej efektywna czasowo:

Przygotowanie do badania trwa około 5 minut i polega na założeniu czepka na głowę pacjenta i uzyskaniu odpowiedniej przewodności (poziom impedancji <30kΩ). Pacjent nie wymaga specjalnego przygotowania do tego badania (np. nie jest wymagany post).

Pacjentom odradza się jednak spożywanie alkoholu lub narkotyków przed badaniem NeuroCatch, ze względu na ich udokumentowany wpływ na funkcje mózgu.

Co więcej, pacjent może również zgłosić lekarzowi lub technikowi spożycie kofeiny lub nikotyny, których skutki mogą być rozliczane przez algorytmy NeuroCatch. Właściwy test trwa około 6 minut stymulacji dźwiękowej ( w różnych tonach ) i poznawczej ( pary mówionych słów ). Bodźce tonowe wywołują reakcje N100 i P300, a pary słów mówionych wywołują reakcje N400. Uczestnicy muszą zwracać uwagę na bodźce słuchowe, utrzymując fiksację wzrokową na prezentowanym na monitorze krzyżyku.

Wyniki testu są prezentowane za pomocą automatycznie generowanych profili pacjentów składających się z wykresów radarowych nałożonych na znormalizowany zdrowy zakres, aby umożliwić szybkie porównania.

Automatyzacja przyspiesza cały przepływ pracy, zapewniając jednocześnie standaryzację i obiektywność testów.

Ogólnie rzecz biorąc, raport ten jest używany przez profesjonalistów do identyfikacji obszarów poznawczych wymagających poprawy u zdrowych osób, ale także do dostosowywania przebiegu leczenia pacjenta.

Niezawodne rozwiązanie oparte na kilku godnych uwagi współpracach

Od samego początku założyciele NeuroCatch chcieli bezpośrednio odpowiedzieć na potrzebę szybkiego, obiektywnego, fizjologicznego pomiaru funkcji poznawczych mózgu.

Potrzeby są ogromne, ponieważ zaburzenia mózgu bezpośrednio dotykają 1 na 3 mieszkańców Ameryki Północnej, a obecny zestaw dostępnych narzędzi opieki zdrowotnej wciąż nie ma czułych instrumentów do pomiaru zdrowych funkcji poznawczych mózgu w porównaniu z dysfunkcjami.

Dzięki ponad 7-letnim pracom badawczo-rozwojowym w USA i ponad 25-letnim badaniom naukowym stojącym za rozwiązaniem NeuroCatch, monitorowanie parametrów życiowych mózgu w Neurocatch było prowadzone przez elitarnych sportowców w Mayo Clinic, w Sanford Clinic oraz we współpracy z Creative Artists Agency ( CAA).

Ta współpraca badawcza miała kluczowe znaczenie dla komercjalizacji Platformy NeuroCatch® ( więcej informacji na temat podróży firmy oraz badań i publikacji można znaleźć na stronie internetowej NeuroCatch ). Obecny plan rozwoju firmy zapewnia bardzo przejrzystą mapę drogową produktu w celu rozszerzenia wskazań klinicznych i zwiększenia łatwości użytkowania.

NeuroCatch zawsze działał na styku nauki, medycyny i biznesu, aby zapewnić, że jego rozwiązania są zarówno innowacyjne, jak i skuteczne.

Mówiąc dokładniej, oprócz projektów badawczo-rozwojowych prowadzonych we współpracy z naukowcami i klinicystami z Ameryki Północnej, komercyjne rozwiązanie NeuroCatch jest wykorzystywane przez naukowców do automatycznego pozyskiwania ERP.

Platforma NeuroCatch® dostarcza surowe dane ERP, otwierając szerszy zakres możliwych zastosowań dla naukowców (podczas gdy dostępne są również podstawowe dane EEG), ale niewątpliwie te zalety docenią osoby zaangażowane w badania z wykorzystaniem ERP.

Na przykład Platforma jest używana przez wiele niezależnych grup w środowisku akademickim od ponad dekady (np. Mayo Clinic). Jest szeroko stosowany w Ameryce Północnej i dalej rozwijany w Europie i Australii. Platforma jest również wykorzystywana przez niektóre czołowe ośrodki badawcze w USA (np. Cornell), które wykorzystują ją w badaniach do publikowania niezależnych opracowań.

Wreszcie, platforma NeuroCatch® została wdrożona do użytku w coraz większej liczbie wiodących organizacji amatorskich i zawodowych w sporcie (np. .

Przykładem badania, w którym system NeuroCatch został wykorzystany do zebrania dowodów, było badanie dotyczące młodzieżowych sportów kontaktowych w hokeju.

Osoby były monitorowane między punktem wyjściowym, kontuzją, powrotem do gry (RTP) i końcem sezonu.

Podczas tych interwencji rejestrowano ERP wraz z podawaniem rutynowych klinicznych protokołów leczenia wstrząsu mózgu oraz istniejących i nowych interwencji. Natychmiast po wstrząśnieniu mózgu można wykryć znaczące zmiany we wszystkich trzech wskaźnikach ERP, przy czym wstępne badanie przełomowe wykazało wzrost amplitudy i opóźnienia w opóźnieniu.

Podczas gdy większość tych wskaźników powróciła do poziomów wyjściowych po tym, jak gracze przeszli przez protokół RTP, amplitudy P300 były nadal znacznie wyższe od wartości wyjściowych, wykazując zwiększoną wrażliwość na niewykryte resztkowe zaburzenia wstrząśnienia mózgu.

Co więcej, podkreślając czułość platformy NeuroCatch®, podobne analizy wykazały i powtórzyły zdolność wykrywania zmian podwstrząsowych u hokeistów i piłkarzy, którzy nie doznali zdiagnozowanego wstrząśnienia mózgu. Wyniki Platformy NeuroCatch® były bardzo i znacząco wrażliwe na liczbę uderzeń, jakich doświadczyli ci gracze, wykazując spójny wzorzec zmian w badaniach.

Geneza NeuroCatch i ich ciągłe zaangażowanie w badania i środowisko akademickie, niedobór niezawodnych narzędzi oceny, wyniki własnych i niezależnych badań NeuroCatch, przenośność platformy, automatyzacja procesu oceny oraz wykorzystanie wyników oceny do poprawy wydajność mózgu zdrowych osób lub dostosowane terapie dla pacjentów neurologicznych — wszystko to prowadzi do opinii, że NeuroCatch stworzył użyteczny produkt dla klinicystów, badaczy i nie tylko.

Przed NeuroCatch jeszcze wiele, w tym dalsza standaryzacja w grupach pacjentów i grupach wiekowych oraz rozwój ocen dla szerszego zakresu schorzeń. Pod tym względem NeuroCatch zauważa już pozytywne koło w swoim podejściu, w którym (i) algorytmy automatyzacji NeuroCatch już przekładają testy na standaryzowane wyniki, przy czym skanowanie jest niezależne od osoby, która je wykonuje (ii) ponieważ NeuroCatch i jego partnerzy wykonują dodatkowe testów, NeuroCatch może udoskonalić istniejące normatywne bazy danych, biorąc pod uwagę specyfikę pacjenta (np. wiek, płeć, stan podstawowy), mając na uwadze skalowalność, biorąc pod uwagę krótki czas testu NeuroCatch. Jak wspomniał dr Ryan D'Arcy: „Według naszej wiedzy, godne uwagi pierwsze pod względem przyszłej powszechnej standaryzacji ERP i ogólnodostępnych danych normatywnych poprzez recenzowaną publikację, coś, co jest zbierane razem w ramach ram życiowych mózgu. Uważamy, że jest to bardzo ważny kierunek, w jakim powinna podążać branża”.

Ogólnie rzecz biorąc, osiągnięcia dr Ryana D'Arcy i zespołu NeuroCatch są co najmniej godne uwagi, a potencjał wdrożenia platformy NeuroCatch® powinien być uważnie monitorowany, ponieważ firma czyni znaczące postępy na froncie regulacyjnym, z planuje rozszerzyć istniejące dopuszczenia do użytku klinicznego w USA i Kanadzie.

Opis „Demo” przeprowadzonego przez Zespół NeuroCatch dla NTX Services

Firma NTX Services była w stanie dwukrotnie (wirtualnie) spotkać się z zespołem NeuroCatch, aby wziąć udział w rzeczywistych doświadczeniach użytkowników zarówno klinicystów/techników ( w kontekście tej recenzji produktu będzie użyte słowo „technik” ), jak i uczestników / pacjenci.

W sumie przeprowadzono 3 procedury u 2 różnych ochotników.

Każda procedura rozpoczynała się od założenia przez uczestnika ochotnika słuchawek i nasadki EEG.

W odniesieniu do czepka EEG klinicysta zadbał o uzyskanie odpowiedniej impedancji ( wszystkie elektrody miały impedancję około 5 kΩ , z wyjątkiem referencyjnej 12 kΩ ).

Równolegle technik przeprowadzał wywiad z uczestnikiem, przechodząc przez kwestionariusz z pytaniami dotyczącymi nastroju, używek, leków itp., a cały proces trwał nie dłużej niż 10 minut. Zespół wyjaśnił, że nie spieszy się do celów demonstracyjnych i podkreślił, że test jest często wykonywany szybko w terenie, a najkrótszy testowany czas wynosi zwykle łącznie 10 minut.

W tym momencie rozpoczęła się seria testów, wymagających całkowitej ciszy przez 6 minut i 32 sekundy potrzebne do przeprowadzenia testu pacjenta.

Raport z tego testu został wygenerowany w ciągu 2 minut i gotowy do przejrzenia przez technika dla pacjenta.

Ten raport zawiera faktycznie zarejestrowane przebiegi ERP wraz z przeglądem 3 przeprowadzonych testów (tj. N100 w celu określenia wrażenia słuchowego, P300 w celu określenia podstawowej uwagi i N400 w celu określenia przetwarzania poznawczego), a także bardziej szczegółowe wyniki dla każdego z 3 testy z perspektywą amplitudy i latencji dla każdego testu w porównaniu z próbką (z ogólnej populacji wszystkich grup wiekowych i płci).

Podczas gdy strona podsumowania zwykle pokazuje te 6 wartości podsumowania (tj. amplitudę i opóźnienie w każdym typie testu) oraz czy uzyskane wartości mieszczą się w zakresie, w przypadku pierwszego uczestnika biorącego udział w tej demonstracji dwie wartości P300 nie zostały przedstawione na stronie podsumowania jednak pomyślnie zarejestrowany P300 został pokazany w wyniku krzywej.

Brak tych danych podsumowujących ma miejsce, gdy algorytm wykrywania pików NeuroCatch AI nie spełnia ustalonych kryteriów wystarczających do aktywacji. Jest to funkcja projektowa mająca na celu uniknięcie fałszywych alarmów i umożliwienie algorytmowi sztucznej inteligencji ciągłego „uczenia się” w czasie, przy czym rzeczywiste zarejestrowane przebiegi ERP są zawsze dostarczane jako wynik podstawowy. Chociaż według zespołu NeuroCatch detektor pików AI może się nie aktywować z powodu kombinacji czynników, które mogą wpływać na dane psychofizjologiczne, w tym bodźców zewnętrznych i/lub czynników intrapersonalnych (np. stan poznawczy lub fizjologiczny uczestnika podczas testu, brak uwagi do testu P300 itp.).

W rezultacie algorytm NeuroCatch nie obliczył automatycznie amplitudy i latencji testu P300, jednak wyszkolony technik/klinicysta powinien być w stanie przejrzeć przebiegi ze szczegółowego raportu i mimo to przeprowadzić ocenę pacjentów dotyczącą ich testu P300.

Procedura została przygotowana również dla innego uczestnika-wolontariusza.

Przygotowanie odbywało się w ten sam sposób i trwało mniej więcej tyle samo czasu, co w przypadku pierwszego uczestnika.

W tym przypadku impedancja była prawie taka sama dla każdej elektrody przy ~5 kΩ.

Algorytm wykrywania pików AI został aktywowany dla wszystkich odpowiedzi ERP, więc raport zawierał wszystkie wartości z analiz, w tym w podsumowującej części raportu (z prezentacją tym razem informacji o amplitudzie i opóźnieniu P300).

Dane dotyczące tego zdrowego ochotnika wykazały niższą amplitudę P300 w połączeniu ze zwiększonym opóźnieniem N400, co technik NeuroCatch zinterpretował jako prawdopodobne zmęczenie uczestnika w tym przypadku, mimo że wyniki mieściły się w znormalizowanym zakresie normatywnym.

Aby zweryfikować hipotezę, że optymalizacja wyników jest możliwa, technik powtórzył skan NeuroCatch po „obudzeniu” ochotnika, serwując mu podwójne espresso. Następnie przeprowadzono drugą serię testów na ochotniku.

Tym razem test P300 wykazał wyższą amplitudę, a test N400 wykazał krótsze opóźnienie.

Po raz kolejny algorytm wykrywania pików AI został aktywowany, a raport podsumowujący pokazał również wartości amplitudy i opóźnienia dla wszystkich 3 wykonanych testów. We wszystkich przypadkach rzeczywiste zarejestrowane przebiegi ERP były dostępne w celu weryfikacji odpowiedzi fizjologicznych.

Ogólnie rzecz biorąc, wykonanie dwóch serii testów (jednej krótko po drugiej) pozwoliło nam zaobserwować, że ta seria testów (i odpowiadające im wyniki przebiegów) jest dość wrażliwa na zmiany konkretnej sytuacji uczestnika w danym dniu (np. poziom kofeiny w systemie).

To dodatkowo potwierdza znaczenie podawania wstępnego kwestionariusza, aby upewnić się, że pacjenci przechodzą testy w podobnych warunkach (np. liczba godzin snu poprzedniej nocy, ilość kofeiny spożytej tego dnia) oraz aby umożliwić technikom/klinicystom właściwą interpretację wyników biorąc pod uwagę sytuację pacjenta.

Wreszcie, wykonanie dwóch serii testów dla tego samego uczestnika pokazało, w jaki sposób raport NeuroCatch może wyraźnie przedstawiać wyniki porównawcze dla tych samych pacjentów na tym samym wykresie, umożliwiając precyzyjne porównanie wydajności w różnych testach.

Autorstwo
Napisane przez NTX Services we współpracy z NeuroCatch . NTX Services współpracuje obecnie z NeuroCatch i jej spółką macierzystą HealthTech Connex w ramach szeroko zakrojonego projektu konsultingowego.

NTX Services jest wyłącznym partnerem NeuroTechX, który łączy ekspertów w dziedzinie neuronauki, technologii i strategii z różnych środowisk zawodowych i akademickich, aby oferować profesjonalne usługi.

NeuroCatch jest producentem platformy NeuroCatch®, wiodącego w branży urządzenia medycznego, które oferuje obiektywną ocenę funkcji poznawczych, która jest dostarczana w miejscu opieki w ciągu kilku minut.

HealthTech Connex to firma biotechnologiczna, która wypełnia lukę między badaniami a rzeczywistymi zastosowaniami w zaawansowanej opiece nad mózgiem.

Wkład w projekt
Han Cat Nguyen jest entuzjastą neurotechnologii i doktorantem na Uniwersytecie McGill. Jej pasją są interfejsy mózg-komputer, w szczególności roboty sterowane mózgiem.

Bibliografia

Poręczny, TC (2005). Potencjały związane ze zdarzeniami: Podręcznik metod . Cambridge, MA: Bradford/MIT Press.

Hajra, SG i in. (2016). Rozwój funkcji życiowych mózgu: wstępne ramy monitorowania zmian funkcji mózgu w czasie. Granice w neuronauce 10, 211.

Fickling, SD i in. (2019). Oznaki życiowe mózgu wykrywają zaburzenia neurofizjologiczne związane ze wstrząsem mózgu w hokeju na lodzie. Mózg 142, 255–262.

Fickling, SD i in. (2021). Podwstrząsowe zmiany parametrów życiowych mózgu przewidują ekspozycję na uderzenie głową u hokeistów na lodzie. Mózg Communications 3, wydanie 2, 1–10.

Fickling, SD i in. (2022). Zmiany podwstrząsowe u młodych piłkarzy: obiektywne dowody z wykorzystaniem funkcji życiowych mózgu i akcelerometrów oprzyrządowanych. Mózg Communications 4, wydanie 2, 1–10.

Carrick, FR i in. (2021). Objawy życiowe mózgu w elitarnym hokeju na lodzie: w kierunku scharakteryzowania obiektywnych i konkretnych neurofizjologicznych wartości referencyjnych do zarządzania wstrząsem mózgu. Granice w Neuroscience 15, 670563.