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Flanker任务引发的事件相关潜在来源反映人重组红细胞生成素对帕金森患者的差异效应
抽象的
我们使用脑电图来源分析来确定哪些皮层区域参与了侧边任务抑制控制的自动和受控过程,并比较了重组人红细胞生成素(rHuEPO)对帕金森病患者表现的潜在疗效。样本18药用PD患者(其中9收到rHuEPO除了平时anti-PD药物通过随机分配和其他9名患者在常规anti-PD药物)和9年龄和education-matched健康对照组(高碳钢)完成了侧抑制任务同时脑电图记录。识别N1和N2事件相关电位(ERP)成分,并使用低分辨率断层成像(LORETA)逆解对神经发生器进行定位。与对照组相比,PD患者侧翼不一致的反应时间和错误增加。脑电图来源分析发现rHuEPO对早期N1成分舌回的影响。中扣带和楔前叶的n2相关源与不一致刺激诱发的自动反应抑制有关。从我们的结果来看,rHuEPO似乎调解了舌回中N1源的影响,但对行为表现没有影响。中扣带和楔前叶的n2相关源是由PD和hc的不一致刺激引起的。
1.介绍
发现神经保护剂以减缓帕金森病(PD)的进展,重要的是,改善认知缺陷是一个活跃的研究领域[1].寻找药物来补充针对运动症状的多巴胺能治疗并不奇怪,因为患者的特征性运动障碍通常伴有认知缺陷[2].因为认知功能障碍对患者的生活质量有负面影响[3.];在PD中找到目标认知的有效疗法是至关重要的。作为一个例子,我们发现人重组促红细胞生成素(Rhuepo)[4]慢性药物治疗的PD患者认知能力的一般测量得到改善,这是对其常规治疗的额外益处。这一结果扩展到PD,为其他神经疾病中已经描述的rHuEPO的神经保护特性提供了证据[5],并由EPO在PD动物模型中的抗凋亡、抗炎和细胞保护作用支持[6,7].这一有希望的结果表明需要进一步研究rhuepo对PD中认知的影响。
我们认为,为了进一步了解rHuEPO对PD患者认知功能的影响,我们需要考察其对特定信息加工阶段的影响。这是因为在我们之前的研究中使用的显性行为测量(a)作为许多顺序过程的最终结果,不具有时间敏感性,(b)不反映局部神经活动。因此,作为第一个目标,我们将注意力集中在参与抑制控制的非常早期的自动神经过程上,这在非痴呆PD患者中是很常见的。这种早期抑制控制的缺失很容易在一些任务中被测量出来,如Stop signal, go - no-go, Stroop, Hayling Sentence Completion task, and the Simon task [8,9].然而,我们决定使用一个经过充分研究的范例:Ericksen的Flanker Task [10].它探讨了缺乏与抑制不协调的刺激干扰的困难相关的抑制。它允许评估非常短的延迟自动激活到100毫秒约100毫秒的不一致的侧翼。和200毫秒约为的其他受控过程。这些产生的反应时间(RTS)和不一致试验中的误差与PD患者的一致试验相比正常(例如,[11- - - - - -13].然而,我们感兴趣的是早期的ERP反应,而不是RT标记的显性行为反应,后者发生在大约400毫秒后。
目前还没有明确的方法从行为上研究这些早期反应。然而,这些过程可以通过直接测量诸如事件相关反应(ERPs)所提供的快速神经反应来探索。特别地,flanker任务引出了分别与自动过程和受控过程相关的N1、N2和P3 ERP成分[14].在这里,我们将只关注早期组分N1和N2。据我们所知,在PD的侧翼任务中,N1组分尚未得到充分研究。然而,关于PD患者侧翼任务不一致试验的前中心N2受到了更多关注[13,15- - - - - -18].对已服药的PD患者和drug-naïve新发PD患者的比较表明,两者均不存在PD(参见[17[]),多巴胺能药物也不能在不一致的flanker任务条件下调节N2振幅的变异性(有关讨论,请参阅Seer等人对ERP和PD认知的综述[19])。因此,确定由rHuEPO在多巴胺能治疗方面产生的额外认知改善是否伴随着N1和N2 ERP成分的早期成分的变化,似乎是合乎逻辑的,这有助于我们确定受这种药物影响的认知加工阶段之一。此外,除了更细粒度的时间信息外,还可以利用源定位方法来识别任何ERP组件变化的神经源。
因此,我们的研究目的是使用一个侧面任务来识别rHuEPO是否改善了PD患者的自动和控制抑制控制,并定位这些过程的神经生成器。这可能是确定这种认知过程的ERP生物标志物用于临床试验的第一步。
2。材料和方法
2.1.方法
2.1.1.样本和临床试验的描述
在La Habana,古巴La Habana,Cena临近的诊所,招募了十八名PD患者(Hoehn和Yahr阶段I至III,平均53.9,SD 3.2岁)招募了Cenfroindooration,Centro International de Restaurancion Neurologica(Ciren),参加了安全PD中促红细胞生成素(Rhuepo)的临床试验。可以在[4]纳入标准为根据英国脑库标准对特发性PD的临床诊断,以及对多巴胺能治疗的良好反应,年龄在45至75岁之间[20.]排除标准为主要认知障碍、精神病症状和/或其他慢性疾病的表现或指示体征。通过随机分配,9名PD患者在常规抗帕金森病药物rHuEPO的基础上额外服用rHuEPO 5周,其他9名患者未服用。rHuEPO批准并注册用于人类的ERD是在古巴哈瓦那的Inmunologia分子中心(ior®EPOCIM)获得的两组帕金森病患者在年龄、受教育年限或病程方面没有显著差异。为了排除痴呆症和抑郁症,分别进行了迷你精神状态检查和汉密尔顿抑郁量表[21,22].所有患者在“开启”(平均6.3,SD1.1)和“关闭”(平均21.7,sd4.3)用药期间均采用统一帕金森病疾病评定量表(UPDRS)的运动亚量表进行评估。
为了比较的目的,在同一诊所招募了9名年龄(平均51.2岁,SD 3.9岁)和教育水平匹配的健康对照(hc)。对帕金森病患者进行常规抗帕金森药物治疗试验。患者和对照组签署了参与本研究的知情同意书,作为对CIREN伦理委员会规定的临床试验的补充。
2.1.2。Eriksen的侧翼任务
所有参与者完成埃里克森的侧翼任务,同时记录脑电图。每一组实验包括5个排列有序的字母(HHHHH或SSSSS)和5个中间有H或S的字母(SSHSS或HHSHH)。参与者被要求对中间的字母H或S做出反应,分别用右手或左手的食指按下键。参与者被要求尽可能快速、准确地做出反应。在两个街区共进行了480次试验,每次持续8分钟。在每个块中,80个刺激对应于一致条件,160个刺激对应于不一致条件。只有反应时间(RTs) >150和<800毫秒的正确反应被选择进行分析。
刺激的物理特性是在白色框架上的黑色字母,高度= 1.5cm,长度= 7厘米,在6°视角下。参与者与计算机监视器的距离为60厘米。每个刺激都在屏幕的中心呈现为190毫秒,然后是1735毫秒的固定间隔间隔(ITI)。设计了40个刺激的训练块,以确保任务说明被理解。
2.1.3。ERP测量
从位于国际10/20系统的标准位置的64个电极,以512Hz的采样率连续记录脑电图(EEG),使用脑视觉系统(https://www.brainproducts.com/products_by_apps.php?aid=5) [23].连接的耳朵用作在线参考和前面。为了监测眼睛运动人工制品,从放置1cm的电极到外部Canthi的左右电极,以及右眼下方的电极记录电极图(Eog,水平和垂直)。
使用1-30 Hz和凹口滤波器过滤数据,以消除60 Hz电力线伪影。使用对所有通道的平均引用引用所有数据。基线在-200和0毫秒之间纠正。电力活动的时期超过基线活动100 μV被认为是人为的,并被自动拒绝进一步处理(15%的epoch与命中有关,11%的epoch与错误有关)。分析时,排除了几种电极(EOG、ECG、TP9和TP10)。
在两种实验条件下,从每个参与者的所有电极的EEG记录中获得ERP,并使用Analyzer软件对两组进行平均(https://www.brainproducts.com/productdetails.php?id=17).800毫秒(从- 200毫秒(基线)到刺激后600毫秒)的时代被锁定在刺激中进行分析。我们选择了两个窗口来检查刺激锁定的erp,只使用N1 (80-180 msec.)和N2 (200-300 msec.)组件在预期时间窗口内的正确响应平均值(参见[24].今后,我们将把这些平均值简单地称为N1和N2分量的振幅。在所有电极上估计每个参与者和每个条件的平均波形,但组的平均波形图如下图所示为具有较高统计振幅的电极。
为了使ERP组件的发电机定位,为每个参与者构建了引线字段,以计算使用Loreta(低分辨率断层扫描)的两个选定的延迟处(http://www.uzh.ch/keyinst/loreta) [25].对于LORETA,脑内体积以5 mm空间分辨率划分为6239体素。
2.2。统计分析
现在我们总结实验设计。我们的样本分为3组:常规治疗组(PD Control) 9例,常规治疗+ EPO组(PD rHuEPO) 9例,健康对照组(HCs) 9例。此外,每个参与者的erp被记录在两种条件下:一致和不一致。
对于每个参与者,本文使用了以下变量:(1)侧翼任务的反应时间和错误(2)在60 eEG头皮电极处N1和N2 ERP组件的幅度(3)对于6239源体素的N1和N2源部件的功率
进行的统计分析如下:(a)采用双向重复测量方差分析,以组(hc、PD Control和PD rHuEPO)为组间因素,实验条件(不一致vs一致)为被试内重复测量因素,分析反应时间和误差。我们报告F统计量和对主效应和相互作用的测试值。由于观测到缺乏球形,因此采用了温室-盖瑟平差。这些分析使用STATISTICA 7.0完成。(b)通过多变量分析,探讨HCs组与PD Control + PD rHuEPO组ERP波幅图的差异t- 通过置换技术来校正多个比较。置换测试具有以下优点:测试是无分布的,可以控制同时单变量比较的实验误差,不需要潜在的相关结构的假设,并且它们提供准确值适用于任意数量的受试者、时间点和所有60个电极。选取整体显著性水平为0.05。方法见[26,27在Neuronic的NEEST软件中实现http://www.neuronicsa.com/.这允许选择以下内容:(1)接受多变量方差分析(MANOVA)的电极子集(见(c))(2)选择最具代表性的电极绘制N1和N2大平均erp图(3)对时间间隔的分析有待进一步研究(c)检查每个ERP组件,并为其所选电极组重复测量设计组的变差(R-MANOVA)的多变量分析,其条件在0.05级设定的显着水平。通过使用Wilk的Lambda来测试相互作用和主要效果的不同对比度,由F函数和近似价值报告。注意,这允许组差异对比同时置信区间,并检查哪个电极对效果有贡献。MANOVA是在STATISTICA 7.0中实现的。包中。(d)使用LORETA内置体素随机化测试和2000次排列,对选定组之间ERP组件源图像的选定差异进行进一步分析[28,基于统计非参数映射。具有显著差异的体素( ,根据蒙特利尔神经学研究所(MNI)的AAL(自动解剖标记的激活)116结构图谱的坐标定位对比条件[29].
3.结果
3.1.行为的结果
3.1.1。反应时间
三组间因素组差异显著(F(2, 24) = 7.47, ),病情不像我们在初步分析中预测的那样严重(F(2,24) = 3.22, ).∗Condition组的交互作用也不显著( ).两组患者(PD Control组和PD rHuEPO组)在反应时间上无差异(F(2, 15) = 0.62, ).桌子1分别显示了PD组的性能和表2PD患者与hc患者的融合。
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3.1.2。错误
对于因子组,三组错误之间的差异显著(F(2, 15) = 10.49, )及条件(F(2, 24) = 11.6, ),但不用于交互组∗条件( ).两组PD的比较仅在条件、不一致(F(1,16)= 55.3, ,而不是对于全等条件(F(1, 16) = 1.88, ).
当使用对比比较所有PD患者和hc时(表2),结果与之前的研究结果一致,即在两组中,侧翼不一致比一致时RTs增加。
3.2.erp的探索性结果
如2.1节所述,多元t经过多次比较校正的测试用置换测试提供了准确的结果值,对任何数量的参与者、时间点和记录地点有效,产生了显著的ERP成分在0.05水平的中线。在这一组中,如文献所述,最显著的ERP是Oz (N1)和Cz (N2)。因此,我们今后将集中讨论这些电极组,因为它们都高于全局有效显著性阈值。
另外,相同的过程允许进一步分析时间窗口以及要进一步分析的时间窗口和哪个因子(条件或组)。数字1为了一个推导,示出了红线上面所示的统计信息,在所有时间窗口中对每个因子(组或条件)具有重要性的延迟进行分析。它们之间的相互作用在任何时候都不重要。实验条件之间的探索性分析在早期ERP组件N1和N2(分别约100和200毫秒)的时间范围内没有反映显着差异。
注意,Condition的显著差异是在P300或之后的范围内,而不是在我们的研究范围内。因此,我们将所有的进一步分析集中在不一致条件上,即引起抑制控制的条件。然而,今后我们继续报告完全双向分析(组×条件),尽管集中在组因素分析。
3.2.1之上。N1分量分析
我们用重复测量rMANOVA(组×条件)检验N1波幅,并检验其主要效应及其相互作用。交互作用和条件因素均不显著( ).然而,组的主效应显著,Wilk’s Lambda = 0.40,F(8, 42) = 2.97, .两组患者之间的对比也显着,威尔克的λ= 0.47,F(4, 13) = 1.2, .此外,对于电极对比度13电极位点F4,Fc2,Fc4,Fc6,C2,C4,C6,CP2,O1,O 2,OZ,PO3,PO4,PO7,PO8保留了意义。请注意,O1电极处的N1遵循以下模式(见图2): PD rHuEPO组振幅(−4.2 .μv)与HCS的统计学上没有不同。另一方面,PD控制组的幅度(-1.2 μV)显著降低。
(a)
(b)
通过LORETA的随机非参数检验,在解剖学上对该成分在两个帕金森组之间的差异进行了定位。这表明PD rHuEPO在相同时间比PD对照组具有更大的N1成分 水平(在多次比较后得到纠正)2 (b)).
3.2.2。N2组分分析
我们用重复测量的rMANOVA(组)测试N2振幅 × (条件),并检查了相互作用和主要影响。与Wilk's Lambda的相互作用不显著 = 0.43,F(6,44)= 2.97,因子条件也不重要( ).
组(三组比较)主效显著,F(2, 24) = 6.14, ,在七个前中心电极中:Cz(F(2,24) = 6.50, ),CPz(F(2, 24) = 4.43, ),CP1 (F(2,24) = 5.9, ),CP2 (F(2,24) = 5.6966, ),C1 (F(2,24) = 3.6125, ),C2 (F(2,24)= 4.6242, ).
两组患者在额中脑区、电极Cz (F(2, 24) = 4.43, ),CPz(F(2, 24) = 6.5, )及FC1, FC2, C1, C2 ( ).各条件间及各因素间的交互作用均无显著差异。
注意,与N1相比,Cz电极的N2大平均值遵循相反的模式(见图)3(a)): PD Control组振幅(−2.10μv)和健康控制(-2.46 μ五) 另一方面,PD-rHuEPO组的振幅(−0.67 μV)显著低于两者。见表3.N2在Cz的振幅和潜伏期的细节。
(a)
(b)
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对于N2组分的差异(比较三组)的源分析通过Loreta随机化非参数测试解剖学上局部化( 水平修正多次比较)在中扣带和楔前叶双侧。参见图3(b).
为了了解误差是否与N2振幅有关,我们选择了一个线性混合效应模型,并进行重复测量方差分析(log(errors)) ×组× N2振幅。但对数(误差)与N2幅值的交互作用结果不显著,仅对( )(见图4).
4.讨论
本研究旨在检测新型rHuEPO神经保护化合物(在帕金森患者常规药物的基础上)是否在抑制控制任务中改变了ERP成分的振幅。
行为学结果与之前对rHuEPO和PD对照组PD患者的研究一致。与年龄和受教育程度相匹配的人相比,两组人在完成侧翼任务时对不一致刺激的反应时间和错误数量显著增加。这些PD对照中较高的错误率与基底神经节和前扣带的提议是一致的[30.]参与监督不一致及错误的监督[31,32[由于多巴胺缺乏而可能在PD中受损(最近对进行性多巴胺缺乏如何降低纹状体胆碱能神经元间活动的修订;参见[33].
值得注意的是,与仅接受常规治疗的PD患者相比,我们没有发现rHuEPO对行为表现(RT和准确性)的预期有益影响。相反,两组患者在ERP成分上存在差异。这与我们的假设是一致的,即整体行为反应可能比它的一些时间解析子阶段更嘈杂。这提示我们需要进一步研究在类似ERP成分的短时间尺度上识别外显行为反应。另一方面,由于这种类型的临床研究有时会发生样本量小的情况,可能导致缺乏检测细微影响的能力。
4.1.关于N1分量
这个成分反映了选择性注意,它与刺激的基本特征有关,也与对特定视觉模式的识别有关[34].N1振幅也被假设反映持续的隐蔽视觉注意[35与覆盖物的强度与侧翼任务中的中心目标相关联。在空间定位方面,枕部区域中的N1幅度更大[34,36].侧翼任务中N1的神经源位于枕叶皮层的大脑视觉区[34,37,38].例如,Bokura等人[39]使用Loreta鉴定在枕型叶片中的视觉N1的附加源[39]张等[40]也定位了N1在眼外视皮层的侧翼源。因此,我们预计PD组之间的差异在于枕电极位于头皮上,而源位于脑枕区。
这是我们发现的:在头皮和LORETA中,在两个半球的枕叶的视觉区域中,都有N1的产生器。接受rHuEPO的PD患者源激活明显大于未接受rHuEPO的PD组。事实上,rHuEPO组的反应与hc组的反应在统计学上没有区别,这表明rHuEPO可能对舌回具有神经保护作用,舌回是与视觉刺激的早期和自动处理相关的区域。综上所述,我们发现rHuEPO在信息加工早期对视觉注意窗口有影响,从而增强了侧卫的自动加工能力。
4.2.关于N2组件
第二组分N2已发现在使用侧翼任务的抑制研究中发现,其在药物PD患者中未妨碍其振幅和潜伏期(用于审查,见[9])。Veen和Carter [41]使用BESA源定位研究埃里克森Flanker任务中的抑制和反应冲突,确定与不一致试验相关的N2振幅可以用位于ACC中的偶极子来解释。Bokura等人[39]也进行了一项实验,以了解涉及N2的解剖结构,使用flanker范式的视觉模态和LORETA定位N2发生器在扣带和右外侧眶额皮质。
在我们的研究中,我们发现PD控制和HC组的N2分量的幅度统计学难以区分。但是Rhuepo Pd组中的N2振幅相对于其他两组减小。这些效果正如预期的前端地区地拓扑地定位,这些差异的神经发生器本地化到了顶叶的后叶片的后叶片,原因,一种涉及刺激的感知模糊性的结构[42,可能与监控Flanker任务中的冲突有关[43].与之前的报道相比,我们同意Van Eimeren的观点,他发现默认模式网络功能障碍,特别是后扣带皮层和楔前叶失活[44考虑到PD的这些变化与与健康对照组相比PD执行任务中更高的错误密切相关。
然而,在我们的研究中,rHuEPO产生的N2的显著减少需要进一步的研究来找到一个充分的解释。
4.3.行为与企业资源规划
与我们的预期相反,rHuEPO与行为表现的显著改善无关,也不影响N2的神经发生器。
ERP允许在毫秒时间尺度上跟踪神经活动,并代表信息处理的连续测量;因此,我们选择ERP来研究抑制控制过程的更精确测量。
这种行为和电生理结果之间的明显矛盾可能与它们不同的时间过程有关。请注意,抑制是一个复杂的过程,它可以在刺激后的前100毫秒自动启动,并将其作用通过自动和控制过程延伸到800毫秒。另一方面,反应时间开始得更晚,>,在刺激呈现400毫秒后,有强烈的运动成分完成反应。
因此,我们的研究目的是使用一个侧面任务来识别rHuEPO是否改善了PD患者的自动和控制抑制控制,并定位这些过程中的神经发生器。这可能是确定这种认知过程的ERP生物标志物用于临床试验的第一步。
4.4。限制
由于这项研究是作为安全试验的一部分完成的,所以使用的样本和剂量都很小。这也可能解释了行为之间缺乏明确的相关性,例如,反应时间与N2振幅之间的相关性。因此,在未来的研究中需要用更大的样本来验证这一结果。然而,结果突出了脑电图来源分析的作用和电生理学的优势,其高时间分辨率和对安慰剂效应的不敏感性,在识别脑变化后的干预,如rHuEPO。
5.结论
(一世)我们发现,rHuEPO改善了PD患者的自动抑制控制,但没有改善行为表现。(ii)PDRhuepo和Pd对照组之间的差异在舌旋转的N1分量中。PD和健康对照之间的差异在Cingulate和Priaveus中的N2组分上。(3)电生理学可能是识别神经保护化合物在不同信息处理阶段的作用的有用工具。(iv)N1和N2成分以及P3等成分应作为评估帕金森病神经保护药物的可能生物标志物进行进一步研究。
数据可用性
行为表现(反应时间、命中和错误)和样本平均时间窗(200-300毫秒)的N2振幅表在补充材料中提交1。如有要求,可提供脑视觉格式的原始和预处理脑电图记录,以及群体和状况的所有个体和总平均电位maria.bringas@neuroinformatics-collaboratory.org..
的利益冲突
作者声明本文的发表不存在利益冲突。
作者的贡献
Maria L. Bringas Vega和Pedro A. Valdes-Sosa对本文贡献相同。
致谢
本文收到了NSFC(Cuba-Cuba-Canada)项目的支持(81861128001)和中国(NSFC)国家自然和科学基金的资金,提供资金。61871105,61673090和81330032和Uestc的CNS程序(y0301902610100201)。作者谨慎感谢Centro De Neurociencias de Cuba,特别是在ERPS和Centro Internacional De Restauracion Neurologica招聘和神经心理学评估期间为Valia Rodriguez和Indira Alvarez提供支持。作者与所有PD患者及其看护人签订了债务,他们自愿参与我们的研究。
补充材料
最初提交的数字1包含了侧翼任务参与者原始行为表现的表格:反应时间、错误和命中。我们上传的第二份补充材料包含了侧翼任务中参与者的原始行为表现:反应时间、错误和命中。我们还添加了统计分析输出的最终表格和N2分量的振幅。(补充材料)
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