Closed-loop auditory stimulation in phase with slow waves during sleep enhances cerebrospinal fluid flow in humans.

چکیده اصلی

Cerebrospinal fluid (CSF) is a key component of healthy brain function, constantly circulating to maintain brain homeostasis. Large waves of CSF flow appear in nonrapid eye movement (NREM) sleep, and these CSF flow waves are associated with neural slow waves in the electroencephalogram (EEG). Whether neural slow waves are causally linked to CSF flow, and whether this flow can be enhanced, is not yet established. We developed a technique for performing closed-loop auditory stimulation of sleep slow waves with simultaneous magnetic resonance imaging (MRI) using real-time denoising and a neural network-based strategy for stimulus targeting. We first established that our technique could increase EEG slow waves during sleep inside the MRI scanner in healthy adults. We then found that closed-loop auditory stimulation during sleep caused increased CSF flow waves. Furthermore, this CSF flow effect was phase dependent and only apparent when auditory stimuli were aligned with slow-wave peaks. Widespread hemodynamic waves were also elicited by the stimulus, suggesting a brain-wide modulation contributing to this CSF flow effect. This work demonstrates that closed-loop slow-wave neurofeedback causes waves of CSF flow and provides a technique for simultaneous modulation and imaging of CSF flow during sleep that can next be explored as a potential translational tool in clinical populations.

ترجمه فارسی چکیده

مایع مغزی-نخاعی (CSF) جزء کلیدی عملکرد سالم مغز است که به طور مداوم برای حفظ هموستازی مغز گردش می‌کند. موج‌های بزرگ جریان CSF در خواب غیرتحریک‌کننده چشم (NREM) ظاهر می‌شوند و این موج‌های جریان CSF با موج‌های عصبی آهسته در الکتروانسفالوگرام (EEG) مرتبط هستند. این که آیا موج‌های عصبی آهسته به طور علی به جریان CSF مرتبط هستند و آیا این جریان می‌تواند تقویت شود، هنوز مشخص نشده است. ما تکنیکی برای انجام تحریک صوتی حلقه بسته موج‌های آهسته خواب با تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) همزمان با استفاده از حذف نویز در زمان واقعی و یک استراتژی هدف‌گیری محرک مبتنی بر شبکه عصبی توسعه دادیم. ما ابتدا تأیید کردیم که تکنیک ما می‌تواند موج‌های آهسته EEG را در حین خواب داخل اسکنر MRI در بزرگسالان سالم افزایش دهد. سپس我们发现 تحریک صوتی حلقه بسته در حین خواب باعث افزایش موج‌های جریان CSF شد. علاوه بر این، این اثر جریان CSF وابسته به فاز بود و فقط زمانی که محرک‌های صوتی با قله‌های موج آهسته هم‌راستا می‌شدند، دیده می‌شد. موج‌های همودینامیکی گسترده‌ای نیز توسط محرک تحریک شد، که نشان‌دهنده یک تنظیم گسترده مغزی در تاثیر این اثر جریان CSF است. این کار نشان می‌دهد که بازخورد عصبی موج آهسته حلقه بسته موج‌های جریان CSF را ایجاد می‌کند و تکنیکی برای تنظیم و تصویربرداری همزمان جریان CSF در حین خواب ارائه می‌دهد که می‌تواند به عنوان یک ابزار ترجمه‌پذیر بالینی در جمعیت‌های بالینی مورد بررسی قرار گیرد.

متن کامل اصلی