ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2009, том 35, № 3, с. 20-30
УДК 612.821
фМРТ-ЭЭГ-ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИЙ МОЗГА ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАГРУЗКИ
© 2009 г. Г. Н. Болдырева*, Л. Ä. Жаворонкова*, Е. В. Шарова*, С. Б. Буклина**, Ä. С. Мигалев*, Д. В. Пяшина**, И. Н. Пронин**, В. Н. Корниенко**
*Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН **НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко РАМН, Москва Поступила в редакцию 13.11.2008 г.
Проведено сопоставление функциональных магнитно-резонансных томографических (фМРТ)- и ЭЭГ-ответов на идентичные функциональные нагрузки (зрительные и двигательные) у 10 здоровых людей при использовании индивидуальных структурных МРТ мозга. Установлено, что зоне фМРТ-ответа (в виде +BOLD реакция) в наибольшей степени соответствует увеличение когерентности колебаний а-диапазона ЭЭГ. Реактивные перестройки, по данным фМРТ- и особенно ЭЭГ-исследования, отличаются выраженным межиндивидуальным разбросом, нарастающим по мере усложнения функциональной пробы. Показано, что фМРТ-ответы характеризуются большей локальностью и обнаруживают более тесную зависимость от модальности предъявленного раздражителя, чем ЭЭГ-перестройки, подчеркивающие системный харктер реагирования мозга на функциональные нагрузки. -BOLD ответ, сопутствующий локальному +BOLD эффекту, имеет более генерализованный характер, без четкой топографической привязки к модальности функциональной нагрузки; ему в наибольшей степени соответствует уменьшение когерентности ЭЭГ.
В последние годы одним из наиболее перспективных методов изучения реактивности мозга человека при различных видах деятельности является функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Этот метод, отражающий изменение уровня оксигенации крови (BOLD -blood oxygenation level-dependent) в активируемых зонах мозга, позволяет выявить церебральные структуры, участвующие в ответах на действие различных раздражителей [1-7]. Принципиальным представляется сопоставление фМРТ-дан-ных с результатами ЭЭГ-исследования реактивных перестроек. Обоснованием целесообразности такого сопоставления является положение о том, что эти два подхода к изучению церебральной реактивности дополняют друг друга. Если метод фМРТ обеспечивает высокое пространственное разрешение, то метод ЭЭГ обладает высоким временным разрешением. Таким образом, комбинация этих двух неинвазивных методик позволяет наиболее полно исследовать структурно-функциональную организацию мозга и дать интегральную оценку его реактивности.
Подобные сопоставления могут проводиться в двух модификациях экспериментов: одновременной и последовательной регистрации фМРТ и ЭЭГ-ответов на функциональные нагрузки. Проведение записи ЭЭГ во время фМРТ-исследова-ния ставит ряд методических проблем, связанных с артефактами, индуцированными магнитным полем фМРТ. К их числу относится кардиобалли-стический ответ, вызванный высокой плотно-
стью магнитного поля [8]. Наряду с этим артефакты могут быть обусловлены радиочастотной пульсацией и градиентом магнитного поля, приводящим к артериальной пульсации и движению электродов в магнитном поле [9]. Амплитуда указанных артефактов, главным образом соответствующих частоте 4-7 Гц, в основном соразмери-ма с амплитудой ЭЭГ, затрудняя интерпретацию последней.
Одним из подходов к решению проблемы фМРТ-артефактов на ЭЭГ является использование парадигмы эксперимента с последовательной регистрацией фМРТ и ЭЭГ-ответов на идентичные стимулы [5, 10, 11]. Эта парадигма применяется многими исследователями с предъявлением одних и тех же функциональных нагрузок у одних и тех же испытуемых [6, 12-14]. В нашей работе [15, 16] при последовательных исследованиях фМРТ и ЭЭГ-ре-активных перестроек мозга здоровых людей была показана стабильность локальных ЭЭГ-ответов на повторные предъявления раздражителей. Кроме того, было установлено, что проведение записи ЭЭГ в условиях, частично имитирующих обстановку фМРТ-исследования (звук, аналогичный шумовому эффекту, сопровождающему фМРТ), не меняет характер и топографию локальных ЭЭГ-ответов. Эти результаты обосновывают, на наш взгляд, допустимость сопоставления ЭЭГ и фМРТ-данных, полученных в ходе разнесенных во времени исследований.
При подобного рода сопоставлениях авторы используют различные характеристики ЭЭГ как, например, локализация дипольных источников в области максимального реагирования (ROI-region) [11] или показатели вейвлет-анализа [6]. В наибольшей степени разработан вопрос о соотношении BOLD-ответа с изменением мощности ЭЭГ. В частности, при анализе флуктуаций ЭЭГ в ответ на открывание глаз была выявлена отчетливая отрицательная корреляция между изменением мощности корковой a-активности в заты-лочно-теменных отделах мозга и величиной BOLD-ответа в этих областях [2]. Более подробное исследование этой экспериментальной ситуации обнаружило, что отрицательная корреляция мощностных показателей реактивности a-ритма характерна лишь для первичной и вторичной зрительных областей коры, в то время как в медиальном таламусе и среднем мозге наблюдаются более сложные взаимоотношения выраженности BOLD-сигнала с динамикой a-активности [14].
Имеются немногочисленные работы, касающиеся использования кегерентного анализа ЭЭГ для выявления областей максимального реагирования на функциональные нагрузки и сопоставления их с зоной фМРТ-ответа [13, 15-18]. В наших пилотных исследованиях здоровых людей было показано, что зоне локальной фМРТ-активации при функциональных нагрузках в наибольшей степени соответствует повышение a-активности [15, 16]. В связи с этим перспективным при дальнейшей разработке проблемы соотнесения ЭЭГ и фМРТ-данных представляется анализ изменений межцентральных отношений ритмов ЭЭГ, в особенности a-диапазона, сопутствующих формированию фМРТ-ответа.
При анализе регионарной приуроченности зон максимального реагирования на афферентные воздействия при сопоставлении ЭЭГ и фМРТ-данных возникает необходимость учета высокой индивидуальной вариабельности формы и размеров головы и мозга у разных индивидов. В связи с этим предпринимаются попытки создания математических моделей, учитывающих индивидуальные особенности конфигурации мозга и топографии его структур с использованием реальных МрТ-данных [12].
В задачу настоящей работы входило сопоставление фМРТ- и ЭЭГ-ответов на идентичные функциональные нагрузки разной модальности и степени сложности у здоровых людей при использовании индивидуальных структурных МРТ мозга испытуемых.
МЕТОДИКА
Комплексные фМРТ-ЭЭГ-исследования выполнены у 10 здоровых праворуких испытуемых-добровольцев: 9 мужчин и 1 женщина, в возрасте
от 21 до 30 лет. Все испытуемые дали письменное согласие об участии в исследовании. Индивидуальный профиль асимметрии определяли по опроснику Т.А. Доброхотовой, H.H. Брагиной [19]. Исследования ЭЭГ и фМРТ проводились последовательно в один и тот же день. В качестве функциональных нагрузок использовались зрительная проба - открывание глаз и двигательные пробы - поочередное сжимание и разжимание рук (проба на реципрок-ную координацию) и перебор пальцев раздельно правой и левой руки. Двигательные пробы испытуемые выполняли при закрытых глазах.
фМРТ-исследование проводили на МР-скане-ре "Signa Horizont" (фирма "General Electric") с напряженностью поля 1.5 Т. Голову испытуемого в немагнитных наушниках тщательно закрепляли. Максимальный уровень шума, производимого магнитно-резонансным томографом, составлял 86 дБ. Запись осуществляли по так называемой блоковой парадигме (block designs), состоящей из чередования периодов покоя и реакции на предъявляемые нагрузки длительностью по 30 с. Обработку данных фМРТ проводили с помощью программ SPM5 и MRIcro. В режиме реального времени строились статистические карты с достоверными (p < 0.05) изменениями уровня оксигенации крови при функциональных нагрузках. Полученные карты активации накладывались на Т1-взвешенные изображения и проецировались на трехмерную модель мозга, где интенсивность окрашенности соответствовала уровню активации работающих зон. Анализировалось расположение выявленных участков активации в отношении извилин и борозд; в программе SPM5 определялся объем зон активации (в voxel).
С учетом высокой индивидуальной вериабель-ности формы и размеров головы в программе MRIcro проводилось наложение данных функциональной МРТ на структурную МРТ мозга каждого испытуемого.
ЭЭГ регистрировали на 18-канальном энцефалографе фирмы "Nihon Kohden" (Япония) монопо-лярно относительно ушных референтных электродов в состоянии относительного покоя с закрытыми глазами и при функциональных нагрузках с длительностью регистрации 45-60 с. На базе программно-вычислительного комплекса "Нейрокартограф" (фирма МБН, Россия) проводили спектрально-когерентный анализ ЭЭГ в полосе 0.4-20.7 Гц (частота опроса 100 Гц). Вычисляли среднюю мощность, среднюю частоту и эффективную частотную полосу спектров мощности, средние уровни когерентности ЭЭГ для всей частотной полосы в целом и основных физиологических диапазонов ритмов [20]. При сравнении фоновых и реактивных реализаций ЭЭГ оценка достоверности изменений спектрально-когерентных характеристик осуществлялась на основе непараметрического критерия Манна-Уит-ни с помощью статистического пакета программ,
A
А (0.4 - 3.9 Гц)
Б
б
0 (4.3 - 7.0 Гц)
а (7.4 - 12.1 Гц) ß (12.5 - 20.3 Гц)
Рис. 1. фМРТ- и ЭЭГ-ответы на зрительную пробу (открывание глаз) у испытуемого П. А - фМРТ (наложение на фМРТ мозга): а - вид сверху, б - сбоку справа, в - сбоку слева.
Б - статистически значимые реактивные изменения когерентности диапазонов ритмов ЭЭГ (А, 0, а, Р). Толстыми линиями обозначено достоверное увеличение по сравнению с фоном, тонкими - их снижение (прир < 0.05).
разработанного в Институте нейрохимии им. акад. H.H. Бурденко РАМН [21]. Кроме того, анализировался рисунок спектра когерентности, что позволяло проследить за изменениями сочетан-ности отдельных частот ЭЭГ при функциональных пробах; наиболее детальный анализ проводили для частотных составляющих а-полосы.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ фМРТ-ответов на функциональные нагрузки разн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.