ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2014, том 64, № 5, с. 488-499
ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.821.822
ФМРТ И ЭЭГ РЕАКЦИИ МОЗГА ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА ПРИ АКТИВНЫХ И ПАССИВНЫХ ДВИЖЕНИЯХ ВЕДУЩЕЙ РУКОЙ
© 2014 г. Г. Н. Болдырева1, Е. В. Шарова1, Л. А. Жаворонкова1, М. В. Челяпина1, Л. П. Дубровская2, О. А. Симонова2, А. С. Смирнов3, Е. М. Трошина3, В. Н. Корниенко3
1Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 3Научно-исследовательский институт нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко РАМН, Москва,
e-mail: GBoldyreva@nsi.ru Поступила в редакцию 11.12.2013 г.
Принята в печать 03.03.2014 г.
У 17 праворуких здоровых испытуемых были исследованы электроэнцефалографические (ЭЭГ) и гемодинамические (фМРТ) реакции мозга при активных и пассивных движениях правой рукой. Были проанализированы индивидуальные и групповые ЭЭГ и фМРТ реакции на двигательные нагрузки. Установлено, что топография основного коркового фМРТ ответа, регистрирующегося в сенсомоторной области контралатерального, левого полушария, сходна при обоих видах двигательной нагрузки. Это позволяет рекомендовать использование пассивной двигательной парадигмы для картирования моторной зоны у больных с нарушениями движений. ФМРТ реакции при пассивном движении, по сравнению с активными, характеризуются большей индивидуальной вариативностью за счет большего разнообразия ответов мозжечка и подкорковых структур. Анализ ЭЭГ показал, что при пассивных движениях, так же как и активных, отмечается увеличение когерентности высокочастотного альфа-ритма в центрально-лобных отделах левого, активированного полушария. Изменения частотно-мощностных параметров ЭЭГ при активной и пассивной двигательной нагрузке в основном проявлялись в нарастании частоты и степени десинхронизации бета-колебаний и не обнаруживали соответствия с топографией основного фМРТ ответа.
Ключевые слова: ЭЭГ, фМРТ, активные и пассивные движения, спектрально-когерентный анализ.
EEG and fMRI Reactions of a Healthy Brain at Active and Passive Movements by a Leading Hand
G. N. Boldyreva1, E. V. Sharova1, L. A. Zhavoronkova1, M. V. Chelyapina1, L. P. Dubrovskaia2, O. A. Simonova2, A. S. Smirnov3, E. M. Troshina3, V. N. Korniyenko3
1 Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 2Moscow State University, 3Burdenko Research Institute of Neurosurgery, Russian Academy of Medical Sciences, Moscow, e-mail: GBoldyreva@nsi.ru
Bioelectrical (EEG) and hemodynamic (fMRI) responses of cerebral reactions to active and passive movements by the right hand were analyzed in 17 right-handed healthy persons. Individual and averaged fMRI and EEG data was analyzed. The main cortex fMRI responses (sensorimotor cortex of the contralateral, left hemisphere) were topographically similar during both active and passive movements. This fact allows us to recommend the usage of the passive movement paradigm for the mapping of the motor areas in patients with movement disorders. Including in reactive process of cerebellum and subcortical structures at passive movements was more variability than active ones. FMRI-reactions at passive movements were characterized more individual variability than during active ones at the expense of diversity of cerebellum and subcortical structures answers. The EEG analysis revealed that at both passive and active movements there is a coherence increase in the high-frequency alpha-ban in left central-frontal area of the left, activated hemisphere. The power-frequency changes of the EEG parameters during active
and passive movements were primarily shown in a frequency increase and the desynchronization of the beta-band. Consistency with the topography of the fMRI response was not found.
Keywords: EEG, fMRI, coherence analysis, active and passive movements. DOI: 10.7868/S0044467714050049
В последние годы для изучения морфо-функциональной организации мозга все большее распространение получает неинва-зивный метод нейровизуализации — функциональная магнито-резонансная томография (фМРТ). Этот метод позволяет определить локализацию областей мозга, изменяющих свой метаболизм и уровень активации при функциональных нагрузках. Сочетанное использование фМРТ данных и результатов электроэнцефалографии (ЭЭГ) обеспечивает возможность наиболее детального анализа структурно-функционального обеспечения выполнения разных видов деятельности. Перспективность комплексного использования этих методов, характеризующих разные стороны работы мозга, обусловлена тем, что они успешно дополняют друг друга. Если фМРТ обеспечивает высокое пространственное разрешение, то ЭЭГ обладает высоким временным разрешением.
Основная часть проводимых нами фМРТ-ЭЭГ исследований связана с анализом реактивности мозга при двигательных нагрузках у здоровых людей. Эти исследования помимо самостоятельного интереса, касающегося изучения механизмов формирования движения в норме, представляются важным этапом в исследовании особенностей функциональной анатомии мозга больных с церебральной патологией. Особую актуальность эта проблема приобретает в нейрохирургической клинике, где учет данных фМРТ является важным при выборе тактики удаления опухоли, направленной на сохранение целостности особо значимых структур мозга (в первую очередь двигательных и речевых).
Учитывая клиническую направленность проводимых нами исследований, важным в изучении реактивности мозга здоровых людей представляется анализ фМРТ и ЭЭГ реакций при использовании двигательных парадигм разной степени сложности, которые могли бы быть применимы для больных с двигательными расстройствами. Особое место в решении этой задачи занимает анализ реактивных перестроек при пассивном вы-
полнении двигательной пробы. В отличие от активных движений, вопрос о реактивных перестроек мозга при пассивном выполнении двигательной пробы изучен в значительно меньшей степени. В то же время получение нормативных данных, касающихся реакций мозга при этой нагрузке, является необходимым этапом для оценки состояния центральной регуляции двигательной сферы у больных с грубыми двигательными нарушениями, а также у пациентов с угнетением сознания, т.е. в случаях отсутствия возможности контакта с ними.
Принципиально важным в этих комплексных исследованиях является то обстоятельство, что сопоставление гемодинамических и нейрофизиологических перестроек при выполнении разного рода деятельности представляет уникальную возможность уточнения функциональной значимости различных показателей ЭЭГ.
Литературные данные, касающиеся соотношений фМРТ и ЭЭГ реакций при двигательных нагрузках, крайне неоднозначны. К факторам, обуславливающим эту неоднозначность, прежде всего, относится выбор анализируемых параметров электрической активности мозга. В большинстве работ при оценке реактивных сдвигов ЭЭГ основной акцент делается на мощностные характеристики или процессы синхронизации-десин-хронизации биопотенциалов мозга [Laufs et al., 2003; Pfurtcheller et al., 2006; De Munck et al., 2009; Mulert, Lemieux, 2010; Sato et al., 2010; Yuan et al., 2010; Фролов и др., 2013; Ca-potosto et al., 2014]. Согласно нашим данным, наиболее информативными в поисках коррелятов топографии фМРТ и ЭЭГ реакций при движениях являются показатели когерентности [Болдырева и др., 2009, 2013, 2013а].
Учитывая неоднозначность результатов, касающихся структурно-функционального обеспечения выполнения двигательных заданий, задача настоящей работы состояла в сопоставлении особенностей фМРТ и ЭЭГ реакций мозга здоровых людей при активных и пассивных движениях ведущей рукой.
МЕТОДИКА
В работе приняли участие 17 здоровых праворуких людей (9 мужчин и 8 женщин) в возрасте от 21 до 39 лет (средний возраст 24.3 ± ± 5.6 года). Перед исследованием у испытуемых было получено письменное информированное согласие на участие в исследованиях, одобренное этическим комитетом ИВНД и НФ РАН.
Проводился анализ фМРТ-ЭЭГ реакций при активной двигательной пробе в виде сжимания-разжимания пальцев правой руки в кулак и при пассивном выполнении этой нагрузки, которое осуществлял не испытуемый, а экспериментатор.
ФМРТ и ЭЭГ исследования проводили последовательно в один и тот же день. В этих исследованиях, проводимых при закрытых глазах испытуемого, использовались одни и те же активные и пассивные двигательные нагрузки.
ФМРТ исследования выполняли на МР-томографе GE Healthcare (США) с напряженностью магнитного поля 3Т. Запись осуществляли по блоковой парадигме, состоящей из чередования периодов покоя и выполнения двигательных нагрузок длительностью по 30 с. Усредняли результаты пятикратного применения каждой пробы. Данные фМРТ (+BOLD эффект) обрабатывали с помощью программы SPM8 в среде Matlab 7.0. Коррекция артефактов движения выполнялась по стандарту generalized linear model (GLM).
В фМРТ исследованиях использовались индивидуальные МРТ мозга испытуемых, что представлялось принципиально важным в связи с учетом индивидуальной вариативности анатомии церебральных структур. При обработке данных фМРТ использовали программу, разработанную Монреальским неврологическим институтом; для определения пространственного нахождения активированных зон (MNI координаты) и их объема (Vox) использовали приложение Automated Anatomical Labeling (AAL) [Evans et al., 1992]. Были проанализированы индивидуальные и групповые фМРТ ответы. Анализ индивидуальных ответов проводился при уровне достоверности p < 0.005 (с FWE), групповых — при уровне достоверности p < 0.001 (без FWE). Сравнение ответов в разных мозговых структурах при активных и пассивных движениях осуществлялось с помощью парного
t-теста (paired t-test), который считался в программе SPM8в среде Matlab 7.0.
ЭЭГ регистрировали на 18-канальном энцефалографе фирмы "Nihon Kohden" (Япония) при расположении электродов по Международной схеме 10—20% с полосой пропускания 0.3—35 Гц и частотой опроса 100 Гц. Проводился спектрально-когерентный анализ ЭЭГ на базе программно-вычислительного
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.