научная статья по теме ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ЧАСТЕЙ “СЕНСОМОТОРНОГО КОМПЛЕКСА” КОРЫ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА МЕТОДОМ МАГНИТОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ Биология

Текст научной статьи на тему «ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ЧАСТЕЙ “СЕНСОМОТОРНОГО КОМПЛЕКСА” КОРЫ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА МЕТОДОМ МАГНИТОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ»

ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2014, том 64, № 2, с. 218-230

ФИЗИОЛОГИЯ ПОВЕДЕНИЯ; ^^^^^^^^^^ ОБУЧЕНИЕ И ПАМЯТЬ

УДК 612.821.6

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ЧАСТЕЙ "СЕНСОМОТОРНОГО КОМПЛЕКСА" КОРЫ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА МЕТОДОМ МАГНИТОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ

© 2014 г. П. К. Пронько1' 5, А. О. Прокофьев24, А. Е. Осадчий3, Б. В. Чернышев1'5, Т. А. Строганова4

Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", 2УчреждениеРАО "Психологический институт", Москва, 3Санкт-Петербургский государственный университет, 4Московский городской психолого-педагогический университет, 5Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, e-mail: vpf_child@mail.ru Поступила в редакцию 25.02.2013 г. Принята в печать 26.09.2013 г.

Разработана методика неинвазивного картирования первичной моторной коры мозга человека. У 18 здоровых праворуких испытуемых исследовали магнитные ответы мозга, вызванные произвольными повторяющимися движениями указательного пальца правой руки. Периоды движения пальца определяли по сигналу акселерометра. Непрерывную вызванную магнитную активность мозга испытуемых в течение всей экспериментальной сессии состыковывали в единую последовательность, раскладывали на независимые составляющие методом анализа независимых компонент и ранжировали по количеству взаимной информации с модифицированным сигналом акселерометра. Усреднение независимых компонент, демонстрировавших максимальную связь с движением пальца, проводили относительно момента начала движения. Результаты распределенного моделирования мозговых источников двух независимых компонент с наибольшим количеством взаимной информации показали, что их источники локализуются в контралатеральных движению областях коры, соответствующих по анатомическим маркерам представительству кисти руки в первичной моторной и первичной соматосенсорной коре. Разработанная методика показала принципиальную возможность локализации зоны М1 на групповом уровне у здоровых испытуемых.

Ключевые слова: актограмма, магнитоэнцефалография, первичная моторная кора, анализ независимых компонент.

Functional Dissociation of Parts of the "Sensorimotor Complex" in the Human Cortex

with the Method of Magnetoencephalography

P. K. Pronko1' 5, A. O. Prokofyev2' 4, A. E. Ossadtchi3, B. V. Chernyshev1' 5, T. A. Stroganova4

1National Research University "Higher School of Economics", 2Psychological Institute, Russian Academy of Education, Moscow, 3Saint Petersburg State University, 4Moscow State University of Psychology and Education, 5Lomonosov Moscow State University, e-mail: vpf_child@mail.ru

A method of non-invasive human primary motor cortex mapping has been developed. In 18 healthy right-handed subjects magnetic brain responses caused by repeated voluntary left or right index finger movements were studied. Movement onsets were derived from the accelerometer signal. Recordings of magnetic activity throughout whole experimental sessions in all subjects were concatenated into a single sequence, which was separated into independent components using independent component analysis and ranked according to the amount of mutual information with the modified accelerometer signal. In-

dependent components that demonstrated maximum relation to the finger movement were averaged relative to the movement onset. The results of the distributed brain source modeling of the two independent components that manifested maximum amount of mutual information has demonstrated that their sources localize in the cortical areas corresponding to anatomical markers of hand representation in the primary motor and the primary sensory cortices contralateral to the movement. The method developed has demonstrated the fundamental possibility of localizing the Ml area in healthy subjects.

Keywords: actogram, magnetoencephalograhy, primary motor cortex, independent component analysis. DOI: 10.7868/S0044467714010109

Точная локализация невосполнимых зон коры мозга, повреждение которых влечет необратимую утрату пациентом тех или иных когнитивных функций, крайне важна при планировании нейрохирургических операций [De Tiege et al., 2009]. Одной из наиболее востребованных в клинической практике является локализация представительства руки в первичной моторной коре (М1, поле 4 по Бродману). Однако у пациентов нейрохирургических клиник стандартный анатомический ориентир для определения зоны моторного представительства руки — "омеговид-ный" участок прецентральной извилины [Yousry et al., 1997] — может отсутствовать, а сама моторная функция может быть аномально представлена не в поле 4 по Бродману, а в иных цитоархитектонических полях неокор-текса [Haseeb et al., 2007]. Поэтому для дохирур-гического картирования представительства руки в первичной моторной коре чрезвычайную актуальность приобретает определение зоны М1 по ее функциональным характеристикам при осуществлении пациентом движения.

Исследования, применяющие метод функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для картирования моторных зон коры, демонстрируют сложность и многосо-ставность изменений локального кровотока в коре мозга, связанных с организацией движения [Kobayashi et al., 2003; Meier et al., 2008]. Кроме того, описаны случаи аномальной активации при ряде нарушений работы мозга и связанных с этим сложностей интерпретации данных фМРТ [Krings et al., 2001].

Проведенные исследования активности мозга при произвольной двигательной активности с применением метода магнитоэнце-фалографии (МЭГ) связывают работу первичной моторной, премоторной и дополнительной моторной коры с так называемым полем моторной готовности, проявляющимся примерно за 400—800 мс до начала движения [Hoshiyama et al., 1997; Shibasaki, Hallett,

2006]. При этом активность собственно зоны М1 наиболее выражена в пике "поля готовности" непосредственно перед началом движения [Hoshiyama et al., 1997]. Судя по данным литературы [Oishi et al., 2003], именно в этот момент источник магнитного поля, находящийся в М1, поддается реконструкции с помощью простейшего однодипольного моделирования. После момента начала движения однодипольная модель становится неадекватной из-за одновременной мощной активации не только первичных моторных, но и первичных соматосенсорных корковых зон (S1). Активация S1, принимающей сигнал обратной связи от проприоцепторов, расположенных в мышцах, совместно с зоной представительства руки в зоне М1 формирует выраженный компонент вызванного магнитного поля с латентностью около 100 мс после момента начала движения [Hoshiyama et al., 1997]. Поэтому в современных руководствах по применению МЭГ для картирования моторной коры в дохирургической диагностике рекомендуют локализовать эту зону коры мозга в период времени, непосредственно (30—40 мс) предшествующий началу движения [Burgess et al., 2011].

Вместе с тем в экспериментальных исследованиях на приматах было показано, что еще до начала движения активируется комплекс взаимодействующих зон коры, осуществляющих планирование и преднастройку моторного акта: первичная моторная, первичная соматосенсорная, теменная, дополнительная моторная, премоторная, часть вторичной сенсорной и т.д. [Riehle, 2005]. Этот факт может объяснять то, что использование метода однодипольного моделирования источника вызванной корковой активности, связанной с началом произвольного движения, не всегда позволяет с уверенностью локализовать зону M1 даже у здорового человека [Чаянов и др., 2012], [Gerloff et al., 1998]. Попытки определения моторного представительства

руки по пику кортико-мышечной когерентности также не приносят успеха. Кортико-мышечная когерентность оценивает постоянство фазового сдвига между осцилляциями МЭГ и осцилляциями миограммы, и зачастую первичная соматосенсорная кора демонстрирует более высокое значение корти-ко-мышечной когерентности, чем первичная моторная кора [Witham et al., 2010].

Поскольку разные зоны так называемого сенсомоторного комплекса уже на этапе подготовки движения находятся в интенсивном взаимодействии друг с другом, локализация зоны М1 с помощью МЭГ методом одноди-польного моделирования источника корковой активности в любой заданный момент времени не позволяет достичь надежных результатов. Таким образом, у пациентов с поврежденным мозгом как анатомические, так и временные маркеры для картирования зоны М1 неприменимы. Мы полагаем, что существует возможность надежного определения местоположения зоны М1 по ее функциональным особенностям. Данные микроэлектродных исследований на приматах позволяют предполагать, что разные зоны коры, взаимодействующие при подготовке и реализации движения, обладают индивидуальными временными профилями активации и на этом основании могут быть разделены [Riehle, 2005]. В настоящей работе мы предприняли попытку функционального картирования зоны М1, использовав сочетание методов анализа независимых компонент (АНК), их ранжирования на основе количества взаимной информации с модифицированным сигналом акселерометра и распределенного моделирования мозговых источников магнитного поля компоненты с временной динамикой активации, соответствующей свойствам зоны М1.

На первом этапе использовали метод АНК [Bell, Sejnowski, 1995] для разделения спонтанной магнитной активности мозга на независимые по временной динамике компоненты. На втором этапе для выбора компонент, чья активность максимально связана с движением, мы применили методику ранжирования полученных независимых компонент по количеству взаимной информации с модифицированным сигналом акселерометра [Ossadtchi et al., 2000]. Далее компоненты со статистически высоким значением взаимной информации усредняли относительно момента начала движения. Основываясь на исследованиях на приматах, мы ожидали, что

корковые источники компоненты, активация которых резко усиливается непосредственно перед началом движения, будут соответствовать по локализации зоне М1, которая у здорового человека расположена в области передней стенки "омеговидного" участка центральной борозды. Проверку этой гипотезы осуществляли, используя распределенное моделирование мозговых источнико

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»