ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2008, том 58, № 5, с. 562-575
ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ^^^^^^ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.822
ХАОТИЧЕСКАЯ НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА АЛЬФА-ПОЛОСЫ ЭЭГ И ОРГАНИЗАЦИЯ АКТИВНОСТИ ВОЛНЫ P300 В КОРЕ БОЛЬШИХ ПОЛУШАРИЙ
© 2008 г. А. Я. Могилевский*, К. Е. Котляр**, А. В. Шило***, А. П. Панчеха**
* Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина Национальной академии наук Украины, Харьков ** Технологический университет, Мюнхен, Германия *** Институт проблем криобиологии и криомедицины Национальной академии наук Украины, Харьков, e-mail: amogilevskyy@yandex.ru, kotliar@lrz.tum.de, avshilo@list.ru Поступила в редакцию 27.08.2007 г. Принята в печать 27.02.2008 г.
Изменения нелинейных динамических режимов в альфа-полосе ЭЭГ находит отражение в особенностях организации структуры коркового поля волны Р300. При высокоразмерных хаотических процессах поле характеризуется высокими значениями интегральных показателей своей активности, пространственной синхронизацией генераторного процесса и преобладанием генерации волн типа Р3а. Разнообразие пространственных сочетаний источников Р-волны отражает высокую степень организации их пространственной сложности. Основной вклад в активность вносят симметричные пункты передних и височных отделов коры. При низкоразмерной динамике структура пространственной организации позитивной волны упрощается, становится менее глобальной и более дифференцированной. Преобладает генерация волны Р3Ь. Уменьшаются значения интегральных показателей активности волнового поля коры. Изменяется топография фокусов позитивных волн и их источников. Хаотические системы волновых генераторов альфа-полосы демонстрируют при контингентной звуковой стимуляции хорошую управляемость и высокую пластичность. В результате биоадаптивного управления они изменяют свои динамические характеристики, определяя тем самым организацию поля Р-волны.
Ключевые слова: хаос, нелинейная динамика, корреляционная размерность, волна Р300, вызванные потенциалы, связанные с событиями.
Chaotic Non-Linear Dynamics of Alpha-Band of the EEG and Organization of the Cortical Activity of P300 Wave
A. Ya. Mogilevsky*, K. E. Kotliar**, A. V. Shilo***, A. P. Panchekha**
*Institute for Low Temperature Physics and Engineerings, National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov
**Munich University of Technology, Munchen, Germany Institute for Problems of Cryobiology and Cryomedicine, National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, e-mail: amogilevskyy@yandeex.ru, kotliar@lrz.tum.de, avshilo@list.ru
Variations of non-linear dynamic operations in of alpha-band of the EEG are reflected in the peculiarities of the P300 wave cortical field organization. In high-dimensional chaotic processes this field is characterized with high values of integral indices of its activity, the spatial synchronization of generating process as well as with the prevalence of P3a wave generation. The diversity of spatial combinations of P-wave sources reflects the high rate of their spatial complexity organization. The main contribution into this activity is made by symmetrical points of anterior and temporal cortical portions. In low-dimensional dynamics the spatial structure of the positive wave is simplified. It becomes less global and more differentiated. P3b wave generation prevails in this case. The values of integral indices of wave cortical field activity are reduced. The focal topography of positive waves and their sources changes. Chaotic systems of alpha-band wave generators demonstrate good controllability and high plasticity in contingent acoustic stimulation. They change their dynamic characteristics due to biofeedback control, determining thereby P-wave field organization.
Key words: non-linear dynamics, chaos, correlation dimension, event-related potentials, P300.
В последние годы внимание исследователей привлекает связь многомерных динамических паттернов ЭЭГ с обработкой сенсорной информации. Подчеркивается, что информация служит ключевой основой динамических систем, обеспечивающих отклики на неожиданные и непредсказуемые внешние воздействия [14, 19, 29 и др.]. Нелинейная хаотическая составляющая таких паттернов оперативно реагирует на сенсорные раздражения и существенно изменяется при различных психологических состояниях и активных действиях. Обнаружена возможность осуществления адаптивной саморегуляции нелинейной динамики ЭЭГ, направленной на распознавание внешних сигналов и их эффективного привлечения к осуществлению ряда мозговых функций [13, 17, 19, 21, 24], а также связь нелинейных процессов с пространственной организацией ЭЭГ при формировании зрительных образов [10]. В качестве одного из звеньев, с помощью которых сенсорные сигналы могут преобразовывать динамическую систему ЭЭГ, являются поздние компоненты вызванных потенциалов, имеющие непосредственное отношение к генерации ритмов, процессам сенсорного восприятия и оценке биологической значимости стимула [4, 21]. Это, в частности, относится к средне- и длиннолатентным волнам позитивного комплекса. Отмечена связь мощности спектра альфа-полосы ЭЭГ с амплитудой волны Р300, которая является чувствительным индикатором параметров корковой активации на поздних стадиях обработки сенсорной информации [20, 26, 27]. С ее генерацией связан прием и переработка значимой информации, внимание, мотивации, когнитивная оценка стимула, рабочая память и степень рассогласования между моделью ближайшего будущего и реальностью. Подтверждается гипотеза о существовании множества генераторов отдельных компонент большого позитивного комплекса, отражающих различные психофизиологические события. Установлено, что волна Р3а оценивает любые изменения стимула и связана с функцией непроизвольного внимания, а Р3Ь - с активным вниманием. Они имеют разную топографическую ориентацию [9, 15, 18, 20, 27, 28 и др.]. Выраженность волны Р300 в значительной мере определяется ее временны ми ассоциациями с активностью альфа-полосы [20] и величиной корреляционной размерности [7]. Имеются указания на связь этой полосы ЭЭГ с регуляцией потока идущей извне информации. Подчеркивается гетерогенная природа
альфа-полосы, в которой выделяются три функционально различные зоны частот, имеющие отношение к разным уровням бодрствования, решению когнитивных задач, памяти и вниманию [3, 11]. Очевидно, на основе такого многообразия функций альфа-активности обеспечивается высокоэффективное стимулирующее "альфа-обучение" ("альфа-тренинг") при различной психосоматической патологии [1, 12 и др.]. Установлено, что с помощью биологической обратной связи можно изменять в желаемом направлении соотношение показателей хаотических процессов в разных полосах частот ЭЭГ [16, 30]. Данные о преимущественной связи хаотических процессов в полосе альфа-активности с генерацией волн позитивного комплекса сенсорных вызванных потенциалов (ВП) явились предпосылкой для проведения настоящей работы, цель которой заключалась в изучении с помощью биологической обратной связи влияний различных динамических режимов в альфа-полосе ЭЭГ на особенности организации коркового поля волны Р300.
МЕТОДИКА
Испытуемые. Исследование 35 здоровых испытуемых (16 мужчин и 19 женщин в возрасте от 28 до 40 лет) проведено в рамках общепринятых медицинских и этических норм. Все испытуемые были ознакомлены с условиями и целями эксперимента и дали добровольное согласие на участие в нем. Каждый из них 4 -5 раз подвергался повторному комплексному исследованию.
Аппаратурно-программное обеспечение. Разработано аппаратурно-программное устройство, реализующее автоматическое управление звуковой стимуляцией по результатам текущего анализа спектра одной из управляющих частотных полос ЭЭГ. Его функциональная схема представлена на рис. 1. В связи с тем, что корреляционная размерность (Э2) центропа-риетальной области наиболее реактивна (в сравнении с другими отведениями) к изменениям функциональных состояний мозга [22], динамика одной из ее частотных полос использовалась в информационном канале биотехнической системы. В текущих 4-секунд-ных отрезках альфа-полосы ЭЭГ определялись параметры частотного спектра и их коэффициенты вариации (КВ), которые служили интегральным показателем изменчивости процессов. Получаемые значения непрерывно
Регистрация ВП ЭВМ 1
Обработка АЦП
1 t
Картирование Энцефалограф
ЭВМ 2
Селекция ЭЭГ по характеристикам нелинейности
Спектроанализатор
Выбор полосы и оценка вариативности
1
Сравнение режимов
Выбор режима
1.0 КВ
а
в
Рис. 1. Структура аппаратурно-программного комплекса для автоматической звуковой стимуляции, ассоциированной с определенными динамическими режимами в избираемых полосах частот ЭЭГ. А - схема реализации избирательной звуковой стимуляции, ассоциированной с показателем, находящимся на уровне устанавливаемого порога стимуляции или его превышающим; Б - на уровне ниже порога; В - в пределах узкой полосы. КВ - коэффициент вариации.
Fig. 1. Structure of hardware-program complex for selection of episodes EEG by criterion of nonlinearity and associate sound stimulation. A - the scheme of realization of selective sound stimulation, associate with a parameter, being at a level of an established threshold of stimulation or its exceeding; Б - at a level below threshold; В - within the limits of a narrow strip. КВ - factor of a variation.
0
сопоставлялись с параметрами выбранного режима. Их совпадение определяло команду на подачу стимула: 1) при превышении заданного порогового уровня (а), 2) при значениях, лежащих ниже этой границы (•) и 3) при значениях КВ, лежащих в пределах створа с регулируемым положением и шириной (в). Эти отрезки рассматривались в качестве предстимуль-ной ЭЭГ (ПЭЭГ) и отбирались для дальнейшей обработки. Задержка подачи звукового сигнала после завершения контингентного эпизода ЭЭГ составляла 0.1-0.2 с. ЭВМ выделяла ВП, появление которых зависело от указанных событий.
Регистрация ЭЭГ. Электрическая активность мозга отводилась монополярно хлорсе-ребряными электродами о
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.