ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 416, № 3, с. 426-429
ФИЗИОЛОГИЯ
УДК 612.822.3
ОЦЕНКА РЕАКЦИЙ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА НА СЕНСОРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПО ДАННЫМ ЭЭГ И фМРТ (ПИЛОТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗДОРОВЫХ ИСПЫТУЕМЫХ)
© 2007 г. Г. Н. Болдырева, В. Н. Корниенко, Е. В. Шарова, И. Н. Пронин, Л. М. Фадеева, А. В. Котенев, А. А. Меотишвили
Представлено академиком И.А. Шевелевым 09.04.2007 г. Поступило 16.04.2007 г.
Бурное развитие в последние годы методов нейровизуализации (КТ, МРТ) ставит разработку фундаментальной проблемы структурно-функциональной организации мозга человека на принципиально новый уровень. Особый интерес представляет анализ реакций мозга при сенсорных воздействиях и моторных актах на основе сопоставления данных изменений его электрической активности (ЭЭГ) и функциональной МРТ (фМРТ), отражающей изменение уровня оксиге-нации крови в активируемых участках мозга. Данное направление исследований активно развивается за рубежом [8, 10, 11, 13 и др.], а в нашей стране представлено единичными работами [7, 9].
Помимо теоретического интереса, анализ фМРТ чрезвычайно важен в нейрохирургической клинике для разработки тактики прямого хирургического и радиохирургического вмешательств, направленных на сохранение целостности особо значимых структур мозга. В этой связи важное значение имеют эталонные данные по выраженности реакций мозга на функциональные пробы у здоровых людей.
Целью работы являлся анализ и сопоставление ЭЭГ- и фМРТ-ответов на идентичные внешние воздействия у здоровых испытуемых для уточнения возможностей каждого из этих методов в оценке реактивности головного мозга.
В качестве приема неспецифической активации мозга использовалась проба с открыванием глаз. Модально-специфические нагрузки включали перебор пальцев правой и левой руки, пробу на реципрокную координацию, мысленное прого-варивание дней недели; именно эти нагрузки ис-
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской Академии наук, Москва Научно-исследовательский институт нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко Российской Академии медицинских наук, Москва
пользуются для определения речевых и двигательных зон мозга в предоперационном фМРТ-исследовании больных.
ЭЭГ-исследование выполнено у 18 здоровых мужчин-правшей в возрасте 25-30 лет. Проводился спектрально-когерентный анализ ЭЭГ в полосе 0.4-20.7 Гц. Вычислялись средняя частота, средняя мощность и эффективная частотная полоса спектров мощности, средний уровень когерентности всей частотной полосы и ее отдельных диапазонов (дельта, тета, альфа, бета). Статистическая обработка данных основывалась на непараметрическом тесте Манна-Уитни.
При визуальной оценке изменения ЭЭГ на все предъявляемые функциональные нагрузки имели сходный характер и проявлялись в виде десин-хронизации и уменьшения амплитуды альфа-ритма. Спектрально-когерентный анализ позволил выявить особенности реактивных изменений ЭЭГ, присущие определенному типу воздействия.
Реакция на общеактивационную пробу - открывание глаз - характеризовалась выраженными диффузными изменениями количественных показателей ЭЭГ: уменьшением средней частоты спектра мощности и снижением среднего уровня когерентности ЭЭГ. Наряду с этим отмечался и локальный компонент реакции в виде уменьшения мощности ЭЭГ и усиления когерентности в альфа-диапазоне в задних отделах полушарий, больше слева. Это соответствует данным литературы о корковом представительстве зрелой формы неспецифической активации мозга человека [4]. Характер изменений ЭЭГ при реакции активации в ответ на открывание глаз был воспроизводим и достоверен по группе испытуемых.
В ответ на модально-специфические воздействия диффузный компонент ЭЭГ-реакции выражен слабо; локальный компонент проявлялся в увеличении когерентности альфа-диапазона в проекционной зоне "работающего" анализатора. Наибольший межиндивидуальный разброс реактивных показателей ЭЭГ отмечен при мыслен-
ном проговаривании слов, что может быть связано с неидентичностью механизмов и отсутствием контроля выполнения данного задания. В связи с этим статистическая обработка данных по группе испытуемых при этой функциональной нагрузке представлялась неправомерной.
Поскольку по техническим причинам ЭЭГ- и фМРТ-исследования были разнесены во времени, для доказательства правомерности сопоставления полученных результатов принципиальное значение имела оценка стабильности характера и топографии реактивных изменений ЭЭГ. Кроме того, важным представлялось уточнение особенностей ЭЭГ-реакций в случае протекания их на фоне предъявления дополнительной афферента-ции - звука, аналогичного шумовому эффекту, сопровождающему фМРТ-исследование.
Оказалось, что к числу наиболее стабильных компонентов ЭЭГ-реакций относятся топография реактивных сдвигов среднего уровня когерентности всей частотной полосы, а также локальное увеличение когерентности альфа-активности в проекционной зоне "работающего" полушария. На фоне предъявления звука, при стабильности локальных реактивных изменений ЭЭГ, отмечается усиление их диффузного компонента.
Анализ фМРТ-ответов при аналогичных сенсорных воздействиях и моторных реакциях был проведен у 6 из 18 здоровых людей. Исследования выполнялись на МР-сканере Signa ("General Electric") с напряженностью поля 1.5 Т. фМРТ-ответ записывали по так называемой блоковой парадигме: чередование 30-секундных периодов покоя и реакции. Данные фМРТ обрабатывали с помощью программ MRIcro и SPM5; строили статистические карты с достоверными (p < 0.05) изменениями уровня оксигенации крови при функциональных нагрузках. Эти карты проецировались на трехмерную модель мозга, где интенсивность окрашенности соответствовала уровню активации работающих зон.
Анализ фМРТ при сенсорных воздействиях показал, что топография ответа соответствует модальности предъявляемого раздражителя и характеризуется большей локальностью по сравнению с изменениями ЭЭГ.
Исследование стабильности фМРТ-реакций показало, что повторное предъявление одной и той же пробы, не меняя локализацию зоны реагирования, может приводить к уменьшению ее объема.
Сопоставление фМРТ- и ЭЭГ-реакций на одно и то же воздействие обнаружило, что среди рассматриваемых параметров ЭЭГ зоне локальной МРТ-активации в наибольшей степени соответствует повышение когерентности альфа-активности. На рис. 1 приводятся изменения когерентности ЭЭГ (по альфа- и бета- ритмам) и фМРТ-
ответ на движение правой руки у испытуемого К. Зона активации на томограмме (рис. 1а) расположена в проекционной области "работающего" анализатора, в области левой центральной борозды. Этому соответствует нарастание когерентности альфа-диапазона в левом полушарии, с максимумом в центральной области (рис. 16). Обращает на себя внимание снижение при этом когерентности бета-ритма (так же, как и тета-ритма) в противоположном, правом полушарии.
Интересно было проследить, каким фМРТ- изменениям соответствуют отмеченные реципрок-ные перестройки когерентности ЭЭГ. С этой целью для двигательной пробы было проанализировано не только нарастание уровня оксигенации крови в "работающей" зоне мозга (положительный BOLD-эффект), но и одновременный отрицательный вOLD-эффект, соответствующий его понижению [12]. Оказалось, что -BOLD-эффект проявляется в ипсилатеральном по отношению к работающей руке полушарии (где отмечается снижение когерентности ЭЭГ) и имеет более диффузный по сравнению с +BOLD-эффектом характер. На рис. 2 представлены разные типы фМРТ-ответа на движение левой руки у испытуемого К.: локальный +BOLD-эффект проявляется в прецентральной извилине контралатерального (правого) полушария, более диффузный -BOLD-эффект - в ипсилатеральном (левом) полушарии.
Следует также отметить, что зоне -BOLD-эф-фекта, наряду со снижением когерентности, соответствует область максимальных изменений мощностных характеристик ЭЭГ.
На основании этого можно полагать, что локальное увеличение когерентности биопотенциалов связано с реально выполняемой церебральной функцией, в то время как диффузные изменения параметров ЭЭГ, часто проявляющиеся с элементом реципрокности, отражают особенности участия разных отделов мозга в обеспечении его ответных реакций.
Таким образом, анализ реактивных перестроек мозга показал, что фМРТ-исследование наиболее эффективно для выявления локальных проекционных зон корковой активности и определения их объема. ЭЭГ-метод позволяет более полно охарактеризовать особенности системной организации церебральных реакций. Существенным дополнением при фМРТ-исследовании может быть вычисление, наряду с зонами церебральной активации (+BOLD-эффект), зон ее снижения (-BOLD-эффект). Это представляется важным, исходя из результатов наших ЭЭГ-исследований при церебральной патологии, показавших, что реципрок-ный характер нейродинамических перестроек является одним из эквивалентов сохранности адаптивно-компенсаторных механизмов ЦНС [1, 2].
428
БОЛДЫРЕВА и др.
(а)
альфа
(б)
бета
Рис. 1. Сопоставление фМРТ-ответа и изменений когерентности ЭЭГ на движение правой руки (испытуемый Р.). а - проекция фМРТ- ответа (черные фрагменты) на трехмерную модель мозга; б - реактивность когерентности отдельных диапазонов ритмов; тонкие линии - уменьшение, толстые - увеличение когерентности при афферентации по сравнению с фоном (р 0.05).
(а)
(б)
Рис. 2. Разные типа фМРТ-ответов на движение левой руки (испытуемый К). а: +BOLD-эффект (черные фрагменты), б: -BOLD-эффект (серые фрагменты).
Проведенные ЭЭГ- и фМРТ-сопоставления позволили уточнить природу эмпирически найденных нами ранее информативных показателей когерентности ЭЭГ [3, 5, 6], связав их с фМРТ- изменениями активности мозга человека.
Работа поддержана грантами РФФИ (07-04-01246а) и РГНФ (05-06-06543а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болдырева Г.Н. Электрическая активность мозга человека при поражении диэнцефальных и лимби-ческих структур. М.: Наука, 2000. 181 с.
2. Болдырева Г.Н, Шарова ЕВ, Добронравова И.С. // Физиология человека. 2000. Т. 26. № 5. С. 19-34.
3. Гринделъ О.М. // ЖВНД. 1980. Т. 30. № 1. С. 62-70.
4. Дубровинская Н.В. // ЖВНД. 1995. Т. 45. № 4. С. 638-645.
5. Русинов В С, Гриндел
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.