ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2012, том 62, № 2, с. 143-156
ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.822.3
СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕАКТИВНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ЭЭГ-И фМРТ-ХАРАКТЕРИСТИК МОЗГА ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНОЙ СТАТИСТИКИ
© 2012 г. Е. В. Шарова, А. С. Мигалев, М. А. Куликов, В. Г. Воронов, Г. Н. Болдырева, Л. А. Жаворонкова, И. Г. Скорятина, Д. В. Пяшина, Н. Ю. Давыдова, И. Н. Пронин, В. Н. Корниенко
Учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Научно-исследовательский институт нейрохирургии им. Н.Н.Бурденко РАМН, Москва,
e-mail: esharova@nsi.ru Поступила в редакцию 28.02.2011 г.
Принята в печать 10.10.2011 г.
Для более глубокого понимания связи между процессами электрогенеза и оксигенацией головного мозга у 11 молодых праворуких здоровых испытуемых был проведен сравнительный количественный анализ реактивных изменений показателей фМРТ и ЭЭГ на идентичные функциональные нагрузки (открывание глаз, перебор пальцами правой и левой руки) с помощью статистических методик. Сопоставлялись изменения мощностных, частотных и когерентных параметров ЭЭГ, полученных при 18-канальной монополярной регистрации, со значениями +БОЬВ-эффекта фМРТ, вычисленными для 18 соответствующих корковых областей на основе наложения "виртуального шлема" по оригинальному алгоритму. В реактивных изменениях и гемодинамических, и биоэлектрических показателей были выделены совокупности независимых факторов, которые, исходя из их топографии, расценивались как специфические (локализованные в области коркового представительства работающего анализатора) и неспецифические (диффузные, сходные при разных функциональных нагрузках). Специфический компонент доминирует в фМРТ-от-вете, тогда как неспецифический — в ЭЭГ. Сходство топографии реактивных фМРТ- и ЭЭГ-факторов в норме, подтвержденное корреляционным анализом, отражает многоуровневость системного обеспечения деятельности мозга, визуализируемую, в частности, на сагиттальных проекциях индивидуальных фМРТ-изображений. Каждый из реактивных ЭЭГ-факторов включает все ее количественные показатели. Доминирующая в них когерентность (с локальным увеличением в области коркового представительства работающего анализатора и диффузным снижением в зонах влияния регуляторных образований) демонстрирует наибольшую скоррелированность с гемодинамическими реакциями мозга.
Ключевые слова: фМРТ, ЭЭГ, статистический анализ.
Comparison of Reactive EEG Changes and fMRI Characteristics of Brain Health Based on Multivariate Statistics
E. V. Sharova, A. S. Migalev, M. A. Kulikov, V. G. Voronov, G. N. Boldyreva, L. A. Zhavoronkova, I. G. Skoriatina, D. V. Piashina, N. Yu. Davydova, I. N. Pronin, V. N. Kornienko
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences;
Burdenko Research Institute of Neurosurgery, Russian Academy of Medical Sciences, Moscow,
e-mail: esharova@nsi.ru
To gain a deeper insight into the relationship between the electrogenesis and oxygenation of the brain, fMRI and EEG reactions to identical functional loads (opening of the eyes and right- and left-hand fingering) were compared in 11 young right-handed healthy subjects with statistical techniques. Changes in power, frequency and coherent EEG parameters obtained by 18-channel monopolar recording were compared with values of + BOLD-fMRI response, calculated for 18 corresponding cortical areas on the basis of application of the "virtual cap" by the original algorithm. In reactive changes of both hemodynamic and bioelectrical parameters, sets of independent factors were identified, which were regarded on the basis of their topography as specific (localized in the cortical representation of a relevant analyzer) and nonspecific (diffuse and similar under different functional loads). Specific component dominated in the fMRI response, whereas non-
specific component was characteristic of the EEG reaction. The similar topography of reactive fMRI and EEG factors under normal conditions, confirmed by the correlation analysis, reflects the multilevel character of the systemic organization of the brain activity, visualized, in particular, in the sagittal projections of the individual fMRI images. Each of the reactive EEG factors included all of the EEG quantitative characteristics. EEG coherence, which dominated among other parameters (with a local increase in the cortical representation of a relevant analyzer and a diffuse decrease in the areas of the influence of the regulatory structures) displayed the highest correlation with hemodynamic responses of the brain.
Keywords: fMRI, EEG, multivariate statistics.
Исследование реактивности мозга человека на основе сопоставления изменений ЭЭГ и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), отражающей церебральные сдвиги оксигенации крови при разных видах церебральной деятельности, является актуальным и перспективным направлением нейробиологии [28].
Целесообразность такого сопоставления обосновывается взаимодополняемостью двух указанных подходов к изучению структурно-функционального обеспечения реактивности мозга: метод фМРТ обладает преимуществами в структурном разрешении, тогда как ЭЭГ — во временном. Помимо теоретического такие исследования представляют и практический интерес, особенно в России — в связи с широким распространением в медицинских и в научных лабораториях электрофизиологических методик при весьма ограниченном количестве фМРТ-установок. Активно развиваемое за рубежом [20, 22, 23, 25, 28], в нашей стране данное направление исследований представлено лишь единичными работами [1, 4, 6, 15, 19].
В наших предшествующих публикациях были описаны результаты индивидуального топографического сопоставления реактивных изменений спектрально-когерентных характеристик ЭЭГ с фМРТ-ответами здоровых испытуемых и больных с церебральной патологией [4—6]. Поскольку в значительной степени эти сопоставления носили качественный характер, целесообразным представляется количественный сравнительный анализ реактивных изменений показателей фМРТ и ЭЭГ с помощью статистических методик.
Целью настоящего исследования было установление более четкого (количественного) соответствия между ЭЭГ и гемодинамиче-скими реактивными изменениями головного мозга человека для углубленного понимания связи между процессами электрогенеза и ок-сигенацией головного мозга.
Были поставлены следующие задачи.
1. На основе статистических сопоставлений реактивных изменений показателей фМРТ и ЭЭГ на идентичные функциональные нагрузки выявить совокупности ЭЭГ-ха-рактеристик (мощностных, частотных, когерентных), изменения которых в наибольшей степени соответствуют локальному компоненту фМРТ-ответа.
2. Попытаться определить совокупности совместно изменяющихся наборов показателей фМРТ и ЭЭГ (т.е. факторов), связанных с реакциями отдельных звеньев сложных функциональных систем мозга, обеспечивающих ответы на исследуемые функциональные нагрузки.
3. Оценить в первом приближении степень количественной связи между отдельными показателями фМРТ-реакции и наборами наиболее скоррелированных с ними признаков ЭЭГ.
В ходе решения поставленных задач предполагалась проверка принципиальной возможности установления соответствия между изменениями фМРТ и ЭЭГ и предварительная оценка степени этого соответствия.
МЕТОДИКА
Комплексные фМРТ — ЭЭГ-исследования выполнены у 11 здоровых испытуемых-добровольцев (праворуких): 10 мужчин и одна женщина, в возрасте от 21 до 30 лет. Работа не противоречила положениям Хельсинкской декларации о правах человека и была разрешена Этическим комитетом ИВНД и НФ РАН.
ЭЭГ- и фМРТ-исследования проводились по последовательной парадигме эксперимента: в один и тот же день выполняется сначала ЭЭГ-, а затем фМРТ-эксперимент с идентичными функциональными нагрузками. Эта парадигма позволяет избежать фМРТ-артефак-тов (кардиобаллистического, артериальной
Рис. 1. Схема виртуального наложения электродов и графическое определение их координат на МРТ изображении мозга испытуемого Ш-ва. А — вид сверху; Б — вид сбоку, справа. Более светлые электроды на боковой проекции расположены в симметричных областях левого полушария. Fig. 1. Diagram of virtual overlay of electrodes and graphic determination of their coordinates on MRI brain images for healthy subject Sh. A — top view, Б — lateral view to the right. Lighter electrodes on side projection are located in symmetrical areas of left hemisphere.
пульсации и движения электродов в магнитном поле) на ЭЭГ, характерных для одновременной регистрации фМРТ и ЭЭГ [20, 22, 25].
В качестве функциональных нагрузок использовали двигательные пробы — перебор пальцев раздельно правой и левой руки при закрытых глазах, и зрительную — открывание глаз. Последняя довольно распространена в подобного рода исследованиях [22, 25] и рассматривалась нами как прием неспецифической активации мозга, не относящийся к изучению моргания. Двигательные пробы относятся к числу модально-специфических и используются в нейрохирургической клинике для определения степени сохранности моторных зон мозга в предоперационном фМРТ-исследовании пациентов.
фМРТ-исследования выполняли на МР-томографах GE Healthcare (США) с напряженностью магнитного поля 1.5 или 3 Т (одно наблюдение, не вошедшее в статистическую обработку). Использовали режим Т2 в последовательности спин-эхо. Запись осуществляли по так называемой блоковой парадигме, состоящей из 5 или 6-кратного чередования периодов покоя и реакции на предъявляемые нагрузки длительностью по 30 с с последующей суммацией разности между ними. Таким образом, общая длительность пробы составляла 2.5—3 мин.
Данные фМРТ обрабатывали с помощью программы SPМ5. Результатом обработки
были статистические карты со значимыми (р < 0.05) изменениями уровня оксигенации крови при функциональных нагрузках. Эти карты накладывались на индивидуальные изображения мозга испытуемых, где интенсивность окрашенности соответствовала уровню активации работающих зон. Анализировали расположение выявленн
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.