научная статья по теме СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЭГ В ДИНАМИКЕ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ Биология

Текст научной статьи на тему «СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЭГ В ДИНАМИКЕ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ»

ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2014, том 64, № 2, с. 147-158

ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

УДК 612.821.6

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЭГ В ДИНАМИКЕ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ

© 2014 г. Е. В. Асланян, В. Н. Кирой, Д. М. Лазуренко, О. М. Бахтин, Н. Р. Миняева

Научно-исследовательский институт нейрокибернетики им. А.Б. Когана, Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону e-mail: kiroy@krinc.ru Поступила в редакцию 17.01.2013 г. Принята в печать 26.09.2013 г.

Исследовали спектральные характеристики ЭЭГ 11 практически здоровых добровольцев-правшей при выполнении в произвольном ритме непривычных движений пальцами обеих рук. Показано, что по сравнению с состоянием покоя подготовка и реализация произвольных движений осуществляются на фоне снижения уровня активации практически всех областей коры, за исключением правой лобной, на ЭЭГ которой наблюдался отчетливый рост мощности быстрых (особенно гамма) частот независимо от того, какой рукой выполнялись движения. Это может свидетельствовать о непосредственном участии данной области в процессах планирования, инициализации и контроля произвольной двигательной активности.

Ключевые слова: произвольная двигательная активность, ЭЭГ, спектральный анализ, межполу-шарная асимметрия, многофакторный дисперсионный анализ.

EEG SPECTRAL CHARACTERISTICS IN THE DYNAMICS OF PLANNED MOVEMENTS

E. V. Aslanyan, V. N. Kiroy, D. M. Lazurenko, O. M. Bakhtin, N. R. Minyaeva

A.B. Kogan Research Institute for Neurocybernetics, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia e-mail: kiroy@krinc.ru

The spectral characteristics of the EEG in 11 healthy right-handed volunteers with no neurological disorders in dynamics of the unusual finger movements of both hands in random rhythm have been investigated. In particular, it is shown that the preparation and execution of voluntary finger movements compared to the rest were accompanied by a reduction level of activation within almost all the surface of cerebral cortex, except for right frontal lobe. It has been experimentally demonstrated that a significant increasing EEG activity of the right frontal area in high-frequency domain power spectrum was independent of the working limb. This might testify the direct participation of this cortical area in the processes of voluntary muscular activity planning, initiation and control.

Keywords: planned motor activity, EEG, spectral analysis, interhemispheric asymmetry, multivariate analysis of variance.

DOI: 10.7868/S0044467714020038

В последние годы все более пристальное внимание исследователей привлекает изучение электрографических коррелятов психомоторной деятельности. При этом акцент делается не на реально выполняемые движения, а на их умственные (идеомоторные)

эквиваленты. Последнее в значительной степени связано с попыткой создания нового канала коммуникации с внешним миром, а именно, так называемого Brain-Computer Interface (BCI) [Кирой, 2011; Hoffer et al., 1996; Kubota et al., 2000; Dornhege et al., 2007]. Од-

нако эффективность BCI-систем в настоящее время невысока [Wolpaw et al., 2002; Birbaum-er, 2006]. Как известно, изначально эта технология была ориентирована на парализованных лиц, утративших способность общаться с внешним миром посредством естественных каналов коммуникации, но обладающих сохранным интеллектом [Pfurtscheller et al., 2000; Dobkin, 2007; Tan, Nijholt, 2010]. Сегодня очевидно, что создание эффективных систем, использующих эту технологию, позволит решать и иные задачи, а возможно, предоставит человеку принципиально новый канал коммуникации и управления разного рода техническими устройствами [Кирой, 2011; Tan, Nijholt, 2010].

Как известно, реализация движений конечностями сопряжена с формированием на уровне ЭЭГ феномена, обозначаемого как "связанная с событием десинхронизация", или Evoked Response Desynchronization (ERD) [Gao et al., 2013; Pfurtscheller, Lopez da Silva, 1999]. Последняя наиболее выражена в полушарии, контралатеральном конечности (в частности, руке), которой совершается движение [PfUrtscheller, Neuper, 2003]. Значительно более сложной оказалась задача идентификации паттернов активности, связанных с реализацией движений пальцами рук. Анализ ЭЭГ не позволил обнаружить сколько-нибудь значимых маркеров, позволяющих классифицировать движения отдельными пальцами. Однако комплексный анализ электро- и маг-нитоэнцефалограмм продемонстрировал наличие специфических потенциалов, предшествующих движениям, выполняемым пальцами рук, прежде всего в области гамма-частот [Quandt et al., 2011]. При этом эффективность идентификации паттернов, соответствующих движениям, выполняемым пальцами, при использовании классификатора в виде искусственной нейронной сети (artificial neural networks, ANN) составила более 70% [Mohamed et al., 2011]. Поскольку исследование было выполнено в парадигме стимул — реакция и было ориентировано на технологию BCI, за рамками рассмотрения остались вопросы, связанные с механизмами и коррелятами произвольной инициализации и контроля эффективности реализации двигательной активности. Таким образом, изучение электрографических коррелятов и нейрофизиологических механизмов произвольной двигательной

активности человека остается актуальным как в теоретическом, так и прикладном аспектах.

Как было показано нами и другими авторами [Кирой и др., 2010; Rodriguez et al., 2008; Miller et al., 2010], ЭЭГ-паттерны, регистрируемые при реальном и мысленном выполнении элементарных движений руками, достаточно похожи и связаны в том числе с областью гамма-частот, которые рассматриваются как электрографический коррелят специфических информационных процессов, протекающих в локальных нейронных ансамблях [Думенко, 2006; Кирой, Белова, 2000; PfUrtscheller et al., 1997; Tallon-Baudry et al., 1998]. При этом отчетливых различий между паттернами ЭЭГ, регистрируемыми во время реализации различных движений одной и той же рукой, нам обнаружить не удалось. Последнее могло быть связано с тем, что нами (как и другими авторами) исследовались элементарные, в значительной степени автоматизированные движения, реализация которых могла не требовать активного участия обширных областей коры.

Целью настоящей работы было изучение пространственно-временных паттернов ЭЭГ, формирующихся при выполнении непривычных движений пальцами обеих рук.

МЕТОДИКА

В обследованиях приняли участие 11 практически здоровых добровольцев (6 юношей и 5 девушек, студенты ЮФУ, правши, средний возраст 20 лет), давших свое письменное согласие. Во время обследования участники находились в свето- и звукоизолированной камере, в кресле, в удобной для них позе, в условиях сниженной освещенности. Не отрывая кистей и не участвующих в выполнении движений пальцев от поверхности стола, каждый обследуемый должен был выполнить шесть движений пальцами правой или левой руки: поднять и опустить безымянный палец; поднять вверх указательный палец и 2 раза переместить его справа налево; поднять и опустить одновременно указательный и безымянный пальцы; поднять средний палец и "нарисовать" им в воздухе букву "Я"; отвести в сторону и вернуть в исходное положение одновременно безымянный палец и мизинец; согнуть и разогнуть мизинец. Подобные двигательные акты редко используются в

повседневной жизни, поэтому их реализация не является автоматизированной, а значит, должна требовать большего контроля со стороны структур коры мозга, что может найти отражение в динамике их активности.

Выполнение движения каждого типа предварялось инструкцией. Она экспонировалась на экране монитора, расположенного на расстоянии 1 м на уровне глаз обследуемого в течение 20 с и заменялась точкой фиксации взора (белый крест размером 1 х 1 см в центре черного экрана), служившей сигналом к началу работы. Обследуемый должен был в течение 1 мин совершать требуемое движение в произвольном ритме с небольшими интервалами, не отрывая кисть от платформы.

ЭЭГ регистрировали непрерывно в ходе всего обследования, монополярно по системе 10/20 от 14 симметричных отведений: ¥3, ¥4, ¥7, ¥8, С3, С4, Т3, Т4, Т5, Тб, Р3, Р4, О1 и О2. Референтные электроды (референт объединенный) размещались на мочках ушей. Дополнительно биполярно регистрировали электроокулограмму (ЭОГ) и электромио-грамму (ЭМГ) с запястьев обеих рук. ЭОГ использовали для выделения артефактов, связанных с морганием, ЭМГ — для определения границ сегментов ЭЭГ, соответствующих этапам подготовки и собственно реализации движений. Регистрация ЭЭГ, ЭОГ и ЭМГ осуществлялась с использованием биоусилителя "Энцефалан" фирмы "Медиком" (Таганрог, Россия). Частота дискретизации сигналов составляла 250 Гц по каждому из каналов, полоса пропускания — 0.5—70 Гц. Дополнительно использовался режекторный фильтр (50 Гц) для удаления сетевой наводки.

Анализировали безартефактные участки записи ЭЭГ длительностью 1 с, зарегистрированные в покое с открытыми глазами (ГО), непосредственно предшествующие началу миографического ответа (этап инициализации или подготовки — П) и собственно выполнения движений (Д), длительность каждого из которых, как правило, не превышала 1 с. В каждом обследовании для анализа отбирали от 550 до 900 1-секундных фрагментов ЭЭГ, для каждого из которых с использованием процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), встроенной в систему "Энцефалан", рассчитывали спектры мощности (СпМ) для шести частотных диапазонов, соответствующих ритмам тета (4—7 Гц), альфа

(8-13 Гц), бета1 (14-19 Гц), бета2 (20-30 Гц), гамма1 (31-48 Гц) и гамма2 (52-70 Гц).

Достоверность различий между состояниями оценивали на основании показателей СпМ с использованием многофакторного дисперсионного анализа ANOVA/MANOVA, реализованного в пакете прикладных программ $1аи8иса 5. Для лучшего приближения к нормальному распределению массив исходных данных подвергали ^-трансформации. Выделяли следующие факторы: СОСТОЯНИЕ (С, уровни: ГО, П, Д), РУКА (Р, уровни: левая (Лр), правая (Пр), а также в сочетании с состояниями П и Д: ЛП, ЛД, ПП, ПД), ОТВЕДЕНИЕ (О, уровни: 14 отведений), РИТМ (Я, уровни: шесть ча

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