ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2012, том 62, № 6, с. 733-744
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПАТОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
УДК 612.81+51-76+57.089
ВОЗРАСТНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ СОННЫХ ВЕРЕТЕН НА ЭЭГ У КРЫС С ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ПРЕДРАСПОЛОЖЕННОСТЬЮ К АБСАНС-ЭПИЛЕПСИИ
(ЛИНИЯ WAG/Rij)
© 2012 г. Е. Ю. Ситникова1, В. В. Грубов2, А. Е. Храмов2, 3, А. A. Короновский2
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и
нейрофизиологии Российской академии наук, Москва, 2Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского", 3 Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина,
e-mail: eu.sitnikova@gmail.com Поступила в редакцию 27.03.2012 г.
Принята в печать 19.10.2012 г.
Известно, что сонные веретена формируются в таламо-кортикальной системе спонтанно во время медленного сна; патологические процессы в таламо-кортикальной сети могут служить причиной абсанс-эпилепсии. Цель работы — проследить возрастные изменения частотно-временной структуры сонных веретен по мере прогрессирующего развития абсанс-эпилепсии у крыс линии WAG/Rij. Регистрацию ЭЭГ осуществляли в возрасте 5, 7 и 9 мес. с помощью эпи-дуральных электродов, вживленных в лобную кору. Для автоматического распознавания и последующего анализа сонных веретен на ЭЭГ был использован метод непрерывного вейвлетно-го преобразования. Показано, что с возрастом продолжительность эпилептических разрядов и суммарная длительность эпилептической активности возрастала, а длительность сонных веретен, наоборот, снижалась. По критерию средней частоты сонные веретена были разделены на три класса: "медленные" (средняя частота 9.3 Гц), "переходные" (11.4 Гц) и "быстрые" (13.5 Гц). "Медленные" и "переходные" веретена у 5-месячных животных продемонстрировали рост частоты от начала к концу веретена. Показано, что чем интенсивнее эпилепсия, тем менее продолжительны веретена всех типов. Средняя частота "переходных" и "быстрых" веретен была выше у крыс с более интенсивными проявлениями эпилепсии. В целом высокая эпилептическая активность у крыс линии WAG/Rij была сопряжена со значительными изменениями веретен "переходного" типа и менее выраженными изменениями со стороны двух традиционно выделяемых типов веретен "медленных" и "быстрых".
Ключевые слова: сонные веретена, генетическая модель абсанс-эпилепсии, возрастные изменения ЭЭГ, ритмическая активность головного мозга, частотно-временной анализ ЭЭГ, вейвлетный анализ, непрерывное вейвлетное преобразование.
Age-Related Changes in Time-Frequency Structure of Sleep Spindles in EEG in Rats with Genetic Predisposition to Absence Epilepsy (WAG/Rij)
E. Sitnikova, V. V. Grubov, A. E. Hramov, A. A. Koronovsky
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,
Chernyshevskii Saratov State University, Gagarin Saratov State Technical University, e-mail: eu.sitnikova@gmail.com
It is known that sleep spindles are produced by thalamo-cortical system spontaneously during the slow-wave sleep; pathological processes in thalamo-cortical network might cause absence epilepsy. The aim of this study was to examine age-dependent changes in time-frequency structure of sleep spindles in par-
allel to a progressive increase in amount of absence seizures in WAG/Rij rat model. EEG was consistently recorded at the age of 5, 7 and 9 months by means of epidural electrodes implanted in the frontal cortex. Continuous wavelet transform was used for automatic identification and further time-frequency analysis of sleep spindles in EEG. It was found that the mean duration of epileptic discharges and total duration of epileptic activity increased with age, whereas the length of sleep spindles decreased. Mean frequency of oscillations within a spindle was used as a criterion for dividing sleep spindles in three categories: "slow" (9.3 Hz), "transitional" (11.4 Hz) and "fast" (13.5 Hz). "Slow" and "transitional" spindles in 5-months animals displayed an increase in frequency from the beginning towards the end. It was shown that the higher incidence of epilepsy corresponded to the lower duration of sleep spindles (all types). Mean frequency of "transitional" and "fast" spindles was higher in rats with more intensive epileptic discharges. In general, high epileptic activity in WAG/Rij rats corresponded to the most substantial changes within "transitional" spindles, whereas changes within slow and fast spindles were moderate.
Keywords: sleep spindles, genetic model of absence epilepsy, age-dependent changes in EEG, rhythmic brain activity, time-frequency analysis of EEG, wavelet analysis, continuous wavelet transform.
Сонное веретено — это один из наиболее типичных паттернов ритмической активности головного мозга, появляющийся на ЭЭГ во время медленного сна. Сонные веретена удивительно консервативны в эволюционном плане: они наблюдаются не только на ЭЭГ человека, но и у млекопитающих и некоторых рептилий [17]. Хорошо известно, что сонные веретена являются результатом ритмической активности таламо-кортикальной сети в состоянии сна, когда таламус временно прекращает передавать внешнюю информацию к высшим отделам анализаторов в коре и начинает генерировать автономный ритм с частотой 10—12 Гц. Этот ритм распространяется по таламо-кортикальной сети и приобретает форму сонных веретен. Поскольку сонные веретена являются отражением спонтанной ритмической активности таламо-кор-тикальной сети, их частотно-временные параметры могут служить важным критерием функциональных свойств таламо-кортикаль-ной системы и могут быть использованы для ранней диагностики неврологических заболеваний, таких как абсанс-эпилепсия, сенсо-моторые расстройства и нарушения сна.
Функциональные нарушения таламо-кор-тикальной системы (по нашим последним данным, и изменения микроструктуры кортикальной ее части [4]) являются основной причиной формирования абсанс-эпилепсии [14, 18, 22]. Патогенез этого заболевания связан с гипервозбудимостью нейронов неокор-текса, в результате чего сонные веретена трансформируются в характерные для аб-санс-эпилепсии пик-волновые разряды [14]. Эта концепция остается общепризнанной, несмотря на веские контраргументы [18, 22]. Прямые исследования сонных веретен у
больных, страдающих абсанс-эпилепсией, не позволяют сделать однозначные выводы об изменении структуры сонных веретен при развитии данной болезни. Основное внимание нашего исследования приковано к изменению свойств сонных веретен по мере прогрессирующего развития абсанс-эпилепсии у крыс линии ^АО/Яу с генетической предрасположенностью к этому заболеванию [6, 7]). У большинства особей этой линии интенсивность эпилептических разрядов появляется в возрасте 3—5 мес. и значительно увеличивается с возрастом [6], но у некоторых особей судорожная активность не развивается [19]. Наша задача — проследить возрастные изменения сонных веретен в ходе индивидуального развития крыс линии ^АО/Ку с учетом характера проявления (или отсутствия) судорожной активности.
МЕТОДИКА
Экспериментальная часть работы выполнена на шести самцах крыс линии ^АО/Яу, содержавшихся в стандартных условиях вивария ИВНД и НФ РАН. Эксперименты проведены в соответствии с "Правилами проведения работы с использованием экспериментальных животных за № 755 от 12.08.1977" и "Правилами лабораторной практики в Российской федерации, утвержденными приказом Министерства здравоохранения РФ № 267 от 19.06.2003".
Исследования ЭЭГ. Регистрацию ЭЭГ проводили с использованием вживленных электродов. Имплантацию электродов осуществляли в возрасте 4.5 мес. под общим хлоралгидратным наркозом (4%-ный раствор хлоралгидрата в 0.9% №С1, внутрибрюшинно в дозе 325 мг/кг).
Регистрирующий электрод был помещен эпи-дурально в правое полушарие в область лобной коры (AP 2; L 2.5 относительно брегмы), индифферентный электрод — над правым полушарием мозжечка.
Первую запись ЭЭГ проводили у животных в 5 месячном возрасте после 2-недельного периода постоперационного восстановления. После этого животных содержали в клетках поодиночке. ЭЭГ регистрировали повторно в возрасте 7 и 9 мес. Для регистрации ЭЭГ был использован многоканальный компьютерный электроэнцефалограф "Sagura" и программное обеспечение "Leonardo" (MKE Medizintechnik GmbH, Германия). Сигнал ЭЭГ регистрировали в полосе частот 0.5—200 Гц, частота дискретизации составляла 576 с-1/канал-1. Продолжительность записи — 20 ч.
Эпилептический статус каждого животного устанавливали при наличии пик-волновых разрядов, которые служат ЭЭГ-маркерами абсанс-эпилепсии [16]. Для выделения пик-волновых разрядов на ЭЭГ были использованы стандартные критерии, описанные для крыс WAG/Rij [5, 6]. Определяли число и длительность пик-волновых разрядов, подсчитывали суммарную длительность судорожной активности на протяжении 6 ч в течение темного периода времени суток, когда эпилептическая активность у крыс WAG/Rij оказывается максимальной [10].
Вейвлетный анализ ЭЭГ. Частотно-временной анализ был выполнен с использованием непрерывного вейвлетного преобразования W(s, т), которое представляет собой свертку исследуемого экспериментального сигнала ЭЭГ x(t) и некоторой ограниченной (локальной) во времени базисной функции Ф,,x(t) [3]
W(s, т) = J x(0(Ps>T *(t)dt,
(1)
где * означает комплексное сопряжение. Базисная функция ф5, т(?) формируется из материнского вейвлета с помощью следующего преобразования:
U\ 1 t - Т фs,t(0 = ~/=фо (-
•v/s \ s
(2)
где 5 — временной масштаб, определяющий растяжение или сжатие материнской функции, т — временной сдвиг вейвлетного преобразования и ф0 — материнский вейвлет. Вместо временного масштаба 5 удобно рассмат-
ривать частоту /5=1//, которую вводят по аналогии с частотами Фурье-спектра.
Для выявления особенностей частотной динамики сигнала в некоторый фиксированный момент времени ?фикс использовали мгновенные распределения амплитуды сигнала по вей-влетному спектру, что является аналогией спектра, получаемог
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.