научная статья по теме ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОГЕРЕНТНОСТИ ЭЭГ У ДЕТЕЙ И ПОДРОСТКОВ, ПРОЖИВАЮЩИХ НА ЕВРОПЕЙСКОМ СЕВЕРЕ Биология

Текст научной статьи на тему «ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОГЕРЕНТНОСТИ ЭЭГ У ДЕТЕЙ И ПОДРОСТКОВ, ПРОЖИВАЮЩИХ НА ЕВРОПЕЙСКОМ СЕВЕРЕ»

УДК 612.821+612.014

ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОГЕРЕНТНОСТИ ЭЭГ У ДЕТЕЙ И ПОДРОСТКОВ, ПРОЖИВАЮЩИХ НА ЕВРОПЕЙСКОМ СЕВЕРЕ

© 2015 г. С. И. Сороко, Ж. В. Нагорнова, В. П. Рожков, Н. В. Шемякина

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург

E-mail: soroko@iephb.ru Поступила в редакцию 13.04.2015 г.

Представлены результаты анализа формирования структуры пространственной синхронизации биопотенциалов мозга у 91 школьника в возрасте от 7 до 18 лет, проживающих в суровых условиях Европейского Севера. Оценивали величины когерентности для 19 отведений (171 пара отведений) в пяти частотных диапазонах ЭЭГ (А, 9, а^, а2, Р). Описана возрастная динамика, гендерные особенности и топическая специфика формирования когерентных связей в левом и правом полушариях мозга, а также межполушарных и межрегиональных связей. Проведена компьютерная оценка различий трех возрастных групп школьников-северян по структуре когерентности ЭЭГ с целью разработки критериев выявления школьников с замедленными темпами формирования пространственной организации взаимодействия локальных ЭЭГ-процессов. Выявленные возрастные изменения структуры паттерна ЭЭГ отражают картину морфофункционального развития мозга детей и подростков на разных стадиях постнатального онтогенеза в суровых условиях Севера.

Ключевые слова: Север, дети и подростки, возрастное развитие, когерентность ЭЭГ, гендерные различия.

DOI: 10.7868/S013116461505015X

Морфофункциональное развитие головного мозга в детском и подростковом возрасте характеризуется генетически обусловленным формированием цитоархитектоники и ансамблевой организации корковых полей, ростом синаптических связей между отдельными нейронами, образованием внутриполушарных, межполушарных и корково-подкорковых взаимосвязей, продолжающейся миелинизацией нервных волокон [1—4]. В то же время известно, что на развертывание генетической программы морфофункционального развития мозга ребенка определенное модулирующее влияние оказывает окружающая среда как природная, так и социальная [5]. Исследованиями, выполненными в северных регионах России, показано, что суровые климато-географические и сложные социально-экономические условия оказывают значительное негативное воздействие на возрастное развитие, состояние здоровья, трудоспособность и продолжительность жизни северян. У детей-северян чаще встречаются врожденные уродства, нарушения иммунной и эндокринной систем, нарушения нервных процессов, выше заболеваемость, младенческая и детская смертность [6—8]. Описаны этнические особенности и региональные отличия физиологических параметров различных систем организма у коренных народов Севера и мигрантов-европеоидов,

выявлена генофенотипическая связь между особенностями формирования электрогенеза головного мозга у детей и состоянием когнитивно-мнестических процессов у аборигенов в зависимости от специфики их трудовой деятельности и этнического уклада жизни (чукчи, эскимосы) [9].

Одним из наиболее объективных методов изучения морфофункционального возрастного развития мозга является многоканальная электроэнцефалография. Анализ фоновой и вызванной электрической активности мозга позволяет выявить характер функционального созревания различных отделов коры мозга, подкорковых структур и их регуляторных влияний в разные возрастные периоды [10—12]. Особый интерес представляет оценка процесса формирования взаимодействия и интеграции функционально-специфических областей мозга в распределенную систему, обеспечивающую реализацию всех форм деятельности, включая когнитивную [10, 11, 13].

Нейрональные механизмы координации такой распределенной во времени и в пространстве активности в согласованное оперативное взаимодействие изучены недостаточно. Имеются основания полагать, что одним из важнейших механизмов, лежащих в основе такой координации, является механизм дистантной (пространствен-

ной) синхронизации нейрональной активности [14—16]. Степень линейной взаимосвязи или синхронизацию между различными областями мозга позволяет оценить анализ ЭЭГ-когерентности как меры степени устойчивости фазового сдвига сигналов. Когерентность описывает синхронизацию активности нейронов как функцию корреляции ЭЭГ-компонентов в частотной области. Высокая когерентность между биопотенциалами в различных отведениях ЭЭГ может служить показателем функциональной интеграции между ней-рональными ансамблями [17].

В настоящее время имеются данные о возрастных особенностях когерентности ЭЭГ и ее связи с состоянием когнитивно-мнестической деятельности у детей и подростков, проживающих в средней полосе России. Показано, что по мере взросления у детей и подростков увеличивается упорядоченность пространственной структуры взаимодействия колебаний биопотенциалов, постепенно приобретая черты, характерные для взрослых [11, 18-20]. У детей с отклонениями в развитии наблюдаются изменения и нарушения паттерна биоэлектрической активности [21]. Ранее нами было показано, что имеются определенные отличия в когерентности биопотенциалов мозга у детей-северян, коррелирующие с задержкой темпов возрастного развития электрогенеза головного мозга [22]. Однако этот вопрос остается до конца не исследованным. До сих пор остаются неясными вопросы: а) как и в каком возрасте формируются когерентные отношения между отдельными зонами мозга; б) как меняются когерентные отношения между отдельными зонами мозга в диапазоне основных ритмов ЭЭГ с возрастом; в) имеются ли гендерные отличия между когерентностью ЭЭГ в тот или иной возрастной период; г) имеется ли достоверная корреляция между задержкой темпов формирования частотного спектра ЭЭГ и уровнями когерентности у детей-северян?

В связи с этим, основной целью нашей работы являлось изучение возрастной динамики формирования внутриполушарной и межполушарной когерентности в различных частотных диапазонах электрической активности мозга у детей и подростков, проживающих на Европейском Севере.

МЕТОДИКА

В период с 2005 по 2013 год проведен электроэнцефалографический мониторинг морфофунк-ционального развития головного мозга 91 школьника в возрасте от 8 до 17 лет общеобразовательной сельской средней школы в одном из отдаленных районов Архангельской области. Проведено 237 ЭЭГ-исследований (117 с участием девочек и 120 с участием мальчиков). Исследо-

вания проводились в одно и то же время года (осенне-зимний сезон: октябрь—декабрь) на одной и той же популяции детей и подростков. Общая численность популяции варьировала каждый год в пределах 10—15% в зависимости от количества учащихся, закончивших учебу и поступивших в первый класс. Все исследования проводились с соблюдением требований Хельсинкской декларации. Протокол исследований одобрен Комиссией по этике Ученого совета Института.

ЭЭГ регистрировали на компьютерном электроэнцефалографе-анализаторе ЭЭГА 21/26 "Эн-цефалан-131-03" (НПКФ "Медиком" МТД, Россия) в 21 отведении (Рр1, Fp2, F7, F3, Fz, F4, F8, Тъ, Съ, Cz, С4, Т4, Т5, Р3, Pz, Р4, Т6, 0Ь Oz, О2) по международной системе 10—20 в полосе 0.5—70 Гц с частотой дискретизации 250 Гц. Сопротивление электродов не превышало 10 кОм. При регистрации использовали монополярное отведение с объединенным референтным электродом, располагавшимся на мочках ушей. Запись ЭЭГ производилась в положении сидя в состоянии покоя при закрытых глазах. Далее исходные записи ЭЭГ подвергались фильтрации в полосе от 1.6 до 30 Гц и приводились к усредненному монтажу с 19-ка-нальной схемой (без Fpz, Oz отведений). Использование усредненного монтажа позволяет снизить влияние эффекта объемного проведения на показатели когерентности [23, 24].

Фрагменты ЭЭГ, содержащие артефакты, исключались из анализа с использованием программного пакета WinEEG (Пономарев В.А., Кропотов Ю.Д., Гос. рег. № 2001610516 от 08.05.2001). Запись ЭЭГ разделялась на эпохи анализа, равные 4 секундам с 50%-ным перекрыванием. В соответствии с результатами исследований [25], данные всех испытуемых уравнивались по 30 эпохам анализа.

Когерентность рассчитывали по формуле:

С2ху(/) = ^ху(/))2/(^хх(/)(^УУ(/)),

где Sxy(f) - значение кросс-спектра, Sxx(f), ^уу(/) — значения автоспектра биопотенциалов сравниваемых точек Х и У на частоте /. Значения когерентности, изменяющиеся от 0 до 1, усредняли в пределах пяти частотных диапазонов ЭЭГ: А (1.5— 4 Гц), 0 (4-8 Гц), а1 (8-10 Гц), а2 (10-13 Гц), в (13-30 Гц). Далее значения когерентности подвергались нормализации с помощью преобразований У = 1§[Х7(1 - X2)].

Для выявления взаимосвязи изменений показателей когерентности ЭЭГ с возрастом применяли множественный регрессионный анализ с гребневыми оценками параметров регрессии с пошаговым включением предикторов. Анализировали стандартизированные регрессионные коэффициенты и коэффициенты детерминации (г2). Для анализа топических различий возрастных изме-

В

Рис. 1. Структура когерентных связей (превышающих уровень 0.4) в 9-, а1-, а.2- и Р-диапазонах частот у школьников трех возрастных групп.

На топограммах: точками показаны отведения ЭЭГ в соответствии со схемой "10—20", линиями между отведениями — когерентные связи. А — младшая группа, Б — средняя группа, В — старшая группа.

нений показателей когерентности ЭЭГ для всех комбинаций отведений (171 пара) в группах мальчиков и девочек использовался линейный регрессионный анализ. Нулевая гипотеза отклонялась при вероятности ошибкиp < 0.0001.

Для оценки групповых закономерностей возрастного развития ЭЭГ по показателям когерентности все школьники были разделены на три возрастные группы: младшую — от 7 до 10.9 лет, среднюю — от 11 до 13.9 лет, старшую — от 14 до 17.9 лет. Для оценки возможности компьютерной классификации детей по возрасту по данным когерентного анализа использовали классический дискриминантный анализ с пошаговым включением предикторов.

С целью изучения влияния факторов Пол, Возрастная группа (3 градации), а также их сочетан-ного взаимодействия на показатели ЭЭГ школьников использовали многомерный дисперсионный анализ для отдельно рассматриваемых диапазонов ЭЭГ. Нулевая гипотеза (отсутствие различий) отклонялась при вероятности ошибки р < 0.05.

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