ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2015, том 41, № 3, с. 41-49
УДК 616.892
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЙ ЭЭГ-ПАТТЕРНОВ В ОТВЕТ НА РИТМИЧЕСКУЮ ФОТОСТИМУЛЯЦИЮ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ НАРУШЕНИЯХ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ
ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
© 2015 г. И. А. Святогор1, О. Е. Дик1, А. Д. Ноздрачев1 2, Н. Л. Гусева3
1ФГБУНИнститут физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург
2Санкт-Петербургский государственный университет 3ФГБУ НИИ экспериментальной медицины СЗО РАМН, Санкт-Петербург E-mail: glazov.holo@mail.iojfe.ru Поступила в редакцию 29.04.2014 г.
Впервые с помощью метода вейвлет-анализа ЭЭГ оценена реакция усвоения ритма фотостимуляции у лиц с нарушениями функционального состояния центральной нервной системы, обусловленными сосудистыми заболеваниями различной степени тяжести. Фоновые фрагменты ЭЭГ больных в группе с вегето-сосудистой дистонией характеризуются меньшими (по сравнению с контрольной группой) значениями энергии вейвлетного спектра в а-диапазоне, а в группах с вертебрально-бази-лярной недостаточностью и с атеросклеротическим поражением сосудов — еще меньшими значениями энергии в А-диапазоне. Вейвлет-анализ реактивных паттернов показал различное усвоение ритмов в-, 9- и а-диапазона в разных группах пациентов. Проведенное исследование демонстрирует возможность вейвлет-анализа количественно оценить реакцию мозга на световые стимулы. Результаты могут быть использованы для адекватного выбора лечения конкретного пациента, имеющего сосудистую патологию головного мозга.
Ключевые слова: ЭЭГ, ритмическая фотостимуляция, вейвлетный спектр, функциональное состояние центральной нервной системы.
Б01: 10.7868/80131164615030170
Электрическая активность головного мозга является отражением сложного взаимодействия корково-корковых и корково-подкорковых взаимоотношений, синхронизирующих и десинхронизирующих процессов [1, 2]. Любые изменения в деятельности центральной нервной системы (ЦНС) в норме и при патологии приводят к различного рода изменениям этого взаимодействия. Выявление нарушений в паттернах электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в некоторых случаях является достаточно сложной задачей, например, при анализе нестационарной диффузной активности, возникающей при отдаленных последствиях черепно-мозговой травмы, нейроинфекции или сосудистого заболевания мозга. Отметим, что в клинической практике подобные нарушения встречаются гораздо чаще, чем изменения при тяжелых деструктивных поражениях мозговой ткани. Разнообразие форм паттернов ЭЭГ при диффузной активности намного выше, чем в случае органических поражений мозга, приводящих к хорошо выявляемым очаговым нарушениям и
пароксизмальным формам ЭЭГ [1—3]. Именно отсутствие специфичности ЭЭГ при диффузной активности существенно затрудняет ее анализ. При этом большое значение в отличие от нозологических форм заболеваний приобретает понятие функционального состояния ЦНС [4, 5]. К параметрам этого состояния обычно относят возбудимость и лабильность, а также устойчивость или неустойчивость нервной системы.
Выявление изменений электрической актив -ности мозга только в состоянии покоя не всегда дает исчерпывающую информацию о наличии и степени патологических проявлений в ЦНС. Поэтому клиницисты используют функциональные нагрузки, такие как фотостимуляция и гипервентиляция. Ритмическая фотостимуляция может вызывать на ЭЭГ феномен усвоения ритма световых импульсов, то есть перестройку электрической активности мозга в соответствии с частотой, равной или кратной частоте подаваемых вспышек [6—8]. У здоровых людей реакция усвоения ритма наблюдается в диапазоне от 8 до 20 Гц. Критерием
патологии при оценке реакции фотостимуляции считается расширение диапазона усвоения ритмов либо полное отсутствие реакции усвоения [9, 10].
Выраженность самой реакции определяется несколькими факторами: состоянием специфических проводящих путей от сетчатки глаза через таламические ядра в кору; возбудимостью и лабильностью корковых нейронов, что зависит от соотношения активирующих и дезактивирующих влияний со стороны неспецифических систем мозга [11].
Изменения паттернов ЭЭГ под воздействием ритмической фотостимуляции при нарушениях деятельности ЦНС органического или функционального генеза могут иметь большое значение для клинической практики. Однако эти данные используются недостаточно. В связи с этим целью настоящей работы была оценка и клиническая интерпретация характера реакции усвоения ритмов фотостимуляции у лиц с различными нарушениями функционального состояния центральной нервной системы, а также выявление количественных показателей, определяющих возможности здорового и больного мозга усваивать внешние световые стимулы разных частот.
МЕТОДИКА
Нами было обследовано 10 здоровых лиц и 58 пациентов с сосудистыми заболеваниями головного мозга в виде дисциркуляторной энцефалопатии разной степени выраженности: из них 16 человек с начальными ее проявлениями в виде ве-гето-сосудистой дистонии (группа ВСД), 16 человек с более выраженными проявлениями в результате гипертонической болезни (группа ГБ), 14 человек с атеросклеротическим поражением сосудов головного мозга (группа АТ), а также 12 человек с проявлениями вертебрально-бази-лярной недостаточности в результате шейного остеохондроза (группа ВБН). Для всех обследованных пациентов были характерны жалобы на головные боли, снижение памяти, внимания, повышенную раздражительность, быструю утомляемость и нарушение сна.
Электрическая активность мозга регистрировалась на 21-канальном компьютерном электроэнцефалографе фирмы "Мицар-ЭЭГ" (Россия, Санкт-Петербург) с помощью Л§/Л§С1 электродов. Регистрация осуществлялась в темном помещении в состоянии расслабленного бодрствования с закрытыми глазами и при воздействии функциональной нагрузки — ритмической фотостимуляции. Активные электроды располагались по стандартной схеме 10—20. В качестве индифферентного использовался усредненный электрод (Лу). Данные записывались с частотой дис-
кретизации 256 Гц, отфильтровывались в диапазоне 1.5—25 Гц и содержали безартефактные фрагменты записи в трех состояниях: до, во время воздействия светового стимула и во время релаксации (интервалы [0, ?Л], [?Л, ?в], [?в, ?к], соответственно).
Фотостимулятор находился на расстоянии 15 см от глаз испытуемого, находящегося в темном помещении. Длительность вспышки составляла 50 мкс, мощность — 0.3 Дж. Вспышки подавались дискретно от 2 до 24 Гц с шагом в 2 Гц. Действие световых стимулов каждой частоты длилось 10 секунд, время релаксации до включения фотовспышек следующей частоты составляло 20 с.
Оценка электрической активности проводилась визуально по классификации Святогор И.А. [12] и с помощью метода вейвлет-анализа [13]. Оценивались фрагменты записи ЭЭГ в затылочных (01, 0^, 02) отведениях. Эти локусы были выбраны в связи с тем, что ответы на световые раздражители распространяются симметрично в обоих полушариях и имеют максимальную амплитуду в затылочных долях мозга.
При визуальном анализе в фоновых паттернах ЭЭГ у обследованных оценивались следующие показатели: частота, амплитуда и индекс а-ритма (время присутствия данной составляющей, выраженное в процентах по отношению ко всей записи фона), а также образ (веретенообразный, ма-шинообразный, пароксизмальный) и степень ис-каженности другими составляющими ЭЭГ. Большинство авторов считает, что именно этот ритм отражает наиболее оптимальные корково-подкорковые взаимоотношения. По выраженности остальных А, 0 и р составляющих, "разрушающих" а-ритм, определялась степень неустойчивости нейродинамических процессов, что, в свою очередь, определяет отклонение от нормальных значений ЭЭГ или степень патологических проявлений [2, 14].
Для оценки энергетических характеристик фрагментов ЭЭГ и их изменений, возникающих в процессе фотостимуляции, мы применили метод непрерывного вейвлет-преобразования временного ряда х(0, описывающего исследуемый сигнал:
+ ю
Щ(а, ) = 1 |х(*(Л,
— ю
где а — параметр масштаба, — параметр временного сдвига, — ^)/а) — вейвлет-функция, полученная из базисного вейвлета путем масштабирования и сдвига по времени, символ * означает комплексное сопряжение. В качестве базисного вейвлета был использован комплексный вейвлет Морле:
2 2 у(?) = Бехр(—0.5? )[ехр(-/ю°?) - ехр(-0.5ю°)],
где функция
Б =
-1 /4
7 2 2 1 - 2ехр(-0.75ю0) + ехр(-ю0)
Величина ю0 = 2я дает простое соотношение между параметром а и частотой/: / = 1/а.
Величина модуля вейвлетного спектра | Щ/, ?0)| характеризует наличие и интенсивность частоты / в момент времени ?0 в анализируемом сигнале, а величина квадрата модуля |Щ/, ?0)|2 описывает мгновенное распределение энергии фрагмента ЭЭГ по частотам, то есть локальный вейвлетный спектр энергии в момент времени ?0.
Интеграл
Е(Л = ]\ т 10 )|2 йг,
определяет глобальный вейвлетный спектр, то есть интегральное распределение энергии вей-влетного спектра сигнала по частотам в интервале времени [?1, ?2].
Световой сигнал на интервале времени [?А, ?в] аппроксимировался, как это ранее было сделано в работе [15], последовательностью к одинаковых гауссовых импульсов, следующих друг за другом с частотой /с, равной 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 или 18 Гц. Каждый импульс имел ширину г0 = 10 мс. Центры импульсов были расположены в точках
*0, = гл + 1/1 с, I = 0, ..., к - 1,
где А — время включения светового сигнала, то есть время начала первого импульса в последовательности.
Таким образом, световой сигнал описывался следующей функцией
к - 1
р (г) = X
0.5
0 г()4п
(
ехр
( г - ?0,)
4 г2
2
Пример светового сигнала, состоящего из 7 гауссовых импульсов шириной 10 мс каждый и возникающих с частотой /с = 2 Гц, приведен на рис. 1, А.
Непрерывное вейвлет-преобразование такого сигнала р(?) может быть получено в виде:
„я, , ч /Б ( г + 2(юа/>0)^ W(f, ?0) =■>— ехр ^--2 д ) х
/у $ 1
ехр [--—^ - ехр
2 ^
где 8 = 1 + 2(/г0)2, г = (? — ?0У — безразмерное время, измеренное относительно времени ?0.
Световой сигнал 30
20 10
А
У, Гц 2.2
5 Б
7 8
Время, с
^ с
Рис. 1. Пример светового сигнала с частотой 2 Гц, состоящего из 7 гауссовых импульсов, ширина каждого импульса 10 мс (А).
Проек
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.