ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2013, том 63, № 1, с. 125-134
ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.821.7
"МИКРОЦИКЛИЧЕСКИЕ" ИЗМЕНЕНИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МОЗГА В РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ЕСТЕСТВЕННОГО СНА У ЧЕЛОВЕКА
© 2013 г. А. Н. Шеповальников, Е. И. Гальперина, О. В. Кручинина
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук, Санкт-Петербург, e-mail: galperina-e@yandex.ru Поступила в редакцию 07.03.2012 г. Принята в печать 19.10.2012 г.
В работе приводятся сведения о некоторых систематически регистрируемых фазических ЭЭГ-феноменах на протяжении цикла бодрствование — сон, а также данные о неоднородности ЭЭГ-стадий сна, формирующих последовательные макроциклы сна у человека. Эти кратковременные изменения ЭЭГ нередко имеют тенденцию к периодизации, особенно в начальные периоды сна и при переходных состояниях, при этом наблюдаются своеобразные микроциклы сна. Описана попытка выявления микроструктур ЭЭГ-стадий сна на протяжении цикла бодрствование — сон на основе выделения семи кластеров, отражающих изменения биопотенциального поля мозга при его представлении в n-мерном факторном пространстве. Установлено, что большинство стадий сна представлено тремя-четырьмя кластерами, но некоторые периоды сна (особенно стадия В, по Лумису, и 1REM) демонстрируют более однородную структуру. Высказано предположение, что выявленная неоднородность микроструктуры пространственной организации колебаний биопотенциалов мозга в пределах отдельных стадий сна отражает динамику нейрофизиологических процессов, способствующих более эффективной реализации репаративных и гомеостатических функций сна.
Ключевые слова: сон, микроциклы сна, ЭЭГ, пространственная организация биопотенциалов мозга, неоднородность одноименных стадий сна.
"Microcyclic" Changes in Brain Bioelectrical Activity during Different
Stages of Human Natural Sleep
A. N. Shepovalnikov, E. I. Galperina, O. V. Kruchinina
Laboratory of Neurophysiology of Child, Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry,
Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, e-mail: galperina-e@yandex.ru
This study presents data on some phasic EEG phenomena regulary recorded during sleep — wakefulness cycle and heterogeneity of EEG sleep stages forming consecutive human sleep macrocycles. These short-term EEG changes quite often tend to periodization, especially during initial sleep-stages and transitive states (sleep microcycles). An attempt was made to reveal EEG microstructures in sleep — wakefulness cycle on the basis of 7 clusters reflecting changes in the biopotential field of the brain represented in n-dimensional factorial space. It was found that most sleep stages were presented by 3—4 clusters, but some sleep periods (such as B (Loomis, 1937) and 1REM) showed more homogeneous structure. It was suggested that the heterogeneity of the EEG spatial organization within sleep stages reflect the dynamics of neurophysiological processes underlying reparative and homeo-static sleep functions.
Keywords: sleep, sleep microstructure, EEG, spatial brain biopotentials organization, heterogeneity of similar sleep stages.
DOI: 10.7868/S0044467713010127
Среди основных направлений развития современной сомнологии выделяются работы, нацеленные на детальное изучение микроструктуры сна, в частности тех показателей, которые отражают кратковременные изменения биоэлектрической активности мозга в пределах отдельных стадий сна. К их числу относятся исследования феномена "циклично чередующегося паттерна" ЭЭГ (cycling alternating pattern-САР) [14, 16, 19, 22]. Феномен САР регулярно регистрируется не только при различных нарушениях сна, но и в норме, причем чаще он наблюдается во время поверхностного сна и в переходных состояниях, но может быть представлен и в дельта-сне в виде кратковременной генерализованной реорганизации ЭЭГ. В зависимости от доминирующей частоты компонентов ЭЭГ выделяют три основных субтипа САР — А1, А2, А3, различающихся между собой по продолжительности, а также наличию или отсутствию К-комплексов, дельта-вспышек, вертекс-потенциалов и т.п. В отдельные периоды сна, обычно во время I фазы, феномен САР проявляет тенденцию к квазиритмичности. Природа этого феномена еще недостаточно изучена, но уже имеющиеся данные позволяют предполагать, что такие "микроструктурные" изменения системной деятельности мозга, происходящие в пределах отдельных стадий сна, могут иметь существенное функциональное значение [22]. Неоднородность функционального состояния мозга на протяжении одной и той же стадии сна подтверждается также наличием таких электрографических феноменов, как пароксизмы альфа-ритма (при засыпании), спонтанные К-комплексы (особенно в начале II стадии сна), генерализованные вспышки особенно высокоамлитуд-ных медленных волн (в глубоком сне), появление на ЭЭГ альфаподобного ритма (во время парадоксального сна) и регистрацией других феноменов, нередко сочетающихся с кратковременными изменениями вегетативных процессов (ритма и глубины дыхания, частоты сердцебиений, появлением кожно-гальвани-ческой реакции, КГР). Очевидно, эти фази-ческие процессы на протяжении всех периодов сна, особенно в переходных состояниях, отражают процессы кратковременного изменения баланса взаимодействия диэнцефаль-ных и стволовых центров, ответственных за переключение различных фаз сна и бодрствования [21].
В настоящем сообщении приведены предварительные результаты электроэнцефалографических исследований структуры естественного сна у детей и взрослых, свидетельствующие о существенной неоднородности ЭЭГ на протяжении одноименных стадий сна. Цель нашего исследования — попытаться выявить "микроциклические" изменения структуры пространственно-временных отношений колебаний биопотенциалов мозга, которые отражают наличие кратковременных периодов реорганизации работы коры, свидетельствующие о возможности церебральных структур систематически, но лишь непродолжительное время функционировать в других стадиях сна — глубоких или, наоборот, менее глубоких.
МЕТОДИКА
В работе использованы результаты непрерывной электрополиграфической регистрации (ЭПГ) естественного ночного сна, выполненной на детях и взрослых разного возраста (8—30 лет). Исследовано девять здоровых испытуемых, правшей, обоего пола, которые дали письменное информированное согласие на проведение наблюдений.
Регистрацию производили на 24-каналь-ном компьютерном электроэнцефалографе с полосой пропускания 0.3—40 Гц, с частотой квантования 185 в 1 с по каждому из каналов. Запись проводили непрерывно в течение всей ночи (обычно с 00:00 до 08:00 утра) в экранированной камере в условиях необходимого комфорта. Перед засыпанием электрополи-грамму регистрировали в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами.
Для регистрации ЭЭГ использовалось 19 каналов. Места расположения электродов соответствуют международной схеме 10—20. Отведения — монополярные, с объединенным референтным электродом на мочках ушей. Регистрировали также электрокардиограмму, электроокулограмму и электромиограм-му мышц шеи.
Для анализа использовали безартефакт-ные стандартные 4-секундные эпохи анализа ЭЭГ для всех состояний, кроме стадий сна III и IV, когда использовалась 8-секундная эпоха анализа. Классификацию ЭЭГ-стадий сна производили по [20] на основе данных полиграммы, однако при анализе ЭЭГ в период засыпания (т.е. в I стадии сна) мы ориентиро-
вались на классификацию А. Лумиса с соавт. [18], поскольку была необходимость использовать более дифференцированную оценку этого переходного состояния между бодрствованием и сном. Поэтому мы выделяли в периоды начальной стадии сна I два состояния — 1(А), с наличием остаточных веретен альфа-ритма, и 1(В), с отсутствием ритмической альфа-активности наряду с появлением нерегулярных волн тета- и дельта-диапазонов с амплитудой до 80—120 мкВ.
Для оценки динамики доминирующих периодов ЭЭГ использовали прибор, позволяющий обеспечить предельное амплитудное ограничение волн ЭЭГ до значений +1 и —1 ("клиппирование" ЭЭГ). Для отображения информации, заключенной в интервалах между моментами пересечения ЭЭГ нулевой линии, каждый интервал регистрировали в виде точки, расположенной на определенной высоте от оси отсчета. Чем больше был период между точками пересечения нулевой линии (т.е. чем больше был период соответствующей полуволны), тем длиннее был путь этой точки и тем выше она оказывалась на экране монитора в момент автоматической подсветки. Таким образом, каждый период, связанный с дельта-волной, отмечался точкой в верхних частях кадра, а периоды, отражающие быстрые волны ЭЭГ, — в нижней. Масштабная сетка позволяла точно оценивать число волн соответствующего частотного диапазона ЭЭГ за период регистрации в различные периоды цикла бодрствование — сон.
Основная часть исследований была направлена на выявление закономерностей изменения пространственной структуры биопотенциального поля мозга. Эти исследования базировались на оригинальной методике анализа ЭЭГ в многофакторном пространстве, разработанной в нашей лаборатории [8, 10, 11], и некоторых ее модификациях, позволяющих количественно оценивать степень пространственной согласованности синхронных изменений многоканальной ЭЭГ (подробнее об использованном математическом аппарате см. в приложении к [1]).
При этом ЭЭГ каждого канала была представлена в трехмерном факторном пространстве в виде радиус-вектора. Углы между этими радиус-векторами в пространстве общих факторов обратно пропорциональны степени статистического сходства между соответствующими ЭЭГ. Так, 0 град. соответствует коэф-
фициенту корреляции (КК), равному +1, 90 град. — 0, а 180 град. — КК —1. Объем, занимаемый всей совокупностью пучка радиус-векторов (в нашем случае 19) в n-мерном пространстве, будет являться интегральным показателем общей скоррелированности всех ЭЭГ-процессов, условно названный нами "показателем объемов" (VOL). Величина этого показателя колеблется от 0 до 1, если VOL = 0, процессы
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.