ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2013, том 63, № 3, с. 316-327
ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ^^^^^^ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.821.822
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ МОЗГА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ И ПРЕДСТАВЛЕНИИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК У ЗДОРОВЫХ ЛЮДЕЙ (ЭЭГ и фМРТ исследования)
© 2013 г. Г. Н. Болдырева1, Е. В. Шарова1, Л. А. Жаворонкова1, М. В. Челяпина1, Л. П. Дубровская2, О. А. Симонова2, Л. М. Фадеева3, И. Н. Пронин3, В. Н. Корниенко3
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и
нейрофизиологии Российской академии наук, Москва, 2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, з Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт нейрохирургии им. академика Н.Н. Бурденко" Российской академии медицинских наук, Москва,
e-mail: GBoldyreva@nsi.ru Поступила в редакцию 27.06.2012 г. Принята в печать 19.10.2012 г.
Проанализированы биоэлектрические (ЭЭГ) и гемодинамические (фМРТ ответ) реакции мозга на двигательные пробы для правой или левой руки и мысленное представление их выполнения у 15 здоровых испытуемых правшей (21—39 лет). Установлено, что при реальных движениях основной фМРТ ответ регистрируется в области центральных извилин контралатерального (по отношению к работающей руке) полушария. Наряду с этим выявляются зоны активации в дополнительной моторной области и в ипсилатеральном полушарии мозжечка. На ЭЭГ этому соответствует увеличение когерентности высокочастотных альфа- и бета-диапазонов в активируемом полушарии. При представлении движения степень выраженности и топография фМРТ-реакции резко варьируют; отмечается ослабление ответа в моторной зоне и мозжечке, нарастает активация подкорковых структур и теменных ассоциативных зон. Изменения ЭЭГ в этой ситуации очень вариабельны; наблюдается нарастание когерентности высокочастотных альфа- и бета-колебаний в правом полушарии. Изменения параметров спектров мощности имеют сходный характер при реальных и воображаемых движениях, проявляются в нарастании мощности и средней частоты бета-колебаний, не приурочены к активируемому полушарию и преобладают слева. Они отражают неспецифический компонент формирования реакции.
Ключевые слова: ЭЭГ, фМРТ, спектрально-когерентный анализ, реальные и воображаемые движения.
Structural and Functional Peculiarity of Brain Activity to Performance and Imaginary Motor Tasks in Healthy Persons (EEG and fMRI study)
G. N. Boldyreva, E. V. Sharova, L. A. Zhavoronkova, M. V. Chelyapina, L. P. Dubrovskaia, O. A. Simonova, L. M. Fadeeva, I. N. Pronin , V. N. Korniyenko
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences,
Moscow, Moscow State University, Burdenko Research Institute of Neurosurgery, Russian Academy of Medical Sciences, Moscow,
e-mail: GBoldyreva@nsi.ru
Bioelectrical (EEG) and hemodynamic (fMRI-response) cerebral reactions to performance and imaginary motor tasks by right or left hand were analyzed in 15 right-handed healthy persons (21—39 years old). During actual movement the main fMRI-response was registered in the area of central gyrus of the hemisphere contralateral to the working hand. Areas of activation were also revealed in the supplemental motor area and the ipsilateral hemisphere of the cerebellum. EEG data showed coherence increase in high frequency alpha- and beta-bands in the activated hemisphere. In imaginary motor tasks the intensity and topography of fMRI-response became the more variable; response was decreased in the motor area and in cerebellum, they increased in the subcortical structures and in the parietal association zones. EEG changes were very variable in this situation also; it was observe an increase of EEG coherence in
the right hemisphere for higher frequency of alpha and beta spectral bands. Changes of power spectrum parameters were similar to performance and imaginary motor tasks. Spectrum power and middle frequency of beta band were increased. Topographically these changes did not correspond to activated hemisphere and it was more in the left hemisphere. These changes were reflected nonspecific component of reaction.
Keywords: EEG, fMRI, spectral-coherence analysis, performance and imaginary motor tasks. DOI: 10.7868/S0044467713030039
Важным направлением изучения механизмов работы мозга является анализ его функциональной специализации, включая полу-шарную специфичность реактивных церебральных перестроек. Моделью для решения этой проблемы может быть исследование реакций мозга при выполнении двигательных заданий раздельно правой или левой рукой, т.е. при преимущественной активации одного из полушарий.
Сочетанное использование в этих исследованиях электроэнцефалографических данных (ЭЭГ) и результатов функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), отражающих изменение уровня оксигенации крови в активируемых участках мозга, позволяет наиболее полно проанализировать особенности структурно-функциональных церебральных перестроек и сопоставить нейрофизиологические и гемодинамические маркеры включения в реактивный процесс разных мозговых структур. Подобный комплексный методический подход к изучению механизмов формирования реактивных перестроек мозга довольно активно, особенно в последние годы, используется за рубежом [14, 19, 24, 27, 30].
Основное внимание в этих работах направлено на оценку мощностных и частотных характеристик электрических процессов мозга. В наших предыдущих исследованиях реактивных перестроек мозга у здоровых людей и больных с церебральной патологией при функциональных нагрузках разной модальности и сложности (зрительных, двигательных, речевых) было установлено, что топографически фМРТ ответу в наибольшей степени соответствуют изменения когерентности ЭЭГ, отражающие перестройку межцентральных отношений [2—4, 15]. Это положение, подчеркивающее системный характер работы мозга, нашло подтверждение в проведенных нами количественных сопоставлениях ЭЭГ и фМРТ данных с использованием
методов многомерного статистического анализа [10].
Степень топографического соответствия ЭЭГ и фМРТ реакций, по нашим данным [4], определялась особенностями предъявляемой нагрузки: она была наибольшей при открывании глаз и в пробе на реципрокную координацию рук. ЭЭГ перестройки при односторонних движениях правой или левой рукой носили менее локальный характер и проявлялись в нарастании когерентности ЭЭГ в "работающем" полушарии, на стороне фМРТ ответа.
Специальный интерес представляет анализ церебральных перестроек в случаях мысленного представления выполнения двигательных проб. Эта проблема тесно соприкасается с разработкой активно развивающегося в последние годы направления "интерфейс мозг-компьютер", и ее решение помимо теоретического интереса может занимать важное место в разработке и совершенствовании методов реабилитации больных с двигательными нарушениями.
Согласно данным литературы при представлении движения топография фМРТ ответа резко варьирует, объем активации уменьшается, наряду с основным ответом активируются кортико-субкортикальные связи, контралатеральные базальные ганглии, зоны имитации движения, билатеральные верхние теменные извилины и борозды, кон-тралатеральная премоторная кора [16, 18, 26]. Неоднозначны также данные об изменениях ЭЭГ при воображаемых движениях. По мнению ряда авторов, эта нагрузка сопровождается снижением амплитуды альфа- и бета-ритмов в контралатеральном относительно представляемой руки полушарии [20,21]. Есть сведения о том, что ЭЭГ маркером при воображаемых движениях может являться не наблюдающийся в фоне мю-ритм, имеющий частоту 11.7 ± 0.4 Гц [27]. Отмечается, что при представлении движения левой рукой наблюдается нарастание десинхронизации в ипсилатеральном полушарии [30].
Неоднозначность результатов относительно особенностей фМРТ и ЭЭГ ответов при воображаемых движениях, а также их топографическом соответствии между собой в такой ситуации делает актуальной дальнейшую разработку этой проблемы.
Задачей настоящей работы являлось исследование ЭЭГ и фМРТ реакций мозга здоровых людей при двигательных нагрузках на правую или левую руку и при мысленном представлении выполнения этих заданий. Основной акцент делался на уточнение информативности различных показателей ЭЭГ в оценке полушарной специфичности церебральных перестроек при реальных и воображаемых движениях, проводимой с учетом топографии фМРТ реакций.
МЕТОДИКА
В работе проанализированы ЭЭГ и фМРТ реакции при сжимании—разжимании пальцев в кулак, раздельно правой и левой руки, и мысленном представлении выполнения этих заданий. В исследовании приняли участие 15 здоровых праворуких людей (6 мужчин и 9 женщин) в возрасте от 21 до 39 лет (средний возраст 24.3 ± 5.6 года). Двигательные пробы выполнялись при закрытых глазах. ЭЭГ и фМРТ исследования проводили последовательно в один и тот же день с предъявлением идентичных функциональных нагрузок. У всех испытуемых было получено информированное согласие на участие в исследованиях, одобренное этическим комитетом ИВНД и НФ РАН. ЭЭГ регистрировали на 18-ка-нальном энцефалографе фирмы "Nihon Kohden" (Япония) при расположении электродов по Международной схеме 10—20%. Анализировали 50—60-секундные отрезки монополярной (относительно ушных референтных электродов) записи ЭЭГ; частота оцифровки равнялась 100 Гц, полоса пропускания — 0.3—35 Гц. Удаление артефактных участков ЭЭГ проводили на основе ее визуального анализа. Спектрально-когерентный анализ ЭЭГ осуществляли на базе программно-вычислительного комплекса "Нейрокарто-граф" (МБН, Россия). Для спектров когерентности вычисляли средние уровни когерентности (Г). Для спектров мощности определяли среднюю мощность (М), среднюю частоту (/ср), рассчитанную с учетом веса всех частотных составляющих, и эффективную частотную полосу (А/ф), характеризующую
степень размытости спектра. Эти параметры определяли для всей частотной полосы (0.4— 30 Гц) и отдельных ее составляющих в пределах основных физиологических диапазонов ритмов: дельта (0.4—3.9 Гц), тета1 (4.3— 5.5 Гц),
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.