НОВАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО
СОСТОЯНИЯ ЦНС

Шапкнн Андрей Григорьевич

канд. мед. наук, ГУ НЦ ПЗС и РЧ СО РАМН, г. Иркутск

Е-mail: 

Шапкин Юрий Григорьевич

канд. биол. наук, ИГМУ, г. Иркутск

Суфианов Альберт Акрамович

д-р мед. наук, профессор, ФНЦ, г Тюмень

Суфианова Галина Зиновьевна

д-р мед. наук, профессор, ТГМА, г. Тюмень

Таборов Михаил Витальевич

ведущий инженер-программист опытно-конструкторского отдела ИСЗФ СО РАН, г Иркутск

Голобородько Марина Валентиновна

ассистент кафедры неврологии ИГМУ, г. Иркутск

Кудряшова Анастасия Анатольевна

сотрудник кафедры фармакологии ИГМУ, г. Иркутск

Енокиян Ани Арсеновна

сотрудник кафедры фармакологии ИГМУ, г. Иркутск

Исследование механизмов восприятия, запоминания и воспроизведения информации имеет ключевое значение для изучения высшей нервной деятельности в экспериментальной и клинической практике. Однако существующие методы исследования ВНД основаны в основном на методах психологического тестирования и часто требуют сознательного участия обследуемого, что в ряде случаев невозможно, например, у детей, либо у пациентов в вегетативном состоянии. В предыдущих исследованиях мы показали возможность записи в память и считывания произвольного паттерна в эксперименте на крысах [1]. С этой целью использовалась методика прямой электро­стимуляции коры головного мозга референтным сигналом и записы­ваемым паттерном. Метод был основан на предположении, что пер­вичная активация чувствительной к референтному сигналу нейрональ­ной системы в результате продолжительной стимуляции переменным током референтной частоты и последующее предъявление сложного по своим частотно-временным характеристикам основного паттерна сопровождается установлением специфических связей между первич­но-активированной нейронной сетью и чувствительными к компонен­там основного сигнала распределенными нейрональными структу­рами. Повторное предъявление референтного сигнала сопровождается последовательным включением этих распределенных нейронных сетей, что регистрируется в виде шумоподобного частотно-селек­тивного воспроизведения сигнала на ЭЭГ. Вследствие инвазивности экспериментальной методики, ее использование у человека представ­ляет существенные технические сложности. В данной статье мы предс­тавляем «адаптацию» данного метода для неинвазивного исследования восприятия, запоминания и воспроизведения информации у человека.

Работа выполнена на 25 здоровых добровольцах в возрасте
18—23 лет.

Исследование функционального состояния ЦНС проводили путем записи электрической активности коры головного мозга во время многократной последовательной фотостимуляции референт­ным (13 Гц 30 сек) и основным (паттерн с увеличением частоты в течении 10 сек. от 1 до 10 Гц) сигналами. Запись биоэлектрической активности коры головного мозга осуществляли по униполярной методике с помощью электроэнцефалографа «Нейрон-Спектр-1-4/П» (ООО «Нейро­софт») в отведениях согласно стандарту 10—20 % по Джасперу в полосе частот от 0,5 до 35 Гц с последующей оцифровкой с частотой 200 Гц. Для стимуляции использовали стандартный фотостимулятор в комплекте с используемым электроэнцефалографом.

Для выделения в записи ЭЭГ во время стимуляции референтным сигналом, сигнала с частотно-временными характеристиками подобными основному паттерну использовался метод когерентного накопления и кросскорреляции спектрограмм. Зарегистрированные у отдельных испытуемых во время стимуляции опорным сигналом фрагменты ЭЭГ, после предварительной фильтрации референтной частоты (13 Гц) подвергали усреднению. С целью визуализации ЭЭГ фрагментов выполняли частотно-временной анализ с использованием метода локального преобразования Фурье. Для уменьшения уровня шума, полученные спектрограммы пропускали через 2-х мерный адаптивный фильтр Винера. Вычисление временных параметров воспроизведения следа памяти основного паттерна осуществляли путем корреляции спектрограмм ЭЭГ и основного сигнала в частотно-временном диапазоне 0,5—10,5 Гц — 0—10 сек. [2]. Визуализация результатов, статистическая и математическая обработка данных выполнялись с использованием MATLAB 7 и MSExcel 2003. Результаты представлены в виде M ± m, где M— среднее арифметическое, а m— ошибка средней.

В фоновой записи ЭЭГ изменения коэффициента корреляции спектрограмм суммарной фоновой ЭЭГ и основного паттерна находились в пределах ± 0.15. При контрольной фотостимуляции референтным сигналом 13 Гц (без последующего предъявления основного паттерна) колебания коэффициента корреляции не отлича­лись от подобных изменений в фоновой записи ЭЭГ. В спектро­граммах фрагментов ЭЭГ, записанных во время этого периода и в фоновой ЭЭГ, ни визуально, ни с использованием корреляционного метода не определялся сигнал, сходный с основным паттерном.

При многократной последовательной фотостимуляции референт­ным сигналом и основным паттерном, в среднем через 0,72 ± 0,12 сек после включения референтнго сигнала отмечалось воспроизведение сигнала под своим частотно-временным характеристикам сходным с основным паттерном (рис. 1). Максимальная амплитуда данного сигна­ла регистрировалась в передних (лобных) отведениях (рис. 2). После первичной генерации сигнала, в среднем через 10,36 ± 1,4 сек и 19,85 ± 1,1 сек наблюдалось повторное воспроизведение следа основного паттерна.

Рис. 1. Результаты частотно-временного (а)
и корреляционного анализа усредненных фрагментов ЭЭГ. Стрелкой указан момент воспроизведения основного паттерна. Пунктирной линией на 10 секунде указан момент включения референтного сигнала (13 Гц 30 сек), на 40 секунде — включение основного паттерна с соответствующим усвоением
ритма фото стимуляции.

Рис. 2. Топографическое картирование коэффициента корреляции и локализация эквивалентного дипольного источника биоэлектрической активности соответствующего воспроизведению следа основного паттерна после включения референтного сигнала.

Предлагаемый способ диагностики основан на способности нейрональных ансамблей коры головного мозга активироваться и генерировать электрическую активность совпадающую по частоте с частотой внешнего воздействия [5]. Продолжительная стимуляция первым (референтным) сигналом определенной связанной группы нейронов и последующее кратковременное предъявление второго (основного) сигнала сопровождается установлением специфических связей между первично-активированной нейронной сетью и чувствительными к компонентам второго сигнала нейрональными структурами [3, 4]. Повторное предъявление референтного сигнала и, как следствие, активация элементов первичного нейронного ансамбля вызывает последовательное включение чувствительных ко основному паттерну нейронных сетей, в результате чего происходит воспроиз­ведение в записи биоэлектрической активности головного мозга сигнала сходного по своим частотно-временным характеристикам с основным паттерном. Временной период между включением первого (референтного) стимулирующего сигнала и активацией нейронального ансамбля чувствительного к компонентам второго (основного) сигнала позволяет оценить скорость интеграции двух активированных внешними сигналами нейрональных ансамблей в норме и при различных воздействиях и включает в свою очередь несколько состав­ляющих: время возбуждения рецептора, передачи сигнала от перифе­рии к центру по афферентным путям, идентификации и переработки информации в центральной нервной системе, активацию нейрональ­ного ансамбля, чувствительного к компонентам основного паттерна. Полученный в результате усреднения временной показатель оценивает быстроту нервно-психических процессов и является интегративным показателем функционального состояния нервной системы.

Предложенный нами способ может использоваться для непос­редственного изучения механизмов функционирования нейрональных ансамблей как в эксперименте, так и в клинике, а также целью разработки биологических систем с интерфейсом мозг-компьютер.

Список литературы:

1. Шапкин А. Г. и соавт. Запись и воспроизведение следа памяти произвольного сигнала при прямой электростимуляции коры головного мозга у крыс / А. Г. Шапкин, М. В. Таборов, Ю. Г. Шапкин // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. — 2011. —№ 4(80), ч. 1. — С. 288—294.
2. Altes R. A. Detection, estimation, and classification with spectrograms / R. A. Altes // J. Acoust. Soc. Am. —1980. —67. —p. 1232—1248.
3. Fuster J. M. Cortical dynamics of memory / J. M Fuster // Int. J. Psychophysiol. — 2000. — № 35(2—3). — p. 155—164.
4. Silva A. J. et al. Molecular and cellular approaches to memory allocation in neural circuits / A. J. Silva, Y. Zhou, T. Rogerson, J. Shobe, J. Balaji // Science. — 2009. — № 326. — p. 391—395.
5. Takahashi T. Activation methods. / E. Niedermeyer (ed.) // Electroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields. - Baltimore, MD, USA: Williams & Wilkins, 1993 — p. 28—45