Бегущая волна ЭЭГ (Раздаточные материалы)

http://www.fnii.pu.ru/win/eeglab/trwave.htm

Бегущая волна ЭЭГ. Установлено, что отдельные колебания спонтанной ЭЭГ (волны) возникают в разных точках не одновременно. Первоначально волна возникает в каком либо пункте или небольшой области, в соседних областях чуть позже, в более удалённых - ещё чуть позже и т.д. Общее правило таково, что фазовый сдвиг между колебаниями ЭЭГ возрастает по мере удаления точек регистрации. Данное правило достаточно универсально для самых разных видов активности мозга. Это выглядит как бегущая или распространяющаяся волна ЭЭГ (traveling wave), другой термин для обозначения того же явления - переливы ЭЭГ. Траектории, по которым колебания обегают поверхность головы очень разнообразны и переменчивы; они обладают индивидуальной спецификой, а также зависят от текущего состояния мозга и вида выполняемой деятельности. При помощи многоэлектродной регистрации ЭЭГ эти траектории обегания вычисляются и отображаются на экране в виде компьютерной анимации. Получающиеся динамические картины анализируются визуально (на глаз), подобно узорам обычной ЭЭГ, как принято в медицине. Но мы также развили и разнообразную объективную статистику скоростей и направлений бегущей волны ЭЭГ для строгого статистического контроля увиденных закономерностей. Например, вычисленные объективные параметры бегущей волны сопоставлялись с результатами психологического тестирования, пульсометрией и прочее. Результаты анализа показывают, что картина бегущей волны является критерием индивидуальной нормы данного человека, его функционального состояния и при этом хорошим индикатором активации той или иной зоны коры.

У 25-и здоровых испытуемых. при закрытых и открытых глазах в покое осуществлялось измерение текущей фазовой структуры ЭЭГ, т.е. траектории и скорости распространения колебаний по поверхности головы в теменно-затылочной области. Визуально с помощью компьютерной мультипликации были выявлены устойчивые индивидуальные особенности динамики "бегущей волны" ЭЭГ, независимо подтверждённые, исходя из критериев статистической значимости. Для одних испытуемых характерны переливы ЭЭГ-волн в поперечном направлении (слева направо и справа налево), для других - продольные переливы вдоль диагонали от левых передних областей коры к правым задним (у одних), или вдоль той же диагонали в обратную сторону (у других). При открывании глаз характер "бегущей волны" ЭЭГ очевидным образом резко меняется. Среди прочего отмечен рост доли траекторий с фазовым лидерством в затылочной области при параллельном увеличении скорости распространения "бегущей волны" по всем траекториям. Оба эффекта количественно сцеплены друг с другом, причём более резкая динамика свойственна лицам, характеризовавшимся как симпатотоники по сравнению с парасимпатотониками.
Ключевые слова: ЭЭГ, фазовые соотношения, "бегущая волна" ЭЭГ, индивидуальная динамика, симпатотоники.
Рос. физиол. журн. им. И.М.Сеченова. Т.90. №3. С.257-271. 2004

D. R. Belov, S. F. Kolodiazhny, M. V. Sviridenko, M. P. Ivanov, I. E. Kanunikov, O. V. Getmanenko. INDIVIDUAL DYNAMICS OF THE EEG TRAVELLING WAVE UNDER DIFFERENT CONDITIONS OF ACTIVITY. St. Petersburg State University, 199034, St. Petersburg, 7/9 Universitetskaya Nab., Russia.
In 25 healthy subjects at resting with their eyes closed and open, a current phase structure of the EEG was measured, i. e. a trajectory and velocity of oscillation spreading over the head surface in temporal-occipital area. Visual computer multiplication revealed stable individual specifics of the EEG "travelling wave" dynamics which were then confirmed independently proceeding from the statistical significance criteria. Some subjects had characteristic transversal modulations of the EEG waves (from the left to the right and vice versa), other subjects manifested longitudinal modulations along the diagonal from the cortex left anterior areas to the right posterior those (in some of them) or along the same diagonal in the opposite direction (in others). When opening the eyes, the character of the EEG "travelling wave" undergoes dramatic changes. Among other parameters, a growth of the trajectory share occurs in occipital area along with acceleration of the "traveling wave" spreading on all other trajectories. Both effects are bound to each other and the sharper dynamics in specific for subjects characterized as sympathotonic those as compared with parasympathotonic.
Key words: EEG, phase correlations, "traveling wave", individual dynamics, sympathotonic subjects.
RUSSIAN PHYSIOLOGICAL JOURNAL. V.90. N3. P.257-271. 2004

ВВЕДЕНИЕ
Спонтанные колебания потенциала коры головного мозга (волны ЭЭГ) возникают в разных точках не одновременно. При многоэлектродной регистрации от кожи головы видно, что возникнув в одном пункте, колебание распространяется от него по поверхности головы и обегает её по некоторой траектории. В зарубежных источниках это явление получило название "движущаяся" или "бегущая волна" (travelling wave - см. напр. [34,38,39]), а в отечественных - "переливы ЭЭГ" [12,13,14]. Следует отметить, что наиболее изучен в отношении движения потенциала альфа-ритм ЭЭГ, как наиболее удобный объект, однако, такое распространение достаточно универсально для любой ритмической активности (по А.Н. Шеповальникову - [26]).
Возможные варианты траекторий распространения волны очень многообразны и переменчивы, как и скорость обегания поверхности. Однако в течении некоторых интервалов однородности, доходящих до 1.5 - 2 секунд, траектория повторяется от волны к волне с высоким постоянством. Данные интервалы сменяют друг друга квазипериодически. Общий характер описанной динамики варьирует от человека к человеку и от состояния к состоянию, подчиняясь определённым закономерностям [по 1, 3,6,26,32,42].
До сих пор остаётся открытым вопрос о механизме описанного явления, или что стоит за этим наблюдаемым движением потенциала? С одной стороны, имеются убедительные подтверждения гипотезы физической интерференции электрических колебаний от немногих компактных генераторов, например - от стриарной коры [25,35,46]. Показано, что движение альфа-волны возникает при смещении компактного источника, - или эквивалентного токового диполя, - по стриарной коре и при повороте оси его дипольного момента [7,46].
С другой стороны, некоторые ЭЭГ-феномены явно указывают на механизм таламического (или шире - подкоркового) пейсмеккера поверхностных колебаний. Этим, в частности, лучше всего объясняются фазовые свойства тэта-ритма [8] при функциональной недостаточности коры и другие феномены (веретенообразная активность - [8,29]).
Тем не менее не подлежит сомнению существование так называемого физиологического распространения синхронной активности по коре мозга. Петше и Раппельсбергер [39] предполагали, что морфологические элементы, обеспечивающие синхронизацию, представляют собой вертикально ориентированные диполи, которые последовательно возбуждают друг друга, обеспечивая движение потенциала. Эту возможность авторы обосновывали, ссылаясь на данные Верцеано и Негиши [45], которые показали фазовые сдвиги между вспышками разрядов, регистрируемых от четырёх эквидистантных микроэлектродов, причём склонность клеток разряжаться вспышками возрастала с увеличением синхронизации (амплитуды).
А.Н.Шеповальников и соавторы [26] считают, что распространение потенциала по поверхности коры отражает по крайней мере в части случаев направление доминирующих импульсных потоков при кортикальной передаче. В соответствии с этим, "…движущиеся волны могут возникать в любом участке коры и распространяться в любом направлении, взаимно переплетаясь друг с другом… В каждый момент в зависимости от количества элементов, включённых в генерацию данной движущейся волны, возникает предпочтительное направление движения волны по коре" [там же, стр. 137]. Имеются и другие подтверждения [26,28,32,33,38,43,45].
В созданной нами установке осуществляется многоэлектродная регистрация ЭЭГ, оценка текущей траектории и скорости "бегущей волны" ЭЭГ и её визуализация на мониторе в виде компьютерной мультипликации в реальном темпе регистрации [3]. На экране видна регулярная (раз в 1.5-2 с) смена упорядоченных динамических картин в соответствии со сменой упомянутых выше интервалов однородности фазовых структур. Таким образом, сделана попытка исследовать движение ЭЭГ-волны путём визуального наблюдения, а не через статистику. Следует отметить, что данный метод существенно отличается от описанной в литературе непосредственной визуализации потенциала коры (см. Методику).
В предыдущих работах [3,19] речь шла об устойчивых индивидуальных особенностях траекторий "движущейся волны" в состоянии покоя, о связи этих траекторий с уровнем экстраверсии и с функциональной асимметрией мозга. Описанные закономерности лучше всего объясняются физиологическим распространением ЭЭГ-колебаний по коре. Если это так, то получается, что методика позволяет непосредственно видеть на экране доминирующие импульсные потоки в коре, - причём в реальном темпе, что очень важно.
Однако в ходе работы выяснилось, что используемая частота дискретизации 630 Гц достаточна как раз только для исследованного состояния покоя, т.е. для ЭЭГ с выраженным альфа-ритмом (глаза закрыты). Для удовлетворительной визуализации ЭЭГ в активном состоянии (десинхронизация или бета-ритм) частота дискретизации должна быть существенно, - т.е. в несколько раз, - увеличена. Это сделано в настоящей работе.
В настоящее время имеются данные, которые показывают, что функциональное объединение различных структур мозга при разных состояниях и видах деятельности сопровождается закономерной реорганизацией пространственно-фазовых соотношений ЭЭГ. Для тех структур, которые имеют непосредственное отношение к данной деятельности, характерно достоверное увеличение числа альфа-волн с фазовым лидерством в этих областях [1,26,27]. На основании этих данных, начиная данное исследование, мы надеялись непосредственно увидеть подобные изменения лидерства при помощи нашей методики и получить о них новую информацию.
На наш взгляд, визуализация может оказаться полезной даже и в том случае, если за движением потенциала стоят не импульсные потоки по коре, а, скажем, таламический пейсмекер, или даже смещения компактного диполя. Это мнение основано на том, что строгие математические методы в биологии и физиологи часто выступают в роли так называемых "фильтров упрощения", неадекватных природе биологических объектов (по К.Лоренцу). Во многих случаях (например, в случае с движением потенциала по коре) глазомер человека и образное мышление явились бы в этом смысле гораздо лучшими средствами исследования. Тем не менее, следует оговорить, что правильный подход безусловно предполагает применение также и объективного статистического анализа, поскольку он позволяет проверить увиденные закономерности, исходя из критериев статистической значимости.
Принято считать, что применение компьютеров приводит к стремительному прогрессу во всех областях науки. В отношении методики ЭЭГ это не совсем так. Компьютерные программы очень часто просто копируют ранее существовавшие технологии. Например, на экране монитора-энцефалографа в реальном времени изображается движущаяся бумажная лента с кривыми ЭЭГ. Смысл описанной разработки в том, что не нужно изготовлять самописец - это очень сложно и дорого, написать программу-симулятор гораздо проще. Однако, следует признать, что по собственно медицинской информативности данный прибор ничем не отличается от чернильного самописца. В отличие от этого, мультипликация, изображающая распространение потенциала по поверхности головы, возможна только на основе цифровой технологии. Она предоставит взгляду врача качественно новые возможности по сравнению с традиционной ЭЭГ.
МЕТОДИКА
Методика визуализации детально описана в нашей предыдущей работе [3], здесь уместно повторить её более кратко, но с добавлением новых приёмов.
ЭЭГ регистрировалась от 16-и пунктов коры монополярным способом относительно объединённых ушных электродов. Электроды располагались в теменно-затылочной области квадратом 4 на 4, как показано на рис.1A. Нижняя граница квадрата совпадала с линией O1-O2 системы "10-20", линия P3-P4 располагалась между 3-м и 4-м электродами снизу. Все межэлектродные интервалы в продольном и поперечном направлении задавались одинаковыми и составляли 2-3 см - несколько по разному в зависимости от размеров головы испытуемого. Сторона всего квадрата составляла таким образом около 8 см.
В исследовании приняли участие 25 практически здоровых испытуемых - 11 мужчин и 14 женщин. Регистрация ЭЭГ производилась в двух состояниях по 2 минуты - в покое при закрытых и при открытых глазах. В обоих случаях использовалась слабая стандартизирующая нагрузка, служившая аналогом спокойного бодрствования. При закрытых глазах - подсчёт капель, падающих из крана с невысокой частотой (звук капель имитировался фоностимулятором), а при открытых глазах - спокойное рассматривание картины на стене.
ЭЭГ вводилась в компьютер с частотой дискретизации 630 Гц. Этого, как отмечалось выше, достаточно для оценки временных сдвигов между соседними электродами по альфа-волнам, а также при некоторой полиритмии. При десинхронизации ЭЭГ, наступающей с открыванием глаз, и при установлении бета-ритма межэлектродные фазовые сдвиги существенно уменьшаются и данная частота дискретизации уже не обеспечивает достаточной точности их измерения (см. об этом - [3]). Вследствие этого, резко возрастает доля измеренных нулевых сдвигов (выглядит как синфазность). В действительности сдвиги просто недоступны измерению. Для преодоления этой проблемы частота дискретизации при обработке была математически увеличена втрое при помощи метода сплайн-интерполяции и доведена до 1890 Гц на канал.