Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование синхронности моментов резких изменений альфа-активности ЭЭГ человека

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Исследование синхронности моментов резких изменений альфа-активности ЭЭГ человека"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. Ломоносова БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

е

ск

\ к

На правах рукописи УДК: 612.821+612.822.3.087

ШИШКИН Сергей Львович

ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОСТИ МОМЕНТОВ РЕЗКИХ ИЗМЕНЕНИЙ АЛЬФА-АКТИВНОСТИ ЭЭГ ЧЕЛОВЕКА

Специальность 03.00.13 - физиология человека и животных

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедре физиологии человека и животных биологического факультета МГУ им. М.В Ломоносова.

Научный руководитель:

кандидат биологических наук А.Я.Каплаы

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук А.Ф.Изнак, кандидат биологических наук И.Л.Шестова

Ведущее учреждение:

Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН

Защита состоится 27 октября 1997 г. в_на заседании

Специализированного совета Д.053.05.35 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, г. Москва, Воробьевы горы, биологический факультет МГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан 26 сентября 1997 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат биологических наук

Б.А.Умарова

-л

J

Актуальиоапь проблемы.

Со времени первых исследовании глектрозицефалограммы (ЭЭГ) - элек-рической активности головного мозга, регистрируемой на поверхности кожи оловы - хорошо известна ее чрезвычайно высокая вариативность. Изменения в гдельных компонентах и в общем рисунке iпаттерне) ЭЭГ-спгнала не только егко вызываются в эксперименте различными стимулами, но и постоянно ропсходят спонтанно, как предполагается, отражая динамику процессов, дущнх в коре и других отделах мозга (Berger, 1930; Adrian, Y'amagiwa, 1935; iotokawa, 1942; Mimura, 1971; Matejcek, 1982; п др.).

Ö последнее время накапливается все больше данных о том, что даже ратковременные флуктуации в ЭЭГ, особенно в альфа-полосе ее частотного пектра, во многих случаях отражают колебания уровня функционального со-тояния мозга, определяющего, в частности, эффективность сенсомоторной .еятельности и некоторые стороны психической активности (Lehmann, 1980; Trath et al., 1983; Изнак, 1989; Jung et al., 1997). Существует представление о том, [то в спонтанных ф;1уктуациях альфа-активности ЭЭГ человека может отражаться временная структура психической активности (Lehmann et al., 1987).

Вместе с тем методы исследования флуктуации ЭЭГ-сигнала к настоящему времени все еще очень слабо развиты. Единственным подходом, сравнн-ельно широко используемым в последние два десятилетия для извлечения из ЭЭГ информации, связанной с ее гетерогенностью во времени, является так пахтаемая адаптивная сегментация - деление ЭЭГ на последовательность сег-шггов различной длины, каждый из которых является более или менее гомо-енным, но существенно отличается от соседннх сегментов (Боденштайн, Пре-гориус, 1977; Gath et al., 1983; Creutzfeldt et al., 1985; Lehmann et al., 1987; 7asqual-Marqui et al., 1995). Свойства сегментов ЭЭГ весьма чувствительны к гонким сдвигам функционального состояния мозга (Lehmann et al., 1994; s'iiioshita et al., 1995). Однако они также очень существенно зависят от выбора методики сегментации и ее параметров (Lopes da Silva, Mars. 1987), в связи с jeu нам трудно согласиться с высказываемыми иногда мнениями, что сегменты могут объективно характеризовать структуру ЭЭГ (Бодунов, 1988) и отражагь микросостояния мозга (Lehmann et al., 1987).

Альтернативный подаод может заключаться в том, чтобы изучать не сами стационарные сегменты, а моменты перехода от одного сегмента к другому, т.е. моменты резких изменений характеристик ЭЭГ. Однако до наших исследований вопрос о физиологическом значении подобных изменений практически не привлекал внимания. С нашей точки зрения, моменты резких изменений могут отражать реакции ЭЭГ на "переключения" различных систем мозга из одного микросостоянпя в друюе. Исследуя же синхронность lawix переключений в различных отделах коры Гх>лылп,\ полушарий с помощью анализа совпадений

»о времени моментов пзмеиеннй в различных отведениях ЭЭГ, можно полупи: информацию о пространственно-временной opt аннзации различных процессом идущих б мозге (Kaplan et al., 1995; Каплан н др., 1997;.

Для оценки кооперапшностн работы различных участков коры подав ляющее большинство исследователей в настоящее время использует когерент ный анализ. Оценки когерентности весьма чувствительны к различным сдвигай функционального состояния человека, к когнитивным нагрузкам, к индивиду ально-тппологпческим особенностям, к патологическим сдвигам в работе мозг; и к медикаментозной терапии (Ford et al., 1986а,b; Русинов и др., 1987; Pet s cht Rappelsherger, 3992). Однако когерентный анализ оценивает лишь линелнук статистическую связь динамики биопотенциалов исследуемых областей в частотной области, которая отнюдь не тождественна их функциональной связан ности (Каплан и др., 1997). Из-за неудовлетворенности части исследователе! возможностями интерпретации данных, получаемых при использовании коге рентного анализа, в последнее .время стали предприниматься усилия по поиск; альтернативных подходов к научению взаимосвязан!юеш функционировать корковых систем: так, описаны способ изучения "информационных потоков' между областями коры с помощью энтропийного анализа (Inouye et al., 1993) i другие подходы., основанные на теории информации (Mars, L opes da Silva, 1987 Gersch, 1987); также предлагалось оценивать сходство спектров мощности ЭЭ1 в разных отведениях посредством подсчета числа совпавших пико] (Ивапицкнн и др., 1990; Николаев и др., 1996).

Отличием нашего подхода к данной проблеме от других, известных на? из литературы, является предварительное выделение из ЭЭГ информации < функционально важных "событиях", синхронность которых затем оценивается В качестве индикаторов этих "событий" удобно попользовать резкие изменен!и характеристик ЭЭГ. Резкое изменение может быть представлено единственно! точкой па временной осн. и это позволяет эффективно анализировать синхрон ность изменений динамики потенциалов в пространственно удаленных друг о' друга участках коры.

Разумеется, на результаты детекции моментов изменений так же, как и и: результаты сегментации, существенно влияют особенности работы прнменяе мого метода. Но если мы выделяем случаи, когда моменты изменений динами кн потенциалов совпадают в пространственно удаленных точках, то тем сами? проводим жесткий отбор именно тех моментов, которые указывают на связан ность электрической активности в этих точках. Этот подход пршпшпиалык возможно реализовать именно но отношению к моментам резких изменений. ; не к сегментам ЭЭГ.

Таким образом, при анализе синхронности моментов резких изменений i ЭЭГ мы имеем возможность дважды использовать статистические процедур!.

(я последовательной жстракппп физиологически значимой информации: сна-1ла мы выделяем в /л та миге Э'ЭГ-пталя хюметгги, которые могут отражать ■которые "события" и функционировании мозговых систем, а затем уже среда их моментов отбираем те, которые свидетельствуют о синхронности этих со-•iTiiii в анатомически различных структурах. При когерентном же анализе и )>гпх известных подходах к анализу синхронности биопотенциалов предва-¡тельпый отбор значимых "событий" не проводится.

Для эффективной реализации данною подхода необходим метод, обеспе-шающнн статистически обоснованную детекцию моментов изменений харакири стик ЭЭГ и в то же время выявляющий как можно большее число моментов ¡мененин, так как в противном случае невозможно получить устойчивые 1енки синхронности изменений в разных отведениях ЭЭГ. В известных же из ггературы методах сегментации статистические методы для определения мо-;нтов изменений либо применялись недостаточно корректно (при поиске от-гонений от стационарности использовались процедуры, не рассчитанные на тботу с нестационарным сш налом), лиСо вообще не использовались (Brodsky al„ 1994, 1997).

13 связи с жшопзученностыо механизмов генерации ЭЭГ (Steriade ci al., 590 ! и отсутствием общепринятых моделей ЭЭГ-снгнала (Nunez, 1995) для по-:ка моментов изменении желательно применение статистических методов, ми-имизиругощих потребность в априорной информации о свойствах аналтп-/емого сш'нала. Этому требованию удовлетворяет непарамегричеекпй метод лекции моментов изменений сигнала (Дарховсюш, 1976; Brodsky, Darkhovsky, ?93j. Однако применение к ЭЭГ этого метода требовало существенного его злзнтия (Brodsky et al., 1994). В частности, следовало учесть существенное от-тонение ЭЭГ-сигнала от так называемой кусочно-стационарной модели, для эторой разрабатывается теория адаптивной сегментации (в згой модели изме-ения происходят мгновенно), и большую частоту встречаемости спонтанных зменений в реальной ЭЭГ.

Таким образом, анализ динамики активности мол а человека на основе цепки синхронности моментов резких изменении характеристик ЭЭГ. п преж-с всею альфа-акиишосш, представляется весьма актуальной и в то же время эвершенно не изученной проблемой, требующей па данном _,хаш выполнения уществениого объема методической работы и проведения базовых зкеперн-(ептальных исследований.

{(си, работы: изучение координации работы систем мозга с помощью налнза синхронности «ометов резких изменений спонтанной шектрпческой ктшшостп й различных иблаиях коры.

О/иоипыс :ади'ш исс::с<)осания:

1. Разработать метод непара метрической детекции моментов резких тм HCHiiii характеристик ЭЭГ и на его основе - метод анализа синхронности тм нений в электрической активности мозга.

2. Описать характеристики синхронности спонтанных изменений мои ности альфа-активности в различных областях коры головног о мозга челова и оценить их зависимость от функциональной нагрузки и функционального о стояния.

Научная новизна исследования.

В ходе диссертационного исследования был разработан прннцнпиалы новый подход к анализу пространственно-временной организации электр] ческой активности коры головного мозга, и в рамках этого подхода - конкре ные методы деит-лши моментов резких изменений характеристик ЭЭГ и оцени их синхронности. На лх основе впервые проведено изучение синхронности м< мешов спонтанных изменений мощности альфа-диапазона ЭЭГ в различив областях коры головного мозга человека.

Полученные экспериментальные данные о характере зависимости пп хронности моментов спонтанных изменений альфа-активности от областей к« ры, в которых регистрируется ЭЭГ, и их взаимного расположения, от- функцш нальных нагрузок, подавляющих альфа-активность, и от уровня функционал) ного состояния, характеризующеюся психометрическими показателями, пок! ллваю i, что атн моменты не яъляютея случайными элементами гзременнс структуры ЭЗГ, а несут « себе ^щеегьенную информации/ о функционеров; нип коры i С'ЛОБНОГО мол а человека.

Теоретическое и практическое значение работы, Результаты исследоваш позволяют расширить представления о пространственно-временной структур альфа-активности ЭЭГ. Методоло! ические и методические разработка, выпо: ценные в рамках данной работы, обогащают арсенал средств изучения актш ности мозга. На их основе возможно создание принципиально новых методи диагностики функционального состояния мозга и нарушений его деятельности

Лпробащч работы. Результаты работы были доложены и обсуждались и заседании кафедры физиологии человека н животных биологического фа::ул: тета МГУ (октябрь 1УУ5), на 4-м Всемирном конгрессе Международной оргзш ¡аини исследования мола (JBRO; Киото, Япония, июль 199.S». на ссминаг Центра когнитивных исследований И entre tov Gognilive Ncuvoscieneei шше| сигета г. Гурку (Финляндия, май 1997) и на 33-м Международном копгрса фшноло! пческих наук (С.-Петербург, шоль-пюль 1997).

Публикации. Результаты исследования iпложены в 7 публикациях.

гтруктпч! гг.5г>ты Текст диссертационной работы изложен на

_страницах. Диссертации состоит из введения. обзора литературы, описа-

ия применяемых методов, изложения результатов собственных исследований и х обсуждения, общего обсуждения, нынодои и списка цитированной ли i ера ту -

ы, а также имеет приложение. Работа плшосгрирошша_рисунками и_

аблнцамн (без учета иключенпы.ч в приложение). Синеок литературы включа-г_источника, из них_на иностранных языках.

МЕТОДЫ

Испытуемые. В исследовании добровольно приняли участие 23 практп-ески здоровых испытуемых мужского пола в йозраете 18-27 лет, пренмуше-гвенно ауденты и аспиранты МГУ. Основную группу составляли 6 пар мо-озиготиых близнецов, которые проходили все обследования дважды с интералом не менее недели. Все испытуемые не позднее чем за день до обследования чохищиш предварительный инструктаж и адаптацию к зкепернменгальной амере, в которой должна была проводиться регистрация ЭЭГ.

Регистрация физиологических показателей. ЭЭГ записывалась мононо-ярно в 8 стандартных отведениях: 01, 02, Р3, Гч<, СЗ, С *, ГЗ и F4 (на предва-ительнон стадии исслеловапчй у частя испытуемых - только в отведениях OI и )2). Использовался объединенный референтный электрод на мочках ушей. ЭЭГ редварителшо пропускалась через фильтр и полосе 0.33-30 Гц и оцифровывав ась с частотой 128/сек. Длительность каждой записи ЭЭГ - 1 минута. В ряде ксперименгов одновременно проводилась регистрация ЭКГ (отведение 1), ды-аиип и олектроскулограммы (ЭОГ).

Во всех экспериментах для контроля сосчонния ишьпуемою и отележн-ания артефактов проводился постоянный дгопиторинг ЭЭГ, ЭОГ и, в ряде слу-:асв, ЭКГ н дыхания. Запись ЭЭГ всегда начиналась при условии отсутствия ртефактов миографического происхождения и каких-либо признаков напряжения или утомления; записи, в ходе которых отмечались сущсстаетты? арте-шегы, отбраковывались. Это приходилось делать лишь в единичные '-пучзнх благодаря хорошей адаптированности испытуемых к условиям записи.

Регистрация ЭЭГ производилась в дневное время в слабо освещенной экипированной камере с частичной звукоизоляцией. На предварительном папе ^следования ЭЭГ peí истрнрсоалась в условиях спокойного бодрстжжапил и ipil счете в уме как с закрытыми, так и с открытыми глазами. У основной грун-1ы испытуемых ЭЭГ peí парировалась при нескольких режимах фуньцнональ-loií нагрузкн, включамии.ч пнжоиное бодрствование (с закрытыми и откры-ыми ¡лазами) и ннды шепжшмлн, определяемые условиями эксперименталь-ic.íí ja/U'íi. (¡CaiivúiU, í9> 1). V задаче oí пеш.пуемых 1ребовалось запомнить :pirre-n,¡Ti.ifi ov»p:i::e :o,;-p-,icamnií пербалыюй m(формации. Обрач предъявлял-

ся па специальном экране, состоящем из Кх8 квадратных клеток-, путем по да« чивания часчи клеток. Для контроля качества запоминания после окончили запаси нтыгуемш должны бита оч летать елец: зальным щупом uicrai, коте рые, с их точки '¡рения, были подсвечены. Во время записи чередовались тр периода длительностью 20 с: ожидания образа, запоминания (в ого время Д1 монсгрировалск обра:;) и удержания образа в памяти.

Психометрическое oúaieóoeamie. Непосредственно после окончания писи ЭЭГ для оценки текущего функционального состояния проводилось на хометрическое тестирование испытуемых. Исполт "^пггпсь лпропппси /|ояглп (САИ) и Спилбергера (тест, оценивающий ситуативную тревожность).

Анализ ЭЭГ. Анализировались записи, не содержавших выраженных ар тефактов. Всего поиск моментов изменений мощности альфа-активности ю ниже) проводился более чем в 600 записях. Кроме того, часть записей rio;i«ef галась спектральному анализу, преимущественно v ¡ основе быстрого преобрс зования Фурье, проводимого в перекрывающихся эпохах длительностью 2 <■ с сдвигом 0.39 с. В краевых участках каждой записи, а также в участках, цршк гающих к моментам начала и окончания предъявления образа в задаче на 3£ поминание, анализ синхронности моментов изменении не проводился, поекол! ку для HH.Y были характерна ¿шо- ^числснныс артефакты (ь первом случае связанные с фильтрацией ЭЭГ. по втором - миографического и окулографичс ского происхождения).

Поиск моментов резких тменетт тьфа-ахятткти пригодился и основе непарамегрнческого подхода. развиваемого Ь.С.Д арчинским Б.Е.Бродским (см. раздел "Актуальность темы"). Он определяет сл^дующг основные этапы детекции .моментов изменений сигнала (Brodskv, Darkhovsk; 1993): 1) формирование из ¡¡сходного сигнала так называемой диагностически последовательное!и, 2) расчет специальной статистики Y{n,S), 3) расчет порот a UpouepivU i пл. ь. ч . .^нонарности, 4) г. случае, сслл гипотеза отвергается " прел""?"! г- "о^'-ггуп проргти в который произошло изменение сигнала.

Диа1 ностаческне последовательности представляют собой временные pí ды, v более "кошрастпоь:" виде, чел исходная запись, отражающий ту или щ>\ i \то столону исходного сигнала. Дальнейшая работа с ¿»»агностической поел* MoBUicjibttuciíió ин-дшем к ac-iiucy шмелший ее средне! о значения. Поэтому, бы характеристике ЭЭГ не производился бы попек моментов изменена! после формирования диагностической последовательности для этой цели моя но использовать оди* и тот жх статистический аппарат. В окончательной bcj спи метода поиска изменений в ЭЭГ для получения диагностической послед! вателыюеш с целью поиска моментов изменений мощности сигнала в поло< альфа-ритма мы использовали цифровую фильтрацию ЭЭГ и возведение пол ценных ''мгновенных" значений амплитуды в квадрат (рис. 1 п-в). Фильтрат производилась в диапазоне 7.5-12.5 Гц с использованием фильтра í Jorra (и п риод разработки метода) п фильтра Баттерпорта (при робою с основным мл сивом данных).

Статистка (модифицированная гтазиешка Колмо1 оров;

Смирнова) рассчитывается ддн ка-,ьд:>а точка /цшпоешческои ииелсдонател. поста по формуле

N N

] п ! N '

п ~1Г~п пк=1

1С я - положение точки, для которой рассчитывается статистика, л последова-:лыюсти, 3 - величина, равная 0 на этапах предварительной оценки и лежа-ая в диапазоне от 0 до 1 на этапах уточнения оценки моментов изменений,

значения диагностической последовательности. Максимум абсолютных

тчений статистики дает оценку момента времени, в который произошло из-енение среднего значения диагностической последовательности (рис. 1 г), од-1ко лишь в случаях, если его величина превысила порог; в противном случае Iагностическая последовательность считается стационарной. Порог рассчитается в зависимости от принятой исследователем вероятности ошибочного 5наружения изменения ("ложной тревоги"), а также в зависимости от ряда ха-пстеристик диагностической последовательности (ВгосЫсу, ОагкЬоУБку, 1993). осле получения предварительной оценки момента изменения для их уточне-тя могут использоваться дополнительные процедуры с использованием ста-1стик У(п,3).

В процессе развития метода были введены дополнительные процедуры Иишкин и др., 1997; Бродский и др., 1997), наиболее важной из которых яв-1ется последовательное деление диагностической последовательности точкой, которой обнаруживается изменение, на два субинтервала, в каждом из кото-лх снова производится поиск изменения, причем, если оно имеет место, субин-фвал в свою очередь делится на два новых субинтервала; процесс дробления ^агностической последовательности продолжается, пока обнаруживаются ноле моменты изменений (рис. 1 г-е). Это позволяет обнаруживать большое чис-э изменений. На более поздних этапах часть из них отбраковывается, а мо-, енты оставшихся уточняются.

В ходе работы мы пришли к допустимости и даже к желательности суще-гвенного занижения порога детекции по сравнению с тем, который обеспечи-131 бы поиск только высоко значимых изменений, и устанавливали вероят-ость ложной тревоги на всех этапах детекции существенно выше уровня =0.05. Основанием для этого было то, что результаты детекции были ин-гресны для нас не сами по себе, а как материал для дальнейшего статистиче-сого анализа, в ходе которого большинство "ложных" моменты изменений олжны были отсеяться. При низком же уровне ложной тревоги число прошед-1их этапы отбраковки моментов изменений оказывалось слишком низким для альнейшей работы с ними.

Оценка синхронности моментов изменений. В нашем исследовании мы ис-ользовали один из возможных способов оценки связанности моментов изме-ений в разных отведениях ЭЭГ (ряд других способов был также разработан и олучил воплощение в программном обеспечении, но с их помощью были поучены пока лишь предварительные результаты). Этот способ был основан на

подсчете в двух разных отведениях числа пар моментов, оказавшихся близким! во времени: точнее, разница во времени между ними должна не превышать за данный порог. При этом вводилась поправка на число случайш "синхронизовавшихся" пар точек изменений и стандартного отклонения дга этого числа, оценивающиеся по формулам

2тГ

0AB=JMa ■NB-y

1-Na-Nb-

h т

\ 2\

где ЫА , - число точек изменений соответственно в отведениях А и В, Т

- порог, Т - длина анализируемого интервала ЭЭГ (предложен* Б.С.Дарховским). Использовалась следующая формула расчета индекса син хронности (8):

S =

NAB-XAB

v'ab '

где NAB - число пар "синхронных" изменений (число пар таких точек изме нений в отведениях А и В, разность во времени между которыми не превышас порог). При отсутствии связи между точками изменений в анализируемых от ведениях среднее значение индекса синхронности стремится к нулю, а при на личии тенденции к синхронизации, точнее, к сближению на расстояние не боле порога, оно принимает (в среднем) положительные значения.

Статистическая обработка. в зависимости от характера данных, прово далась с использованием /-критерия Стьюдента, /"-критерия Фишера, парноп критерия Вилкоксона и критерия знаков. Применялся расчет линейных корре ляций по Пирсону, линейный регрессионный анализ и мультивариативньн дисперсионный анализ (MANOVA). Значимыми считались эффекты npi р<0.05.

Программное обеспечение. Использовалась программа для психометриче ского тестирования "Оптимист", разработанная в нашей группе, и статистиче ские системы "STADIA" и "STATISTICA". При записи и предварительной об работке ЭЭГ применялось программное обеспечение, разработанное в наше! группе, а также система "CONAN". Обнаружение моментов изменений в ха рактеристиках ЭЭГ проводилось с помощью пакета программ "VERDIА", соз данном при нашем участии, а анализ их синхронности, предварительный визу альный и статистический анализ данных - с помощью созданных нами специа лизированных программ.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На начальных этапах нашей работы в ходе теоретического и эксперимен-льного изучения возможностей извлечения из ЭЭГ физиологически значимой ¡формации, связанной с флуктуациями ее характеристик, был разработан >дход, основанный на анализе моментов резких изменений. Основные идеи ого подхода сформулированы выше в разделе "Актуальность проблемы",

Далее, поскольку ни один го известных нам из литературы методов не кспечивал точное определение в произвольно взятой характеристике ЭЭГ »ментоп ее резких изменений в количестве, достаточном для оценки уровня их шхронности в разных отведениях на интервалах ЭЭГ ограниченной длитель-эсти, нам пришлось уделить значительное внимание разработке метода детек-;ш моментов резких изменений в ЭЭГ.

После теоретического и экспериментального изучения ряда альтернатив ы пришли к заключению о целесообразности использования непараметриче-сого метода Б.С.Дарховского и Б.Е.Бродского, в сочетании с предварительной ильтрацией и возведением в квадрат значений амплитуд ЭЭГ, обеспечи-1ющим поиск изменений мощности в заданной частотной полосе. Несмотря на з, что теория данного метода, как и большинства методов поиска моментов зменений сигналов, разработана для модели мгновенных изменений исследуе-

1 L* (а) (б) (В) (Г)

и vi__ ж \ (д)

*

Рне. 1. Поиск моментов изменений мощности альфа-активности ЭЭГ (этап предварительной оценки).

(а) исходная ЭЭГ, (б) ЭЭГ после фильтрации в альфа-диапазоне (7.5-12.5 Гц), (в) диагностическая последовательность дня детекции изменений мощности (результат возведения амплитуд отфильтрованного сигнала в квадрат). Статистики типа Y(n,0), получаемые для диагностической последовательности (г) и дня ее субшггервалов (д-е).

Моменты времени, на которые приходятся максимумы сгагастшс (обозначены треугольниками и вертикальными линиями), при превышении порога, рассчитываемого отдельно дня каждого интервала, дают предварительные оцецки моментов изменений и последовательно разбивают диагностическую последовательность на субин-тервзлы. В данном случае на всех субинтервалах, анализировавшихся после этапа (е), статистики (не показаны на рисунке) не превысили свои пороговые значения.

Рис. 2. Примеры авт магической детекц) моментов резких и менений мощное альфа-акгав-носга (вертикальные лини в ЭЭГ с умеренной ( и высокой (б) сред»! мощностью альф ритма.

В обоих пример; верхняя кривая - и ходаая ЭЭГ, нижи: крхшая - ЭЭГ по с: фильтрации в диап зоне 7.5-12.5 Гц; пар метры детекции - од? и те же.

мых характеристик, а изменения в ЭЭГ чаще всего являются более или мен( постепенными, статистики, предложенные его авторами, оказались высоко чу! ствительными к моментам резких изменений частотных компонентов ЭЭГ (ри 1).

Строго говоря, мы можем лишь догадываться о том, какие именно изм< нения в ЭЭГ могут отражать действительно значимые события динамики мо: говых процессов, поэтому адекватную проверку эффективности метода можн бы провести, лишь получая с его помощью в физиологическом эксперимент результаты, согласующиеся с данными, получаемыми стандартными методич« скими средствами. Такого рода проверкой фактически была основная эксперт ментальная часть нашего исследования. Однако на этапе разработки метода подбора его параметров все же было необходимо иметь какой-либо критери его эффективности, и в качестве такого критерия была выбрана визуальна оценка - соответствие автоматически определяемых моментов точкам на крт вых исходной и отфильтрованной ЭЭГ, в которых при просмотре записей зг метно резкое изменение амплитуды альфа-активности. Вариативность ампли туды (мощности) альфа-активности нормальной ЭЭГ обычно столь высока, чт отслеживать ее более топкие, зрительно не различимые изменения практическ невозможно по статистическим соображениям.

В среднем ранние модификации метода позволяли выявлять приблизи тельно 1 момент изменения мощности альфа-активности на 5 с запиа (отведения 01 и 02), а его окончательный вариант обеспечил автоматическо выявление более одного момента изменения в секунду. При этом оказалос возможным так подобрать параметры метода, что при одних и тех же парамет рах обработки нескольких сотен восьмиканальных записей, представлявши: различные паттерны ЭЭГ, практически во всех случаях обеспечивались, с точк1 зрения визуальной оценки, высокая точность детекции (ошибка определени: времени изменений, когда они были именно резкими, а не постепенными, в по давляющем большинстве случаев не превышала длительность одного период альфа-ритма, т.е. 0.1 с), низкое число ложно определенных и высокое числ<

рл,

\Ллл/уу1/

/р*^ 02

Щ/

М о1

\yvWVVW

1/\/—✓ч'

^^^Д^^ллл/» -"Ад/

мл"

л/

А^ЛЛЛ;

\MMMj

тА

/V-—■

№

Р4

ЛМ/

РЗ

ЛллЛАплл/^ С4

\Алл№

МЛ

ллллл^ сз

МЛлм. \/1 vwwwv\чlv\^wyvv^~ \ллг Б4

Рис. 3. Пример автоматической детекции моментов резких изменений мощности апьфа-акпшности (вертикальные шиши) в 8 отведениях ЭЭГ.

Показана ЭЭГ после фильтрации в диапазоне 7.5-12.5 Гц. Справа внизу масштаб - 1 с.

(равильно выявленных изменений мощности в альфа-диапазоне (см. примеры га рис. 2, 3).

На рис. 3 приведены примеры детекции моментов изменений мощности шьфа-активностн в 8 отведениях ЭЭГ. Видно, что моменты изменений в раз-!ых отведениях часто оказываются очень близкими во времени, причем это от-юсится и к разнонаправленным изменениям (например, в отведениях 01 и 02). Сближение во времени было менее характерно для автоматически определениях моментов, соответствующих менее резким изменениям - по-видимому, из-1а неточности отслеживания процесса в подобных случаях. В большинстве слу-1аев детектированные моменты изменений в разных отведениях с небольшой )азностью во времени соответствовали резким изменениям, которые определя-шсь очень точно. Поэтому случаи постепенных изменений, в которых точность детекции была низкой, вероятнее всего, не могли существенно влиять на результаты анализа числа совпадений моментов изменений. Таким образом, не-;мотря на то, что реальная ЭЭГ лишь частично соответствует кусочно-гтационарной модели, предполагаемой теоретическими основами метода, ею зозможности оказались достаточными для того, чтобы использовать его в соответствии с основной целью нашего исследования.

Межиндивидуальная вариативность числа точек изменений была низкой Полное отсутствие детектированных моментов изменений на длительных (до 1С с и более) участках наблюдалось лишь при практически неизменной мощности альфа-активности (главным образом, при "сплошном" альфа-ритме), в остальных же случаях не было заметно существенной зависимости среднего числа детектируемых изменений от структуры альфа-активности. Сходство числа найденных моментов изменений в единицу времени у разных испытуемых и при разной функциональной нагрузке объясняется, вероятно, высокой степенью нестационарности альфа-активности и ограниченностью возможностей статистической оценки коротких интервалов: на коротких интервалах информации для определения наличия или отсутствия изменения не хватает, и детекция оказывается принципиально невозможной.

Основные закономерности пространственно-временной организации альфа-активности, оцениваемой по совпадениям моментов резких изменений ее мощности

При анализе распределения значений разницы во времени между любыми двумя моментами изменений мощности альфа-активности в разных отведениях оказалось, что пары с разностью во времени не более 10 мс резко выделяются по частоте встречаемости, составляя 1/5 от числа пар с разностью до 250 мс. Однако частота встречаемости пар приближалась к случайным значениям лишь при разности не менее 70 мс. Для того, чтобы обеспечить большую устойчивость показателя синхронности, было решено установить порог, при котором два момента изменений считались "синхронными", на уровне 100 мс.

Число пар "синхронных" моментов изменений пересчитывало«, таким образом, чтобы удалить из него вклад случайно сблизившихся моментов и устранить, насколько это возможно, зависимость от вариаций числа моментов изменений (см. раздел "Методика"). При отсутствии связи между точками изменений в анализируемых отведениях среднее значение полученного индекса синхронности стремится к нулю, а при наличии тенденции к синхронизации -становится положительным. В среднем по группе из 12 испытуемых во всех условиях записи наблюдались только положительные значения индекса синхронности. Среди индивидуальных значений индекса (усредненных по каждому испытуемому) только положительные значения у всех без исключения испытуемых основной группы (п=12) и во всех условиях записи отмечались в 13 из 28 пар отведений. Таким образом, для любой из 8 областей коры, от которых отводилась ЭЭГ, было характерно наличие, в той или иной мере, тенденции к сближению во времени моментов резких изменений мощности альфа-активности с такими же моментами в любой из остальных областей ближе чем на 100 мс.

Распределения индивидуальных и усредненных по каждому из испытуе->1Х значений индекса синхронности оказались близкими к нормальному. Это »зволило анализировать получаемые данные с использованием широкого (ектра методов (корреляционный, дисперсионный, регрессионный анализ и

Усредненные значения индекса синхронности для ЭЭГ, записанных при крытых глазах, представлены в табл. 1. Как видно из таблицы, значения ин-кса синхронности существенно различались в разных парах отведений. При ом соотношения между значениями индекса синхронности в парах отведений 1авиительно мало изменялись в зависимости от функциональной нагрузки и >1ли сходными даже у испытуемых со значительными отличиями паттерна шфа-активности. Следовательно, уровень синхронности изменений опреде-шся прежде всего особенностями активности областей коры, входивших в па->1, для которых он рассчитывался.

Максимальная синхронность наблюдалась для близких отведений, по ме-: же увеличения расстояния между отведениями она в целом падает. Кроме то), для различных областей коры характерен разный уровень синхронности: ж, хотя расстояние между позициями электродов 01 и 02 существенно ниже, ;м между РЗ и Р4, межполушарная синхронность для затылочной пары отве-;ний была намного ниже, чем для лобной (как видно из табл. 1, индексы раздались почти в 3 раза), причем средние значения в затылочной паре отведе-нн у всех испытуемых и в первый, и во второй дни обследования были ниже, :м в лобной паре.

Таблица 1.

вдекс синхронности моментов резких изменений мощности альфа-активности по 28 парам ведений записей ЭЭГ, сделанных при закрытых глазах.

зедиие ± ошибки средней, полученные доя данных., предварительно усредненных по каж->му испытуемому (п=12). Пересечения строк и столбцов соответствуют парам отведений, :азанных в их заголовках.

01

02

РЗ

Р4

СЗ

С4

БЗ

Р4

1

2

3

4

3

4

3

4

1.04±0.12 1.12±0.20

0.55*0.11

1.0410.12 1 12£0 20 0 б4±0 12 0.30*0.80 0.23±0.09 0.27*0.07 0.16*0.11

0.55*0.11 1.00*0.08 0.18+0.06 0.12*0.07 0.15*0.05 0.21*0.06

1,83*0.15 1.81±0.17 1.01±0.13 0.54*0.06 0.44*0.09

1.10*0.08 1.60*0.11 0.46*0.05 0.59*0.06

0 18*0 Об ,-81±017 1-М±0.08 - 2.25±0.21 2.03*0.10 1.50*0.12

0.23±0.09 0.12*0.07 1.01*0.13 1.6010.11 2.25±0.21 -- 1.47*0.09 2.03*0.06

0.27±0.07 0.1510.05 0.54*0.06 0.46*0.05 2.03*0.10 1.47*0.09 - 2.87*0.15

0.16*0.11 0.21*0.06 0.44*0.09 0.59*0.06 1.50*0.12 2.03*0.06 2.87*0.15 -

0.64*0.12 ,_0(ЖШ 1.83*0.15

0.30*0.80

Рис. 4. Средние значения и ошибки среднего индекса синхронности моментов изменений мо ности альфа-активности (Б) в гомологичных зонах коры левого и правого полушарий в рея ме ожидания.

(а) - данные по группе испытуемых (п=12); (б) примеры индивидуальных данных по четыр испытуемым, полученных в разные экспериментальные дни. Испытуемыми были монозшх ные близнецы (ТЧУП-ТЛУи, 1^13-Т\У14). По каждому испытуемому и экспериментально дню индекс синхронности рассчитывался ддя 10-11 одноминутных записей ЭЭГ. Каждая грз па из четырех столбиков соответствует данным по четырем парам отведений, схематичес изображенным под диаграммой (а) (порядок пар везде один и тот же).

Диаграммы, демонстрирующие различия межполушарной синхронности разных областях коры (в среднем по группе и на примерах индивидуальны данных), представлены на рис. 4.

Зависимость синхронности резких изменений мощности альфа активности от расстояний между отведениями по поверхности скальпа рассчи тывалась, исходя из допущения, что форма головы может быть приблизительн представлена как идеальная сфера с единичным радиусом. Оказалось, что да многих пар отведений зависимость индекса синхронизации, усредненного п группе испытуемых, от межэлектродного расстояния близка к линейной (рн< 5). Коэффициент корреляции между индексом синхронизации и межэлектрод] ным расстоянием для записей с закрытыми глазами был равен -0.58, а для заш сей на фоне запоминания образа -0.74 (в обоих случаях р<0.01). Эти два услс вия записи были выбраны для анализа в связи с тем, что в них наблюдалис наибольшие различия уровней синхронности.

Таким образом, снижение синхронности при росте расстояния между об ластями, от которых отводилась ЭЭГ, было ведущей закономерностью соотнс шений синхронности моментов резких изменений мощности альфа-активносг для разных пар областей коры. Однако ряд пар отведений существенно нару шал линейный характер зависимости: в парах "лоб-лоб", "центр-центр" и, меньшей мере, "темя-темя" синхронность была повышенной в сравнении с об щей тенденцией, а для большинства пар, в которые входило затылочное отве дение, она была пониженной.

Топографический анализ реорг анизации уровней синхронности моментов резких изменений альфа-активности в различных отделах коры при различных функциональных нагрузках

Дяя оценки зависимости синхронности моментов резких изменений альфа-активности от функциональной (прежде всего, когнитивной) нагрузки в рамках нашего исследования проводилось сравнение ЭЭГ, зарегистрированных на фоне трех периодов задачи на запоминание зрительного образа: ожидания, запоминания и удержания образа. Задача была построена таким образом, чтобы влияние различных факторов, связанных с процессами памяти, сенсорной стимуляцией и др., в рамках каждого из периодов как можно меньше зависело от времени, а между периодами - как можно больше различалось. При этом предполагалось, что спонтанная вариативность факторов, детерминирующих

[с. 5. Зависимость индекса синхронности моментов изменений мощности альфа-активности ) от межэлектродного расстояния.

эужками обозначены данные, полученные при закрытых глазах, треугольниками - во время поминания зрительного матричного образа. На пиктограммах схематически показаны пары екгродов. Более точно расположение электродов представлено на врезке в левой пасти гра-пса. Линии регрессии построении раздельно по данным: 1 - для закрытых глаз, 2 - для запо-шания образа.

паттерн ЭЭГ, - уровень бодрствования и др. - была сведена к минимуму благодаря небольшой разнице во времени между тремя периодами активности.

Как показал спектральный анализ, характеристики ЭЭГ действительно существенно различались между периодами: так, в отведении 02 появление подсвеченного образа в начале второго периода приводило к значительному подавлению альфа-активности у большинства испытуемых, а в третьем периоде, когда образ исчезал и испытуемые должны были удерживать его в памяти для последующего воспроизведения, альфа-активность обычно восстанавливалась, но в среднем не достигала уровня периода ожидания.

Анализ обобщенного влияния факторов, действующих в данной задаче, проводился с помощью 2-факторного мультйвариативного дисперсионного анализа (МАЫОУА) с факторами "иериоды" и "испытуемые" (второй фактор соответствовал влиянию межиндивидуальных различий). Значимым (р<0.05) оказался лишь эффект значимым действие фактора "испытуемые" (для 19 пар отведений из 28) и эффект межфакторного взаимодействия (для 9 пар), а эффект фактора "периоды" не был значимым ни для одной из пар. Фактор "испытуемые" больше всего влиял на пары без участия затылочных отведений, а межфакторное взаимодействие было характерно для внутриполушарных пар больше, чем для межполушарных.

Анализ специфических различий между каждыми двумя периодами задачи проводился аналогичным образом. Фактор "периоды" вновь практически ни разу не оказался значимым, комбинированное действие факторов в каждой паре периодов было значимым для части пар отведений (от 4 до 10 из 28), фактор "испытуемые" значимо влиял на большинство пар отведений, особенно на пары, в которые входили только теменные и/или центральные отведения.

Таким образом, можно говорить об отсутствии единообразных для всех испытуемых значимых эффектов данной задачи по отношении к синхронности моментов изменений альфа-активности. Однако налицо было наличие эффектов, характер которых имел выраженную межиндивидуальную вариабельность. Схематически эффекты комбинированного действия факторов представлены на рис. 6. Анализ индивидуальных данных показал, что знак изменения синхронности чаще всего воспроизводился у одного и того же испытуемого при повторной регистрации ЭЭГ, а у разных испытуемых по некоторым парам отведений наблюдались четко выраженные, но разнонаправленные эффекты. В близнецовых парах однонаправленность эффекта наблюдалась чаще.

Как видно из рис. 6, период ожидания отличался от периодов запоминания и удержания образа по синхронности альфа-активности в значительно большем числе пар отведений, чем эти периоды друг от друга. По-видимому, основное значение имел сам факт наличия или отсутствия напряженной умственной активности, а не ее специфика.

Эффекты по нарам отведений на настоящем этапе исследований не пред-гавляется возможным однозначно интерпретировать. Например, отличие пе-иода удержания образа от периода запоминания по синхронности в паре >2СЗ можно было бы считать проявлением некоторой совместной активности равой затылочной области, предположительно обеспечивающей непосред-гвенное восприятие и хранение невербальной зрительной информации матричного образа), и левой центральной области, в которой находятся сен-омоторные зоны, обеспечивающие управление правой рукой; в период удер-:ания испытуемый мог мысленно прорабатывать те движения, которые ему редстояло сделать после окончания этого периода для воспроизведения обра-а на пульте. Очевидно, однако, что для обоснования такого рода выводов не-бходимо получение в эксперименте большого объема дополнительной инфор-[ации, что выходило за рамки нашего исследования. Для нас было важным по-азать сам факт существования систематической зависимости синхронности [оментов изменений мощности альфа-активности в различных областях коры т когнитивной нагрузки.

Факт изменения синхронности альфа-активности в большом числе пар тведений в ходе задачи на запоминание говорил о том, что их мог вызывать акой-либо генерализованный фактор - например, общее подавление альфа-

Рис. 6. Карты значимых эффектов комбинации факторов различия функциональной нагрузки и межиндивидуальной вариативности на индекс синхронности моментов резких изменений мощности альфа-активности.

Оценивалось различие периодов в задаче на запоминание зрительного образа: (а) - всех трех, (б) - ожидания и запоминания, (в) - запоминания и удержания, (г) -ожидания и удержания. Выделены пары отведений ЭЭГ, в которых эффект был значимым (р<0.05). Верхний ряд карт - мелшолушарные пары, нижний ряд -внутриполушарные пары. На каждой карте точками обозначены следующие отведения (слела направо и сверху вниз): РЗ, Р4, С3, С4, РЗ, Р4, 01, 02.

Топографические особенности изменений синхронности альфа-активности ЭЭГ при "активирующих" воздействиях

20

I В<0

п В>0

о р<0.1

□ р<0.05

□ р<0.02

□ р<0.01

□ р<0.005

□ р<0.002

Рис. 7. Вероятностная карта эффектов : висимости синхронности моментов р ких изменений мощности аль<] активности от "силы активирующего в< действия" функциональной нагрузки.

Эффекты оценивались с помощью регр сионного анализа (см. текст). Огрш тельные значения коэффициента регр сии В соответствуют снижению синхрс ности при подавлении альфа-акшвнос1 положительные - ее росту. Отведения же, что и на рис. 6.

активности при умственном напряжении (реакция "активации" или "десинхронизации" ЭЭГ). Для оценки влияния фактора подавления альфа-активности на синхронность моментов ее резких изменений был проведен анализ (также с использованием МАЪТОУА) ЭЭГ, зарегистрированной на фоне стандартных условий, обеспечивающих различный уровень альфа-активности, а именно при спокойном бодрствовании с открытыми и закрытыми глазами. При этом структура данных не позволяла оценить действие комбинации фактора "закрытые/открытые глаза" и межиндивидуальных различий. Однако в данном случае, в отличие от сравнения периодов задачи на запоминание, выявился значимые эффекты, общие для всех испытуемых: при открытых глазах, в сравнению с закрытыми глазами, синхронность была ниже в парах, образованных лобными и центральными отведениями, и в паре РЗР4, и выше - в паре 02Р4 (в паре 01РЗ наблюдалась аналогичная тенденция, не достигавшая уровня значимости). Эффекты оказались еще более четко выраженными при объединении данных, записанных с открытыми глазами как при спокойном бодрствовании, так и в режиме ожидания.

Чтобы проверить, вызывалась ли эта совокупность эффектов действием любого фактора, оказывающего "активирующее" действие на ЭЭГ (т.е. подавление альфа-активности), или лишь специфическими различиями динамики альфа-активности при закрытых и открытых глазах, мы условно оценили "силу активирующего воздействия" каждого из режимов функциональной нагрузки, использовавшихся нами, в баллах от 1 до 6, и провели регрессионный анализ зависимости индекса синхронности по каждой из пар отведений от этой величины. Топография значимых эффектов (рис. 7) не полностью совпадала с тем, что наблюдалось для фактора "закрытые/открытые глаза", но в обоих случаях наиболее характерной тенденцией была положительная зависимость от мощности альфа-активности синхронности в парах, образуемых лобными отведениями, и отрицательная - в парах, образуемых затылочными отведениями с теменными и/или центральными отведениями в пределах одного полушария.

Чтобы проверить, не были ли эти эффекты лишь следствием различий альфа-активности при закрытых глазах и всех прочих условий, мы провели регрессионный анализ без включения данных, полученных для закрытых глаз. Хотя число значимых связей существенно сократилось, топографический паттерн и направление различий остались в целом теми же, что и в предыдущем случае. Особенно существенным было то, что сохранилась тенденция, выявленная в предыдущем случае и характерная также для различий условий спокойного бодрствования с закрытыми и отрытыми глазами - снижение синхронности при подавлении альфа-активности в парах, образуемых лобными отведениями, и ее рост - в симметричных внутриполушарных парах 01СЗ и 02С4. Таким образом, зависимость синхронности моментов резких изменении мощности альфа-активности от "силы активирующего воздействия" (рис. 7) действительно является в значительной мере неспецифическим эффектом, лишь частично зависящим от того, какой именно психофизиологический фактор "активирует"

ээг.

Анализ связи синхронности моментов резких изменений альфа-активности с уровнем функционального состояния, оцениваемого по ситуативным психометрическим показателям

Высокая межиндивидуальная вариативность индексов синхронности изменений альфа-активности, сочетающаяся с относительной стабильностью индивидуальных значений и их сходством в близнецовых парах, уже была отмечена выше (см., напр., рис. 4 б). Можно было предположить, что различия синхронности в той или иной степени связаны с различным функциональным состоянием испытуемых.

Показатели теста Доскина САН (шкалы "самочувствие", "активность" и настроение") не различались в первый и второй дни обследования, несколько

(а)

Рис. 8. Пары отведений со значимыми корреляциями индекса синхронности моментов резких изменений мощности альфа-активности и ситуативной тревожности.

УспЪвнякпгёто^ глаза, (б) ожидание, (в) запоминание,

(гУ удержание образа. Обозначен}« см. на рис. б.

Таблица 2.

Коэффициенты корреляции между ситуативной 1ревожностыо и индексом синхрощюст моментов резких изменений мощности альфа-активности по межполушаршлм парам си», метричных отведений ЭЭГ при спокойном бодрствовашш (закрьпые глаза) и различны функциональных нагрузках (периоды задачи на запоминание зрительного образа).

Звездочкой отмечены значимые корреляции (р<0.05). п=12.

ОЮ2 РЗР4 СЗС4 РЗР4

Закр. глаза

0.62* 0.71 * 0.84* 0.40

Ожидание

0.81 * 0.64* 0.57 0.44

Запоминание

0.29 0.62* 0.70* 0.05

Удержание

0.65* 0.78 * 0.76* 0.20

уменьшилась лишь ситуативная тревожность (по тесту Спилбергера). Индексы синхронности в первый и второй дни также не демонстрировали значимых различий. В связи с этим и для повышения точности оценок исходных данных перед анализом корреляций между психометрическими показателями и синхронностью альфа-активности значения показателей за два дня обследования были усреднены по каждому испытуемому. Чтобы иметь возможность выявить особенности влияния функционального состояния на синхронность альфа-активности при различных режимах активации систем мозга, анализ проводился раздельно для индексов синхронности, полученных для каждого из 6 типов функциональной нагрузки. Значения психометрических показателей в близнецовых парах были частично связаны (коэффициенты корреляции от 0.35 до 0.86), однако мы сочли возможным рассматривать эффекты как значимые при р<0.05 для группы из 12 испытуемых без введения поправки для степеней свободы, соблюдая осторожность при трактовке результатов анализа.

Корреляции психометрических показателей с индексами синхронности альфа-активности по многим парам отведений оказались значимыми, при этом для показателей теста САН все значимые коэффициенты корреляции были отрицательными, а для ситуативной тревожности - положительными. Выборочный просмотр графиков большой части зависимостей индексов синхронизации от психометрических показателей показал, что значимость найденных корреляций в целом не могла быть чрезмерно завышенной вследствие связанности значений показателей внутри близнецовых пар.

Наиболее высокие коэффициенты корреляции отмечались для показателей ситуативной тревожности и активности, оценивающих именно те факторы, влияние которых на альфа-активность ЭЭГ не подвергается сомнению большинством исследователей (впрочем, в нашей выборки оба показателя коррелировали друг с другом с т= - 0.89, поэтому фактически мы имели дело преимущественно с одним фактором). Так, коэффициенты корреляции с ситуативной тревожностью выше 0.8 имели индексы синхронности для ЭЭГ, зарегистрированной во время удержания образа, в 3 парах отведений из 28, а для ЭЭГ, записанной при закрытых глазах - в 6 парах; значимые корреляции с ситуативной тревожности в среднем по 6 условиям записи были найдены более чем для каждой четвертой пары отведений.

Топографию значимых корреляций синхронности с тревожностью иллю-грирует рис. 8. Учитывая небольшой объем выборки и завышение значимости ффектов из-за фактора "близнецовости", а также сложный характер простран-гвенного распределения пар отведений, для которых найдены высокие корре-яции, давать подробные содержательные трактовки топографическим особен-остям связи синхронности и функционального состояния было бы преждевре-енно. Однако следует отметить, что особенно высокими и мало зависящими т функциональной нагрузки были корреляции психометрических показателей синхронностью в межполушарных парах, образованных симметричными от-едениями, причем из этой закономерности выпадали лобные отведения. Заты-очные отведения, как и при анализе действия функциональных нагрузок, так-;е демонстрировали некоторое своеобразие: коэффициенты корреляции для их, в отличие от теменных и центральных отведений, при одном из типов на-рузки, а именно в режиме запоминания образа, резко падали (табл. 2). По-идимому, это было связано с тем, что в этом режиме альфа-активность в заты-очной области особенно сильно подавлялась и ее характеристики теряли ин-юрмативность. Внутриполушарные пары соседних отведений, в отличие от [ежполушарных, демонстрировали очень слабую связанность с тревожностью, ричем и в этом случае одна из пар с участием лобных отведений дала анома-шо: корреляции ситуативной тревожности с синхронностью моментов измене-ий альфа-активности в отведении СЗРЗ были значимыми в 4 из 6 режимов |ункциональной нагрузки.

Таким образом, межполушарная синхронность резких изменений мощ-ости альфа-активности оказалась высоко чувствительной, а внутриполушар-ая синхронность - низко чувствительной к такому важному компоненту нси-офизиологического статуса испытуемого, как ситуативная тревожность. Ано-альный характер связанности с тревожностью был характерен для пар с учас-ием лобных отведений. В целом активное психофизиологическое состояние спытуемого, проявляющееся в сниженной ситуативной тревожности и повы-1енной активности по тесту САН, соответствует более или менее генерализо-анному снижению синхронности моментов изменений мощности альфа-ктивности.

ОБСУЖДЕНИЕ

Наблюдавшиеся нами статистически значимые эффекты зависимости янхрокности моментов резких изменений мощности альфа-активности от ункционалъной нагрузки и от субъективно оцениваемого функционального эстояния, можно рассматривать в единой шкале, если охарактеризовать каж-ый из изучавшихся факторов направленностью его генерализованного воз-ействия на средшою мощность альфа-активности. В дополнение к сказанному разделе "Результаты" о направленности эффектов функциональных нагрузок тметим, что ситуативную тревожность принято рассматривать как фактор, одавляющий альфа-активность. В соответствии с этим наиболее важные эф-екты, найденные в нашем исследовании, сведены в табл. 3.

Из таблицы видно, что эффекты функциональных нагрузок и эффекть межиндивидуальных различий функционального состояния четко различали« между собой как по направленности, так и по топографии. Следовательно, наблюдавшиеся эффекты нельзя свести к простому следствию изменений среднее мощности альфа-активности под действием тех или иных факторов.

Мы не считаем возможным давать содержательную трактовку отдельным

Таблица 3.

Наиболее важные значимые (р<0.05) эффекты зависимости синхронности моментов резки?

изменений мощности альфа-активности в парах соседашх отведений от различных факторов.

Направленность эффектов: + - повышенная синхронность в условиях, благоприятных, для повышенной средней мощ носги в альфа-диапазоне ЭЭГ (при минимуме функциональной нагрузки и сниженно? тревожности);

- - снижение синхронности в условиях, благоприятных дня роста мощности альфа-ритма; □ - знак изменения синхронности не определен (при анализе действия комбинации факто ров).

Факторы: зг/ог - различия ЭЭГ с закрытыми или открытыми глазами; "активация" • "активирующее" действие функциональной нагрузки; о/з х исп, о/у X исп, з/у х йен • различии периодов задачи на запоминание зрительного образа (о - ожидание, з - запоминание, у - удержание) в комбинации с фактором межиндивидуальных различий трев [зг], трев [о], грев [з], трев [у] - корреляции с показателем ситуативной тревожности в режимах соответственно спокойного бодрствования с закрытыми глазами ожидания, запоминания и удержания зрительного образа.

Межлолушарные пары ОЮ2 РЗР4 СЗС4 РЗГ4

Внутриполушарные пары 01РЗ 02Р4 РЗСЗ Р4С4 СЗГ'З С4Г

зг/ог

"активация"

+ +

+

+-+

о/з X межинд о/у х межинд з/у х межинд

□ □

□ О

трев [зг] трев [о] трев [з] трев [у]

□

ффсктам: наше исследование их специфики носило предварительный характер, оскольку главным на данном этапе работы мы считали вопрос о том, отра-сается ли в синхронности резких изменений альфа-активности спонтанной >ЭГ какая-либо физиологически значимая информация. На этот вопрос мы южем ответить положительно. Однако отмстить некоторые особенности на-щодавшихся эффектов все же представляется разумным. Так, чрезвычайно тобопытным оказалось то, что под действием использовавшихся нами функциональных нагрузок, подавляющих альфа-ритм, синхронность существенно (адала в передних отделах коры и мало изменялась в затылочной области, тог-[а как хорошо известно, что такого рода нагрузки больше всего изменяют ющность альфа-диапазона ЭЭГ в затылочных областях. Наиболее высокий :оэффициент линейной регрессии, характеризующий зависимость синхрон-юсти от "активирующего" фактора функциональной нагрузки, был характерен щя пары отведений СЗС4, которая оказалась также высоко чувствительной к »азличиям уровня ситуативной тревожности. Синхронность альфа-активности I отведении СЗ по отношению к отведению F3 также оказалась высоко чувствительной как к функциональной нагрузке, гак и к тревожности, что, однако, ie было характерным для симметричной пары отведений C4F4; большую информативность показателей левого полушария можно было бы связать с тем, iTo подавляющее большинство испытуемых были правши, однако из-за недо-:татка данных по левшам сделать какой-либо определенный вывод в отноше-тии влияния фактора рукости невозможно.

Еще одним существенным фактом представляется четко выраженное раз-шчие эффектов в затылочных и лобных областях. В частности, при действии функциональных нагрузок, подавляющих альфа-активность, в передних областях наблюдалось генерализованное снижение синхронности, тогда как межпо-1ушарная синхронность в затылке не изменялась, а внутриполушарная син-фонность затылочных и центральных областей росла. Эти данные в сопостав-гении с данными по более низкой синхронности в затылочной области в срав-тении с лобной согласуются с предположением о существовании трех относительно независимых друг от друга "генераторов" альфа-ритма - двух в симметричных затылочных областях и одного с менее четкой локализацией от превер-гексной до теменной области, сделанного ДЛеманом на основании анализа распределения максимумов электрического потенциала на поверхности скальпа 'Lehmaim, 1971; существование раздельных локальных источников альфа-1Ктивности в затылке предполагалось также в работах: Adrian, Yamagiwa, 1935; Walsh, 1958; Rémond et al., 1969). По-видимому, в будущем применение нашего тодхода могло бы помочь в большей мере продвинуться в изучении вопроса о операции альфа-ритмики ЭЭГ.

Зависимость уровня синхронности резких изменений альфа-активности от расстояния между электродами, а также затылочно-лобный градиент синхрон-тости, обнаруженные нами, практически совпадают с закономерностями, пока-ттыми для синхронности электрической активности, оцениваемой по коге-эентности и корреляции (Tunturi, 1959; Шеповальников, Цицерошин, Апана-люнок, 1979; Thatcher et al., 1986; Dunkin et al., 1994). Поскольку когерентный и корреляционный анализ - хорошо зарекомендовавшие себя средства изучения

синхронности, сходство результатов, полученных с их помощью и с помощы нашего подхода, является дополнительным подтверждением эффективност последнего. Заметим, что мы стремились регистрировать ЭЭГ в стандартны условиях для обеспечения сопоставимости результатов с литературными дат ными, и в нашем исследовании, как и в подавляющем большинстве исследова ний с использованием корреляционного и когерентного анализа, не были при няты все необходимые меры для максимального снижения вклада чисто физу ческой связи между отведениями ЭЭГ (за счет объемной электрической провс димости). Между тем в настоящее время предполагается, что при использс вавшемся нами, как и многими другими исследователями, монополярном тип отведений активность на "референтном" электроде способна вносить суще ственные искажения в оценки синхронности, и именно подобные эффекты мо гут определять почти линейный характер зависимости их от межэлектроднол расстояния (Nunez, 1995). Поэтому то, что данная зависимость была найдена : нашем исследовании, можно рассматривать лишь как подтверждение эффек тивности метода, но не как вклад в понимание реальной организации про странственно-временной структуры активности мозга.

Сопоставление других полученных нами данных с данными, полученны ми для когерентности и корреляции, затруднительно из-за большой противоре чивости последних, что, в частности, связано с отсутствием единства в решенш методических проблем, таких, как проблема референтного электрода, и с мно гообразием наблюдаемых эффектов (Ford et al., 1986; Petsche, Rappelsbergei 1992; и др.). Тем не менее, поскольку по крайней мере в одном из аспектов наш! результаты оказались сходными с результатами, полученными другими авто рами с использованием когерентного анализа, встает вопрос о том, действи тельно ли наш подход способен давать новую информацию в сравнении с тра диционными подходами.

Мы полагаем, что наш подход имеет право на существование как мини мум потому, что он основан на совершенно ином способе анализа ЭЭГ, чем ко герентный или корреляционный анализ, и уже лишь по этой причине получае мая в его рамках информация в принципе не может быть тождественной ин формации, получаемой благодаря им, но может по крайней мере дополнять ее Однако у нашего метода существует и ряд важных положительных сторон i сравнении с когерентным и корреляционным анализом:

1. Синхронность резких изменений является инструментом, настраиваемым на работу с определенными элементами ЭЭГ, которые, с точки зрени* исследователя, могут иметь свое специфическое значение, тогда как в традиционном подходе сама ЭЭГ или какие-либо се компоненты анализируются лишь < точки зрения наличия линейной связи, т.е. без учета различной функциональной значимости разных элементов исследуемых кривых. Например, при наличии достаточно стабильной ритмической активности с одной и той же частотой и высокой амплитудой в двух изучаемых отведениях оценки когерентности могут быть высокими даже при отсутствии связи между источниками активности Очевидно, что для получения высоких оценок когерентности достаточно сходства свойств источников сигнала, тогда как высокая синхронность моментов

сзких изменений отражает именно связь между источниками или их тожде-гвенность.

2. Традиционные подходы не учитывают специализации различных кор-эвых зон, которая может приводить к тому, что динамика активности в них ожет по-разному отражаться в ЭЭГ (Каплан и др., 1997). Наш подход предо-гавляет возможность подбирать индивидуальные режимы выделения функ-ионально значимых "элементов" ЭЭГ в зависимости от свойств исследуемых бластей коры и задач исследования: например, можно анализировать син-ронность резких изменений мощности тета-активности в лобной зоне и альфа-ктивности - в затылке. (Заметим, что данную возможность в определенной мее предоставляет также анализ огибающих ЭЭГ, отфильтрованной в соответ-гвующем диапазоне.) Более того, даже при небольшом различии пиковой час-эты альфа-ритма, что весьма характерно для удаленных друг от друга отведе-ий (Р1ш15с1ге11ег й а!., 1977), а также при частых сдвигах его фазы можно ожи-ать значительное падение оценок когерентности и корреляции, тогда как на тхронность моментов резких изменений мощности альфа-активности подоб-ые факторы не должны оказывать существенного влияния.

3. Наш подход в принципе применим к анализу практически шобых пока-тгелей ЭЭГ: так, с его помощью возможен даже анализ синхронности динами-и показателей когерентности для различных областей коры или/и для различ-ых диапазонов спектра ЭЭГ. Более того, возможно изучение временной связи оментов изменений ЭЭГ и иных событий или временных маркеров в широком мысле (подробнее см. ниже) - например, возможен анализ влияния фазы дыха-ия или кардиоцшша на электрическую активность мозга, а также влияния азного рода внешних стимулов (например, в рамках исследований по цесинхронизации, связанной с событиями" - Е1Ш).

4. Моменты резких изменений можно предварительно отбирать по како-у-либо признаку: например, учитывать только те из них, которые связаны с величением или с уменьшением значений анализируемой характеристики; элько те, которые появляются в определенном временном диапазоне после гимула, и т.п. Это предоставляет исследователю многочисленные дополни-гльные возможности.

5. Показатель синхронности, введенный нами, может быть очень быстро ассчиган после того, как выявлены моменты изменений, для большого числа ар каналов и/или показателей, что позволяет проводить без больших затрат эмпьютерного времени подробный анализ пространственно-временной орга-изации активности мозга. Важно отметить, что, хотя в настоящем исследова-ии отведения ЭЭГ анализировались лишь попарно, расчет числа совпадений оментов резких изменений может легко производиться в сколь угодно боль-гом числе отведений (в этом случае лишь потребуется модификация формулы асчета индекса синхронности). Возможны и другие варианты модификации ашего метода: в частности, можно не подсчитывать случаи совпадения очнее, сближения на расстояние не больше порога) моментов изменений, а чализировать распределение расстояний между ними (точнее, разностей мо-ентов времени).

Необходимо также отметить важный недостаток нашею подхода: анали: моментов резких изменений может быть эффективным только в случае, когда 1 динамике изучаемого компонента ЭЭГ достаточно много именно резких изме нений. Если же она близка к стационарной, или число моментов изменений не велико, или в ней преобладают медленные постепенные изменения, наша мето дология может быть применена лишь при условии ее существенной модерниза ции. Теоретические основы анализа таких компонентов ЭЭГ разрабатывают« в настоящее время (Вгос18ку ег а!., 1997), но еще не нашли воплощения в приме нимых на практике алгоритмах.

Разумеется, предложенный нами подход не претендует на то, чтобы пол ностью вытеснить традиционные способы оценки синхронности динамик* электрических потенциалов мозга, поскольку они обеспечивают анализ синхронности с существенно иной стороны; речь должна идти скорее о том, чтобь использовать его и традиционные подходы как взаимодополняющие.

В заключение отметим, что наш подход основан на идее предварять статистический анализ ЭЭГ выделением в ней тех или иных значимые "элементов". Эта идея в том или ином виде встречается в работах различных авторов (Еетопс!, 1972; Боденвггайн, Преториус, 1977; Бодунов, 1988; Pasqual■ Мащш й а1., 1995), однако из-за отсутствия эффективных способов выделения "элементов" ее практическое применение было ограниченным. Исследователи, как правило, стремились найти не просто "элементы", но "атомы" или "буквы алфавита" ЭЭГ, однако все попытки достичь этой цели с помощью различных методов сегментации не увенчались успехом. По-видимому, более реалистичным является не полное деление ЭЭГ на участки, имеющие то или иное функциональное значение, а поиск в ней лишь отдельных разновидностей "элементов", о признаках которых можно делать сколь-нибудь определенные предположения, исходя из имеющихся данных и теоретических соображений. В качестве таких "элементов", сравнительно легко идентифицируемых, на настоящем этапе можно использовать моменты резких изменений. Возможно, развитие методов искусственного интеллекта и, в частности, нейросетевого подхода со временем позволит эффективно находить и другие "элементы" ЭЭГ, свидетельствующие о тех или иных "событиях" в функционировании мозга, и тогда будет возможно изучать синхронность работы мозговых систем с использованием и этих "элементов". Однако ценность моментов резких изменений, по-видимому, сохранится и тогда, т.к. они, с одной стороны, особенно удобны для анализа синхронности, поскольку могут быть обозначены лишь одной точкой на временной оси, а с другой стороны, они, как мы предполагаем, свидетельствуют о весьма важном, с точки зрения физиолога, типе внутренних "событий" - сдвигах или переключениях микросостояний систем, генерирующих ЭЭГ или влияющих на его генерацию. Не исключено, что наш подход может быть распространен и на анализ функционирования других сложных физиологических (и, возможно, не только физиологических) систем.

ВЫВОДЫ

1. Разработанный подход позволяет эффективно выявлять в автомати-еском режиме резкие изменения мощности альфа-активности здорового чело-жа при различных паттернах ЭЭГ.

2. Описан новый тип пространственной синхронности альфа-активности ЭГ. Частота совпадений моментов резких изменений мощности альфа-етивности как в близко расположенных, так и в удаленных друг от друга об-астях коры превышает уровень случайных совпадений. Синхронность момен-эв изменений альфа-активности существенно падает при увеличении расстоя-ия между электродами. Уровень синхронности также зависит от участка коры, г которого отводится ЭЭГ: он максимален в пределах лобной области, мини-ален в затылочной области и в целом для пар отведений, образованных с ее частием.

3. При функциональных нагрузках, приводящих к подавлению альфа-итма в ЭЭГ, в лобных и центральных областях происходит генерализованное шжение синхронности моментов изменений мощности в альфа-полосе, а за-ллочно-центральная внутриполушарная синхронность возрастает. При этом в гачителыюй части пар отведений эти эффекты тем больше выражены, чем ощнее фактор, подавляющий альфа-активность.

4. Синхронность моментов изменений альфа-активности во многих парах гведений ЭЭГ коррелирует с субъективными оценками функционального со-:ояния. Уровень ситуативной тревожности, определяемый с помощью психо-етрического тестирования, коррелирует с синхронностью положительно, а денки самочувствия, активности и настроения - отрицательно. При этом пока-1тель ситуативной тревожности значительно больше связан с межполушарной шхронностью в симметричных парах отведений, чем с внутриполушарной шхронностью.

5. Уровень синхронности моментов резких изменений мощности альфа-стивности в различных областях коры головного мозга человека несет физио-згически значимую информацию, использование которой может способство-ш. углублению понимания пространственно-временной структуры электри-:ской активности мозга и созданию эффективных методов функциональной штюстики.

Основные цитированные источники:

Бодешптайн Г., Преториус Х.М. Выделение признаков из электроэнцефалограммы методок адаптивной сегментации // Тр. Ин-та швкенеров по электротехнике и радиоэлсктро нике. - 1977. - Т. 65, N 5. - С. 59-71. / Пеу. с англ.

Каппан А.Я., Дарховский B.C., Фингелькурц Ал.А., Фингелькурц Ан.А. Топологическо! картирование процесса синхронизации моментов резких перестроек в мультиканаль ной ЭЭГ у человека // Журн. высш. нервн. деят. - 1997. - Т. 47, вып. 1. - С. 32-37.

Brodsky В.Е., Darkhovsky B.S. Nonparametric Methods in Change-Point Problems // Dordrecht Kluver Acad. Publ., 1993.

Lehmann D. Fluctuations of functional state: EEG patterns, and perceptual and cognitivi strategies II Functional States of the Brain: Their Determinants. - Amsterdam: Elsevier 1980, pp. 189-202.

Lehmann D., Ozaki H., Pal I. EEO alpha map series: brain microstates by spaceoriented adaptiv« segmentation // Elcctroenceph. clin. Neurophysiol. -1987. - V. 67. - P. 271-288.

Nunez P.L. Meocortical Dynamics and Human EEG Rhythms // Oxford University Press, 1995.

Pasqual-Marqui R.D., Michel C.M., Lehmann D. Segmentation of brain electrical activity intc microstates: model estimation and validation II IEEE Trans. Biomed. Eng. - 1995. - V. 42 N 7. - P. 658-665.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Кардиосинхронные феномены работы мозга: психофизиологические аспекты II Биол. нау-

ки. - 1992.-N10. - С. 5-24 (совместно с А.Я.Капланом).

2. Change-point detection method may be useful for the revealing of the time-structure of th<

rhythmic components of human BEG II Fourth IBRO World Congress of Ncuroscienc« (Kyoto, 1995). - Oxford: Rapid Communications, 1995. - P. 484 (совместно < Б.С.Дарховским, Б.Е.Бродскнм и А,Я.Калланом).

3. Change-point mapping: a new technique for EEG brain imaging II First Internationa

Conference on Functional Mapping of the Human Brain (Paris, 1995) / Human Brair Mapping. - 1995. - Suppl. 1. - P. 97. (совместно с А.Я.Капланом, Б.Е.Бродским Б.С.Дарховским, Ал.А. и Ан.А. Фингелькурц).

4. The phenomena of time coincidence of change-point periods in different derivations of EEG /,

American EEG Society Ann. Meeting (Washington, 1995). - 1995. - P. 189 (совместно ( А.Я.Капланом, Б.Е.Бродским, Б.С.Дарховским, Ал.А. и Ан.Л.Фшггслькурц).

5. ЭЭГ как нестационарный сигнал: подход к анализу на основе иепараметрическон статис-

тики II Физиология человека. - 1997. - Т. 23, N 4. - С. 124-126 (совместно < Б.Е.Бродским, Б.С.Дарховским и АЯ.Капланом).

6. Статистическая сегментация электрических, сигналов мозга: непарамегрический подход /,

Автоматика и телемеханика. - 1997 (в печати; ' совместно с Б.Е.Бродским Б.С.Дарховским и А.Я.Капланом).

7. Nonparametric Method for the Segmentation of the EEG // Сотр. Meth. Progr. Biomed. -

1997 (в печати; совместно с Б.Е.Бродским, Б.С.Дарховским и А.Я.Кашшюм).