Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пространственно-временной анализ сенсорных и когнитивных составляющих слуховых и зрительных вызванных потенциалов в норме и при поражении головного мозга

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Корепина, Ольга Станиславовна, Москва

/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

КОРЕПИНА Ольга Станиславовна

ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ СЕНСОРНЫХ И КОГНИТИВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СЛУХОВЫХ И ЗРИТЕЛЬНЫХ ВЫЗВАННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ В НОРМЕ И ПРИ ПОРАЖЕНИЯХ

ГОЛОВНОГО МОЗГА.

03.00.13 -физиология человека и животных

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор В.Б. Полянский доктор биологических наук, В.В. Гнездицкий

Москва -1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Список сокращений. 4

Введение. 5

Глава 1 Обзор литературы. 9

1.1 Проблема классификации и генеза различных компонент ВП. 9

1.2 Отражение в параметрах ВП различных сторон приема и

обработки информации. 13

1.3 РЗ00 как показатель когнитивных функций. 14

1.4 Изменение параметров Р300 и ЗВП при действии ноотропных препаратов. 22

1.5 Метод дипольной локализации в анализе и идентификации

различных компонент ВП. 22

Глава 2 Материал и методы исследования. 36

2.1 Общая характеристика материала. 36

2.2 Характеристика методов. 38

2.2.1 Слуховые когнитивные ВП (Р300). 38

2.2.2 Зрительные ВП. 39

2.2.3 Методика с бимодальной и гетеромодальной стимуляцией. 40

2.2.4 Метод картирования и дипольной локализации ВП. 41

Глава 3 Анализ сенсорных и когнитивных фаз слухового ВП. 43

3.1 Исследование сенсорных и когнитивных составляющих ВП в норме. 43

3.2 Исследование сенсорных и когнитивных составляющих слуховых ВП при патологии головного мозга и когнитивных нарушениях различного

типа. 46

3.3 Влияние ноотропных препаратов на сенсорные и когнитивные составляющие ВП. 51

Глава 4 Исследование сенсорных, активирующих, когнитивных фаз

зрительных ВП. 55

4.1 Исследование параметров зрительных ВП на светодиодную вспышку в норме. 55

4.2 Исследование параметров ЗВП при когнитивных нарушениях коркового и подкоркового типа. 55

4.3 Применение бимодальной и гетеромодальной стимуляции при исследовании Р300 57

Глава 5 Роль метода дипольной локализации в структурном анализе

источников сенсорных, когнитивных и неспецифических ВП. 65

5.1. Анализ сенсорных и когнитивных составляющих слуховых ВП. 65

5.2 Картирование и локализация источников ЗВП на вспышку. 78

Обсуждение 86

Рекомендации для дальнейших исследований 95

Выводы. 96

Список литературы. 98

Список сокращений

А - амплитуда

ВП - вызванный потенциал

ДВП - длиннолатентный ВП

ДСВП - длиннолатентный слуховой ВП

ЗВП - зрительный вызванный потенциал

КН - когнитивные нарушения

КВП - когнитивный ВП (синоним Р300)

ЛП - латентный период

МДЛ - многошаговая дипольная локализация

МЭГ - магнитоэнцефалография (магнитоэнцефалограмма)

МРТ - магниторезонансная томография (томограмма)

ППК - поздний позитивный компонент (синоним Р300 и КВП)

ПСС - потенциалы, связанные с событиями (синоним - эндогенные ВП,

в отличие от ВП в ответ на внешний стимул)

СПЕКТ - однофотонная эмиссионная компьютерная томография

ССВП - сомато сенсорные ВП

ЦНС - центральная нервная система

ЭОГ - электроокулограмма

ЭЭГ - электроэнцефалография (электроэнцефалограмма)

BESA - Brain Electric Source Analysis

ERP - event related potential (русский термин ПСС, часто синоним Р300) N1, N2, N3 - негативная волна (пик) ВП с соответствующим порядковым номером

РЗ - позитивная волна (синоним РЗ00)

Р300 - волна с ЛП 300 мс, выделяемая в условиях опознавания стимула (синоним КВП)

г - коэффициент корреляции

V-волна - волна ВП в вертексной области

Введение.

Методика вызванных потенциалов (ВП) в последнее время все чаще используется в научной и клинической практике. Однако, для относительно немногих видов ВП существует достаточно надежная информация о генезе тех или иных компонентов ответа. Прежде всего это относится к коротколатентным ВП, структурная основа компонентов которых преимущественно известна (Regan, 1990). Более противоречивая информация имеется о генезе длиннолатентных ВП (ДВП). Часто неясно, какую информацию о состоянии структур мозга и их функционировании несут ДВП. Остается вопросом, в каких параметрах отражается прием афферентации различных модальностей, восприятие стимулов и их последующая обработка.

Считается, что в длиннолатентных ВП отражаются как параметры физических и биологических свойств стимула, так и процессы его перцептивной обработки, анализа. Именно ДВП в большей степени отражают процессы высшей нервной деятельности (Иваницкий, Стрелец, 1984; Иваницкий, 1990). Однако, интерпретация параметров, в которых осуществляется реализация этих процессов, остается противоречивой и имеются до сих пор трудности определения, в каких показателях отражаются физические, сенсорные свойства стимула, а в каких - активирующие механизмы и когнитивные процессы.

Одним из подходов к решению этой проблемы является анализ тех видов ВП, возможный генез компонентов которых мы уже представляем.

Для оценки ранних когнитивных расстройств в клинической практике получил распространение метод когнитивных вызванных потенциалов - выделение ответов мозга при распознавании значимых сигналов в серии отличающихся стимулов. В этом ответе выделяют чисто сенсорную часть ответа (аналогичную выделяемому ответу на незначимый стимул) и часть ответа, отражающую процесс опознания редких значимых событий, собственно комплекс Р300 с пиками N2 и РЗ(ЗОО).

Лучше этот комплекс выделяется при исследовании слуховых вызванных потенциалов, по сравнению с исследованием других ВП, в том числе зрительных. Отчасти это связано с тем, что в зрительных ВП (ЗВП), особенно в ответах на вспышку, присутствует выраженная неспецифическая составляющая с латентным периодом около 200 мс и больше, из-за которой происходит "смазывание" комплекса РЗ 00 (Polich, Kok, 1995).

По данным НеЬЬ (1968) сенсорный вход выполняет две функции. Он доставляет информацию о внешнем мире и создает условия для обработки этой информации. В связи с этим, неспецифические ЗВП могут быть использованы для оценки активационных, регуляторных функций мозга. Однако, остается проблема дифференцировки, интерпретации различных компонент ВП и их функциональной значимости как сенсорных, активационных или когнитивных составляющих ответов разной модальности.

В связи с этим, нами была поставлена задача попытаться проанализировать особенности компонент на различные стимулы и в различных условиях их предъявления, позволяющих выявить в большей мере те или иные составляющие ВП, как слуховых, так и зрительных.

Другим подходом является исследование изменений показателей ВП при определенных структурных или функциональных нарушениях. В этом случае заведомо известное органическое или функциональное поражение мозга, имеющее отображение в картине ВП, позволяет оценить вклад той или иной составляющей в структуру потенциала. Такой моделью, в частности, могут служить сосудистые заболевания мозга, вызывающие нарушение когнитивных функций: с преимущественным поражением коры мозга или подкорковых структур, как в случае субкортикальной артериосклеротической энцефалопатии, сопровождающейся диффузным поражением белого вещества полушарий мозга и подкорковых структур.

Возможность сопоставления компонентов ВП со структурами мозга является существенным фактором для эффективного применения метода ВП в клинической практике. НШуагс1 (1978) высказывался по этому поводу более категорично: «До тех пор, пока нам не удастся связать регистрируемые ответы ВП со структурами мозга, они будут представлять собой только академический интерес, мало затрагивающий клиницистов».

Поэтому проблема генераторов вызванной активности мозга и на сегодняшний день остается актуальной и от ее решения в значительной мере зависит возможность и перспективность применения тех или иных видов ВП в клинической практике. Проблема генераторов ВП решается различными методами:

1. экспериментальные исследования на животных;

2. регистрация ВП с глубинных и поверхностных электродов на человеке;

3. клинические наблюдения за изменением различных составляющих ВП при поражении тех или иных структур мозга.

Наши основные знания о природе ВП и о механизмах генерации их отдельных компонентов получены именно на этих трех направлениях. Однако, возникает вопрос в каждом индивидуальном случае о возможной структуре, генерирующей тот или иной компонент ответа. Один из подходов к этой проблеме связан с решением так называемой, обратной задачи ЭЭГ и ВП: получение информации об источниках по распределению (картированию) этих потенциалов на поверхности головы и применение метода многошаговой дипольной локализации (МДЛ) (Гутман, 1980; Гнездицкий, 1990 и др.). Для проверки работоспособности алгоритма МДЛ при анализе ВП ранее в ряде работ рассмотрена локализация источников компонент соматосенсорных ВП, в частности пика N20, относительно генеза которых существуют более определенные сведения, а также других видов электрической активности мозга (Wood, 1982, Scherg, 1985, 1986, Гнездицкий, 1990 и др.). Эти данные показали возможность использования метода МДЛ в анализе как ВП, так и при анализе эпилептической разрядной активности (Ebersole, 1991; Lantz, 1997). Можно оценить структуру и пространственно-временное распределение потенциалов, а также возможные генераторы источников различных компонент. Этот метод в последнее время все больше начинает внедряться как инструмент для исследования мозга.

Поэтому нами была предпринята попытка установить структуры, которые осуществляют процессы приема и обработки информации, последовательность их включения по ходу развития ДВП во времени от ранних к поздним компонентам ответа с использованием этого метода.

Данный круг проблем позволил сформулировать следующие цели и задачи.

Цель работы. На основе структурно-функционального анализа фаз слуховых и зрительных ВП оценить их информативность и усовершенствовать интерпретацию параметров различных составляющих ВП в норме и при патологии. Провести анализ функциональной значимости различных компонент вызванных потенциалов мозга человека на основе оценки возможных структур, участвующих в их генерации.

Задачи исследования.

1) Анализ сенсорных и когнитивных составляющих слуховых ВП в норме и патологии:

• анализ параметров основных компонентов слухового ответа,

• зависимость параметров от возраста,

• изменение показателей при сосудистых поражениях головного мозга, вызывающих нарушение когнитивных функций,

• влияние препаратов ноотропного ряда на показатели когнитивных ВП.

2) Анализ сенсорных (специфических) и неспецифических составляющих зрительных ВП:

в зависимость параметров от возраста,

• изменение показателей при нарушении когнитивных функций мозга.

3) Выявление параметров сенсорных и когнитивных составляющих в условиях гетеромодальной стимуляции.

4) Анализ структуры источников различных составляющих ВП (слуховых и зрительных) методом дипольной локализации (МДЛ).

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Проблема классификации и генеза различных компонент ВП.

ВП представляют собой слабые электрические ответы мозга на различные экзогенные и эндогенные стимулы, амплитуда которых много меньше амплитуды спонтанной фоновой электрической активности мозга (Speimann, 1985; Regan, 1990). Для их выделения используют метод синхронного когерентного накопления и усреднения, позволяющий выделить различные виды ВП с разным исходным отношением сигнала к шуму (подробно методика изложена в монографии Гнездицкого, 1997).

Регистрация вызванных потенциалов (ВП) мозга является объективным и неинвазивным методом тестирования функций ЦНС как человека, так и животных (Супин с соавт., 1986; Regan, 1989; Гнездицкий, 1990; Зенков с соавт., 1991; и др.). Использование ВП является неоценимым средством для раннего обнаружения и прогноза неврологических расстройств при различных заболеваниях, таких как рассеянный склероз и других демиелинизирующих заболеваний, инсульт, опухоли головного мозга, последствия черепно-мозговой травмы.

Электрические отклики мозга на зрительные, слуховые или сенсорные стимулы оцениваются по изменению основных параметров ВП — амплитуды и длительности (латентности) различных компонентов ответа, несущих информацию о состоянии тех или иных сенсорных систем. Имеются различные подходы к классификации ВП (Vaughan, 1970; Иваницкий, 1980; Гнездицкий, 1997).

Классификация ВП.

Методом синхронного накопления могут быть выделены различные реакции мозга, непосредственно связанные со стимулом или с какими-либо фиксированными повторяющимися событиями. В зависимости от выделяемых реакций мозга, ВП обычно классифицируют по модальности предъявляемого стимула или по условиям выделения и генерации компонентов ответа (ВП ближнего и отдаленного поля). Кроме этого, ВП классифицируют по характеру ответов на экзогенные или эндогенные стимулы (Vaughan, Ritter, 1970; Picton, 1973, 1988). Рассмотрим каждые из них.

1.1.1 Классификация ВП по модальности предъявляемых стимулов.

В зависимости от модальности предъявляемых стимулов различают следующие виды ВП: зрительные, слуховые, соматосенсорные, тактильные, обонятельные, вкусовые, вестибулярные, кинестетические.

Некоторые ВП, выделяемые достаточно легко, прочно вошли в клиническую практику — зрительные ВП (ЗВП) на вспышку света и шахматный паттерн, соматосенсорные ВП (ССВП) на электрическую стимуляцию нерва, слуховые стволовые ВП. Другие виды ВП, в особенности длиннолатентные, находятся в стадии научных исследований, и пока существуют противоречивые мнения о возможности их выделения и интерпретации выделенных реакций, в связи с чем они не нашли пока применения в широкой клинической практике (Костандов, 1977, Иваницкий, 1990; Hillyard, 1978).

В каждом выделенном ответе на многократно подаваемое мозгу сообщение или сенсорную посылку стремятся определить компоненты ответа, связанные с приходом афферентации в различные релейные ядра, кору головного мозга и в зону первичной проекции соответствующего анализатора. Кроме того, выделяют по аналогии с исследованиями на животных вторичные ассоциативные компоненты, связанные с последующей обработкой поступающей информации. Также выделяют неспецифические ответы, связанные с неспецифической афферентацией разного уровня, возбуждаемой сенсорной посылкой, и компоненты, связанные преимущественно с физическими свойствами стимула и его биологической значимостью (Иваницкий, 1976).

Проблема выделения различных компонентов и определения их функциональной значимости остается актуальной и на сегодняшний день. В процессе научных исследований- появляются новые данные о возможных генераторах ВП, пересматривается ряд имевшихся представлений о генераторах (Starr, 1976; Wood, 1982; Scherg, Cramon, 1985, 1986 и др.).

До середины 70-х годов основное внимание было направлено на исследование так называемых длиннолатентных ВП, выделяемых в обычном диапазоне частот ЭЭГ от 0,5 до 100 Гц. Однако, один из недостатков этих ВП, по замечанию Хильярда, заключается в том, что они регистрируются не там, где mi полагается регистрироваться по анатомическим схемам (Hillyard et al., 1978). Эти ответы слабо

отражали сенсорную посылку, слабо зависели от физических параметров стимула. Попытки найти первичные компоненты ВП привели к необходимости исследования так называемых коротко латентных ВП (Picton, Hillyard, 1974, Regan, 1989). Отсюда возникла классификация ВП, связанная с условиями выделения ответов мозга.

1.1.2 Классификация ВП по условиям выделения и генерации компонентов ответа (потенциалы ближнего и отдаленного поля).

Обычно ВП классифицируют по условиям их выделения следующим образом (Зенков, 1991). ВП, выделяемые в диапазоне частот регистрации ЭЭГ от 0.5 до 100 Гц, называются длиннолатентными ВП, а в широкополосном диапазоне частот до ЮкГц — коротко латентными ВП. Но это деление оказалось неполным по отношению к тому, где находится область генерации регистрируемой активности. Если область находится близко к отводящим электродам, то ВП относят к потенциалам ближнего поля (near field potentials), когда область генерации находится на значительном расстоянии от регистрирующих электродов — к потенциалам отдаленного поля (far field potentials) (Jewet, 1970, 1971; Moore, 1983, Legaff, Arezzo, 1988). В связи с этим при классификации ВП используют термины, отражающие ту или иную гипотезу о генерации регистрируемых компонентов ВП. Например, слуховые ВП могут быть коротко латентными (ВП мозгового ствола) (Jewet et al, 1970, 1971) или длиннолатентными, преимущественно коркового происхождения от ближнего поля или реакцией, связанной с корковой активацией от неспецифических структур мозга (Picton, Hillyard, 1974; Picton, 1988). Кроме классификации по условиям выделения ВП имеется классификация, связанная с сущностью событий, на которые происходит выделение ВП.

1.1.3 Классификация по характеру выделяемых ответов на экзогенные или эндогенные стимулы.

Выше рассматривались ВП, связанные непосредственно с