Введение к работе
Актуальность проблемы
Анализ характера и системной организации церебральных реакций на внешние воздействия способствует адекватной оценке функциональных и адаптивных возможностей человека в норме и патологии.
Общеизвестна значимость и информативность методики вызванных потенциалов (ВП) - кратковременных изменений электрической активности головного мозга, возникающих в ответ на сенсорную стимуляцию различной модальности. Он выделяется из фоновой ЭЭГ посредством суммации и усреднения (когерентного накопления с синхронизацией от момента подачи стимула) ответов мозга на большое число (от десятков до сотен) стимулов с помощью специализированных приборов. Усредненный ВП представляет собой полифазный комплекс, отдельные компоненты которого имеют определенные амплитудные соотношения и значения пиковой латентности.
К числу признанных информативных индикаторов высшей нервной деятельности человека в норме и патологии относят длиннолатентные (когнитивные) компоненты акустического вызванного потенциала (АВП) с латентностью более 50 мс (Наатанен Р. с соавт., 2003; Гнездицкий В.В., 1997; Голимбет В.Е. с соавт., 2010; Korczak P. et al, 2012). При этом компонент N100 (с пиковой латентностью на интервале 70-120 мс) рассматривается преимущественно как коррелят непроизвольного внимания, N200 (200-25 Оме) - перехода от непроизвольного восприятия к произвольному, а Р300 (250-500мс) - в связи с произвольным вниманием (Гнездицкий В.В., 1997; Наатанен Р., 1998; Alho К. Et al, 1999; Gray Н.М. et al, 2004; Petel S.H. et al, 2005).
Традиционная оценка вызванных потенциалов включает выявление позитивных и негативных пиков, их амплитудно-временную характеристику, топографическое картирование и определение локализации эквивалентных дипольных источников, реже - частотный Фурье-анализ (Гнездицкий В.В., .Шамшинова A.M., 2001). Вместе с тем, в научных школах М.Н. Ливанова (Ливанов М.Н., 1972) и B.C. Русинова (Русинов B.C., 1987; Русинов B.C. с соавт., 1975) в качестве важнейшего показателя интегративной деятельности мозга была определена синхронизация биопотенциалов, оцениваемая на основе корреляционного или когерентного анализа. В ходе многочисленных исследований было установлено, что функционирование мозга здорового человека характеризуется сбалансированной структурой межцентральных отношений и оптимальным уровнем сочетанности биопотенциалов, нарушаемых при разных формах церебральной патологии (Русинов B.C., 1987; Гриндель О.М., 1980, 1985, 1988; Болдырева Г.Н. с соавт., 2000, 2003; Иванов Л.Б. с соавт., 2009; Иванов Л.Б., 2011; Шарова Е.В. с соавт., 2009; Мисюк Н.Н., 2011 и др.). Это касается в частности, пациентов с черепно-мозговой травмой,
сопровождаемой длительным угнетением сознания, лечение которых представляет актуальную и очень сложную медико-социальную проблему.
Следует отметить, что в ряде исследований у пациентов с посттравматическим угнетением сознания была показана диагностико-прогностическая значимость анализа амплитудно-временных и топографических особенностей длиннолатентных компонентов АВП (прежде всего, Р300) (Герит Ж.М., 1999; Окнина Л.Б. с соавт., 2006, 2011; Шарова Е.В. с соавт., 1998, 2008; Cavinato М et al, 2012; Friedman D et al, 2011). Вместе с тем, представляющаяся перспективной оценка их пространственной синхронизации на основе традиционного Фурье-анализа затруднена малой длительностью процесса. Имея лучшее, по сравнению с Фурье-методом, временное разрешение, вейвлет-анализ позволяет рассчитывать разные формы синхронизации вызванной биоэлектрической активности. Исследования по оценке синхронности ВП, в особенности усредненных, единичны. Они касаются по большей части анализа кратковременных фрагментов ЭЭГ (Николаев А.Р. с соавт., 2000; Nikolaev A.R. et al, 2005; Teplan M et all. 2009). В связи с этим развитие данного методического подхода видится перспективным и актуальным.
В настоящей работе предложен новый метод для расчета синхронности поведения коротких биологических сигналов (в частности, отдельных компонентов усредненных ВП), основанный на аппарате вейвлет-анализа, и проведен клинико-физиологический анализ результатов применения метода. Принципиально новым является способ оценки синхронности по интегральному коэффициенту вейвлет-синхронности (ИКВС), который отображает согласованность поведения фаз двух сигналов. Для сигналов ВП это, в свою очередь, коррелирует с величиной сдвига пиков одинаковых компонентов в разных отведениях друг относительно друга.
Цели и задачи исследования
Цель работы состояла в разработке метода оценки синхронности кратковременных биоэлектрических сигналов мозга на основе вейвлет-анализа, а также в определении возможностей применения такого подхода для анализа разных форм кратковременных реактивных изменений ЭЭГ на акустические стимулы разной сложности в норме и при посттравматическом угнетении сознания. В число задач работы входили:
-
Разработка, отладка и применение программного аппарата для количественной оценки и визуализации величин показателя вейвлет-синхронности отдельных длиннолатентных компонентов АВП (методическая задача).
-
Разработка методических подходов к статистическому сопоставлению показателей вейвлет-синхронности АВП при разных состояниях внимания, а также с фоновыми характеристиками (методическая задача).
-
Покомпонентный анализ синхронности АВП в норме и при посттравматическом угнетении сознания на основе разработанного программного аппарата ее визуализации и количественной оценки.
-
Применение разработанного подхода к анализу синхронности кратковременных (порядка 1 с) реактивных изменений ЭЭГ на простые и сложные акустические стимулы при малом числе усреднений.
Научная новизна
В настоящей работе пространственная синхронность оценивается на сравнительно коротких интервалах времени (-100 мс), что стало возможным благодаря привлечению метода вейвлет-анализа. Новизна предлагаемого подхода заключается в адаптации существующего метода вейвлет-анализа к оценке столь малых изменений в сигналах, как сдвиги фазы отдельных пиков. Это достигается при помощи усовершенствования формулы расчета вейвлет-фазы сигнала, что является принципиальной новизной настоящей работы.
Впервые такой подход применен к покомпонентному анализу усредненных АВП. Были впервые получены опорные нормативные показатели и выявлены их изменения при посттравматическом угнетении сознания. Принципиальные методические новации работы заключаются также 1) в сопоставлении показателей синхронности ВП с реализациями фона, усредненными в случайном порядке (как развитие идеи И.Н. Пигарева - (Levichkina E.V. et al, 2006; Pigarev I. N., 2004); 2) в оценке случайной составляющей фоновой и реактивной синхронизации - по методу, разработанному в лаборатории А.Я.Каплана (Каплан А.Я., 1999, A.Ya. Kaplan, 2005).
Теоретическая и практическая значимость
Работа вносит значимый вклад в изучение характеристики синхронности коротких реализаций биопотенциалов как информативного показателя интегративной деятельности головного мозга.
Применение разработанного в настоящей работе подхода к покомпонентному анализу синхронности АВП позволило выявить ряд новых фактов, касающихся системной организации мозга на разных этапах переработки слуховой информации в норме. Выявленные различия покомпонентной топографии паттерна синхронности при прослушивании звуков и счете значимых отражают специфику типа внимания (непроизвольное или произвольное) и могут выступать в качестве их маркеров.
Выявлены выраженные и статистически значимые отличия от нормы покомпонентной топографии ИКВС АВП у пациентов с посттравматическим угнетением сознания в форме мутизма. Причем различия, обнаруженные между пациентами с обратимой и хронической формами угнетенного состояния, могут иметь важное диагностическое значение.
Показана также эффективность применения нашего подхода для анализа покомпонентной синхронности АВП при различных лечебных воздействиях - на примере ритмической транскраниальной магнитной стимуляции.
Выявленные специфические особенности топографии синхронности ЭЭГ, сопровождающие разные формы оценки информации (логической или эмоциональной) указывает на возможную перспективность привлечения метода к задачам "интерфейс мозг-компьютер".
Положения, выносимые на защиту
1) Предложен новый математический метод и разработан программный
аппарат для визуального и количественного анализа пространственной организации
вызванных ответов мозга на афферентные стимулы (как усредненных ВП, так и
реактивных изменений ЭЭГ) на основе интегрального коэффициента вейвлет-
синхронности (ИКВС) и непараметрической статистики.
2) Выявлены особенности ИКВС длиннолатентных (N100, N200, Р300)
компонентов усредненного акустического вызванного потенциала, характерные для
разных состояний внимания здорового человека: достоверное повышение по
сравнению с фоном при прослушивании и, особенно, при счете значимых стимулов.
3) Показаны отличия от нормы и покомпонентные специфические
особенности ИКВС усредненного АВП у пациентов с обратимым и хроническим
бессознательным состоянием после тяжелой травмы мозга (в виде уменьшения
синхронностей компонентов АВП N200 для обеих групп патологий и уменьшение
синхронности Р300 для группы с хроническим бессознательным состоянием, а также
различия в локализации измененных связей), что может иметь прогностическое
значение при посттравматическом угнетении сознания.
Апробация работы
Результаты работы были доложены на Конференциях Молодых ученых в ИВНД и НФ РАН (Москва, 2008, 2009 и 2010 г.г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Количественная ЭЭГ и нейротерапия» (Санкт-Петербург, 2009 г.); XXI съезде Физиологического общества им. Павлова (Калуга, 2010 г.); Всероссийской конференции с международным участием "современные направления исследований функциональной межполушарной асимметрии и пластичности мозга (Москва, 2010); Научной сессии НИЯУ МИФИ-2011 (Москва); XIX международной конференции "Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии" (Украина, Гурзуф, 2011 г.); Всероссийской конференции "Функциональная диагностика-2011" (Москва); IV Европейском Конгрессе по клинической нейрофизиологии (Италия, Рим, 2011 г.); IX Всемирном Конгрессе по нейротравме (Великобритания, Эдинбург, 2012г.); на Третьей Международной Конференции "Фундаментальные и прикладные аспекты
восстановления сознания после травмы мозга: междисциплинарный подход (Москва, 2012); на 16 Всемирном Конгрессе по Психофизиологии (ЮР), (Пиза, Италия , 2012).
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 13 печатных работах, в их числе 5 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК.
Объем и структура диссертации
