Электроэнцелогафия как метод исследования

1. ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИЯ  КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ. ОПИСАНИЕ  И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММЫ 

Электроэнцефалография — метод регистрации и анализа  электроэнцефалограммы (ЭЭГ), т.е. суммарной  биоэлектрической активности мозга. 

Описание ЭЭГ включает ряд параметров: частоту волн, их амплитуду, индекс выраженности, спектральные плотности ритмов и некоторые  другие. 

По частоте волн различают следующие типы ритмических  составляющих ЭЭГ: дельта-ритм (0,5-4 Гц); тэта-ритм (5-7 Гц); альфа-ритм (8-13 Гц) — основной ритм ЭЭГ, преобладающий в состоянии покоя; бета-ритм (15-35 Гц); гамма-ритм (выше 35 Гц). Другая важная характеристика электрических потенциалов мозга — амплитуда, т.е. величина колебаний. Амплитуда и частота колебаний связаны друг с другом. Амплитуда высокочастотных бета-волн у одного и того же человека может быть почти в 10 раз ниже амплитуды более медленных альфа-волн. 

Наряду с этим нередко используется показатель выраженности ритма, именуемый индексом. Он характеризует (в %) долю, занимаемую в записи ЭЭГ  данным ритмом. Наиболее часто он употребляется  для оценки выраженности альфа-ритма. Высокий альфа-индекс говорит о преобладании в ЭЭГ альфа-ритма, низкий — о его слабой выраженности. 

С появлением автоматического  частотного и спектрального методов  анализа ЭЭГ исследователи получили возможность проводить сопоставления  не только по параметрам альфа-ритма, как правило, доминирующего в общем паттерне ЭЭГ, но и по другим частотным диапазонам.

При регистрации  ЭЭГ важное значение имеет расположение электродов, причем электрическая активность, одновременно регистрируемая с разных точек головы, может сильно различаться. Международная федерация обществ электроэнцефалографии приняла так называемую систему «10-20», позволяющую   точно   указывать   расположение   электродов.   При   этом   для   удобства 

регистрации весь череп  разбивают на области, обозначенные буквами: F — лобная, О — затылочная область, Р — теменная, Т— височная, С — область центральной борозды. Нечетные номера точек отведения относятся к левому, четные — к правому полушарию. Буквой 2 обозначаются отведения по средней линии, разделяющей полушария. 

Для записи ЭЭГ используют два основных метода: биполярный и монополярный. При первом оба электрода помещаются в электрически активные точки скальпа; при втором один из электродов располагается в точке, которая условно считается электрически нейтральной (мочка уха, сосцевидные отростки и др.). В случае биполярной записи регистрируется ЭЭГ, представляющая собой результат взаимодействия двух электрически активных точек (например, лобного и затылочного отведений); в случае монополярной записи—активность какого-то одного отведения относительно электрически нейтральной точки (например, затылочного отведения относительно мочки уха). 

Традиционно существуют два подхода к анализу ЭЭГ: визуальный (клинический) и статистический. При визуальном анализе ЭЭГ электрофизиолог, опираясь на доступные непосредственному  наблюдению признаки ЭЭГ, выделяет характерные  особенности ЭЭГ, отличающие данную запись от других. Таким образом оценивается выраженность и соотношение отдельных ритмических составляющих, соответствие общепринятым стандартам нормы и т.д. Визуальный анализ ЭЭГ всегда строго индивидуален и имеет преимущественно качественный характер. Несмотря на принятые стандарты описания ЭЭГ, ее визуальная интерпретация в значительной степени зависит от опыта электрофизиолога, его умения «читать» электроэнцефалограмму. 

Статистические методы исследования ЭЭГ исходят из того, что фоновая ЭЭГ стационарна  и стабильна. Стационарными называются процессы, статистические параметры  которых с течением времени не меняются. Установлено, что ЭЭГ сохраняет  стационарность всего лишь в пределах нескольких секунд. Дальнейшая обработка  в подавляющем большинстве случаев  опирается на преобразование Фурье, смысл которого состоит в том, что волна любой сложной формы  математически идентична сумме  синусоидальных волн разной амплитуды  и частоты. С помощью преобразования Фурье самые сложные по форме  колебания ЭЭГ можно свести к  ряду синусоидальных волн с разными  амплитудами и частотами. Для  выделения повторяющихся периодических  компонентов ЭЭГ используется автокорреляционная функция, которая характеризует  степень связи между отдельными временными моментами одного и того же процесса и позволяет судить о  преобладании в изучаемой записи периодических или случайных  составляющих.

Специальной задачей  является анализ спектров мощности разных частот, которая зависит от амплитуд синусоидальных составляющих. Спектр мощности представляет собой совокупность всех значений мощности ритмических  составляющих ЭЭГ, вычисляемых с  определенным шагом дискретизации (в размере десятых долей Гц). Спектры могут    характеризовать    абсолютную    мощность    каждой    ритмической 

составляющей или  относительную, т.е. выраженность мощности каждой составляющей (в %) по отношению к общей мощности ЭЭГ в анализируемом отрезке записи. 

Спектры мощности ЭЭГ  можно подвергать дальнейшей обработке, например, корреляционному анализу, при котором вычисляют авто- и  кросскорреляционные функции, а  также когерентность. Последняя характеризует меру синхронности частотных диапазонов ЭЭГ в двух различных отведениях. Когерентность изменяется в диапазоне от +1 (полностью совпадающие участки спектра) до 0 (абсолютно различные). Такая оценка проводится в каждой точке непрерывного частотного спектра или как средняя в пределах частотных поддиапазонов. При помощи вычисления когерентности можно определить, какие структуры мозга более заинтересованы в данной деятельности, где находится фокус активации и др. Благодаря этому спектрально-корреляционный метод оценки ритмических составляющих ЭЭГ и их когерентности является в настоящее время одним из наиболее распространенных . 

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЭЭГ И ЕЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ 

Существенным является вопрос о функциональном значении отдельных  составляющих ЭЭГ. Наибольшее внимание исследователей здесь всегда привлекал  альфа-ритм — доминирующий ритм ЭЭГ  покоя у человека. Альфа-ритм непосредственно связан с эволюционным усложнением мозга и филогенетически отражает высшие уровни его организации. Он отсутствует у млекопитающих со слабо развитым неокортексом. Считается, что активность, близкая по типу к альфа-ритму, появляется у человекообразных обезьян, но полностью этот ритм со всеми специфическими функциональными особенностями формируется лишь у человека. Таким образом, альфа-ритм развивается как специфический сапиентный (присущий человеку как виду) признак, который отражает особенности активности мозга, присущие только человеку. 

Существует немало предположений, касающихся функциональной роли альфа-ритма. Основоположник кибернетики Н.Винер и вслед за ним ряд других исследователей считали, что этот ритм выполняет функцию временного сканирования («считывания») информации и тесно связан с механизмами восприятия и памяти. Предполагается, что альфа-ритм отражает реверберацию возбуждений, кодирующих внутримозговую информацию и создающих оптимальный фон для процесса приема и переработки афферентых сигналов. Его роль заключается в своеобразной функциональной стабилизации состояний мозга и обеспечении готовности к реагированию. Предполагается также,   что   альфа-ритм   связан   с   действием   селектирующих   механизмов 

мозга, выполняющих  функцию резонансного фильтра и  таким образом регулирующих поток  сенсорных импульсов [183]. 

В покое в ЭЭГ  могут присутствовать и другие ритмические  составляющие, но их значение лучше  всего выясняется при изменении  функциональных состояний организма [46]. Так, дельта-ритм у здорового  взрослого человека в покое практически  отсутствует, но доминирует в ЭЭГ  на четвертой стадии сна, которая  получила свое название по этому ритму (медленноволновый сон, или дельта-сон). Напротив, тэта-ритм тесно связан с эмоциональным и умственным напряжением. Его иногда так и называют «стресс-ритм» или «ритм напряжения» [143, 313]. У человека одним из ЭЭГ симптомов эмоционального возбуждения служит усиление тэта-ритма с частотой колебаний 4—7 Гц, сопровождающее переживание как положительных, так и отрицательных эмоций. При выполнении мыслительных заданий может усили­ваться и дельта-, и тэта-активность. Причем усиление последней составляющей положительно соотносится с успешностью решения задач [313]. По своему происхождению тэта-ритм связан с кортико-лимбическим взаимодействием. Предполагается, что усиление тэта-ритма при эмоциях отражает активацию коры больших полушарий со стороны лимбической системы. 

Переход от состояния  покоя к напряжению всегда сопровождается реакцией десинхронизации, главным  компонентом которой служит высокочастотная  бета-активность. Умственная деятельность у взрослых сопровождается повышением мощности бета-ритма, причем значимое усиление высокочастотной активности наблюдается при умственной деятельности, включающей элементы новизны, в то время как стереотипные, повторяющиеся умственные операции сопровождаются ее снижением. Установлено также, что успешность выполнения вербальных заданий и тестов на зрительно-пространственные отношения положительно связана с высокой активностью бета-диапазона ЭЭГ левого полушария. По некоторым предположениям, эта активность связана с отражением деятельности механизмов сканиро­вания структуры стимула, осуществляемой нейронными сетями, продуцирующими высокочастотную активность ЭЭГ.

СТАБИЛЬНОСТЬ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭЭГ 

Известно, что рисунок (паттерн) ЭЭГ отличается значительной межиндивидуальной вариативностью как по ее общему виду, так и по отдельным признакам. Иначе говоря, несмотря на наличие некоторых общих для всех людей признаков (например, единого спектрального состава ЭЭГ), при соблюдении одинаковых условий регистрации энцефалограммы у разных испытуемых существенно различаются. 

В то же время индивидуально-специфический  паттерн ЭЭГ каждого   человека,   сложившись   к   15—18   годам,   сохраняется   на  протяжении всей жизни; некоторые изменения  появляются только в пожилом возрасте (преимущественно у женщин). Начиная  с первых работ по энцефалографии, отмечалась устойчивость и общего типа ЭЭГ, и ее отдельных параметров (альфа-индекса, средней частоты и др.). Повторные регистрации ЭЭГ, сделанные в одних и тех же условиях с интервалом в недели, месяцы и даже годы, свидетельствуют о высокой внутрииндивидуальной воспроизводимости паттерна ЭЭГ у одного и того же человека. С развитием способов анализа ЭЭГ появились работы, демонстрирующие стабильность и более сложных ее характеристик, в первую очередь отдельных спектральных составляющих и спектра ЭЭГ в целом [33, 46]. 

Коэффициенты корреляции, характеризующие воспроизводимость параметров ЭЭГ при регистрации с интервалом от одного до четырех месяцев, могут достигать: максимальный — 0,96 для альфа-ритма, а минимальный — 0,51 для ритма бета-1. Вообще наибольшая стабильность ЭЭГ, как правило, наблюдается у индивидов с высокой альфа-активностью. Это хорошо согласуется с мнением о том, что индивидуальная специфика ЭЭГ определяется главным образом параметра­ми альфа-активности. 

Однако более дифференцированный подход позволяет считать, что и  индивидуализированность (межиндивидуальная вариативность) ЭЭГ, и стабильность (внутрииндивидуальная вариативность) различны в разных параметрах ЭЭГ и в разных зонах регистрации. Так, оказывается, что наибольшие межиндивидуальные вариации наблюдаются по общей амплитуде ЭЭГ и выраженности альфа-ритма, в меньшей степени — по выраженности медленной и быстрой составляющих. Выраженность альфа-ритма варьирует от практически полного его отсутствия до сплошного монотонного альфа-ритма с правильными, почти синусоидальными колебаниями. Амплитуда ЭЭГ варьирует от сильно уплощенной кривой до высокоамплитудных колебаний преимущественно в альфа-диапазоне. Между этими крайними типами существуют многочисленные промежуточные варианты. Энергетические показатели ЭЭГ характеризуются чрезвычайно высоким размахом изменчивости: коэффициенты вариации в зависимости от зоны регистрации варьируют от 30-40% для бета-ритма до 50-80% для альфа-ритма. При этом максимальные значения индивидуализи-рованности и индивидуальной изменчивости характерны для альфа-ритма в затылочных зонах. Кроме того, высоко индивидуализированы показатели альфа-ритма и бета-ритма в левой височной зоне [6, 139].

По-видимому, существуют также весьма значительные межиндивидуальные и межзональные различия в степени внутрииндивидуальной воспроизводимости ритмов ЭЭГ. Другими словами, у разных людей в различных зонах регистрации параметры ЭЭГ могут характеризоваться разной степенью воспроизводимости от записи к записи. 

В анализе периодической  структуры локальной ЭЭГ используется автокорреляционная функция. На основе вычисления автокорреляционных функций  строятся индивидуальные автокоррелограммы, отражающие соотношение периодических  и случайных ритмических компонентов, а также может быть определен  коэффициент периодичности ЭЭГ—К  n/с. (отношение мощностей периодической и случайной составляющих). По этому показателю существуют устойчивые инди­видуальные различия: у одних испытуемых преобладает периодическая составляющая, у других — случайная. 

При оценке межзонального  взаимодействия ЭЭГ применяется  анализ когерентности. Установлено, что  средний уровень когерентности, вычисленный для симметричных точек  двух полушарий или двух точек  одного полушария, является достаточно устойчивой и мало изменяющейся по времени характеристикой при  условии, что функциональное состояние  человека в процессе проведения эксперимента существенно не меняется [46]. У разных испытуемых даже с сильно различающимися спектрами мощности ЭЭГ (например, с  альфа-ритмом или без него) вариативность среднего уровня когерентности двух точек мозга для спокойного бодрствования не превышает 20%. Иначе говоря, у всех здоровых людей с разными типами ЭЭГ имеется некий достаточно стабильный минимальный средний уровень связей элект­рической активности различных точек мозга. Средний уровень когерентности по отдельным ритмам (дельта, тэта, альфа, бета) в состоянии покоя также характеризуется относительно высокой внутриин-дивидуальной воспроизводимостью.