Age dynamics and topography of an individual EEG mu rhythm reactivity in children aged 4-14 years.pdf Введение К настоящему времени известно, что наблюдение за действиями, выполняемыми другими людьми, вызывает у наблюдателя изменения в активности головного мозга, сходные с теми, которые имеют место при самостоятельном выполнении аналогичных действий [1, 2]. Ряд исследователей [3, 4] полагают, что области коры, демонстрирующие сходные паттерны активации для условий выполнения и наблюдения действий, могут являться частью так называемой «зеркальной» системы мозга (ЗСМ), которая обеспечивает Возрастная динамика и топография реактивности 107 имплицитное понимание целей, лежащих в основе актуального поведения конспецификов. В мозге человека «зеркальные» свойства выявлены в следующих областях коры: прецентральной извилине, задней части нижней лобной извилины и ростральной части нижней теменной дольки [5]. Данные регионы являются частью сложной сети, получающей входы от зрительной коры опосредованно через верхнюю височную борозду [6], которая участвует в процессах восприятия биологического движения [7]. В последние годы активно проверяется гипотеза, согласно которой коррелятом процесса активации ЗСМ может выступать реакция десинхронизации мю-ритма ЭЭГ, которая имеет место как при выполнении самостоятельных движений, так и при наблюдении, мысленном представлении и имитации движений других людей [8-10]. В связи с тем, что на мю-ритм, принадлежащий к семейству альфа-ритмов и регистрируемый над сенсомоторной корой, может частично накладываться относительно мощный затылочный альфа-ритм, который модулируется зрительным вниманием, настоятельно рекомендуется расчет индивидуального частотного диапазона мю-ритма в соответствии с его главным функциональным свойством - десинхронизацией в ответ на совершение самостоятельного движения [11, 12]. Дополнительная сложность связана с тем, что ЭЭГ-активность, рассматриваемая как мю-ритм, может демонстрировать различную топологию фокусов десинхронизации и их частотные составляющие в зависимости от особенностей экспериментальной задачи и части тела, с помощью которой осуществляется реальное (или воображаемое) движение [13]. В ряде работ показано, что хотя фокус наибольшей мощности мю-ритма в условиях двигательного покоя находится, как правило, над областями коры, соответствующими центральным локусам ЭЭГ (C3 и C4), максимальная реакция его десинхронизации и у детей, и у взрослых может быть значительно смещена в сторону теменных отведений [14]. В отдельных исследованиях произвольные движения испытуемых сопровождались подавлением мю-ритма в париетальных и фронтальных отведениях [15, 16]. В частности, обнаружены эффекты активации париетального кортекса в задачах, включающих в себя планирование и осуществление движений [17, 18], представление движений в уме [19, 20] и наблюдение за движениями [21, 22]. Данные факты обычно объясняют тем, что теменная кора активно вовлечена в процессы зрительно-моторной интеграции при реализации движений, направленных на объект [23, 24]. Помимо этого, имеются данные о том, что реакция подавления мю-ритма положительно коррелирует с уровнем оксигенации крови в премоторных и париетальных участках коры [25]. Динамика реактивности мю-ритма отражает эффекты десинхронизации в относительно широко распределенной фронто-париетальной сети, обеспечивающей осуществление и координацию сложных моторных планов. В связи с этим выделение единственного источника мю-подобной активности не всегда оказывается обоснованным; более целесообразно анализировать эффекты десинхронизации 108 А.И. Кайда, С.А. Махин, Е.В. Эйсмонт, В.Б. Павленко ЭЭГ в диапазоне частот мю-ритма с учетом также префронтальных и париетальных областей коры [14]. В случае работы с детьми приходится учитывать также и тот факт, что частотный диапазон ЭЭГ-активности, соответствующей мю-ритму у взрослых, находится в области более низких частот, нарастая до стандартных величин по мере взросления. Кроме того, мю-ритм у детей, как правило, имеет большую амплитуду по причине меньших толщины костей черепа и сопротивления тканей [26, 27]. Известно, что индивидуальная вариабельность частотных интервалов в диапазоне альфа-ритма, наиболее чувствительных к выполняемым когнитивным и моторным задачам, весьма высока [28]. Исходя из этого, представляется целесообразным предварительное выделение таких интервалов с тем, чтобы наблюдать изменения мощности ритмов именно в той частотной полосе, которая наиболее реактивна при выполнении конкретной задачи. Одной из методик определения индивидуальной частотной полосы мю-ритма является нахождение ее значений, для которых характерна реакция максимальной десинхронизации (относительно исходного уровня) в области соматосенсорной корковой проекции того участка тела, который подвергается сенсорной стимуляции. С данной целью может, например, производиться стимуляция слабым электрическим током указательного пальца правой руки с одновременной регистрацией ЭЭГ в отведении C3 [29, 30]. Другой подход связан с поиском относительно узкого частотного диапазона (шириной в 1-2 Гц) с максимальной депрессией амплитуды ЭЭГ при выполнении самостоятельных движений [31, 32]. В частности, Tamura et al. [33] использовал различные движения, а именно, постукивание указательным пальцем, движения языком и артикуляцию звуков речи. По мнению Thorpe et al. [14], «золотым стандартом» функционального определения мю-ритма следует считать именно условия собственной моторной активности. Много вопросов остается относительно возрастной динамики изменений в величине и топографической представленности эффектов угнетения мю-ритма. Ранее в нашей работе показано отсутствие явной зависимости от возраста детей (n=38; 4-14 лет) в степени десинхронизации мю-ритма как при выполнении самостоятельных движений, так и при имитации, зрительнослуховом и исключительно слуховом восприятии чужих движений [34]. Однако в указанном исследовании не выделялись индивидуальные для каждого ребенка частотные диапазоны мю-ритма, а также изучались исключительно центральные отведения C3, Cz и C4. В работе других авторов [35], в которой определялся индивидуальный частотный диапазон мю-ритма шириной 2 Гц, также сообщается об отсутствии связанных с возрастом корреляций. Но следует учитывать, что в корреляционном анализе рассматривались показатели лишь 15 испытуемых в возрасте 4-15 лет. При этом имеются результаты исследования [36], согласно которым у детей уже годовалого возраста мю-ритм тем больше десинхронизируется при наблюдении действий, выпол- Возрастная динамика и топография реактивности 109 няемых другими, чем успешнее они сами справляются с их выполнением. При осуществлении самостоятельных действий детьми в возрасте 3-5 лет более выраженное угнетение мю-ритма в центрально-париетальных (но не лобных и затылочных) отведениях имело место у тех из них, кто имел более высокие показатели развития моторных навыков и способности к воспроизведению наблюдаемых действий [37]. Относительно мало публикаций, особенно в контексте взросления, посвящено анализу реактивности мю-ритма в ответ на восприятие звуковых стимулов, которые связаны с реализацией каких-либо действий. В рамках нашего предшествующего исследования [34] показана значимая десинхронизация мю-ритма в отведении С4 при слуховом восприятии характерных звуков, сопровождавших движения с помощью компьютерной мыши. В работе Lepage et al. [38] удалось обнаружить депрессию мю-ритма на примере одного испытуемого (ребенок 12 лет с диагнозом эпилепсия) при восприятии звуков цоканья языком и щелканья пальцами. McGarry et al. [39] обнаружили эффект усиления десинхронизации мю-ритма в отведении С3 у взрослых при бимодальном (зрительно-слуховом) восприятии действий относительно унимодального. В исследовании Pineda et al. [40] показана депрессия мю-ритма у взрослых испытуемых в левом полушарии при восприятии связанных с действиями (с помощью руки или рта) звуков, а в правом - при восприятии не связанных с действиями (звуки воды, ветра, волн, поезда) звуков. В еще одной работе [41] обнаружено, что подавление мю-ритма не регистрируется при восприятии звуков, не связанных с действиями (стук метронома, всплеск воды, лист бумаги, пропускаемый через шредер). Для звуков, сопровождающих хлопанье ладонями, комканье и разрывание бумаги, степень десинхронизации мю-ритма достигает уровня статистической значимости лишь при их предъявлении с использованием техники объемного звучания. Основная цель исследования - изучение паттернов реактивности индивидуально определенного мю-ритма в центральных, верхнелобных и теменных отведениях ЭЭГ у детей дошкольного, младшего школьного и младшего подросткового возраста в условиях реализации самостоятельных движений с помощью компьютерной мыши, а также синхронной имитации, зрительно-слуховом и слуховом восприятии аналогичных движений, выполняемых другим человеком. Условие слухового восприятия движений представляет в контексте данного исследования особый интерес в связи с возможностью ограничить влияние на реактивность мю-ритма затылочного альфа-ритма, десинхронизация которого связывается в первую очередь с эффектами зрительного внимания. Материалы и методики исследования Экспериментальная схема, использованная в данной работе, в своей основе повторяет примененную нами ранее при изучении реактивности 110 А.И. Кайда, С.А. Махин, Е.В. Эйсмонт, В.Б. Павленко мю-ритма в выборке детей [34] и взрослых [42]. Специфика настоящего исследования состоит в том, что анализовали существенно расширенную выборку детей и сопоставляли показатели различных возрастных групп. При этом для каждого ребенка функционально определяли индивидуальный частотный диапазон мю-ритма, а реактивность мю-ритма рассматривали не только в центральных, но и прилегающих к ним фронтальных и париетальных отведениях ЭЭГ. В процессе эксперимента ребенок и экспериментатор располагались за находящимися по соседству столами (экспериментатор справа, на расстоянии 1,5 м), на каждом из которых размещали монитор и компьютерную мышь (далее - КМ) Logitech M185. Параметры чувствительности и ускорения мыши соответствовали настройкам по умолчанию в операционной системе Windows 7. На монитор, находящийся перед ребенком, выводилось видеоизображение участка стола экспериментатора с КМ (в проекции от лица экспериментатора). Эгоцентрическую перспективу использовали для того, чтобы усилить эффект личной вовлеченности ребенка в демонстрируемую на экране сцену, тем самым обеспечив более высокую реактивность мю-ритма при наблюдении действий экспериментатора [43]. Ребенка размещали таким образом, чтобы его глаза находились на средней линии от центра монитора на расстоянии приблизительно 70-80 см, а ноги фиксировали неподвижно на регулируемой по высоте подставке. Перед началом эксперимента ребенка просили совершить пробную серию движений с КМ, чтобы удостовериться, что локоть его правой руки относительно неподвижен, а движения осуществляются с помощью кисти. Движения с КМ осуществлялись по кругу (по часовой стрелке) с периодом повторения не менее одного и не более двух обращений в секунду. В задачах, в которых ребенку не требовалось выполнять движения с КМ, обе его руки располагались на коленях. Последовательность выполнения заданий детьми включала в себя фиксированную очередность этапов (длительностью 30 с каждый), в промежутке между которыми ребенок получал инструкции о его последующих действиях. С учетом предъявления инструкций общая продолжительность эксперимента составляла около 5 мин и включала в себя следующие этапы: 1. Фиксация взгляда на видеоизображении КМ, расположенной на столе перед экспериментатором (ФВ.1). 2. Выполнение самостоятельных движений КМ с произвольной скоростью таким образом, чтобы курсор двигался по часовой стрелке вокруг КМ, изображенной на мониторе (ДВИГ.1). 3. Фиксация взгляда на видеоизображении КМ, расположенной на столе перед экспериментатором (ФВ.2). 4. Пассивное наблюдение за движениями руки экспериментатора с КМ -два цикла с ускорением и замедлением (НАБЛ). 5. Фиксация взгляда на видеоизображении КМ, расположенной на столе перед экспериментатором (ФВ.3). Возрастная динамика и топография реактивности 111 6. Выполнение самостоятельных движений КМ с произвольной скоростью (ДВИГ.2). 7. Имитация скорости движений КМ, выполняемых экспериментатором с переменной скоростью (ИМИТ). 8. Испытуемый сидит неподвижно с закрытыми глазами (ГЗ). 9. Испытуемый слышит (без предварительной инструкции) характерные звуки трения о поверхность стола во время движений мышью, которые совершает экспериментатор с переменной скоростью (СЛУХ). Порядок выполнения заданий предполагал первоначальную актуализацию моторных программ, связанных с выполнением круговых движений с помощью КМ. Отдельный интерес представляли изменения паттернов реактивности мю-ритма при повторной реализации ранее выполнявшихся движений. Чтобы в некоторой степени компенсировать эффекты, вызванные использованной последовательностью выполнения заданий, величину десинхронизации мю-ритма рассчитывали в каждом случае относительно непосредственно предшествующей ситуации сравнения, как это рекомендовано Hobson & Bishop [11]. При расчете индивидуальных индексов реактивности мю-ритма для ситуаций ДВИГ.1, ДВИГ.2 и НАБЛ исходным условием сравнения служила предшествующая каждой из них ситуация фиксации взгляда на изображении неподвижной КМ (ФВ.1, ФВ.2, ФВ.3 соответственно). Для ситуации ИМИТ таким условием являлась ситуация ДВИГ.2, а для ситуации СЛУХ - условие ГЗ. Индексы реактивности рассчитывали по общепринятой схеме [44] в соответствии с формулой [k = ln (B/A)], где k - коэффициент реактивности мю-ритма, B - амплитуда мю-ритма в основной ситуации, A - амплитуда мю-ритма в исходной ситуации сравнения. Таким образом, положительные значения коэффициента соответствовали реакции синхронизации мю-ритма, а отрицательные - реакции десинхронизации. Регистрация, обработка и анализ ЭЭГ осуществлены по общепринятой методике с помощью автоматизированного комплекса, состоящего из электроэнцефалографа «Нейрон-Спектр-3» (фирма «Нейрософт», г. Иваново) и персонального компьютера. ЭЭГ-потенциалы отводили монополярно от фронтальных (Fp1, Fp2, F3, Fz, F4, F7, F8), центральных (С3, Cz, С4), теменных (P3, Pz, P4), височных (T3, T4, T5, T6) и затылочных (O1, O2) локусов по системе 10-20. В качестве референтного электрода использовали объединенные контакты, закрепленные на мочках ушей. Частоты среза фильтров высоких и низких частот составляли соответственно 1,5 и 35 Гц, частота оцифровки ЭЭГ-сигналов - 250 Гц, эпохи анализа - 3 с (с перекрытием 50%). Сигналы обрабатывали с помощью быстрого преобразования Фурье с последующим сглаживанием по методу Баттерворта. Областью интереса в рамках настоящего исследования являлась реактивность ЭЭГ в следующих отведениях: F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz, P4. 112 А.И. Кайда, С.А. Махин, Е.В. Эйсмонт, В.Б. Павленко В исследовании участвовал 121 ребенок в возрасте от 4 до 14 лет. Детей, принявших участие в исследовании, набирали с помощью объявлений, размещенных в детских садах и школах г. Симферополя. Родители, после предоставления необходимых сведений, давали согласие на участие детей в работе. Настоящее исследование соответствовало этическим принципам Хельсинской декларации 1964 г. и одобрено этическим комитетом Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского. Первым критерием отбора испытуемых для дальнейшего анализа в рамках настоящего исследования служило наличие нормального (или скорректированного до нормального) уровня зрения и слуха, предпочтение правой руки в работе с КМ, а также достаточный уровень когнитивного развития (IQ не менее 80 баллов по тесту Векслера в вариантах WPPSI и WISC). На данном этапе исключили из исследования 19 детей. Вторым критерием отбора испытуемых для дальнейшего статистического анализа данных являлось требование наличия как минимум 20 с безартефакт-ной записи ЭЭГ в рамках каждого из этапов эксперимента, а также возможность выделения индивидуального частотного диапазона мю-ритма в соответствии с его ключевым свойством - реакцией десинхронизации в ответ на запуск и осуществление самостоятельных движений. Методика его расчета основана на выделении отрезка ЭЭГ шириной 2 Гц в диапазоне от 6 до 13 Гц, которому соответствует максимальная реакция десинхронизации в отведении С3 при совершении самостоятельных движений правой рукой относительно условия зрительной фиксации на изображении КМ. Сравнивали усредненные мощности биопотенциалов, зарегистрированных на протяжении около одной минуты (2 × 30 с), соответствующие экспериментальным ситуациям фиксаций взгляда на неподвижной компьютерной мыши и самостоятельных движений. Для этого полный частотный диапазон мю-ритма разбивали на полосы шириной в 1 Гц, каждую из которых оценивали с целью поиска реакции максимальной десинхронизации. Далее оценивали два прилегающих к ней отрезка с целью поиска десинхронизации, величина которой превышает 10%, при этом, если обе прилегающие полосы соответствовали требуемому условию, выбирали ту, в которой падение более выражено, и после этого объединяли с полосой, имеющей максимальную десинхронизацию, в результате чего их общая ширина составляла 2 Гц. Если в прилегающих к полосе с максимальной десинхронизацией участках подавление мю-ритма составляло менее 10% или отсутствовало, от каждого из них отделяли отрезок шириной в 0,5 Гц и после этого объединяли с полосой, имеющей максимальную десинхронизацию, в результате чего их общая ширина составляла 2 Гц. Далее они рассматривались как индивидуальный частотный диапазон мю-ритма. Как результат, для итогового статистического анализа отобрали 87 испытуемых, показатели ЭЭГ которых соответствовали предъявляемым требованиям. Для дальнейшего статистического анализа и сравнения показателей выборку детей разделили на три группы в соответствии с возрастом. В первую Возрастная динамика и топография реактивности 113 группу («дошкольники») вошли 23 ребенка в возрасте от 4 до 6 лет (9 девочек и 14 мальчиков; средний возраст и стандартное отклонение составили 5,3 ± 0,8 года; уровень IQ - 112,4 ± 13,8 балла при крайних значениях 88 и 130 баллов). Во вторую группу («младшие школьники») вошли 47 детей в возрасте от 7 до 10 лет (17 девочек и 30 мальчиков; 8,4 ± 1,2 года; уровень IQ - 113,5 ± 13,6 балла при крайних значениях 80 и 138 баллов). Третью группу («подростки») составили 17 детей в возрасте от 11 до 14 лет (12 девочек и 7 мальчиков; 12,8 ± 1,1 года; уровень IQ - 113,5 ± 12,5 балла при крайних значениях 95 и 137 баллов). Для оценки возможной активации премоторной и теменной коры анализировали ЭЭГ не только в центральных (C3, Cz, C4), но и в прилегающих фронтальных (F3, Fz, F4) и париетальных (P3, Pz, P4) локусах. Целесообразность анализа мю-активности в более широких корковых проекциях диктуется, в частности, тем, что источники ее подавления при осуществлении движений могут обнаруживаться не только в центральных, но и префронтальных и теменных областях [15, 16, 45, 46]. Различия в амплитуде мю-ритма при сопоставлении исходных и экспериментальных условий оценивали с помощью дисперсионного анализа с повторными измерениями (repeated measures ANOVA). С целью нормализации распределений анализируемых величин значения амплитуд предварительно подвергали log-трансформации с помощью натурального логарифма. Оценивали влияние такого межсубъектного фактора, как возрастная группа (ВОЗР), а также двух внутрисубъектных факторов: ситуация (СИТ) и локус ЭЭГ (ЛОК) по схеме 3×2×9. Далее для расчета статистической значимости эффектов угнетения мю-ритма в привязке отдельно к каждому из девяти отведений ЭЭГ в рамках каждой возрастной группы использовали метод априорных контрастов (оценка F-распределения). Результаты исследования и обсуждение Анализ паттернов реактивности ЭЭГ детей в условиях реализации самостоятельных движений с помощью компьютерной мыши, а также синхронной имитации, зрительно-слуховом и слуховом восприятии аналогичных движений, выполняемых другим человеком, выявил депрессию мощности в частотном диапазоне от 6 до 13 Гц. Это указывает на участие в таких изменениях ЭЭГ феномена подавления осцилляций мю-ритма. Для наиболее эффективного выявления подобных реакций и оценки их особенностей у детей разного возраста диапазоны мю-ритма, в отличие от предыдущего исследования [34], определены индивидуально для каждого ребенка. Средние значения медианной частоты в границах выделенных индивидуальных диапазонов мю-ритма шириной 2 Гц составили в группе дошкольников 10,1 ± 1,2 Гц, в группе младших школьников - 9,9 ± 1,4 Гц и в группе подростков - 10,6 ± 1,1 Гц. Несмотря на то, что значение медианной частоты в 114 А.И. Кайда, С.А. Махин, Е.В. Эйсмонт, В.Б. Павленко группе подростков выглядят как заметно более высокие по сравнению с детьми младшего возраста, различия по данному показателю между группами, оцененные с помощью однофакторного дисперсионного анализа, не достигали уровня статистической значимости: F(2;84) = 1,85; p = 0,16; ηp2 = 0,04. Дисперсионный анализ различий в амплитуде мю-ритма в ситуации ДВИГ.1 относительно ситуации ФВ.1 с учетом возрастной группы и локуса отведения ЭЭГ показал значимое влияние факторов СИТ (F(1;84) = 31,06; p < 0,001; ηp2 = 0,27), ВОЗР (F(2;84) = 4,73; p = 0,011; ηp2 = 0,1) и ЛОК (F(8;672) = = 27,89; p < 0 ,001; ηp2 = 0,25), а также взаимодействия факторов CHT×ΛOK (F(8;672) = 32,6; p < 0 ,001; ηp2 = 0,28). Для оценки значимости эффектов угнетения мю-ритма в каждом из девяти локусов ЭЭГ рассчитывались априорные контрасты на основе F-статистики. Гистограммы, демонстрирующие коэффициенты реактивности индивидуального мю-ритма в сравнении между различными возрастными группами, представлены на рис. 1. Рис. 1. Коэффициенты реактивности (с обозначением стандартной ошибки среднего) для мю-ритма ЭЭГ в группах дошкольников (4-6 лет), младших школьников (7-10 лет) и подростков (11-14 лет) при условии выполнения самостоятельных движений (ДВИГ.1) относительно условия зрительной фиксации на изображении неподвижной компьютерной мыши (ФВ.1). Статистически значимые модуляции в амплитуде мю-ритма обозначены символом «*»: * - p

Скачать электронную версию публикации