Применение метода интегрального количественного анализа ЭЭГ-паттерна для оценки особенностей биоэлектрической активности мозга у здоровых лиц среднего и пожилого возраста

Т.В. Островая, Е.В. Черний, И.И. Зинкович, В.И. Черний, И.А. Андронова, Донецкий государственный медицинский университет им. М. Горького

Резюме

Проведено электроэнцефалографическое исследование 103 добровольцев - клинически здоровых мужчин (59 человек) и женщин (44 человека) в возрасте от 21 года до 70 лет, которые не имели в анамнезе психических и неврологических нарушений. С помощью метода интегрального количественного анализа целостного ЭЭГ-паттерна выявлены возрастные особенности изменений электрической активности у исследуемых в возрасте от 50 до 60 лет (2-я группа) и от 61 до 70 лет (3-я группа) и созданы соответствующие математические модели возрастной нормы.

Ключевые слова

электроэнцефалография, интегральный количественный анализ, возрастные особенности.

Актуальность темы

Значение показателей биоэлектрической активности коры в оценке функционального состояния центральной нервной системы (ЦНС) как здоровых людей, так и страдающих поражениями головного мозга различного генеза бесспорно [1-3, 6, 9, 10, 12]. Метод интегрального количественного анализа ЭЭГ-паттернов [8, 9, 11] позволяет создать математические модели пространственно-временной организации электрической активности мозга, соответствующие уровню и характеру функционирования ЦНС.

Исследуя ЭЭГ-показатели пациентов с острой церебральной недостаточностью различного генеза [9, 11], мы столкнулись с невозможностью корректной оценки степени дезорганизации ЭЭГ-паттерна у пациентов с ОНМК старше 51 года, так как существующие ЭЭГ-нормы описаны для возрастной группы от 17 до 50 лет [5, 6].

Термин "нормальная электроэнцефалограмма" всегда относителен, а критерии, на основании которых исследователи предлагают оценивать ЭЭГ как нормальную, весьма дискутабельны [8].

Однако в большом количестве публикаций [5, 6, 10] описываются значимые качественные отличия электроэнцефалограмм, которые характерны для клинически здоровых исследуемых старше 50 лет. Отсутствие количественных характеристик этих изменений, математических моделей реорганизации электрической активности головного мозга у здоровых людей старшей возрастной группы, предопределило цели и задачи настоящего исследования.

Цель исследования: с помощью метода интегрального количественного анализа целостного ЭЭГ-паттерна изучить особенности изменений электрической активности головного мозга у клинически здоровых исследуемых в возрасте старше 50 лет и создать соответствующие математические модели возрастной нормы.

Материал и методы исследования

Обследовано 103 добровольца - клинически здоровые мужчины (59 человек) и женщины (44 человека) в возрасте от 21 года до 70 лет, которые не имели в анамнезе психических и неврологических нарушений. Все исследуемые были разделены на 3 группы. К 1-й группе были отнесены добровольцы в возрасте от 21 года до 38 лет (78 человек, из них 46 мужчин и 32 женщины). Во 2-ю группу входили исследуемые в возрасте от 50 до 60 лет (13 добровольцев, из них 7 мужчин и 6 женщин), в 3-ю - исследуемые в возрасте от 61 года до 70 лет (12 человек, из них 6 мужчин и 6 женщин). Все обследуемые 2-й и 3-й групп не имели клинических признаков цереброваскулярной патологии.

У ряда добровольцев 2-й и 3-й групп выявлены умеренные соматические нарушения: хронический бронхит, остеохондроз шейного отдела позвоночника, деформирующий остеоартроз, хронический гастрит, дискинезия кишечника, хронический спастический колит, ИБС: атеросклероз, Н0-I.

Для оценки функции ЦНС проводили клиническое и неврологическое обследование [10, 12]. Регистрация биопотенциалов мозга осуществлялась с помощью нейрофизиологического комплекса, состоящего из 8-канального электроэнцефалографа фирмы Medicor, персонального компьютера IBM PC AT с аналогово-цифровым преобразователем и специальным программным обеспечением Brain mapping для хранения и обработки электроэнцефалограмм.

Протокол записи ЭЭГ включал регистрацию биопотенциалов головного мозга пациентов в состоянии покоя с последующей ахроматической ритмической фотостимуляцией (ФТС) на частотах 2, 5, 10 Гц. Изучались показатели абсолютной мощности (АМ, мкВ/Гц-2), относительной мощности (%) для δ- (1-4 Гц), θ- (5-7 Гц), α- (8-12 Гц), α1- (9-11 Гц), β1- (13-20 Гц), β2- (20-30 Гц) частотных диапазонов ЭЭГ. Для объективизации оценки ЭЭГ использован метод интегрального количественного анализа ЭЭГ-паттерна [8, 9].

Были разработаны интегральные коэффициенты (ИК), которые дают возможность провести оценку спектральной мощности всех частотных диапазонов ЭЭГ и определить значимость отдельных частотных спектров ЭЭГ в формировании целостного паттерна ЭЭГ [8, 9]. Возможности программы "Brain mapping" позволяют использовать для создания коэффициентов два диапазона α-активности: всю полосу - 8-12 Гц (α-диапазон) и только часть ее - 9-11 Гц (α1-диапазон) и два диапазона β-волн: - 14-25 Гц (β1-диапазон) и более 25 Гц (β2-диапазон), что нашло отражение в разработанных коэффициентах.

Первые четыре коэффициента составлены с учетом наличия в программе двух α- и двух β-диапазонов. При этом β1-ритм рассматривается в двух коэффициентах: в 1-м ((δ + θ + β1) / (α + β2)) и 3-м ((δ + θ + β1) / (α1 + β2)) - как патологический, а во 2-м ((δ + θ) / (α + β1 + β2)) и 4-м ИК ((δ + θ) / (α1 + β1 + β2)) - как характерный для нормы.

Семь коэффициентов отражают взаимосвязь β1- и β2-диапазонов (5-й ИК (β1/β2)), соотношения θ- и δ-ритмов (коэффициенты 6-й (θ/δ) и 11-й (δ/θ)) и взаимосвязь θ- и δ-активности с α- и α1-частотными диапазонами (7-й ИК (θ/α), 8-й коэффициент (θ/α1), 9-й ИК (δ/α) и 10-й коэффициент (δ/α1)).

Три последующих коэффициента представляют собой показатели межполушарной асимметрии между левой (L) и правой (R) гемисферами: 12-й коэффициент (∑[(L-R)/L]), 12p-й (pathologic - патологический) ИК (∑[(δL + θL + β1L)-(δR+θR+β1R)) / (δL+θL+β1L)]) и 12n-й (normal - нормальный) ИК (∑[(αL + β2L)-(αR + β2R)) / (αL + β2L)]). Причем 12p-й коэффициент позволяет оценить, формируется ли межполушарная асимметрия за счет так называемых патологических ритмов, а 12n-й ИК позволяет выявить степень участия в формировании межполушарной асимметрии так называемых нормальных ритмов.

Последний, 14-й (α/α1) интегральный коэффициент характеризует соотношения спектральной мощности всего α-диапазона (8-12 Гц) к более узкой его полосе α1 (9-11 Гц).

Параллельно ЭЭГ-паттерны исследовались методом систематизации, классификации и кодирования электроэнцефалограмм человека (классификация Е.А. Жирмунской и В.С. Лосева (клЖЛ)) [5], на основании которого выделяются 5 основных типов электроэнцефалограмм, отражающих степень и характер организации целостного паттерна ЭЭГ.

Все полученные данные обрабатывались с помощью методов математической статистики [7].

Результаты и обсуждение

Только у 12 из 78 здоровых испытуемых 1-й группы (в возрасте от 21 года до 38 лет) при закрытых глазах в состоянии покоя регистрировались особенности ЭЭГ-паттерна, укладывающиеся в понятие "норма" (I тип, 1-я группа по клЖЛ) [5].

У 13 добровольцев в возрасте от 50 до 60 лет (2-я группа), которые после проведенного обследования были признаны условно соматически и неврологически здоровыми, отмечалась дезорганизация ЭЭГ-паттернов, соответствующая 8-11-й группам по клЖЛ [5].

У 12 исследуемых 3-й группы (в возрасте от 61 года до 70 лет), которые после проведенного обследования также были признаны условно соматически и неврологически здоровыми, отмечался уровень дезорганизации ЭЭГ-паттернов, характерный для 12-15-й групп по клЖЛ [5].

Необходимо подчеркнуть достаточно низкий уровень суммарной АСМ (абсолютной спектральной мощности) в 1-й группе как справа (5,1 ± 0,11 мкВ/Гц-2), так и слева (4,78 ± 0,21мкВ/Гц-2). Для 2-й группы исследуемых характерно значительное повышение значений суммарной абсолютной спектр-мощности по сравнению с 1-й. Справа суммарная АСМ возрастает (p < 0,05) в 4 раза, слева - в 4,1 раза. Следует отметить, что такое повышение происходит за счет роста АСМ во всех исследуемых ЭЭГ-диапазонах. В 3-й группе выявлено значительное повышение (p < 0,05) суммарной абсолютной спектральной мощности по сравнению с показателями идеальной нормы как в правой гемисфере мозга (в 3,7 раза), так и в левой (в 3,5 раза).

Максимальные значения абсолютной спектр-мощности (АСМ) в 1-й группе регистрируются в α-волновом диапазоне ЭЭГ симметрично. Они в 2,8-3,2 раза превышают (p < 0,05) уровень АСМ δ-ритма и в 1,9-2 раза выше, чем показатели АСМ θ-волнового диапазона. Для исследуемых 2-й группы характерно максимальное увеличение АСМ δ-волновой активности: справа она возрастает (p < 0,05) в 7,7 раза, слева - в 6,8 раза по сравнению с показателями 1-й группы. Минимальное увеличение показателей АСМ выявлено в α-волновом диапазоне: справа его уровень повышен (p < 0,05) в 2,3 раза, слева - в 3,1 раза по сравнению с показателями идеальной нормы. Такая асинхронность изменения уровней АСМ по частотным диапазонам приводит к тому, что правосторонние значения АСМ в δ-, θ- и α-частотных диапазонах у исследуемых добровольцев из 2-й группы практически не отличаются (p > 0,05) друг от друга. Слева сохраняется та же тенденция: нет достоверных различий между уровнями абсолютной спектр-мощности в δ- и θ-диапазонах, а показатель абсолютной спектр-мощности α-ритма превышает (p < 0,05) всего на 29,6 % уровень АСМ δ-диапазона и на 32,2 % - уровень АСМ θ-активности.

У добровольцев из 3-й группы показатели АСМ в δ-волновом диапазоне превышают (p < 0,05) значения 1-й группы в 7,9 раза справа и в 6,2 раза слева. Отмечается значительный рост (p < 0,05) по сравнению с данными идеальной нормы уровней АСМ в θ- и β1-частотных диапазонах - в среднем в 4,2-4,8 раза, билатерально. Выявлено увеличение (p < 0,05) уровней АСМ β2-активности, которые справа в 5,8 раза, слева - в 3,3 раза выше, чем у исследуемых добровольцев из 1-й группы. В 1-й и 3-й группах уровни АСМ α-активности мозга как справа, так и слева не имеют достоверных различий (p > 0,05). Правополушарный уровень АСМ в δ-волновом диапазоне в 3-й группе на 55,7 % выше (p < 0,05) значения α-волновой АСМ и не имеет достоверных различий с показателем АСМ θ-диапазона. Левосторонние показатели АСМ в α-, θ- и δ-частотных диапазонах в 3-й группе добровольцев достоверно не отличаются (p > 0,05).

Для 1-й группы характерно отсутствие асимметрии показателей АСМ во всех исследуемых диапазонах. У добровольцев из 2-й группы выявлена тенденция к правополушарной асимметрии δ-ритма: показатель δ АСМ справа на 12,2 % превышает (p > 0,05) левополушарный показатель. Для добровольцев из 3-й группы характерны значимые правополушарные асимметрии показателей δ- и α1-волновой АСМ: правосторонние показатели превышают (p < 0,05) левосторонние на 27,1 и 41,1 % соответственно. Левополушарная асимметрия (p < 0,05) АСМ в α-диапазоне составляет 24,9 %.

Сравнивая значения показателей абсолютной спектр-мощности во 2-й и 3-й группах (табл. 1), следует отметить отсутствие достоверных различий уровней АСМ в δ-, θ-, β1- и β2-частотных диапазонах. В 3-й группе отмечается значительное снижение (p < 0,05) уровней АСМ α-активности (на 57,8 % справа и на 40,3 % слева) и АСМ в α1-частотном поддиапазоне (на 63,1 % справа и в 2,1 раза слева) по сравнению со значениями 2-й группы.

Показатели интегральных коэффициентов (ИК) позволяют уточнить особенности дезорганизации ЭЭГ-паттерна у добровольцев из 2-й и 3-й групп по сравнению с идеальной нормой.

Практически все коэффициенты имеют достоверные различия (p < 0,05) в 1-й, 2-й и 3-й группах. Исключение составляет только 5-й ИК (β1 / β2), правосторонние показатели которого не имеют достоверных различий у исследуемых из всех 3 групп. Левополушарные значения 5-го коэффициента 2-й и 3-й групп также достоверно не отличаются и по сравнению с 1-й группой имеют тенденцию к росту (p > 0,05) на 22,2-24,8 %. Правосторонние показатели 14-го ИК всех 3 групп не имеют достоверных различий, в то время как левополушарные уровни данного коэффициента во 2-й группе на 37,6 %, а в 3-й группе - на 92,2 % превышают (p < 0,05) значения идеальной нормы за счет перераспределения мощности в частотном диапазоне 8-12 Гц в сторону более медленного α-волнового компонента.

Нет достоверных различий между показателями 2-й и 3-й групп по 6-му и 11-му ИК как в правом, так и в левом полушариях. Но они значительно отличаются от значений 1-й группы исследуемых: 6-й коэффициент на 29-41,2 % снижен (p < 0,05), а 11-й - на 46,7-73,7 % повышен (p < 0,05).

Более выраженные изменения интегральных коэффициентов по сравнению с показателями идеальной нормы во 2-й группе исследуемых выявлены в правом полушарии: рост (p < 0,05) уровней 1-го (в 2,1 раза), 2-го (в 2 раза), 7-го (в 1,97 раза), 9-го (в 3,5 раза) коэффициентов и снижение (p < 0,05) уровня 6-го коэффициента (на 41,2 %).

Выраженную дезорганизацию ЭЭГ-активности у добровольцев из 3-й группы отражает значительный рост (p < 0,05) по сравнению с данными идеальной нормы уровней интегральных коэффициентов в обеих гемисферах. Так, показатели 10-го (δ / α1) коэффициента в 5,9-6 раз, 9-го (δ / α) коэффициента - в 3,2-5,2 раза, а 1-го ((δ + θ + β1) / (α + β2)), 2-го ((δ + θ) / (α + β1 + β2)), 3-го (δ + θ + β1) / (α1 + β2), 4-го ((δ + θ) / (α1 + β1 + β2)) коэффициентов - в 2,3-3,4 раза превышали (p < 0,05) уровни данных ИК в 1-й группе.

В 1-й группе отмечаются (p < 0,05) правополушарная асимметрия показателя 5-го ИК (25 %), тенденции (p > 0,05) к правосторонней асимметрии (17 %) 6-го коэффициента ИК и к левополушарной асимметрии - значений 9-го (δ / α) и 11-го (δ / θ) коэффициентов (10,1 и 14,8 % соответственно). Для 2-й группы типичны (p < 0,05) правополушарные асимметрии уровней 1-го ИК (19,8 %), 2-го ИК (14,4 %), 7-го ИК (20,5 %), 9-го ИК (25,8 %) и левополушарная - 14-го коэффициента (23,3 %). В 3-й группе добровольцев выявлена правополушарная асимметрия (p < 0,05) показателей 2-го (28,1 %) и 7-го (45,8 %) коэффициентов. Левополушарная асимметрия (p < 0,05) значений 14-го коэффициента составила 70,1 %.

Сравнивая значения интегральных коэффициентов 2-й и 3-й групп, следует подчеркнуть отсутствие достоверных различий между уровнями 4-го, 5-го (β1 / β2), 6-го (θ / δ) и 11-го (δ / θ) коэффициентов.

У исследуемых добровольцев из 3-й группы по сравнению со 2-й в правой гемисфере выявлен рост (p < 0,05) уровней ИК: 1-го (на 33,8 %), 2-го (на 22,4 %), 3-го (на 38,8 %), 7-го (на 56 %), 8-го (на 55,7 %) и 9-го (на 50,5 %). В левом полушарии возрастают (p < 0,05) значения 3-го (на 51,6 %), 4-го (на 28,1 %), 7-го (на 28,9 %), 8-го (на 73 %) и 14-го (на 39,6 %) уровней. Это связано с преобладанием медленноволновой ЭЭГ-активности за счет умеренной редукции α-ритма и с перераспределением доминирующий активности внутри α-частотного диапазона у исследуемых добровольцев в возрасте от 61 года до 70 лет.

В 1-й группе тенденция к левополушарной ЭЭГ-асимметрии в большей степени формируется за счет так называемой нормальной активности, то есть за счет тенденции к асимметрии α- и β2-волновой активности. Высокий уровень дисперсии показателя 12p ИК (∑((δL + θL + β1L) - (δR + θR + β1R)) / (δL + θL + β1L)) свидетельствует о выраженной вариабельности значений данного коэффициента у добровольцев из 1-й группы. Во 2-й группе правополушарная ЭЭГ-асимметрия формируется за счет δ-, θ- и β1-мощностей, то есть за счет так называемых патологических ритмов. Также интересно отсутствие вариабельности значений 12p ИК в данной возрастной группе здоровых добровольцев. В 3-й группе выраженная правополушарная ЭЭГ-асимметрия формируется за счет δ-, θ- и β1-мощностей, как и во 2-й КГ. Следует отметить высокий уровень вариабельности значений 12n ИК (∑((αL + β2L) - (αR + β2R)) / (αL + β2L)) у исследуемых из 3-й группы.

Таким образом, нами получена математическая модель возрастной нормы для двух категорий здоровых исследуемых в сравнении с 1-й группой (идеальная норма). Эти данные будут использованы для оценки результатов, полученных в исследовательских группах.

Выводы

• Установлено значительное повышение показателей суммарной абсолютной спектр-мощности в обеих группах исследуемых старше 50 лет по сравнению с идеальной нормой ЭЭГ.
• Особенность десинхронизации ЭЭГ для 2-й и 3-й групп заключается в том, что значения АСМ в δ-, θ- и α-частотных диапазонах практически не отличаются друг от друга.
• Выраженную дезорганизацию ЭЭГ-активности у добровольцев из 3-й группы отражает значительный рост уровней интегральных коэффициентов в обеих гемисферах по сравнению с данными как идеальной нормы, так и исследуемых в возрасте от 50 до 60 лет.
• Возрастными особенностями ЭЭГ-паттерна, типичными для исследуемых добровольцев старше 50 лет, следует считать значительный рост уровня левополушарного 14-го ИК, отражающий изменения мощностных соотношений внутри α-волнового диапазона с редукцией активности α1-частотного спектра.
• В 1-й группе тенденция к левополушарной ЭЭГ-асимметрии формируется за счет так называемой нормальной α- и β2-волновой активности. Во 2-й и 3-й группах правополушарная ЭЭГ-асимметрия формируется за счет так называемых патологических δ-, θ- и β1-ритмов.

Литература
1. Анохин П.К. Нейрофизиологические основы электрической активности коры головного мозга // Основные вопросы электрофизиологии центральной нервной системы. - АН УССР, 1962. - С. 132-163.
2. Болдырева Г.Н., Шарова Е.В., Жаворонкова Л.А., Доброхотова Т.А. Отражение разных уровней регуляции мозговой деятельности человека в спектрально-когерентных параметрах ЭЭГ // Журнал высшей нервной деятельности. - 1992. - Т. 42, В. 3. - С. 439-449.
3. Віничук С.М. Мозковий інсульт: Навчальний посібник. - Київ, 1998. - 50 с.
4. Гусев Е.И., Скворцова В.И. Ишемия головного мозга. - М.: Медицина, 2001. - 328 с.
5. Жирмунская Е.А., Лосев В.С. Системы описания и классификация электроэнцефалограмм человека. - М.: Наука, 1984. - 79 с.
6. Зенков Л.Р., Ронкин М.А. Функциональная диагностика нервных болезней: Руководство для врачей. - М.: МЕДпресс-информ, 2004. - С. 384-433.
7. Лях Ю.Е., Гурьянов В.Г., Хоменко В.Н., Панченко О.А. Основы компьютерной биостатистики: анализ информации в биологии, медицине и фармации статистическим пакетом MedStat. - Д.: Папакица Е.К., 2006.- 214 с.
8. Острова Т.В., Черній В.І., Шевченко А.І. Алгоритм діагностики реактивності ЦНС методами штучного інтелекту. - Д.: ІПШІ МОНУ і НАНУ "Наука і освіта", 2004. - 180 с.
9. Островая Т.В. Методы математического анализа электрической активности мозга человека, укладывающейся в понятие "норма" // Архив клинической и экспериментальной медицины. - 2001. - Т. 10, № 3. - С. 272-276.
10. Триумфов А.В. Топическая диагностика заболеваний нервной системы. - М.: Медицина, 1986. - 247 с.
11. Черній В.І., Острова Т.В., Черній О.В., Андронова І.А. Особливості фармакологічного впливу німодіпіну на реактивність головного мозку у постінсультному періоді // Нейронауки: теоретичні та клінічні аспекти. - 2005. - Т. 1, № 2. - С. 85-88.
12. Яхно Н.Н. Болезни нервной системы. - M., 1995. - T. 1.