Реактивность μ-ритма ЭЭГ у детей при имитации движений визуальных образов биологического и небиологического происхождения

Исследование системы зеркальных нейронов (СЗН) и реактивности µ-ритма вызывает особый интерес в свете разработки новых методов реабилитации пациентов с различными двигательными нарушениями с помощью интерфейсов мозг-компьютер.

Маркером активации СЗН у человека принято считать десинхронизацию сенсомоторного ритма, или µ-ритма, ЭЭГ. Поскольку на эффекты десинхронизации µ-ритма могут накладываться модуляции затылочного α-ритма, для определения его индивидуального частотного диапазона и оценки реактивности учитывают следующие особенности: в отличие от затылочного α-ритма, µ-ритм наиболее выражен во фронто-париетальных областях; его амплитуда падает при движениях субъекта, их представлении или при наблюдениях за движениями окружающих, но существенно не изменяется при открывании или закрывании глаз.

На базе Центра коллективного пользования научным оборудованием «Экспериментальная физиология и биофизика» ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского» было проведено исследование с целью изучения реактивности µ-ритма ЭЭГ у детей 4–15 лет в условиях имитации движений визуальных образов биологического и небиологического происхождения с помощью компьютерного манипулятора — мыши.

В исследовании приняли участие 136 детей-правшей в возрасте 4–15 лет (69 мальчиков и 67 девочек). Пациенты были разделены на четыре возрастные группы: 4–6 лет (30 человек), 7–9 лет (46 человек), 10–12 лет (30 человек) и 13–15 лет (30 человек).

Запись ЭЭГ производили во время выполнения испытуемыми серии последовательных заданий длительностью по 30 с каждое. Отрезки ЭЭГ подвергали быстрому преобразованию Фурье с эпохой анализа 4 с и взаимным перекрытием эпох 50%. В ситуации имитации движений визуальных образов небиологического происхождения использовали следующие задания:
1) фиксация взгляда на видеоизображении компьютерной мыши (фон);
2) осуществление концентрических перемещений цветного круга на экране монитора при помощи компьютерной мыши;
3) имитация движений другого цветного круга (имитация небиологического движения, ИмНБ).

В ситуации имитации движений визуальных образов биологического происхождения испытуемый и экспериментатор располагались за стоящими рядом столами (экспериментатор справа), на каждом из которых находились монитор и компьютерная мышь. На мониторе перед испытуемым с помощью вебкамеры демонстрировали рабочую плоскость стола экспериментатора с расположенной на ней мышью.

ЭЭГ анализировали в индивидуальном частотном диапазоне µ-ритма, определяемого при совершении самостоятельных движений правой рукой в отведении С3. Полный частотный диапазон µ-ритма (6–13 Гц) разбивали на отрезки по 1 Гц.

В качестве индивидуального частотного диапазона принимали два прилегающих друг к другу отрезка с максимальной десинхронизацией относительно фона. Амплитуду µ-ритма в пределах индивидуального частотного диапазона рассчитывали для каждой экспериментальной ситуации. С целью нормализации распределения значения амплитуд логарифмировали. Для сопоставления параметров µ-ритма в ситуациях имитации биологического и небиологического движений использовали индексы реактивности. Указанные показатели рассчитывали по общепринятой схеме, в соответствии с формулой: k = ln (B/A), где k — индекс реактивности сенсомоторного ритма, B — амплитуда сенсомоторного ритма в основной ситуации, A — амплитуда сенсомоторного ритма в исходной ситуации сравнения (фон или самостоятельное движение). Положительные значения индекса реактивности соответствовали синхронизации сенсомоторного ритма, а отрицательные — десинхронизации.

Частотные показатели µ-ритма

Значения медианы нижней границы индивидуального диапазона µ-ритма составили 9 Гц (8,5; 10) при крайних значениях 6 и 11 Гц. Значения медианы верхней границы индивидуального диапазона µ-ритма составили 11 Гц (10,5; 12) при крайних значениях 8 и 13 Гц. Различия по данному показателю между возрастными группами не достигали уровня статистической значимости.

Амплитуда µ-ритма ЭЭГ в состоянии двигательного покоя, а также при выполнении и имитации действий Дисперсионный анализ различий в амплитуде µ-ритма в ситуации Дв.1, относительно фона, с учетом возрастной группы и локуса отведения ЭЭГ показал значимое влияние факторов СИТ (F1, 132 = 90,34; p < 0,001), ВОЗР (F3, 132 = 10,18; p < 0,001) и ЛОК (F8, 1056 = 73,06; p < 0,001), а также взаимодействия факторов СИТ×ЛОК (F8, 1056 = 41,28; p < 0,001). В ситуации ИмНБ, относительно Дв.1 на изменения амплитуды µ-ритма значимо влияли факторы СИТ (F1, 132 = 12,65; p < 0,001), ВОЗР (F3, 132 = 14,67; p < 0,001) и ЛОК (F8, 1056 = 39,43; p < 0,001).

Анализ различий в амплитуде µ-ритма в ситуации Дв.2 относительно фона и с учетом возрастной группы и локуса отведения ЭЭГ показал значимое влияние факторов СИТ (F1, 132 = 31,17; p < 0,001), ВОЗР (F3, 132 = 6,46; p < 0,001) и ЛОК (F8, 1056 = 71,55; p < 0,001), а также взаимодействия факторов СИТ×ЛОК (F8, 1056 = 28,32; p < 0,001) и СИТ×ВОЗР (F3, 132 = 6,35; p < 0,001).

При оценке изменения амплитуды µ-ритма в ситуации ИмБ относительно Дв.2 было показано значимое влияние факторов СИТ (F1, 132 = 9,58; p = 0,002), ВОЗР (F3, 132 = 18,63; p < 0,001) и ЛОК (F8, 1056 = 54,08; p < 0,001), а также взаимодействия факторов СИТ×ЛОК (F8, 1056 = 3,28; p = 0,001) и СИТ×ВОЗР (F3, 132 = 6,2; p = 0,001).

Сравнение реактивности µ-ритма ЭЭГ при имитации движений визуальных образов биологического и небиологического происхождения Для анализа различий в реактивности µ-ритма при ИмНБ и ИмБ, относительно условий выполнения самостоятельных движений с произвольной скоростью, был проведен дисперсионный анализ индексов реактивности с учетом возрастной группы и локуса отведения ЭЭГ.

Специалистами выявлено значимое влияние факторов СИТ (F1, 132 = 21,85; p < 0,001) и ЛОК (F8, 1056 = 3,95; p < 0,001), а также взаимодействия факторов СИТ×ВОЗР (F3, 132 = 5,52; p = 0,001). В группе детей дошкольного возраста различия в индексах реактивности µ-ритма ЭЭГ при ИмНБ и ИмБ достигали уровня статистической значимости в теменных отведениях Pz и P4 (p = 0,03). У детей 7–9 лет анализируемые различия были статистически значимыми для локуса Fz (p = 0,04). У детей 10–12 лет различия в индексах реактивности µ-ритма не достигали уровня статистической значимости. В группе подростков 13–15 лет анализируемые различия были статистически значимыми во всех исследуемых областях (p ≤ 0,001).

Результаты исследования показали, что индивидуальные границы частотного диапазона сенсомоторного ритма у детей 4–15 лет широко варьируют, а их средние величины значимо не различаются у разных возрастных групп.

Анализ изменений амплитуды µ-ритма показал, что у детей 4–6 лет при выполнении произвольных перемещений цветного круга (Дв.1) можно наблюдать значимую десинхронизацию µ-ритма ЭЭГ во фронтальном и центральном отведениях левого полушария, медианном фронтальном отведении и всех теменных областях (F3, Fz, C3, P3, Pz, P4). При выполнении самостоятельных движений компьютерной мышью (Дв.2) значимого падения амплитуды µ-ритма не наблюдалось. Возможно, что для детей данного возраста задание на выполнение относительно простых круговых движений компьютерной мышью было проще задания на захват и перемещение цветного круга при помощи левой кнопки компьютерной мыши и не требовало особого двигательного контроля. При выполнении этого задания был также выявлен значимый рост амплитуды µ-ритма ЭЭГ в локусе C4, что может быть связано с торможением в ипсилатеральном, относительно задействованной руки, полушарии.

В группах детей 7–9 и 10–12 лет десинхронизация µ-ритма при выполнении самостоятельных движений была обнаружена в большинстве исследуемых областей. При этом условие осуществления концентрических перемещений цветного круга (Дв.1), в отличие от условия выполнения движений мышью по кругу (Дв.2), также сопровождалось десинхронизацией сенсомоторного ритма во фронтальных локусах (F3, Fz). Известно, что лобные области коры головного мозга осуществляют планирование и подготовку сложных движений. Предполагается также, что более сложные двигательные акты сопровождаются более широко распространенной десинхронизацией µ-активности. Авторы предполагают, что выполнение перемещений цветного круга у детей 7–12 лет, как и у младшей группы, требовало значительных усилий, что и приводило к вовлечению фронтальных областей коры.

Ситуации имитации движений визуальных образов биологического и небиологического происхождения у детей 4–6, 7–9 и 10–12 лет почти не сопровождались дополнительной модуляцией µ-ритма относительно выполнения произвольных движений. Выявленный факт может свидетельствовать о том, что у детей данного возраста в условиях подражания дополнительные ресурсы неокортекса, требуемые для переработки разномодальной информации, вовлекаются недостаточно.

В группе подростков 13–15 лет значимая десинхронизация сенсомоторного ритма при выполнении самостоятельных движений была обнаружена во всех исследуемых областях. Снижение амплитуды µ-ритма над фронтальными, центральными и париетальными локусами у детей старшего возраста может быть обусловлено развитием связей между задействованными областями неокортекса. При имитации движений визуальных образов небиологического происхождения наблюдалось меньшее падение амплитуды сенсомоторного ритма, чем при выполнении произвольных движений и подражании движениям визуальных образов биологического происхождения. Можно предположить, что необходимость подражать движениям другого объекта привела к переключению внимания на его восприятие и, как следствие, к ослаблению моторного контроля собственных движений. У детей данного возраста в ситуации ИмБ выявлена дополнительная, по сравнению с наблюдаемой при выполнении задания Дв.2, значимая десинхронизация µ-ритма во всех отведениях. Обращает на себя внимание наибольшая выраженность такой реакции в париетальных локусах.

Выявленная в настоящем исследовании модуляция сенсомоторного ритма в данных областях при подражании движениям визуальных образов биологического происхождения может указывать на участие находящихся в теменной коре компонентов СЗН, связанных с кодированием целей, лежащих в основе наблюдаемых действий. Зеркальные нейроны связывают с когнитивной интеграцией визуальных, слуховых и моторных стимулов для обеспечения социального взаимодействия у детей и взрослых. В связи с этим, можно предположить, что дополнительная десинхронизация µ-ритма при имитации движений другого человека вызвана именно наличием социального контекста, к которому чувствительна СЗН.

При сравнении индексов реактивности µ-ритма в заданиях имитации было выявлено, что подражание движениям визуальных образов биологического происхождения у детей старшей группы сопровождается большей десинхронизацией, в сравнении с ситуацией подражания движениям цветного круга.

Сравнительный анализ паттернов реактивности сенсомоторного ритма у детей разного возраста позволяет прийти к следующим заключениям.

В группе младших детей (4–6 лет) наибольшая активация фронтальных, центральных и париетальных областей коры мозга, проявляющаяся в снижении амплитуды µ-ритма (более значимого в левом полушарии), наблюдается при движениях компьютерной мышью, ассоциированных с небиологическим объектом (Дв.1). Выполнение движений компьютерной мышью в произвольном ритме (Дв.2) не приводит к значимому снижению амплитуды µ-ритма, а имитация биологического движения (движения руки другого человека) в большинстве отведений не сопровождается дополнительной активацией.

Выявленные в настоящем исследовании возрастные особенности реактивности сенсомоторного ритма могут быть использованы при совершенствовании уже имеющихся коррекционных методик реабилитации детей с ДЦП на основе роботизированных устройств, управляемых по характеристикам ЭЭГ.

При разработке программного обеспечения интерфейсов мозг-компьютер, предназначенных для коррекции двигательных расстройств, в качестве зрительных стимулов могут быть использованы элементы движений небиологических объектов, но чем старше дети, тем более эффективным для активации неокортекса может быть предъявление движущихся биологических объектов.

Источник: Реактивность μ-ритма ЭЭГ у детей при имитации движений визуальных образов биологического и небиологического происхождения
А. И. Кайда , А. А. Михайлова, Е. В. Эйсмонт, Л. Л. Джаппарова, В. Б. Павленко
https://vestnikrgmu.ru/archive/2020/2?lang=ru Выпуск 2020 / 02

Метки: медицина будущего, научные исследования

18.05.2020