Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 2021, T. 71, № 4, стр. 529-546

Отражение процесса созревания ЦНС у детей и подростков Северного региона РФ в динамике интегральных параметров ЭЭГ

В. П. Рожков 1*, М. И. Трифонов 1, С. И. Сороко 1

1 Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук
г. Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: vlrozhkov@mail.ru

Поступила в редакцию 07.12.2020
После доработки 25.01.2021
Принята к публикации 02.03.2021

Аннотация

Представлены результаты анализа формирования биоэлектрической активности мозга у детей и подростков, проживающих в северном регионе России, на основе оценки интегральных параметров многоканальной ЭЭГ. В исследованиях приняли участие 33 мальчика и 32 девочки в возрасте от 7 до 18 лет, учащихся сельской школы. Работа проведена в 2 этапа, каждый из которых состоял из осенней и весенней сессии. Регистрировали ЭЭГ, по которой строили структурную функцию и рассчитывали обобщенный спектр, а также интегральные параметры, характеризующие меру временно́й (0 ≤ Pt ≤ 1) и пространственной (0 ≤ Ps ≤ 1) связности ЭЭГ-процессов. Предельные значения параметров (0, 1) соответствуют случаю либо полностью упорядоченной, либо совершенно случайной пространственной или временно́й организации ЭЭГ. Выявлено уменьшение с возрастом значения параметра Ps, свидетельствующее о повышении пространственной связности ЭЭГ-процессов у учащихся от младших к старшим классам. Напротив, величина Pt с возрастом увеличивалась, что характеризовало уменьшение временного масштаба связности, инерционности ЭЭГ-процессов и могло отражать повышение уровня функциональной подвижности (лабильности) ЦНС по мере взросления. Показана зависимость оценок возрастной динамики интегральных параметров ЭЭГ у школьников-северян от сезона (осень-весна) и выборочного контингента обследуемых.

Ключевые слова: дети и подростки, развитие, мозг, структурная функция ЭЭГ, Север

DOI: 10.31857/S0044467721040067

Список литературы

  1. Алферова В.В., Фарбер Д.А. Отражение возрастных особенностей функциональной организации мозга в электроэнцефалограмме покоя. В кн.: Структурно-функциональная организация развивающегося мозга. 1990. Л. Наука. С. 45–65.

  2. Аршавский В.В., Гельфгат Е.Л., Ротенберг В.С., Соловенчук Л.Л. Межполушарная асимметрия как фактор адаптации человека в условиях Севера. Физиология человека. 1989. 15 (5): 142–147.

  3. Барвинок А.И., Рожков В.П. Особенности межцентральной координации корковых электрических процессов при умственной деятельности. Физиология человека. 1992. 18 (3): 5–16.

  4. Бойко Е.Р. Физиолого-биохимические основы жизнедеятельности человека на Севере. Екатеринбург. УрО РАН. 2005. 190 с.

  5. Безруких М.М., Мачинская Р.И., Фарбер Д.А. Структурно-функциональная организация развивающегося мозга и формирование познавательной деятельности в онтогенезе ребенка. Физиология человека. 2009. 35 (6): 10–24.

  6. Гаврон А.А., Yacila Isabela Deza Araujo, Шарова Е.В., Смирнов А.С., Князев Г.Г., Челяпина М.В., Фадеева Л.М., Абдулаев А.А., Куликов М.А., Жаворонкова Л.А., Болдырева Г.Н., Верхлютов В.М., Пронин И.Н. Групповой и индивидуальный фМРТ-анализ основных сетей покоя здоровых испытуемых. Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2019. 69 (2): 150–163.

  7. Горбачевская Н.Л., Кожушко Л.Ф. Динамика формирования ЭЭГ у мальчиков и девочек школьного возраста (по данным 9-летнего наблюдения). Журн. невропатол. 1990. 90 (8): 75–79.

  8. Грибанов А.В., Гудков А.Б., Попова О.Н., Крайнова И.Н. Кровообращение и дыхание у школьников в циркумполярных условиях. Архангельск: САФУ. 2016а. 270 с.

  9. Грибанов А.В., Джос Ю.С., Багрецова Т.В., Бирюков И.С. Фотопериодизм и изменения биоэлектрической активности головного мозга у школьников арктической зоны. Физиология человека. 2016б. 42 (2): 16–26.

  10. Демин Б.Д., Поскотинова Л.В., Кривоногова Е.В. Варианты возрастного формирования структуры ЭЭГ подростков Приполярных и Заполярных районов Европейского Севера. Вестник Северного (Арктического) федерального университета. 2013. 1: 41–45.

  11. Дзугаева С.Б. Проводящие пути головного мозга человека: в онтогенезе. М: Медицина, 1975. 253 с.

  12. Евдокимов В.Г., Рогачевская О.В., Варламова Н.Г. Модулирующее влияние факторов Севера на кардиореспираторную систему человека в онтогенезе. Екатеринбург. УРО РАН. 2007. 257 с.

  13. Комкова Ю.Н. Электрическая активность головного мозга у детей и подростков на разных стадиях полового созревания в состоянии покоя. Новые исследования. 2018. 1 (54): 4–25.

  14. Кручинина О.В., Станкова Е.П., Гальперина Е.И. Возрастные особенности пространственно-временнóй организации ЭЭГ у испытуемых 8–30 лет мужского и женского пола при восприятии устных и письменных текстов. Физиология человека. 2020. 46 (3): 15–28.

  15. Кубасов Р.В., Демин Д.Б., Ткачев А.В. Адаптивные реакции эндокринной системы у детей, проживающих в условиях контрастной фотопериодики. Физиология человека. 2006. 32 (4): 89–96.

  16. Кулаичев А.П. Об информативности когерентного анализа в исследованиях ЭЭГ. Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2009. 59 (6): 766–775.

  17. Лебедева Н.Н., Каримова Е.Д. Устойчивость паттернов ЭЭГ человека в различных задачах: проблема аутентификации личности. Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2020. 70 (1): 40–49.

  18. Ливанов М.Н. Пространственная организация процессов головного мозга. М.: Наука, 1972. 181 с.

  19. Мачинская Р.И., Курганский А.В., Ломакин Д.И. Возрастные изменения функциональной организации корковых звеньев регуляторных систем мозга у подростков. Анализ нейронных сетей покоя в пространстве источников. Физиология человека. 2019. 5 (45): 5–19.

  20. Мачинская Р.И., Соколова Л.С., Крупская Е.В. Формирование функциональной организации коры больших полушарий в покое у детей младшего школьного возраста с различной степенью зрелости регуляторных систем мозга. Сообщение II. Анализ когерентности а-ритма ЭЭГ. Физиология человека. 2007. 33 (2): 5–15.

  21. Рожков В.П., Трифонов М.И., Бурых Э.А., Сороко С.И. Оценка индивидуальной устойчивости человека к острой гипоксии по интегральным характеристикам структурной функции многоканальной ЭЭГ. Росс. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2019. 105 (7): 832–852.

  22. Сороко С.И., Бекшаев С.С., Рожков В.П. ЭЭГ корреляты генофенотипических особенностей возрастного развития мозга у детей аборигенного и пришлого населения северо-востока России. Росс. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2012. 98 (1): 3–26.

  23. Сороко С.И., Бурых Э.А., Сидоренко Г.В. Особенности возрастного развития мозга у детей в условиях Севера. Росс. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2005. 91 (7): 729–739.

  24. Ухтомский А.А. Собрание сочинений. Т. II. Парабиоз, физиологическая лабильность, усвоение ритма. Л. Изд-во Ленинградского государственного университета. 1951. 180 с.

  25. Цицерошин М.Н., Шеповальников А.Н. Становление интегративной функции мозга. СПб.: Наука. 2009. 249 с.

  26. Anderson A.J., Perone S. Developmental change in the resting state electroencephalogram: Insights into cognition and the brain. Brain Cogn. 2018. 126: 40–52.

  27. Babiloni C., Barry R.J., Basar E., Blinowska K.J., Andrzej Cichocki A., Drinkenburg W. H.I.M., Klimesch W., Knight R.T., Lopes da Silva F., Nunez P., Oostenveld R., Jeong J., Pascual-Marqui R., Valdes-Sosa P., Hallett M. International Federation of Clinical Neurophysiology (IFCN) – EEG research workgroup: Recommendations on frequency and topographic analysis of resting state EEG rhythms. Part 1: Applications in clinical research studies. Clin. Neurophysiol. 2020. 131 (1): 285–307.

  28. Barry R.J., Clarke A.R., McCarthy R., Selikowitz M., Johnstone S.J., Rushby J.A. Age and gender effects in EEG coherence: I. Developmental trends in normal children. Clin. Neurophysiol. 2004. 115 (10): 2252–2258.

  29. Cekic S., Grandjean D., Renaud O. Time, frequency, and time-varying Granger-causality measures in neuroscience. Stat. Med. 2018. 37 (11): 1910–1931.

  30. Etchell A., Adhikari A., Weinberg L.S., Choo A.L., Garnett E.O., Chow H.M., Chang S.E. A systematic literature review of sex differences in childhood language and brain development. Neuropsychologia. 2018. 114: 19–31.

  31. Gasser T., Verleger R., Bacher P., Sroka L. Development of the EEG of school-age children and adolescents: I, analysis of band power. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 1988. 69: 91–99.

  32. Giedd J.N. Structural magnetic resonance imaging of the adolescent brain/ Ann. N. Y. Acad. Sci. 2004. 1021: 77–85.

  33. Gmehlin D., Thomas C., Weisbrod M., Walther S., Resch F., Oelkers-Ax R. Development of brain synchronisation within school-age–individual analysis of resting (α) coherence in a longitudinal data set. Clin. Neurophysiol. 2011. V. 122. № 10. P. 1973–1983.

  34. Harris A.Z., Gordon J.A. Long-range neural synchrony in behavior. Annu. Rev. Neurosci. 2015. 38: 171–194.

  35. Hirnstein M., Hugdahl K., Hausmann M. Cognitive sex differences and hemispheric asymmetry: A critical review of 40 years of research. Laterality. 2019. 24 (2): 204–252.

  36. Jiruška P., Prokš J., Drbal O., Sovka P., Marusic P., Mares P. Comparison of Different Methods of Time Shift Measurement in EEG. Physiol. Res. 2005. 54 (4): 459–465.

  37. Khanna A., Pascual-Leone A., Michel C.M., Farzan F. Microstates in Resting-State EEG: Current Status and Future Directions. Neurosci. Biobehav. Rev. 2015. 49: 105–113.

  38. Khambhatiab A.N., Sizemorea A.E., Betzela R.F., Bassett D.S. Modeling and interpreting mesoscale network dynamics. NeuroImage. 2018. 180 (Part B): 337–349.

  39. Koenig T., Studer D., Hubl D., Melie L., Strik W.K. Brain connectivity at different time-scales measured with EEG. Phil. Trans. R. Soc. B. Biol. Sci. 2005. 360 (1457): 1015–1023.

  40. Kurgansky A.V., Lomakin D.I., Machinskaya R.I. Resting-state networks in adolescents with poor behavior regulation. an analysis of effective cortical connectivity in EEG source space. Журнал высшей нервной деятельности. 2020. 70 (6): 723–737.

  41. Lüchinger R., Michels L., Martin E., Brandeis D. Brain state regulation during normal development: Intrinsic activity fluctuations in simultaneous EEG–fMRI. NeuroImage. 2012. 60: 1426–1439.

  42. Michel Ch.M., Koenig T. EEG microstates as a tool for studying the temporal dynamics of whole-brain neuronal networks: A review. Neuroimage. 2018. 180 (Pt B): 577–593.

  43. Murphy D.G., DeCarli C., McIntosh A.R., Daly E., Mentis M.J., Pietrini P., Szczepanik J., Schapiro M.B., Grady C.L., Horwitz B., Rapoport S.I. Sex differences in human brain morphometry and metabolism: an in vivo quantitative magnetic resonance imaging and positron emission tomography study on the effect of aging. Arch. Gen. Psychiatry. 1996. 53 (7): 585–594.

  44. O’Neill G.C., Tewarie P., Vidaurre D., Liuzzi L., Woolrich M.W., Brookes M.J. Dynamics of large-scale electrophysiological networks: A technical review. Neuroimage. 2018. 180 (Pt B): 559–576.

  45. Rozhkov V.P., Trifonov M.I., Soroko S.I. Study of Brain Bioelectrical Activity Maturation in Northern Schoolchildren with Integral Parameters of Multichannel EEG. Human Physiology 2018. 44 (6): 617–626.

  46. Seghier M.L., Price C.J. Interpreting and Utilising Intersubject Variability in Brain Function. Trends Cogn. Sci. 2018. 22 (6): 517–530.

  47. Seth A.K., Barrett A.B., Barnett L. Granger causality analysis in neuroscience and neuroimaging. J. Neurosci. 2015. 35 (8): 3293–3297.

  48. Snyder A.C., Morais M.J., Willis C.M., Smith M.A. Global network influences on local functional connectivity. Nat. Neurosci. 2015. 18 (5): 736–743.

  49. Soroko S.I., Bekshaev S.S., Rozhkov V.P., Nagornova Zh.V., Shemyakina N.V. General Features of the Formation of EEG Wave Structure in Children and Adolescents Living in Northern Europe. Human Physiology. 2015. 41 (4): 394–403.

  50. Soroko S.I., Nagornova Zh.V., Rozhkov V.P., Shemyakina N.V. Age-Specific Characteristics of EEG Coherence in Children and Adolescents Living in the European North of Russia. Human Physiology. 2015. 41 (5): 517–531.

  51. Stevens M.C. The contributions of resting state and task based functional connectivity studies to our understanding of adolescent brain network maturation. Neurosci. Biobehav. Rev. 2016. 70: 13–32.

  52. Stokes P.A., Purdon P.L. A study of problems encountered in Granger causality analysis from a neuroscience perspective. PNAS. 2017. 114 (34): E7063–E7072.

  53. Takagaki K., Russell J., Lippert M.T., Motamedi Gh.K. Development of the posterior basic rhythm in children with autism. Clinical Neurophysiology. 2015. 126 (2): 297–303.

  54. Thatcher R.W., North D.M., Biver C.J. Development of cortical connections as measured by EEG coherence and phase delays. Hum. Brain Mapp. 2008. 29 (12): 1400–1415.

  55. Trifonov M. The structure function as new integral measure of spatial and temporal properties of multi-channel EEG. Brain informatics. 2016. 3 (4): 211–220.

  56. Vijayakumar N., Op de Macks Z., Shirtcliff E.A., Pfeifer J.H. Puberty and the human brain: Insights into adolescent development. Neurosci. Biobehav. Rev. 2018. 92: 417–436.

  57. Whitford T.J., Rennie C.J., Grieve S.M., Clark C.R., Gordon E., Williams L.M. Brain maturation in adolescence: concurrent changes in neuroanatomy and neurophysiology. Hum. Brain Mapp. 2007. 28 (3): 228–237.

Дополнительные материалы отсутствуют.