Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 2021, T. 71, № 6, стр. 858-872

ВВЕДЕНИЕ

Десинхронизация электроэнцефалографической активности в центральных отведениях, проявляющаяся в виде снижения амплитуды в частотных диапазонах 7–13 и 15–50 Гц (Pfùrtscheller, LopesdaSilva, 1999), традиционно является маркером активации сенсомоторных областей коры. Данная ЭЭГ-реакция проявляется в ответ на выполнение субъектом движений, на тактильную стимуляцию, а также возникает при планировании и представлении движений (при их мысленном воспроизведении) (Neuper et al., 2006; Jarmolowska, Miladinovi, 2020). Особенностью реакции десинхронизации является ее соматотопическая специфичность: за 1.5–2 с до начала движения десинхронизация появляется в контралатеральном полушарии и во время движения развивается билатерально с контралатеральным преобладанием (Neuper et al., 2006).

Десинхронизацию сенсомоторных ритмов ЭЭГ принято считать отражением работы системы зеркальных нейронов – совокупности ассоциативных связей, обеспечивающих активацию моторных областей коры при наблюдении за чужими движениями (Bowman et al., 2017). Так, существует большое число работ, демонстрирующих стойкую альфа-ССД при наблюдении движений (Chaisaen et al., 2020), локализация и амплитудно-частотные характеристики которой идентичны таковым при выполнении испытуемыми реальных движений. Этот феномен – активация коры при наблюдении за движениями – лежит в основе целого ряда методов постинсультной реабилитации (Mancuso et al., 2021). Предполагается, что активация тех же нейрональных контуров лежит в основе эффекта зеркальной иллюзии движения. Зеркальная иллюзия движения – феномен, который лежит в основе терапии фантомных болей (Ramachandran et al., 1996) и методики восстановления подвижности парализованной после инсульта конечности (Altschuler et al., 1999). Сам феномен заключается в том, что у пациента при совершении движений здоровой конечностью и наблюдении их зеркального отражения на месте второй, парализованной конечности, возникает иллюзия совершения бимануального движения. Исследователи данного феномена наблюдают изменения активности ипсилатерального к активной конечности полушария при наблюдении отраженного движения, что проявляется в виде развивающейся мю-/бета-десинхронизации в ЭЭГ (Lee et al., 2015) и МЭГ (Rossiter et al., 2015) исследованиях.

Помимо альфа/бета-десинхронизации существует ЭЭГ-феномен, регистрируемый после окончания движения, – так называемая бета-синхронизация, или бета-отскок – восстановление и превышение над исходным уровнем амплитуды волновой активности в бета-диапазоне частот (Neuper et al., 2006; Cardellicchio et al., 2020). Предполагается, что его возникновение определяется развитием активного торможения первичной моторной коры при завершении движения (Pfùrtscheller et al., 1996). Также, по-видимому, развитие бета-CCC связано с ингибирующим воздействием соматосенсорной коры на М1, которое развивается при получении тактильной и проприоцептивной афферентации при движении (Houdayer et al., 2006; Vinding et al., 2019). Во многих работах авторы рассматривают синхронизирующийся компонент бета-ритмики как восстановление десинхронизированной при движении активности (Müller-Putz et al., 2007). Таким образом, два этих компонента сенсомоторного ЭЭГ-паттерна (десинхронизация и последующая синхронизация) традиционно считаются отражением последовательных процессов, протекающих при планировании, реализации и окончании движения.

Однако именно глубина десинхронизации является основным критерием оценки активации сенсомоторных областей коры при разработке и проверке эффективности методик постинсультной реабилитации (Shahid et al., 2010).

В то же время результаты ТМС-исследований показывают, что величина регистрируемой в ЭЭГ испытуемых ССД не коррелирует с уровнем кортикоспинальной возбудимости, и даже при слабой десинхронизации при представлении движений амплитуда вызванных ТМС мышечных ответов может значительно увеличиваться (Vasilyev et al., 2017). Следовательно, такой показатель, как амплитуда ССД, не может напрямую отражать изменения активности первичной моторной коры.

Несмотря на большое количество работ, демонстрирующих развитие ССД при наблюдении движений (Chaisaen et al., 2020; Mancuso et al., 2021), в настоящее время нет однозначных данных о развитии мю-/бета-десинхронизации в экспериментах с зеркальной иллюзией (Rossiter et al., 2015; Lee et al., 2015; Fong et al., 2019), и неизвестно, может ли амплитуда ССД отражать яркость зеркальной иллюзии и являться показателем влияния иллюзии на активность сенсомоторных областей коры. В литературе также отсутствует информация о влиянии зеркальной иллюзии движения на динамику бета-синхронизации, несмотря на существующие свидетельства того, что этот компонент является независимой от бета-ССД активностью и может быть чувствителен к наблюдению за движениями (Hashimoto, Ushiba, 2013; Orset et al., 2020).

В настоящей работе была проведена оценка ритмической ЭЭГ-активности при создании зеркальной иллюзии движения левой руки, рассмотрено влияние зеркальной обратной связи на оба компонента сенсомоторной реакции: ССД при движении и ССС после движения. Особое внимание в работе было уделено компоненту бета-синхронизации, связанному с возбудимостью первичной моторной коры и чувствительному к наблюдению движений.

МЕТОДИКА

Испытуемые. В исследовании приняли участие 25 здоровых добровольцев (11 женщин) в возрасте 18–40 лет с доминантной правой рукой (согласно результатам самоотчета). Все испытуемые дали письменное информированное согласие на участие в исследовании. Протокол исследования был одобрен Комиссией по биоэтике биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Регистрация ЭЭГ. Регистрация ЭЭГ осуществлялась при помощи электроэнцефалографа NVX-52 (МКС, Зеленоград, Россия) и 30 точечных Ag+/AgCl электродов (MCSCAP-E) в позициях на скальпе, соответствующих неполному набору международной системы “10-10”: F3, F4, FC5, FC3, FC1, FCz, FC2, FC4, FC6, C5, C3, C1, Cz, C2, C4, C6, CP5, CP3, CP1, CPZ, CP2, CP4, CP6, P5, P3, P1, PZ, P2, P4, P6. В качестве референта использовался электрод в позиции Тр10. Контактное сопротивление для всех электродов не превышало 10 кОм. Частота дискретизации составляла 500 Гц, при полосе пропускания от 0 до 200 Гц (по уровню -3dB). Применялся встроенный в усилитель режекторный (notch) фильтр 50 Гц для подавления помехи электросети.

Функциональная электростимуляция. Для моделирования пассивного движения пальцев кисти (сгибания) применялась функциональная электрическая нервно-мышечная стимуляция (ФЭС). ФЭС осуществлялась с помощью блока токового стимулятора из состава комплекса “Нейро-МВП-4” (Нейрософт, Иваново, Россия) и двух одноразовых токовых электродов: один устанавливался в области сухожилий запястья, второй – выше и медиальнее по предплечью, в области брюшка m. flexor digitorum superficialis (FDS). Параметры стимуляции подбирались таким образом, чтобы вызвать сжатие пальцев кисти, по амплитуде движения и скорости максимально приближенное к естественному. Как правило, частота и амплитуда стимуляции составляли соответственно 45–60 Гц, 30–65 мА, а длительность – 1 с.

Для точной регистрации моментов начала движений (мышечных сокращений) с поверхности кожи предплечья регистрировалась электромиограмма (ЭМГ) посредством биполярных электродов, установленных дистально – на внутренней стороне запястья – и проксимально – в месте пальпации брюшка FDS. Заземляющий электрод устанавливался в области той же мышцы левой руки.

Структура исследования. Во время экспериментальной сессии испытуемый располагался за столом, расположив обе руки на его поверхности так, чтобы предплечье полностью находилось на плоскости и руки были расслаблены. За кистью левой руки испытуемого находился экран монитора на расстоянии 50 см от глаз, на котором в ходе эксперимента предъявлялись инструкции. Голова испытуемого была развернута влево на 30 градусов так, чтобы он мог видеть инструкции на экране перед собой, при этом в поле его зрения попадала левая рука. Правая рука испытуемого была видна лишь периферическим зрением. Для исключения правой руки из поля зрения на голове испытуемого с правой стороны закреплялась перегородка, закрывающая лишь часть периферического поля. Перегородка не влияла на область активного зрительного внимания и была необходима для исключения эффектов, вызванных наблюдением движений правой руки. Положение и угол поворота перегородки сохранялись в течение всего эксперимента, таким образом, все экспериментальные условия не отличались по данному фактору.

Эксперимент включал в себя два условия: в первом условии испытуемому было необходимо совершать сжатие кисти правой руки (произвольное сжатие), во втором кисть испытуемого сжималась под действием функциональной электростимуляции. Каждое из условий эксперимента включало два режима, отличающихся наличием/отсутствием зеркала. Зеркало располагалось на столе между правой и левой руками испытуемого таким образом, чтобы в его отражении испытуемые могли видеть совершаемое ими сжатие правой руки. Так, в ходе эксперимента в поле зрения испытуемого находилась либо неподвижная левая рука (правая рука была скрыта), либо отраженное движение правой руки на месте левой (левая рука была скрыта за зеркалом).

Экспериментальная сессия состояла из 8 независимых блоков (по два на каждое из основных условий), в ходе которых испытуемый с короткими паузами непрерывно выполнял последовательность задач в ответ на команды, предъявляемые на экране монитора. Команды к совершению движения чередовались в случайном порядке с командами, обозначающими двигательный покой. Последние представляли собой абстрактное изображение, содержащее большое число элементов (“зрительная сцена”). При появлении изображения испытуемым необходимо было заниматься подсчетом его элементов, не совершая движений руками. Каждый экспериментальный блок включал в себя 30 таких стимулов-команд (15 команд с движением и 15 команд “зрительная сцена”), длительность нахождения на экране монитора стимула-команды составляла 6 с, межстимульный интервал – 1 с, последовательность предъявления псевдослучайная (см. рис. 1). Предъявление стимулов, запуск электростимуляции и ведение записей осуществлялись с помощью программы BCI2000.

Анализ данных. Определение начала сокращений (произвольных или вызванных ФЭС) проводилось по ЭМГ-сигналу, подвергнутому среднеквадратичному преобразованию (RMS). Моментом начала движения считалась точка резкого возрастания сигнала, следующая за стимулом-командой. Попытка отклонялась, если максимальная амплитуда отфильтрованного RMS-преобразованного сигнала при сокращении не превышала предстимульные значения в 100–300 раз (таким образом удалялись попытки, где испытуемые случайно могли не выполнить сжатие). Напротив, попытки в условии “двигательный покой” отклонялись, если в них детектировалось какое-либо движение.

Обработка ЭЭГ проводилась по алгоритму со следующими этапами:

Предобработка и фильтрация

1) Выполнялась фильтрация zero-phase FIR-фильтром в диапазоне 0.5–40 Гц (расчет оптимального порядка и коэффициентов фильтра определялся по процедуре Паркса-Макклеллана со следующими целевыми показателями: ширина переходных зон 0.8 Гц, допустимая неравномерность в зоне пропускания – 0.002 дБ и зонах подавления 0.02 дБ).

2) Выделялись эпохи сигнала в диапазоне от –0.5 до 6 c относительно инициации движения (для условий с движением) или относительно момента предъявления стимула (для “зрительной сцены”).

3) Для каждой эпохи вычислялась ковариационная матрица (попарная ковариация для 30 отведений ЭЭГ-сигнала).

4) Вычислялось евклидово расстояние ковариационных матриц отдельных попыток и усредненной ковариационной матрицы. Расстояния стандартизовались. Попытки на расстоянии более 2 стандартных отклонений от среднего исключались из анализа (в среднем, 35% от всех попыток) (Krauledat et al., 2007).

Пространственная фильтрация

5) Вычислялась средняя ковариационная матрица попыток c экспериментальными условиями с движением (C_active) и при двигательном покое (задача “зрительная сцена” – C_passive).

6) Рассчитывались обобщенные собственные векторы для ковариационных матриц так, что

где $W$ – матрица собственных векторов (в столбцах); ${{\Lambda }}$ – диагональная матрица, содержащая собственные числа, соответствующие векторам в W, c последующей сортировкой столбцов по возрастанию значений ${{\Lambda }}$.

К данным применялись полученные таким образом пространственные фильтры (столбцы матриц W), которые являлись проекциями статистических источников десинхронизации или синхронизации. В качестве источников десинхронизации/синхронизации рассматривались соответственно первые/последние пять фильтров с минимальными/максимальными отношениями $\frac{{{{C}_{{{\text{active}}}}}}}{{{{C}_{{{\text{passive}}}}}}}$, указывающие на пространственные проекции с наибольшими различиями в дисперсии между изучаемым и контрольным состоянием (“зрительная сцена”) (Muralidharan et al., 2019). Однако не все отобранные здесь фильтры применялись к данным, часть из них исключалась из рассмотрения (см. пункт 13).

7) Матрица А ≈ W^–T ≈ W^T${{C}_{{{\text{active}}}}}$ являлась аппроксимацией прямой модели источников и использовалась для идентификации локализации источника.

Анализ в частотном домене

8) Проводилось вейвлет-преобразование эпох. Применялся сет комплексных вейвлетов Морле с вариабельным числом циклов для разных частот (вычислялось геометрическое среднее, по схеме, предложенной в (Moca et al., 2021).

9) Значения time-frequency матрицы для усредненной эпохи каждого изучаемого состояния нормализовались (делением) на медианное значение такой же матрицы для попыток в состоянии двигательного покоя (“зрительная сцена”) в диапазоне 3–5 с, после чего проводилась конверсия значений в децибелы логарифмированием. Положительные значения интерпретировались как синхронизация (ССС), а отрицательные – как десинхронизация (ССД) относительно состояния “зрительная сцена”.

10) Визуализировался усредненный time-frequency график для попыток каждого человека. По нему вручную отбирались уточненные индивидуальные целевые диапазоны для изучаемых частот (выбирались диапазоны частот, где при совершении движения наблюдалось изменение спектральной мощности относительно состояния покоя):

i. Mu-ССД (μ_D) – поддиапазон из диапазона 6–15 Гц, первые 5 источников (фильтров), в первые 2–3 с после инициации движения;

ii. Бета-ССД (β_D) – поддиапазон из диапазона 15–35 Гц, первые 5 источников, в первые 2–3 с после инициации движения;

iii. Alpha-ССС – поддиапазон из диапазона 6–15 Гц, последние 5 источников, в первые 2–3 с после инициации движения;

iv. Бета-ССС (β_S) – поддиапазон из диапазона 10–25 Гц, последние 5 источников, через 3–5 с после инициации движения. Временной диапазон также уточнялся вручную, с шагом 0.25 с и длительностью 2 с, таким образом, чтобы эпизод синхронизации захватывался полностью, а в тех случаях, когда эпизод был короче двух секунд, он захватывался интервалом симметрично относительно своих границ.

11) Повторялись шаги 5–10 для данных, отфильтрованных в четырех отобранных в п.10 диапазонов.

12) На основе визуальной инспекции прямых моделей (первых пяти для ССД или последних пяти для ССС) столбцов матрицы A из п. 7) размечались три типа источников:

i. Без выраженной сенсомоторной топографии: с максимумами на краевых ЭЭГ-сенсорах (с индексами 5 и 6, на левой и правой половине скальпа соответственно) или с центром тяжести, смещенным на P-ряд. Такие источники исключались из дальнейшего рассмотрения (15–32% из отобранных 10 источников для каждого из испытуемых);

ii. Максимальный по амплитуде ССД/ССС источник с контралатеральной топографией;

iii. Максимальный по амплитуде ССД/ССС источник с ипсилатеральной топографией.

13) Для дальнейшего статистического анализа значения усреднялись в рамках выделенных временных и/или частотных диапазонов для отобранных источников.

14) Статистический анализ проводился при помощи парного критерия Вилкоксона, р-значения были скорректированы на множественные сравнения поправкой Бонферрони (не проводилось прямых сравнений между условиями с произвольными движениями и ФЭС, так как ФЭС имеет дополнительный тактильный компонент и прямое сравнение этих условий в рамках анализа изменений сенсомоторных ритмов при зеркальной иллюзии некорректно).

В результате стадий обработки 5–10 определялись высокоселективные пространственные проекции с реакциями десинхронизации или синхронизации, наблюдаемые в изучаемых активных состояниях по сравнению со “зрительной сценой”. Таким образом, состояние “двигательный покой” служило контрастирующим условием (localizer task), позволяющим идентифицировать общие для изучаемых активных условий пространственные координаты реакций (де-)синхронизации, одновременно понижая пространственную размерность сигнала. Выделяемые пространственные фильтры с максимальной амплитудой реакции (первые/последние пять) служили репрезентативным подпространством многомерного сигнала. Для его топографической визуализации коэффициенты прямой модели этих фильтров (столбцы матрицы А в п. 7, за вычетом исключенных в п. 12i) брались по модулю, нормировались на единичную сумму коэффициентов всех каналов и взвешивались в соответствии с амплитудой изучаемой реакции (ССД/ССС).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В табл. 1 сведены значения индивидуальных диапазонов частот, используемых для построения высокоселективных фильтров, а затем – для выделения соответствующих для этих диапазонов значений. Таблица демонстрирует межиндивидуальную вариабельность реактивных частотных диапазонов. В то же время можно заметить, что для всех испытуемых бета-ССС, по сравнению с бета-ССД, имеет более низкий по частоте диапазон колебаний.

На рис. 2 (а) представлен пример испытуемого mav, для которого бета-синхронизация была хорошо видна в источниках, выделенных по интервалам десинхронизации. Можно увидеть, что бета-ССС появляется уже после движения: по миографическому сигналу на рис. 2 (а) видно, что произвольное движение завершается к 2 с эпохи, следом за ним затухает бета-десинхронизация, и затем через 1 с в более низкочастотном диапазоне развивается бета-ССС.

Для статистической оценки различий в частотных диапазонах бета-десинхронизации и синхронизации после окончания движения была проведена следующая процедура: у каждого испытуемого были рассмотрены значения CCД/ССС (в дБ, по модулю) в расширенном бета-диапазоне 14–30 Гц в двух временных интервалах: ССД в интервале 0–2 с от начала движения, ССС в двухсекундном интервале, следующем за остановкой движения. Далее, для значений амплитуд вычислялась взаимокорреляционная функция – коэффициенты корреляции рядов значений ССД и ССС для частот из диапазона 14–30 Гц, для каждого из сдвигов этих рядов, кратного дискретизации частот (0.5 Гц). В том случае, если бы ССС после окончания движения происходила в том же частотном поддиапазоне, что и ССД при движении, то максимальное значение взаимокорреляционной функции приходилось бы на сдвиг в 0 Гц (нулевая гипотеза). Для условия произвольного сжатия руки без зеркала максимум взаимокорреляционной функции в среднем приходился на сдвиг в 4.96 Гц, что на групповом уровне (n = 24, у одного испытуемого не было синхронизации) статистически значимо отличалось от нуля (t-тест, p = 1.65 × 10^–12); средние значения для ССД/ССС представлены на рис. 2 (б). Для других экспериментальных условий закономерность и статистическая значимость были аналогичны. Таким образом, было показано, что десинхронизация при движении и синхронизация после его завершения возникают в статистически достоверно различающихся диапазонах частот.

Выделенные источники мю- и бета-десинхронизации латерализованы (электроды C3, CP3, см. рис. 3 (а)) и совпадают по своим топографическим координатам. В то время как источники бета-синхронизации расположены более фронтально, они имеют больший охват и менее латерализованы. Важно отметить высокую согласованность паттернов между разными экспериментальными условиями, что говорит об активации общих нейросетей при пассивном и произвольном движениях.

На рис. 3 (б) приведены усредненные периодограммы для выделенных источников синхронизации и десинхронизации. Можно видеть, что средние значения амплитуды альфа- и бета-десинхронизации похожи во всех условиях, однако стоит отметить, что эти графики не учитывают индивидуальных частотных диапазонов. Интересным является то, что для выделенных источников бета-синхронизации не наблюдается снижения амплитуды активности в бета-диапазоне, что указывает на существование двух функционально различных компонентов сенсомоторной активности: один из них реагирует только после окончания движения (синхронизацией), а для другого характерны развитие десинхронизации при выполнении движения и постепенное восстановление после его окончания.

На рис. 4 представлены выборочные характеристики исследуемых процессов и приведены результаты статистического анализа. Так, для реакций десинхронизации в альфа- и бета-диапазонах частот не было обнаружено значимых изменений при формировании зеркальной иллюзии движения. В то же время уменьшение бета-синхронизации, вызванное наблюдением зеркальной обратной связи, оказалось значимым (p < 0.05) для всех состояний как в ипси-, так и в контралатеральных источниках.

Таким образом, наблюдение движения в рамках зеркальной иллюзии не влияло значимо на десинхронизацию сенсомоторной ЭЭГ-активности ни в одном из исследованных диапазонов. Анализ бета-синхронизации после движения выявил значимое снижение мощности ЭЭГ-активности в данном диапазоне в условиях с зеркалом. Эти различия проявились в обоих полушариях как при произвольных, так и при вызванных ФЭС движениях.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ВЫВОДЫ

1. Обнаружено, что феномены десинхронизации и синхронизации центрального бета-ритма ЭЭГ реализуются в различных частотных поддиапазонах. В совокупной бета-активности ЭЭГ был выделен компонент, связанный с десинхронизацией, и компонент, амплитуда которого не изменялась при движении, но возрастала после его окончания.

2. Наблюдение отраженного движения вызывало снижение амплитуды бета-синхронизации, развивающейся после окончания движения, но не влияло на амплитуду мю-/бета-десинхронизации, регистрируемой во время движения.

3. Наблюдение зеркальной обратной связи как при активных, так и при вызываемых ФЭС движениях руки приводит к аналогичным изменениям сенсомоторной ЭЭГ-активности.