7. Подходы к изучению синхронности электрической активности коры головного мозга человека

Основным методом исследования синхронности электрической активности различных участков коры в настоящее время является когерентный анализ. Он позволяет выявлять эффекты когнитивных задач даже в случаях, когда в спектре мощности ЭЭГ значимые изменения отсутствуют (Beaumont, Rugg, 1979; Ford et al., 1986a; и др.). При сравнении со спектральной мощностью когерентность, прежде всего в альфа-диапазоне, позволила более точно дифференцировать группы психиатрических больных, различавшихся по диагнозу и по типу применявшихся препаратов (Ford et al., 1986b). У некоторых людей вычисления в уме практически не изменяют амплитуду альфа-ритма, однако вызывают резкое снижение его когерентности (Nunez, 1995). Показана связь эмоций и показателей когерентности (Tucker, Dawson, 1984; Hinrichs, Machleidt, 1992).

Подробные обзоры по исследованиям когерентности даны в работах (French, Beaumont, 1984; Shaw, 1984; Ford et al., 1986a,b). К сожалению, данные в этой области в значительной мере противоречивы. В ряде работ показано увеличение когерентности и других показателей синхронности ЭЭГ при умственной работе (Ливанов, 1972; Busk, Galbraith, 1975; Beaumont et al., 1978; Ford et al., 1986a; и др.). В то же время существует точка зрения, что уменьшение когерентности может отражать вовлечение соответствующих зон в обработку информации (Shaw, Ongley, 1972). Уменьшение когерентности в фронтальных областях и увеличение в некоторых других при когнитивной нагрузке было обнаружено при строгом контроле источников артефактных влияний на уровень когерентности (Nunez, 1995). В ряде исследований показано повышение когерентности в альфа-диапазоне при когнитивных и моторных задачах (Beaumont et al., 1978; Ford et al., 1986a). Снижение значений когерентности найдено в пожилом возрасте, повышение - при пароноидной форме шизофрении; когерентность снижалась при лечении нейролептиками и повышалась при лечении трициклическими антидепрессантами (Ford et al., 1986b). На основании этих данных Форд и сотр. высказывают предположение, что когерентность в альфа-диапазоне в целом отражает возбуждение (arousal). В то же время межгрупповые различия мощности и когерентности в быстром бета-диапазоне в их исследовании указывали на то, что увеличение этих показателей может отражать, напротив, генерализованое торможение корковых процессов.

При подробном анализе было показано, что вызванные задачей изменения когерентности в различных зонах коры и различных частотных диапазонах часто происходят одновременно в противоположных направлениях (Petsche, Rappelsberger, 1992), причем картина в целом существенно различается для различных когнитивных задач (Pockberger et al., 1988). Следует иметь в виду, что "физиологическое значение изменений когерентности <при выполнении экспериментальной задачи>, по-видимому, не является одинаковым в корковых зонах с различными функциональными свойствами" (Petsche, Rappelsberger, 1992, p. 112). Возможно, именно этим объясняется противоречивость данных разных авторов, анализировавших различные пары отведений при различных схемах отведения ЭЭГ и использовавших различные когнитивные задачи.

Показано, что существует градиент когерентности и корреляции в сагиттальный направлении: в лобных областях эти показатели синхронности выше, чем в затылочных (Цицерошин, 1975; Thatcher et al., 1986; Русинов и др., 1987). Когерентность в правом полушарии в целом выше, чем в левом (Tucker et al., 1986; Thatcher, Walker, 1986), хотя для альфа-активности в затылочной области наблюдалось и обратное отношение, что связывают с межполушарными различиями на анатомическом и функциональном уровне (Tucker et al., 1986). Уровень когерентности между затылочными и лобными областями в альфа-диапазоне намного выше, чем в дельта-, тета- и бета-диапазонах ЭЭГ (Thatcher et al., 1986). Когерентность в затылочно-теменной области в значительно большей степени, чем когерентность в центральной области, определяет когерентность в лобной области, что может быть связано с передачей возбуждения от затылочного генератора по окципито-фронтальным путям (Thatcher et al., 1986).

Одними из наиболее известных феноменов, связанных с показателями корреляции и когерентности электрической активности коры, является ее обратная зависимость от расстояния между электродами. Она была обнаружена Тунтури (Tunturi, 1959) и затем подтверждена в большом числе работ (Ливанов и др., 1964; Цицерошин, 1975; Шеповальников и др., 1979; French, Beaumont, 1984; Thatcher et al., 1986; Gasser et al., 1988; Bullock, McClune, 1989; Glass et al., 1992; и др.). В сагиттальный направлении эта зависимость больше выражена, чем во фронтальном (Шеповальников и др., 1979). На нее не влияют ни ход магистральных сосудов, ни деление коры на борозды (Tunturi, 1959), ни границы цитоархитектонических полей (Ливанов, 1972). Предполагается, что в этом феномене отражается различная степень связанности ближних и дальних участков коры проводящими путями (Thatcher et al., 1986; Pasqual-Marqui et al., 1988; Dunkin et al., 1994).

Однако близкая к линейной зависимость когерентности от расстояния между парами электродов, отмечаемая во многих исследованиях, характерна лишь для монополярного отведения. Весьма вероятно, что этот феномен связан, по крайней мере частично, с завышением оценок синхронизации вследствие вклада физического проведения электрических потенциалов в объеме тканей мозга (объемной проводимости), а также, при использовании большинства схем отведения, специфическими артефактами, вносимыми этими схемами (например, за счет общей активности под референтным электродом - при использовании монополярных схем) (Nunez, 1995).

Модельные исследования показывают, что при использовании биполярных отведений вклад объемной проводимости в когерентность между двумя отведениями достаточно мал, если расстояние между центрами линий, соединяющих пары электродов, образующих эти отведения, превышает 4 см. Для монополярных отведений с расположением референтного электрода на ухе ошибочно высокие значения когерентности, связанные как с объемным проведением, так и с общностью референтного электрода, могут наблюдаться даже при межэлектродном расстоянии 10-12 см и более, причем завышение уровня когерентности особенно велико (в модельном эксперименте - 0.2 и более) при межэлектродном расстоянии менее 10 см. Для случая расположения референтного электрода на шее расстояние, при котором завышение значений когерентности из-за вклада объемного проведения достаточно низко, оценивалось в 5-7 см и более (Nunez, 1995).

Проблема выбора типа референтного электрода вообще остается одной из наиболее сложных методических проблем при исследовании синхронности электрической активности мозга. Так, несмотря на то, что, по-видимому, в большинстве работ, в которых рассчитывались показатели когерентности, применялась монополярная схема отведения ЭЭГ, многие исследователи считают ее неадекватной при подобных исследованиях (Lehmann, 1987; Fein et al., 1988; Nunez, 1995).

Существенные различия динамики амплитуды ЭЭГ при монополярном отведении и при использовании лапласиана - преобразования, направленного на выделение истинного локального потенциала, хорошо видны даже при визуальном сравнении получаемых кривых (Nunez, 1995). К сожалению, лапласиан, а также "усредненный" референтный электрод, получаемый пересчетом - усреднением значений потенциалов на всех активных электродах при монополярной регистрации, имеют свой недостаток - возможность артефактного генерализованного влияния мощной активности в отдельных отведениях на итоговую оценку распределения потенциалов по скальпу. Сравнительно недавно в целях решения проблемы корректной оценки скальповых потенциалов стал использоваться метод так называемого локального усреднения, в котором референтный потенциал рассчитывается как среднее потенциалов электродов, прилегающих к данному электроду (Pfurtscheller, 1988). Однако очевидно, что такой метод должен занижать, а в отдельных случаях и элиминировать, вклад потенциалов, изменяющихся синхронно в больших группах отведений. Кроме того, для этого метода, как и для расчета лапласиана, требуется весьма большое число отведений. Наконец, биполярное отведение имеет свои весьма очевидные недостатки, прежде всего связанные с искажением фазы в отдельно взятом отведении, а следовательно, и фазовых отношений в парах отведений (см., напр., Cooper, 1959).

Таким образом, ни один из известных подходов к проблеме референтного электрода не может обеспечить полностью корректную оценку динамики скальповых потенциалов и ее синхронности. Возможно, для получения достаточно полной информации о топографических характеристиках ЭЭГ следует одновременно использовать нескольких техник отведения (MacGillivray, Sawyers, 1988). Сами по себе показатели корреляции и когерентности имеют также целый ряд недостатков, затрудняющих интерпретацию получаемых данных (Николаев и др., 1996; Каплан и др., 1997). В частности, для корректности оценки синхронности ритмических компонентов ЭЭГ с помощью когерентного анализа необходимо, чтобы их частота в наблюдаемой паре отведений с достаточной точностью совпадала, а фазовые отношения были стабильными. Однако эти условия, по-видимому, выполняются не в достаточной мере, во всяком случае для альфа-активности, поскольку ее частота может быть неодинаковой в различных корковых областях (см. выше). Чтобы решить эту проблему, был разработан метод оценки сходства спектров мощности ЭЭГ в разных отведениях посредством подсчета числа случаев совпадения пиков спектра мощности, определяемых в исследуемом диапазоне ЭЭГ в коротких последовательных эпохах, что обеспечило независимость результатов анализа от фактора нестабильности фазовых отношений (Иваницкий и др., 1990; Николаев и др., 1996).

Поскольку требования к статистическим свойствам ЭЭГ-сигнала, предъявляемые в когерентном и корреляционном анализе, не всегда выполняются, были предложены также некоторые более сложные методы оценки степени связи двух каналов ЭЭГ, основанные на использовании теории информации, в т.ч. определяющие направление взаимодействия между каналами ЭЭГ (Inouye et al., 1983, 1993; Gersch, 1987; Mars, Lopes da Silva, 1987).

Нам известны лишь два подхода, в которых статистической оценке синхронности электрической активности в различных областях коры предшествовало предварительное выделение элементов ее временн(й структуры в анализируемых отведениях. Одним из таких подходов является "выделение воспроизводимой последовательности событий" в сегментной структуре записей электрической активности - метод, недавно разработанный для анализа электрограмм, полученных с помощью вживленных электродов при эпилептическом припадке (Wendling et al., 1996). Метод позволяет находить среди большого числа "событий" - сегментов ЭЭГ с различными паттернами - такие, начало или конец которых в некоторых отведениях обычно встречаются с приблизительно постоянными задержками во времени друг относительно друга. К этому подходу близок подход, разработанный в нашей группе и имеющий более обобщенный характер. Он заключается в анализе случаев сближения во времени (ближе, чем на некоторую пороговую величину) моментов резких изменений характеристик ЭЭГ и, в частности, в расчете показателей, оценивающих отклонение числа случаев сближения (синхронизации) от уровня случайных совпадений. Предполагается, что эти показатели могут отслеживать степень синхронности работы различных систем мозга (Kaplan et al., 1995; Каплан и др., 1997; Brodsky et al., 1997). Возможности функциональной интерпретации этих показателей обсуждаются ниже, преимущественно в главе "Общее обсуждение".