Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://brain.bio.msu.ru/papers/Kaplan_Fingelkurts_Fingelkurts_Shishkin_Ivashko_2000_ZhVysNervDeyat_SpatialSynchrSegmentEEG_rus.doc Дата изменения: Wed Jul 29 13:29:36 2009 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:26:18 2012 Кодировка: koi8-r

ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

УДК 612.821+612.822.3.087

ї 2000 г. КАПЛАН А.Я., ФИНГЕЛЬКУРЦ Ан.А., ФИНГЕЛЬКУРЦ Ал.А., ШИШКИН СЛ.,
ИВАШКО P.M.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СИНХРОННОСТЬ СЕГМЕНТНОЙ СТРУКТУРЫ
ЭЭГ ЧЕЛОВЕКА

Исследовали топические характеристики процессов пространственной
синхронизации моментов резких перестроек или кратковременных переходных
процессов в ЭЭГ человека, регистрируемой от продольной и поперечных цепочек
электродов. Для этого были предложены алгоритмы порогового сканирования
переходных процессов в ЭЭГ с вычислением индекса операциональной
синхронности, который отражает степень превышения наблюдаемой частоты
совпадения кратковременных переходных процессов в каждой данной паре
отведений ЭЭГ над величиной, характеризующей частоту случайных совпадений
кратковременных переходных процессов в соответствующих парах ЭЭГ. Было
обнаружено, что динамика индексов операциональной синхронности в
зависимости от межэлектродного расстояния в продольном и поперечном
направлениях имеет немонотонный характер: для нескольких позиций электродов
отмечено статически значимое падение операционной синхронности в продольной
цепочке, а для поперечной цепочки -заметное увеличение операционной
синхронности для крайних отведений ЭЭГ. При этом конкретные значения
индексов операциональной синхронности ЭЭГ зависели как от межэлектродного
расстояния, так и от степени морфофункционального подобия соответствующих
корковых образований. Обсуждается возможность существования динамических
пространственных модулей, объединяющих корковые образования по принципу
взаимной стабилизации функциональных состояний.

Необходимость разработки все более чувствительных диагностических
критериев для оценивания изменений биоэлектрической активности мозга в
связи с динамикой когнитивных процессов, действием фармакологических
препаратов или патогномоничных факторов привела исследователей к пониманию
ЭЭГ как кусочно-стационарного процесса [10]. Применение техники
сегментирования ЭЭГ на квазистационарные фрагменты дало возможность более
корректного использования традиционных спектрально-корреляционных методов
ее анализа [8,16]. Однако эвристический потенциал кусочно-стационарной
метафоры ЭЭГ в полной мере раскрылся лишь в концепциях мульти-стабильной
организации нервной деятельности (см. обзор [4]). В квазистационарных
фрагментах ЭЭГ исследователи увидели отражение дискретных функциональных
стояний нейронных систем, своего рода "атомов мыслей" [22] или
информационных блоков, из которых, возможно, складываются основные контуры
ажурной архитек-тоники интегративной деятельности мозга.
Одним из наиболее интересных практических приложений кусочно-
стационарного подхода к анализу ЭЭГ является возможность структурного
препарирования информационной деятельности мозга. Взаимная координация
элементарных блоков функциональной активности мозга может быть прослежена
как в динамике (временной структуре) сегментов регионального ЭЭГ-сигнала
[1, 16] или глобального биоэлектрического поля коры [21], так и в
пространственной мозаике межсегментных переходов в многоканальной ЭЭГ [19].
Пространственно-временные картины локализации переходов между
квазистационарными сегментами ЭЭГ, которые можно назвать кратковременными
переходными процессами (КПП), действительно показали существование высокой
синхронности этих переходов в определенных конфигурациях ЭЭГ-отведений,
топографическая специфика которых определялась характером текущей
деятельности мозга [2, 17, 18]. В отличие от традиционных оценок
пространственной синхронности ЭЭГ по показателям корреляции или
когерентности, характеризующих прежде всего общность формы или взаимной
фазовой стабилизации ритмических компонентов ЭЭГ-сигналов, синхронность
переходных моментов в ЭЭГ может свидетельствовать о пространст-венно-
временной согласованности отдельных функциональных актов, или, по Е. Ба-
жару, дискретных операций нервной деятельности [9]. Таким образом,
тестирование уровня подобной операциональной синхронности (ОС) в различных
комбинациях ЭЭГ-отведений позволяет выделить морфофункциональные комплексы
коркового уровня, объединенные текущей операцией информационного
процессинга [4].
Возможность существования пространственной неоднородности коркового
биоэлектрического поля в отношении уровня операциональной согласованности
различных корковых регионов была показана нами ранее методами оценивания
синхронности межсегментных границ в различных парах восьми стандартных ЭЭГ-
отведений [2, 17]. Однако недостаточная плотность расположения электродов
на скальпе позволила наметить только контуры возможных областей повышенной
ОС. Кроме того, оставалось неясным, в какой мере величина индекса ОС
определяется физическим расстоянием между тестируемыми каналами ЭЭГ.
В настоящей работе при достаточно плотной расстановке 16 электродов в
продольной и поперечной цепочках исследована топическая вариативность
индекса операционной синхронности в парах ЭЭГ-отведений и зависимость этого
индекса от расстояния между регистрирующими электродами. Предполагалось,
что морфофункциональная гетерогенность коры больших полушарий проявится в
топографической изменчивости индекса ОС.

МЕТОДИКА

Известна высокая межиндивидуальная вариативность позиционирования
скаль-повьх ЭЭГ электродов относительно морфофункциональных корковых
координат [13], сопоставимая с величиной межэлектродного расстояния при
плотной установке электродов. Более того, практически невоспроизводимыми от
испытуемого к испытуемому оказываются и сами топографические амплитудные
карты ЭЭГ [12] даже при строго регламентированной деятельности испытуемых.
В связи с задачей настоящего исследования, как и в некоторых других работах
с цепочечным расположением электродов [23], представлялось целесообразным
накопление данных путем многократных записей ЭЭГ у одного и того же
испытуемого, а не за счет увеличения числа испытуемых.
В исследовании приняли участие два испытуемых (мужчины 24 и 28 лет) с
хорошо выраженной альфа-ритмической активностью ЭЭГ. Обследование выполняли
2 раза с интервалом 1-2 недели. ЭЭГ регистрировали монополярно относительно
объединенных ушных электродов. Для увеличения плотности расстановки 16
электродов на поверхности скальпа использовали два типа монтажа: 1)
продольная цепочка с равномерной расстановкой электродов от позиции 02 до
Fp2 (среднее расстояние между центрами электродов составляло 1.9 см); 2)
две поперечных цепочки по восемь эле родов - фронтальная от F8 до F1 и
каудальная от T4 до Т5 линии со средним межэлект-родным расстоянием 2.9 см.
ЭЭГ записывали на жесткий диск компьютера при частоте дискретизации
128/с помощью 12-битного аналого-цифрового преобразователя. Для анализа
отбирали 10-12 безартефактных записей ЭЭГ (в каждый день опыта)
продолжительностью 60 с каждая (7680 отсчетов). Последующий трехэтапный
анализ ЭЭГ осуществляли по трем алгоритмам.
Для симуляции полного отсутствия связи между ЭЭГ из реальных 16-
канальных записей путем "перемешивания" каналов создавались такие 16-
канальные блоки ЭЭГ, в которых ни одна из пар каналов не была
зарегистрирована одновременно. Для таких перемешанных ЭЭГ, так же как и для
реальных записей, рассчитывали оценки синхронности (см. ниже), чтобы
определить шумовой уровень этих оценок.

1. Алгоритм поиска моментов резких изменений в ЭЭГ

Принцип поиска моментов резких перестроек в ЭЭГ состоял в скользящем
сравнении текущего среднего значения модуля амплитуды ЭЭГ-сигнала,
вычисленного на коротком интервале (тестовое окно), с пороговым уровнем
модуля амплитуды ЭЭГ, усредненным для более длинного интервала наблюдения
(пороговое окно). Подбирая размеры тестового и порогового окон, можно было
найти их оптимальное соотношение для получения сегментной картины ЭЭГ, в
которой при сопоставлении с реальной ЭЭГ подавляющее большинство визуально
различимых моментов кратковременных переходных процессов в ЭЭГ были
отмечены метками автоматического сегментирования. При этом значительная
часть меток оказывалась в точках ЭЭГ, которые не могли быть
идентифицированы "на глаз", но в силу алгоритма их обнаружение
свидетельствовало о границах невидимых сегментов. Согласно приведенному
алгоритму сегментация ЭЭГ осуществлялась адаптивно, независимо от уровня
активности ЭЭГ по тому или иному каналу и с учетом медленных трендов
амплитуды ЭЭГ в каждом из каналов.
В настоящем исследовании размеры тестового и порогового окон
составляли 35 (273 мс) и 200 (1563 мс) отсчетов ЭЭГ соответственно.
Сравнение усредненных значений амплитуды ЭЭГ для тестового и порогового
окон осуществлялось на каждом отсчете ЭЭГ в режиме одновременного
скольжения обоих окон от начала до конца минутной записи ЭЭГ. При этом за
момент КПП принимали такой номер отсчета ЭЭГ, для которого, во-первых,
различия между тестовой и пороговой средними были статистически значимы (по
критерию Стьюдента при р < 0.05), и, во-вторых, для следующих за этим
моментом пяти последовательных отсчетов также должны были выполняться
условия статистически значимого превышения над пороговым уровнем. Каждому
КПП приписывался знак, соответствующий направленности отклонения от
порогового уровня в большую или в меньшую сторону. Фиксирование очередного
КПП производилось при условии наличия перед ним КПП противоположного знака,
что позволяло отмечать только моменты пересечения порогового уровня в ту
или другую сторону. Значительная природная вариативность амплитудных
значения ЭЭГ делала пороговый критерий Стьюдента довольно жестким условием
при детектировании КПП: малые различия между средними значениями амплитуд
ЭЭГ в тес-товом и пороговом окнах, которые могли бы свидетельствовать,
например, о трендо-вой динамике ЭЭГ, при указанных условиях практически
отсутствовали.

2. Алгоритм вычисления индекса операциональной синхронности ЭЭГ

Для поиска синхронных КПП всю запись ЭЭГ разбивали на временные окна
оди-накового размера. Синхронными в паре каналов считали такие КПП, которые
нахо-дились на минимальном расстоянии между собой в пределах указанного
временного
окна. Очевидно, что в зависимости от размера временнбго окна можно было
получить большее или меньшее число синхронизовавшихся КПП. Экспертный
анализ этой динамики позволил выбрать временнбе окно размером 8 отсчетов,
при котором синхронизованными оказывались до 70-80% всех обнаруженных КПП.
Этот размер окна оставался постоянным во всех последующих вычислениях, что
делало процедуру поиска синхронных КПП свободной от субъективных факторов.
По результатам детекции синхронных КПП вычисляли величину рэ - число
случаев синхронизации КПП в отношении к общему числу поисковых временных
окон, равному 960 (7680/8) для минутной записи ЭЭГ.
Для статистической оценки этой величины вычисляли относительное число
случайных совпадений КПП по двум каналам рТ при условии их независимости
согласно известной теореме из теории вероятностей о том, что вероятность
совместного появления двух независимых событий равна произведению
вероятностей этих событий:

[pic]

где p1 и p2 - относительная частота появления КПП по первому и второму
каналам ЭЭГ (абсолютное число КПП в отношении к числу поисковых окон,
равному 7680/8 = 960).
В качестве индекса синхронности (ИС) КПП для минутных записей ЭЭГ
использовали значение стьюдентовской оценки (td) достоверности разности
экспериментальной и теоретической частот появления синхронных КПП [7]
(порог при р < 0.05 в данных условиях равен 1.96):

[pic]

где N- число отсчетов в минутной записи ЭЭГ (N = 7680), Т- размер
поискового окна (7= 8). Проверку гипотезы об отсутствии различий между
двумя средними значениями (n = 20-24) ИС (td) осуществляли по критерию
Вилкоксона.

3. Алгоритм сканирующего кросскорреляционного анализа ЭЭГ

Для сопоставления результатов оценивания операциональной синхронности
ЭЭГ с традиционными оценками пространственной синхронности ЭЭГ вычисляли
коэффициенты корреляции (КК) по Пирсону между соответствующими парами
отведений ЭЭГ. Однако сегментная метафора построения ЭЭГ требовала более
тщательного, чем это обычно делается, подхода к вычислению КК. В настоящей
работе эти коэффициенты вычисляли для последовательных коротких фрагментов
ЭЭГ в скользящем окне шириной 256 отсчетов (т.е. 2 с). При этом в каждом
окне определяли КК на нулевом сдвиге между каналами КК(0) и значение
максимума кросскорре-ляционной функции (ККмакс). Результирующие значения
(КК(0)) и ККмакс для каждой записи ЭЭГ вычисляли как среднее арифметическое
из частных оценок КК в каждом окне. Значения временнбго сдвига
корреляционной функции для ККмакс здесь не рассматривались, так как важным
было сопоставление только величин КК(0) и ККмакс (см. ниже). Число
усредняемых значений КК составляло 30 на каждую запись ЭЭГ. При этом все
операции с КК осуществляли после их нормализации согласно формуле z-
преобразования по Фишеру:

[pic]
где r - значение КК.

Гипотезу об отсутствии различий между двумя выборочными значениями КК
проверяли согласно статистике Л, имеющей приближенно нормальное
распределение:

[pic]

где z1 и z2 - z-оценки сравниваемых КК; n1 - 3 и n2 - 3 - число степеней
свободы для соответствующих выборок.
В полученных таким образом КК можно было увидеть оценку сходства
микроструктурной организации динамики электрического потенциала в различных
участках коры. Поскольку на коротких участках ЭЭГ практически стационарна
[24], расчет КК в небольших окнах позволял надеяться на уменьшение
искажений, связанных с общей нестационарностью ЭЭГ-сигнала. В то же время в
максимальной степени нивелировался вклад в КК крупных трансформаций ЭЭГ,
связанных, в частности с межсегментными переходами.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Прежде всего следовало определить, изменяется ли уровень
операциональной синхронности в парах ЭЭГ-отведений, взятых с одним и тем же
межэлектродным расстоянием, но в зависимости от расположения этой пары на
сагиттальной линии вдоль правого полушария. Полученные данные приведены на
рис. 1. Для всех пар отведений ЭЭГ индекс ОС варьирует в интервале величин
от 2.7 до 8.7 и значительно превышает уровни относительной частоты
случайной синхронизации (порог 1.96; см. раздел "Методика"), характерный
как для предположительно независимых процессов, так и для реальных ЭЭГ,
искусственно рассогласованных во времени, для которых значения ОС не
превышают величины 0.4 (сравнение по Вилкоксону). В то же время, несмотря
на неизменность межэлектродного расстояния в тестируемых парах отведений,
усредненный для многих записей ЭЭГ индекс ОС имел четко выраженную
топическую специфику: он существенно уменьшался при определенной
локализации пары регистрирующих электродов на скальпе (рис. 1). При этом
даже самые низкие значения ОС оставались над уровнем статистически
значимого превышения стохастических оценок этого показателя (при р < 0.05).
Таким образом, можно полагать, что существуют хорошо очерченные корковые
области, на границах которых значительно ослабевает временная
согласованность сегментной структуры поля биоэлектрической активности.
Ранее нами было показано, что сегментная структура ЭЭГ зависит от
частотного диапазона, в котором анализируется ЭЭГ [3]. Каким же частотным
диапазоном определяется пространственная динамика индекса ОС, показанная
выше для "сырой" ЭЭГ? На том же рис. 1 приведены индексы ОС для ЭЭГ,
отфильтрованной в альфа-диапазоне. Видно, что после фильтрации ЭЭГ индексы
ОС, сохраняя в целом тот же пространственный паттерн, тем не менее более
четко выделяют неоднородности сегментной структуры коркового
биоэлектрического поля. Напомним, что анализиро-вавшиеся в настоящей работе
записи ЭЭГ относились к альфа-типу. Поэтому не удивительно, что
отфильтрованная в полосе альфа-ритма ЭЭГ показала те же закон мерности
топической специфики индексов ОС, что и нативная ЭЭГ. Анализу процессов
операциональной синхронизации ЭЭГ в разных частотных диапазонах бу-дет
посвящено специальное исследование, а в настоящей работе делается акцент на
методологических аспектах топографической организации межсегментного сопря-
жения ЭЭГ разных отведений. С этой целью в настоящей публикации будут
приведе-ны данные анализа ЭЭГ либо в нативном виде, либо после фильтрации
только в аль-фа-полосе.

[pic]
Рис. 1. Индексы операциональной синхронности (ОС) соседних отведений ЭЭГ,
регистрируемой сагиттальной цепочкой электродов, расположенных на скальпе
над правым полушарием головного мозга. Здесь и на рис 2-5 по вертикали -
шкала значений индексов ОС; по горизонтали - номера электродов (по
возрастанию от затылка ко лбу), составляющих пары ЭЭГ-отведений. Пары 1-2;
5-6; 9-10 и 13-14 находятся в пределах стандартных позиций электродов по
Джасперу - O2, Р4, С4 и F4 соответственно. Светлые и заштрихованные
столбики относятся соответственно к "сырой" и отфильтрованной в альфа-
полосе ЭЭГ. Горизонтальная пунктирная линия здесь и на всех последующих
рисунках - максимальный уровень индекса ОС для рассогласованных по времени
записей ЭЭГ. Звездочка - случаи статистически значимого по Вилкоксону (при
р < 0.05) снижения индекса ОС относительно соседних значений.


[pic]
Рис. 2. Индексы ОС соседних отведений ЭЭГ, регистрируемой передней и задней
поперечными цепочками электродов (? 1-8), расположенных на скальпе
соответственно над лобными (заштрихованные столбики) и теменными областями
(светлые) больших полушарий головного мозга. По горизонтали - номера
электродов (по возрастанию справа налево), составляющих пары ЭЭГ-отведений.
Паре электродов ? 4-5 в обеих цепочках соответствуют значения индексов ОС
между ЭЭГ симметричных областей обоих полушарии. Звездочка - случаи
статистически значимого по Вилкоксону (р < 0.05) снижения индекса ОС
относительно максимальных значений в каждой из категорий.


Рассмотрим теперь пространственную динамику индекса ОС в поперечном
направлении: между правой и левой нижними фронтальными областями (по линии
стандартных отведений F8, F4, F3, F1) и между правой и левой задневисочными
областями (по линии T6, Р4, РЗ, T5) - рис. 2.
Полученные данные свидетельствуют о противоположных тенденциях в
пространственной динамике индексов ОС для передних и задних областей мозга
(рис. 2). Если для передних отведений максимальное значение индекса ОС
характерно для единственной межполушарной пары соседних электродов - ? 4-5,
то для аналогичной пары задней цепочки электродов отмечено минимальное
значение индекса ОС, а максимальное - для гомолатеральных отведений ЭЭГ в
височно-теменной области (рис. 2). Намечающиеся тенденции межполушарных
различий в индексах ОС для обеих цепочек электродов не достигали, однако,
статистически значимого уровня (рис.2).

[pic]
Рис. 3. Зависимость индекса ОС ЭЭГ от межэлектродного расстояния в
продольном направлении от затылочного электрода к лобному (сплошная линия)
и наоборот (пунктирная). По горизонтали - номера электродов продольной
цепочки (от ? 1 до ? 16) в тестируемых парах ЭЭГ-отведений 1-2,1-3,... 1-
16). Звездочки - случаи статистически значимых по Вилкоксону (р < 0.05)
различий между индексами ОС для прямой и обратной зависимости от
расстояния, а также для значений ОС в рамках одной и той же зависимости.

Итак, одномерные продольные и поперечные срезы ОС коркового
электрического поля показали существование четко выраженной топографической
специфики регионального индекса ОС, оцениваемого для близко расположенных
(2.5-3 см) пар ЭЭГ-электродов. Зависит ли, однако, индекс ОС от расстояния
между регистрирующими электродами?
На рис. 3 представлены результаты оценки индекса ОС в парах ЭЭГ-
отведений с постоянно увеличивающимся межэлектродным расстоянием в
продольной цепочке электродов от затылочного электрода к лобному, и
наоборот. Для анализа была взята ЭЭГ, отфильтрованная в альфа-полосе.
Динамика индекса ОС в зависимости от величины межэлектродного расстояния
обладала двумя характерными особенностями.
Во-первых, индекс ОС достаточно быстро уменьшается с ростом
межэлектродного расстояния, достигая статистически незначимых по Стьюденту
величин (для р < 0.05) примерно на половинной дистанции между крайними
электродами цепочки (рис. 3). При этом для любых межэлектродных расстояний
индексы ОС реальных записей ЭЭГ существенно превышали уровень ОС для
искусственно рассогласованных во времени записей ЭЭГ (рис. 3). Последнее
свидетельствует о том, что даже на максимальных межэлектродных расстояниях
сохраняется некоторая связность между структурными особенностями
тестируемых ЭЭГ-записей.
Во-вторых, что наиболее примечательно, прямая (от затылка ко лбу) и
обратная (от лба к затылку) зависимости индекса ОС от расстояния
значительно различались между собой: падение индекса ОС в первом случае
было значительно круче, чем во втором (рис. 3). Этот своеобразный
"пространственный гистерезис", очевидно, свидетельствует о том, что индекс
ОС является отражением, скорее, самой морфофункциональной специфики
различных регионов коры больших полушарий, чем процессов объемного
проведения электрического поля в мозговой ткани. Об этом свидетельствует и
тот факт, что снижение индекса ОС в обоих направлениях происходит не
монотонно, а несколькими статистически устойчивыми (по критерию Вилкоксона)
крутыми падениями (рис. 3), отражая, очевидно, показанные выше разрывы в ОС
ЭЭГ между вполне определенными позициями регистрирующих электродов (рис.
1).
В этой связи представляло интерес рассмотреть зависимость индекса ОС
от расстояния в поперечном направлении. Наличие "пространственного
гистерезиса" для зависимости индекса ОС от расстояния справа налево и слева
направо свидетельствовало бы об определенной

[pic]



Рис. 4. Зависимость индекса ОС ЭЭГ от межэлектродного расстояния в задней
(А) и передней (Б) поперечных цепочках электродов в направлении справа
налево (сплошная линия) и наоборот (пунктирная). По горизонтали - номера
электродов поперечных цепочек (от ? 1 до ? 8) в тестируемых парах ЭЭГ
отведений 1-2,1-3,... 1-8 и наоборот: 8-7, 8-6,... 8-1). Звездочка - случаи
статистически значимых по Вилкоксону (р < 0.05) различий между индексами ОС
для позиции 1-2 (8-7), с одной стороны, и всеми остальными позициями - с
другой.

межполушарной асимметрии в отношении фоновых (без специфических
функциональных нагрузок) процессов операциональной синхронизации ЭЭГ.
Оказалось, однако, что "прямая" и "обратная" кривые зависимости
индекса ОС для обеих поперечных цепочек на всем своем протяжении не имели
ни одного случая статистически значимых различий (рис. 4), демонстрируя
отсутствие билатеральной асимметрии показателя ОС, по крайней мере - по
линии поперечных цепочек лобных и височно-теменных электродов. В то же
время обращает на себя внимание тот факт, что основное падение индекса ОС с
расстояние происходит только до 4-го электрода поперечной цепочки с
последующей стабилизацией уровня ОС вплоть до 7-го электрода; но между
крайними электродами (пара ? 1-8) индекс ОС вновь возрастает (р < 0.05),
несмотря на еще большее увеличение межэлектродного расстояния (рис. 4)!
Для объяснения этого феномена напомним, что 4-й и 5-й электроды поперечных
цепочек находились по обе стороны от продольной щели над гомологичными
корковыми областями. Поэтому в отличие от сагиттальной цепочки, где с
увеличением расстояния между регистрирующими электродами все более
нарастали и морфо-функциональные различия соответствующих корковых
областей, в случае поперечной цепочки морфологические различия, очевидно,
сначала увеличиваются от 1-го к 4-му (или от 8-го к 5-му) электродам, а
затем вновь снижаются, достигая минимальных


[pic]
Рис 5. Индексы ОС для пар ЭЭГ, регистрируемых от симметричных корковых
областей в пределах перед-ней (светлые столбики) и задней (заштрихованные)
поперечных цепочек электродов. По горизонтали -номера электродов поперечных
цепочек, составивших тестируемые пары: 1-8, 2-7, 3-6, 4-5. Звездочка
-случаи статистически значимых по Вилкоксону (р < 0.05) различий между
индексами ОС для позиции.

оценок в наиболее удаленных, но гомологичных электродных позициях 1-8 (F7-
F8 и T5-T6). Не удивительно, что именно для ЭЭГ, регистрируемой от этих
электродов, индекс ОС вновь возрастает, несмотря на увеличение
межэлектродного расстояния.
Можно даже полагать, что индекс ОС вообще слабо зависит от
межэлектродного расстояния, если эти электроды располагаются над
гомологичными корковыми областями. Для затылочной цепочки электродов это
предположение оказалось близким к действительности (рис. 5), но для
передней цепочки наблюдалась значительная обратная зависимость индекса ОС
ЭЭГ гомологичных корковых областей от расстояния между ними.
Таким образом, данные оценки индекса ОС ЭЭГ в зависимости от
межэлектродного расстояния как в продольных, так и в поперечных цепочках
электродов свидетельствуют о значительной привязке этого индекса именно к
морфофункциональному сходству тестируемых корковых областей, хотя
физическое расстояние между ними также играет существенную роль в
определении финального значения индекса ОС.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Используемое в работе понятие резких перестроек или КПП в ЭЭГ
достаточно условно. В концептуальном отношении оно отражает места
"стыковок" квазистационарных сегментов ЭЭГ [8, 16], а в практическом -
тесно "привязано" к способу детектирования этих КПП. Использованная в
настоящей работе технология поиска КПП по сути дела построена на сравнении
двух функций от времени, полученных путем сильного (по 200 отсчетам) и
слабого (по 35 отсчетам) сглаживания модуля амплитуды ЭЭГ-сигнала. Точки
статистически значимого (см. раздел "Методика") пересечения этих функций
приняты за моменты КПП. Здесь, естественно, предполагается, что слабо
сглаженная ЭЭГ более динамична, чем сильно сглаженная. В таком случае
каждый КПП будет отмечать резкие изменения именно в пределах короткого окна
сглаживания. Однако могут существовать ситуации, когда появление КПП будет
обусловлено резким изменением именно медленной функции ЭЭГ, например, если
в широкое пороговое окно усреднения попадет "аномальный выброс". Резкое
изменение порога может привести к регистрации КПП, причем совсем не в том
месте, где был локализован "выброс". Правда, для этого требуется очень
мощный и продолжительный 'выброс", чтобы существенно сдвинуть среднее
значение из 200 отсчетов, Как правило, подобные выбросы легко
индентифицируются как артефакты и при предварительном редактировании
удаляются из записи ЭЭГ.
Не исключено, хотя и маловероятно (см. раздел "Методика"), появление
"ложных" КПП и на фоне медленных трендов в ЭЭГ, но они не могут
существенным образом отразиться в значениях индексов ОС, поскольку моменты
их появления на фоне тренда значительно более "размыты", чем при резких
изменениях амплитуды ЭЭГ-сигнала.
Поэтому подавляющее большинство меток КПП отражает реально
существующие короткие периоды резкого (по сравнению с сильно сглаженной
кривой) изменения модуля амплитуды ЭЭГ-сигнала, что и позволяет
использовать временные метки КПП для оценки синхронных перестроек в парных
записях ЭЭГ.
Ранее нами уже было показано, что электрическая активность различных
корковых регионов может быть взаимно согласована во времени по моментам
быстрых переходных процессов [3, 17]. Это означает, что для соответствующих
областей коры периоды квазистационарных состояний, как правило, оказываются
согласованными. Подобная взаимная стабилизация функционального состояния,
возможно, способствует оптимальному межкорковому взаимодействию [4].
Пространственная карта этой операциональной синхронности ЭЭГ высоко
динамична, поскольку зависит от характера текущих функциональных нагрузок,
например от стадии мнестической деятельности испытуемого [3, 17].
Однако показанные в настоящем исследовании закономерности временнбй
согласованности межсегментных границ ЭЭГ в продольных и поперечных сечениях
коркового биоэлектрического поля, по-видимому, свидетельствуют о
существовании определенной статистической неоднородности этого поля в
отношении процессов взаимной стабилизации региональных ЭЭГ.
Не связаны ли эти топические особенности феномена операциональной
синхронности ЭЭГ с обнаруженной еще в классической работе К. Мотокава (К.
Motokawa, 1944, цит. по [15]) и в дальнейшем многократно подтвержденной
другими исследователями [5, 7, 15, 25, 26] пространственной неоднородностью
коры больших полушарий мозга при оценивании кросскорреляционных связей
между региональными ЭЭГ?
В литературе имеется несколько фундаментальных исследований,
посвященных анализу корреляционных и когерентных отношений в ряду ЭЭГ-
отведений от продольных и поперечных цепочек электродов [7, 11, 15, 25].
Однако необходимость точного топического соответствия электродных позиций
для сравнительного анализа данных потребовала вычисления
кросскорреляционных коэффициентов (КК) для тех же ЭЭГ-записей, на основе
которых в настоящей работе рассчитывались и индексы ОС.
В целом полученные в настоящей работе характеристики корреляционных
отношений в парах ЭЭГ различных отведений соответствовали данным других
авторов, включая наличие близкого к полупериоду альфа-колебаний фазового
сдвига в паре ЭЭГ лоб - затылок, феномен "пространственного гистерезиса" в
продольных цепочках электродов и др. Поэтому в рамках обсуждения основного
материала данные по кросскорреляциям будут рассмотрены только в сравнении с
результатами оценивания индексов ОС.
Из табл. 1 видно, что почти все значения КК(0) в парах соседних
отведений продольной цепочки достигают высокого уровня 0.97-1.00. Для трех
пар отведений (4-5, 8-9 и 11-12) значения КК(0) статистически значимо
снижаются относительно уровня большинства КК. Сходная тенденция в динамике
КК(0) отмечена и для пар отведений 2-3 и 14-15. Отмеченные падения КК(0) не
связаны с фазовым сдвигом ритмического компонента ЭЭГ-кривых, так как почти
во всех случаях значения КК(0) и ККмакс совпадают между собой. Только для
пары отведений 4-5 величина ККмакс на сдвиге 8 мс оказалась несколько
больше соответствующего значения КК(0), но так же, как и последнее,
остается существенно ниже уровня большинства КК. Сопоставляя эти результаты
с аналогичными данными для индексов ОС (рис. 1), нетрудно заметить их
практически полную конгруэнтность.

Таблица I.
Значения КК(0) и ККмакс для ЭЭГ в соседних парах отведении в продольной
цепочке электродов (подробнее см. рис 1)

[pic]
Примечание. Даны оценки статистической значимости отличия минимальных
значении к кди) и ккмакс (оценки одинаковы) от соседних значений в данном
столбце: * -р < 0.05, ** -р < 0.01. В левой колонке - номера электродов
продольной цепочки, составивших пары ЭЭГ-отведений.

Таблица 2.
Зависимость величины КК(0) и ККмакс от расстояния в продольной цепочке от
затылка ко лбу (з-л) и наоборот (л-з)
[pic]
Примечание, В левой колонке - номера электродов продольной цепочки,
составивших пары ЭЭГ- отведений; электродом ? 1 является крайний задний или
передний электрод, относительно которого вычисляются КК. Звездочки -случаи
статистически значимых различий для КК, взятых на равных расстояниях от
краевых электродов цепочки: * - р < 0.05; ** -р < 0.01; *** - р < 0.001.

Сходным с данными по индексу ОС оказался и ход кривых зависимости КК
от межэлектродного расстояния в продольной цепочке: в направлении от
затылка ко лбу падение значений КК было гораздо более крутым, чем в
обратном направлении (табл. 2). При этом фазовый сдвиг не является здесь
главной причиной снижения КК при увеличении межэлектродного расстояния,
поскольку это в равной мере касалось как КК(0), так и ККмакс (табл. 2).
Наконец, динамика КК(0) для пар соседних ЭЭГ-отведений в поперечных
Цепочках (табл. 3) достаточно точно повторяла аналогичные зависимости для
индекса ОС (рис. 2).
Можно полагать, что отмеченное, по крайней мере для изучавшихся альфа-
ритмичных ЭЭГ, совпадение пространственных распределений индексов ОС, с
одной стороны, и КК - с другой, отражает приуроченность обеих оценок к
какой-то базовой структурной особенности ЭЭГ. Поскольку индексы ОС более
контрастно, чем КК, демонстрируют неоднородность биопотенциального поля,
например в продоль ном направлении (см. рис. 1 и табл. 1), весьма вероятно,
что в основном именно временная согласованность сегментной структуры двух
ЭЭГ определяет расчетное значение ККмакс между ними.
Таблица 3

Значения КК(О) и ККмакс для ЭЭГ в соседних парах отведений
в передней (лоб) и задней (затылок) цепочках электродов

[pic]
Примечание. Звездочки - случаи статистически значимых различий между КК,
взятых для одноименных пар электродов в обеих цепочках: * -p < 0.05; ** -р
< 0.01; *** -p < 0,001.

Таблица 4

Зависимость КК(0) и ККмакс от межэлектродного расстояния в поперечных
передней (лоб) и задней (затылок) цепочках

[pic]
Примечание. Статистически значимый уровень КК при p < 0.05 для указанных
данных равен 0.21; сред-неквадратическое отклонение для средних значений КК
не превышает значения 0.007.

Действительно, при выраженной пачечной альфа-активности ЭЭГ
наибольшая фазовая стабилизация наблюдается в пределах альфа-веретен [23],
а моменты резких изменений билатеральных фазовых отношений в ЭЭГ с
наибольшей вероятностью приходятся на начало и конец альфа-веретен [14,
20]. Следовательно, чем чаще и более точно эти веретена, или другого рода
квазистационарные фрагменты ЭЭГ, совпадают по времени в паре ЭЭГ-записей,
тем выше будет максимальное значение кросскорреляционной функции,
усредненной по всему фрагменту записи ЭЭГ.
Таким образом, именно исходная согласованность сегментной структуры
двух альфа-ритмичных ЭЭГ может обусловливать высокие значения КК между
ними. При меньшей структурированности и выраженности основного ритма ЭЭГ,
например в височных или нижнелобных отведениях, динамические характеристики
индексов ОС и КК могут существенно расходиться. Возможно, этим объясняются
различия в зависимости значений КК и индексов ОС от межэлектродного
расстояния в поперечных цепочках, когда первые претерпевают монотонное
падение на всем своем протяжении (табл. 4), а вторые заметно возрастают для
пары ЭЭГ наиболее далеко расположенных, но гомологичных отведений (рис. 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные данные о закономерностях изменения индекса ОС в парах ЭЭГ-
отве-дений по линиям продольного и поперечного "сечений" коркового
биоэлектрического поля свидетельствуют о значительной неоднородности этого
поля в отношении временнбй согласованности его региональной сегментной
структуры. В многократных записях ЭЭГ (п = 20-24) у каждого из двух
испытуемых в условиях спокойного бодрствования отмечены хорошо
локализованные корковые зоны, для которых показано статистически значимое
по сравнению с другими корковыми регионами снижение индексов ОС. При этом
конкретные значения индексов ОС ЭЭГ зависят как от межэлектродного
расстояния, так и от степени морфофункционального подобия соответствующих
корковых образований. Однако представить полную пространственную картину
операциональной синхронности корковых структур можно только при оценке
индекса ОС не просто в парах ЭЭГ-отведений, но и во всех из возможных
комбинациях по два, по три и т.д. Весьма вероятно, что в зависимости
от конкретной функциональной нагрузки различные корковые регионы будут
выстраиваться в специфические пространственные модули, проявляющиеся на
уровне ЭЭГ во взаимной стабилизации сегментной структуры соответствующих
ЭЭГ-отведений [18]. Проверке этого предположения будет посвящено следующее
исследование.
Работа выполнена при частичной поддержке фонда "Университеты России -
фундаментальные исследования" (проект ? 11-3653).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бодунов М.В. "Алфавит" ЭЭГ: типология стационарных сегментов ЭЭГ
человека // Индивидуально-психологические различия и биоэлектрическая
активность мозга человека / Под ред. В.М. Русалова. М.: Наука, 1988. С. 56-
70.
2. Каплан А.Я., Дарховский Б.С., Фингелъкурц Ал.А. и др. Топологическое
картирование процесса синхронизации моментов резких перестроек в
мультиканальной ЭЭГ у человека // Журн. высш. нерв. деят. 1997. Т. 4. ? 1.
С 32-37.
3. Каплан А Я., Фингелъкурц Ан.А., Фингелъкурц Ал А. и др. Временная
согласованность физических перестроек основных частотных компонентов ЭЭГ-
сигнала // Журн. высш. нерв. деят. 1998. Т. 48. ? 5. С. 816-826.
4. Каплан А.Я. Нестационарность ЭЭГ: методологический и экспериментальный
анализ//Успехи физиол. наук. 1998. Т. 29. ? з. С. 35-55.
5. Свидерская Н.Е. Синхронная электрическая активность мозга и психические
процессы. М.: Наука, 1987. 156 с.
6. Ферстер Э., Ренц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа.
М.: Финансы и статистика, 1983. 302 с.
7. Шеповалъников А.Н., Цицерошин М.Н., Апанасионок B.C. Формирование
биопотенциального поля человека, Л.: Наука, 1979. 163 с.
8. Barlow J.S. Methods of analysis of nonstationary EEGs, with emphasis on
segmentation techniques: a comparative review //J. Clin. Neurophysiol.
1985. V. 2. P. 267-304.
9. Basar E. Brain natural frequencies are causal factors for resonances
and induced rhythms // Induced Rhythms in the Brain / Eds E. Basar, Т.Н.
Bullock. Boston: Birkauser, 1992. P. 425-467.
10. Bodenstein G.t Praetorius HM. Feature extraction from the
electroencephalogram by adaptive segmentation // Proc. IEEE. 1977. V. 65.
P. 642-652.
11. Bullock Т.Н., McClune M.C., Achimowicz JZ. et al. EEG coherence has
structure in the millimeter domain: subdural and hippocampal recordings
from epileptic patients // EEG a. Clin. Neurophysiol. 1995. V. 95. P. 161-
177.
12. Burgess A.P., GruzelierJ. How reproducible is the topographical
distribution of EEG amplitude?// Intern. J. Psychophysiol. 1997. V. 26. P.
113-119.
13. Homan R.W., Herman J., Purdy P. Cerebral location of international 10-
20 system electrode placement // EEG a. Clin. Neurophysiol. 1987. V. 66. P.
376-382.
14. HooveyZ.V., Heinemann U" Creutzfeldt O.D. Inter-hemispheric "synchrony"
of alpha waves //EEG a Clin Neurophysiol. 1972. V. 32. ? 4. P. 337-347.
15. Hori H.f Hayasaka K., Sato K. et at. A study on phase relationship in
human alpha activity. Correlation of different regions // EEG a. Clin.
Neurophysiol. 1969. V. 26. P. 19-24. 6
16. Jansen В.И. Quantitative analysis of the electroecephalograms: is there
chaos in the future // Intern. J. Biomed. Comput. 1991. V. 27. P. 95-123.
17. Kaplan A.Y., Fingelkurts ALA., Fingelkurts An.A. et al. Topological
mapping of sharp reorganization synchrony in multichannel EEG //Amer. J.
Electroneurodiagnostic Technol. 1997. V. 37. p. 265-275.
18. Kaplan A.Ya. Spatial EEG Moduli: Change-Point Analysis // Proceedings
of 5lh Congress of the International Organization of Societies for
Electrophysiological Technology (OSET). Washington D.C., 1995-P. 12.
19. Kaplan A.Y., Kadr I. The multiple combinatorial analysis of segmental
EEG structure // Proceedings of the International Sympos. Mathematical
approaches to brain functioning diagnostics. Prague, 1990. P. 69.
20. Lehmann D. Multichannel topography of human alpha EEG fields // EEG a.
Clin. Neurophysiol.
1971. V. 31. P. 439-449.
21. Lehmann D., Ozaki H., Pal I. EEG alpha map series: brain micro-states
by space-oriented adaptive
segmentation//EEG a. Clin. Neurophysiol. 1987. V. 67. P. 271-288.
22. Lehmann D. Brain electric field mapping and map analysis in psychiatry:
The "atoms of thought" //
Biol. Psychiatry. 1991. V. 2. P. 391-394.
23. Levine R.B., Smith R.P., Hawkes G.R. On synchrony of the alpha rhythms
// Aerospace Med. 1963.
V. 34. ?4. P. 349-352.
24. McEwen J A., Anderson G.B. Modeling the stationary and gaussianity of
spontaneous electroenceph-alographic activity // IEEG Transactions on
Biomed. Engng. 1975. V. 22. ? 5. P. 361-369.
25. Ozaki H" Suzuki H. Transverse relationships of the alpha rhythm on the
scalp // EEG a. Clin. Neurophysiol. 1986. V. 66. P. 191-195.
26. Thatcher B.W., Krause P.J., Hryhyk M. Cortico-cortical associations
and EEG coherence: a two-compartmental model // EEG a. Clin. Neurophysiol.
1986. V. 64. P. 123-143.


Кафедра физиологии человека и
животных Московского государственного
университета им. М.В. Ломоносова

Поступила в редакцию
6.Х. 1998
Принята в печать
21.XII. 1998

SPATIAL SYNCHRONY OF HUMAN EEG SEGMENTAL STRUCTURE

KAPLAN A.Ya., FINGELKURTS An.A., FINGELKURTS ALA., SHISHKIN S.L, IVASHKO
R.M.

Lomonosov State University, Moscow

Topographic features of spatial synchronization of sharp changes, or rapid
transition processes (RTP), were studied in human EEG recorded from
longitudinal and transversal electrode arrays. A new algorithm, the EEG
Threshold Scanning, was proposed for the detection of the RTP.
Synchronization of the RTP was estimated by Operational Synchrony Index
(OSI) based on the difference between the actual and stochastic frequency
of RTP coincidence in a pair of EEG channels. The relationship between the
OSI and interelectrode distance was not monotonous. The OSI depended also
on the extent of morpho-functional similarity between two cortical areas.
Similar results were obtained for crosscorrelation calculated for the same
pairs of the EEG derivations. The existence of dynamic spatial modules
which incorporate different brain areas by complementary stabilization of
their functional states is discussed.
-----------------------
[pic]

[pic]