SENSORIMOTOR POTENTIATION OF MOTOR IMAGINATION AS CNS PLASTICITY ACTIVATOR

Abstract


Aim - to find out the neurophysiological correlatives of motor imagery after the simulation of the motor pattern. Materials and methods. Monopolar EEG was recorded using EEG recording system Neuron - Spectrum - 4 / VPM at 7 right-handed volunteers aged 18-19 years. EEG was recorded according to the system 10-5 in the projection of the sensorimotor cortex of the left hemisphere during the imagination of two movements in the right hand (flexing the fingers, elbow flexion) before and after 30 seconds of simulation of movement patterns using the rehabilitation device Power Plate. Results. After the simulation of the motor pattern, the imagination of the two types of movement correlated with desynchronization of alpha-, beta- EEG rhythms, increasing the number of leads with the reaction of desynchronization (p<0,01) and reliable differentiation of changes in the power of sensorimotor EEG rhythms at dualtrack imaginary movements, and the accelerated learning of motor imagination. Conclusion. Sensorimotor potentiation helps to find out the neurophysiological correlatives of motor imagery.

Full Text

■ ВВЕДЕНИЕ Значительные перспективы в разработке и применении интерфейса «мозг-компьютер» (ИМК) связаны с активацией пластичности мозга и использованием паттернов сенсомоторных ритмов ЭЭГ воображаемых движений в качестве управляющего сигнала. Двигательное воображение позволяет человеку выполнять моторные действия в уме, без фактического выполнения таких действий через активацию мышц [1, 2], при этом активируются нейронные сети, частично перекрывающиеся с нейронными сетями, задействованными при реальном выполнении движений. По этой причине двигательное воображение используется для тренировки спортсменов, обучения музыкантов, в реабилитации после инсульта [3], а также в технологиях ИМК. Моторное воображение является сознательным и преднамеренным процессом, в то время как фактическое выполнение движения включает в себя в основном скрытые и бессознательные процессы, во- Воображение сгибания в локтевом суставе правой руки Воображение сгибания пальцев правой руки Частотные диапазоны ЭЭГ Условия регистрации Без преактивации После преактивации в Low режиме После преактивации в High режиме Альфа1 0,653 ± 0,025 0,696 ± 0,021 0,704 ± 0,025 Альфа2 0,639 ± 0,016 0,684 ± 0,016 0,705 ± 0,021 Бета1 0,637 ± 0,017 0,677 ± 0,013 0,697 ± 0,018 Бета2 0,635 ± 0,016 0,672 ± 0,012 0,693 ± 0,017 Альфа1 0,666 ± 0,022 0,740 ± 0,015 0,763 ± 0,003 Альфа2 0,616 ± 0,016 0,731 ± 0,009 0,759 ± 0,005 Бета1 0,611 ± 0,016 0,722 ± 0,009 0,754 ± 0,006 Бета2 0,612 ± 0,016 0,721 ± 0,009 0,750 ± 0,008 Таблица 1. Среднее значение площади под ROC-кривой в сенсомоторных ритмах ЭЭГ при воображении движений в правой руке (М ± m) влеченные в организацию и координацию действия. Ментальные образы от первого лица с преобладанием кинестетического ощущения предпочтительны для получения управляющего сигнала ERS/ERD сенсомоторных ритмов в ИМК [4], поскольку такое воображение задействует сенсомоторные области коры головного мозга, в то время как визуальные двигательные образы активируют затылочные и ассоциативные зоны [5]. Сенсомоторная потенциация нами рассматривается как один из ключевых механизмов повышения качества сигнала - паттернов сенсомоторных ритмов ЭЭГ воображаемых движений. ■ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Исследование паттернов сенсомоторных ритмов ЭЭГ при воображении движений в доминантной руке в условиях сенсомоторной потенциации. ■ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ В работе приняли участие 7 испытуемых-правшей в возрасте 18-19 лет, давших информированное согласие на участие в исследовании. ЭЭГ регистрировалась монополярно с помощью системы «Нейрон - Спектр - 4/ВПМ». 17 ЭЭГ электродов были локализованы по системе 10-10 в проекциях первичных, вторичных моторных и соматосенсорных зон левого полушария. Частота квантования ЭЭГ составляла 200 Гц, пределы фильтрации от 0 до 35 Гц, чувствительность 5мкВ. Использовался Notch фильтр для подавления наводки электричества бытовой сети. Импеданс всех каналов был ниже 20 кОм. Рисунок 1. Локализация достоверных ЭЭГ электродов (p<0,05) в альфа2-частотном диапазоне ЭЭГ испытуемого С при воображении сгибания пальцев правой руки без проприоцептивной преактивации (I), после преактивации в Low режиме (II), после преактивации в High режиме (III). Во время записи ЭЭГ испытуемые находились в темной звукоизолированной комнате с закрытыми глазами в положении сидя. ЭЭГ регистрировалась во время планирования движений в доминантной руке (сгибание в пястнофаланговых и межфаланговых суставах, сгибание в локтевом суставе) до (без преактивации) и после моделирования двигательного паттерна (после преактивации) в доминантной руке с помощью аппарата для реабилитации Power Plate [6, 7, 8]. Физическая нагрузка на аппарате Рower Plate осуществлялась при частоте движения платформы 30 Гц при двух режимах ее ускорения - 18 м/с2 (Low) и 31 м/с2 (High). Оба фактора воздействуют на пропри-оцептивную систему человека в условиях трёхмерного движения платформы тренажера Рower Plate. Испытуемые выполняли по одному упражнению (сгибание пальцев или сгибание в локтевом суставе) в течение одного эксперимента в двух режимах (Low и High) на аппарате для реабилитации Рower Plate длительностью 30 сек. Для моделирования сгибания пальцев ручка ремня, связанного с платформой аппарата для реабилитации Рower Plate, фиксировалась на первых фалангах ладонной поверхности кисти правой руки испытуемого, сидевшего в ЭЭГ-кресле. Испытуемый при этом производил сжатие кисти в кулак. В этих условиях инициировалось рефлекторное сокращение экстрафузальных мышечных волокон преимущественно мышц предплечья правой руки с частотой 30 Гц. Для моделирования сгибания в локтевом суставе ручка ремня аппарата Рower Plate фиксировалась на предплечье правой руки испытуемого, сидевшего в ЭЭГ-кресле. Испытуемый при этом производил сгибание в локтевом суставе. В этих условиях инициировалось рефлекторное сокращение преимущественно бицепса правой руки. После окулографической фильтрации ICA с помощью МatLab ЭЭГ разделялась на отдельные частотные диапазоны: дельта (0,3-3,9 Гц), тета 1 (4,0-4,9 Гц), тета 2 (5,0-7,9 Гц) альфа 1 (8,0-10,0 Гц), альфа 2 (10,1-12,9 Гц), бета 1 (13,0-19,9 Гц), бета 2 (20,0-35,0 Гц). Были использованы непараметрические и регрессионные методы статистического анализа вызванной реакции десинхронизации/синхронизации (ERD/ERS) сенсомоторных ритмов (альфа 1, альфа 2, бета 1, бета 2) ЭЭГ с помощью IBM SPSS Statistics 22. ■ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Рисунок 2. Динамика изменения мощности в сенсомоторных ритмах ЭЭГ у испытуемых А и В при воображении сгибания правой руки в локтевом суставе. Цифрами обозначены: 0 - фон, 1 - без проприоцептивной преактивации, 2 - после преактивации в Low режиме, 3 - после преактивации в High режиме. При воображении движений в верхней конечности после унилатеральной проприоцептивной стимуляции нами установлено достоверное увеличение площади под ROC кривой сенсомоторных ритмов ЭЭГ (табл. 1). Наиболее выраженной данная тенденция была после проприоцептивной стимуляции мышц правой руки в High режиме. www.innoscience.ru После унилатеральной проприоцеп-тивной стимуляции при воображении движений в верхней конечности нами установлено расширение очага активации моторных и соматосенсорных центров коры головного мозга. Нами отмечалось увеличение количества достоверных ЭЭГ-отведений (p<0,05), особенно после преактивации в Low режиме (рис. 1). Вызванная реакция десинхронизации сенсомоторных ритмов ЭЭГ при воображении движений после моделирования двигательного паттерна была больше по сравнению с изменениями мощности альфа- и бета-ритмов ЭЭГ при воображении движений без пре-активации [9, 10]. Высокоинтенсивная проприоцептивная стимуляция рассматривается нами как вариант сенсомоторной посттетанической потенциации, активирующей механизмы нейропластичности. По литературным данным высокочастотная стимуляция может вызвать посттета-ническое потенцирование синаптической передачи в течение нескольких минут во многих синапсах и связано с активацией кальций-зависимой протеинкиназы С, что увеличивает количество выпущенных везикул за счет увеличения вероятности выхода и / или готового к экзоцитозу размера пула медиатора [11]. Одним из актуальных вопросов в разработке ИМК является увеличение количества степеней свободы. Но поскольку метод ЭЭГ обладает невысоким пространственным разрешением, дифференцировать сигналы различных воображаемых движений в одной конечности становится гораздо труднее: в этом случае активируются близко расположенные участки первичной двигательной коры. При воображении движений без предварительного моделирования двигательного паттерна нами обнаружена низкая диф-ференцировка воображаемых двухвекторных движений (сгибание пальцев, сгибание в локтевом суставе) в доминантной руке (рис. 3). Воображение данных типов движений в доминантной руке сопровождалось практически одинаково выраженной ERD/ERS в сенсомоторных ритмах. В то же время после моделирования двигательных паттернов в течение 30 сек на аппарате для реабилитации Power Plate нами установлена возможность четкой дифферен-цировки изменений мощности сенсомоторных ритмов ЭЭГ двухвекторных воображаемых движений доминантной руки. ш ЗАКЛЮЧЕНИЕ Рисунок 3. Динамика изменения мощности в сенсомоторных ритмах ЭЭГ у испытуемого В при воображении движений в правой руке без проприоцептивной преактивации и после преактивации (в Low и High режимах). Цифрами обозначены: 0 - фон, 1 - при воображении сгибании пальцев, 2 - при воображении сгибания в локтевом суставе. При воображении движений в правой руке после унилатеральной проприоцептивной стимуляции нами установлено: увеличение ERD сенсомоторных ритмов, расширение очага активации моторных и соматосенсорных центров коры головного мозга, возможность дифференцировки изменений мощности сенсомо-торных ритмов ЭЭГ двухвекторных планируемых движений в доминантной руке. После моделирования двигательных паттернов при планировании движений отмечалось достоверное увеличение вероятности события в сенсомоторных ритмах ЭЭГ.

About the authors

E S Korovina

Samara State Medical University

Email: korovina_ekateri@mail.ru

postgraduate student at the Department of Physiology with the course of life safety and medicine of catastrophes SSMU.

E N Glazkova

Samara State Medical University

Email: glazkova_en@list.ru

PhD (Biology), Associate Professor, Department of Physiology with the course of life safety and medicine of catastrophes SSMU.

I V Shirolapov

Samara State Medical University

Email: ishirolapov@mail.ru

PhD, Associate Professor, Department of Physiology with the course of life safety and medicine of catastrophes SSMU.

O G Kuznetsova

Samara State Medical University

Email: olyakuzneсova66@mail.ru

4th year student of the Therapeutic Department of Samara State Medical University.

N R Khanbikov

Samara State Medical University

Email: han1995.95@mail.ru

I S Gornyakova

Samara State Medical University

Email: opachello@mail.ru

4th year student of the Therapeutic Department of Samara State Medical University.

References

  1. Moran A, Guillot A, MacIntyre T, Collet C. Re-imagining motor imagery: building bridges between cognitive neuroscience and sport psychology. Br J Psychol. 2012;103(2):224-47. doi: 10.1111/j.2044-8295.2011.02068.xPMID: 22506748
  2. Хивинцева Е.В., Сергеева М.С., Пятин В.Ф., Колсанов А.В., Захаров А.В., Антипов О.И., Коровина Е.С. Динамика сенсомоторной активности коры головного мозга при интенции движения. Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2016;(6):40-43
  3. Schuster C, Hilfiker R, Amft O, Scheidhauer A, Andrews B, Butler J, Ettlin T. Best practice for motor imagery: a systematic literature review on motor imagery training elements in five different disciplines. BMC Med. 2011;17;9:75. doi: 10.1186/1741-7015-9-75PMID: 21682867
  4. Duann JR, Chiou JC. A comparison of independent event-related desynchronization responses in motor-related brain areas to movement execution, movement imagery, and movement observation. PLoS One. 2016;16;11(9):e0162546. doi: 10.1371/journal.pone.0162546. PMID: 27636359
  5. Ridderinkhof KR, Brass M. How kinesthetic motor imagery works: a predictive-processing theory of visualization in sports and motor expertise. J Physiol Paris. 2015;109(1-3):53-63. doi: 10.1016/j.jphysparis.2015.02.003.PMID: 25817985
  6. Пятин В.Ф., Сергеева М.С., Коровина Е.С., Шалдыбина Ю.Э., Меркулова С.В. Активация проприоцептивной сенсорной системы уменьшает проявления психологического стресса у студентов. Современные проблемы науки и образования. 2014 (6); URL: http://www.science-education.ru/120-15512 (дата обращения: 23.11.2014)
  7. Пятин В.Ф., Сергеева М.С., Королев В.В., Коровина Е.С., Лавров О.В. Увеличение мощности дельта- ритма ЭЭГ после физической нагрузки на тренажере PowerPlate. Вестник ТвГУ. Серия Биология и экология. 2012 (28):7-21
  8. Сергеева М.С., Глазкова Е.Н. Активация проприоцептивной системы и циркадианных часов уменьшает проявления академического стресса у студентов медицинского вуза. Современные педагогические и информационные технологии в образовании и медицине: сборник научных статей / под ред. академика РАН Г.П. Котельникова. Самара: «Инсома-Пресс», 2015: 274-281
  9. Пятин В.Ф., Колсанов А.В., Сергеева М.С., Захаров А.В., Антипов О.И., Коровина Е.С., Тюрин Н.Л., Глазкова Е.Н. Информационные возможности использования мю- и бета-ритмов ЭЭГ доминантного полушария в конструировании нейрокомпьютерного интерфейса. Фундаментальные исследования. 2015;2(5):975-978
  10. Сергеева М.С, Пятин В.Ф., Колсанов А.В., Захаров А.В., Антипов О.И., Коровина Е.С. Модуляция сенсомоторных ритмов ЭЭГ. Биомедицинская радиоэлектроника. По материалам XII Международного междисциплинарного конгресса и Научной школы «Нейронаука для медицины и психологии. Новейшие разработки в фундаментальных и прикладных нейроисследованиях и психологии». 2016;5(2):28-30
  11. Xue L, Wu LG. Post-tetanic potentiation is caused by two signalling mechanisms affecting quantal size and quantal content. J Physiol. 2010; 15;588(Pt 24):4987-94. doi: 10.1113/ jphysiol.2010.196964. PMID: 21041528

Statistics

Views

Abstract - 114

PDF (Russian) - 33

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2016 Korovina E.S., Glazkova E.N., Shirolapov I.V., Kuznetsova O.G., Khanbikov N.R., Gornyakova I.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies