СЕНСОМОТОРНАЯ ПОТЕНЦИАЦИЯ ДВИГАТЕЛЬНОГО ВООБРАЖЕНИЯ КАК АКТИВАТОР ПЛАСТИЧНОСТИ ЦНС
- Авторы: Коровина ЕС1, Глазкова ЕН1, Широлапов ИВ1, Кузнецова ОГ1, Ханбиков НР1, Горнякова ИС1
-
Учреждения:
- ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
- Выпуск: Том 1, № 3 (2016)
- Страницы: 33-38
- Раздел: Статьи
- URL: https://innoscience.ru/2500-1388/article/view/21533
- DOI: https://doi.org/10.35693/2500-1388-2016-0-3-33-38
- ID: 21533
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Ключевые слова
Полный текст
■ 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.Об авторах
Е С Коровина
ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Email: korovina_ekateri@mail.ru
аспирантка кафедры физиологии с курсом БЖД и медицины катастроф.
Е Н Глазкова
ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Email: glazkova_en@list.ru
к.б.н., доцент кафедры физиологии с курсом БЖД и медицины катастроф.
И В Широлапов
ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Email: ishirolapov@mail.ru
к.м.н., доцент кафедры физиологии с курсом БЖД и медицины катастроф.
О Г Кузнецова
ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Email: olyakuzneсova66@mail.ru
старший преподаватель кафедры физиологии с курсом БЖД и медицины катастроф.
Н Р Ханбиков
ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Email: han1995.95@mail.ru
студент 4 курса лечебного факультета СамГМУ.
И С Горнякова
ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Email: opachello@mail.ru
студентка 4 курса лечебного факультета СамГМУ
Список литературы
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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)
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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