ИЗМЕНЕНИЯ ПАТТЕРНОВ СЕНСОМОТОРНЫХ РИТМОВ ЭЭГ ПРИ ДВИГАТЕЛЬНОМ ВООБРАЖЕНИИ

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ Значительные перспективы в разработке и применении интерфейса «мозг-компьютер» (ИМК) связаны с корреляцией между двигательным воображением и сенсомоторными ритмами ЭЭГ, которые в этом случае могут использоваться в качестве управляющего сигнала в ИМК [1, 2, 3]. Применение двигательных образов в технологиях ИМК связано с теорией «функциональной эквивалентности», суть которой заключается в частичном перекрытии нейронных сетей, которые контролируют реальные движения и их ментальную репрезентацию [4, 5]. В то же время связанная с воображением движения вызванная реакция десинхронизации/синхронизации (ERD/ERS) сенсомоторных ритмов ЭЭГ имеет индивидуальные особенности, классификация которых позволит существенно увеличить количество степеней свободы при создании и реализации системы ИМК. ■ ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ Выявление общих и индивидуальных особенностей в паттернах сенсомоторных ритмов ЭЭГ при воображении движений в верхних и нижних конечностях человека. ■ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ В исследовании приняли участие 20 студентов-правшей Самарского государственного медицинского университета в возрасте 18-20 лет, подписавшие информированное согласие. ЭЭГ регистрировалась монополярно с помощью 128-канальной системы записи ЭЭГ (BP-010302 BrainАmpStandart 128). Во время исследования испытуемые находились в звукоизолированной комнате. Они сидели в ЭЭГ-кресле, с закрытыми глазами, в состоянии покоя (Neurobotics, Россия). Протокол регистрации ЭЭГ сигналов был представлен следующими заданиями для испытуемых: 1) воображение моновекторных движений в 4-х конечностях (сгибание пальцев правой руки, сгибание пальцев левой руки, тыльное сгибание правой стопы, тыльное сгибание левой стопы); 2) воображение трехвекторных движений в доминантной руке (сгибание пальцев, сгибание в локтевом суставе, ротация кисти). Протокол проведения эксперимента: время регистрации ЭЭГ при планировании одного вида движения составило 2,5 мин; количество попыток воображения одного движения - 10; продолжительность одной попытки воображения движения - 3 сек; интервал между попытками воображения движения - 10 сек. В качестве стимульной метки на ЭЭГ использовался звуковой сигнал. Процессинг ЭЭГ: (1) окулографическая фильтрация ICA (анализ независимых компонентов); (2) анализ динамики мощности ритмов ЭЭГ (с помощью MatLab ЭЭГ разделялась на отдельные частотные диапазоны: дельта (0,3-3,9 Гц), тета1 (4,05,9 Гц), тета2 (6,0-7,6 Гц), альфа1(7,7-9,2 Гц), альфа2 (9,3-10,5Гц), альфа3 (10,6-12,9 Гц), бета1 (13,0-19,9 Гц), бета2 (20,0-35,0 Гц), гамма (36,0-170,0 Гц). Каждый частотный диапазон обрабатывался с помощью IBM SPSS Statistics 22.); (3) анализ ERD/ERS сенсомоторных ритмов: аль-фа1, альфа2, альфа3, бета1, бета2; (4) оценка достоверности регистрируемых изменений мощности значимых ритмов ЭЭГ (IBM SPSS Statistics 22); (5) частотно-пространственная фильтрация (Common Spatial Pattern, CSP), LORETA (Low Resolution Brain Electromagnetic Tomograph). Достоверность измерений оценивалась параметрическими и непараметрическими методами. Статистически значимыми изменения средних величин считались при р<0,001. ■ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Анализ ЭЭГ сигналов, зарегистрированных при воображении моновекторных движений в 4-х конечностях. Обработка ЭЭГ сигналов, зарегистрированных при воображении моновекторных движений в 4-х конечностях логистической регрессией и ROC-анализом, выявила наибольшие величины площади под ROC-кривой, соответственно высокую чувствительность и специфичность изменений мощности в альфа2-(0,941 ± 0,016) и бета2- (0,933 ± 0,004) ритмах, а наименьшие - в бета1- частотном диапазоне ЭЭГ (0,772 ± 0,007) (табл. 1). Анализ количества достоверных (р<0,001) отведений ЭЭГ показал наименьшую величину отведений при воображении движений в левой ноге (в альфа3- и бета1-ритмах), в левой руке (в альфа3-ритме), в правой ноге (в бета1- ритме). Аналогичная тенденция была отмечена при проведении пространственно-частотной фильтрации ритмов ЭЭГ во время воображения движений (CSP) (рис. 1). Нами обнаружена высокая значимость альфа2-и бета2-частотных диапазонов ЭЭГ в формировании контралатерального очага активации при воображении движений в конечностях. В нашей работе анализ ЭЭГ, зарегистрированных при воображении моновекторных движений в 4-х конечностях, выявил полиморфизм ERD/ERS сенсомо-торных ритмов при воображении сгибания пальцев руки и тыльного сгибания стопы в доминантных и не- Таблица 1. Среднее значение площади под ROC-кривой в частотных диапазонах ЭЭГ при воображении движений (М ± m) Типы Ритмы ЭЭГ движении Альфа1 Альфа2 АльфаЗ Бета1 Бета2 Правая 0,899 ± 0,953 0,862 ± 0,766 ± 0,939 рука 0,006 ±0,011 0,003 0,005 ±0,008 Левая 0,889 ± 0,956 ± 0,874 0,797 ± 0,932 ± рука 0,019 0,023 ±0,011 0,009 0,004 Правая 0,896 ± 0,885 ± 0,864 ± 0,759 ± 0,934 ± нога 0,004 0,048 0,012 0,025 0,006 Левая 0,939 ± 0,972 ± 0,857 ± 0,764 ± 0,927 ± нога 0,002 0,002 0,019 0,004 0,017 0.1 ■2Ю.05 Ф 0 0.1 #0.05 э 0 -1- 0.05 . . 1 * 0 10 20 30 Frequency in Hz 10 20 Frequency in Hz 30 10 20 Frequency in Hz 30 А Б В Рисунок 1. Общая картина пространственного распределения во время воображения движений: А - сгибание пальцев левой руки; Б - сгибание пальцев правой руки; В - тыльное сгибание правой стопы. доминантных конечностях (рис. 2). ERD/ERS в ритмах ЭЭГ были более выражены при воображении движений в доминантных конечностях (правой руке и в правой ноге), чем в недоминантных. Кроме общих тенденций изменений ЭЭГ при воображении моновекторных движений в 4-х конечностях, нами обнаружена и индивидуальность ответов сенсо-моторных ритмов ЭЭГ. Так, последовательное воображение одного и того же паттерна движения в верхних и нижних конечностях сопровождалось полиморфизмом характера изменения мощности сенсомоторных ритмов ЭЭГ у разных испытуемых (рис. 3). При воображении сгибания пальцев правой руки у испытуемого А в альфа2 диапазоне ЭЭГ обнаружена реакция синхронизации в теменно-затылочных и двигательных зонах коры больших полушарий и реакция десинхронизации в лобно-височных областях. В то время как у испытуемого Б при воображении сгибания пальцев правой руки преобладала только реакция Рисунок 2. Динамика средних значений мощности в частотных диапазонах ЭЭГ при воображении движений: 1 - сгибание пальцев правой руки; 2 - сгибание пальцев левой руки; 3 - тыльное сгибание правой стопы; 4 - тыльное сгибание левой стопы; 0 - фон. синхронизации в альфа2 диапазоне ЭЭГ (в моторных, теменных, затылочных и височных областях) (рис. 3). При воображении тыльного сгибания правой стопы у испытуемого А обнаружена реакция синхронизации в альфа1-, альфа2-, альфа3- и бета 2-ритмах ЭЭГ. А у испытуемого Б синхронизация обнаружена только в аль-фа3- и бета2-ритмах ЭЭГ. В альфа1 частотном диапазоне ЭЭГ у испытуемого Б в отличие от испытуемого А установлена реакция десинхронизации в центральных, левой фронтальной, правой париетально-темпоральной, правой париетально-окципитальной областях. В качестве проявления индивидуальности ответов сенсомоторных ритмов ЭЭГ при воображении моновекторных движений в 4-х конечностях в наших исследованиях выявлена либо низкая, либо высокая межполушар- Рисунок 3. Динамика средних значений мощности в частотных диапазонах ЭЭГ при воображении движений испытуемых А и Б. 0- фон; 1 - планирование движения. ная асимметрия при воображении движений в верхних и нижних конечностях. Межполушарная асимметрия проявлялась в локализации источника максимальной Сгибание пальцев правой руки Сгибание пальцев левой руки Рисунок 4. LORETA спектральная плотность при воображении одновекторных движений в верхних конечностях испытуемого С, в нижних конечностях испытуемого А. Рисунок 5. Динамика средних значений мощности в частотных диапазонах ЭЭГ при воображении трехвекторных движений в правой руке испытуемого Н. 0 - фон; 1 - сгибание пальцев, 2 - сгибание в локтевом суставе; 3 - ротация кисти. активности (рис. 1, 4), в характере проявлении ERD/ERS сенсомоторных ритмов ЭЭГ (рис. 2). ERD/ERS в сенсомоторных ритмах ЭЭГ была более выражена при воображении движений в доминантных конечностях (правой руке и в правой ноге), чем в недоминантных. Описанные результаты позволяют сделать заключение о том, что при воображении моновекторных движений в доминантных и недоминантных конечностях имеет место полиморфизм ERD/ERS в сенсомоторных ритмах ЭЭГ, но индивидуальные особенности их проявлений открывают возможности их использования в качестве команд для целей ИМК. Анализ ЭЭГ при воображении трехвекторных движений в доминантной руке. Поскольку метод ЭЭГ обладает невысоким пространственным разрешением, то дифференцировать сигналы различных воображаемых движений в одной конечности становится гораздо труднее, поскольку в этом случае активируются близко расположенные участки первичной двигательной коры [6]. В нашем исследовании по паттернам ЭЭГ обнаружена низкая дифференцировка воображаемых трехвекторных движений (сгибание пальцев, сгибание в локтевом суставе, ротация кисти) в доминантной руке (рис. 5). Воображение всех трех типов движений в доминантной руке сопровождалось практически одинаково выраженной ERD/ERS в сенсомоторных ритмах. Таким образом, в работе не установлена значимость изменений мощности сенсомоторных ритмов ЭЭГ для дифференцирования 3-х степеней свободы при воображении движений в одной конечности. В то же время после моделирования 900 двигательных паттернов в течение 30 сек. на аппарате для реабилитации PowerPlate [7, 8] нами установлена возможность четкой диффе-ренцировки изменений мощности сенсомоторных ритмов ЭЭГ двухвекторных воображаемых движений (сгибание пальцев, сгибание в локтевом суставе) доминантной руки [9]. ■ ВЫВОДЫ 1.Воображение моно- и двухвекторных движений конечностей отражается дискретными паттернами в сенсомоторных ритмах ЭЭГ. 2. Во время воображения моновекторных движений в доминантных и недоминантных конечностях имеет место полиморфизм ERS/ERD в сенсомоторных ритмах ЭЭГ, но индивидуальные особенности их проявлений открывают возможности их использования в качестве команд для целей ИМК.

Об авторах

В Ф Пятин

ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России

Email: pyatin_vf@list.ru
Центр прорывных исследований «IT в медицине» СамГМУ.

А В Колсанов

ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России

Email: avkolsanov@mail.ru
Центр прорывных исследований «IT в медицине» СамГМУ.

М С Сергеева

ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России

Email: marsergr@yandex.ru
Центр прорывных исследований «IT в медицине» СамГМУ.

Е С Коровина

ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России

Email: korovina_ekateri@mail.ru
Центр прорывных исследований «IT в медицине» СамГМУ.

А В Захаров

ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России

Email: zakharov1977@mail.ru
Центр прорывных исследований «IT в медицине» СамГМУ.

Список литературы

Дополнительные файлы