Электроэнцефалографическая семиотика

 

Электроэнцефалография как самостоятельная область клинической диагностики имеет свой специфический язык, устанавливающий соответствие между наблюдаемыми на ЭЭГ изменениями электрических потенциалов и терминами, используемыми для их обозначения, а также между этими терминами и определенными представлениями анатомии, физиологии и клиники. Совокупность этих взаимосоответствий и составляет содержание электроэнцефалографической семиотики [4].

Для выделения на ЭЭГ значимых признаков ее подвергают анализу. Как для всякого колебательного процесса, основными понятиями, на которые опирается параметризация ЭЭГ, являются её частота, амплитуда и фаза.

Частота определяется количеством колебаний в секунду. Поскольку ЭЭГ представляет собой вероятностный процесс, на каждом участке записи встречаются, строго говоря, волны различных частот, поэтому в заключение приводят среднюю частоту оцениваемой активности. Обычно берут 4-5 отрезков ЭЭГ длительностью в 1 с и сосчитывают количество волн на каждом из них. Средняя из полученных данных будет характеризовать частоту соответствующего ритма на ЭЭГ (рис.3а).

 

 

Амплитуда - размах колебаний электрического потенциала на ЭЭГ, измеряют от пика предшествующей волны до пика последующей волны в противоположной фазе (рис.3б), оценивают амплитуду в микровольтах (мкВ). Для характеристики какой-либо ритмической активности ЭЭГ выбирается мода (наиболее часто встречающееся значение амплитуды).

Фаза определяет текущее состояние процесса и указывает на направление вектора его изменений. Некоторые феномены на ЭЭГ оценивают количеством фаз, которые они содержат. Монофазным называется колебание в одном направлении от изоэлектрической линии с возвратом к исходному уровню, двухфазным - такое колебание, когда после завершения одной фазы кривая переходит исходный уровень, отклоняется в противоположном направлении и возвращается к изоэлектрической линии. Полифазными называют колебания, содержащие три и более фаз (рис.4).

 

 

Ритмы ЭЭГ

 

ЭЭГ представляет собой случайный процесс, обусловленный суммацией электрических потенциалов, генерируемых многими миллионами нейронов, активность которых в свою очередь определяется случайной синаптической бомбардировкой и, возможно, собственными колебаниями потенциала, обусловленными метаболическими процессами. В связи с этим ее спектр оказывается чрезвычайно сложным и широким, хотя количественные соотношения мощностей по каждой из этих частот различны. Из-за ограниченных перцепторпых возможностей человека при визуальном анализе ЭЭГ, применяемом в клинической электроэнцефалографии, целый ряд частот не может быть достаточно точно охарактеризован оператором, так как глаз человека выделяет только некоторые основные частотные полосы, явно присутствующие в ЭЭГ. В соответствии с возможностями ручного анализа введена классификация ритмов ЭЭГ по некоторым основным диапазонам, которым присвоены названия букв греческого алфавита [5].

Под понятием "ритм" в ЭЭГ подразумевается определенный тип электрической активности, соответствующий некоторому состоянию мозга и связанный с определенными церебральными механизмами. Соответственно при описании ритма дается его частота, типичная для определенного состояния и области мозга, амплитуда и некоторые характерные черты его изменений во времени при изменениях функциональной активности мозга.

 

 

В клинических исследованиях обычно выделяют четыре типа ритмов, последовательно возрастающей частоты: дельта, тета, альфа и бета ритмы. Альфа-ритм с частотой 8-13 Гц и амплитудой до 100 мкВ является основным для предварительного выявления отклонений от нормы, и он регистрируется у 85-95% здоровых взрослых в спокойном расслабленном состоянии с закрытыми глазами. Лучше всего он выражен в затылочных (зрительных) отделах, по направлению ко лбу амплитуда его постепенно уменьшается и комбинируется с бета-ритмом. В лобных отделах регистрируется очень слабо выраженный альфа-ритм и бета-колебания, сравнимые с ним по амплитуде. Ритм исчезает при афферентных раздражениях любой модальности, но особенно он чувствителен к зрительным раздражениям. Амплитуда альфа-активности может варьировать (20-110мкВ), она максимальна в состоянии пассивного бодрствования, снижается, как в состоянии активного бодрствования (активация коры), так и в состоянии дремоты (дезактивация коры). Амплитуда альфа-ритма даже в одном и том же состоянии колеблется от минимума до максимума, формируя веретёна - горизонтально ориентированные амплитудные модуляции.

Экзальтация (или гиперсинхронизация) альфа-активности (увеличение индекса и амплитуды) наблюдается при раздражении как ассоциативных, так неспецифических ядер таламуса. Дезорганизация альфа-ритма - нерегулярность частоты, изменение формы волн, рост амплитуды и нарушение пространственного распределения по коре мозга, возникают при поражении зрительного бугра. Редукция (ослабление) альфа-активности - уменьшение индекса, амплитуды колебаний, замедление ритма, обычно сопутствует локальным или диффузным поражениям самой коры больших полушарий, а также негрубым поражениям различных уровней ствола мозга. Наряду с этим известен феномен "альфа-комы" - наличия сохранной альфа-активности при коматозных состояниях с летальным исходом, связанных с грубыми поражениями ствола мозга на понто-мезенцефальном уровне.

Бета-ритм с частотой 14-40 Гц и амплитудой до 15 мкВ является ведущим ритмом активного бодрствования и лучше всего регистрируется в области передних центральных извилин, однако распространяется и на задние центральные и лобные извилины. Бета-ритм связан с соматическими, сенсорными и двигательными корковыми механизмами и даёт реакцию на двигательную активацию или тактильную стимуляцию. При выполнении или даже умственном представлении движения бета-ритм исчезает в зоне соответствующей корковой проекции. Различают два диапазона бета-ритма: β1 с частотой 14-18 Гц и β2 с частотой 18-40 Гц. Обычно бета-ритм выражен достаточно слабо (3-7 мкВ) и может маскироваться шумами и электромиограммой (ЭМГ).

Для здоровых людей в состоянии бодрствования выделяют три варианта β1:

затылочный, высокоамплитудный, блокируемый при зрительной стимуляции (его синоним "быстрый вариант альфа-ритма");

центральный, блокируемый контралатерально при сенсомоторных раздражениях. Этот вариант связан с двигательной деятельностью. У больных с полушарной, корковой патологией отсутствует на стороне поражения;

диффузный, низкоамплитудный, не изменяющийся ни при каких раздражениях. У больных эпилепсией β1 этого варианта усиливается перед спонтанным развитием судорожных припадков. При этом ритм сначала имеет частоту 24-22 пер/сек, затем замедляется до 18-16 пер/сек, нередко сопровождаясь в это время появлением комплексов "пик-волна".

Медленные ритмы: тета-ритм с частотой 4-6 Гц и дельта-ритм с частотой 0,5-3 Гц имеют амплитуду 40-300 мкВ и в нормальном состоянии характерны для некоторых стадий сна.

Тета-активность доминирует в детском возрасте, пока ещё не сформирована альфа-активность. У здоровых взрослых людей нерегулярная, низкоамплитудная тета-активность может сохраняться в передних отделах мозга, не являясь признаком патологии. Установлена связь тета-активности с эмоциональными состояниями. Диффузно выраженная тета-активность отмечается у больных с клиническими признаками поражения диэнцефальной области. В лобных отделах тета-активность обнаруживается при патологии в области заднечерепной ямки с воздействием на мозжечок. Перемежающаяся тета-активность в задних отделах мозга отмечается у больных с психическими нарушениями.

Дельта-активность в норме регистрируется во время физиологического сна. В патологии она является наиболее характерным признаком нарушения функционального состояния мозга. Местными факторами, вызывающими изменения деятельности корковых нейронов с появлением дельта-активности, являются, главным образом, гипоксия, нарушение метаболизма и дисциркуляции расстройства в системах ликворообращения и кровообращения. Описано появление дельта-активности на ЭЭГ в связи с состоянием нижележащих структур мозга, а именно: фармакологическое блокирование таламуса, раздражение переднего гипоталамуса, патологические состояния базолатеральных отделов миндалин или заднего гипоталамуса, поражения в области базальных систем переднего мозга, поражения мозжечка и других поражений [3].

Применение ЭЭГ

 

Диагностика заболеваний. ЭЭГ позволяет судить о таких свойствах мозга как физиологическая зрелость, функциональное состояние, наличие очаговых поражений, общемозговых расстройств и их характере. Вследствие чего, ЭЭГ является основным методом диагностики таких заболеваний человека как эпилепсия, опухоли мозга и расстройства сна.

Эпилепсия - хроническое заболевание головного мозга, характеризующееся повторными приступами, которые возникают в результате чрезмерной нейронной активности и сопровождаются различными клиническими и параклиническими проявлениями.

С помощью ЭЭГ можно:

установить участки мозга, участвующие в провоцировании приступов;

следить за динамикой действия лекарственных препаратов;

решить вопрос о прекращении лекарственной терапии.

Расстройство сна - это медицинское состояние, при котором у человека нарушается естественный цикл сна. Описано около сотни различных видов расстройств сна, таких как обструктивное апноэ сна (одним из симптомов которого является храп), бессонница и нарколепсия.

При исследовании сна устанавливают специальные датчики для длительной регистрации дыхания, движения ног, электроокулограммы (ЭОГ), электрокардиограммы (ЭКГ), ЭЭГ, ЭМГ, насыщения крови кислородом, уровня углекислого газа, положения пациента, звука и температуры. Затем эта информация анализируется врачами-сомнологами и пациенту выдается заключение с рекомендациями по лечению.

Лечение с помощью биологической обратной связи. ЭЭГ, проводимая обычным способом (регистрация активности клеток мозга на бумаге), сопровождается световыми и звуковыми проявлениями. Пациент видит свою ЭЭГ и пробует воздействовать на ее ритм. Этот процесс выглядит в виде тренировки больного с целью управления световыми, звуковыми сопровождениями ЭЭГ или меняющимися изображениями на экран компьютера. Таким способом удается в определенной степени управлять активностью клеток мозга и воздействовать на некоторые виды приступов.

Нейрокомпьютерный интерфейс. При намерении совершить какое-либо действие у человека изменяется электрическая активность соответствующих зон головного мозга. Эти сигналы снимаются электроэнцефалографом и в виде цифровых данных поступают в компьютер, где производится вычисление признаков сигнала, характерных для того или иного мысленного процесса. Далее набор признаков разделяют по типам, и компьютер вырабатывает команду, управляющую исполнительным устройством. Пользователь в режиме реального времени наблюдает за реакцией системы на свое мысленное действие. Такая система называется нейрокомпьютерным интерфейсом (НКИ). Подобный интерфейс может найти применение как в клинике для больных с нарушенным мышечным контролем, так и в повседневной жизни.

Нестационарность ЭЭГ

 

Несколько лет назад ученые полагали, что основные изменения динамики ЭЭГ могут быть изучены на основе вероятностно-статистических приближений, не принимая во внимание биофизическую природу электрических процессов коры головного мозга. Главным выводом было, что ЭЭГ может быть описано с помощью основных стохастических принципов (другими словами с помощью вероятностных распределений), но только на довольно коротких промежутках времени (обычно не больше 10 - 20 секунд), так как ЭЭГ оказалась очень нестационарным процессом. Вариация мощности основных спектральных характеристик электроэнцефалограммы (для 5 - 10 секундных участков) достигала 50 - 100% [6].

В первых работах, посвященных анализу статистических свойств ЭЭГ как стохастического процесса, было показано, что распределение амплитудных значений ЭЭГ соответствует гауссовским параметрам. Это очень важное заключение для понимания природы суммарной ЭЭГ. В соответствии с центральной предельной теоремой гауссовские свойства ЭЭГ можно было бы объяснить взаимной независимостью индивидуальных источников (генераторов) коркового электрического поля, что разрешало бы в полной мере применение параметрических методов математической статистики к анализу ЭЭГ сигнала и существенно упрощало бы его содержательные трактовки. Однако, ряд авторов не подтвердил гауссовскую структуру ЭЭГ. Причина столь явных противоречий в основном была связана с тем, что для тестирования авторы использовали фрагменты ЭЭГ разной длительности. Короткие сегменты ЭЭГ, до 10 с, как правило хорошо аппроксимировались гауссовским распределением, а более длинные - до 1 мин, обычно не подчинялись нормальному закону. Можно было предположить, что более продолжительные записи ЭЭГ отличались тем, что были составлены из отдельных фрагментов, каждый из которых аппроксимировался своим законом нормального распределения, а в совокупности - распределение естественно оказывалось не нормальным.

Позднее были получены конкретные данные о зависимости между соответствием гауссовскому распределению и длиной участка оценивания ЭЭГ. Оказалось, что при увеличении длительности ЭЭГ от 4-х до 64-х секунд количество участков соответствующих гауссовскому распределению снижалось от 90 до 20% при дискретизации ЭЭГ сигнала на частоте Найквиста.

Итак, в попытках оценить базовые статистические параметры ЭЭГ исследователи в явном виде столкнулись с проблемой, когда свойства даже одно - двух минутного фрагмента ЭЭГ не соответствуют свойствам составляющих этот фрагмент коротких участков ЭЭГ записи. Следовательно, суммарные оценки для неоднородного фрагмента ЭЭГ не могут адекватно отражать содержания нервной деятельности на анализируемом интервале. Только стационарные участки ЭЭГ сигнала могут быть подвергнуты обычному статистическому анализу. В этой связи потребовалось определить и само понятие стационарности в отношении к ЭЭГ.

В узком смысле этому понятию соответствуют такие процессы, основные моменты n-мерного распределения которых остаются неизменными во времени при любых n, где n - число последовательных отсчетов ЭЭГ на участке оценивания. Теоретически каждый такой отсчет имеет свое распределение, которое проявляется при многократных реализациях тестируемого процесса, генерирующих целый ансамбль значений для каждого отсчета. Однако на практике для отслеживания стационарности динамического процесса обычно достаточно контролировать постоянство во времени математического ожидания, дисперсии и параметров корреляционной функции для одномерного распределения значений по каждому отсчету этого процесса. В этом случае можно говорить о стационарности в широком смысле. В частном случае, когда одинаково нормальными оказываются все n распределений данного процесса - этот процесс называется гауссовским.

Тем не менее обычно исследователь не имеет возможности набрать достаточное число синхронных реализаций ЭЭГ для оценивания статистических моментов по ансамблю реализаций каждого отсчета. Остается надеяться, что ЭЭГ является так называемым эргодическим процессом, когда статистические оценки, усредненные по ансамблям реализаций каждого отсчета совпадают с соответствующими оценками, усредненными по последовательным отсчетам во времени однократной реализации. Достаточным условием эргодичности процесса является стремление к нулю модуля функции автокорреляции при увеличении временного сдвига, что обычно характерно для ЭЭГ сигнала. При этом условии основные характеристические параметры ЭЭГ сигнала можно вычислить по совокупности последовательных отсчетов только одной, но достаточно представительной реализации.

Оценивая подобным образом участки ЭЭГ различной длительности Макэвен и Андерсон показали, что гауссовость и стационарность соблюдаются одновременно лишь для 15-20% участков ЭЭГ записи длительностью по 16 с каждый, а при уменьшении продолжительности этих участков до 4-х секунд указанные условия выполняются для 70-80% записи ЭЭГ. Если же не учитывать свойство гауссовости, то можно говорить о стационарности в широком смысле. Этому критерию отвечают до 70-80% 16-ти сек участков ЭЭГ и до 95% участков ЭЭГ, длительностью менее 4 с [7]. Таким образом, главный вывод серии работ, посвященных рутинному статистическому анализу ЭЭГ как стохастического процесса состоит в том, что ЭЭГ сигнал на обычных интервалах оценивания в десятки секунд является явно нестационарным процессом, тогда как значительная доля коротких участков ЭЭГ, в пределах 2-4 с, все же обладает свойством стационарности.

Статистическая неоднородность ЭЭГ сигнала заставляет исследователей с большой осторожностью относиться к содержательным интерпретациям суммарных фазово-частотных характеристик. Пользователи систем картирования ЭЭГ хорошо знают, что, как правило, усредненная на 1-2-х минутной записи карта корковых электрических потенциалов может иметь мало общего с последовательными картами, построенными для более дробных участков этой записи.

Даже для наиболее генерализованных реакций коркового электрического поля, например при реакции десинхронизации ЭЭГ в ответ на предъявление структурированного зрительного стимула, за хорошо выраженной картиной трансформации усредненного в пределах 1 мин частотного спектра скрываются разнородные спектральные перестройки на коротких интервалах оценивания. Оказалось, что усредненная спектральная картина десинхронизации складывается за счет статистически значимых однонаправленных изменений спектра всего для 15-40% 2-х секундных участков ЭЭГ. Следовательно, большинство коротких участков ЭЭГ на фоне ее тотальной десинхронизации либо вовсе не меняют свой спектр относительно фона, либо имеют даже противоположные основной тенденции спектральные сдвиги.

В своей совокупности подобные факты свидетельствует о том, что динамическая картина ЭЭГ процесса становится отчетливой только при рассмотрении достаточно коротких его сегментов. Это побудило исследователей к разработке специализированных методов сегментации ЭЭГ.