Синхронизация и десинхронизация сигналов ЭЭГ

Синхронизация потенциалов мозга – это такой процесс в тканях мозга, когда значительное число нервных элементов, целые поля нервных клеток или даже большие системы нервных образований начинают работать в едином ритме и синфазно. Происходит электрическая суммация по амплитуде множества отдельных процессов, текущих, по-видимому, в разных цепях нейронов и в разных участках мозга с небольшими амплитудами. В результате будет записываться относительно простой и чёткий ритм. Предполагается, что этой электрической синхронизации соответствуют определённые физиологические явления, например, уравнивание лабильности, процессы генерализации и т.п.

Синхронизация также наблюдается как ответ на определённые раздражители.

Противоположный процесс называется десинхронизация. Это нарушение синхронной работы больших масс нервных клеток в результате каких-либо внутренних причин (изменение в ходе обменных процессов) или внешних воздействий, например, при включении того или иного раздражителя (что, конечно, также связано с изменением течения обменных процессов в нервных клетках). Обычно десинхронизации подвержены медленные колебания. При этом разные нервные агрегаты, работавшие синфазно, испытывают по какой-либо причине сдвиг фаз.

Другой вид десинхронизации состоит в следующем. Медленный ритм во всех нервных агрегатах сменяется быстрыми ритмами разной частоты. Примером может служить классический случай угнетения альфа-ритма. Угнетение означает уменьшение амплитуды сигнала. Ещё один вид десинхронизации заключается в уменьшении частоты синхронных колебаний в разных очагах возбуждения, причём это уменьшение происходит по-разному. Тогда суммарная энцефалограмма будет представлять десинхронизированный сигнал с неопределённой частотой. Такая десинхронизация наблюдается у человека при дремотном состоянии, когда стадия альфа-ритма сменяется стадией сонного веретена.

Артефакты при регистрации ЭЭГ

Артефакты при регистрации ЭЭГ бывают физического и биологического происхождения. Физическими причинами артефактов являются наводки переменного тока частотой 50 Гц, реже 100 Гц, плохо прижатые электроды, или нарушения контакта электродов с кожей, например, подсохла паста, электроды окислились и т.д.

Артефакты биологического происхождения могут быть связаны с тем, что мышечные потенциалы, которые трудно отличить от быстрых колебаний потенциалов мозга, регистрируются на электроэнцефалограмме. Бывает сигнал кардиограммы накладывается на ЭЭГ, Это можно обнаружить по регулярному появлению на ЭЭГ острых пиков в такт сердцебиениям. Кожногальванический рефлекс в виде плавного смещения нулевой линии записи. Движение глаз и моргание, то-есть сигнал ЭОГ также может записаться на ЭЭГ. Потенциал ЭЭГ мал, составляет от нескольких микровольт до 500 мкВ.

Электроды, используемые при регистрации ЭЭГ.

Когда немецкий врач Г. Бергер в 1929 г. начал впервые записывать электроэнцефалограмму человека, он использовал вкалывающиеся электроды в кожу головы (игольчатые). Вскоре он отказался от них и начал использовать электроды из фольги с фланелевой прокладкой, смоченной раствором поваренной соли. Сейчас используются дисковые и проволочные электроды. Если используются серебряные электроды, то их лучше хлорировать, чтобы предохранить от поляризации, но это не обязательно, так как постоянный потенциал поляризации не усиливается электроэнцефалографическим усилителем переменного тока. Диск или проволочка обёртывается тонким слоем ваты и марли и смачивается раствором поваренной соли (5-10%-ый раствор). Электроды прикрепляется к голове испытуемого лейкопластырем тли коллодием. Их используют на участках, непокрытых волосами. Другой вид электродов – в виде чашечек, пространство в котором заполняется электропроводной пастой. Диаметр электродов 10 – 12 мм. Изготавливаются они из серебра. В чашечке сделано отверстие для дополнительной напрессовки пасты. По краю чашечки пришивается матерчатое кольцо для того, чтобы металл не касался кои. Электрод также укрепляется с помощью лейкопластыря или коллодия.

Существуют также электроды-мостики. Они широко применяются, хотя менее надёжны в использовании. Но при этом не нужно удалять волосы с поверхности головы. Ушные электроды изготавливаются в виде прищепки или клипсы. Контакт осуществляется либо дисковым электродом, обёрнутым марлей, смоченной солевым раствором, либо диском с электропроводной пастой. Электроды должны плотно сидеть на ухе, но не причинять беспокойства, а тем более боли. Электрод для переносицы напоминает оправу для очков.

Шлемы

Шлемы для регистрации ЭЭГ изготавливаются из эластичных резиновых тяжей, натяжения которых регулируется. Электроды-мостики или просто подсовываются под эти тяжи, прижимающие их к голове, или цепляются за них особыми крючками.

Применение ЭЭГ в космическом полёте (по материалам книги Р.М. Баевского «Физиологические измерения в космосе и проблема их автоматизации»).

Электроэнцефалография применяется для экспертизы и отбора лётчиков и космонавтов, а также в целях контроля состояния сознания человека и психического напряжения в полёте. Американские исследователи широко используют возможности ЭЭГ для оценки напряжённости космонавта в полёте. Первыми применили ЭЭГ для регистрации состояния космонавтов советские учёные. На космическом аппарате «Восток» регистрировалась спонтанная активность мозга. Использовались отведения лоб-затылок. Получаемая при этом ЭЭГ называется обзорной. Достоинство такого отведения состоят в том, что в нём помехи минимальны. Помехи возникают от открывания глаз, сжатия челюстей, поворотов головы, движений руками и туловищем и мигания. Такое отведение применяется также для контроля состояния больных во время хирургических операций при анестезии.

Электроэнцефалография проводится при профессиональных медосмотрах лётчиков, причём в этом случае снимается также реоэнцефалограмма головы (реограмма мозга). Напомним, что это измерение комплексного электрического сопротивления (импеданса) головы, которое даёт информацию о состоянии кровеносных сосудов головы. Электроды для регистрации реограммы устанавливаются на лбу и позади ушей. Реоэнцефалография применяется для исследования гемодинамики (т.е. движения крови) головного мозга. Одновременно записывается ЭКГ, и реоэнцефалограмма привязывается к ней по времени.

Существуют три основных направления использования электроэнцефалографии в космонавтике.

1) При отборе и в процессе тренировки лётчиков-космонавтов ЭЭГ используется как показатель реакции центральной нервной системы на действие различных функциональных проб, имитирующих влияние отдельных факторов полёта.

2) ЭЭГ используется в качестве важнейшего показателя, который входит в симптомо-комплекс, определяющий общее состояние человека при развитии острых патологических состояний.

3) Для оценки уровней бодрствования и сна космонавта (в частности, фаз сна) в различные периоды полёта.

Два последних случая возникают например, при выполнении работ, связанных с риском и напряжением (ответственная работа по коррекции орбиты, выход в открытый космос или на поверхность другой планеты и т.п.).

Для отведений используются электроды, смонтированные на внутренней поверхности шлема. Использовались контактные электропроводные пасты и депиляторные средства. На «космической» электроэнцефалограмме хорошо видны альфа-ритм, бета-ритм, дельта и тета-ритмы. В первые часы и дни полёта преобладают высокочастотные компоненты (бета-ритм). Американские следователи отмечают усиление бета-ритма во время полёта и увеличение взаимной корреляции сигналов с отведений во сне.

Наиболее распространённым методом автоматической обработки ЭЭГ является определение спектральной плотности биопотенциалов с помощью анализаторов спектра. Существует также ряд простых, но специфических для ЭЭГ методов.

1) Запись огибающей с компрессированием и суммированием биопотенциалов.

2) Определение среднеарифметических значений всех амплитуд за заданное время.

3) Определение количества волн с амплитудой более 50 мкВ.

4) Вычисление коэффициента асимметрии, который является отношением суммы длительностей восходящих фаз ЭЭГ к сумме длительностей нисходящих фаз за заданное время.

Для оценки функциональной связи между областями головного мозга применяется кросс-корреляционный анализ.

Метод ЭЭГ и психология (по книге Г.Т. Каминской «Основы электроэнцефалографии» 1989 г.)

Исследователи всегда пытались найти связь с видом записи ЭЭГ сигнала и какими-либо психологическими качествами человека. Успеха здесь добиться не удалось, но некоторые полезные сведения об особенностях ЭЭГ здоровых людей были получены. Вот что известно об особенностях проявления альфа-ритма на электроэнцефалограмме человека.

На записи ЭЭГ имеются участки, в течение нескольких секунд сохраняется альфа-ритм. При этом наблюдаются биения колебаний альфа-ритма, которые заключаются в чередовании участков уменьшения и увеличения амплитуды колебаний. Эти биения вызваны незначительным изменением частоты в пределах полосы частот альфа-ритма (8 – 13 Гц). Обычно альфа-ритм широко распространён по структурам мозга. Он хорошо регистрируется и в различных подкорковых образованиях. Для характеристики альфа-ритма используется показатель, который называется индексом альфа-ритма. Это доля времени, в течение которого регистрируется альфа-ритм на выбранном отрезке записи. Иногда он называется процентом времени альфа-ритма. Длительность всей записи ЭЭГ называется эпохой ЭЭГ. Наиболее выраженным является альфа-ритм затылочных областей коры головного мозга. Индивидуальные особенности ЭЭГ резных людей довольно устойчивы.

Имеются разные классификации людей по альфа-ритму. Есть люди с большими и умеренными значениями индексами альфа-ритма в различных зонах коры. При этом наблюдается также большая и умеренная амплитуда альфа-волн. У других лиц ЭЭГ характеризуется полиритмичностью и низким альфа-индексом, причём альфа-волны имеют низкую или умеренную амплитуду и появляются в разных областях коры головного мозга одновременно. Общий вывод различных исследователей – альфа-ритм тесно связан с активностью зрительного анализатора.

Известно, что альфа-ритм присутствует в ЭЭГ постоянно у 15% нормальных взрослых людей, у 10% не обнаруживается, а у 70% появляется в состоянии покоя при закрытых глазах, т.е. в отсутствие зрительной информации. У абсолютно слепых людей альфа-ритм в состоянии бодрствования отсутствует. Если человек находится в абсолютной темноте, то интенсивность сигнала затылочной части (где находится фокус альфа-ритма) значительно уменьшается.

Альфа-ритм закономерно связан с памятью. Запоминание слов оказывается менее эффективным, если они предъявляются испытуемому на фоне максимально выраженного альфа-ритма по сравнению с запоминанием их на фоне полиритмической активности мозга, т.е. при десинхронизации электроэнцефалографических сигналов.

Депрессия (разрушение) альфа-ритма происходит под влиянием различных сенсорных и несенсорных факторов. Альфа-ритм исчезает при открывании глаз даже в темноте, если испытуемый пытается что-нибудь разглядеть. Такие эмоции, как беспокойство и страх, также вызывают депрессию альфа-ритма.

Различные виды умственной деятельности, такие как зрительно-моторные реакции, решение шахматных задач, умножение чисел в уме, сопровождается различной по глубине депрессией альфа-ритма с различным пространственным распределением фокуса активности по коре больших полушарий. Депрессия альфа-ритма входит обязательным компонентом в ориентировочную реакцию. Эти факты дают основание предполагать, что не само раздражение, а привлечение внимания к раздражителю вызывает депрессию альфа-ритма. Этот вывод, высказанный ещё Г.Бергером, нашёл в дальнейшем своё подтверждение.

О работоспособности человека-оператора

Альфа-ритм, который чередуется с бета-волнами и небольшим числом тета-волн, характеризует максимальную работоспособность при выполнении сложной операторской деятельности. Если сигнал к действию подаётся на фоне высокой альфа-активности затылочной области, качество работы оператора ухудшается. Это выражается в увеличении суммарной ошибки при выполнении задания. Установлено также, что околопороговые стимулы лучше различаются на фоне низкоамплитудных альфа-волн.

При регистрации ЭЭГ в космическом полёте наблюдается застойная экзальтация альфа-ритма при длительной гиподинамии космонавта в невесомости. Практически все характеристики альфа-ритма и только альфа-ритма являются генетически детерминированными.

Сонные веретёна (или сигма-ритм) наблюдаются во время лёгкого сна или под наркозом. Частота их 14 -16 колебаний/с, а амплитуда –30-50 мкВ. В глубоком сне они переходят в более медленные дельта-волны. Веретёнообразный ритм широко распространён по структурам мозга. В коре больших полушарий сигма-ритм приурочен к передним областям. Здесь регистрируются колебания потенциалов на этой частоте, имеющие максимальную амплитуду. Менее выраженные колебания можно отводить практически во всех областях новой коры. Из подкорковых структур веретенообразная активность хорошо выражена прежде всего в таламических ядрах (как специфических, так и неспецифических). Веретенообразная активность регистрируется также в ретикулярной формации ствола мозга, в стриопаллидарном комплексе и в гипоталамусе.

Стресс-ритм

Стресс-ритмом называется тета-ритм (4-7 колебаний/с). Он встречается не только у человека, но и у приматов и даже у животных с низкой степенью кортикализации мозга, например, у кролика и крысы. У человека тета-ритм выявляется в детстве, усиливаясь при эмоциональных сдвигах, а также при поражении мозга, при вовлечении мозга в патологический процесс, особенно при поражении глубинных структур. Применение сенсорной стимуляции на фоне тета-ритма, как правило, вызывает его угнетение. При нарушении сознания в этом случае ритм ЭЭГ остаётся без изменений. В нормальной ЭЭГ обычно встречается или нерегулярная медленная активность, или медленные волны с тета-периодом (4-7 колебаний/с). Их амплитуда может меняться в пределах от 20 до 50 мкВ, причём чаще она составляет 20-30 мкВ.

Бета-ритм

Частота бета-волн составляет от 15 до 30 колебаний/с и идут они вместе с гамма-волнами, у которых частота больше 30 колебаний/с. Амплитуда бета-волн в 2-4 раза меньше, чем у альфа-волн, т.е. для бета-волн она составляет 10-50 мкВ, а у альфа-волн она равна ~ 50-100 мкВ. Поэтому у многих людей бета-ритм оказывается ниже уровня регистрации приборами. Форма колебаний бета-ритма – неправильная, зубчатая. Трудно судить о непрерывности бета-волн, так как они накладываются на альфа-волны (и на патологические формы волн) или маскируются ими. Часто бета-волны видны между веретёнами альфа-волн. Их амплитуда возрастает при подавлении альфа-активности внешними стимулами. Наиболее регулярны и лучше выражены бета-волны в передних отделах полушарий.

Медленные волны

Эти волны с ритмом ниже 4 колебаний/с присущи детскому возрасту. Только к 12 – 15 годам формируется альфа-ритм. Этот медленный ритм является у детей как бы стадией развития альфа-ритма. Он, так же как и альфа-ритм, лучше выражен в затылочных областях и тоже отвечает на освещение глаз. При задержке развития, например, у инфантильных молодых людей можно наблюдать более или менее медленные ритмы в ЭЭГ. Дельта-волны возникают у здоровых взрослых людей во время сна. Медленные волны часто встречаются как разновидность патологических электрических колебаний, возникающих, например, в результате нарушений клеточного метаболизма при эндокринных расстройствах, черепно-мозговых травмах, опухолях и воспалительных процессах мозга.