Ситникова, А. А. Короновский, А. Е. Храмов

Скачать 96.99 Kb. Название Ситникова, А. А. Короновский, А. Е. Храмов Дата конвертации 31.03.2013 Размер 96.99 Kb. Тип Документы

Содержание Ключевые слова Методы исследования Частотно-временная структура пик-волнового разряда Структура предшественников судорожной активности Гипотетический нейросетевой механизм инициации

ISBN 978-5-7262-1377-4. НЕЙРОИНФОРМАТИКА – 2011. Часть 3 Е.Ю. Ситникова, А.А. Короновский, А.Е. Храмов Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва Саратовский госуниверситет им. Н.Г.Чернышевского [email protected] Электрографические корреляты абсанс-эпилепсии и состояния “судорожной готовности” (по данным вейвлетного анализа) Проведено исследование ритмической активности головного мозга при развитии абсанс-эпилепсии. Обнаружено синхронное появление дельта и тета компонентов непосредственно перед началом эпилептических разрядов (т.н. состояние «судорожной готовности»). Предполагается, что в данном состоянии происходит нарушение баланса в работе главных осцилляторных систем головного мозга (кортико-таламо-кортикальной и септо-гиппокампальной нервных сетей), что способствует возникновению пик-волновых разрядов. ^ Ключевые слова: генетическая модель абсанс-эпилепсии, крысы линии WAG/Rij, вейвлетный анализ, дельта активность, тета-компонент Введение Электроэнцефалографическое исследование традиционно используется в клинике неврологических заболеваний. Результаты электроэнцефалографии (ЭЭГ) являются главным источником информации для диагностики эпилептических расстройств в условиях стационара или амбулатории. Особого интереса заслуживают новые методы и подходы к анализу ЭЭГ, которые направлены на выявление патологических процессов в центральной нервной системе, дающие прогностическую информацию о течении болезни. В рамках этой проблемы мы провели исследование характера изменений ритмической активности головного мозга при развитии эпилепсии, а именно, абсанс-эпилепсии. Клинически абсанс-эпилепсия проявляется как кратковременная потеря сознания (от нескольких секунд до нескольких минут), не сопровождающаяся явными расстройствами движений (за исключением подергиваний мышц лица и глаз). В нашей работе были использованы крысы линии WAG/Rij, имеющие генетическую предрасположенность к абсанс-эпилепсии [1]. У человека и исследованных нами животных приступы абсанс-эпилепсии проявляются внезапно при отсутствии внешних признаков, по которым можно было бы предсказать их появление. Это значительно затрудняет контроль состояния больных и отягчает течение болезни. Диагностическим признаком абсанс-эпилепсии служат генерализованные пик-волновые разряды на ЭЭГ. Считается, что пик-волновые разряды появляются вследствие эпилептической трансформации особой ритмической активности, возникающей в норме во время медленноволнового сна – сонных веретён [2]. Однако, сонные веретена сами по себе не могут провоцировать пик-волновые разряды. Показано, что пик-волновым разрядам предшествуют 5-9 Гц ритмическая активность (исследования на крысах линии GEARS [3]). Интересно, что на ЭЭГ здоровых животных обнаружены 5-9 Гц осцилляции, идентичные предшественникам эпилептических разрядов у крыс линии GEARS. Таким образом, пик-волновые разряды могут развиваться на фоне нормальных физиологических ритмов. Нейрофизиологические механизмы, лежащие в основе инициации эпизодов абсанс-эпилепсии до сих пор остаются неизвестными. Это является центральной проблемой нашего исследования. ^ Методы исследования I. Экспериментальная работа была выполнена на крысах с генетической предрасположенностью к абсанс-эпилепсии (линия WAG/Rij). Многоканальную регистрацию ЭЭГ у крыс проводили в свободном поведении с использованием вживленных электродов. Запись ЭЭГ осуществляли при стандартном световом режиме непрерывно в течение длительного времени (от 5 до 24 часов). В эксперименте были использованы самцы крыс линии WAG/Rij в возрасте от 5 до 12 месяцев (всего 24 крыс). II. Распознавание эпизодов эпилептической активности на ЭЭГ проводили в соответствии с рекомендациями Международной Федерации электроэнцефалографии и клинической нейрофизиологии, IFSECN [4]. Пик-волновые разряды состояли из последовательно сменяющих друг друга высокоамплитудного пика и медленной волны. В данной работе мы руководствовались критериями пик-волновых разрядов, разработанных с учетом видовых особенностей крыс WAG/Rij [5, 6]. Амплитуда пик-волновых разрядов более чем в 3 раза превышала амплитуду фоновой ЭЭГ, длительность разрядов составляла не менее 1 секунды. Пик-волновые разряды имели резко очерченную асимметричную форму с преобладанием негативных компонентов: пика и волны (рис. 1). Рис. 1. Пик-волновые разряды на электроэнцефалограмме крысы линии WAG/Rij (самец, возраст 8 месяцев). Регистрирующие электроды находились в трёх областях коры больших полушарий (лобной, центральной и затылочной). Эпилептические разряды помещены в рамку, справа показаны соответствующие спектры мощности (метод Фурье) III. Частотно-временной анализ ЭЭГ проводили с использованием традиционного для энцефалографии метода быстрого преобразования Фурье, а также непрерывного вейвлетного преобразования с использованием комплексный вейвлет Морле в качестве базисной функции [7]. Непрерывное вейвлетное преобразование представляет собой свёртку исследуемого сигнала x(t) и базисной функции : , где * означает комплексное сопряжение. Базисная функция может быть получена из материнского вейвлета с помощью следующего преобразования: , где s – временной масштаб, определяющий растяжение или сжатие материнской функции, τ – временной сдвиг вейвлетного преобразования и – прототип вейвлетной функции, называемый также материнским вейвлетом. Результаты предварительных исследований свидетельствуют о том, что комплексный вейвлет Морле является наиболее подходящим материнским вейвлетом для частотно-временного анализа сигналов физиологической природы [7, 8]. Комплексный вейвлет Морле описывается формулой: , где параметр определяет форму и ширину вейвлетной функции в фурье-пространстве, а, следовательно, качество разрешения различных частотных компонент сигнала. Параметр определяет отношение между временными масштабами преобразования s и частотами f исходного сигнала. Выбор обеспечивает оптимальное частотно-временное разрешение, при этом соотношение между масштабами вейвлетного преобразования и частотами Фурье-спектра сводится к простой формуле s = 1/f. Вейвлетный спектр – это величина представляющая собой мгновенное значение энергии преобразования, т.е. величину энергии, приходящейся в момент времени τ на масштаб s. ^ Частотно-временная структура пик-волнового разряда Спектральный анализ пик-волновых разрядов с использованием быстрого преобразования Фурье показал, что пик мощности разрядов приходится на частоту ~10 Гц. В спектре были найдены дополнительные пики на частоте ~ 20 Гц (рис.1) и иногда ~ 30 Гц, т.е. высокоамплитудные гармоники, кратные основной частоте следования пиков в составе пик-волновых разрядов. Из теории сигналов известно, что высокочастотные гармоники появляются на спектре мощности сигнала, имеющего регулярные резкие скачки амплитуды (на ЭЭГ это – периодически возникающие острые волны или пики). Появление гармоник на спектре пик-волновых разрядов было впервые описано в работе [9] на крысах WAG/Rij, но этот феномен не получил объяснения и ему не придали особого значения. Непрерывный вейвлетный анализ пик-волновых разрядов, проведенный с помощью комплексного вейвлета Морле, показал, что, во-первых, основная частота следования пиков в течении пик-волнового разряда плавно снижалась от максимального значения в начале разряда 11,1±1,5 Гц (здесь и далее среднее±станд.откл.) до 7,4±0,8 Гц – в конце. Таким образом, в течение пик-волновых разрядов происходило снижение средней частоты в среднем на 2,8±0,8 Гц. Этот феномен был впервые описан И. Мидзяновской и соавторами [10], а затем исследован более детально с применением вейвлетного анализа на базе модифицированного вейвлета Морле [11]. Наши данные полностью подтверждают существование характерной динамики частоты внутри эпилептического разряда, которая была описана в ранних работах [10, 11]. Во-вторых, мы обнаружили, что появление эпилептических (пик-волновых) разрядов на ЭЭГ сопровождалось резким увеличением мощности в широком диапазоне частот 10–100 Гц. При этом каждый отдельный пик, входивший в состав пик-волнового комплекса, отображался на вейвлетном спектре в виде локального всплеска мощности (рис. 2). Эти высокочастотные спектральные компоненты, порожденные регулярной последовательностью пиков на ЭЭГ, послужили важным диагностическим признаком, который лег в основу алгоритма автоматического распознавания пик-волновых разрядов [8]. Данный метод автоматической диагностики эпилептических разрядов на ЭЭГ был основан на расчете суммарной энергии вейвлетного спектра в диапазоне частот 30–50 Гц. Момент, когда это значение превышало пороговый уровень и не снижалось в течение 1 сек, фиксировали как начало эпилептической активности. Момент, когда уровень энергии оказывался ниже порогового, – как конец разряда. Метод позволил распознавать пик-волновые разряды на ЭЭГ с точностью 98–100 %. ^ Структура предшественников судорожной активности В этой части работы приведены результаты анализа ЭЭГ, зарегистрированной в лобной коре. Данная область коры оказалась наиболее интересной в плане развития эпилепсии, поскольку пик-волновые разряды в этой области имеют максимальную амплитуду. Предметом исследования послужили 3-секундные интервалы непосредственно до начала пик-волновых разрядов (т.н. «предшественники разрядов»). Последние имели сложную частотно-временную структуру, которую можно охарактеризовать как совокупность нескольких частотных компонент в диапазоне от 2 до 12 Гц. Рис. 2. Частотно-временной портрет пик-волнового разряда (непрерывное вейвлетное преобразование, комплексный вейвлет Морле). На выноске показано распределение мгновенной мощности вейвлетного спектра в диапазоне частот 1–24 Гц за 0,5 сек до начала разряда. На спектре видны медленно-волновые предшественники разряда в диапазоне дельта и тета частот. Максимальная мощность вейвлетного спектра «предшественников разрядов» была локализована в диапазоне дельта (3–5 Гц) и тета частот (7–11 Гц, pис. 2). Низкочастотные, т.е. дельта компоненты предшествовали ~90 % пик-волновых разрядов, тета компоненты – 92 %. Средняя длительность предшественников составляла примерно полсекунды. Найдены достоверные отрицательные корреляции между частотой и длительностью дельта-компонентов предшественников (–0,89, p <� 0,05), т.е. чем выше частота дельта-компонента, тем он короче. Эту корреляцию можно объяснить существованием некоего гипотетического механизма, обрывающего дельта-предшественники, частота которых оказывалась слишком высокой. У тета-предшественников подобные корреляции отсутствовали. Лишь у 5 % пик-волновых разрядов ритмические предшественники на ЭЭГ отсутствовали. Эти разряды появлялись на ЭЭГ на фоне десинхронизации. В 89% случаев перед началом пик-волновых разрядов обнаруживали оба компонента (дельта и тета). Такая ситуация была нетипична для фоновой ЭЭГ. Эпизоды времени, на протяжении которых дельта и тета компоненты присутствовали на ЭЭГ одновременно, в состоянии активного бодрствования составляли около 8,6 %. Во время глубокого сна – около 2,2 %, во время поверхностного сна – 9,3 % и во время пассивного бодрствования – 12,9 %. Таким образом, максимальный процент сочетанного появления дельта и тета компонентов на неэпилептической ЭЭГ наблюдался во время пассивного бодрствования и поверхностного сна. Как известно, именно эти состояния служат наиболее благоприятным фоном для возникновения пик-волновых разрядов у крыс WAG/Rij [12]: 33 % от общего числа эпилептических разрядов появляется в состоянии пассивного бодрствования и 48 % – во время неглубокого сна. ^ Гипотетический нейросетевой механизм инициации абсанс-эпилепсии Результаты спектрального анализа 1-секундных интервалов ЭЭГ (лобная кора) непосредственно до начала пик-волновых разрядов у крыс WAG/Rij [13] показали, что подавляющее большинство (95 %) этих эпизодов содержали дельта-компонент (1–4 Гц) и 73 % – тета-компонент (4,5–8 Гц). Известно, что дельта активность имеет внутрикортикальное или таламо-кортикальное происхождение [14, 15], в то время как тета активность формируется в септо-гиппокампальной сети. В нервной системе млекопитающих существует механизм, подавляющий осцилляторную активность кортико-таламо-кортикальной сети, когда активна септо-гиппокампальная сеть, и наоборот [14], поэтому в норме дельта и тета осцилляции наблюдаются на ЭЭГ разновременно. Синхронное появление дельта и тета компонентов свидетельствует о нарушении механизма, контролирующего ритмическую активность кортико-таламо-кортикальной и септо-гиппокампальной сетей. Нарушение баланса в работе этих двух осцилляторных систем может способствовать возникновению пик-волновых разрядов. Сценарий развития пик-волновых разрядов на ЭЭГ, который мы наблюдали у крыс WAG/Rij, отличался от такового у крыс GAERS. Известно, что у крыс GAERS началу эпилептических разрядов предшествует 5–9 Гц ритм, который в течение нескольких секунд приобретает форму пик-волнового разряда [3]. Описанный нами тета-предшественник, средняя частота которого составила 8,6 Гц, в определенном смысле может оказаться аналогом 5–9 Гц предвестника эпилептических разрядов у крыс GAERS. Что касается медленноволнового предшественника абсанс-эпилепсии, то это совершенно новый про-эпилептический элемент на ЭЭГ. О существовании подобного элемента нет упоминаний ни в работах на крысах GAERS, ни на других моделях, ни на человеке. Этот вопрос предстоит исследовать в будущем. Заключение Описаны изменения ритмической активности головного мозга, связанные с инициацией пик-волновых разрядов во время абсанс-эпилепсии. Показано, что появлению пик-волновых разрядов предшествует нетипичная (для нормальной неэпилептической ЭЭГ) комбинация ритмических компонентов в диапазоне дельта и тета частот. В целом, наличие одновременно дельта и тета компонентов на ЭЭГ может свидетельствовать о «судорожной готовности» и об опасности возникновения пик-волновых разрядов. Список литературы Coenen A.M.L., van Luijtelaar E.L.J.M. Genetic animal models for absence epilepsy: a review of the WAG/Rij strain of rats // Behavior Genetics. 2003. Vol. 33. № 6. P. 635–655. Kostopoulos GK. Spike-and-wave discharges of absence seizures as a transformation of sleep spindles: the continuing development of a hypothesis // Clinical Neurophysiology. 2000. Suppl. 2: S27–38. Pinault D., Vergnes M., Marescaux C. Medium-voltage 5–9 Hz oscillations give rise to spike-and-wave discharges in a genetic model of absence epilepsy: in vivo dual extracellular recording of thalamic relay and reticular neurons // Neuroscience. 2001. Vol. 105. P. 181–201. IFSECN, International Federation of Societies for Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. Recommendations for the practice of clinical neurophysiology. Amsterdam, New York: Elsevier, 1983. 191 p. Sitnikova E., van Luijtelaar G. Electroencephalographic characterization of spike–wave discharges in cortex and thalamus in WAG/Rij rats // Epilepsia. 2007. Vol. 48. P. 2296–2311. van Luijtelaar E.L.J.M., Coenen A.M.L. Two types of electrocortical paroxysms in an inbred strain of rats // Neuroscince Letters. 1986. Vol. 70. P. 393–397. Короновский А.А., Храмов А.Е. Непрерывный вейвлетный анализ и его приложения. М.: Физматлит. 2003. 176 с. Sitnikova E., Hramov A.E., Koronovskii A.A., van Luijtelaar G. Sleep spindles and spike-wave discharges in EEG: their generic features, similarities and distinctions disclosed with Fourier transform and continuous wavelet analysis // Journal of Neuroscience Methods. 2009. Vol. 180. P. 304. Drinkenburg W.H., van Luijtelaar E.L., van Schaijk W.J., Coenen A.M. Aberrant transients in the EEG of epileptic rats: a spectral analytical approach // Physiology and Behavior. 1993. Vol. 54. P. 779–783. Midzianovskaia I.S., Kuznetsova G.D., Coenen A.M., Spiridonov A.M., van Luijtelaar E.L. Electrophysiological and pharmacological characteristics of two types of spike-wave discharges in WAG/Rij rats // Brain Research. 2001. Vol. 911. № 1. P. 62–70. Bosnyakova D., Gabova A., Zharikova A., Gnezditski V., Kuznetsova G., van Luijtelaar G. Some peculiarities of time-frequency dynamics of spike-wave discharges in humans and rats // Clinical Neurophysiology. 2007. Vol. 118. № 8. P. 1736–1743. Drinkenburg W.H.I.M, Coenen A.M.L., Vossen J.M.H., van Luijtelaar E.L.J.M. Spike-wave discharges and sleep-wake states in rats with absence epilepsy // Epilepsy Research. 1991.Vol. 9. P. 218–224. Sitnikova E., van Luijtelaar G. Electroencephalographic precursors of spike-wave discharges in a genetic rat model of absence epilepsy: power spectrum and coherence EEG analyses // Epilepsy Research. 2009. Vol. 84. № 2–3. P. 159–171. Buzsaki G., Draguhn A. Neuronal oscillations in cortical networks // Science. 2004. 304 № 5679. P. 1926–1929. Steriade M. Neuronal substrates of sleep and epilepsy. Cambridge: Cambridge University Press. 2003. Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 09-04-01302-а. УДК 004.032.26(06) Нейронные сети

---

Ваша оценка:

Похожие:

	Ю. А. Храмов основы диагностики		Ситникова О. Г., учитель профессионально трудового обучения гбоу рх «Черногорская специальная (коррекционная)
	Храмов Ю. А. Хронобиологические аспекты лечения артериальной гипертензии на курортах Сибири. Новосибирск,

Разместите кнопку на своём сайте:
Медицина

---