Нейротерапия

Нейротерапия (англ. Neurofeedback [нейрофидбэк]) — это ряд основанных на нейрофизиологии методов, используемых для изменения мозговых функций. Эти методы включают ЭЭГ-БОС, транскраниальную микрополяризацию и транскраниальную магнитную стимуляцию.

ЭЭГ-биоуправление (биологическая обратная связь по ЭЭГ — ЭЭГ-БОС)

ЭЭГ-биоуправление — техника саморегуляции с использованием биологической обратной связи по ЭЭГ (ЭЭГ-БОС). Параметры ЭЭГ (например, мощность ЭЭГ в определенном частотном диапазоне) в процессе биоуправления регистрируются со скальпа и предъявляются субъекту в виде сигналов зрительной, слуховой или тактильной модальности. Задача состоит в произвольном изменении этих параметров в заданном (ведущем к более эффективной работе мозга) направлении.

Схема ЭЭГ-биоуправления и ТКМП
Схема ЭЭГ-биоуправления и ТКМП

Вверху: пример ЭЭГ, зарегистрированной со скальпа, у ребенка с СНВГ. Спектры мощности рассчитаны и сопоставлены С базой данных (не показано). Параметр ЭЭГ-БОС вычисляется и предъявляется пациенту на экране. Пациенту удается подавлять тета-активность и увеличивать бета-активность (внизу). Такой же результат может быть достигнут при деполяризации пирамидных нейронов путем предъявления постоянного тока с помощью металлического электрода, расположенного на коже головы.

Использование спектрального анализа ЭЭГ позволило выявить существенные отличия амплитудных значений ЭЭГ в некоторых частотных диапазонах при ряде мозговых дисфункций от этих показателей у здоровых лиц. ЭЭГ-биоуправление представляет собой инструмент для коррекции этих отклонений от нормы. ЭЭГ-БОС основана на трех научных фактах. Во-первых, параметры ЭЭГ отражают мозговую дисфункцию при определенных заболеваниях. Во-вторых, человек может произвольно изменять свое состояние, и эти изменения могут быть связаны с увеличением или снижением этих параметров. В-третьих, мозг способен запоминать это новое состояние и долгое время сохранять его не только в лабораторных условиях, но и в другой обстановке, например дома или в школе. Исторически ЭЭГ-БОС впервые была использована в клинической практике для лечения пациентов с эпилепсией. Этому предшествовали серьезные лабораторные исследования на кошках. Позднее ЭЭГ-биоуправление стало применяться для коррекции поведения у детей с СНВГ. В настоящее время этот метод используется при разнообразных мозговых дисфункциях.

Следует отметить, что параметры спектров ЭЭГ — не единственные физиологические показатели, отражающие работу мозга. По существу, такими параметрами могли бы быть: вызванная десинхронизация/синхронизация как мера реактивности ритмов ЭЭГ, компоненты когнитивных вызванных потенциалов как показатели этапов обработки информации в нейронных сетях мозга, сверхмедленные потенциалы мозга, сигналы фМРТ и другие параметры гемодинамической/метаболической активности мозга. Информация об этих данных может быть «возвращена» индивидууму в виде сигналов обратной связи и, следовательно, использована для произвольного контроля над мозговыми функциями.

Интерфейс «мозг — компьютер»

Биологическая обратная связь по электрофизиологическим параметрам может использоваться не только для саморегуляции работы мозга. Она может применяться для обмена информацией с внешним миром и для управления техническими приборами, например протезами и микропроцессорами. Этот тип использования биологической обратной связи назван «интерфейс «мозг-компьютер», Brain-Computer Interface (BCI). Обычно в процессе освоения BCI человек учится контролировать физиологические параметры работы своего мозга (такие как ЭЭГ или когнитивные ВП).

Транскраниальная микрополяризация (ТКМП)

Наши знания о работе мозга могут быть объединены в два постулата: обработка информации представлена быстрыми аксонными потенциалами нейронов, в то время как модуляция этой обработки выражена в более медленных колебаниях потенциалов. Нам также известно, что некоторые физиологические процессы, такие как внимание или подготовка к действию, связаны со сверхмедленными сдвигами электрических потенциалов, зарегистрированными со скальпа. Логично предположить, что непосредственное воздействие электрического тока на нейронные сети будет оказывать модулирующее влияние на работу мозга. Существует несколько методов такого воздействия. Один из них состоит в применении постоянного тока для изменения поляризации кортикальных нейронов. Применение анодного или катодного тока, направленного вдоль апикальных дендритов пирамидных клеток коры, может изменить их мембранные потенциалы вблизи аксонных холмиков и, следовательно, изменить вероятность возникновения нейронных разрядов в ответ на некоторые внешние стимулы. Многие исследования показали, что анодная ТКМП является активирующей процедурой, в то время как катодная ТКМП оказывает противоположный эффект. Стимуляция постоянным током стала изучаться в лабораторных условиях в 1960-х. Однако успехи вскоре зародившейся психофармакологии затмили первые положительные результаты электростимуляции. Финансовая поддержка исследований стимуляций постоянным током на Западе была сокращена, и в течение двух десятилетий СССР являлся единственной страной, где продолжались эти работы. Теперь мы наблюдаем возрождение этого метода. Недавно он был использован в реабилитации пациентов, перенесших инсульт. В Центре нейротерапии Института мозга человека Российской академии наук мы применяем этот метод у пациентов с СНВГ и задержками речи.

ТМС, ТЭС и другие виды стимуляции

Следует подчеркнуть, что основанные на электрофизиологии способы модуляции работы мозга не ограничиваются транскраниальной микрополяризацией и ЭЭГ-БОС. В число методов нейротерапии входят также транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), стимуляция переменным током, электроконвульсивная терапия (ЭКТ), глубинная стимуляция мозга (deep brain stimulation — DBS) и некоторые другие. Основная идея всех этих методов заключается в стимуляции (или подавлении) активности нейронов определенных зон коры с помощью электромагнитных полей.

Методы нейротерапии

Плацебо

Нейронная основа плацебо

Плацебо-эффект (модель)
Рис.1. Плацебо-эффект (модель)

А. Схема расположения имплантированных электродов у пациента с болезнью Паркинсона. Б. Гистограммы в постстимульном периоде (ось Y—усредненная величина разряда, ось X — время). Гистограммы в постстимульном периоде рассчитаны для двух случаев: 1) плацебо, т.е. в отутствие ГСМ (вверху); 2) ГСМ (середина). Сетевой эффект представлен в виде разницы двух гистограмм.

На рис. 1 схематически представлен плацебо-эффект. Стимуляция проводилась в двухстимульном тесте с использованием предупреждающего и запускающего стимулов, следовавших с 2-се-кундными интервалами. Регистрация проводилась у пациента с болезнью Паркинсона с электродов, имплантированных с диагностической и терапевтической целью. Для регистрации импульсной активности мультинейронов использовались те же электроды, при подаче на которые высокочастотной электрической стимуляции у пациента подавлялся тремор. Можно видеть, что предъявление предупреждающего стимула изолированно увеличивает фоновую нейронную активность и повышает нейрональную реакцию на моторные действия. Глубинная стимуляция мозга (ГСМ) с помощью этих электродов повышает фоновую активность и реакцию на действие, но не меняет подготовительную активность в промежутке между предупреждающим и запускающим стимулами. Реакции, предшествующие глубокой стимуляции мозга, представлены в верхней части рис. 1, в то время как реакции, непосредственно сопровождающие ГСМ, показаны в средней части. «Сетевой» эффект стимуляции, представляющий собой разность между обеими реакциями, представлен внизу. Обратите внимание на то, что плацебо индуцирует подготовительную активность подобно тому, как ее вызывает ГСМ. Это так называемый плацебо-эффекг, хотя ГСМ индуцирует более выраженный ответ на моторное действие. Сетевой эффект ГСМ проявляется как повышение фоновой активности и увеличение реактивности таламических нейронов.

Это простое наблюдение повторилось 30 лет спустя в работе Бенедетти и его коллег в 2004 г. Авторы регистрировали импульсную активность нейронов субталамического ядра у пациентов с болезнью Паркинсона с помощью электродов, имплантированных для глубинной стимуляции мозга. Активность отдельных нейронов регистрировалась до и после приема плацебо с целью выявления связи изменений нейронной активности с клиническим плацебо-ответом. В качестве плацебо пациентам давали соленый раствор, говоря при этом, что это — лекарство от болезни Паркинсона. Эта процедура выполнялась в процессе операции после предоперационного фармакологического лечения апоморфином, мощным средством при болезни Паркинсона. У пациентов, отвечавших на плацебо, было обнаружено значимое уменьшение нейронных разрядов и редуцирование вспышек активности субталамических нейронов, в то время как у пациентов, не отвечавших на плацебо, этих изменений не было. Следует отметить выраженную корреляцию между субъективными отчетами пациентов, клинической неврологической оценкой и электрической активностью отдельных нейронов.

Необходимость в двойных слепых плацебо-контролируемых исследованиях

Эти наблюдения показывают, что любое лечение (включая ГСМ, фармакотерапию и ЭЭГ-биоуправление) сопровождается психологическими ожиданиями, которые могут влиять на терапевтический результат. Эффект ожидания называется эффектом плацебо (или ложным эффектом). Во время подготовительных операций активируется вся широко распространенная система управления (включая дорсолатеральную префронтальную кору и базальные ганглии). Более того, нейрональные реакции во время подготовки к движению в некоторых случаях сходны с реакциями на сами двигательные акты.

Плацебо-эффекты демонстрируют величайшую способность человека к саморегуляции. Эти эффекты имеют реальную нейрофизиологическую основу, и могут быть обнаружены с помощью ЭЭГ и других методов визуализации. Плацебо-эффект должен быть исключен при доказательстве эффективности любого нового терапевтического метода. Поэтому любой новый метод должен быть проверен в двойных слепых плацебо-контролируемых исследованиях. «Двойной слепой» означает, что ни испытуемый, ни экспериментатор не знают, является ли тестирование истинным или ложным. В таких исследованиях дается ложное (плацебо) лечение, но пациент вериг в то, что оно эффективно, и ожидает клинического улучшения. Плацебо-эффект — результат ложного лечения. Обзор на тему плацебо-эффекта представлен Ф. Бенедетги и его коллегами в Journal of Neuroscience в 2005 г.1

ЭЭГ-биоуправление

История

Основные события истории ЭЭГ-биоуправления кратко представлены в табл. 1. Первая попытка представить большой обзор исследований в этой области была сделана в книге «Введение в количественную ЭЭГ и ЭЭГ-биоуправление», изданной Д. Эвансом и А Абарбанелем в 1999 г.

Физиология условных рефлексов создает объективные основы для ЭЭГ-биоуправления. Эксперименты по условным рефлексам были выполнены И.П. Павловым в Институте экспериментальной медицины в С.-Петербурге. Институт был основан в 1890 г. принцем Ольденбургским — членом русской царской семьи. Плодотворные идеи Павлова позднее продолжали развивать его ученики. В конце 1940-х П.С. Купалов, в прошлом студент Павлова, разработал методологию ситуационных условных рефлексов. На Западе этот метод был назван оперантным обусловливанием. В этом методе не внешние стимулы, а поведенческие реакции животных служили безусловными стимулами. Во времена Павлова обычно это были моторные реакции, например животное бежало в определенную секцию экспериментального помещения. В 1930 г американский математик Н. Винер в сотрудничестве с мексиканским психологом А Розенблютом представил концепцию обратной связи применительно к биологическим системам. Эта концепция в дальнейшем развилась в науку, названную Винером «кибернетика» в его книге, опубликованной в 1948 г. Приблизительно в то же время русский ученый П.К. Анохин, ученик Павлова и Бехтерева, в 1935 г. разработал теорию функциональных систем. Ключевым элементом этой теории была нейрональная обратная связь — взаимодействие между так называемым «акцептором действия» и поведенческим приспособлением животного.

Следуя традициям Российской школы физиологической науки, Н.Н. Василевский, профессор Института экспериментальной медицины, в конце 1960-х— начале 1970-х гг. начал исследовать клеточные механизмы ЭЭГ-биоуправления. Н.В. Черниговская, работавшая в то время в отделе физиологии человека этого же института, стала использовать метод биологической обратной связи в лечении неврологических и психических заболеваний. Идея была простой: тренировать мозг или мышцы (как в случае церебрального паралича), используя для обратной связи физиологический параметр. Для биоуправления использовались паттерны ЭЭГ, электрическая активность мышц и медленные метаболические процессы. Приблизительно в то же время американский исследователь Д. Камия обнаружил, что испытуемые могли научиться произвольно контролировать уровень альфа-активности. Для достижения этой цели каждый раз, когда испытуемый генерировал альфа-ритм, исследователь сообщал ему об этом. Поэтому, хотя Н. Винер и П.К. Анохин сформулировали идею обратной связи в 1930—40-х годах, только в 1960-х годах впервые было показано, что данные ЭЭГ могут служить в качестве параметров обратной связи для саморегуляции работы мозга. Позднее Б. Стерман в своей работе с кошками представил ритм, связанный с сенсомоторной системой и поэтому названный «сенсомоторным ритмом». С помощью оперантного обусловливания кошки обучались генерировать этот ритм с использованием пищевого подкрепления. Также было обнаружено, что тренинг предотвращал развитие экспериментальных судорожных приступов у этих животных. Вскоре после этого сенсомоторный тренинг был применен при эпилепсии. По данным этих работ, ЭЭГ-биоуправление значительно снизило судорожные проявления и нормализовало ЭЭГ.

Таблица 1. История ЭЭГ-биоуправления

ГодСобытие

Начало XX столетия

И.П. Павлов разработал методику изучения условных рефлексов у собак

Конец 1940-х

П.С. Купалов разработал методику ситуационных условных рефлексов у животных

1930-40-е

Н. Винер и П.К. Анохин сформулировали идею обратной связи в саморегуляции живых организмов

1960-е

Б. Стерман (США) проводил опыты по экспериментальному рефлексу на кошках, а результат использовал для лечения эпилепсии

1962

Д. Камия (США) показал, что испытуемые могут управлять альфа-ритмом в условиях обратной связи

1960-70-е

В ИЭМе в Ленинграде Н.Н. Василевский и Н.В. Черниговская заложили основы современного метода биологической обратной связи в теории и на практике

1970

Немецкий ученый Н. Бирмбаум использовал медленные электрические процессы мозга для биологической обратной связи и успешно начал применять этот метод в лечении эпилепсии

1970-80-е

Американский ученый Д. Любар доказал эффективность тренинга для лечения СНВГ

Середина 1980-х

Применение нейрометрики (Р. Джон, США) для создания протоколов ЭЭГ-биоуправления

Настоящее время

Начало использования данных LORETA и фМРТ для создания протоколов ЭЭГ-БОС. В 2006 International Journal for Neurotherapy отпраздновал 10-летний юбилей

В 1969 г. метод саморегуляции работы мозга с помощью ЭЭГ и других физиологических параметров получил название биологической обратной связи (biofeedback). ЭЭГ-биоуправление использовалось для лечения неврозов и эпилепсии, а также в антистрессовой реабилитации у ветеранов Вьетнамской войны в США. В Германии в 1970-х Н. Бирмбаум и его коллеги стали использовать медленные электрические процессы мозга для биоуправления при эпилепсии и шизофрении.

Это был период эйфории, когда казалось, что биологическая обратная связь может стать панацеей от всех заболеваний мозга. Однако в 1974 г. в статье Линча и соавт. было показано, что испытуемые, научившиеся управлять альфа-ритмом при открытых глазах, не могли увеличить его в большей степени, чем просто закрывая глаза. Статья продемонстрировала пределы возможностей человека при ЭЭГ-биоуправлении, но эти ограничения были истолкованы слишком буквально и привели к снижению популярности этого метода. Все же несколько энтузиастов продолжали заниматься ЭЭГ-БОС. Важную роль сыграли исследования американского ученого Д. Любара, выполненные в 1970—80-х годах в Университете штата Теннесси. Он показал, что сеансы увеличения мощности бета-ритма с одновременным уменьшением мощности тета-ритма у пациентов с СНВГ значительно уменьшали у них проявления гиперактивности и улучшали концентрацию внимания. Однако в те годы в научных исследованиях использовался метод проб и ошибок и за ними не было никакой солидной теории.

В то же самое время (в начале 1970-х) в области ЭЭГ был разработан новый подход. Исследователем из Медицинского центра Университета Нью-Йорка Р. Джоном он был назван нейрометрикой. Основная идея нейрометрики состояла в сравнении количественных параметров индивидуальной ЭЭГ с теми же параметрами, рассчитанными для нормативной группы. Эта идея была революционной, поскольку до тех пор стандартная оценка электроэнцефалограммы состояла только в визуальном анализе сигналов сырой ЭЭГ.

В середине 1980-х годов произошло слияние двух подходов — ЭЭГ-биоуправления и нейрометрики, что сформировало новое направление, названное нейротерапией. Американская фирма «Лексикор» первой организовала выпуск нейротерапевтических систем. В настоящее время этот подход активно развивается. Новые представления о генезе ритмов ЭЭГ позволили создать теоретическую базу этого подхода. Только в США существует несколько компаний, специализирующихся на анализе ЭЭГ и на разработке индивидуальных протоколов нейротерапии.

Принцип«бульдозера» в ЭЭГ-биоуправнении

ЭЭГ-БОС базируется на двух фактах: 1) состояние мозга (включая любую дисфункцию и дисрегуляцию) объективно отражается в параметрах ЭЭГ, зарегистрированной со скальпа; 2) мозг человека обладает способностью к запоминанию желательных (и поэтому поощряемых) состояний. При ЭЭГ-биоуправлении некоторые текущие параметры ЭЭГ, зарегистрированной со скальпа (например, мощность ЭЭГ в определенном частотном диапазоне, или отношение мощностей ЭЭГ разных частотных диапазонов) предъявляются индивиду в виде сигналов зрительной, слуховой или тактильной модальности с заданием произвольно изменять эти параметры в желательном (ведущем к более эффективной работе мозга) направлении. Локализация электродов и параметры ЭЭГ (называемые параметрами ЭЭГ-биоуправления) изменяются в зависимости от целей ЭЭГ-биоуправления. Вместе взятые локализация электродов и параметр ЭЭГ-БОС определяют так называемый протокол ЭЭГ-биоуправления. В лечебных целях большинство специалистов по ЭЭГ-БОС прямо или косвенно использует принцип «бульдозера». Согласно этому принципу, задача ЭЭГ-биоуправления состоит в нормализации патологически измененного паттерна ЭЭГ Так, при избыточной представленности какого-либо ЭЭГ-параметра у конкретного пациента в определенной области коры задача ЭЭГ-биоуправления состоит в снижении этого параметра, при недостаточности какой-либо другой характеристики ЭЭГ соответствующий ЭЭГ-параметр при тренинге повышается. Метод работает, как бульдозер, заполняя ямы и выравнивая ухабы.

Сравнение с базой данных

В настоящее время практика ЭЭГ-биоуправления в клинике предполагает несколько ступеней его применения. Первая ступень включает создание протокола ЭЭГ-биоуправления на основе параметров количественной ЭЭГ. Грандиозный объем эмпирических знаний по анализу ЭЭГ помогает выявить связь некоторых аномальных паттернов ЭЭГ с различными неврологическими и психическими расстройствами. Например, для части популяции СНВГ характерно увеличение отношения «тета/бета» в теменных-центральных-лобных (в зависимости от возраста) отведениях.

Для анализа количественной ЭЭГ обычно требуется запись активности с по меньшей мере 19 электродов. Спектральные характеристики ЭЭГ при открытых и закрытых глазах и во время некоторых психологических тестов (например, Oddball-тест или арифметический тест) статистически сопоставляются с нормативной базой данных. Это сопоставление дает объективную информацию об отличиях спонтанной активности ЭЭГ пациента от таковой у здоровых сверстников. Статистически значимое отклонение от нормы на кривых спектров или когерентности определяет параметры процедуры ЭЭГ-биоуправления, такие как локализация электродов (например, Fz, Cz), и параметры ЭЭГ-биоуправлеия (например, отношение «тета/бета»). Этот этап схематично изображен на рис. 2.

Определение положения электродов

Первый шаг при создании протокола ЭЭГ-биоуправления — сравнение с базой данных
Рис.2. Первый шаг при создании протокола ЭЭГ-биоуправления — сравнение с базой данных

Шаг включает построение спектров фоновой ЭЭГ, сравнение спектров с базой данных и определение точек расположения электродов. А. Фоновая ЭЭГ 13-летней девочки с СНВГ с sUDRETA-изображением медленной активности внизу. Б. Разница ЭЭГ-спектров (пациент — нормативные данные) со значительным уровнем отклонения от нормы (внизу — разностная волна для Cz) и топограмма различий спектров. В. Отношение тета/бета у пациента и в группе здоровых сверстников.

На рис. 2 вверху слева представлен фрагмент сырой ЭЭГ 13-летней девочки с симптомами СНВГ. Спектры целого фрагмента ЭЭГ при открытых глазах были сосчитаны (не показано) и сравнены с нормативными спектрами. Разность спектров (пациент-норма) вместе с Z-значениями представлены в средней части рис. 2. Обратите внимание на избыточную (р < 0,001) медленную активность под электродом Cz. Наряду с увеличением медленной активности отношение мощности «тета/бета» (индекс невнимательности), рассчитанное для Cz, у этой пациентки в 2,5 раза выше, чем в группе здоровых сверстников. Этот факт указывает на локализацию одного электрода для протокола ЭЭГ-биоуправления, а именно в точке Cz. Положение второго электрода может быть определено на основе градиента спектрального параметра. Карта градиента отклонения от нормы в тета-диапазоне (6 Гц) показывает, что волна различий резко снижается в Fz. Эго наблюдение указывает на локализацию второго электрода для протокола ЭЭГ-биоуправления.

Определение параметра ЭЭГ-биоуправления

Первый шаг при создании протокола ЭЭГ-биоуправления — определение параметра ЭЭГ-биоуправления
Рис.3. Первый шаг при создании протокола ЭЭГ-биоуправления — определение параметра ЭЭГ-биоуправления

А. Топограмма отклонений спектра от нормы. Б. Спектр, рассчитанный для монтажа Cz-Fz для всей эпохи ЭЭГ при открытых глазах по сравнению с нормативными данными. В. Фрагмент ЭЭГ пациента в монтаже Cz-Fz.

После определения локализации электродов следует выбрать параметр ЭЭГ-биоуправления — спектральные характеристики ЭЭГ, которые пациент будет изменять при тренинге. Для этого нужно реконструировать паттерн сырой ЭЭГ пациента для уже установленного расположения электродов. Для сравнения с нормативной базой данных HBI Database мы выбираем фрагмент ЭЭГ пациента при открытых глазах. Такая процедура позволяет реконструировать, как будет выглядеть паттерн ЭЭГ у данного больного при данном биполярном монтаже. Результат ремонтажа представлен на рис. 3 внизу. Спектры фрагмента ЭЭГ при открытых глазах представлены справа. Опираясь на спектры, мы можем выбрать частотные диапазоны для расчета параметра ЭЭГ-биоуправления. Низкочастотный диапазон может составлять от 3 до 7 Гц, в то время как высокочастотный — от 13 до 21 Гц. Для нормализации спектров пациента (т.е. для приближения их к нормативным данным) необходимо увеличивать высокочастотную активность и подавлять низкочастотную. Процедура «нормализации» может проводиться с использованием лишь одного параметра: отношения мощностей ЭЭГ, рассчитанных для низкочастотного и высокочастотного диапазонов.

Процедура тренинга

Второй этап — это сам тренинг, при котором обычно на скальпе размещаются два электрода, согласно локализации, установленной на первом этапе. Заземляющий электрод может бьггь установлен в любом месте, обычно — на одной из ушных мочек. В отличие от таких техник, как ТМС, ГСМ и ТКМП, мозг не подвергается воздействию тока. С помощью электродов лишь регистрируется текущая ЭЭГ, при этом компьютер постоянно рассчитывает параметр ЭЭГ и предъявляет его в определенном виде пациенту. В обычной жизни без помощи приборов для ЭЭГ-биоуправления мы не способны влиять на ЭЭГ в желательном направлении, поскольку человек, как и животные, не осознает паттерны своей ЭЭГ.

Существует много систем для ЭЭГ-биоуправления, разработанных разными производителями, такие как Lexicor, Brain Master, Thought Technology, Brain Inquiry. Важнейшими в любой процедуре ЭЭГ-биоуправления являются две характеристики, описывающие: 1) насколько надежно рассчитанный параметр ЭЭГ-биоуправления отражает текущее состояние мозга; 2) насколько часто обновляется параметр, предъявляемый испытуемому, т.е. насколько точно он следует изменениям состояния мозга.

Первая характеристика — это в действительности период интеграции текущих колебаний ЭЭГ, также называемый скользящим окном. Вторая характеристика — это интервалы времени, в течение которых интегрированный параметр предъявляется испытуемому. Из исследований когнитивных ВП мы знаем, что состояние мозга может изменяться с интервалом времени в 100 мс, в то время как индивид реагирует на стимул в течение 300 мс. Эти данные позволяют определить, с какой частотой рассчитанный параметр должен предъявляться испытуемому. В современных компьютерах вычисление происходит очень быстро, и теоретически скорость предъявления параметра ЭЭГ-биоуправления может быть очень высокой. Однако для надежного измерения спектров ЭЭГ необходима по меньшей мере одна секунда записи, т.е. 10 циклов основного ритма, что определяет параметр интеграции ЭЭГ-биоуправления.

Расчет параметров ЭЭГ-биоуправления

Различные производители предлагают разные способы вычисления спектральных характеристик параметра ЭЭГ-биоуправления. Эго следующие методы: 1) разложение с использованием быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transformation — FFT) (рис. 4); 2) цифровая фильтрация с использованием фильтров с конечной переходной характеристикой (КИХ-фильтры) (рис. 5); 3) цифровая фильтрация с использованием фильтров с бесконечной переходной характеристикой (БИХ-филыры). Любой из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Не вникая в технические детали и исходя из соображений теории и из опыта нашей лаборатории, предпочтительнее использовать БИХ-фильтры.

Второй шаг — расчет в реальном времени параметра ЭЭГ-биоуправления с помощью быстрого преобразования Фурье
Рис.4. Второй шаг — расчет в реальном времени параметра ЭЭГ-биоуправления с помощью быстрого преобразования Фурье
Второй шаг — расчет параметра ЭЭГ-биоуправления с помощью КИХ-фильтра
Рис.5. Второй шаг — расчет параметра ЭЭГ-биоуправления с помощью КИХ-фильтра

Сверху вниз—фоновая ЭЭГ, параметры КИХ-филыра, фильтрованная ЭЭГ, фрагменты фильтрованной ЭЭГ, величины потенциалы которой возведены в квадрат для 1-секундного скользящего окна. Усреднение возведенных в квадрат потенциалов дает оценку мощности в заданном диапазоне. Параметр ЭЭГ-биоуправления определен как отношение мощностей ЭЭГ в двух частотных диапазонах.

Таким образом, когда испытуемые получают обратную связь от своего мозга, т.е. могут видеть или слышать образ своего параметра, предполагается, что они учатся изменять этот параметр в желаемом направлении. Пациент обычно находится перед экраном компьютера. Изображение на дисплее может быть очень простым, например вертикальной полосой, или комплексным и многомерным, с использованием различных цветов и форм. В качестве сигнала БОС могут служить компьютерные игры, разработанные компаниями-производителями, или профессиональные компьютерные игры (например, Need-for-Speed), в которой параметр игры (например, скорость автомобиля) контролируется с помощью ЭЭГ-биоуправления. В нашей практике мы используем технологию, включающую компьютер, видеоплейер (он может быть встроен в компьютер) и телевизор или компьютерный монитор. Пациенты смотрят любимые фильмы, при этом параметр ЭЭГ-биоуправления, вычисляемый компьютером, контролирует качество видеоизображения: чем ближе к норме параметр, тем лучше изображение.

При любом из способов предъявления параметра ЭЭГ-биоуправления пациент концентрирует внимание на сигнале обратной связи и пытается запомнить связь между параметром и своим состоянием. Это непростая задача. Более того, она может быть решена разными способами. При такой неопределенности возникает вопрос: как помочь пациенту наиболее эффективно справиться с заданием. Некоторые специалисты по биоуправлению предпочитают не давать никаких инструкций пациентам, рекомендуя лишь «делать это». Другие же дают рекомендации в зависимости от типа процедуры: релаксации или активации. Процесс обучения при ЭЭГ-биоуправлении можно сравнить с техникой обучения езде на велосипеде. Обучение езде на велосипеде требует времени!

Кривая тренинга

Второй этап процедуры ЭЭГ-биоуправления предполагает оценку результатов тренинга после каждого сеанса. Дело в том, что не все пациенты могут научиться контролировать параметр ЭЭГ-биоуправления. Для этого существует несколько причин: 1) неправильный выбор параметра — ошибка инструктора; 2) неспособность связать изменения параметра с субъективным состоянием — ошибка пациента. Для оценки успешности пациента в контроле параметра компании-производители предлагают инструменты для расчета так называемых кривых тренинга. Эти кривые представляют собой сглаженную динамику параметра в процессе отдельного сеанса. Если параметр во время периода тренинга статистически отличается (р < 0,05) от параметра во время отдыха, сеанс можно рассматривать как успешный (рис. 6). Если в течение 5—7 сеансов не наблюдается никаких успехов, следует прервать тренинг и выбрать новый протокол.

Кривая обучения

Третий шаг — определение качества сеанса нейротерапии
Рис.6. Третий шаг — определение качества сеанса нейротерапии

А. Кривая тренинга — сглаженная динамика параметра ЭЭГ во время отдельного сеанса. Успешность тренинга определяется как отношение средней величины параметра ЭЭГ в период тренинга к среднему значению этого параметра в период отдыха. Это отношение, рассчитанное для ряда сеансов и представленное в виде диаграммы, образует кривую обучения (Б).

Третий этап процедуры ЭЭГ-БОС включает оценку положительных изменений, вызванных сеансами ЭЭГ-биоуправления. Обычно для обучения изменению параметра биоуправления необходимо приблизительно пять сеансов, в то время как для «консолидации» приобретенного навыка требуется 20—35 дополнительных сеансов. Динамика параметра ЭЭГ отражается в так называемой кривой обучения, представляющей собой динамику абсолютных или относительных показателей тренинга для каждого сеанса. На рис. 6 показана техника вычисления относительного показателя успешности процедуры тренинга для отдельного сеанса. Этот показатель рассчитан как отношение усредненных величин параметра ЭЭГ-биоуправления во время периодов тренинга и отдыха.

Можно оценить уровень достоверности различий между этими величинами.

Методы вычисления параметра ЭЭГ-биоуправления

Следует подчеркнуть, что протоколы ЭЭГ-биоуправления базируются не только на FFT или цифровой фильтрации ЭЭГ. Могут быть предложены другие протоколы ЭЭГ-биоуправления. Один из возможных параметров — величина корреляции ЭЭГ в различных зонах коры, в частности когерентность или ко-модуляция (предложенная в нормативной базе данных Б. Стермана и Д. Кайзера).

Другой подход — использование электромагнитной томографии низкого разрешения (low resolution electromagnetic tomography — LORETA или sLORETA) для тренинга в определенных зонах коры. Этот подход основан на том факте, что ЭЭГ, зарегистрированная под отдельным электродом, отражает активность не только лежащей под ним коры, но и отдаленных корковых зон. Таким образом, если мы хотим проводить ЭЭГ-биоуправление в локальной области коры, нам нужно использовать томографические методы, позволяющие рассчитывать параметры корковой ЭЭГ на основе скальповой ЭЭГ, зарегистрированной с множества электродов. Локальная корковая ЭЭГ, извлеченная из многоканальной скальповой ЭЭГ, называется виртуальной ЭЭГ. Метод конструирования внутрикорковой ЭЭГ для тренинга в локальной области коры был впервые применен М. Конджедо в лаборатории Д. Любара2. Авторы назвали этот метод LORETA-биоуправление. Недавно в нашей лаборатории была разработана компьютерная программа, позволяющая вычислять плотность локальных источников тока в коре с помощью метода sLORETA Сам метод не дает систематической ошибки локализации и был недавно разработан Р. Паскуале-Марки (Rascual-Marqui, 2006). Все известные техники биоуправления перечислены в табл. 2.

Типы протоколов ЭЭГ-биоуправления

Таблица 2. Техники ЭЭГ-биоуправления

НазваниеПараметры ЭЭГ-биоуправленияПримеры использования

Спектры ЭЭГ

Мощность ЭЭГ в определенных частотных диапазонах, или отношение мощностей ЭЭГ в двух частотных диапазонах для одного канала ЭЭГ, или отношение мощностей ЭЭГ одного диапазона под разными электродами. Для извлечения этих параметров используются FFT, вэйвлет-преобразование или цифровая фильтрация

Sterman, 1971; Lubar and Shouse, 1976

ЭЭГ-когерентность

Параметр когерентности отражает корреляцию ЭЭГ в определенном частотном диапазоне между различными точками на скальпе

Horvat, 2004

LORETA

Виртуальная ЭЭГ, рассчитанная с помощью LORETA для интересующей области и соответствующие спектральные характеристики

Congedo et al. 2004

sLORETA

Плотность локальных источников тока в коре, рассчитанная с помощью метода sLORETA

Ponomarev, Kropotov, 2007

Частотные диапазоны ЭЭГ в протоколах активации и релаксации
Рис.7. Частотные диапазоны ЭЭГ в протоколах активации и релаксации

Схема показывает взаимосвязь между метаболической активностью и мощностью ЭЭГ в различных частотных диапазонах. В альфа-диапазоне (8-12 Гц) эта корреляция отрицательна, и поэтому альфа-тренинг является протоколом «релаксации». В то же время в бета-диапазоне корреляция позитивна, в связи с чем увеличение бета-активности представляет собой протокол «активации».

С точки зрения физиологии протоколы ЭЭГ-биоуправления можно разделить на две большие категории: активирующие и релаксирующие. Это разделение основано на данных о корреляции между активностью ЭЭГ различных частотных диапазонов и метаболической активностью по результатам ПЭТ или фМРТ в соответствующих зонах коры(рис. 7). Активирующие протоколы заключаются в увеличении высоких (> 13 Гц) частот ЭЭГ, а релаксирующие — в увеличении мощности (8—12 Гц) альфа-диапазона и в некоторых случаях — частот ЭЭГ ниже 8 Пх. Хотя важность локализации электродов трудно переоценить, ниже из дидактических соображений мы рассматриваем протоколы вне связи с электродной локализацией.

Протоколы активации

Активирующий бета-тренинг — общепринятый метод, используемый для разнообразных целей. Протокол направлен на активацию определенной области коры. В нашей практике в процессе относительного бета-тренинга у детей с СНВГ мы иногда сталкиваемся с феноменом «ага», при котором инструктор вдруг обнаруживает конкретное ментальное состояние, связанное с генерацией высокоамплитудной бета-активности в лобных областях. Дети обычно говорят: «Ага, теперь я знаю, что значит быть внимательным!» Бета-тренинг обычно выполняется в левом полушарии, поскольку в соответствии с теорией Дэвидсона активация левого полушария мозга, особенно лобной доли, связана с улучшением настроения и положительными эмоциями. Возможные негативные побочные эффекты могут включать возбуждение и раздражительность. Поэтому продолжительность сеанса может составлять лишь 10 минут, но все же обычно доходит до 20—30 минут. Часто бета-тренинг проводится в конце сеанса, чтобы вызвать у пациента состояние бодрости и энергичности.

В другом типе активирующих протоколов в качестве параметра обратной связи используется когерентность. Когерентность — это индекс количественной ЭЭГ, отражающий корреляцию между показателями мощности ЭЭГ в определенном частотном диапазоне для двух отдельных регионов. Поданным наших исследований, у детей с СНВГ снижена когерентность в альфа-диапазоне в лобно-центральных областях. СНВГ как расстройство системы управления, по-видимому, характеризуется нарушением координации в лобно-моторных зонах коры, что проявляется в снижении когерентности ЭЭГ в этих областях. То обстоятельство, что популяция СНВГ с проявлениями гипофронтальности характеризуется гипокогерентностью, может являться нейрофизиологической основой для протоколов «когерентности». Эти протоколы, по-видимому, связаны с активацией тренируемых зон.

Протоколы релаксации

Альфа-тренинг (8—12 Гц) — общепринятый метод, используемый для многих целей. Принимая во внимание то, что альфа-ритмы—это «холостые» ритмы мозга, мы можем заключил», что протоколы ЭЭГ-биоуправления, связанные с увеличением их мощности, это — релаксирующие протоколы, т.е. протоколы, направленные на деактивацию, торможение соответствующих зон коры. При релаксирующем тренинге часто предъявляются слуховые стимулы, поскольку зрительные стимулы активируют и десинхронизируют ЭЭГ в большей степени, чем слуховые.

Протокол Пенистона — Кулкоски

Протокол Пенистона — Кулкоски — это разновидность релаксирующего протокола, представляющая собой следующее. Сначала пациенты обучаются глубокой релаксации с помощью обратной связи по кожной температуре с использованием аутогенных приемов в течение не менее 5 сеансов. Во время последующих сеансов они занимаются ЭЭГ-биоуправлением с активным электродом в точке 01, при этом, находясь в состоянии релаксации с закрытыми глазах, они получают звуковые сигналы обратной связи. Для настроя на расслабление и погружение в себя используется стандартный текст. Когда уровень альфа-активности превышает установленный порог, предъявляется приятный тон, и при обучении произвольно вызывать этот тон пациент становится все более расслабленным. Когда амплитуда тета-волн (4—8 Гц) достигает достаточно высокого уровня, предъявляется другой тон, эффект релаксации усиливается, и пациент, согласно Пенистону, погружается в гипнагогическое состояние свободных ассоциаций и высокой внушаемости. Переход из состояния преобладания альфа-активности в состояние преобладания тета-акгивности называется перекрестом. Находясь некоторое время в тета-состоянии, пациенты могут быть чрезвычайно расслабленными и даже погрузиться в ступор. Впоследствии часто необходимо побеседовать с пациентом, чтобы убедиться в том, что он вышел из состояния повышенной сенситивности и погруженности в себя.

ЭЭГ-биоуправление и нейротерапия

Нейротерапия, помимо ЭЭГ-биоуправления, включает другие методы модуляции состояния мозга, основанные на электрофизиологии/Это транскраниальная микрополяризация, стимуляция переменным током, включающая глубинную стимуляцию мозга, транскраниальная магнитная стимуляция. ЭЭГ-БОС, в свою очередь, можно разделить на два подтипа: ЭЭГ-биоуправление и DC (или медленноволновая) БОС. ЭЭГ-биоуправление (как подтип ЭЭГ-БОС) — это метод коррекции или регулирования активности мозга с помощью электрофизиологической обратной связи. При такой обратной связи некоторые показатели ЭЭГ, например мощность ЭЭГ в конкретном частотном диапазоне, когерентность между корковыми областями или отношение «тета/бета», используются в качестве параметров БОС.

Восточные техники саморегуляции

Можно провести параллель между нейротерапией и восточными техниками саморегуляции. Древние восточные искусства саморегуляции, такие как йога и Ци-Гун, в действительности базируются на способности человека сознательно влиять на внутренние психологические процессы. Однако для того чтобы овладеть этими искусствами, требуются большие затраты времени и энергии. Более того, часто необходимо непосредственное взаимодействие учителя и ученика. Говоря языком современной технологии ЭЭГ-биоуправления, в восточной технике саморегуляции и релаксации учитель (гуру) является своего рода агентом обратной связи. Процесс нейротерапии занимает существенно меньше времени и управляется обратной связью, исходящей непосредственно из мозга индивида. Более того, ЭЭГ-биоуправление не ограничивается протоколами релаксации.

Ложный эффект

Следует уделить особое внимание плацебо-эффекту нейротерапии (см. методы выше). Плацебо-эффекг, как мы знаем из вышеизложенного, имеет определенные нейрональные механизмы, составляет до 30 % «чистого» эффекта фармакопрепаратов, и не имеет смысла отрицать его присутствие при ЭЭГ-биоуправлении. На ранних этапах становления нейротерапии плацебо-эффект неоднократно проверялся для двух протоколов — сенсомоторного тренинга и бета-тренинга. В настоящее время новые протоколы сравниваются не с плацебо-условием, а с ситуацией, в которой пациент принимает лекарство, эффективное при его заболевании. Это делается из этических соображений: было бы негуманно оставить пациента без лечения при наличии эффективных методов терапии.

Минимизация побочных эффектов

Как скальпель в хирургии, биоуправление может как лечить, так и наносить вред. Метод не может использоваться без знания о нарушениях работы мозга в каждом конкретном случае. Нейротерапия — это метод коррекции специфических симптомов, основанный на комбинации биоуправления и диагностической системы нейрометрики. Нейрометрика помогает установить электрофизиологические основы дисфункции мозга и вид протокола ЭЭГ-биоуправления, показанного в конкретном случае.

Поэтому нейротерапия может проводиться только сертифицированным специалистом, следующим базовым принципам нейротерапии на практике. Только в нескольких университетах проводятся курсы по количественной ЭЭГ и нейротерапии. Один из них находится в Техасе, США, другой — в Тронхейме, Норвегия.

Одно из достоинств нейротерапии состоит в том, что побочные эффекты метода минимальны. Не секрет, что многие фармакопрепараты влияют не только на целевую нейротрансмиссию, но и на другие биохимические процессы в мозге и в организме в целом. Поэтому инструкция по применению любого лекарства включает длинный перечень побочных эффектов. По сравнению с фармакопрепаратами нейротерапия влияет на процессы мозга селективно. Более того, индивид активно участвует в процессе коррекции, сознательно или бессознательно избегая вредных эффектов с целью самосохранения. Поэтому о побочных воздействиях нейротерапии в литературе практически не упоминается, хотя это не значит, что они совсем не встречаются.

Устойчивость эффекта

Другое преимущество нейротерапии состоит в устойчивости эффекта. Суть ней-ротерапевгической процедуры — это в действительности обучение. Эта процедура часто сравнивается с процессом приобретения специфического навыка, например умения ездил» на велосипеде. Когда человек впервые садится на велосипед, ему трудно держать равновесие, но после нескольких попыток он может с уверенностью держать руль; после довольно долгой тренировки некоторым даже удается ездить, не касаясь руля. Похожая ситуация складывается при нейротерапии: вначале индивиду сложно уловить связь между своими ощущениями и показателями биоэлектрической активности, предъявляемыми на экране. Но когда постепенно эта связь становится понятной, человека осеняет: «Ага, я знаю, как это делать!» Далее навык закрепляется, и ивдивцд обучается удерживать нужное состояние долгое время и не только в лабораторных условиях, но также дома и в школе. После 20—40 сеансов курс нейротерапии может бьггь завершен, но навык сохраняется на всю жизнь.

Ограничения ЭЭГ-биоуправления

Означает ли вышесказанное, что у нейротерапии нет недостатков? Конечно, нет. Один из факторов, ограничивающих использование нейротерапии, — это большая продолжительность сеансов, занимающая от 20 до 40 часов рабочего времени клинициста, и такой же длительности интенсивный тренинг у пациента. Помимо этого, перед началом курса нейротерапии техник должен зарегистрировать ЭЭГ пациента. Затем подготовленный специалист устанавливает тип дисрегуляции мозговой деятельности и разрабатывает индивидуальный протокол нейротерапии. Это занимает 3—5 рабочих часов квалифицированных специалистов. На данное время в мире создано довольно небольшое количество приборов для нейротерапии с соответствующим программным обеспечением. Для большинства из этих систем дополнительно требуется ЭЭГ-оборудование для регистрации многоканальной ЭЭГ для диагностических целей.

Другой важный фактор для успешности нейротерапии — это мотивация пациента. Нейротерапия, как любая другая процедура обучения, базируется на настрое и мотивации. Чем выше уровень мотивации, тем выше приобретенный навык. В некоторых нейротерапевтических центрах мотивация у детей стимулируется с помощью призов в форме денежных вознаграждений, игрушек или жетонов, которые впоследствии можно обменять на деньги или игрушки. Важную роль в успешности нейротерапии играет помощь семьи. Действительно, в процессе нейротерапии мозг постепенно изменяется, но для того чтобы эти небольшие изменения привели к сдвигам поведенческого паттерна, требуются дополнительные усилия. Например, предполагается, что параметр внимания улучшается под влиянием относительного бета-тренинга, но внимательность — не единственный параметр, определяющий поведение. Самого по себе хорошего внимания недостаточно, чтобы дети могли использовать этот новый навык во время уроков в школе или лучше адаптировать свое поведение к общению с родителями или сверстниками. Некоторые пациенты с СНВГ, по-видимому, не могут сами изменить сложившийся имидж «трудного» ребенка и нуждаются для этого в помощи родителей и учителей. Чтобы помочь ребенку преодолеть эти социальные трудности, родителям может потребоваться специальный тренинг.

Медицинское и немедицинское применение

Биоуправление используется как в лечебных, так и в нелечебных целях. В настоящее время Управление по контролю над пищевыми продуктами и лекарственными средствами США допускает использование ЭЭГ-биоуправления только в целях релаксации. Использование ЭЭГ-БОС в лечебных целях, например при депрессии, эпилепсии, головных болях, аутизме, рассматривается как эксперимент и считается необоснованным. Однако применение протоколов ЭЭГ-биоуправления в немедицинских целях для общего улучшения концентрации внимания и повышения успешности при различного рода деятельности не встречает возражений.

Любое оборудование для ЭЭГ-биоуправления может быть представлено в двух версиях и адресовано медицинскому и немедицинскому сообществам. Если оно предназначено для клинических целей, к нему предъявляются специальные требования, и эти требования должны быть рассмотрены и разъяснены FDA в США и подобными организациями — в других странах. В немедицинских объединениях это оборудование рассматривается в качестве приборов для обучения и отдыха.

Опубликованные на настоящий момент исследования относятся к таким мозговым дисфункциям, как СНВ/СНВГ, расстройства поведения, трудности в обучении, тревожность, депрессия, синдром хронической усталости, эпилепсия, аутистические расстройства. Нейротерапия также используется с целью облегчения релаксации при аддиктивных расстройствах, при реабилитации после инсульта и травм мозга, а также для улучшения когнитивной деятельности при ее возрастных нарушениях. При немедицинском использовании ЭЭГ-биоуправление направлено на улучшение концентрации внимания и эффективности выполнения различной деятельности, помощь при медитации и релаксации, повышение личной осознанности и умственного здоровья.

Типы ЭЭГ-биоуправления

Термин «ЭЭГ-биоуправление» предполагает использование параметров ЭЭГ, таких как показатели спектров и когерентности, плотность источников тока в коре по данным LORETA или sLORETA. Теоретически любой физиологический параметр мозга может бьггь предъявлен пациенту и использован для изменения мозговой активности в нужном направлении. Перечень физиологических параметров, используемых в ЭЭГ-биоуправлении, представлен ниже в табл. 3.

Таблица 3. Параметры ЭЭГ-биоуправления

НазваниеПараметр ЭЭГ-биоуправленияПримеры использования

ЭЭГ-БОС, основанная на вызванной десинхронизации

Относительные изменения мощности ЭЭГ в конкретном диапазоне в ответ на реальные или воображаемые действия

Pfurtscheller, 1944

ЭЭГ-БОС, основанная на когнитивных ВП

Когнитивные ВП группы здоровых лиц разлагаются на независимые компоненты, характеризующиеся определенной топографией и временной динамикой. Топография необходима для создания пространственных фильтров для извлечения компонент из индивидуальных ВП. Амплитуда или латентность индивидуальных компонент сравниваются с нормативными данными и в дальнейшем используются в качестве параметров обратной связи

Kropotov, Murashev, 2007

Саморегуляция вызванных медленных    потенциалов

коры

Негативные и позитивные сдвиги медленных потенциалов коры в ответ на предупреждающие стимулы

Birmbauer et al., 1991

Саморегуляция на основе фМРТ (функциональной магнитно-резонансной томографии

Уровень гемодинамики в мозге на основе данных BOLD-ответа (ответа, зависящего от степени насыщения крови кислородом)

Weiskopf et al., 2005

Саморегуляция на основе гемоэнцефалографии

Уровень локальной оксигенации мозга, измеряемый с помощью активной или пассивной инфракрасной спектрофотометрии

Toomim and Carmen, 1999

ЭЭГ-БОС, основанная на когнитивных вызванных потенциалах (ВП)

Априори компоненты когнитивных ВП в качестве показателей обработки информации могут использоваться в интерфейсе «мозг — компьютер». Однако технические сложности, такие как низкое отношение сигнала к шуму и отсутствие нормативной базы данных для компонент когнитивных ВП, были препятствием к использованию в интерфейсе «мозг — компьютер». Недавно в нашей лаборатории была создана первая версия программы в интерфейсе «мозг — компьютер» на основе когнитивных ВП (Kropotov, Murashev, 2007). Исходный пункт этого подхода — разложение когнитивных ВП на независимые компоненты, характеризующиеся определенной топографией и временной динамикой. Топография необходима для создания пространственных фильтров для извлечения компонент из индивидуальных ВП. Следующий шаг — сравнение амплитуды или латентности индивидуальных компонент с нормативной базой данных. Статистически значимое отклонение от нормы определенной компоненты используется  для выявления нарушений обработки информации в соответствующей области коры по данным sLORETA. Далее компонента может бьггь извлечена из многоканальной сырой ЭЭГ в каждой отдельной пробе и предъявлена пациенту. В течение последующих нескольких лет я планирую провести экспериментальное исследование по использованию этого метода у детей с СНВГ

Саморегуляция медленных потенциалов коры

Как нам известно, поверхностно-негативные медленные сдвиги потенциалов возникают на уровне апикальных дендритов коры и отражают синхронную деполяризацию апикальных дендритов нейронов коры. Эти негативные сдвиги потенциалов связаны с повышением возбудимости корковых нейронов. Бирбаумер и его коллеги (1991) первыми предположили, что у пациентов с резистентными к лечению формами эпилепсии нарушена способность регулировать уровень возбудимости коры в корково-таламических петлях обратной связи. Исследования на здоровых испытуемых продемонстрировали способность человека обучаться саморегуляции медленных потенциалов коры. Это привело к мысли, что пациенты с эпилепсией могут овладеть навыком саморегуляции активности коры. Согласно этой гипотезе был разработан метод ЭЭГ-биоуправления, в котором реальные изменения медленных потенциалов коры предъявляются пациентам с эпилепсией в форме движущегося на экране объекта. В действительности, используя этот метод, большинство пациентов с устойчивой к лекарствам эпилепсией смогли научиться контролировать медленные потенциалы коры, что привело к значительному и длительному снижению частоты приступов (Birbaumeret al., 1991).

Похожая идея той же группы получила развитие при создании так называемого прибора трансляции мыслей, разработанного с целью восстановления способности к общению у пациентов с последствиями тяжелых инсультов. Работа прибора основана на саморегуляции медленных потенциалов коры, т.е. на произвольных негативных и позитивных сдвигах потенциалов. После достижения пациентом надежного контроля над своими медленными корковыми потенциалами ответы могут использоваться для выбора изображений на экране компьютера. Программа позволяет пациенту выбирать отдельные буквы при последовательном предъявлении наборов букв пяти уровней, составленных по дихотомическому принципу. Несколько полностью парализованных пациентов с диагнозом бокового амиотрофического склероза могли составлять достаточно длинные сообщения с помощью потенциалов своего мозга.

Биоуправление на основе фМРТ

В недавней работе исследователей из Тюбенгена (Weiskopf et al., 2005) был применен новый метод биоуправления. Метод осуществляет обработку данных фМРТ и предъявление пациенту показателя гемодинамики мозга в течение 1,3 с. Использование этой техники дает возможность осуществления дифференциальной обратной связи и саморегуляции, что было показано на примере дополнительной моторной зоны и парагиппокампальной области. Методология позволяет изучать поведенческие эффекты и локальную саморегуляцию у здоровых и больных лиц.

Биоуправление на основе гемоэнцефалографии

Термин «гемоэнцефалография» впервые был введен Туминым в 1997 г. в описании системы для инфракрасной спектрофотометрии. Другой тип системы — пассивная инфракрасная гемоэнцефалография — эволюционировал из применения технологии инфракрасного излучения для биоуправления по периферической температуре (Carmen, 2002). В обеих системах источником данных является динамика кровотока. Система пассивной инфракрасной гемоэнцефалографии была специально разработана для вмешательства при мигрени. Концепция тренинга цереброваскулярной регуляции для контроля над мигренью базировалась на предположении, что обучение контролю цереброваскулярной реактивности (особенно чрезмерной вазодилатации) должно облегчить симптомы мигрени. К сожалению, обучение непосредственному сужению чрезмерно расширенных цереброваскулярных структур не работало. Большинство испытуемых с легкостью обучались повышать сигнал пассивной инфракрасной гемоэнцефалографии, но только некоторые могли его снижать. Поэтому процедура была модифицирована для тренинга на повышение, а не снижение параметров гемоэнцефалографии. Эффект биоуправления на основе гемоэнцефалографии был позитивным как для профилактики мигрени, так и при купировании приступов этого заболевания.

Интерфейс «мозг — компьютер»

Если процесс модуляции активности мозга направлен на контроль внешних приборов, то такой подход называется «интерфейс «мозг — компьютер». Иногда он также называется прямым нейральным интерфейсом или интерфейсом «аппарат — мозг». В этом определении под словом «мозг» подразумевается мозг или нервная система, а под словом «компьютер» (аппарат) — любой прибор для обработки и расчета данных: от простых схем до сложных компьютеров. Исследования на тему «интерфейс «мозг — компьютер» начались в 1970-х, но первый работающий экспериментальный имплант у человека появился только в середине 1990-х. Существующие сейчас импланты для человека разработаны для восстановления слуха, зрения и движений. Общепринятая идея, стоящая за этим исследованием, сходна с базовыми идеями ЭЭГ-биоуправления — это удивительная пластичность коры мозга. Как и при ЭЭГ-БОС, в интерфейсе «мозг — компьютер» может использоваться любой физиологический параметр. Из них наиболее изученными являются электрические потенциалы, записанные со скальпа. Например, Н. Бирбаумер из университета г. Тюбинген в Германии использовал электроэнцефалографические записи медленных потенциалов коры, чтобы дать возможность парализованным пациентам контролировать курсор компьютера. Д. Бейлис в университете Рочестера показала, что добровольцы, надев шлемы «виртуальной реальности», могли контролировать элементы виртуального мира с помощью компонент РЗОО когнитивных ВП. Г Пфуртшеллер из Технического университета Граза в Австрии использовал различные параметры ЭЭГ для управления протезами у пациентов с параплегиями или для прогулок по виртуальному городу у здоровых испытуемых (Leeb, Pfurtscheller, 2004).

Глубинная стимуляция мозга

Психохирургия

Когда в середине 20-х годов XX столетия возникла психохирургия как метод хирургического лечения тяжелых психических расстройств, единственным доступным для нейрохирургов способом модуляции активности мозга была полная деструкция целевого участка нервной ткани. От Буркхарда к Фултону, Мо-ницу и Фриману накапливался опыт резекции ткани лобной дали для лечения психических расстройств. Однако неразборчивое использование грубых и обширных хирургических вмешательств часто вело к страшным последствиям, таким как полное изменение личности и нарушения интеллекта. Появление эффективной фармакотерапии в 1960-х годах, казалось бы, явилось панацеей. Увы, это было не так. Множество пациентов по-прежнему страдает от психических расстройств без надежды на улучшение, кроме как с помощью хирургического вмешательства.

Стереотаксическая нейрохирургия

Хотя развитие стереотаксиса во 2-й половине XX столетия позволило нейрохирургам усовершенствовать вмешательства, сделав их более точными, все же разрушение ткани мозга оставалось единственным способом изменения функций нервной системы. Стереотаксическое разрушение, хотя и является эффективным, рассчитано на оказание длительного воздействия и поэтому связано с риском развития длительных побочных эффектов. При введении электродов в мозг остается слишком малое пространство для ошибок, и если они случаются, то нет другого выхода, кроме как другое или еще большее разрушение.

ГСМ как обратимая деструкция

Экспериментальный поиск методов обратимого выключения локальной активности мозга начался в 1960-х годах. В отделе нейрофизиологии человека Института экспериментальной медицины (где автор работал в 1970—1980-х) мы использовали методы стимуляции прямым током и высокочастотной стимуляции для временного выключения активности нейронов вокруг электродов, имплантированных для диагностических и терапевтических целей в мозг неврологических пациентов. Однако лишь недавно, с развитием новых электронных технологий, глубинная стимуляция мозга была введена в рутинную клиническую практику и привела к коренным изменениям нейрохирургических методов (рис. 8). ГСМ сначала применялась в лечении двигательных расстройств, а сейчас используется при резистентных формах психических заболеваний.

По сравнению с нейрохирургическими процедурами глубинная стимуляция мозга имеет ряд преимуществ. Во-первых, эффекты, вызванные ГСМ, полностью обратимы. Во-вторых, параметры стимуляции можно подобрать индивидуально, в соответствии с изменением симптоматики и динамикой заболевания пациента. В-третьих, можно включать или выключать стимуляцию, не сообщая об этом пациенту, что открывает уникальную возможность для двойных слепых исследований. Наряду с достоинствами у ГСМ есть некоторые недостатки, в первую очередь связанные с необходимостью длительного нахождения импланта в мозге, что создает опасность инфицирования.

Транскраниальная магнитная стимуляция

Физические основы ТМС

Глубинная стимуляция мозга (ГСМ) и транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС)
Рис.8. Глубинная стимуляция мозга (ГСМ) и транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС)

А. ГСМ — переменный ток подается через имплантированные электроды с целью включения и выключения (в зависимости от частоты тока) нейронной активности поблизости от электрода. Б. ТМС — электрический импульс в катушке генерирует переменное магнитное поле, индуцирующее ток в ткани.

Транскраниальная магнитная стимуляция впервые была применена А. Баркером в Шеффилдском университете в Великобритании в 1985 г. Затем ТМС стала использоваться в качестве неинвазивного, безопасного и безболезненного метода активации моторной коры человека и для оценки целостности центральных двигательных путей. Со времени возникновения ТСМ использование этого метода в клинической нейрофизиологии, неврологии и психиатрии приобрело широкое распространение, в основном — в исследовательских работах, но с растущей тенденцией его применения в клинической практике. Однако на настоящее время не собрано достаточно данных для выработки объективных показаний к систематическому применению ТМС в качестве терапевтического инструмента.

ТМС базируется на принципе электромагнитной индукции, открытом Фарадеем в 1838 г Если импульс электрического тока, проходящего через катушку, размещенную вокруг головы индивида, имеет достаточную величину и короткую продолжительность, он генерирует быстро меняющиеся магнитные импульсы, проникающие через скальп и кости черепа в мозг с незначительным ослаблением. Эти магнитные импульсы, в свою очередь, вызывают вторичные ионные токи в мозге (рис. 8).

Диагностическое и терапевтическое применение

Воздействие ТМС на разных уровнях двигательной системы может дать информацию о возбудимости моторной коры, функциональной целостности внутрикорковых нейронных структур, проводимости кортико-спинальных, кортико-нуклеарных и каллозальных волокон, а также о функции корешков и периферических двигательных путей, идущих к мышцам. Примеры находок в такого рода исследованиях могут помочь в локализации уровня поражения в пределах нервной системы, дифференциальной диагностике между преимущественно демиелинизирующими или аксональными поражениями моторных трактов или в предсказании функциональных двигательных нарушений вследствие травмы.

Для повышения эффективности магнитной стимуляции ТМС может применяться повторно, с частотой от 1 до более чем 20 импульсов в секунду. Эффект повторной ТМС может варьировать от торможения к облегчению в зависимости от параметров стимуляции. Низкочастотная ТМС может уменьшать возбудимость двигательной коры, в то время как стимуляция с частотой 20 Гц, по-ввдимому, ведет к временному повышению ее возбудимости. Эффект повторной низкочастотной ТМС продолжительный и выраженный. Этот факт открывает возможности для терапевтического применения повторной ТМС с целью «нормализации» патологически сниженного или повышенного уровня активности коры.

Транскраниальная микрополяризация

История

Из основ физиологии мы знаем, что постоянный ток (DC) смещает мембранный потенциал нейрона в сторону или гипо-, или гиперполяризации в зависимости от направления тока. Хотя о влиянии электрического тока на живую ткань было известно еще столетия назад, только в середине XX века начались систематические исследования этого феномена. Данные о том, что воздействие слабого постоянного тока может вызывать стойкие изменения возбудимости мозга, открыли новые возможности в коррекции неврологических нарушений. Однако даже теперь, когда накоплено достаточно данных по поляризации мозга в экспериментах на животных, очень мало известно о том, каким образом слабый постоянный ток, подаваемый через скальповые электроды, влияет на возбудимость мозга у человека. В настоящее время процедура называется транскраниальной микрополяризацией.

Слабые постоянные токи при ТКМП лишь незначительно изменяют мембранные потенциалы нейронов коры. Эти токи гораздо меньшей величины, чем при так называемой электроконвульсивной терапии. ЭКТ была разработана в 1930-е годы итальянскими учеными Бини и Черлетги и в те времена казалась значительным прорывом в контроле над умственными расстройствами. ЭКТ вызывает заметное и устойчивое улучшение состояния пациентов. Этот метод коренным образом отличается от ТКМП. В то время как при ЭКТ мощный ток вызывает судорожную активность в мозге, ТКМП индуцирует токи гораздо меньшей величины, мягко модулирующие мозговые функции, изменяя спонтанную нейронную активность, не вызывая судорожных приступов. Полученные на настоящее время сведения указывают на то, что в отличие от ЭКТ ТКМП не вызывает нарушений памяти или утраты сознания, и при этом пациенту не требуется принимать седативные средства или миорелаксанты. ТКМП — настолько мягкое воздействие, что пациенты субъективно не могут отличить ощущения, вызываемые ТКМП, от плацебо.

Процедура

Транскраниальная микрополяризация (ТКМП)
Рис.9. Транскраниальная микрополяризация (ТКМП)

Справа — схема ТКМП: два электрода закреплены на голове, электрический ток подается от прибора, питающегося от батареи. Обычно ток не превышает 1 мА, причем лишь небольшая его часть поступает к серому веществу. В слоях коры «анодный» ток деполяризует пирамидные клетки на уровне базальной мембраны (см. направление тока в пирамидном нейроне внутри коры).

Во время сеанса ТКМП прямой электрический ток небольшой силы воздействует на мозг с помощью двух размещенных на скальпе электродов: один из них — «стимулирующий», расположенный над областью, которую предполагается стимулировать, а другой — «референт», расположенный над «немой» областью на голове или теле, например на мочке уха или плече (рис. 9). Два электрода, соединенные соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника DC (например, батареей) и расположенные на скальпе, создают электрическое поле и, в соответствии с законом Ома, электрические токи на протяжении этого поля.

Нейрофизиологические механизмы поляризации мембраны

Лишь небольшая часть электрического тока проходит через кору. Нейроны коры ориентированы перпендикулярно к поверхности, так что апикальные и базальные дендриты располагаются в разных слоях. Электрическое поле и соответствующий ток под анодом вызывают дефицит положительных ионов в базальном отделе нейронной мембраны, что ведет к деполяризации этого отдела. Деполяризация активирует потенциалзависимые Са++– и Ка+-каналы, что приводит к повышению возбудимости нейрона. Вследствие повышения возбудимости возрастает фоновая активность деполяризованных нейронов. Сетевой эффект состоит в так называемой анодной активации нейронов. Напротив, ток под катодом приводит к избытку положительных ионов у внешней части базальной мембраны, что ведет к гиперполяризации этого участка. Гиперполяризация инактивирует Са++– и Na+– каналы. Возбудимость нейрона снижается, и частота фоновой активности уменьшается. Сетевой эффект проявляется в подавлении нейронной активности под катодом.

Несмотря на то что изменения потенциала базальной мембраны под действием постоянного тока величиной 1 мА слишком малы, чтобы вызвать спайковую активность, они запускают процессы усиления в нейронных сетях. Эти факторы усиления в конечном счете индуцируют выраженные физиологические эффекты. Нам известен по меньшей мере один фактор усиления в нервной системе — коллективный эффект, обусловленный возвратными возбуждающими связями в коре. В возвратных сетях небольшие изменения мембранного потенциала могут вести к повсеместной спайковой нейронной активности. С этой точки зрения ТКМП можно рассматривать как технику подпороговой стимуляции, модулирующей спонтанную кортикальную активность и таким образом вызывающую преходящие функциональные изменения в мозге человека. ТКМП вызывает минимальный дискомфорт без негативных ощущений. Одно из недавних исследований (Gandiga et al., 2006) показало, что плацебо (ситуация, в которой исследователь собирался включить прибор, но в действительности не сделал этого) неотличимо от ТКМП. Последнее обстоятельство означает, что ТКМП — прекрасный инструмент для двойных слепых клинических исследований с использованием плацебо-контроля.

В начале 1970-х автор сотрудничал с группой, проводившей исследования по ТКМП в Институте экспериментальной медицины Академии медицинских наук СССР. Эти работы проводились в отделе нейрофизиологии человека на пациентах с имплантированными в лечебных и диагностических целях электродами. Было замечено, что под воздействием анодного тока повышалась активность нейронных популяций, в то время как под влиянием катодного тока она снижалась. Постоянный ток под катодом использовался с целью диагностики для временного выключения нейронных сетей вокруг электрода перед принятием решения о дальнейшем разрушении данного участка мозга. В 1970—80-х эксперименты по поляризации ткани мозга в Институте экспериментальной медицины были продолжены на кошках и собаках. Эти эксперименты доказали, что анодные токи оказывают активирующее действие на нейроны, в то время как катодные тормозят их активность. В 1980-х метод поляризации стал использоваться в нескольких клиниках Ленинграда для лечения неврологических и психиатрических пациентов. К сожалению, несколько трагических событий (смерть двух ведущих ученых, развал Советского Союза и последующее прекращение выделения средств на фундаментальные исследования) помешали продвижению этих перспективных работ. Только в начале XXI века эти исследования продолжились. В настоящее время методы поляризации успешно используются в коррекции поведения при СНВГ и при лечении речевых задержек у детей. В течение последних 5 лет интерес к ТКМП возобновился и в западном мире. Возрождение метода было отчасти связано с поиском альтернативных (нефармакологических) методов стимуляции мозга.

Физиологические основы

Из нейрофизиологических исследований нам известно, что медленные изменения потенциалов, записанных со скальпа, отражают распространенные сдвиги мембранных потенциалов нейронов коры. Идея о том, что модуляция этих медленных потенциалов с помощью тока может влиять на физиологические процессы в мозге, была столь очевидной, что в 1960—1970-х годах в нескольких лабораториях это предположение было протестировано. Вопрос заключался в том, достаточно ли изменения потенциалов на уровне отдельных нейронов для модуляции нейронной возбудимости. Доказательство того, что подача прямого тока с помощью электродов, наложенных на скальп, может влиять на возбудимость мозга, было получено на пациентах с височной эпилепсией при записи разности потенциалов с имплантированных для предоперационной диагностики электродов в процессе поляризации прямым током через скальп с использованием силы тока до 1,5 мА. (Dymond et al., 1975). Под влиянием тока такой величины градиент потенциала в коре колебался от 6,4 до16,4 мВ/см. Таких изменений градиента потенциала вполне достаточно для модуляции спонтанных нейронных разрядов, как это было показано Терцуоло и Буллоком (1956) в экспериментах на препаратах из речного рака и омара.

Специфичность влияния ТКМП на возбудимость двигательной коры в зависимости от полярности
Рис.10. Специфичность влияния ТКМП на возбудимость двигательной коры в зависимости от полярности

Ось Y — относительная амплитуда двигательного потенциала, вызванного ТМС после ТКМП двигательной коры в течение 5 минут. Ось X — время после завершения ТКМП. Головы вверху справа схематически изображают процедуру ТКМП и ТМС. Заимствовано из Nitsche and Paulus (2001).

Одно из прямых доказательств эффективности поляризации прямым током недавно было получено в экспериментах с использованием изменений мышечных подергиваний, вызванных ТМС, в качестве индикаторов возбудимости коры. В этих исследованиях анод (или катод) размещался над моторной корой. Эффект ТКМП тестировался с помощью регистрации мышечных потенциалов, вызванных импульсами транскраниальной магнитной стимуляции. На рис 10 видно, что изменения возбудимости моторной коры, вызванные 5-минугным воздействием ТКМП, сохраняются в течение только 5 минут. Дальнейшее исследование показало, что увеличение продолжительности ТКМП ведет к продлению (до часа) эффекта. Следует отметить, что изменения возбудимости коры имеют локальный характер. Например, ТКМП только моторной, но не затылочной или контралатеральной коры оказывала активирующее или тормозное влияние на моторную кору.

Поведенческие эффекты

Исторически применение ТКМП началось на здоровых добровольцах. В одной из работ; выполненной в 1964 е (Uppold et al., 1964), прямой ток силой 0,5 мА подавался с помощью двух электродов, расположенных в области лба, и одного — на правом колене. В исследовании показано, что под влиянием анодных токов повышались уровень бодрствования, настроение и двигательная активность, в то время как катодная поляризация вызывала состояние покоя и апатии. Однако потребовалось почти 40 лет для того, чтобы ТКМП вновь стала инструментом для исследований. В работе, выполненной группой ученых из университета в Геттингене (Antal, Nitsche and Paulus, 2001), было обнаружено, что стимуляция постоянным катодным током величиной 1мА в затылочной области значительно снижала контрастную чувствительность во время и непосредственно после процедуры. Следует заметить, что во всех последних работах проводилось сравнение эффектов ТКМП и плацебо.

ТКМП считается довольно безопасной процедурой. Ни в одном из исследований не сообщается о побочных эффектах.

Ницше и Паулюс (2001) обнаружили отсутствие изменений сывороточной концентрации нейронспецифйчной энолазы, чувствительного маркера нейронных поражений, после применения постоянного тока. Авторы считают безопасной процедуру ТКМП с использованием силы тока 1 мА в течение нескольких минут при площади электродов 3,5 см2 (Nitsche, Paulus, 2000,2001).

Применение в клинике

Параллельно с экспериментальными работами с участием здоровых испытуемых проводились исследования метода на пациентах. В одной из ранних работ было показано, что применение транскраниальной анодной микрополяризации вызывало улучшение настроения у пациентов с депрессией (Costain at al., 1964). В наших исследованиях, выполненных в Институте мозга человека, было показано, что ТКМП положительно влияет на симптоматику СНВГ.

Экспериментальные находки, обнаруженные группой исследователей из Геттингенского университета при применении ТКМП в области двигательной коры, стимулировали применение этого метода в реабилитации пациентов с последствиями инсультов. В недавней работе Хаммель и corp. (2005) ТКМП успешно использовалась в лечении пациентов с последствиями инсультов, сопровождавшихся двигательными нарушениями, спустя 1—2 года от начала заболевания. Позитивные сдвиги при выполнении движений, возникавшие в процессе ТКМП, сохранялись по меньшей мере в течение 25 минут после завершения сеанса и возвращались к исходному уровню лишь через несколько дней.

ТКМП у пациента с сенсорным дефицитом
Рис.11. ТКМП у пациента с сенсорным дефицитом

А. sLORETA-изображения ВП пациента, зарегистрированных в разное время и в различных условиях (до, после). Б. Когнитивные ВП в ответ на GO-стимулы у пациента с сенсорным дефицитом до (тонкая линия) и после (пунктирная линия) нескольких сеансов ТКМП в сравнении с когнитивными ВП, рассчитанными для группы здоровых лиц того же возраста (жирная линия). В. Расположение электродов. Белым цветом схематично изображена область поражения.

В наших опытных исследованиях мы использовали ТКМП при лечении трех пациентов, перенесших инсульт с поражением правой теменной доли, сопровождавшийся сенсорным дефицитом. На рис. 11 представлены данные одного из пациентов. Как видно, компонента Р1 когнитивных ВП генерируется асимметрично в левой затылочной области с отклонениями от нормы в правой затылочной области. Компонента N1 также генерируется асимметрично, но латеральнее и спереди, в височной области и отсутствует справа. Третья, поздняя компонента с латентностью 300 мс была значительно увеличена справа. В результате сеансов ТКМП значительно уменьшилась латентность компоненты N1 слева и произошло смещение генератора поздней позитивной компоненты. Что касается психологических характеристик, то после курса ТКМП пациенты значительно лучше выполняли тесты с оценкой эффекта литерализации. Необходимы дальнейшие клинические исследования, но представленные данные свидетельствуют о возможном терапевтическом эффекте ТКМП и о пользе оценки компонент когнитивных ВП для контроля эффективности лечения.

Общие принципы анализа ЭЭГ и нейротерапии

Ниже мы обобщаем основные принципы методологии оценки мозговых функций и дисфункций. Эта методология была разработана в лаборатории, возглавляемой автором, в Институте мозга человека Российской академии наук и основана на фундаментальных и прикладных исследованиях, выполненных в лаборатории в течение последних 30 лет. Эта методология была испытана в Центре нейротерапии института при оценке и лечении тысяч пациентов с различными мозговыми дисфункциями, такими как СНВГ, задержки речевого развития, ОКР, аддикгивные расстройства, эпилепсия.

Принцип 1

Колебания ЭЭГ и когнитивные вызванные потенциалы связаны с различными и не зависящими друг от друга процессами в мозге: 1) колебания ЭЭГ отражают процессы саморегуляции в коре и связаны с модулированием потока информации в корковоподкорковых нейронных сетях; 2) когнитивные ВПсвязаны с потоком сигналов, вызванных внешним событием, и отражают реакции мозга нй них в частности, извлечение физических, семантических и эмоциональных параметров стимула, выбор действий и управление.

Эти два независимых процесса исследуются различными методами. Спонтанные колебания ЭЭГ обычно разделяются на частотные составляющие с помощью анализа Фурье, в то время как их динамика в процессе выполнения тестов оценивается с помощью волнового (вейвлет) анализа. Для вычисления ВП используется техника усреднения: спонтанные колебания, не связанные с ответом на стимул, взаимно погашаются. Следовательно, усредненные потенциалы не зависят от фоновой активности и отражают поток сигналов в нейронных сетях мозга.

Принцип 2

Колебания ЭЭГ и когнитивные ВП делятся на отдельные компоненты. Компоненты спектров связаны с различными ритмами ЭЭГ, каждый из которых отражает различные нейронные механизмы корковой регуляции. Компоненты когнитивных ВПсвязаны с различными психологическими операциями, такими как обработка первичной сенсорной информации, извлечение семантического значения сигналов и их пространственная локализация, кодирование эмоциональных реакций и ощущений, определение физических и семантических отличий, выбор и подавление действий, контроль результатов выполнения или подавления действий.

Для разделения компонент активности ЭЭГ и когнитивных ВП могут использоваться разные методы. Один из современных методов — анализ независимых компонент.

Анализ независимых компонент может применяться как к данным сырой ЭЭГ, так и к «очищенным» спектрам мощности. В активности здорового мозга анализ независимых компонент позволяет выделить несколько типов «нормальных» ритмов ЭЭГ, таких как теменной и затылочный альфа-ритмы, мю-ритмы, бета-ритмы и лобный тета-ритм средней линии. Нормальные ритмы генерируются различными механизмами и отражают различные свойства модуляции нейронных сетей. Альфа-ритмы генерируются реципрокными связями в кортико-таламических сетях и отражают «холостой» режим работы сенсорных систем. Бета-ритмы обусловлены взаимодействием возбуждающих и тормозных связей в кортикальных сетях и выполняют функцию обновления (reset) для удаления следов предшествующей активации коры. Лобный тета-ритм средней линии генерируется септально-гиппокампальными кругами и связан с процессами кодирования эпизодической памяти. Любое повреждение нейронных кругов может вызвать снижение или повышение мощности нормального ритма или появление патологической активности.

Анализ независимых компонент можно использовать для единичных проб нативной ЭЭГ, а также при анализе однородных групп индивидуальных ВП пациентов или здоровых испытуемых. Извлеченные компоненты когнитивных ВП отражают этапы обработки сенсорной информации, операции сравнения и контроля, вовлечения в действие и его подавления, а также некоторые другие психологические процессы.

Принцип 3

В состав мозга входят основные системы: сенсорная система зрительной, слуховой, соматосенсорной модальностей, система внимания, эмоциональная система, системы управления и памяти. Модуляция потока информации в каждой из этих систем характеризуется специфичными ритмами, в то время как стадии обработки информации в этих системах отражены в специфичных компонентах когнитивных ВП.

В табл. 1,2 представлено краткое описание ритмов ЭЭГ и компонент когнитивных ВП, их локализации, механизмов генерации, функционального значения и связи с системами мозга.

Принцип 4

Независимые компоненты в ответ на зрительные стимулы
Рисунок 1. Независимые компоненты в ответ на зрительные стимулы

Максимальная амплитуда независимых компонент в ответ на зрительные стимулы в трех тестах, использованных в нормативной HBI базе данных: зрительном GO/NOGO-тесте, тесте с чтением и математическом тесте. Слева направо: 1) топография компонент; 2) кривые активации компонент; 3) sLDRETA-изображения корковых генераторов компонент.

Использование различных тестов и модальностей позволяет исследовать функции практически всех областей мозга. Для каждого пациента выбор теста определяется на основе его жалоб и соответствующих нейропсихологических нарушений.

Этот принцип отражен на рис. 1. Мы выбрали только наибольшую по величине из компонент, извлеченных в ответ на зрительные стимулы в трех различных тестах (двухстимульный GO/NOGO-тест, чтение и математический тест) из нормативной базы данных HBI. Примите во внимание, что почти вся поверхность коры покрыта генераторами компонент, расположенными над различными кортикальными областями — от затылочной до передней цингулярной коры. Заметьте также, что мозг — это нейронная сеть с мощными связякш, в которой нейроны разных областей коры функционируют одновременно при выполнении определенной операции. Изображение sLORETA, представленное на рис. 1, показывает только вершину айсберга широко распространенной активности коры.

Таблица 1. Нормальные ритмы мозга человека

НазваниеЧастота (ГЦ)ТопографияМеханизм генерацииФункцияСистема мозга

Затылочный альфа-ритм

8-12

01,02

Са++-спайки, следующие за гиперполяризацией таламокортикальных клеток латерального коленчатого тела

Отражает «холостой» режим работы первичных зрительных областей. Первичная зрительная информация игнорируется, но кора в состоянии готовности к ее немедленной оценке

Сенсорная система

Теменной альфа-ритм

8-12

Pz

Са++-спайки, следующие за гиперполяризацией таламокортикальных клеток в подушечном ядре таламуса

Отражает «холостой» режим работы вторичных зрительных областей

Сенсорная система

Мю-ритм

9-13

СЗ.С4

Са++-спайки, следующие за гиперполяризацией таламокортикальных клеток в заднем вентральном ядре

Отражает «холостой» режим работы соматосенсорной системы

Сенсорная система

Бета-ритмы

13-30

Лобные или центр, отделы

Взаимодействие между возбуждающими и тормозными связями внутри кортикальных сетей в состоянии деполяризации

Связана с обновлением (reset) следовой активации коры

Любая система

Лобный срединный тета-ритм

5-8

Fz

Деполяризация в септальногиппокампальных кругах в ответ на привлекающие внимание стимулы

Отражает перевод информации в эпизодическую память

Система эпизодической памяти

Принцип 5

Каждая из систем мозга подчиняется закону перевернутой U-кривой. Закон гласит, что ответы системы максимальны, когда ее активность соответствует среднему уровню, и анормально снижаются, если уровень активации системы ниже или выше среднего.

Уровень активации системы можно оценить с помощью спектрального анализа спонтанной ЭЭГ, генерируемой кортикальным отделом системы. В целом избыточная, по сравнению с нормой, альфа-активность связана с гипоакгивацией системы, а избыточная бета-активность — с ее гиперактивацией. Ответы системы отражены в амплитуде и латентности компонент, генерируемых кортикальными областями системы.

Таблица 2. Основные компоненты когнитивных ВП

НазваниеТестЛатентность пика (мс)ТопографияГенераторФункциональное зкачениеСистема мозга

Негативность рассогласования

Слуховой oddball-тест

140

Fz

Височная или лобная кора

Автоматическое сравнение регулярных акустических стимулов с   сенсорным

следом

Сенсорная система

Р1 и N1

Любое предъявление стимула

100

Зависит от модальности стимула

Области по соседству с первичными сенсорными зонами

Обработка информации в сенсорных системах

Сенсорная система

РЗЬ

Активный oddball-тест любой модальности

300

Pz

Широко распространенные круги: «базальные ганглии — таламус — кора»

Активация передних и задних областей коры, необходимая для выполнения действия

Система управления

Р2 сравнения

Дифференциальные тесты

240-300

Т5,Т6 зрительн., F7, F8 слуховой

Ассоциативные зрительные и слуховые зоны

Активация нейронов, выявляющих отличия физических или семантических характеристик повторяющихся стимулов

Сенсорная система

Р400 NOGO

GO/NOGO

400

Fz

Передняя цингулярная кора и медиальная префронтальная кора

Операция мониторинга, т.е. активация нейронов, сравнивающих выполненное действие с подготовленным

Система управления

РЗа

Трехстимульный oddball-тест

260-300

Fz

Обширные зоны префронтальной коры

Смещение внимания, ориентировочная реакция

Система управления

Принцип 6

Нарушения мозговой деятельности можно классифицировать на основе их связи с расстройствами мозговых систем и диагностировать согласно с отклонениями от нормы соответствующих параметров спектров ЭЭГ и когнитивных ВП.

Каждая из существующих в настоящее время систем классификации, таких как DSM-IV или ICD-10, основана на описании поведения пациентов и поэтому субъективна. В качестве возможных объективных физиологических маркеров заболеваний — эндофенотипов — были предложены некоторые компоненты количественной ЭЭГ и когнитивных ВП. Несмотря на то что необходимы более систематические исследования, первые результаты вполне обнадеживающие (табл. 3).

Таблица 3. Классификация заболеваний мозга и их эндофенотипов

Диагностическая категория DSM-IVПримеры расстройствСистема мозгаЭЭГ-зндофенотипЭндофенотип по когнитивным ВП

Расстройства, обычно впервые диагностируемые в младенческом, детском и подростковом возрасте

СНВГ, аутизм, расстройства обучения, расстройства поведения

Система управления

Повышение отношения тета/бета в лобно-центральных отделах

Уменьшение компонента сравнения Р2 и компонента мониторинга Р4

Психотические расстройства

Шизофрения

Система управления

Увеличение бета-активности в лобных отделах

Уменьшение компонента РЗЬ

Эмоциональные расстройства

Большая депрессия, биполярное расстройство

Эмоциональная система

Асимметрия альфа-активности в лобных отделах слева > справа

Увеличение когнитивных ВП на негативные стимулы, асимметрия когнитивных ВП

Тревожные расстройства

ОКР, генерализованное тревожное расстройство, посттравматическое стрессовое расстройство

Система управления

Увеличение бета-активности в центральных отделах

Уменьшение компонента мониторинга Р4

Деменция, бредовые, амнестические и другие когнитивные расстройства

Болезнь Альцгеймера

Система эпизодической памяти

Увеличение бета-активности в лобноцентральных отделах

Уменьшение компонента РЗЬ и компонента мониторинга Р4

Аддиктивные расстройства

Героиновая аддикция, алкоголизм

Эмоциональная система и система управления

Увеличение бета-активности в центральных отделах

Уменьшение компонента мониторинга Р4

Принцип 7

ТКМП и ЭЭГ-биоуправление представляют собой основанные на электрофизиологии инструменты для активации или подавления кортикальных нейронных сетей.

При ТКМП используются слабые постоянные токи, деполяризующие (анодные токи) и гиперполяризующие (катодные токи) пирамидные клетки коры под стимулирующим электродом. В процессе ЭЭГ-биоуправления индивид активно вовлечен в изменение параметров ЭЭГ, зарегистрированной данным электродом. Наши исследования показали, что при комбинации этих двух методов можно достичь лучших результатов в активации или подавлении пораженной системы мозга.

Предметы дальнейших исследований

Методы количественной ЭЭГ и когнитивных ВП в оценке функций и дисфункций мозга представляют собой относительно новую, но быстро развивающуюся область фундаментальных и клинических исследований. Методы коррекции дисфункций мозга, основанные на электрофизиологии, такие как ТКМП и ЭЭГ-биоуправление, находятся пока на этапе становления. Они ограничены рамками лабораторий и рассматриваются в основном в качестве экспериментальных методов. Ниже мы представляем темы наиболее значимых, с нашей точки зрения, проектов в данной области, которые необходимо выполнить в ближайшем будущем.

Тема 1. Создание стандартных парадигм для оценки систем памяти и эмоций

Методы оценки функционирования мозговых систем внимания и управления,  могли бы послужить образцами в создании стандартизованных парадигм для оценки систем памяти и эмоций. Например, на основе стандартной GO/NOGO-парадигмы можно предложить новый тест для оценки эмоциональной системы мозга. В этом тесте изображения грустных, радостных и нейтральных выражений лиц могли бы предъявляться вместо изображений растений, животных и людей, используемых в двухстимульном GO/NOGO зрительном тесте базы данных HBI Database. Задача пациента состояла бы в распознавании эмоций по выражению лица и нажатии на кнопку при предъявлении изображений двух радостных лиц. Различия в реакции ЭЭГ на предъявление радостных и грустных лиц, так же как различия между реакциями на радостные/грустные и нейтральные стимулы, могли бы служить показателями работы эмоциональной системы мозга. Эти параметры могли бы служить эндофенотипами аутизма, депрессии и других эмоциональных расстройств.

Тема 2. Регистрация независимых компонент когнитивных ВП в поведенческих тестах

Анализ независимых компонент, применяемый к ряду индивидуальных ВП многочисленной группы здоровых испытуемых, представляет собой мощный инструмент создания пространственных фильтров для извлечения компонент ВП, отражающих основные психологические процессы, происходящие в мозгу человека. Независимые компоненты, извлеченные в ответ на зрительные стимулы в трех тестах базы данных HBI Database (GO/NOGO, математический и чтение), представлены на рис. 1. Обратите внимание на то, что компоненты, полученные в условиях трех тестов, связаны с активацией различных областей коры. Например, нейроны, кодирующие информацию о первичных зрительных признаках, форме, арифметических свойствах и письменных словах, находятся в разных (практически не перекрывающихся) задних отделах коры, в то время как нейроны, отвечающие за психологические операции с участием действий (например, подавление и контроль действий), локализованы в лобноцентральных отделах мозга.

Подобный подход может быть использован к когнитивным ВП, рассчитанным для гомогенной группы испытуемых в других поведенческих парадигмах. Программное обеспечение базы данных HBI Database предоставляет пользователю все вычислительные процедуры для выполнения этого методологического подхода, включая разработку протоколов, регистрацию и хранение записей ЭЭГ во встроенной базе данных, автоматическую коррекцию артефактов, усреднение ВП и подсчет числа ошибок в тестах, выполнение анализа независимых компонент над группой вызванных потенциалов, расчет LORETA и sLORETA-изображений извлеченных компонент.

Тема 3. Использование независимых компонент ВП в качестве эндофенотипов в диагностике различных заболеваний мозга

В этой статье мы обсуждали возможность использования параметров когнитивных ВП и количественной ЭЭГ в качестве маркеров различных психоневрологических расстройств, таких как СНВГ, ОКР, шизофрения, депрессия. Однако методология все еще находится на стадии становления. Через несколько лет после создания нормативной базы данных HBI Database нами были собраны и проанализированы спектры ЭЭГ и когнитивные независимые компоненты в различных группах пациентов. Эти данные продолжают накапливаться в различных научных и клинических центрах всего мира. Таким образом, этот проект начал осуществляться. Следует отметить, что основная его проблема состоит в поиске пациентов, не использующих лекарственную терапию, в частности, пациентов с депрессией, которые никогда не принимали антидепрессанты. Заметьте также, что количество пациентов с каждым отдельным заболеванием составляет приблизительно 1000, т.е. сопоставимо с числом здоровых испытуемых. Таким образом, предполагается, что проект по этой теме объединит усилия различных центров в создании единой базы данных количественной ЭЭГ/когнитивных ВП при патологии, которая будет включать несколько тысяч пациентов различных категорий.

После создания базы данных при патологии следующей ступенью стал бы поиск эндофенотипов, специфичных для определенных заболеваний или групп заболеваний. Эндофенотипами не обязательно должны быть отдельные параметры количественной ЭЭГ или когнитивных ВП. Вполне возможно, что разделение между различными видами расстройств можно произвести с помощью так называемых дискриминационных плоскостей в многомерном пространстве параметров. Каждая дискриминационная плоскость может представлять собой линейную комбинацию параметров с определенными весами. Первая попытка дифференцирования специфического расстройства от нормы была предпринята Р. Джоном в 1980-х и позднее продолжена Б. Тэтчером. Однако заметьте, что во всех этих случаях дифференциация проводилась только для отдельных расстройств, например определение отличий количественной ЭЭГ пациентов с черепно-мозговой травмой от количественной ЭЭГ здоровых индивидов в базе данных Тэтчера. Пока нет возможности объединить данные ЭЭГ пациентов с отдельным заболеванием.

Тема 4. Использование эндофенотипов по данным когнитивных ВП в фармакотерапии (фармо-ВП)

Эта тема предполагает изучение влияния различных антипсихотических и нейротропных средств на независимые компоненты когнитивных ВП. Используя такой подход, мы получим ключи к правильному использованию различных фармацевтических средств при разных расстройствах, связанных с нарушениями отдельных компонент когнитивных ВП. Источники этой темы относятся к фармако-ЭЭГ, возникшей в 1950—1960-х. Однако большое разнообразие спектральных характеристик ЭЭГ у здоровых людей вносит некоторые ограничения в использование подхода, основанного на количественной ЭЭГ. Применение когнитивных ВП, и особенно компонент когнитивных ВП, открывает новые горизонты использования физиологических методов для контроля эффектов фармацевтических средств на мозг человека.

Тема 5. Использование двойных слепых плацебо-контролируемых исследований для демонстрации поведенческих и физиологических изменений, вызванных ТКМП и ЭЭГ-биоуп равнением

Хотя несколько предпринятых в ряде лабораторий попыток таких исследований дали положительные результаты, работы были выполнены на ограниченном числе пациентов. Более того, в большинстве исследований использовались одни и те же протоколы для одних и тех же групп пациентов вне зависимости от типа расстройства по данным количественной ЭЭГ и когнитивных ВП. Протоколы для ЭЭГ-биоуправления и ТКМП должны основываться на анализе количественной ЭЭГ и когнитивных ВП и соответствовать паттернам специфических дисфункций. Следует подчеркнуть, что ТКМП и ЭЭГ-биоуправление представляют собой два разных подхода, направленных на достижение одной цели — активации или подавления соответствующей системы мозга. По-видимому, комбинация этих двух методов может способствовать достижению лучших клинических результатов. Действительно, комбинируя эти методы, мы используем: 1) способность индивида произвольно изменять состояние собственного мозга; 2) способность нейронов мозга к пластическим изменениям под влиянием электрических токов.

Footnotes

  1. Benedetti E, Mayberg H.S., Wager T.D., Stohler C.S., Zubieta J-K. Neurobiological Mechanisms of the Placebo Effect//J. Neurosci. 2005.25(45): 10390-10402.
  2. Congedo M., Lubar J.F., Joffe D. Low-Resolution Electromagnetic Tomography Neurofeedback // IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2004.12(4): 387-397.