Ритмы ЭЭГ

Ритмы головного мозга
Ритмы головного мозга

Ритм ЭЭГ (англ. rhythm) – регулярный (имеющий постоянную частоту) тип электрической активности, соответствующий некоторому определенному состоянию мозга и связанный с определенными церебральными механизмами. При описании ритма указывается его частота, типичная для определенного состояния и области мозга, амплитуда и некоторые характерные черты его изменений во времени при изменениях функциональной активности мозга. Основные ритмы ЭЭГ связаны с различными состояниями человека.

Краткое описание

Альфа-ритм — регулярный, синусоидальной формы, с частотой 8-13 Гц (колебаний в 1 с) и амплитудой 20-80 мкВ (микровольт). Альфа-ритм регистрируется при отведении биопотенциалов от всех зон коры большого мозга, но более постоянно — от затылочной и теменной областей. Альфа-ритм регистрируется у человека в условиях физического и умственного покоя, обязательно при закрытых глазах и отсутствии внешних раздражений.

Бета-ритм имеет частоту колебаний 14-35 Гц. Амплитуда 10-30 мкВ. Может быть зарегистрирован в любых областях мозга, но более выражен в лобных долях. При открывании глаз, умственной работе и других раздражителях альфа-ритм быстро сменяется бета-ритмом. Это явление смены редкого ритма на более частый получило название реакции активации (или десинхронизации).

Тета-ритм имеет частоту 4-7 Гц и амплитуду 100-150 мкВ. Наблюдается в состоянии неглубокого сна, при кислородном голодании мозга, наркозе.

Дельта-ритм характеризуется медленными колебаниями с частотой 0,5-3 Гц, высокой амплитудой 250-300 мкВ, вплоть до 1000 мкВ. Обнаруживается во всех зонах мозга, во время глубокого сна, а также при наркозе. У детей до 7 лет дельта-ритм может быть зарегистрирован и в бодрствующем состоянии.

Сравнение ритмов ЭЭГ 

РитмЧастота (Гц)Типичное местонахождениеОбычные проявленияПри каких патологиях
Дельта
δ
0 — 4Фронтально у взрослых, постериально у детей; волны высокой амплитудыГлубокий сон у взрослых
У детей
Глубокий наркоз и коматозные состояния
Присутствует во время выполнения заданий на внимание
Подкорковые повреждения
Диффузные повреждения
Метаболическая энцефалопатия
deep midline disorders
Гидроцефалия
Тета
θ
4 — 7Гиппокамп, кораУ младенцев
Сонливость или пробуждение у подростков или взрослых
Простой (бездействие)
Связан с угнетением отклика на стимулы (был найден в ситуациях, когда субъект активно пытается сдержать какое-то действие или реакцию)
При гипоксии и неглубоком наркозе
Очаговые подкорковые повреждения
Метаболическая энцефалопатия
deep midline disorders
Некоторые случаи гидроцефалии
Альфа
α
8 — 12Постериальные участки головы, с обеих сторон, но с большей амплитудой на недоминантной стороне. Центральные локации (c3-c4) во время отдыхаВ расслабленном состоянии
С закрытыми глазами
Также принимает участие в контроле сдерживания, вероятно с целью планирования тормозной активности в различных участках мозга
Пограничное состояние между сном и пробуждением
Медитация
Погружение в мечты и фантазии
Кома
Бета
β
13 — 30Обе стороны, больше всего фронтально; волны малой амплитудыПовышенное внимание
Активная концентрация, занятость или тревожное мышление
Умственная активность
Решение сложных задач
Бензодиазепины
Dup15q синдром
Гамма
γ
30 — 100+Соматосенсорная кораАктивное обучение
Творческая деятельность
Межмодальная обработка сенсорной информации (восприятие сочетает два различных ощущения, например звук и визуальная картинка)
Во время работы кратковременной памяти (распознавание объектов, звуков, тактильных ощущений)
Во время разговора
Снижение когнитивных способностей
Мю
μ
8 — 13Соматосенсорная и моторная кораМоторные нейроны во время бездействияАутизм

ЭЭГ норма альфа-ритма

Основная статья: Альфа-ритмы

α-ритм
Рис. 1. Нормальный 10-герцовый α-ритм

«блокируется» при открывании глаз и восстанавливается при закрывании глаз. Обращает на себя внимание увеличение частоты ритма непосредственно после закрывания глаз (squeak-феномен)

Альфа-ритм остается первым шагом при анализе ЭЭГ. В норме на ЭЭГ выявляется ритм, преобладающий в задних отведениях, имеющий билатеральное распространение, с частотой в пределах 8—13 Гц (α-частота). Если этот ритм ослабевает при открывании глаз, он обозначается как α-ритм. В процессе нормального развития ребенка α-ритм с частотой 8 Гц формируется к 3 годам жизни. Частота α-ритма остается стабильной от 8 до 12 Гц даже во время нормального процесса взросления и старения, вплоть до пожилого возраста. Приблизительно у 10% здоровых взрослых альфа-ритм плохо визуализируется, и менее чем у 10% его амплитуда может составлять <15 мкВ. Альфа-ритм максимально выражен в затылочных областях и смещается в переднем направлении в состоянии дремоты. Амплитудная асимметрия >50% должна рассматриваться как патология, особенно если амплитуда слева выше, чем справа. Альфа-ритм наиболее выражен в состоянии расслабленного бодрствования, и различия по частоте с двух сторон не превышают 1 Гц. Одностороннее отсутствие a-ритма указывает на патологию на ипсилатеральной стороне (феномен Банко). В норме частота α-ритма может транзиторно возрастать сразу после закрывания глаз (squeak-феномен). Существуют два варианта α-ритма: с уменьшением частоты на половину (медленный альфа-вариант) или с ее увеличением в два раза (быстрый α-вариант), с сохранением характерного распределения и реактивности. По характеристикам волн α-ритм может иметь пилообразную форму. Парадоксальный α-ритм появляется в состоянии активации, а не в состоянии расслабленного бодрствования.

ЭЭГ норма мю-ритма

Основная статья: Мю-ритмы

мю-ритм
Рис. 2. Выраженный мю-ритм

в левых центральных отведениях при открывании глаз

Мю-ритм локализуется в центральных отведениях, что соответствует сенсомоторной коре, в состоянии покоя, имеет аркообразную форму и частоту, свойственную альфа-ритму (обычно 8-10 Гц) (рис. 2). Хотя он напоминает α-ритм, но не блокируется при открывании глаз, напротив, этот ритм блокируется при движениях в контралатеральной конечности. Может выявляться только на одной стороне, может быть асимметричным и асинхронным, несмотря на отсутствие в его основе структурного поражения. Мю-ритм может замедляться с возрастом и обычно имеет более низкую амплитуду, чем α-ритм. Стойко сохраняющийся, ареактивный и ассоциированный с фокальным замедлением мю-подобный ритм считается патологическим.

ЭЭГ норма бета-ритма

Основная статья: Бета-ритмы

Бреш-ритм (breach-ритм)
Рис. 3. Бреш-ритм (breach-ритм)

в правой височной области (с максимумом в Т4) после краниотомии и височной лобэктомии

Бета-ритм превышает по частоте 13 Гц. Это распространенный ритм, в норме его частота варьирует в пределах 18—25 Гц, а амплитуда не превышает 20 мкВ. Амплитуда свыше 25 мкВ считается патологической. Препараты бензодиазепинового ряда, барбитураты и хлорал гидрат провоцируют появление выраженной генерализованной β-активности (быстрой активности — «fast activity») амплитудой >50 мкВ, которая занимает >50% записи бодрствования и находится в диапазоне частот 14—16 Гц. Бета-активность в норме усиливается в состоянии дремоты, в поверхностном сне и при умственной деятельности. Стойкое уменьшение амплитуды >50% позволяет предполагать патологические изменения в сером веществе коры большого мозга того полушария, в котором амплитуда β-ритма ниже; однако менее выраженная асимметрия может служить простым отражением нормальной асимметрии черепа. Дефекты черепа могут приводить к появлению бреш-ритма (breach-ритма) очаговой локализации, асимметричного, высокоамплитудного (амплитуда может повышаться более чем в три раза); β-активность в области дефектов черепа может достигать более высоких частот. Это считается нормальным явлением при отсутствии ассоциации со спайками (эпилептиформной активностью) или фокальным замедлением.

ЭЭГ норма тета-ритма

Основная статья: Тета-ритмы

θ-ритм
Рис. 4. Нормальный θ-ритм

в лобно-центральных отведениях у 18-летнего пациента в состоянии бодрствования

Тета-ритм характеризуется частотой от 4 до 7 Гц и варьирует по амплитуде и морфологии. Приблизительно в одной трети случаев у здоровых молодых взрослых в состоянии бодрствования выявляется интермиттирующий тета-ритм, частотой 6—7 Гц, амплитудой < 15 мкВ, максимально выраженный в лобных или лобно-центральных областях. Тета-активность в лобных областях может усиливаться при эмоциях, концентрации внимания, при решении интеллектуальных задач. Тета-активность в норме усиливается при гипервентиляция, в состоянии дремоты и во сне. Интермиттирующая активность частотой 4—5 Гц, битемпоральная, или даже с односторонним преобладанием (обычно слева > справа), может возникать примерно в одной трети случаев у пожилых людей при отсутствии клинических проявлений и не считается патологической.

ЭЭГ норма лямбда-ритма

Лямбда-волны
Рис. 5. Лямбда-волны

с биокципитальным расположением у 28-летнего пациента с жалобами на головокружение. Обращает на себя внимание частое появление артефакта, связанного со следящими движениями глаз в отведениях F7 и Т8

Лямбда-волны первоначально были описаны как поверхностно положительно направленные заостренные θ-волны, появляющиеся в затылочной области с двух сторон. Эти потенциалы имеют продолжительность от 160 до 250 мс, и временами могут быть заостренными, асимметричными, иметь более высокую амплитуду, чем преобладающий ритм покоя в задних отведениях. При асимметричном появлении λ-волн их можно спутать с интериктальными эпилептиформными разрядами, что может привести к ошибочной интерпретации ЭЭГ. Лучше всего λ-волны выражены у молодых взрослых (в тех случаях, когда они выявляются), хотя чаще они обнаруживаются у детей. Лямбда-волны лучше выражены в то время, когда пациент рассматривает текстурированное или сложное изображение с появлением у него быстрых саккадированных движений глаз. Если в данном случае поместить белый лист бумаги перед глазами исследуемого, это приводит к прекращению потока зрительной информации, необходимой для формирования λ-волн.

ЭЭГ норма дельта-ритма

Основная статья: Дельта-ритмы

δ-волны
Рис. 6. Интермиттирующие δ-волны

слева в средних височных отведениях во время перехода в состояние дремоты у здорового 84-летнего пациента, проходящего обследование по поводу обморока

Дельта-ритм представляет собой активность частотой менее 4 Гц, которая занимает < 10% записи ЭЭГ в состоянии бодрствования в норме у людей, достигших 10 лет. В состоянии бодрствования δ-активность может считаться нормой в очень раннем и в пожилом возрасте. В норме у пожилых людей могут выявляться редкие нерегулярные δ-комплексы в височных отведениях. Эта активность сходна по распределению с височным θ-ритмом, часто более выражена в левых, чем в правых височных областях, но в Норме не превышает 1% записи. В некоторых случаях δ-активность считается нормальной — у людей старше 60 лет, при появлении состояния дремоты, в ответ на гипервентиляцию, а также во время медленноволнового сна. Чрезмерно выраженная генерализованная δ-активность является патологической и указывает на энцефалопатию неспецифической этиологии. Фокальная аритмичная δ-активность обычно указывает на структурное поражение, вовлекающее белое вещество ипсилатерального полушария, особенно если эта активность продолженная и ареактивная.

Природа ритмов и связь с мозговыми функциями

Новые открытия в области электроэнцефалографии (ЭЭГ), сделанные в течение нескольких прошлых десятилетий, существенно изменили классические представления, на которых базировалось обучение психиатров и неврологов в медицинских школах. Согласно классическим представлениям, обработка информации в человеческом мозгу реализуется за счет импульсной (спайковой) активности отдельных нейронов. Осцилляторная электрическая активность (например, ритмы ЭЭГ) в худшем случае отвергалась и игнорировалась, в лучшем — считалась фоновой активностью. В качестве примера может быть приведена книга Principles of neuroscience под редакцией Е. Kandel, J. Schwartz и Т. Jessel, которая считается «библией» ученых, занимающихся исследованием деятельности мозга. В четвертом издании глава про электрические колебания ЭЭГ отсутствовала, а глава Джона Мартина (John Martin) «Коллективная электрическая активность нейронов: электроэнцефалограмма и механизмы эпилепсии», представленная в третьем издании, была отвергнута.

В течение последних нескольких лет ситуация медленно изменяется. Теперь мы сталкиваемся с ренессансом ЭЭГ, что связано с появлением новых методов оценки человеческой ЭЭГ и новых экспериментальных результатов в исследованиях на животных, которые позволили электрофизиологам обнаружить, что изменения в колебательных паттернах ЭЭГ играют определяющую роль в поддержании мозговых функций и, следовательно, могут использоваться как мощный инструмент для диагноза мозговых дисфункций.

С общей точки зрения, колебания присутствуют во всех физических и биологических системах, стремящихся достигнуть равновесия. Почти во всех случаях колебания появляются, когда система управляется двумя противоположными процессами: выводящим систему из равновесия и возвращающим ее обратно к равновесию. В этом отношении колебания ЭЭГ не отличаются от колебаний в других биологических системах. В случае любого наблюдаемого ритма ЭЭГ (такого как альфа, бета или тета) мы всегда можем обнаружить фактор, который выводит нейрон или нейронную сеть из состояния равновесия, и причину, которая возвращает их назад.

Однако колебания могут быть не только отражением действия двух противоположных сил в нейронных сетях, но гипотетически также могут служить источником объединяющего начала в организации нейронных сетей. Например, изменения суммарного локального электрического потенциала, созданного нейронами — генераторами данного ритма, могут вовлечь в этот процесс другие нейроны, которые непосредственно не участвуют в генерации ритма. Это вовлечение синхронизирует активность всех нейронов нейронной сети с генераторами ритма. Несмотря на попытки доказать это предположение, мы все еще не знаем, правильно оно или нет.

Типы биоэлектрической активности мозга

Основная статья: Биоэлектрическая активность головного мозга

Ритмы ЭЭГ в диапазоне частот от 0 до 70 Гц охватывают несколько категорий электрических явлений, регистрирующихся от скальпа. Эти биоэлектрические явления традиционно разделены на следующие типы: сдвиги DC-потенциалов, декасекундные колебания и медленные волны, дельта-, тета-, альфа– и бета-ритмы ЭЭГ. Здесь необходимо подчеркнуть, что понятие ритма предполагает, что ритм представляет собой регулярные изменения электрического потенциала, измеренного электродами от скальпа. Если к записи ЭЭГ, содержащей ритмы, применяется преобразование Фурье или волновое (wavelet) преобразование, то эти ритмы выявляются в соответствующих спектрах в форме пиков.

Для регистрации декасекундных колебаний необходимы специальные усилители. Декасекундные колебания, как правило, не рассматриваются в обычной ЭЭГ. Дельта-ритмы охватывают диапазон частот от 1 до 4 Гц, тета-ритмы — 4—8 Гц, альфа-ритмы — 8—13 Гц и бета-ритмы имеют частоту выше 13 Гц. Тета-, альфа- и бета-ритмы присутствуют в нормальной ЭЭГ, регистрируются в состоянии покоя (с закрытыми или открытыми глазами) и в условиях решения различных задач. Дельта-ритмы в нормальном мозге выражены на спектрограммах в форме пиков только во время состояния глубокого сна. Хотя основные ритмы ЭЭГ известны со времени Бергера (конец 1920-х), их нейрофизиологические основы начинают выясняться только недавно, начиная приблизительно с 1980-х годов.

Надо подчеркнуть, что ЭЭГ — это чувствительный маркер состояния человека: ритмы ЭЭГ существенно изменяются, когда человек засыпает и переходит от одной стадии сна к другой. Например, во II стадии сна появляется определенные колебания, названные сонными веретенами. Веретена сна исчезают в то время, как в дальнейших стадиях сна развиваются тета- и дельта-ритмы. Во время бодрствования ритмы могут определять меру реакции мозга на различные психологические задачи. Например, затылочные альфа-ритмы подавляются (реакция десинхронизации) в то время, как лобные бета-ритмы увеличиваются (реакция синхронизации) в ответ на поведенчески значащие зрительные стимулы.

Частотные диапазоны в спектре ЭЭГ
Частотные диапазоны в спектре ЭЭГ

Границы частот строго не определены. Однако полноценность частотной классификации доказывается всей историей ЭЭГ.

В поврежденном мозге нормальные механизмы генерации ритмов ЭЭГ могут нарушаться, и ритмы могут: 1) становиться медленнее по частоте (замедление ЭЭГ); 2) иметь необычную локализацию (например, альфа-ритмы в височных областях); 3) стать выше по амплитуде (гиперсинхронизация) и в большей синхронности с другими областями (гиперкогерентность). В некоторых серьезных случаях (характеризующихся, например, разобщением корковых областей и подкорковых структур, в результате травмы или опухоли) может появиться медленный ритм с частотой дельта-диапазона (1—3 Гц). Также нормальные механизмы синхронизации могут быть усилены, тогда на ЭЭГ появляются спайки или паттерны «спайк/медленная волна», указывающие на очаг эпилептиформной активности в человеческом мозгу, который иногда может привести к эпилептическому приступу. Нормативные базы данных могут помочь электроэнцефалографисту выявить перечисленные аномальные паттерны и оценить уровень статистической значимости отклонения от нормы для каждого исследуемого человека. Пространственная локализация генераторов ритмов ЭЭГ может быть оценена различными методами, такими как дипольная аппроксимация или электромагнитная томография низкого разрешения (LORETA).

Пароксизмальная активность

Основная статья: Пароксизм

В нормальном мозгу процессы коркового возбуждения и торможения хорошо сбалансированы. Кора со сбалансированными процессами торможения и возбуждения в состоянии спокойного бодрствования генерирует нормальные регулярные электрические колебания: альфа-ритмы, бета-ритмы и среднелобный тета-ритм. Если указанный баланс нарушен так, что возбуждение превышает торможение, кора начинает производить аномальные паттерны электрической активности, которые называются пароксизмами. В большинстве случаев они могут быть зарегистрированы с помощью обычной скальповой ЭЭГ в форме определенных электрографических паттернов. Есть несколько типов эпилептиформной активности, наиболее распространенные из которых — спайки, острые волны, комплексы «спайк — медленная волна». Спайки обычно генерируются локальной корковой областью, называемой фокусом. С использованием таких современных методов, как электромагнитная томография, LORETA или анализ диполей, эпилептогенные фокусы могут быть локализованы в коре с хорошей точностью. С 1950-х годов долгие годы обнаружение спайков визуальным просмотром ЭЭГ оставалось единственным методом. За прошлые 10—20 лет были разработаны весьма надежные методы для автоматического обнаружения спайков. В настоящее время большинство современных QEEG-систем имеет дополнительные инструменты для автоматического обнаружения спайков, которые помогают практикам обнаружить и проанализировать пароксизмальную активность в мозгу.

Отражение функционирования мозговых систем

Длительность записи ЭЭГ в три минуты обеспечивает достоверные и воспроизводимые спектры ЭЭГ
Рисунок 2. Длительность записи ЭЭГ в три минуты обеспечивает достоверные и воспроизводимые спектры ЭЭГ

Спектры мощности и топограммы ЭЭГ, зарегистрированных у одного субъекта в течение 3 минут, с интервалом между регистрациями 7 дней.

ЭЭГ — сложная комбинация ритмов. Например, спектры ЭЭГ пациента, представленные на рис. 2, включают лобный тета-ритм, затылочный альфа-ритм, задневисочную низкочастотную бета-активность и центральную высокочастотную бета-активность. При сравнении с нормативной базой данных лобная тета-активность и задневисочная низкочастотная бета-активность оказались вне диапазона нормы.

Различные ритмы ЭЭГ отражают различные механизмы. Альфа-ритмы отражают состояние таламокорковых путей. Среднелобный тета-ритм отражает функционирование лимбической системы. Бета-ритмы более локальны и отражают состояние локальных корковых областей. Определение аномальной ритмической активности ЭЭГ и связь этих отклонений с различными мозговыми системами соответствует второму критерию эндофенотипов как биологических маркеров болезни.