О некоторых ЭЭГ коррелятах реальной и идеомоторной деятельности

О НЕКОТОРЫХ ЭЭГ КОРРЕЛЯТАХ РЕАЛЬНОЙ И ИДЕОМОТОРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

© 2012 г. , ,

НИИ нейрокибернетики им. ЮФУ, г. Ростов-на-Дону

*****@***ru, *****@***ru

Abstract: The activity of the human brain during movement and voluntary motor imagery was investigated. It was shown that the negative shift of the potential associated with the real and imagery movement preparation. The difference of the spatiotemporal structure of the surface-negative wave in the real and imagery movement was not significant. Recent data suggests that there are differences between late potentials of the movement and motor imagery.

Введение

Постоянно растущий интерес к поиску в электрической активности мозга человека специфических паттернов, связанных с произвольной мыслительной или идеомоторной деятельностью, связан, прежде всего, с разработкой Brain-Computer Interface (BCI, [1, 2, 3]). Одной из целей разработки такого рода систем является создание невербального канала коммуникации и контроля для частично или полностью парализованных лиц, в т. ч., для их реабилитации [4, 5]. Наряду с этим, интенсивно разрабатываются подходы к созданию как инвазивных, так и неинвазивных BCI, способных управлять искусственной конечностью (нейропротезом) [6] и устройствами передвижения (инвалидным креслом) [3]. Экспериментально продемонстрировано, что как в ЭКоГ, так и ЭЭГ человека и животных имеют место паттерны электрической активности, пригодные для управления внешними устройствами. С другой стороны, разработаны и продолжают совершенствоваться алгоритмы и методы идентификации специфических ЭЭГ-феноменов с целью создания BCI-систем [7, 8], что позволяет надеяться на появление более эффективных BCI, прежде всего, с точки зрения скорости и точности управления.

Методика

Настоящая работа была посвящена исследованию ЭЭГ феноменов, формирующихся в процессе произвольной реальной и идеомоторной деятельности. В обследованиях участвовали 8 человек (4 мужчины и 4 женщины), средний возраст которых составлял 26 + 2 года. В процессе обследования участники находились в удобном положении (в кресле), в свето - и звукоизолированной камере. Каждый из них участвовал в обучающей процедуре и двух тестовых обследованиях. Во время обучения обследуемым было предложено произвольно выполнять заданное движение (поднятие предплечья в вертикальной плоскости при покоящемся на подлокотнике кресла локтевом суставе) правой или левой рукой с интервалом 10 с в любой последовательности, но с тем условием, что после реального движения должно было следовать его мысленное (идеомоторное) повторение. После выполнения этого комплекса ему надлежало сигнализировать об окончании работы нажатием на кнопку. В процессе обучения они адаптировались к условиям обследования, тренировались работать в заданном темпе. При этом определялись индивидуальные скоростные характеристики. Обучение проводилось без регистрации ЭЭГ.

В процессе тестовых обследований все участники выполняли движения левой или правой рукой в любой последовательности и произвольном темпе с интервалом не менее 6 и не более 10 секунд. Следом за реальным движением они должны были также выполнить аналогичное идеомоторное движение (в течение 2-4 секунд), дополнительного сигнала об окончании которого не требовалось. Всего выполнялось по 70 таких циклов (реальное – мысленное движение, серия Д+МД) как для левой, так и правой руки. Обследуемым также было предложено выполнить по 30 реальных движений руками в любой последовательности и произвольном режиме с интервалом 6-10 секунд, но без мысленного их повторения (серия Д).

Источником данных для анализа служили безартефактные отрезки ЭЭГ, регистрируемой от 14 стандартных отведений по международной системе «10-20», а именно: f7, f8, f3, f4, c3, c4, p3, p4, o1, o2, t3, t4, t5, t6. Запись ЭЭГ осуществлялась монополярно с референтами, расположенными на мочках ушей. Дополнительно регистрировали электромиограмму поверхностных мышц обеих рук, сгибающих предплечье в локтевом суставе (m. brachioradialis) и электроокулограмму (горизонтальную и вертикальную) для удаления артефактов, связанных с движением глаз и морганием. Частота дискретизации сигнала по каждому из каналов регистрации составляла 256 Гц. Энцефалографические сигналы подвергались предварительной обработке полосовым фильтром с полосой пропускания 1-70 Гц и режекторным фильтром 50 Гц. Все обследования проводились с помощью усилителя биопотенциалов «Энцефалан» (элитная версия, «Медиком-МТД», г. Таганрог).

Для обнаружения потенциалов, связанных с реальными и мысленными движениями, и определения временного окна для классификации применялась процедура суперпозиции и обратного усреднения сигналов относительно меток инициации движений. Метки устанавливались offline после фильтрации дополнительных миографических каналов полосовым фильтром (0,1-4 Гц). После фильтрации для каналов миограммы был установлен условный порог 10 мкВ, по достижении которого выставлялась метка, соответствующая началу движения. Такой подход позволил выделить ряд компонентов, связанных как с выполнением реальных (ПСД), так мысленных (ПСМД) движений. Для детального анализа и классификации паттернов ЭЭГ было выбрано 2 временных окна, а именно, -500÷-150 мс перед выполнением реального движения и +2500÷+4500 мс во время его мысленного повторения. Дополнительно рассчитывался коэффициент корреляции (КК) между сигналами, зарегистрированными по ЭЭГ - и двум вспомогательным миографическим каналам (правой и левой руки), с тем, чтобы исключить влияния миографических артефактов. Корреляционный анализ показал, что величина КК не превышала ±0,16.

Результаты и обсуждение

Поскольку длительность обследования составляла более часа, прежде всего, было проведено сравнение спектральных характеристик ЭЭГ обследуемых, зарегистрированной в состоянии покоя с открытыми и закрытыми глазами до начала и после окончания работы. Сравнение не выявило достоверных различий между данными состояниями ни в одном частотном диапазоне. Последнее позволяет утверждать, что наблюдаемые изменения пространственно-временной организации ЭЭГ были связаны не с изменением функционального состояния мозга, а со спецификой выполняемой деятельности.

Время выполнения реальных движений как правой, так и левой рукой у всех обследуемых составляло, в среднем, 1629 мс (St_Dv +146,12; -146,12). Достоверных отличий во временных характеристиках при выполнении движений между правой и левой руками обнаружено не было. В процессе работы время, затрачиваемое на выполнение реальных движений, также достоверно не изменялось, что свидетельствовало в пользу сохранения у обследуемых состояния оптимальной работоспособности.

Определение времени, затрачиваемого на выполнение мысленного движения, производилось в рамках обучающей процедуры и заключалось в измерении интервала между реальным движением и нажатием на кнопку, сигнализирующим об окончании идеомоторного акта. Данный интервал практически во всех анализируемых случаях составлял около 2550 мс (St_Dv -119,254; +119,256). Учитывая феномен последвигательной β-синхронизации, продолжительность которого, по данным зарубежных авторов [9], составляет до 500 мс, а также время на формирование моторного ответа (не более 300 мс), чистое время, затрачиваемое на мысленное представление движения, составляло около 1750 мс (St_Dv -119; +119).

Анализ усредненных индуцированных потенциалов (Рис.1) позволил выделить три предшествующих реальному движению компонента как в серии Д, так и Д+МД. Ранний негативный потенциал, выраженный билатерально с амплитудой до -5 мкВ (St_Dv -1,734; +1,779), развивался во временном окне -1,2÷-0,5 с. Поздний негативный потенциал – латерализованный компонент во временном окне -0.5 ÷ -150 мс с амплитудой до -9 мкВ (St_Dv -2,669; +2,647). Его амплитудная карта для отведений C3 и C4 представлена на рис.1.

Рис. 1. Динамика корковых потенциалов в отведениях С3 и С4 в рамках серии Д и Д+МД для 8 обследуемых. Серия Д - черная линия, серия Д+МД - серая. Черная стрелка - реальное движение, серая - мысленное. Черный круг – окончание работы.

Наряду с указанными, как в серии Д, так и Д+МД за 120-90 мс до начала реальных движений формировался моторный потенциал, который был максимально и локально выражен примерно за 50 мс до начала движения над зоной моторного представительства работающей руки и имел амплитуду до -19 мкВ.

Завершался вышеописанный комплекс потенциалов через 800 мс после начала движения положительным компонентом (волной реафферентации) с амплитудой 15 мкВ (St_Dv -1,131; +1,143), характерной для баллистических движений. Компонент Р800 приходился точно на середину выполняемого движения и соответствовал положению руки в наивысшей точке после поднятия. Возврат конечности в исходное состояние сопровождался появлением еще одного негативного компонента во временном интервале +750 ÷ +1500 мс с амплитудой от 4 до -12 мкВ (Mean 5,34 мкВ, St_Dv -7,554; +7,556), который также оканчивался быстрым позитивным реафферентным компонентом с амплитудой до 7 мкВ (St_Dv -1,012; +1,011). В течение следующих 500 мс позитивный потенциал полностью угасал, а амплитуда ЭЭГ возвращалась к фоновым значениям, что совпадало с фактическим окончанием движения и завершением миографической активности.

Комплекс потенциалов (в серии Д+МД), связанных с мысленным воспроизведением движения, представлял собой негативно-позитивное колебание во временном окне +2500 ÷ +4500 мс. Длительность негативного компонента достигала 1300 мс (St_Dv -115,223; +115,222), а его амплитуда составляла до -8 мкВ (St_Dv -1,551; +1,546). Он регистрировался, в том числе, в лобных, прецентральных и двигательных зонах, однако максимум амплитуды наблюдался в полушарии, контрлатеральном работающей руке (см. рис. 1). Следовавший за ним положительный (реафферентный) компонент продолжался еще 500 мс и диффузно охватывал всю кору, после чего амплитуда сигнала также возвращалась к фоновым значениям. Общая продолжительность негативно-позитивного комплекса потенциалов в рамках тестовых процедур составляла, в среднем, 1812 мс (St_Dv -71,556; +71,557), что совпадало с теоретическим расчетом, сделанным при обучении обследуемых.

Обращает на себя внимание отсутствие моторного потенциала (МП) в формирующемся идеомоторном паттерне электрической активности мозга, на что также указывала в своей монографии [10]. Исчезновение МП при мысленном выполнении движения можно объяснить отсутствием его реального воспроизведения. В данном случае, МП играет роль потенциала инициации и может быть связан с пусковыми командными процессами, тогда как медленная негативная волна связана, скорее, с преднастройкой и мысленным формированием программы предстоящего движения.

Статистический анализ (ANOVA) показал, что медленная негативная волна во время выполнения мысленного движения не отличалась от таковой при его реальном выполнении по своим амплитудно-временным характеристикам (Main Effect Fд-мд (1;1468)=1,869; р=0,44), однако имело место ее отличие от фоновой ЭЭГ – покоя с открытыми глазами как в серии Д, так и Д+МД (рис. 2).

Рис. 2. Результат однофакторного ANOVA-анализа ПСД и ПСМД по сравнению с покоем с открытыми глазами. ЛР-левая рука, ПР-правая рука, МЛР-мысленно левая рука, МПР-мысленно правая рука. Серым обозначены достоверные различия.

Обнаружены феномены, связанные с участием не только контр-, но и ипсилатерального полушария в реальной и идеомоторной деятельности. Достоверные отличия также обнаружены при сравнении поздних компонентов ПСД и ПСМД (Main Effect, Fд-мд (1;1468)=44,183; р=0,011).

С другой стороны, в литературе имеются указания [6, 11, 12, 13, 14] на отсутствие достоверных различий между потенциалами мозга, воспроизводимыми в условиях реальной и идеомоторной деятельности, что, как нам представляется, требует дополнительной проверки.

В настоящее время ведется работа по использованию медленных негативных потенциалов, связанных с идеомоторной деятельностью, в качестве маркеров для задач классификация пространственно-временных паттернов ЭЭГ в рамках нейросетевого подхода.

Выводы

1.  ЭЭГ феномены, формирующиеся в условиях подготовки к выполнению реального движения и во время его мысленного воспроизведения, достоверно не отличались, однако имели место отличия между поздними компонентами ПСД и ПСМД.

2.  Для целей классификации пространственно-временных паттернов ЭЭГ, связанных с реальной и идеомоторной деятельностью, представляется перспективным использование электрографических феноменов во временных окнах -500 ÷ -150 мс и +2500 ÷ +3800 мс.

Литература:

1.  , ,   // Вопр. Искус. Интеллекта, 2008, № 1 с. 93-102.

2.  и др. Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 2010.-N 5. С.525-533.

3.  Kai J. Miller et al. PNAS. Neuroscience, February 16, (2010), doi:10.1073/ .

4.  J. P. Donoghue, Nat. Neurosci,  5 Suppl. (2002), pp. 1085–1088. 

5.  Kobashi N. et. al., European Journal of Neuroscience Volume 35, Issue 9, pages 1513–1521, May 2012

6.  Waldert S. et al. Journal of Physiology. Paris. Corrected Proof. August 2009, p. 244-254.

7.  Muller K. R. and Blankertz B. IEEE Signal Proc. Mag., 23: 2006. P. 125–128.

8.  Pfurtscheller G. et al Neuroscience. 2010. Apr. vol. 2. P. .

9.  C. Keinrath et al. Int. Journal of Psychophysiology–327

10. Иванова , 1991, с.104-126.

11. Жаворонкова -левши. М.: Наука. 20с.

12. Pfurtscheller G. e. a. Brain Res. 2006b. 1071. P.145–152.

13. Leuthardt E. C., Miller K. J., Schalk G. Neuroscience. 2007. Feb. P. .

14. McFarland D. J., Miner L. A., Vaughan T. M., Wolpaw J. R. // Brain Topogr. 2000a. 3. P.177–186.