Зміни показників ЕЕГ людини, пов’язані з контрольованим больовим подразненням та статичним напруженням м’язів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ ім. О.О. БОГОМОЛЬЦЯ

УДК 612. 014. 42 + 612. 82 +612.766.1+ 612. 884

Зміни показників ЕЕГ людини, пов'язані з контрольованим больовим подразненням та статичним напруженням м'язів

14.03.03 - нормальна фізіологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата медичних наук

Маньківська Олена Петрівна

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі фізіології рухів Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України

Науковий керівник: доктор біологічних наук Костюков Олександр Іванович, завідуючий відділом фізіології рухів, Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України

Офіційні опоненти: доктор медичних наук, професор ЧеботарьоваЛідія Львовна, завідуюча відділенням функціональної діагностики, Інститут нейрохірургії ім. А.П. Ромоданова АМН України

кандидат медичних наук Коник Ольга Юхимівна, старший науковий співробітник відділу по вивченню медичних наслідків аварії на ЧАЕС, Військово-медичне управління служби безпеки України

Провідна установа: кафедра нормальної фізіології Дніпропетровської державної медичної академії

Захист відбудеться 19 червня 2007 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.198.01 при Інституті фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України за адресою: 01024, м. Київ, вул. Богомольця, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституті фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України за адресою: 01024, м. Київ, вул. Богомольця 4.

Автореферат розіслано травня 2007 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор біологічних наук Сорокіна-Маріна З.О.

електроенцефалографія мозок больовий стимуляція

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В клінічній практиці, а також в галузях спортивної медицини та фізіології праці, до числа актуальних слід віднести проблему оцінки та діагностики стану нейрофізіологічних механізмів функціональної активності мозку в умовах підвищеної сенсорної та моторної активації, наприклад в умовах соматичних больових подразнень, а також інтенсивного фізичного навантаження (Nielsen et al., 2001; Newberg et al., 2005). Дані щодо перебудови активності мозку за таких умов корисні для аналізу патогенетичних механізмів синдромів болю та рухових розладів при ряді захворювань, уточнення діагнозу захворювань, прогнозування їх перебігу, а також оцінки дії лікувальних засобів (Гаркавенко і співавт., 1994; Карабань і співавт., 2000). Так, наприклад, при хворобі Паркінсона біль часто є супутнім, але маловивченим фактором в розвитку захворювання (Giuffrida et al., 2005), дослідження центральних механізмів аферентації відіграє важливу роль і при інших функціональних та органічних порушеннях, оскільки в організації та формуванні рухів велике значення має аферентний приток від м'язово-суглобового апарату (Зенков, 1996). В умовах фізичного навантаження, наприклад у спортсменів, дані про функціональну перебудову активності мозкових систем можуть забезпечити додатковою інформацією відносно центральних механізмів втоми (Sologub et al., 1984; Nielsen et al., 2001).

Серед сучасних методик дослідження механізмів змін активності мозку людини в умовах больового подразнення та фізичного навантаження особливе місце займають електроенцефалографія (ЕЕГ) та методики нейровізуалізації: позитронно-емісійна томографія (ПЕТ) та функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ). Не зважаючи на те, що дві останні методики дозволяють отримувати пряме зображення органічних структурних морфологічних розладів та інформувати про метаболічні зміни, для вирішення проблеми оцінки змін функціонального стану мозку за умов сенсорної та сенсомоторної активації більш доцільним є застосування методики ЕЕГ. Достоїнствами її є неінвазивність, зручність у використанні, вона дозволяє проводити багаторазові та тривалі дослідження. Використання спектрально-когерентного аналізу ЕЕГ дозволяє більш детально та точно вивчати зміни мозкової активності людини (Chen et al., 1998; Rappelsberger et al., 2000).

Виявлено досить значні зміни параметрів ЕЕГ при застосуванні рухових та больових тестів у здорових добровольців (Manganotti et al., 1998; Chang et al., 2003). У більшості досліджень особливу увагу приділяють основному ритму ЕЕГ, а саме -ритму, оскільки модуляції його параметрів дозволяють оцінювати характер процесів збудження та гальмування в структурах головного мозку (Pfurtscheller et al., 1996; Sadato et al., 1998). В той же час слід відмітити, що деякі параметри ЕЕГ залишаються недостатньо дослідженими і дані щодо них мають значні розбіжності у висновках та трактовці різних авторів. При больовій стимуляції і при рухових тестах є недостатньо вивченими динаміка змін різних складових спектру ЕЕГ та стійкість реакції при тривалому тестуванні і використанні повторних тестів. Мало дослідженими є зміни ЕЕГ в умовах силового навантаження, зв'язок цих змін з розвитком втоми. Порівняно мало дослідженими є ефекти післядії в перебудові ЕЕГ для різних діапазонів. Важливими також є дані щодо топографії змін для показників спектральної потужності, середньої частоти та когерентності, а також латералізація змін ЕЕГ. Важливим, на наш погляд, є визначення особливостей модуляції ЕЕГ під дією різних факторів, що викликають потужну сенсорну та сенсомоторну активацію, зокрема болю та силового навантаження. Можливості для такого співставлення за даними літератури досить обмежені. Внаслідок цього ми вважали за доцільне провести експериментальне дослідження, в якому мали намір дослідити зміни спектрально-когерентних характеристик ЕЕГ в умовах тонічної больової стимуляції та виконання тривалих статичних зусиль стискання під час безпосередньої дії цих факторів і після їх припинення. Передбачалося дослідження реакцій ЕЕГ при послідовних пробах застосування больового подразнення різної інтенсивності та змін реакцій ЕЕГ при послідовних пробах з силовим навантаженням і в умовах розвитку втоми.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота „Зміни показників ЕЕГ людини, пов'язані з контрольованим больовим подразненням та статичним напруженням м'язів” відповідає планові науково-дослідної тематики відділу фізіології рухів Інституту фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України № 0102U000828.

Мета і завдання дослідження. В роботі ставилася мета виявити ЕЕГ-кореляти змін функціонального стану головного мозку людини в умовах контрольованої тонічної больової стимуляції суглоба кисті та повторюваного статичного напруження м'язів кисті. Для її досягнення було поставлено такі завдання:

Визначити зміни спектральної потужності різних діапазонів та піддіапазонів спектру ЕЕГ та середньої частоти у їх межах у здорових добровольців під час та безпосередньо після дії соматичного тонічного болю внаслідок механічного стискання дистального суглоба 5-го пальця кисті.

Визначити зміни показників когерентності для симетричних пар відведень від лівої та правої півкуль мозку в різних діапазонах та піддіапазонах ЕЕГ під час дії соматичного больового подразнення та після його припинення.

Визначити зміни спектральної потужності різних діапазонів та піддіапазонів спектру ЕЕГ та середньої частоти у їх межах під час та після реалізації повторюваних статичних зусиль стискання правою та лівою кистю.

Визначити зміни показників когерентності для симетричних пар відведень від лівої та правої півкуль мозку в різних діапазонах та піддіапазонах ЕЕГ під час та після повторюваних статичних зусиль стискання різними руками.

Порівняти зміни показників ЕЕГ при тривалій больовій стимуляції та статичних м'язових зусиллях.

Об'єкт дослідження. Зміни параметрів показників ЕЕГ: спектральної потужності, середньої частоти та коефіцієнтів когерентності ритмів ЕЕГ в стані спокою, під час больової стимуляції і зусиль стискання та після їх закінчення.

Предмет дослідження. Вплив больової стимуляції та статичного напруження м'язів на показники спектральної потужності, середньої частоти та когерентності в різних діапазонах та піддіапазонах спектру ЕЕГ.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше показано, що тонічна больова стимуляція та статичне м'язове зусилля супроводжуються підвищенням потужності альфа-коливань, насамперед, у потилично-тім'яних та фронтальних зонах мозку. Така реакція виникає і триває на протязі всього періоду тестування після початкової десинхронізації, і характеризується тривалою післядією. Вперше проводилось порівняння змін ЕЕГ під час силового тесту та больової стимуляції. Встановлено, що синхронізація є більш генералізованою під час больового впливу, ніж при силовому стисканні. Реакція синхронізації, викликана силовим навантаженням, є більш зонально диференційованою та поєднується з більш потужною реакцією десинхронізації у центральних та фронтальних відділах. Під час больової стимуляції і під час силового тесту продемонстровано відмінності змін мозкової активності у ₁- та ₂-піддіапазонах.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в роботі дані можуть сприяти більш повному розумінню динаміки процесів збудження та гальмування в структурах головного мозку при соматичному больовому подразненні та генерації найпростіших силових реакцій. Це може бути корисним в діагностиці захворювань, а саме в використанні нових функціональних проб під час ЕЕГ-дослідження та при розробці лікувальних методик, зокрема знеболювання, і реабілітаційних засобів в клініці захворювань нервової системи та опорно-рухового апарату, а також в сфері фізіології праці і спорту.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом було самостійно виконано аналіз наукової літератури, проведено експериментальне дослідження, обробку, аналіз отриманих результатів, їх викладення та співставлення з літературними даними. Здобувач приймав активну участь у розробці концепції частин роботи, обговоренні та формулюванні висновків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені для обговорення на Всеросійській конференції молодих дослідників „Физиология и медицина” (Санкт-Петербург, 2005 р.), конференції молодих вчених „Нейронауки: теоретичні та клінічні аспекти” (Донецьк, 2005 р.), а також на наукових семінарах в Інституті фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України (2005, 2006 р.).

Публікації. Матеріали дисертації викладені в 7 наукових публікаціях, з них 4 статті в наукових спеціалізованих виданнях, що рекомендовані ВАК України та 3 тез доповідей конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 143 сторінках, містить 4 таблиці та 30 рисунків. Вона складається зі списку скорочень, вступу, огляду літератури, опису методів та результатів дослідження, обговорення результатів, висновків, а також списку використаної літератури, що нараховує 237 джерел.

МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ

В роботі досліджували зміни спектральних та когерентних параметрів різних діапазонів ЕЕГ людини при використанні двох видів впливів: соматичної тонічної больової стимуляції в області дистального суглобу мізинця правої чи лівої руки та розвитку довільних статичних зусиль стискання правою чи лівою кистю. Загалом було проведено 61 серію тестів, з них 38 з розвитком статичного зусилля та 23 з використанням больової стимуляції. Групу досліджуваних склали здорові праворукі волонтери, різної статі, віком від 19 до 56 років (в середньому 29,7 років). Для подальшого відбору даних служили такі критерії: 1) варіант ЕЕГ з виразним піком в -діапазоні (8-13 Гц) спектру ЕЕГ; 2) помірна кількість артефактів в зареєстрованій ЕЕГ.

Перша частина роботи присвячена дослідженню змін ЕЕГ в умовах больової стимуляції. Для аналізу були відібрані дані, отримані в групі з 12 тестованих. Під час дослідження здійснювали стискаючий больовий вплив на зону дистального суглобу 5-го пальця правої або лівої руки, для цього використовували механічний пружинний пристрій, елементами якого були два циліндричних стрижні з поліхлорвініловою поверхнею. Застосовували два ступені інтенсивності больового стискання, які оцінювали як слабкий та сильний біль. Тривалість кожного больового впливу становила 3 хвилини, інтервал між ними складав 5 хвилин. Реєстрацію ЕЕГ здійснювали на всіх етапах дослідження: до (етапи preP1 та preP2), під час (етапи P1 та P2) та після (етапи postP1 та postP2) больової стимуляції.

Для дослідження змін параметрів ЕЕГ в умовах виконання статичних зусиль стискання використовували три експериментальні схеми, в яких приймали участь три групи досліджуваних. Одна група добровольців приймала участь в тесті А - 14 чоловік; друга - в тесті Б, 6 чоловік і третя - в тесті В, 9 чоловік. Тестовані утримували статичне напруження м'язів кисті за допомогою спеціального датчика сили послідовно тричі правою рукою (тест А), послідовно двічі лівою рукою (тест Б) або спочатку правою, а потім лівою рукою (тест В) на протязі 3 хвилин з зусиллям, що не перевищувало 140 Н. Інтервал між зусиллями становив 5 хвилин. Інтенсивність стискання в кожній пробі характеризували за його середньою величиною в момент вимірювання. Реєстрацію ЕЕГ здійснювали на всіх етапах дослідження для кожної із схем експерименту: до, під час та після реалізації зусилля стискання.

Для об'єктивізації функціонального стану досліджуваних на всіх етапах дослідження для кожного виду тестування вимірювали частоту серцевих скорочень за допомогою реєстрації ЕКГ.

Реєстрацію ЕЕГ здійснювали на комп'ютерному електроенцефалографі НВП “DX-системы” монополярно в 16 відведеннях (Fp₁, Fp₂, F₃, F₄, C₃, C₄, P₃, P₄, O₁, O₂, F₇, F₈, T₃, T₄, T₅, T₆) відносно об'єднаного вушного електроду. Реєструючі електроди розташовували згідно з міжнародною системою “10-20”. Опір електродів не перевищував 10 кОм. Вхідні сигнали фільтрувалися аналоговим фільтром з частотою зрізу 40 Гц та постійною часу 0,3 с. Частота дискретизації вхідних сигналів складала 100 Гц. Безартефактні ділянки розбивались на епохи тривалістю 3 с без перекривання. Для кожної епохи за допомогою ЦПФ було отримано спектр потужності із застосуванням вікна Хана. Далі спектри всіх епох усереднювали окремо для кожної особи, було отримано усереднені спектри потужності ЕЕГ сигналів для кожного відведення у кожної особи на всіх етапах дослідження.

Розраховували спектри когерентності та коефіцієнти когерентності для семи пар симетричних відведень правої та лівої півкулі (виключаючи пару Fp₁-Fp₂). Під час розрахунку показників когерентності використовували алгоритми, що запропоновані для ЕЕГ-аналізу раніше (Andrew et al., 1996). Реєстрації за двома відведеннями X та Y розбивались на епохи тривалістю 3 с. Для кожної епохи з використанням ЦПФ отримували комплексні ЦПФ X_k(щ) та Y_k(щ) для частоти щ, де індекс k вказує на номер епохи. За допомогою комплексних ЦПФ для відведень X та Y обчислювали спектри потужності S_xx(щ), S_yy(щ) та крос-спектр S_xy(щ) за слідуючими формулами, де N вказує на кількість епох аналізу:

, ,

Коефіцієнт когерентності (КК) для частоти щ обчислювався слідуючим чином:

Коефіцієнт когерентності для конкретних діапазонів отримували за допомогою усереднення всіх КК для частот, що входять в даний діапазон. В роботі продемонстровано результати аналізу змін спектральної потужності (СП) та КК в частотних діапазонах та піддіапазонах ЕЕГ: 2 - 4 Гц (д), 4 - 6 Гц (и₁), 6 - 8 Гц (и₂), 8 - 10,5 Гц (б₁), 10,5 - 13 Гц (б₂), 13 - 20 Гц (в₁) та 20 - 35 Гц (в₂).

Розраховували значення середньої частоти (СЧ) для и-, б-, в₁- та в₂-діапазонів ЕЕГ. За СЧ приймали медіану спектру потужності для конкретного частотного діапазону. СЧ розбивала діапазон на два піддіапазони таким чином, що потужність спектру нижче середньої частоти дорівнювала потужності спектру вище цієї частоти. Було отримано СЧ відповідних діапазонів ЕЕГ для кожного відведення у кожної особи на всіх етапах дослідження. Далі отримані значення СЧ усереднювали по групі досліджуваних і визначали зміни під час проби відносно вихідного стану. Коефіцієнт асиметрії (КА) визначали як відношення різниці між значеннями логарифмів спектральної потужності для ритмів ЕЕГ в симетричних відведеннях від лівої та правої півкуль до суми цих значень. Отримані величини в подальшому усереднювали по групі тестованих та визначали зміни КА під час виконання проби відносно вихідного стану.

Статистичну обробку базували на основі двофакторного дисперсійного аналізу з повторними вибірками (two-way ANOVA). В якості факторів розглядали просторову локалізацію ЕЕГ-відведень та умови експерименту. Обидва фактори вважались внутрішньогруповими. В якості post-hoc аналізу для оцінки статистичного значення розбіжностей було використано t-тести Ст'юдента для парних вибірок. Рівень достовірності вважався значущим та наближеним до значущого рівня, якщо р < 0,05 та р < 0,1, відповідно.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Вплив тонічної больової стимуляції в зоні дистального суглоба пальця кисті на показники ЕЕГ. При больовому подразненні, як при слабкому, так і при сильному, у більшості досліджуваних у відведеннях О₁ і О₂ реєстрували збільшення потужності в ₁- і ₂-піддіапазонах. Зниження потужності -коливань при больовому подразненні частіше спостерігалось в центральних та скроневих відведеннях. Статистична значимість змін спектральної потужності при слабкому болю досягалась для ₁-ритму в О₂, а для ₂-ритму - в О₁ та О2 (рис. 1 А, В). При збільшенні інтенсивності больового подразнення просторове представництво суттєвих змін потужності ₁-коливань поширювалось на відведення О₁, Т₆, F₃, F₇ (P<0,05) (рис 1 Б). Достовірне зростання потужності ₂-ритму при сильному болю спостерігалось в тих самих відведеннях, що й при слабкому болю (рис. 1 Г). Таким чином, можливо, що потужність ₁- в більшій мірі, ніж потужність ₂-ритму модулюється інтенсивністю больового подразнення. Зниження потужності -коливань, тобто реакція десинхронізації, найпомітнішою була в ₂-діапазоні: при слабкому болю в Т₄, а при сильному - в Т₄ та С₄ (рис. 1 В, Г).

Результати аналізу змін в -діапазоні ЕЕГ під час болю за даними літератури неоднозначні. Більш загальними є свідчення про наявність ефекту десинхронізації в задніх відведеннях (Ferracuti et аl., 1994; Chang et al., 2001). В той же час, в ряді досліджень при тонічному болю було зареєстровано достатньо чітке зростання потужності коливань -діапазону (Backonja et al., 1991; Le Pera et al., 2000). Отримані дані щодо кореляції між змінами потужності -коливань та рівнем регіонального кровотоку у відповідній ділянці кори мозку (Di Piero et al., 1994; Cook et al., 1998). Аналіз такого взаємозв'язку дає підстави для припущення, що -синхронізація під час тонічного больового впливу пов'язана зі зниженням збудливості та розвитком гальмівних процесів в нейронах кори (Le Pera et al., 2000). В деякій мірі, функціональне значення гальмування в корі при больовій стимуляції може заключатися в полегшенні локалізації больового стимулу (Apkarian et al., 1992; Stea et al., 1992). Висловлювалась думка, що тонічне больове подразнення призводить до пригнічення сенсорної чутливості та когнітивних процесів (Le Pera et al., 2000). Можна припустити, що виразний ефект посилення синхронізації в -діапазоні при больовому подразненні в наших дослідженнях є в значній мірі відображенням такого обмежувального гальмування в корі головного мозку.

Були показані відмінності в реакції ₁- та ₁-піддіапазонів ЕЕГ під впливом тонічного болю. Топографія суттєвих змін потужності ₁- і ₂-коливань при сильній больовій стимуляції відрізнялась. Динаміка потужності ₂-ритму має більш виразливу топографічну диференційованість. Так, для ₂ відмінності в змінах потужності в С₄, з одного боку, і в ряді задніх відведень (О₁, О₂, Т₆), з іншого, є більш чіткими, ніж для ₁. Припускають, що нижній та верхній діапазони -коливань в різній мірі пов'язані з процесами, які визначають загальний рівень активації мозку при вирішенні когнітивних завдань, та процесами активації мозкових структур, специфічних для конкретного когнітивного завдання (Petsche et al., 1997; Bromm et al., 1998). Можливо, аналогічні функціональні відмінності ₁- та ₂-ритмів справедливі і за умов сприйняття больового подразнення. Для ₁-ритму потужність в більшій мірі залежала від фактору умов тестування. Можливо, така залежність пов'язана з тим, що генералізованність та дифузність впливу болю на функціональну активність мозку відображені в рівні синхронізації по ₁-діапазону, в той час як диференційований та локальний вплив больового фактору проявляється через модуляцію ₂-ритму.

У всіх досліджуваних визначили ефект больової післядії в умовах завершення дії стимулів (postP1 та postP2) відносно добольових періодів (preP1 та preP2). В стані postP1 спостерігалось суттєве підвищення потужності ₁-коливань в F₄ (P<0,05). Після дії сильного больового стимулу ефект післядії проявлявся більш високими показниками потужності ₁-ритму в період postP2 відносно preP2 білатерально в задніх відведеннях: О₁, О₂, Р₄, Т₅, в фронтальному та центральному відведеннях правої півкулі (F₄, С₄), а також в фронтальних відведеннях лівої півкулі (F₃, F₇) (P<0,05). Для ₂-ритму больова післядія в період postP2 проявлялась більш високими показниками потужності відносно preP2 в скроневих областях лівої півкулі (Т₃, Т₅) (P<0,05).

Аналіз змін потужності ₁- та ₂-ритмів в умовах післядії відносно цих показників в період слабкого болю (Р1) свідчить про суттєве зниження потужності ₁-ритму в О₂ (P<0,05). Слід відмітити достатньо помітне зростання потужності ₂-ритму в Т₄ (P=0,056). Були зареєстровані достатньо чіткі зміни потужності ₂-діапазону після завершення сильного больового подразнення - спостерігалось її зростання в Т₃, С₄ та зниження цього показника в О₂ (P<0,05). Таким чином, зміни потужності після завершення больового впливу для ₂-ритму більш виразніші, ніж для ₁-ритму. Топографія відмінностей потужності ₁- та 2-діапазонів в умовах після завершення сильного больового подразнення відносно стану сильного болю свідчить про тенденцію до її зростання у відведеннях передньої групи (центрально-скроневих, центральних, фронтальних) при деякому зниженні на потиличних відведеннях. Така динаміка, можливо, обумовлена деякою латентністю та інерційністю дії факторів, що запускають реакцію гальмування в корі головного мозку при больовому подразненні.

Для д- і и₁-ритмів спостерігали тенденцію до зростання потужності при больових подразненнях відносно добольових станів в тім'яних та потиличних відведеннях. В д-діапазоні така тенденція спостерігалась при слабкому болю в Р₄ (P=0,06) і О₁ (P=0,09), а при сильному - в О₁ (P=0,05) та О₂ (P=0,1), а для и₁-ритму - при сильному болю в О₂ (P=0,08). В умовах післядії рівні потужності д- і и₁-коливань у вказаних відведеннях практично знижувались до добольового рівня.

Аналіз змін коефіцієнтів когерентності (КК) для ₂-діапазону показав, що КК між симетричними відведеннями правої та лівої півкуль мозку під час слабкого та сильного болю у порівнянні з добольовими станами зростав. Найбільш чітке зростання КК спостерігали у парах Р₃-Р₄ (P<0,1) під час слабкого болю та F₇-F₈ (P<0,05) під час сильного болю. Для и₁-коливань більш характерним виявилося зниження КК під час сильного болю в парах P₃-P₄ (P<0,01), C₃-C₄ (P<0,05), T₃-T₄ (P<0,05). Зростання міжпівкульної когерентності в -діапазоні спостерігали при використанні холодового тесту (Chen, Rappelsberger, 1994). Можна припустити, що в умовах больового навантаження відбувається формування функціональних об'єднань нейронів в обох півкулях мозку, які здатні розряджатися синхронно у відповідь на надходження ноцицептивного подразнення.

Аналіз змін середньої частоти (СЧ) показав, що під час слабкої та сильної больової стимуляції в -діапазоні ЕЕГ спостерігались зміни у вигляді генералізованого зростання СЧ. Під час слабкого болю зростання СЧ -ритму досягало статистичного та наближеного до такого рівня у відведеннях задньої групи: О₁ (P<0,05), О₂, Р₄ та Т₆ (P<0,1). Під час сильного болю достовірне зростання середньої -частоти спостерігалось в О₂, Р₃ та Т₆ (P<0,05). Таким чином, як під час слабкої, так і сильної больової стимуляції в -діапазоні ЕЕГ відбувалось зростання СЧ в групі задніх відведень, але в стані сильного болю, зміни досягали більш високого рівня достовірності. Реакція наростання СЧ -ритму вірогідно вказує на підвищення функціональної активності потиличних ділянок мозку в процесі аналізу сенсорної та сенсомоторної інформації. Показано, що частота -ритму позитивно корелює з показниками довільної уваги (Русалов, 1979), розумова діяльність та підвищена складність завдання призводили до збільшення -частоти (Osaka, 1984). Отже, зростання частоти -ритму під час больового подразнення можливо відповідає змінам функціонального стану корково-підкоркових структур мозку в бік збудження.

Вплив статичного напруження м'язів правої кисті на показники ЕЕГ. Під час дослідження тестовані здійснювали послідовні стискання спеціального пружинного динамометра на протязі 3 хв тричі правою рукою з інтервалами близько 5 хв. Інтенсивність та динаміка стискання в послідовних пробах у різних досліджуваних могла помітно варіювати, середні показники по групі в трьох послідовних пробах становили: 70,2 ? 6,0 Н; 60,3 ? 5,7 Н та 51,5 ? 5,8 Н, відповідно. Результати аналізу змін спектральної потужності д-, и₁-, и₂- та б₁-ритмів під час стискань свідчать про помітні відмінності реакції в послідовних пробах тесту. Зміни потужності вказаних коливань в першій пробі тесту та при наступних стисканнях мали відмінності в топографії (pис. 2). Так, за даними першої проби тесту під час стискання у ряді відведень передньої групи (Fp₁, Fp₂, F₇, F₈, F₃) спостерігали суттєве або достатньо близьке до достовірного зростання потужності д-, и₁-, и₂-, а також ₁-діапазонів. Таких змін не спостерігали в наступних пробах тесту - ні в другій (рис. 2), ні в третій. В ході другого стискання зростання потужності д- та ₁-ритмів спостерігалось в потиличних відведеннях (P<0,05) (pис. 2 А, В). Схожі зміни могли спостерігатися також в третій, але не в першій пробі. Такі відмінності змін ЕЕГ в послідовних реалізаціях статичного зусилля, що розвиваються м'язами руки, вочевидь, можна пов'язати з впливом фактора новизни в першій пробі тесту та фактора втоми в наступних. Зміни потужності ₂-коливань в першій та другій пробах характеризувались зниженням в ряді фронтальних, центральних та скроневих відведень, з одного боку, та зростанням потужності в потиличних відведеннях - з іншого (pис. 2, Г). Зміни подібного типу спостерігались також і в третій пробі. Реакцію у вигляді десинхронізації в ₂-діапазоні, можливо, слід розглядати як прояв активації сенсомоторних ділянок кори. Крім того, було показано, що високо- та низькочастотні піддіапазони -коливань реагували по-різному під час реалізації статичної дії - реакція в ₂-діапазоні була більш стабільною та зонально диференційованою, а в ₁-діапазоні - змінювалася топографічно в залежності від послідовності проби та, можливо, відображає неспецифічну реакцію мозку на ефективну реалізацію задачі.

Були розраховані значення змін спектральної потужності в послідовних пробах тесту для кожного ритму в період після стискання відносно величини цього показника у вихідному стані, тобто значення ДP_loc (postF, preF). Під час першої проби тесту ДP_loc (postF, preF) для д-, и₂- та в₂-коливань суттєво знижувався та збільшувався в обох -діапазонах спектру ЕЕГ. При виконанні другої та третьої проб спостерігалось суттєве зростання ДP_loc (postF, preF) в д-, обох -діапазонах, а також для в₁-ритму. Під час другої проби спостерігалось також збільшення цього показника в и₁- та в₂-діапазонах, а під час третьої проби - в и₂-діапазоні. Можливо, реакція у вигляді зростання потужності досліджуваних ритмів після завершення другого та третього зусиль відносно показників у відповідних вихідних станах є ЕЕГ-корелятом втоми.

Встановлена наявність чіткого тренду в сторону послідовного наростання потужності и₂- та ₁-діапазонів в ряді передніх та скроневих відведень порівнюючи потужність цих ритмів на послідовних етапах дослідження (рис. 3). Можливо тенденцію до наростання потужності в послідовних пробах, яка спостерігалась в и₂- та ₁-діапазонах у ряді відведень можна також пов'язати з впливом фактора втоми на показники ЕЕГ.

За даними аналізу змін коефіцієнтів когерентності в симетричних парах відведень лівої та правої півкуль мозку під час стискання відмічали зростання КК для ₁-, ₂-, в₁- та в₂-діапазонів. Суттєвим виявилося збільшення КК для ₂-коливань в центральній парі (С₃-С₄, P<0,01) під час першого стискання, а також в парах тім'яних (Р₃-Р₄, P<0,01), задньоскроневих (Т₅-Т₆, P<0,01) та потиличних (О₁-О₂, P<0,05) відведень. Для в₂-діапазону в першій і другій пробах тесту КК зростав в скроневих парах відведень (Т₃-Т₄ та Т₅-Т₆, P<0,05), хоча і в третій пробі вказаний показник наближався до рівня значимості (P=0,065). Результати узгоджуються з повідомленням про зростання внутрішньо- та міжпівкульної когерентності -діапазону під час розвитку статичних зусиль (Svoboda et al., 2002). Вважають, що зростання КК відображає посилення взаємодій різних ділянок кори при моторних реакціях (Ohara et al., 2001). Для повільнохвильових коливань (д та и₁) типовішою виявилася реакція на стискання у вигляді зниження міжпівкульної когерентності. Рівня значимості таке зниження досягало в д-діапазоні в другій пробі тесту для пар відведень F₃-F₄, C₃-C₄, T₃-T₄, T₅-T₆, P₃-P₄ та O₁-O₂ (P<0,05), а в и₁-діапазоні для пар F₃-F₄ та T₃-T₄.( P<0,05). Можливо специфічні зміни когерентності в різних частотних діапазонах ЕЕГ відображають різні рівні взаємодії нейронних систем двох півкуль при подоланні силового навантаження. Зниження когерентності можна розуміти як спосіб ізоляції одного регіону від інших при одночасному зростанні інтенсивності обробки інформації між цією ділянкою та підкорковими структурами (Petsche et al., 1997). Зниження КК для повільнохвильових діапазонів можливо пов'язане з активацією емоційних та мотиваційних систем мозку під час такого моторного акту. Функціональна асиметрія півкуль достатньо чітко зростає при дії ряду психоемоційних факторів, причому вплив таких факторів в значній мірі відображається в змінах саме відносно низькочастотних компонентів спектру ЕЕГ (Голикова, Стрелец, 2003; Aftanas et al., 2002).

При порівнянні змін спектральної потужності та коефіцієнтів когерентності під час реалізацій зусиль стискання правою та лівою кистями в дослідженнях, виконаних за трьома експериментальними схемами, відповідно тести А, Б та В (див. розд. “Методика”) виявлено, що особливості змін ЕЕГ під час стискання правою та лівою рукою були характерними для -коливань. Спільним проявом динаміки спектральної потужності -діапазону ЕЕГ при стисканнях, що здійснювались правою та лівою кистями, в тестах А і Б відповідно, є ефект зростання потужності в ₁- та, більш виразно, в ₂-діапазонах в потиличних відведеннях. На відміну від змін потужності при стисканні правою рукою, під час реалізації тесту лівою рукою, значно менш стійким та виразним є феномен десинхронізації в ₂-діапазоні. Оскільки, всі досліджувані являлись правшами, то, можливо, така відмінність пов'язана з більш високим ступенем складності завдання при виконанні його недомінантною рукою. Схожі відмінності в реакції при виконанні завдання лівою та правою рукою спостерігали для в-коливань (Stancak et al., 1996). Припускають, що такий феномен пов'язаний з низькою здатністю правої первинної моторної зони активувати чи пригнічувати ліву. Крім того, така особливість може бути пов'язана з морфологічними особливостями будови людського мозку. Встановлено, що права латеральна борозна більш круто спрямована вгору до тім'яної частки, внаслідок чого ділянка між центральною та латеральною борознами справа має менший розмір, ніж зліва (Rubens et al., 1976).

Було розраховано коефіцієнт асиметрії спектральної потужності (КА) в симетричних відведеннях для ₁- та ₂-коливань під час виконання проб лівою та правою кистю. Проведено порівняння змін КА при виконані тестів на стискання, що виконувались в тестах А (правою рукою) та Б (лівою рукою) відповідно, а також при виконанні першої (правою рукою) та другої (лівою рукою) проб в тесті В. Найбільш чіткими були відмінності між стисканнями правою рукою та лівою рукою, що виконувались одними і тими ж добровольцями в рамках тесту В. В ₁-діапазоні виявлено відмінності для пари відведень F₇-F₈ (P=0,06), а в ₂ - для пар Т₅-Т₆ та Р₃-Р₄ (P<0,05). Подібні, але менш виразні зміни КА при стисканні, що виконувалось лівою та правою рукою, спостерігались і при порівняльному аналізі КА під час першого стискання правою кистю в тестах А і В, з одного боку, та КА при першому стисканні лівою кистю в тесті Б, з іншого. Таким чином, зміни потужності -коливань ЕЕГ при виконанні стискань, характеризуються білатеральністю їх проявів, як при роботі правою рукою, так і при роботі лівою рукою. В той же час показано, що залежність змін потужності від сторони прикладення зусилля стискання неоднакова для різних пар відведень. Така залежність проявлялась лише в парах фронтальних, тім'яних та задньоскроневих відведень.

За даними аналізу змін коефіцієнтів когерентності для ₁- та ₂-коливань при виконанні стискань як правою рукою, так і лівою рукою для різних схем тестування спостерігали зростання КК. Достатньо чітким було зростання КК для ₂-ритму в центральній парі відведень (С₃-С₄) при виконанні двох проб лівою рукою в тесті Б (P=0,07). Суттєве збільшення КК ₂-ритму для центральної пари відведень показано і при стисканні правою рукою в тесті А (P<0,01). При аналізі змін КК для ₂-коливань в тесті В, згідно якого одні і ті ж досліджувані послідовно виконували стискання спочатку правою рукою, а потім лівою рукою, виявилось, що як при стисканні правою, так і лівою рукою, спостерігались однонаправлені зміни у вигляді зростання КК. В цьому випадку в двох пробах тесту найбільш чітко проявлялось зростання КК у фронтальній парі відведень F₃-F₄ (P<0,05). Таким чином, ефект посилення КК для ₂-ритму в в центральній і фронтальній парах відведень не залежав від сторони прикладення зусилля стискання.

Результати аналізу змін середньої частоти (СЧ) показали, що в -діапазоні ЕЕГ для всіх тестів переважала реакція у вигляді зростання СЧ в групі задніх відведень, як при стисканні правою рукою, так і при стисканні лівою рукою. Так, під час реалізацій повторних зусиль стискання правою кистю в тесті А спостерігали суттєве зростання СЧ -ритму в потиличних, тім'яних та задньоскроневих відведеннях. В групі передніх відведень (лобних, передньоскроневих та центральних) домінувала реакція у вигляді зниження СЧ -ритму під час всіх проб тесту А. Під час стискання лівою рукою в тесті В, так як і при стисканні правою в тестах А і В, у більшості досліджуваних також відбувалось білатеральне зростання -частоти в потиличних, тім'яних та задньоскроневих відведеннях, а в центральних та передньоскроневих - відбувалось зниження СЧ.

При порівнянні результатів дослідження в умовах соматичної больової стимуляції та статичного напруження м'язів кисті найбільш помітні відмінності змін спектральної потужності спостерігались для -коливань. При больовому подразненні для ₂-активності більш типовою була реакція у вигляді синхронізації у передніх та центральних відведеннях, тоді як при статичних зусиллях у вказаних відведеннях спостерігалась десинхронізація (рис. 4). Такі відмінності слід пов'язувати насамперед з тим, що рухова активність здійснює більш потужний вплив на активність фронтальних зон, які, як відомо, задіяні в моторну та мотиваційно-вольову діяльність.

В д-діапазоні під час болю та стискання спостерігалось зростання потужності в потиличних та фронтальних відведеннях. В топографії таких змін при болю та зусиллях стискання є відмінності. Так, при больовому навантаженні наростання потужності спостерігалось в потиличних відведеннях, тоді як при стисканні топографія змін змінювалась в залежності від реалізації проби (Fp₂, F₇ - у першій пробі тесту та О₂ - у другій пробі тесту).

Біль та зусилля стискання викликали довготривалу післядію. Так, після завершення зусилля стискання характерним було зростання потужності ₁-діапазону у фронтальних відведеннях при наявності тенденції до відновлення на відведеннях, розташованих більш каудально, перш за все потиличних. Такі зміни для ₁-ритму були характерні і в умовах больової післядії. Можливо зміни у фронтальній зоні в процесі тестування пов'язані з втомою та відображають прояви феномену розслаблення після напруження, а також обумовлені інерційністю дії факторів, що запускають реакцію гальмування в корі головного мозку при двох вищезгаданих впливах. Таке припущення узгоджується з даними, отриманими на спортсменах, де показано зміни активності в лобних ділянках мозку при тривалому фізичному навантаженні (Nielsen et al., 2001).

Результати порівняння змін коефіцієнтів когерентності (КК) при обох типах тестування свідчать про подібність змін КК (домінування ефекту зростання між симетричними парами відведень). В той же час при силовому зусиллі реакція наростання КК була більш потужною та генералізованною (спостерігалася для більшої кількості симетричних пар), що може відображати більш синхронну діяльність сенсомоторних зон кори обох півкуль при зусиллі стискання.

Отже, показано відмінності і спільності проявів змін показників ЕЕГ при больовому подразненні та реалізації статичного напруження м'язів. Найбільш чітко відмінності проявлялись для -діапазону. Як відомо, розрізняють різні системи синхронізації та десинхронізації (Гусельников, 1976, Новикова, 1978, Гнездицкий, 2000). Так, синхронізуючу функцію мають таламус, преоптична зона гіпоталамусу, базальні ганглії, ретикулярна формація довгастого мозку, а десинхронізуючу - мезенцефальна ретикулярна формація, задній гіпоталамус, гіпокамп. Відмінності в реакції ЕЕГ на біль та статичне зусилля свідчать про відображення в її параметрах активності численних корково-підкоркових систем ритмогенезу та їх різного вкладу при двох видах тестування.

ВИСНОВКИ

У роботі детально досліджено зміни спектральних та когерентних показників основних ритмів ЕЕГ людини під час тонічної больової стимуляції та статичного напруження м'язів. При цьому отримано такі основні результати та висновки, що можуть бути використанні в діагностичних цілях та покладені в основу подальших досліджень:

1. Спектрально-когерентні характеристики ЕЕГ людини істотно змінюються під впливами тонічної соматичної больової стимуляції та реалізації статичного напруження м'язів кисті.

2. Під час обох видів тестування показано збільшення середньої потужності як альфа1-, так і альфа2-коливань в потиличних відведеннях; ефект синхронізації також спостерігається в альфа1-діапазоні у лобних відведеннях. Це, ймовірно, пов'язане з процесами кортикального гальмування із залучанням нейронів таламо-кортикальної системи; одним з наслідків такого гальмування може бути просторове обмеження зони аферентної активації в корі.

3. Під час розвитку м'язового зусилля у фронтальних та центрально-скроневих відведеннях обох півкуль відбувається десинхронізація альфа2-активності, що проявляється в зниженні середньої спектральної потужності. Це свідчить про те, що тонічне силове зусилля пов'язане з істотним підвищенням активності у фронтальних та центральних зонах кори, що задіяні в моторну та мотиваційно-вольову діяльність. Під час больової стимуляції десинхронізація альфа2-ритму є менш чіткою та виразною.

4. Зростання потужності альфа1- та альфа2-активності відбувається після періоду початкової десинхронізації як під час больового подразнення, так і під час розвитку м'язового зусилля.

5. Встановлено існування довготривалих слідових змін ЕЕГ після закінчення больового подразнення та силового зусилля. Спостерігається слідове зростання потужності в альфа1-діапазоні у відведеннях передньої групи. Слідові зміни ЕЕГ можуть бути обумовлені інерційністю дії факторів, що запускають процеси гальмування в корі.

6. Під час першої та повторних реалізацій силового стискання показані зміни потужності та топографії реакцій в дельта-, тета- та альфа1-діапазонах. Ці ефекти можуть бути обумовлені розвитком втоми, що супроводжувалась зниженням ефективності виконання тесту.

7. При розвитку м'язових зусиль правою та лівою рукою зміни ЕЕГ в значній мірі білатеральні; в той же час відмічається певна асиметричність реакцій в альфа1- та альфа2-діапазонах у фронтальних, тім'яних та задньоскроневих парах відведень.

8. Під час больової стимуляції та реалізації зусилля стискання показано зростання когерентності в симетричних парах відведень лівої та правої півкуль. При больовому подразненні когерентність зростає у альфа2-діапазоні, а при силовому стисканні - у альфа2- і бета2-діапазонах. В дельта- та тета1-діапазонах показано зниження когерентності при обох видах тестування.

9. Розбіжності топографії суттєвих змін потужності альфа1- та альфа2-ритмів як при больовому подразненні, так і при м'язовому зусиллі, а також в періоди післядії, свідчать про відображення в цих піддіапазонах альфа-коливань різних характеристик функціональної активності мозку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Маньковская Е.П. Изменения спектральной мощности и когерентности альфа-ритма ЭЭГ человека при статических усилиях сжатия, выполняемых правой и левой кистями // Нейрофизиология. - 2006. - т. 38, № 3. - С. 235-238.

2. Гаркавенко В.В., Маньковская Е.П., Горковенко А.В.-, Шевко А.Н., Костюков А.И. Модификации ЭЭГ человека при повторных статических усилиях сжатия, развиваемых кистью // Нейрофизиология. - 2005. - Т. 37, № 4. - С. 362-371.

3. Garkavenko V.V., Gorkovenko A.V., Man'kovskaya E.P., Shevko A.N., Lyskov E.B., Kostyukov A.I. Changes in the Power of EEG Activity in the б Range in Response to Tonic Nociceptive Stimulation of the Distal Joint of the Little Finger // Human Physiology. - 2005. - V. 31, № 2. - Р. 188-194.

4. Гаркавенко В.В., Горковенко А.В., Маньківська О.П., Шевко А.М., Костюков О.І. Вплив тонічного больового стискання дистального суглоба пальця руки на потужність різних діапазонів частотного спектра електроенцефалограми людини // Фізіол. журн. - 2005. - Т. 21, № 2. - С. 8-16.

5. Маньковская Е.П. Влияние тонического болевого воздействия в области дистального сустава мизинца кисти на мощность разных диапазонов электроэнцефалограммы человека // В сб.: Весник молодых ученых. - 2005. - С. 73.

6. Гаркавенко В.В., Маньковская Е.П., Горковенко А.В., Шевко А.Н. Изменение мощности ритмов ЭЭГ человека при последовательных статических усилиях, реализуемых правой кистью // Журн. Архив клинической и экспериментальной медицины. - 2005. - Т. 10, № 2. - С. 141.

7. Гаркавенко В.В., Горковенко А.В., Маньковская Е.П., Шевко А.Н. Изменение мощности ритмов ЭЭГ человека и межполушарной когерентности под влиянием тонического болевого воздействия // Журн. Архив клинической и экспериментальной медицины. - 2005. - Т. 10, № 2. - С. 141.

АНОТАЦІЯ

Маньківська О.П. Зміни показників ЕЕГ людини, пов'язані з контрольованим больовим подразненням та статичним напруженням м'язів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук за спеціальністю 14.03.03 - нормальна фізіологія. - Інститут фізіології?ім. О.О. Богомольця НАН України, Київ, 2007.

Роботу присвячено вивченню змін параметрів ЕЕГ під впливом тонічної больової стимуляції та статичного напруження м'язів та встановленню можливих корелят змін функціонального стану головного мозку людини в умовах контрольованої тонічної больової стимуляції та тонічної сенсомоторної діяльності.

Показано, що тонічний тривалий біль супроводжується зростанням потужності в ₁- та ₂-, а також в в₁- та в₂-піддіапазонах ЕЕГ в ряді областей головного мозку. Ефект дії болю на показники ЕЕГ був переважно білатеральний. Зростання синхронізації -ритму можливо відображає посилення процесів кортикального гальмування із залучанням нейронів таламо-кортикальної системи під час тонічного болю, що обмежує зону аферентної активації в корі. Під час реалізації зусилля стискання у фронтальних та центрально-скроневих відведеннях обох півкуль спостерігалося стійке зниження середньої потужності ₂-коливань (десинхронізація). Десинхронізація ₂-коливань під час сильного болю проявлялась локально. Це свідчить про те, що тонічне силове зусилля суттєво підвищує активність у фронтальних та центральних зонах кори, що задіяні в моторну та мотиваційно-вольову діяльність.

Виявлено особливості змін потужності ритмів та їх топографії під час послідовних реалізацій силового зусилля, що можна пов'язувати з розвитком втоми. Показано наявність довготривалих слідових змін ЕЕГ після завершення болю та силового стискання. Так, для ₁-діапазону характерним було слідове зростання потужності у відведеннях передньої групи, що можливо обумовлене інерційністю дії факторів, що запускають процеси гальмування в корі.

Під час больової стимуляції для ₂-діапазону, а також під час зусилля стискання для ₂- та в₂-діапазонів показано зростання когерентності в симетричних парах відведень лівої та правої півкуль мозку. Це свідчить про посилення взаємозв'язку між сенсомоторними зонами півкуль мозку. При силовому стисканні реакція зростання когерентності була більш потужною та генералізованною (спостерігалася для більшої кількості симетричних пар).

Ключові слова: ЕЕГ, спектральна потужність, коефіцієнт когерентності, тонічна больова стимуляція, статичні зусилля стискання.

АННОТАЦИЯ

Маньковская Е.П. Изменения показателей ЭЭГ человека, связанные с контролируемым болевым раздражением и статическим напряжением мышц. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук по специальности 14.03.03 - нормальная физиология. - Институт физиологии им. А.А. Богомольца НАН Украины, Киев, 2007.

Работа посвящена изучению изменений параметров ЭЭГ при воздействии тонической болевой стимуляции и статического напряжения мышц и установлению возможных коррелят изменений функционального состояния головного мозга человека в условиях контролируемой тонической боли и тонической сенсомоторной деятельности.

Была проведена 61 серия тестов, из них 38 с развитием статического усилия и 23 с использованием болевой стимуляции. Группу исследуемых составили здоровые праворукие волонтеры, разного пола, возрастом от 19 до 56 лет (в среднем 29,7 лет). Для достижения болевого ощущения производили сдавливающее воздействие на область дистального сустава 5-го пальца правой или левой кисти (3 минуты). Использовали две степени интенсивности болевого сдавливания, которые оценивали как слабую и сильную боль. В условиях развития статических усилий сжатия использовали три экспериментальные схемы, которые обозначили как тесты А, Б и В. Волонтеты удерживали статическое напряжение мышц кисти с помощью специального датчика силы последовательно трижды правой рукой (тест А), последовательно дважды левой рукой (тест Б) или вначале правой, а затем левой рукой (тест В) на протяжении 3 минут с усилием, которое не превышало 140 Н. Регистрацию ЭЭГ производили на всех этапах исследования - до, во время и после применения болевых стимулов и силовых тестов.

Регистрацию ЭЭГ производили на компьютерном электроэнцефалографе НПП “DX-системы” монополярно в 16 отведениях относительно объединенного ушного электрода. Для каждой эпохи анализа (длительностью 3с без перекрытия) с помощью ЦПФ были получены мощностные спектры с использованием окна Хана. После усреднения были получены усредненные мощностные спектры ЭЭГ сигналов для каждого отведения у каждого исмытуемого на всех этапах исследования. Также расчитывали спектры когерентности и коэфициенты когерентности для симметричных пар отведений правого и левого полушарий.