На следующем этапе обработки сигнал очищается от артефактов, преимущественно глазодвигательных. К сожалению, предотвратить появление подобных артефактов невозможно. Испытуемый в любом случае будет моргать и смотреть в разные стороны, и, так как человеческий глаз является диполем, это приводит к появлению в записи артефактов весьма характерной формы.

Существуют различные способы устранения глазодвигательных артефактов, однако одним из самых простых и надёжных является метод независимых компонент (ICA, Independent Component Analysis). В результате применения этого метода сигнал раскладывается на компоненты, сумма которых даёт нам исходный сигнал. В большинстве случаев все глазодвигательные артефакты выделяются в 2 компонента (реже до четырех), которые можно легко идентифицировать и удалить перед проведением обратной трансформации. Кроме того, благодаря методу независимых компонент также можно удалить некоторые двигательные артефакты и медленноволновые колебания ЭЭГ, вызванные, например, кожно-гальванической реакцией кожи головы человека (рис. 12).



Рис. 11. Разложение сигнала на независимые компоненты: здесь артефактными являются компоненты 00 и 02

Рис. 12. Запись после удаления компонентов с артефактами

Полуавтоматическое удаление артефактов (рис. 13).

Данный шаг применяется в основном при исследовании вызванных потенциалов или вызванной синхронизации/десихронизации, так как для его применения необходимо выделить фрагменты записи, подлежащие удалению.

Подобные артефакты можно удалять и при анализе фоновой ЭЭГ, однако в этом случае начало и конец каждого удаляемого фрагмента требуется выбирать самостоятельно.

Автоматическая часть данного шага заключается в выборе программой обработки фрагментов-кандидатов на удаление. Фрагменты выбираются по нескольким настраиваемым критериям:

Максимально допустимый шаг напряжения между двумя точками дискретизации. Слишком большие перепады напряжения свидетельствуют о резком скачке, который практически не может встречаться в нормальной ЭЭГ, а, значит, является артефактом. Типичное значение - 30 мкВ.

Максимально допустимая разница между двумя точками в выбранном фрагменте. Сликом большая разница между максимальными и минимальными значениями напряжения в ЭЭГ также почти всегда сигнализирует о присутствии артефакта. Типичное значение - 70-100 мкВ, может быть поднято до 120-130 мкВ при высокоамплиткудном альфа-ритме в заданиях без зрительной стимуляции.

Максимально допустимая положительная и отрицательная амплитуда. Слишком большая амплитуда колебаний также в большинстве случаев означает наличие артефакта в записи. Типичное значение - +60 мкВ/-60 мкВ.

К автоматически распознанным артефактам стоит относиться с осторожностью, так как на большинство правил находятся исключения. Например, встречаются испытуемые с крайне высокоамплитудными колебаниями в альфа- диапазоне, которые являются совершенно нормальной индивидуальной особенностью, однако будут восприняты как артефакт при применении стандартных настроек. В данном случае стоит смягчать критерии обнаружения артефактов.

Кроме того, не стоит удалять больше 15-20% фрагментов. В случае, если артефакты наблюдаются лишь в нескольких каналах, их иногда можно игнорировать; если какой-то канал очевидно записан с высоким уровнем шума, можно применить «восстановление» канала по соседним электродам, в результате которого активность по зашумленному электроду заменяется средним значением активности по трем или четырем ближайшим электродам. Этот метод допустимо использовать на электродных монтажах с количеством электродов, превышающим 24 и для групп испытуемых более 20 человек. При этом, естественно, реальных значений для данного электрода мы не увидим, однако такой испытуемый не сможет ухудшить общее качество выборки по данному электроду, зато предоставит дополнительную информацию по другим электродам. Если же артефакты присутствуют во множестве фрагментов и почти во всех каналах, то стоит просто не брать данного испытуемого в усреднение.

Рис. 13. Автоматически обнаруженные артефакты

1.3.3 Вызванные потенциалы ЭЭГ

Начиная со второй половины двадцатого века, исследователи предпринимали попытки проанализировать ответ электрической активности мозга на определённые локализованные во времени события или при выполнении испытуемым определённых когнитивных задач (Ciganek, 1964). Такие ответы называются вызванными потенциалами, или ВП. Кроме ЭЭГ, ВП могут также быть получены при помощи МЭГ. Изначально в русском языке вызванными потенциалами назывались только ранние, сенсорные компоненты ответа (evoked potentials, EP), а более поздние, когнитивные компоненты (event-related potentials, ERP) назывались потенциалами, связанными с событием (ПСС), однако в последнее время поздние компоненты вызванного ответа все чаще называются когнитивными ВП или просто ВП, без уточнения.

Активное изучение вызванных потенциалов началось в 80-х годах двадцатого века, когда распространение компьютерных технологий существенно упростило получение и синхронизацию множества участков ЭЭГ. Главным затруднением при такой постановке задачи является большая амплитуда спонтанной ЭЭГ-активности, которая маскирует интересующий сигнал: если амплитуда спонтанной ЭЭГ составляет порядка 20-70 мкв, то вызванный потенциал -- порядка 2-15 мкв.

Экспериментальная парадигма, подходящая для изучения ВП, включает многократные (от 30 и более) предъявления интересующих экспериментатора стимулов. Участки ЭЭГ, соответствующие предъявлению одного и того же стимула, затем синхронизируются по времени относительно момента предъявления стимула и усредняются. Поскольку предполагается, что спонтанная активность ЭЭГ варьируется случайным образом, при усреднении большого количества предъявлений всё больший вклад в итоговую кривую вносит вызванная активность.

Огромное значение имеет тщательное удаление артефактов из записей перед усреднением: один пропущенный участок записи с высокоамплитудным или даже среднеамплитудным артефактом может исказить всю итоговую картину. Так как соотношение сигнал/шум пропорционально квадратному корню из количества измерений (в данном случае -- предъявлений одного и того же стимула), то для уменьшения уровня шума до 7 мкВ требуется не менее 50 предъявлений конкретного стимула. Исходя из этих соображений, количество предъявлений для выделения высокоамплитудных компонент ВП должно составлять 50-60 стимулов, среднеамплитудных -- 200-300, низкоамплитудных -- 500 и более (Luck, 2014). Однако на практике мы сталкиваемся с тем, что после предъявления определенного количества стимулов наблюдается значительное снижение амплитуды ВП, связанное с габитуацией (привыканием) и угашением реакции, в связи с чем соотношение сигнал-шум снова понижается. С этим связано снижение требований для усреднения не менее 20-25 предъявлений для высокоамплитудных компонентов ВП и не менее 40 предъявлений для низкоамплитудных компонентов ВП, что позволяет обеспечить оптимальное соотношение сигнал - шум для экспериментальных заданий, чувствительных к угашению реакции.

На рис. 14 представлен типичный вид вызванного потенциала. Он состоит из положительных и отрицательных пиков различной амплитуды -- компонент ВП, которые связаны с работой различных систем мозга.

Рис. 14. Вызванный потенциал. Показаны три позитивных (P1-P3) и две негативных (N1N2) компоненты. Нулевой отсчёт по оси x соответствует моменту предъявления стимула

Названия компонент формируются следующим образом. Положительные компоненты маркируются буквой P (positive), отрицательные -- N (negative). Далее следует значение временного интервала, на который приходится пик компоненты, в миллисекундах.

Например, компонент P300 представляет собой положительный пик, который отстоит от момента предъявления стимула на 300 миллисекунд. В другой системе классификации компоненты нумеруют по порядку: так, P3 -- третий по счёту положительный пик в кривой вызванного потенциала. К этим обозначениям иногда добавляют определения, связанные с локализацией ВП (напр., фронтальный P3) или природой исследуемого стимула (напр., потенциал готовности, негативность рассогласования).

По времени появления ВП подразделяют на коротколатентные (возникающие в первые 50 мс после предъявления стимула), среднелатентные (50- 150 мс) и длинно-латентные (свыше 150 мс).

Некоторые ВП возникают в качестве ответа на внешние стимулы (зрительные или слуховые ВП), другие же -- в результате взаимодействия человека со стимулом (ВП, связанные с обработкой информации или возникающие в отсутствие ожидаемого события). В связи с этим ВП подразделяют на экзогенные, или сенсорные (зависящие от физических характеристик стимула) и эндогенные (связанные с обработкой стимула мозгом испытуемого) (Ritter, 1978). Тем не менее, во многих экспериментальных парадигмах полученные ВП являются мезогенными, поскольку зависят как от стимула, так и от последующей обработки информации, а также регулируются нисходящими влияниями, связанными с когнитивными процессами высокого иерархического уровня.

Из общих представлений о природе ЭЭГ понятно, что не всякая вызванная активность находит своё отражение в ЭЭГ. Для этого требуется, чтобы популяция синхронно разряжающихся нейронов была ориентирована таким образом, чтобы их совместная активность давала значимый вклад в распределение потенциалов на поверхности скальпа, а значит, чтобы нейроны имели одинаковую пространственную ориентацию. Это условие выполняется в коре, мозжечке, таламусе и некоторых других мозговых структурах. Поскольку пресинаптическая и спайковая активность нейронов имеет высокую частоту и короткую продолжительность, основной вклад в формирование ВП дают более медленные изменения постсинаптических потенциалов (Allison, Wood et al., 1986).

Следует также отметить, что метод ВП позволяет анализировать только те компоненты активности ЭЭГ, которые являются синхронизованными по фазе между различными предъявлениями; связанные со стимулом изменения ритмической активности ЭЭГ без четкой фазовой привязки или со слишком большим временным разбросом при использовании этого метода либо игнорируются и не выявляются, либо «размазываются» и существенно искажаются.

Таким образом, при интерпретации полученных ВП требуется определённая осторожность. Если изменения экспериментальной процедуры никак не отражаются на ВП, это не означает, что мозг никак не реагирует на изменение. Также идентичность полученных ВП не обязательно говорит об одинаковой работе мозга в различных экспериментах.

Для анализа ВП используются многие математические инструменты: разделение на независимые компоненты, локализация дипольных источников сигнала, вейвлет-анализ, разнообразные методы статистического анализа.

Анализ ВП часто является существенно более перспективным, чем анализ фоновой ЭЭГ, поскольку парадигма ВП позволяет выделить из ЭЭГ ответ электрической активности мозга на чётко локализованные во времени стимулы различного характера, в то время как анализ длительных участков ЭЭГ обеспечивает нам измерение общего усредненного значения. Ниже будут рассмотрены наиболее известные компоненты ВП.

Потенциалы, связанные с движением (movement-related potentials).

При совершении произвольного движения можно наблюдать вызванный потенциал, состоящий из трёх компонент: N1, N2, P1 (рис. 15).

Сначала имеет место медленное нарастание негативности ВП, которое начинается приблизительно за 800 мс до начала движения (Deecke, Heise et al., 1984). Этот компонент потенциала движения (N1) получил название потенциалов готовности (readiness potentials, Bereitschaftspotentials).

При совершении того же по характеру, но пассивного движения (например, если рука испытуемого приводится в движение экспериментатором или техническим устройством) наблюдаются только компоненты N2, P2. Латеральный потенциал готовности (lateralized readiness potential, LRP) отражает подготовку к произвольному движению одной из конечностей и локализован контралатерально (в противоположном полушарии). Его источник расположен в моторной коре, в представительстве соответствующей конечности (Gratton, Bosco et al., 1990) Амплитуда потенциала отражает то, насколько испытуемый близок к совершению задуманного движения. Латеральный потенциал готовности часто используется для изучения передачи информации. Обычно для этого применяются Go/NoGo-парадигмы с дистракторами -- стимулами, конфликтующими с выполнением основной задачи (Desoto, Fabiani et al., 2001).

Рис. 15. Типичный вид вызванного потенциала, связанного с движением. Представлены ВП при движении указательного пальца правой руки для отведений C3 (L prec), C4 (R prec), Pz (Mid-par)



На нижнем графике представлена разница между отведениями C3, C4. На каждом изображении наложены результаты, полученные в каждый из восьми экспериментальных дней с участием одного и того же испытуемого.

Сенсорные компоненты ВП представляют собой ответы на стимулы зрительной, аудиальной и других модальностей. Ранние компоненты этой группы являются экзогенными и локализуются в сенсорной коре в зависимости от модальности стимула.

Более поздние компоненты данной группы относятся к мезогенным.

Компонент С1 является ответом на предъявление зрительного стимула. Его максимум достигается через 50-100 мс после предъявления стимула. Его полярность и пространственное распределение зависят от того, в какой части зрительного поля находился наблюдаемый стимул (Mangun, Hillyard et al., 1993). Максимум амплитуды компонента достигается на затылочных электродах в полушарии, противоположном той части зрительного поля, где предъявлялся стимул. Данный компонент связывают с активностью в первичной зрительной коре. Он не зависит от внимания испытуемого к стимулу.

Компонент P1 (P100) также связан со зрительным вниманием. Его пик достигается через 80130 мс после предъявления зрительного стимула. Источником данного компонента предположительно является экстрастриальная кора, расположенной над первичной зрительной (Di Russo, Martнnez et al., 2003). Амплитуда компонента увеличивается, если стимул предъявляется в той части зрительного поля, где сосредоточено внимание испытуемого. Данный компонент используется при изучении эффектов селективного внимания.

Компонент N1 (N100) наблюдается во фронтально-центральных областях мозга через 80-120 мс после предъявления стимула. Он вызывается любыми неожиданными стимулами (аудиальными, зрительными, ольфакторными, тепловыми, болевыми, соматосенсорными) в отсутствие специальных требований к испытуемому. Компонент более выражен в правом полушарии, чем в левом. На амплитуду компонента влияют громкость стимула, межстимульный интервал и многие другие характеристики. Компонент рассматривается как предшествующий повышению уровня внимания (Coull, 1998, Nash, Williams, 1982).

Компонент N2 (N200). Данная группа компонентов может иметь различное пространственное распределение и функциональное значение в зависимости от экспериментальной парадигмы. В большинстве исследований данный компонент связывают с обнаружением различного рода рассогласований между предъявленным стимулом и сформировавшимися ожиданиями испытуемого. Впервые увеличение амплитуды данного компонента было показано в ответ на редкий стимул (Squires, Squires et al. 1975). Обзор компонент этого семейства можно найти в работе (Folstein, Van Petten, 2008).

Компонент N170 связывают с обработкой изображений лиц. Он возникает через 130-200 мс после предъявления релевантного изображения. Источник компонента N170 локализован в нижней височной и веретеновидной извилинах, преимущественно в правом полушарии. При переворачивании изображений латентность компонента увеличивается приблизительно на 30 мс (Jacques, d'Arripe et al., 2007). Амплитуда компонента увеличивается при рассматривании лиц той же расы, к которой принадлежит испытуемый.

Компонент P300. Классический компонент P300 был впервые описан в работе Д. Саттона (Sutton, Braren et al., 1965). Его амплитуда максимальна во фронтальных и теменных отведениях.

Компонент наблюдался в целом ряде экспериментальных парадигм: как ответ на редкие значимые стимулы в парадигме oddball (испытуемый должен реагировать на редкие стимулы, игнорируя более часто встречающиеся, компонент P3b), или же как ответ на редкий стимул, который испытуемый также должен игнорировать (что приводит к генерации меньшего по амплитуде и более раннего компонента P3a). Кроме того, компонент P300 можно наблюдать при одновременном выполнении испытуемым конфликтующих заданий, одно из которых также включает реакцию на редкие стимулы. (Kok 2001, Polich, 2007). Амплитуда компонента тем больше, чем реже встречается стимул.

Компоненту P300 посвящена обширная литература, однако его значение до сих пор окончательно не выяснено, как и точная локализация. По версиям различных исследователей, данный компонент может быть связан либо с безусловной высокой значимостью для испытуемого, либо с принятием решения о том, что стимул является значимым в контексте задания. Он может также отражать «обновление» модели ожиданий испытуемого с учётом новой поступившей информации, либо быть связанным с категоризацией стимула (Kok 2001, Verleger, Jaњkowski et al., 2005). Источники P300 были обнаружены в теменной и височных долях. Возможно, в формировании данного компонента участвует также передняя часть поясной извилины (Polich, 2007).

Компонент N400. Данный компонент является самым известным из группы потенциалов, отражающих лингвистические процессы в мозге. Его амплитуда максимальна в центрально-теменных отведениях. Данный компонент был впервые обнаружен в задаче чтения слов. Испытуемому давались указания читать появляющиеся на экране слова с тем, чтобы впоследствии ответить на вопросы о содержании складывающихся из них предложений. При это 25% предложений заканчивались неожиданным (однако синтаксически правильным) словом. Такие предложения не вызывали у испытуемого компонента P300, а вместо этого приводили к генерации компонента N400.

При этом амплитуда потенциала была тем большей, чем более неожиданным являлось последнее слово в предложении (Kutas, Van Petten et al., 1988). Было показано, что потенциал N400 появляется именно в ответ на семантическую неожиданность, в отличие от потенциала P300. Однако, если неожиданное слово относится к той же категории, что ожидаемое окончание предложения, амплитуда потенциала невелика (пример -- «Пицца была слишком горячей, чтобы пить [её]» вместо «Пицца была слишком горячей, чтобы есть [её]») (Kutas, Lindamood et al., 1984). Кроме того, высокоамплитудные ответы N400 были получены в ответ на псевдослова и некоторые невербальные стимулы, обладающие значением для испытуемого, включая изображения, видеоклипы и лица. (Barrett, Rugg 1989, Ganis, Kutas et al., 1996, Kuperberg, Holcomb et al., 2003, West, Holcomb, 2002). В настоящее время большинство исследователей полагает, что компонент N400 связан с семантической памятью.

Компонент P600 также был впервые обнаружен в связи с лингвистическими процессами. Он возникает в ответ на грамматические рассогласования, сложные предложения и предложения с неожиданной концовкой, требующие дополнительного анализа. Однако также было обнаружено, что этот потенциал возникает в ответ на дисгармоничные («ошибочные») музыкальные аккорды (Patel, Gibson et al., 1998). В настоящее время его связывают либо с необходимостью повторного анализа полученной информации, либо с созданием и уничтожением внутренних моделей этой информации. Другое возможное объяснение гласит, что этот компонент является аналогом P300 и отражает неожиданность полученной информации для испытуемого (Coulson, King et al., 1998, Gouvea, Phillips et al., 2010).

Таким образом, в наше время уже выявлены некоторые функции медленного сна: это восстановление общего и электролитного гомеостаза мозговой ткани, а также, возможно, и оптимизация управления внутренними органами. Для гигиены сна это означает подтверждение старого правила: без хорошего сна не может быть хорошего бодрствования.



Глава 2. Материалы и методы исследования

В исследовании приняли участие 12 человек (5 девушек и 7 юношей) в возрасте от 18 до 28 лет, без нарушений сна и органических повреждений центральной нервной системы. Участие было добровольным. При наборе участников проводилось устное анкетирование с целью определить степень соответствия следующим требованиям: способность засыпать днем, отсутствие психических заболеваний, черепно-мозговых травм и наркотической зависимости, индифферентность к засыпанию в непривычных условиях. За сутки перед участием в эксперименте им рекомендовали воздержаться от употребления алкоголя, кофе и чая, а также избегать нарушений привычного режима сна и бодрствования. Перед началом опыта испытуемые были осведомлены о предмете и процедуре исследования и подтверждали свое добровольное участие подписанием Информированного согласия.

Схема исследования включала прохождение каждым испытуемым двух экспериментов: основного и контрольного; порядок процедур в экспериментах был идентичным и одинаковым для всех участников. В основном эксперименте во время дневного сна осуществлялась электрическая стимуляция подпороговыми стимулами через установленные на запястье электроды, в контрольном эксперименте на запястье также устанавливались стимулирующие электроды, но они не были подключены к стимулятору, поэтому стимуляции во время сна не происходило. Таким образом, процедура обоих экспериментов различалась только наличием либо отсутствием подпороговой стимуляции во время сна и соответствовала следующей схеме (рис. 16):



Рис. 16. Схема эксперимента

После подписания Информированного согласия испытуемые заполняли Опросник САН (рис. 17).

Рис. 17. Опросник САН



Опросник САН предназначен для оценки испытуемым своего субъективного состояния на момент тестирования и отражает его Самочувствие, уровень Активности и Настроение (оценка по шкале от -3 до +3);

После прохождения обучения и диагностики состояния испытуемым предлагался обед, по окончании которого начиналась подготовка к регистрации полисомнограммы и сну.

2.1 Регистрация ЭЭГ и стимуляция

Запись ЭЭГ производилась в программе LEONARDO через усилитель SAGURA (рис. 18) с использованием золоченых чашечковых электродов и электродной пасты (рис. 19) фирмы Grass (США).

Рис. 18. Усилитель SAGURA



Рис. 19. Электродная пасты фирмы Grass (США)

Стимуляция осуществлялась с помощью стимулятора. Испытуемые спали в отдельной комнате со звукоизоляцией, оборудованной кушеткой. Регистрирующие электроды устанавливались с помощью электродной пасты на позиции F3, F4, C3, C4, O1, O2 (рис. 20), и точки регистрации электроокулограммы (ЭОГ) и электромиограммы (ЭМГ). Стимулирующие электроды устанавливались в районе срединного нерва на правом предплечье в 2-3 см от запястья. После установки электродов с помощью компьютерной программы и электродов на предплечье определялся порог индивидуальной чувствительности к электроимпульсам путем регулировки силы тока (максимальная сила тока стимулятора - 3 мА). Далее испытуемый спал в отдельной комнате и по истечении часа пробуждался сам или с помощью исследователя по завершении медленной фазы сна. В зависимости от типа эксперимента во время сна производилась или не производилась подпороговая электрическая стимуляция: импульсы генерировались в компьютерной программе и направлялись в стимулирующие электроды через стимулятор. Программа стимуляции ассоциирована с программой записи ЭЭГ и автоматически начинала посылать импульсы заданной силы тока частотой 1 Гц после того, как начиналась 3-я стадия сна (когда индекс дельта-ритма превышал 20%). Импульсация срединного нерва заданной силой тока и частотой 1 Гц осуществлялась в течение 30 секунд, затем следовала 30-секундная пауза без стимуляции, и снова повторялась стимуляция. Выключение стимуляции тоже происходило автоматически при снижении дельта-активности до критического уровня.



Рис.20. Схема расположения регистрирующих электродов

После пробуждения с испытуемого снимали электроды. Далее следовал 20- 30-минутный полдник, чтобы исключить влияние инерции сна на результаты тестирования; завершив полдник, испытуемый снова заполнял опросник САН.

Регистрация биопотенциала возможна только при одновременном использовании двух электродов, образующих электрическую цепь вида электрод- усилитель-электрод, замыкающуюся нервной тканью. Такая электрическая цепь называется отведением (Русинов, 1973). Электроды подключаются к коммутационной коробке или предусилителю или с использованием индивидуальных разъемов, или с помощью одного или нескольких общих разъемов для электродного шлема. В современных энцефалографах электроды могут подключаться непосредственно к усилителю; это связано с тем, что сами многоканальные усилители сейчас стали существенно компактнее и размеры большинства современных моделей не превышают 12*30*30 см. Поскольку электроэнцефалография основывается на разнице потенциалов, в электроэнцефалографах используют разностный усилитель -- устройство, дающее на выходе усиленную разницу двух входящих напряжений. Сигнал обычно усиливается в 10 000 -- 100 000 раз и более.

Сигнал с усилителя попадает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который переводит изменения напряжения в форму двоичного кода и передаёт результат в компьютер на обработку. Один из основных параметров частота дискретизации, т.е., количество значений в секунду, получаемое с аналогового сигнала. Максимальная частота дискретизации современных усилителей достигает 10000 Гц и более; как правило, такая частота является избыточной для большинства исследований. Существует общая рекомендация, в соответствии с которой частота дискретизации должна быть не менее чем в 4 раза больше верхней границы самого высокочастотного анализируемого диапазона ЭЭГ; таким образом, для большинства задач достаточно частоты 500 или 516 Гц.

Различают три основных вида монтажей ЭЭГ: биполярный, монополярный и с усредненным референтным электродом (Зенков,. 2004, Русинов, 1973). Как правило, программное обеспечение обеспечивает возможность менять монтажи программным способом, что повышает информативность метода. При монополярном или униполярном отведении разность потенциалов для электродов, расположенных на скальпе, измеряется относительно одного референта, который может представлять собой один электрод, либо два физически или программно объединенные электрода, симметрично расположенные на голове испытуемого. Референтный электрод или электроды должны быть расположены таким образом, чтобы они были расположены на голове, минимально регистрировали или совсем не регистрировали активность мозга, и не регистрировали другую специфическую активность, например, мышечную. Референтный электрод может располагаться на кончике носа или в центре лба; однако оптимальные результаты дает расположение усредненного референта на сосцевидных (мастоидальных) отростках височной кости или мочках ушей. На сегодняшний день это наиболее распространенный вариант, который в общем случае может быть рекомендован при планировании исследований.

Биполярный монтаж состоит из пар электродов, расположенных на скальпе испытуемого. Такие отведения хорошо защищены от артефактов (нецеребральных сигналов), но при нём регистрируется разница потенциалов между двумя активными зонами, и однозначно определить активность конкретного участка невозможно. Для повышения информативности метода применяют большое количество отведений из скоммутированных между собой электродов и анализируют разницу сигнала между отведениями. Тем не менее, для биполярного монтажа всегда возникает проблема непосредственного сравнения реакции электродов из разных пар, в связи с чем биполярный монтаж практически вышел из употребления в когнитивных исследованиях и используется только в клинической практике для решения частных стандартизованных задач.

При отведении с усредненным электродом все электроды соединяются между собой через высокоомный резистор или программным образом, и используются в качестве референтного электрода для каждого из них по отдельности. Этот метод довольно устойчив к артефактам, но его точность напрямую зависит от количества электродов. Кроме того, наличие аномального источника активности под одним из таких электродов (эпилептогенный очаг или глазодвигательная активность) приводит к некорректной записи со всех отведений (Iwasaki, Kellinghaus et al., 2005).

Как правило, в современных аппаратных комплексах для записи ЭЭГ используется два компьютера, первый из которых осуществляет запись ЭЭГ, а второй используется в качестве стимулирующего устройства. В клинической практике до сих пор могут использоваться специализированные фото- и аудиостимуляторы, однако в когнитивных исследованиях значительно удобнее использовать компьютер со специализированным программным обеспечением, обеспечивающим большую гибкость в выборе стимулов и экспериментальных дизайнов. Программа для предъявления стимулов должна посылать на усилитель метку, точно синхронизированную по времени с предъявлением стимула. Современные программные решения, как правило, обеспечивают точность синхронизации метки до 3-5 мс, что является достаточным при анализе когнитивных вызванных потенциалов и изменений ритмической активности. Существуют несколько схем расположения электродов, самые распространённые из них это системы 10-20 и 10-10. В системе 10-20 (рис. 21) расстояние между большинством электродов составляет 20% от расстояния между крайними электродами соответствующей линии. Число 10 в названии объясняется тем, что расстояние между электродами, расположенными по периметру шапочки, составляет 10%. Все электроды имеют названия, состоящие из буквенного кода и числа. Буквы в названиях означают соответствующую расположению электрода долю мозга (кроме буквы C, центральной доли не существует, буква введена для удобства), а числа означают поперечное расположение электрода на голове. Для левого полушария используются нечётные числа, а для правого чётные (Кропотов, 2010, Jasper, 1958).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 21. Система наложения электродов 10-20



В системе 10-10 (рис. 22) в промежутки между электродами системы 10-20 помещаются дополнительные электроды, и в результате все расстояния становятся равными 10%. Для новых электродов используются составные названия, получаемые путём совмещения буквенных кодов тех электродов, между которыми они были добавлены: FC между F и С, FT между F и T, CP между C и P, TP между T и P, PO между P и О. Единственным исключением являются 5 электродов, помещающихся между Fp и F, они имеют код AF. Кроме этого, в системе 10-10 переименовываются четыре электрода из системы 10-20: T3, T4, T5 и T6 становятся, соответственно, T7, T8, P7 и P8. (Society, 2006)

Рис. 22. Система 10-10. Серым выделены электроды системы 10-20

При подготовке к записи ЭЭГ важно следовать нескольким методическим рекомендациям, позволяющим значительно улучшить качество записываемого сигнала.

- Шапочка должна подходить испытуемому по размеру и плотно сидеть на голове, не болтаться, но и не давить.

- Кабели, идущие к электродам, должны быть собраны вместе для минимизации их движения и вызванных им помех.

- Волосы испытуемого должны быть чистыми и сухими. Кожа головы под каждым электродом должна быть смазана достаточным количеством проводящего геля для обеспечения низкого сопротивления, однако не стоит наносить на электроды и кожу слишком много геля, так как это чревато возникновением перемычек из геля и объединением электродов, что приводит к понижению количества фактических каналов в записи и понижению информативности.

- Сопротивление на всех электродах должно быть одинаково низким.

- Испытуемый не должен быть излишне утомлен, если утомление не является необходимым экспериментальным условием.

- Испытуемый должен сидеть максимально удобно и расслаблено, насколько это позволяют условия эксперимента. Ноги испытуемого должны твёрдо стоять на полу во избежание ненужных движений и излишнего напряжение.

- Испытуемому следует объяснить, из-за чего возникают артефакты, и попросить как можно меньше двигаться. (Picton, Bentin et al., 2000) Если испытуемый во время эксперимента все же начинает активно двигаться, его следует успокаивать.

- Если от испытуемого требуется активно реагировать на стимулы, все устройства ввода (чаще всего клавиатура или мышь) должны находиться в удобном для испытуемого положении, позволяющем выполнять требуемые действия без лишних движений тела и головы.

2.2 Обработка результатов

С помощью программы регистрации и анализа ЭЭГ Leonardo осуществлялся автоматический подсчет количества и мощности дельта активности и сонных веретен. Далее с учетом этих данных стадирование записей проводилось двумя независимыми экспертами. Далее данные анализа ЭЭГ, показатели методик для оценки функционального состояния сводились в таблицу для статистической обработки результатов исследования. В программе Statistica 10 при помощи дискриптивного анализа, t-критерия Стьюдента, непараметрического критерия Вилкоксона для зависимых выборок и дисперсионного анализа (ANOVA) оценивалась значимость различий полученных данных, сравнивались результаты тестов в основном и контрольном экспериментах.



Глава 3. Результаты и их обсуждение

Анализ данных полисомнограмм/

Согласно данным ЭЭГ, у всех испытуемых в течение 20 минут после выключения света наступала 2-я стадия сна. У 11 человек в двух экспериментах - и в опытном и в контрольном - регистрировался в том числе и глубокий, дельта- сон. У одного испытуемого глубокий сон был отмечен только в эксперименте со стимуляцией. У 5-ти испытуемых присутствовала также фаза парадоксального сна. Сравнение данных анализа структуры сна в основном эксперименте и в контрольном показало, что стимуляция не оказала значимого влияния ни на длительность медленноволновой стадии сна, ни на общее время и эффективность сна (табл. 2). Но на уровне тенденции выявлены различия в значениях латентности парадоксального сна: в экспериментах со стимуляцией латентность парадоксального сна оказалась меньше.

Таблица 2. Структура сна в опытах со стимуляцией и без стимуляции

	сон без стимуляции	р	сон со стимуляцией
	N	среднее	минимум	максимум		N	среднее	минимум	максимум
длительность сна	12	49,35	31,0	62,0		12	51,30	34,5	63,5
длительность периода сна*	12	54,67	44,0	63,5		12	54,33	43,5	63,5
длительность пробуждений	12	4,95	0,0	27,0		12	3,60	0,0	24,5
эффектив- ность сна **	12	90,79	54,6	100,0		12	93,68	58,5	100,0
латентность 2-й стадии	12	6,05	1,0	16,5		12	6,80	1,5	20,0
латентность 3-й стадии	12	14,20	5,0	20,5		12	18,75	4,0	49,0
латентность REM-стадии	4	49,75	36,5	56,5	0,068	5	46,10	36,5	54,0
длительность	12	3,95	1,0	7,0		12	4,20	0,5	13,0
1-й стадии
длительность 1-й стадии %	12	7,65	2,0	15,9		12	7,56	0,8	22,0
длительность 2-й стадии	12	18,13	4,5	28,0		12	18,00	6,0	30,5
длительность 2-й стадии %	12	33,55	8,3	48,3		12	33,06	11,1	54,9
длительность 3-й стадии	12	20,33	0,0	34,5		12	23,46	2,5	40,5
длительность 3-й стадии %	12	36,50	0,0	69,0		12	43,21	4,2	71,3
длительность REM-стадии	12	2,67	0,0	12,5		12	2,58	0,0	13,5
длительность REM-стадии %	12	4,76	0,0	22,9		12	4,70	0,0	24,3

Примечание: * - длительность периода сна оценивалась как время от момента первого засыпания и до момента последнего пробуждения, включая и длительность пробуждений, если они были во время сна; ** - эффективность сна оценивалась как соотношение длительности сна к длительности периода сна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты анализа длительности 3 стадии сна/

Сравнение данных анализа структуры сна в основном эксперименте и в контрольном показало, что стимуляция не оказала значимого влияния на длительность медленноволновой стадии сна (рис. 23).

Рис. 23. Длительность 3 стадии сна в контрольном и основном экспериментах

Результаты анализа латентности парадоксального сна/

У испытуемых, имевших в структуре своего сна фазу парадоксального сна, были выявлены статистически значимые различия при сравнении латентностей наступления парадоксального сна в основном и контрольном экспериментах: в экспериментах со стимуляцией латентность парадоксального сна оказалась меньше (рис. 24).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 24. Латентность стадий сна (по t-критерию Стьюдента значимость различий: *р=0,018)

Результаты анализа мощности дельта-ритма во время 3 стадии сна Сравнение мощности дельта-ритма во время 3-й стадии сна в основных и контрольных экспериментах не выявило значимых различий между ними (рис. 25). Таким образом, стимуляция не оказала значимого влияния на глубину сна.

Рис. 25. Мощности дельта-ритма во время 3-й стадии сна в контрольном и основном экспериментах



В основных экспериментах мощность дельта-ритма в течение 30секундных серий со стимуляцией сравнивалась с мощностью дельта-ритма во время 30- секундных пауз без стимуляции. В результате было получено некоторое увеличение мощности дельта-ритма во время серий стимуляции, различия статистически значимы только в диапазоне 2 Гц для отведения F3 (рис. 26). В отведениях F4, С3 и C4 мощности дельта-ритма различались на уровне тенденции в диапазонах 1 Гц и 2 Гц.

Рис. 26. Мощности дельта-ритма во время 30-секундных серий со стимуляцией и 30-секундных пауз между ними в основных экспериментах (по непараметрическому критерию Вилкоксона для зависимых выборок значимость различий: *р=0,042)

Результаты анализа вызванных потенциалов на подпороговые стимулы.

В ответ на подпороговые электрокожные стимулы были зарегистрированы вызванные потенциалы (ВП). Во фронтальных и центральных областях регистрировались характерные для сна компоненты ВП: Р200 (позитивный компонент в диапазоне 100-300 мс), N350-550 (негативный компонент в диапазоне

300 - 600 мсек) и Р900 (позитивный компонент в диапазоне 800-1000 мс). Вызванные потенциалы на первые стимулы в серии и вызванные потенциалы на последние стимулы серии имели различную форму. Например, вызванный потенциал на первые стимулы в серии, как правило, имел выраженный позитивный компонент в диапазоне 100-300 мсек (рис. 27).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 27. Компонент Р200 вызванного потенциала у испытуемого X. в ответ на подпороговые электрокожные стимулы при усреднении первых 3 стимулов 25 серий из 30 стимулов (N=75).

При усреднении 10 последних стимулов в серии, как правило, были более выражены негативные компоненты в диапазоне 300 - 600 мсек и позитивные - в диапазоне 800 - 1000 мсек (рис. 28).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 28. Компоненты N350 и Р900 вызванного потенциала у испытуемого X. в ответ на подпороговые электрокожные стимулы при усреднении последних 10 стимулов 25 серий из 30 стимулов (N=250)

Результаты анализа данных опросника САН

Анализ данных опросника САН показал, что и в основных, и в контрольных экспериментах после сна испытуемые несколько лучше оценивают свое состояние: субъективные оценки самочувствия (рис. 30), а также активности и настроения увеличиваются (рис. 29). Однако значимые сдвиги выявлены только для оценок самочувствия после сна со стимуляцией (табл. 3).

Рис. 29. Изменение активности и настроения не различается в основном и контрольном экспериментах



Рис. 30. Улучшение самочувствия после сна со стимуляцией значимо, а после сна без стимуляции - не значимо

Таблица 3. Значимость и достоверность изменений самочувствия (С), активности (А) и настроения (Н) после сна в основном и контрольном экспериментах

Variable	T-test for Dependent Samples Marked differences are significant at p < ,05000 (основной эксперимент)
	Mean	Std.Dv.	N	Diff.	Std.Dv. Diff.	t	df	p
С_до	1,583333	1,378954
С_после	2,500000	0,674200	12	-0,916667	1,311372	-2,42145	11	0,033919
А_до	1,666667	1,073087
А_после	1,750000	1,215431	12	-0,083333	1,164500	-0,24790	11	0,808781
Н_до	2,000000	1,128152
Н_после	2,500000	0,674200	12	-0,500000	1,167748	-1,48324	11	0,166087
Variable	T-test for Dependent Samples Marked differences are significant at p < ,05000 (контрольный эксперимент)
	Mean	Std.Dv.	N	Diff.	Std.Dv. Diff.	t	df	p
С_до	1,583333	1,164500
С_после	2,000000	0,852803	12	-0,416667	0,792961	-1,82023	11	0,096014
А_до	1,333333	0,778499
А_после	1,583333	0,900337	12	-0,250000	0,621582	-1,39326	11	0,191054
Н_до	1,666667	1,497473
Н_после	2,250000	0,965307	12	-0,583333	1,311372	-1,54092	11	0,151595

Корреляционный анализ между значениями шкал опросника САН и показателями структуры сна выявил зависимость между уровнем активности и характеристиками парадоксальной фазы (табл. 4). Уровень активности после дневного сна положительно коррелирует с длительностью парадоксального сна и отрицательно - с латентностью этой фазы.

Таблица 4. Корреляции между субъективной оценкой уровня активности (по опроснику САН) после дневного сна и показателями парадоксального сна.

	коэффициент корреляции r	уровень значимости p
латентность парадоксальной-фазы	-0,54	0,006
длительность парадоксальной-фазы	0,54	0,006

Обсуждение результатов/

Несмотря на то, что в ночных экспериментах Индурским и соавторами (Индурский и др., 2013) было выявлено увеличение длительности 3-й стадии сна на фоне подпороговой электрокожной стимуляции, нам не удалось воспроизвести этот эффект в наших экспериментах с дневным сном.

Однако, сходные данные были получены в работе (Ngo et al., 2012), где применялась акустическая стимуляция с частотой 0,8 Гц, а также в работе (Ngo et al., 2013), где применялась акустическая стимуляция, синхронизированная с восходящим фронтом дельта-волны: в этих исследованиях длительность 3-й стадии сна в экспериментах со стимуляцией также не отличалась от контрольных экспериментов.

Возможно, увеличение продолжительности 3-й стадии в работе Индурского (Индурский и др., 2013) объясняется скорее не стимуляцией как таковой, а тем, что эксперимент со стимуляцией для всех испытуемых проходил всегда после контрольного, поэтому испытуемые могли быть лучше адаптированы к условиям лаборатории и, вследствие этого, иметь более качественный сон.

В ответ на подпороговые электрокожные стимулы нами были зарегистрированы ВП, которые по своим временным характеристикам близки к К- комплексам (Riedner et al., 2012).

К-комплекс - характерный для состояния сна вызванный ответ на внешние стимулы. Поскольку К-комплексы представляют собой дельта-волны, можно ожидать, что на фоне электрокожной стимуляции должен регистрироваться дельта- ритм большей амплитуды.

В работах (Ngo et al., 2012), (Ngo et al., 2013) и (Индурский и др., 2013) стимуляция вызывала значительное усиление мощности медленноволновой дельта-активности по сравнению с контрольными экспериментами (около 9 % в среднем для всего периода 3-й стадии в работе (Ngo et al., 2013), а в работе (Ngo et al., 2012) в отдельные периоды до 30 %).

Однако, анализ данных нашего исследования не выявил значимых различий между мощностью дельта-ритма в экспериментах со стимуляцией и в контрольных. В экспериментах со стимуляцией нами были выявлены различия (но, в основном, на уровне тенденции) в значениях дельта-мощности во время 30-секундных серий стимуляции и 30-секундных пауз между ними.

Во время серий стимуляции выявлено статистически значимое увеличение мощности дельта-ритма в отведении F3 в диапазоне 2 Гц, а также на уровне тенденции в диапазонах 1 Гц и 2 Гц в отведениях F4, С3 и C4.

В среднем по группе усиление мощности в этих диапазонах не превышало 3%. Возможно, довольно слабый эффект стимуляции в наших экспериментах объясняется тем, что акустическая стимуляция более эффективна в отношении генерации дельта-волн, чем соматосенсорная, на что, в частности, указывают результаты работы (Tononi et al., 2010).

Это также может быть связано с тем, что акустические стимулы во время сна вызывают более высокоамплитудные К-комплексы (Bellesi et al., 2014). Вероятно, при использовании стимуляции, синхронизированной с восходящим фронтом дельта-волны, как в работе (Ngo et al., 2013), навязывающей дельта-колебания, можно добиться более выраженного усиления мощности медленноволновой активности.

У испытуемых были выявлены достоверные различия в значениях латентности парадоксального сна: в экспериментах со стимуляцией латентность парадоксального сна оказалась меньше.

Уменьшение латентности парадоксальной фазы, вероятно объясняется тем, что подпороговые электрокожные сигналы могут оказывать активирующее влияние на центры регуляции парадоксального сна и ускорять его наступление.

Полученные нами данные свидетельствуют о том, что подпороговая электрокожная стимуляция с частотой 1 Гц, применяемая во время 3-й стадии сна не оказывает влияния на продолжительность глубокого сна и оказывает весьма слабый эффект на мощность медленноволновой активности 3-й стадии сна.

Таким образом, можно предположить, что для того, чтобы добиться выраженного усиления мощности дельта-ритма во время 3-й стадии сна, нужно с помощью стимуляции навязывать присущую данному человеку частоту дельта- ритма (а она индивидуальна), и подавать стимулы в момент восходящего фронта дельта-волны.

В нашей дальнейшей работе мы надеемся использовать методы, позволяющие это сделать.



Заключение

Значение сна для человека велико. Сон - жизненно важен. Несмотря на это, необходимость именно в здоровом сне до сих пор не воспринимается большинством людей как один из главных жизненных приоритетов. Большинство людей даже не задумываются о соблюдении правил здорового сна, о воспитании своих детей с пониманием важности не только режима, но и культуры сна. Современный человек часто не понимает о последствиях, которые могут с ним произойти, если он идет в постель, плотно поужинав, с плохим настроением, будучи под воздействием фармакологических препаратов или алкоголя.

Во время сна восстанавливаются внутренние системы организма и психическое состояние, благодаря чему сон осуществляет рекреационную функцию. Возможно, при стимуляции периферического нерва активизируются подкорковые мозговые структуры, участвующие в восстановлении гомеостаза, поэтому даже после непродолжительного дневного сна ощутимо улучшается самочувствие. Этого не происходит при, например, транскраниальной стимуляции коры (Massimini et al., 2006).

Настроение зависит от функционирования лимбической системы и от предшествующего дневного опыта, поэтому не так легко поддается воздействию внешних физических импульсов. В результатах исследований сна не упоминается о стабильном изменении настроения после пробуждения: этот процесс воздействует скорее на физиологическое состояние человека, нежели на психическое.

Активность после сна, во-первых, перекликается с активностью человека перед сном и его образом жизни, вследствие чего является ситуативным и индивидуальным показателем функционального состояния, а во-вторых, связана с моментом пробуждения: разбудить человека в стадию 1 и 2 медленного сна или во время парадоксального сна легче, чем во время медленноволнового сна, и человек в таком случае чувствует себя более бодрым (Николаева Е.И., 2008).Также на активность в бодрствовании влияет качество предшествующего сна, его длительность и соотношение стадий (Николаева Е.И., 2008).

Исходя из положительного влияния электрокожной стимуляции на самочувствие, можно предложить их использование в качестве немедикаментозного терапевтического средства при стрессах или соматическом недомогании. В случае выявления благоприятного воздействия на когнитивные процессы их можно использовать как модель восстановления функционального состояния учащихся и студентов после повышенных эмоциональных и умственных нагрузок.

Выводы

1) Подпороговая электрокожная стимуляция с частотой 1 Гц не влияла на длительность 3-й стадии и мощность дельта-ритма 3-й стадии сна при сравнении с контролем.

2) В экспериментах со стимуляцией латентность парадоксального сна оказалась достоверно меньше.

3) В отведении F3 в диапазоне 2 Гц было получено увеличение мощности дельта-ритма 3-й стадии сна во время 30 секундных серий стимуляции по сравнению с 30 секундными паузами между сериями.

4) Во фронтальных и центральных областях в ответ на подпороговые электрокожные стимулы регистрировались характерные для сна компоненты вызванных потенциалов (ВП): Р200 (позитивный компонент в диапазоне 100-300 мс), N350-550 (негативный компонент в диапазоне 300 - 600 мсек) и Р900 (позитивный компонент в диапазоне 800-1000 мс).

5) Электрокожная подпороговая стимуляция во время сна благоприятно воздействуют на самочувствие человека: после сна со стимуляцией оно значительно улучшается.



Список литературы

1) Белова А.П., Малых С.Б., 2013. Природа индивидуальных различий рабочей памяти // Теоретическая и экспериментальная психология. Т. 4.№2. С. 54-64.

2) Зенков, Л. Р., 2012. Клиническая электроэнцефалография (с элементами эпилептологии): Руководство для врачей, МЕДпресс-информ. 356 с.

3) Индурский П.А., Маркелов В.В., Шахнарович В.М., Дорохов В.Б., 2013. Низкочастотная электрокожная стимуляция кисти руки во время медленноволновой стадии ночного сна: физиологические и терапевтические эффекты // Ж. Физиология человека. Т. 39. №6. С. 91-105.

4) Ковальзон В.М., 2014. Основы сомнологии: физиология и нейрохимия цикла «бодрствование-сон». М. : БИНОМ. Лаборатория знаний. 239 с.

5) Курасов Е.С., 2015. Медико-психологические аспекты здорового сна / Е. С. Курасов, Р. С. Ремизевич, Т. И. Дьяконова. - Санкт-Петербург: СпецЛит. - 71 с.

6) Николаева Е.И., 2008. Психофизиология. Психологическая физиология с основами физиологической психологии. Учебник. - М.: ПЕР СЭ. 1050 с.

7) Петров А.М., Гиниатуллин А.Р., 2012. Нейробиология сна: современный взгляд: Учебное пособие. Казань: КГМУ. С. 4-29.

8) Покровский В.М., Коротько Г.Ф., Наточин Ю.В., 1997. Физиология человека. Учебник (Т.2). М: Медицина. С.271-277.

9) Русинов, В. С., 1973. Клиническая электроэнцефалография. - М.: Медицина. 340 с.

10) Украинцева Ю.В., Дорохов В.Б., 2011. Влияние дневного сна на консолидацию декларативной памяти у человека // Ж. ВНД. Т. 61. №2. С. 1-9.

11) Шпорк Петер, 2015. Сон. Почему мы спим и как нам это лучше всего удается / П. Шпорк; пер. с нем.; под ред. В.М Ковальзона. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. - 234 с.

12) Электроэнцефалография в когнитивных исследованиях: практическое руководство. Учебное пособие. Для студентов, обучающихся по специальности «нейробиология», «психофизиология» / А.А. Варламов, А.Н. Пучкова, О.Н. Ткаченко, И.В. Скороходов, И.А. Борисевич; Под ред. А.А. Варламова. [Электронное издание]. - М.: РИЦ МГГУ им. М.А. Шолохова, 2015. - 71 с.

13) Appelbaum L., Wang G., Yokogawa T., Skariah G.M., Smith S.J., Mourrain P., Mignot E., 2010. Circadian and homeostatic regulation of structural synaptic plasticity in hypocretin neurons // Neuron. V. 68. P. 87-98.

14) Backhaus J., Junghanns K., 2006. Daytime naps improve procedural motor memory // Sleep Med. V. 7. P. 508-512.

15) Beniczky, S., H. Aurlien, J. C. Brogger, A. Fuglsang-Frederiksen, A. Martins-da-Silva, E. Trinka, G. Visser, G. Rubboli, H. Hjalgrim, H. Stefan, I. Rosen, J. Zarubova, J. Dobesberger, J. Alving, K. V. Andersen, M. Fabricius,

...