Способ определения функционального состояния головного мозга

Способ определения функционального состояния головного мозга

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области биологии и медицины, а именно к нейробиологии, нейрофизиологии, неврологии и предназначено для определения функционального состояния головного мозга, а именно нарушений восприятия, запоминания и воспроизведения внешней информации при различных повреждениях центральной нервной системы.

Известен способ определения функционального состояния головного мозга путем регистрации латентного периода простой сенсомоторной реакции [1]. Сущность известного способа заключается в том, что испытуемый удерживает в нажатом положении «стартовую» кнопку и в момент предъявления внешнего сигнала (звукового или светового) ему необходимо как можно быстрее нажать «финишную» кнопку. В качестве внешних сигналов используются световые или звуковые стимулы различной интенсивности. Измерение параметров времени простой сенсомоторной реакции позволяет определить быстроту и стабильность моторно-сенсорного реагирования. Полученный в результате усреднения латентный период простой сенсомоторной реакции оценивает быстроту нервно-психических процессов и является косвенным показателем лабильности нервной системы. Основными недостатками данного способа являются субъективность диагностики, необходимость активного и сознательного участия испытуемого в проведении исследования, что не всегда возможно, например, при проведении исследования у детей или у пациентов в бессознательном состоянии. Данный способ также не применим в экспериментальных условиях у лабораторных животных.

Также известен способ определения функционального состояния головного мозга путем регистрации спонтанной биоэлектрической активности головного мозга (СБЭА) [2]. Функциональное состояние головного мозга в известном способе оценивают путем измерения изменений амплитуды или частоты зарегистрированной биоэлектрической активности. Данный способ обладает низкой информативностью вследствие неоднозначной интерпретации изменений параметров спонтанной биоэлектрической активности при различных воздействиях. Например, ухудшение функционального состояния нервной ткани может сопровождаться как увеличением амплитуды СБЭА (при умеренной ишемии и гипоксии), так и снижением (при выраженном ишемическом повреждении головного мозга).

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения функционального состояния головного мозга путем многократной стимуляции головного мозга внешним сигналом с последующим анализом электрической активности головного мозга в ответ на воздействие и внутримозговую переработку поступившего внешнего сигнала [3]. Функциональное состояние головного мозга в известном способе определяют с помощью измерения времени между предъявлением внешнего стимула и появлением его отражения в записи биоэлектрической активности. Метод основан на том, что на стандартный внешний сигнал регистрируется стабильная реакция коры головного мозга, которую можно выделить при многократном предъявлении внешнего сигнала путем усреднения синхронизированных по времени с предъявлением сигнала записей спонтанной биоэлектрической активности головного мозга. Функциональное состояние головного мозга оценивают путем измерения латентных периодов различных компонентов вызванного ответа коры головного мозга на внешний сигнал. При увеличении времени между предъявлением внешнего сигнала и появлением того или иного компонента вызванного ответа более установленной нормы для данной группы испытуемых диагностируют ухудшение функционального состояния головного мозга. Таким образом, при регистрации спонтанной биоэлектрической активности головного мозга в известном способе выделяют и анализируют эндогенные процессы в мозге, связанные с восприятием и переработкой внешней информации. Недостатком известного способа является низкая информативность, вследствие невозможности одновременного определения скорости восприятия, обработки, запоминания и воспроизведения информации при воздействии на головной мозг внешнего сигнала.

Исходя из существующего уровня технологий определения функционального состояния головного мозга, а также необходимости устранения недостатков известных способов диагностики, была поставлена задача: повысить информативность и объективность диагностики состояния центральной нервной системы за счет обеспечения возможности одновременного определения скорости обработки, запоминания и воспроизведения внешней информации в нервной ткани независимо от уровня сознания испытуемого, биологической значимости и модальности используемых стимулов.

Поставленную задачу решают следующим образом:

Функциональное состояние головного мозга определяют путем его многократной стимуляции внешним сигналом с последующим анализом электрической активности головного мозга в ответ на воздействие и внутримозговую переработку поступившего внешнего сигнала. Новым в предлагаемом способе является то, что стимуляцию головного мозга осуществляют последовательным чередованием двух внешних сигналов. Затем в записи электрической активности головного мозга выявляют наличие следа второго внешнего сигнала во время повторной стимуляции головного мозга первым внешним сигналом. По времени появления следа второго внешнего сигнала после начала стимуляции головного мозга первым внешним сигналом определяют функциональное состояние головного мозга, которое считают нормальным, если время появления следа второго внешнего сигнала после начала стимуляции головного мозга первым внешним сигналом не превышает 800 миллисекунд, другие временные интервалы оценивают как нарушение функционального состояния головного мозга.

Поясняем существенные отличительные признаки предлагаемого способа диагностики.

Определение состояния центральной нервной системы путем стимуляции головного мозга последовательным чередованием двух внешних сигналов и выявление в записи электрической активности головного мозга наличия следа второго внешнего сигнала во время его повторной стимуляции первым внешним сигналом позволило повысить информативность и объективность диагностического исследования функции головного мозга.

Предлагаемый способ диагностики основан на способности нейрональных ансамблей коры головного мозга активироваться и генерировать электрическую активность, совпадающую по частоте с частотой внешнего воздействия [4]. Продолжительная стимуляция первым внешним сигналом определенной связанной группы нейронов и последующее кратковременное предъявление второго внешнего сигнала сопровождается установлением специфических связей между первично-активированной нейронной сетью и чувствительными к компонентам второго внешнего сигнала нейрональными структурами [5, 6]. Повторное предъявление первого внешнего сигнала и, как следствие, активация элементов первичного нейронного ансамбля будет вызывать последовательное включение чувствительных ко второму внешнему сигналу нейронных сетей, в результате чего происходит воспроизведение в записи биоэлектрической активности головного мозга следа памяти второго внешнего сигнала во время стимуляции первым внешним сигналом. Временной период между включением первого стимулирующего сигнала и активацией нейронального ансамбля, чувствительного к компонентам второго внешнего сигнала, позволяет оценить скорость интеграции двух активированных внешними сигналами нейрональных ансамблей в норме и при различных воздействиях и включает, в свою очередь, несколько составляющих: время возбуждения рецептора, передачи сигнала от периферии к центру по афферентным путям, идентификации и переработки информации в центральной нервной системе, активацию нейронального ансамбля, чувствительного к компонентам второго внешнего сигнала. Полученный в результате усреднения временной показатель оценивает быстроту нервно-психических процессов и является интегративным показателем функционального состояния нервной системы. Согласно данным литературы, путем суммации возможных временных интервалов на осуществление данных процессов, в норме время между включением первого внешнего сигнала и воспроизведением следа памяти второго внешнего сигнала не может превышать время реализации простой сенсомоторной реакции (латентный и моторный периоды), т.е. 800 миллисекунд [2]. Подобный временной интервал соответствует также латентным периодам поздних компонентов вызванных потенциалов головного мозга [3].

Таким образом, последовательное предъявление двух внешних сигналов в отличие от известных способов позволяет не только оценивать скорость восприятия внешней и переработки информации, но также определять скорость запоминания и воспроизведения внешней информации.

Выявление в записи электрической активности головного мозга наличия следа второго внешнего сигнала во время повторной стимуляции головного мозга первым внешним сигналом, а также определение функционального состояния головного мозга по времени появления следа второго внешнего сигнала после начала стимуляции головного мозга первым внешним сигналом необходимо для обеспечения возможности определения скорости обработки, запоминания и воспроизведения внешней информации в нервной ткани независимо от уровня сознания испытуемого, биологической значимости и модальности используемых стимулов.

Функциональное состояние головного мозга считают нормальным, если время появления следа второго внешнего сигнала после начала стимуляции головного мозга первым внешним сигналом не превышает 800 миллисекунд, а другие временные интервалы оценивают как нарушение функционального состояния головного мозга, так как зарегистрированный таким образом латентный период воспроизведения следа памяти второго внешнего сигнала играет важную роль для объективной диагностики нарушений высшей нервной деятельности при различных повреждениях центральной нервной системы.

Сущность предлагаемого способа определения функционального состояния головного мозга поясняется чертежами, где представлено:

Фиг.1 - Частотно-временной анализ первого и второго внешних сигналов используемых в качестве примера и последовательность их применения;

Фиг.2, а - Результат частотно-временного анализа усреднения 10 фрагментов электроэнцефалограммы пациента А. (вариант нормы);

Фиг.2, б - Результат корреляционного анализа усреднения 10 фрагментов электроэнцефалограммы пациента А. (вариант нормы) с образцом второго внешнего сигнала;

Фиг.3 - Результат корреляционного анализа усреднения 10 фрагментов электроэнцефалограммы пациента В. (поздний восстановительный период закрытой черепно-мозговой травмы, вегетативное состояние) с образцом второго внешнего сигнала.

Предлагаемый «Способ определения функционального состояния головного мозга» осуществляют следующим образом.

У испытуемого выполняют запись спонтанной биоэлектрической активности структур головного мозга во время многократного (от 2 до 20 и более раз) последовательного предъявления двух внешних сигналов: первого и второго со случайными или равными временными промежутками между ними. Модальность и другие физические характеристики (спектральный состав, амплитуда и продолжительность) используемых внешних сигналов могут быть произвольными. Выделяют фрагменты электроэнцефалограммы, записанные во время стимуляции первым внешним сигналом и с использованием визуального, корреляционного анализа или иных методов цифровой обработки информации осуществляют выявление сигнала по своим частотно-временным характеристикам подобного второму (основному) внешнему сигналу. Фиксируют и усредняют время появления данного сигнала во всех анализируемых фрагментах, которое является информативным показателем скорости функционирования механизмов восприятия, обработки, запоминания и воспроизведения внешней информации в нервной ткани.

При увеличении латентного периода появления следа второго внешнего сигнала выше 800 миллисекунд, либо в сравнении с аналогичным исследованием до какого-либо воздействия определяют нарушение процессов восприятия, обработки, запоминания и воспроизведения внешней информации в нервной ткани, связанное с ухудшением функционального состояния головного мозга. При уменьшении латентного периода появления следа второго внешнего сигнала менее 800 миллисекунд, либо в сравнении с аналогичным исследованием до какого-либо воздействия отмечают улучшение процессов восприятия, обработки, запоминания и воспроизведения внешней информации в нервной ткани, связанное с формированием нормального функционального состояния головного мозга.

Сущность предлагаемого способа поясняется клиническими примерами:

Пример №1.

Пациент А., 18 лет. Направлен для определения функционального состояния головного мозга по поводу периодических головных болей. Ранее был обследован известными методами (зрительные вызванные потенциалы, МРТ головного мозга), органической и функциональной патологии ЦНС не выявлено.

Выполнено диагностическое исследование по предлагаемому способу. Пациент был расположен в удобном кресле в затемненном боксе. Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) регистрировалась по униполярной методике с помощью электроэнцефалографа «Нейрон-Спектр-1-4/П» (OOO «Нейрософт», г.Иваново) в отведениях согласно стандарту 10-20% по Джасперу в полосе частот от 0,5 до 35 Гц с последующей оцифровкой с частотой 200 Гц.

Используемые сигналы

В качестве первого внешнего сигнала использовали фотостимуляцию сигналом с частотой 13 Гц в течение 30 секунд, в качестве второго внешнего сигнала использовали фотостимуляцию сигналом с линейным увеличением частоты в течение 10 секунд от 1 до 10 Гц (см. приложение к описанию, Фиг.1). Для стимуляции использовали стандартный фотостимулятор в комплекте с используемым электроэнцефалографом. Процедура исследования функционального состояния головного мозга заключалась в последовательном 10-кратном чередовании первого (референтного) и второго (основного) внешних сигналов. Интервал между последовательным предъявлением этих сигналов составлял 1 секунду, пауза между предъявлением серий первого и второго внешних сигналов составляла от 30 до 60 секунд.

Анализ данных, полученных при исследовании функционального состояния головного мозга пациента

Записанные во время проведения исследования фрагменты ЭЭГ были усреднены по методике когерентного накопления синхронно по времени с предъявлением первого сигнала. Для усреднения выделяли часть записанного фрагмента ЭЭГ за 10 секунд до и 50 секунд после включения первого внешнего сигнала. Для усреднения использовали 10 подобных фрагментов. Результат усреднения после предварительной фильтрации частоты, совпадающей с частотой первого внешнего сигнала (13 Гц), визуализировали с помощью частотно-временного анализа с использованием метода кратковременного преобразования Фурье. Для уменьшения уровня шума спектрограммы пропускали через 2-мерный адаптивный фильтр Винера. Вычисление временных параметров воспроизведения следа памяти второго внешнего сигнала осуществляли путем кросскорреляции спектрограмм фрагментов ЭЭГ и образца второго внешнего сигнала в частотно-временном диапазоне 1-10 Гц и 0-10 сек [7]. Порог детекции второго сигнала устанавливался исходя из предельных колебаний коэффициента корреляции в фоновой записи и составлял 0.15. Визуализация результатов, статистическая и математическая обработка данных выполнялись с использованием MATLAB 7 и MS Excel 2003.

На фиг.1 (см. приложение к описанию) представлена последовательность и результат частотно-временного анализа предъявляемых первого и второго внешних сигналов. Стрелками указаны следующие моменты:

1 - момент включения первого внешнего сигнала,

2 - момент включения второго внешнего сигнала.

На фиг.2, а (см. приложение к описанию) - результат частотно-временного анализа усредненения 10 фрагментов электроэнцефалограммы пациента (вариант нормы), записанной во время фотостимуляции первым и вторым внешними сигналами. Стрелками указано следующее:

1 - момент включения первого внешнего сигнала;

2 - момент включения второго внешнего сигнала;

3 - воспроизведение следа памяти второго внешнего сигнала во время стимуляции первым внешним сигналом;

4 - реакция усвоения ритма фотостимуляции во время стимуляции вторым внешним сигналом;

5 - вторичное и третичное воспроизведение следа памяти второго внешнего сигнала во время стимуляции первым внешним сигналом.

На фиг.2, б (см. приложение к описанию) показан результат корреляционного анализа усредненения 10 фрагментов электроэнцефалограммы пациента (вариант нормы) с образцом второго внешнего сигнала. Стрелками указаны:

1 - момент включения первого внешнего сигнала;

2 - момент включения второго внешнего сигнала;

3 -. воспроизведение следа памяти второго внешнего сигнала во время стимуляции первым внешним сигналом;

4 - реакция усвоения ритма фотостимуляции во время стимуляции вторым внешним сигналом;

5 - вторичное и третичное воспроизведение следа памяти второго внешнего сигнала во время стимуляции первым внешним сигналом.

На фиг.2, б видно, что первичное воспроизведение следа второго внешнего сигнала зарегистрировано в среднем через 300 миллисекунд после включения первого внешнего сигнала. Данный результат не превышает установленные нормальные показатели (800 мс), что свидетельствует о нормальном функциональном состоянии головного мозга испытуемого. Через 10.3 секунды и 20.3 секунды отмечено вторичное и третичное воспроизведение следа памяти второго внешнего сигнала.

Пример №2.

Пациент В., 16 лет. Поступил в отделение травматологии ФГУ «Филиал №2 321 Военный госпиталь» СибВО МО РФ с целью проведения планового обследования и лечения.

Диагноз при поступлении: поздний восстановительный период закрытой черепно-мозговой травмы, ушиб головного мозга тяжелой степени. Вегетативное состояние.

Согласно результатам обследования (МРТ головного мозга, электроэнцефалография, вызванные потенциалы) определяется тяжелое органическое повреждение ЦНС.

Выполнено исследование функционального состояния головного мозга пациента по предлагаемому способу. Регистрация электроэнцефалограммы осуществлялась в затемненном помещении по униполярной методике с помощью электроэнцефалографа «Нейрон-Спектр-1-4/П» (ООО «Нейрософт», г.Иваново) в отведениях согласно стандарту 10-20% по Джасперу в полосе частот от 0,5 до 35 Гц и частотой оцифовки 200 Гц. Используемые сигналы и методика анализа данных полученных при исследовании функционального состояния головного мозга пациента были идентичны описанным в клиническом примере №1.

Анализ данных, полученных при исследовании функционального состояния головного мозга пациента.

На фиг.3 показан результат корреляционного анализа усредненения 10 фрагментов электроэнцефалограммы 2 испытуемого с образцом второго сигнала. На фигуре стрелками указаны: 1 - момент включения первого сигнала; 2 - момент включения второго сигнала; 3 -. воспроизведение следа памяти второго сигнала во время стимуляции первым сигналом; 4 - реакция усвоения ритма фотостимуляции во время стимуляции вторым сигналом.

Видно, что первичное воспроизведение следа второго внешнего сигнала регистрируется в среднем через 2500 миллисекунд после включения первого внешнего сигнала. Амплитуда этого сигнала значительно ниже амплитуды сигнала, связанного с усвоением ритма второго сигнала. В соответствии с результатами обследования диагностировано нарушение функционального состояния головного мозга с выраженным нарушением процессов восприятия и переработки внешней информации. Рекомендовано повторное обследование через 3 месяца для оценки динамики и прогноза изменения функционального состояния головного мозга.

По предлагаемому способу проведена клиническая апробация на 5 пациентах. Согласно полученным данным, первичное воспроизведение следа второго внешнего сигнала было зарегистрировано в среднем через 630±180 миллисекунд после включения первого внешнего сигнала. Полученные результаты в сравнении с другими известными методами оценки функционального состояния центральной нервной системы обеспечили более объективную диагностику скорости восприятия, обработки, запоминания и воспроизведения внешней информации в нервной ткани независимо от активного или сознательного участия испытуемого.

Источники информации

1. Бачериков Е.Л. Оценка интеграции сенсомоторной деятельности по показателям лабильности нервной системы у студентов / Е.Л.Бачериков, Ю.Г.Камскова, А.И.Автухович, А.В.Редько // Вестник Южно-Уральского государственного университета, серия «Образование, Здравоохранение, Физическая культура». - 2009. - №7 (140). - стр.53-54.

2. Зенков Л.Р. Клиническая электроэнцефалография (с элементами эпи-лептологии). Руководство для врачей. / Л.Р.Зенков - 3-е изд. - M.: МЕДпрессинформ, 2004. - 368 с.

3. Гнездицкий В.В. Вызванные потенциалы мозга в клинической практике. / В.В.Гнездицкий - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1997. - 176 с.

4. Takahashi Т. Activation methods. / Е. Niedermeyer (ed.) // Electroencepha-lography: Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields. - Baltimore, MD, USA: Williams & Wilkins, 1993 - p.28-45.

5. Fuster J.M. Cortical dynamics of memory / J.M Fuster // Int. J. Psycho-physiol. - 2000. - №35 (2-3). - p.155-164.

6. Silva A.J. et al. Molecular and cellular approaches to memory allocation in neural circuits / A.J.Silva, Y.Zhou, T.Rogerson, J.Shobe, J.Balaji // Science. - 2009. - №326. - p.391-395.

7. Altes R.A. Detection, estimation, and classification with spectrograms / R.A.Altes // J. Acoust. Soc. Am. - 1980. - №67. - p.1232-1248.

Способ определения функционального состояния головного мозга, включающий многократную стимуляцию головного мозга внешним сигналом с последующим анализом электрической активности головного мозга в ответ на воздействие и внутримозговую переработку поступившего внешнего сигнала, отличающийся тем, что регистрируют электроэнцефалограмму (ЭЭГ), осуществляют фотостимуляцию чередованием двух сигналов разной частоты; в записи ЭЭГ выявляют след второго сигнала, в виде наличия сигнала, который по своим частотно-временным параметрам подобен второму сигналу во время повторной стимуляции головного мозга первым сигналом, и при времени появления следа второго сигнала после начала стимуляции первым сигналом, которое не превышает 800 мс, диагностируют норму, а более 800 мс - как нарушение функционального состояния головного мозга.