CC BY
133
Terra Humana
190 УДК 616.891+316 ББК 56.14+88.9
М.И. Лохов, Ю.А. Фесенко, Л.П. Чурилов
диагностика поведенческих расстройств и психических заболеваний детского возраста в начальной стадии на основе кросскоррЕляционного анализа электроэнцефалографии как метод предупреждения тяжелых социальных последствий
Приводятся данные по кросскорреляционному анализу компьютерной электроэнцефалографии детей 2-9 лет в норме и при различных психических расстройствах (аутизм, заикание, синдром дефицита внимания с гиперактивностью и др.). Используя методы графоаналитического кросскорреляционного анализа, авторы подтверждают факт нарушения межструктурного взаимодействия при указанных расстройствах по сравнению с нормой, особенно между лобными и теменно-затылочными отделами, а также между симметричными межполушарными отведениями коры головного мозга. Обсуждаются различные физиологические и патофизиологические аспекты обнаруженного взаимодействия, как в норме, так и при ранней диагностике пограничных психических расстройств.
Ключевые слова:
заикание, кросскорреляционный анализ, межполушарная асимметрия, минимальная дисфункция мозга, патологические системы, пограничные психические расстройства, синдром дефицита внимания с гиперактивностью, электроэнцефалография.
Ранняя диагностика и дифференцирование многочисленных поведенческих расстройств детского возраста, в т.ч. и мо-носимптоматических пограничных (ала-лия, заикание, дисграфия, синдром дефицита внимания с гиперактивностью -СДВГ, энурез, тики и др.), является одной из актуальнейших проблем современных медицины и педагогики.
Одним из главных сопутствующих признаков минимальной дисфункции мозга (МДМ) кроме речевой патологии и задержки психического развития является нарушение внимания и гиперактивность. Последнее привело к выделению СДВГ в отдельную нозологическую единицу в Диагностическом и статистическом руководстве по психическим заболеваниям Американской Ассоциации Психиатров 1994 г. ^М-Щ) и, позже, в МКБ-10, который и заменяет термин МДМ. Между тем, минимальная дисфункция мозга является основой не только для синдрома нарушения внимания, но и для тикозных расстройств, разнообразных нарушений речи (заикания, дислалий, алалий и др.), энуреза, а также формирования в подростковом возрасте патохарактерологического развития личности и различных форм зависимости.
Несмотря на быстрое развитие инструментальной базы объективных методов обследования, лишь немногие из них поз-
воляют изучать в реальном масштабе времени динамику протекания тех процессов взаимодействия между структурами головного мозга, нарушение которых, в конечном счете, и определяет возникновение того или иного психического расстройства. Этому требованию отвечает электроэнцефалография (ЭЭГ), используемая в клинической практике уже более 70 лет.
ЭЭГ - метод исследования электрической активности головного мозга, заключающийся в регистрации и изучении разности биопотенциалов. Кривая, представляющая собой запись колебаний биопотенциалов мозга, носит название электроэнцефалограммы и отражает динамику изменений функционального состояния отдельных участков мозга. Это самая доступная методика исследования работы головного мозга, широко применяющаяся для обследования больных десятки лет и позволяющая прямо отображать функционирование ЦНС. Последнее обстоятельство стало особенно заметным с применением компьютерной ЭЭГ, которая позволила широко использовать метод для исследования функциональных (или пограничных) расстройств ЦНС: невротических, психических, эмоциональных и когнитивных нарушений.
Применение корреляционного метода к анализу ЭЭГ было обосновано еще родоначальниками кибернетики Н. Винером и
А. Розенблютом в 30-40-х гг. [24]. При корреляционном анализе производится исследование изменений процесса во времени, что позволяет определить временные отношения двух или более процессов по их фазовому сдвигу или сдвигу максимума кросскорреляционной функции, а также количественно оценить степень связи или сходства процессов в разных точках (структурах) ЭЭГ. Кроме того, корреляционный (автокорреляционный) анализ позволяет оценить наличие или отсутствие в ЭЭГ периодического процесса, период ритмических колебаний и устойчивость обнаруженной периодики.
Кросскорреляционный анализ (Ккр) ЭЭГ дает принципиально новые возможности оценки процессов двух точек мозга -позволяет количественно оценить степень сходства процессов или их связи, выявить общие компоненты и их соотношение, а также временные отношения разных ритмов. Вычисление кросскорреляцион-ной функции позволяет ближе подойти к раскрытию механизмов и путей формирования функциональных связей между активностью разных отделов мозга.
Чтобы выяснить динамику и направленность взаимодействия между различными структурами головного мозга, необходимо рассмотреть объективные данные по развитию этой функции в онтогенезе мозга ребенка. Исследовать динамику взаимоотношений между структурами мозга возможно посредством анализа ЭЭГ, методами позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), или используя совокупность перечисленных методов. Наиболее широко до настоящего времени использовался корреляционный анализ ЭЭГ, однако, исследований, посвященных изучению взаимодействия структур в онтогенезе, очень мало [4-6; 17-19]. Основное внимание мы уделим рассмотрению взаимодействия лобных, височных и нижнетеменных областей коры головного мозга, как структурам, непосредственно причастным к развитию памяти, внимания и речи [12], нарушение которых в явном виде наблюдается при развитии разнообразных психических расстройств у ребенка [7].
В медицинской научной литературе кросскорреляционный анализ ЭЭГ характеризуется «как отражение одной из сторон функциональных связей, устанавливающихся между областями коры» [14, с. 71]. При анализе кросскоррелограмм разных пар отведений ЭЭГ используется ряд показателей: диапазон частоты доми-
Рис. 1 Изобретатель ЭЭГ Ханс Бергер (1873-1941)
нирующего ритма, в котором проводится анализ; выраженность периодических составляющих; временной сдвиг максимума кросскорреляционной функции в сторону от нуля; максимальная величина коэффициента кросскорреляции и др.
Пример используемого нами компьютерного Ккр ЭЭГ приведен на рис. 2.
Множество точек, представленных на графиках, соответствует зонам регистрации ЭЭГ. Множество стрелок (графов) - отражает направленность и величину корреляций (толстая стрелка - коэффициент корреляции больше 0,5; тонкая - 0,3-0,5). Проекции графов отражают динамику перемещения фокусов максимальной активности и фокусов сопряженно-угнетенных зон коры головного мозга. В терминах теории графов эти две зоны обозначаются соответственно как точки «истока» и «стока». Например, на рис. 2 точка 8, соответствующая теменно-затылочной зоне коры правого полушария головного мозга, является преимущественно точкой «истока». В таблицах на рис. 2 приведены результаты анализа ЭЭГ, по которым построены графики. Приведены частотный диапазон, для которого выполнены расчеты, продолжительность отрезка ЭЭГ - эпоха анализа, в течение которого выполнялись расчеты, и текущее время от начала записи ЭЭГ.
Существует бесконечное множество выбора анализа возможных взаимодействий. Нами в процессе собственных экспериментов и изучения литературных данных, в качестве так называемого «фокуса взаимодействия» выбрана теменно-затылочная область правого полушария головного мозга, в которой, по результатам многочис-
Общество
Terra Humana
ленных исследований (см. ниже), происходит первичный анализ параметров всех поступивших в головной мозг сигналов. Кроме того, анализировались взаимодействия между симметричными отведениями полушарий головного мозга, которые стандартно используются в международной практике
[13].
Как видно из приведенного выше рисунка, уже с двухлетнего возраста у практически здорового ребенка теменно-затылочная область правого полушария является
центром истоков, т.е. большинство стрелок графов исходят из нее в другие структуры мозга. Тем самым наглядно подтверждаются косвенные
данные других исследователей о том, что эта область является зоной первичной обработки информации [12]. Кроме того, как приведенные, так и многочисленные другие, полученные нами данные, подтверждают результаты фундаментальных исследований Т.П. Хризман
о становлении корреляционных связей в головном мозге здоровых детей с месячного возраста до 4-5 лет [18].
Необходимо отметить, что хотя анализ ЭЭГ регистрирует взаимодействия между различными участками коры головного мозга, это отнюдь не означает наличие только прямых связей между этими участками (т.е. непосредственно в пределах коры головного мозга) [12]. Об этом говорит время взаимодействия, приведенное в таблице анализа на рис. 2. Понятно, что чем больше время взаимодействия, тем более протяженными являются пути последнего, т.е. тем вероятнее, что оно опосредствуется через подкорковые структуры мозга.
А.В., 2 года
09-04-2007
Рис. 2. Анализ кросскорреляционных отношений у здорового ребенка A.B., 2 г.
Считается, что нижнетеменные области левого и особенно правого полушарий являются одним из высших ассоциативных и сенсорных центров коры, обеспечивающих анализ сигналов от разных центров мозга и последующий их синтез [2; 8; 9; 10; 12; 15-17]. Показано [18; 19], что развитие функций нижнетеменных областей мозга в онтогенезе происходит в тесной взаимосвязи с развитием зрительной и слуховой сенсорных систем. Ритмическая активность нижнетеменной области каждого из полушарий задается ритмической активностью зрительной системы, т.к. на всех этапах онтогенеза ритмы затылочных областей, согласно результатам анализа ЭЭГ,
опережают колебания теменной области. Такая же закономерность наблюдается у здорового взрослого человека [6; 14].
Из полученных Т.П. Хризман [18; 19] данных по результатам кросскорреляци-онного анализа следует, что увеличение межполушарных связей нижнетеменных областей левого и правого полушарий имеет два пика: в конце первого года жизни и между 4-5 годами. Если вспомнить о стадиях развития интеллекта ребенка по Ж. Пиаже [11], то первый из указанных сроков совпадает со стадией начала практического интеллекта, а второй - с началом интуитивного мышления, опирающегося на восприятие и главным образом на фрагменты результатов этого восприятия, хранящиеся в долгосрочной памяти. Таким образом, увеличение возможностей мозга за счет использования механизмов записи и хранения информации в каждом из полушарий приводит к новым качественным скачкам в развитии интеллекта, которое отражается увеличением межструктур-ных связей в коре головного мозга ребенка. Сравнение этих данных с речевым онтогенезом позволяет также заметить, что указанные периоды как раз совпадают с важными этапами в речевом развитии. К концу первого года жизни появляются первые слова, а к 4 годам - закрепляется развитие фразовой речи. Другие результаты проведенных выше исследований, связанные с анализом вербальных сигналов, позволяют сделать вывод о том, что в раннем детском возрасте правое полушарие принимает самое активное участие в анализе знакомого ребенку вербального сигнала. Данный факт подтверждают нейропсихологические исследования А.Р. Лурия и Э.Г. Симерницкой, которые показали, что характерной особенностью детской речи является большая опора на структуры правого полушария. Указанное
Рис. 3. Кросскорреляционные отношения между различными зонами коры головного мозга в норме по результатам анализа 102-х практически здоровых детей в возрасте 2-8 лет.
явление авторы связывают с постепенным (в течение онтогенеза) переходом от непосредственного образного, к опосредствованному знаково-логическому способу мышления [10; 15].
Результаты кросскорреляционного анализа ЭЭГ здоровых взрослых представлены в большом числе исследований [13; 2123]. В основном эти данные соответствуют данным для детей 6-7 лет и старше.
В качестве более четкой иллюстрации сказанному, приводим на рис. 3 собственные усредненные данные по кросскорре-ляционному компьютерному анализу ЭЭГ 102-х практически здоровых детей в возрасте 2-8 лет [4-7]. Как видно из рассмотрения приведенного рисунка, уже с двухлетнего возраста у практически здорового ребенка теменно-затылочная область правого полушария является центром истоков, т.е. большинство стрелок графов исходят из нее в другие структуры мозга. Тем самым наглядно подтверждаются косвенные данные других исследователей о том, что эта область является зоной первичной обработки информации. Кроме того, как приведенные, так и многочисленные другие, полученные нами данные, подтверждают результаты капитальных исследований Т.П. Хризман о становлении корреляционных связей в головном мозге здоровых детей с месячного возраста до 4-5 лет [18].
Информация об образовании и укреплении таких связей в развивающемся головном мозге ребенка имеет колоссальное значение. Не секрет, что большинство психических и неврологических патологий закладывается в детском возрасте. Часть из них тесно связана с хромосомным аппаратом или полигенной наследственностью (синдром Дауна, шизофрения, маниакально-депрессивный психоз и т.п.), и здесь пока медицина немногое может сделать. Другая часть связана с наследственностью менее жестко, и на развитие таких заболеваний большое влияние оказывают пороговые факторы внешней среды [1]. К таким заболеваниям относятся так называемые пограничные психические расстройства, в том числе и психические расстройства детского возраста. Симптомы таких заболеваний связаны, в частности, и с неравномерным созреванием тех или иных структур головного мозга. Любое отклонение от представленной выше статистической картины нормальных межструктурных взаимодействий может рассматриваться как причина выявленной или латентной
Общество
Terra Humana
Эпоха 8сек 00:01:08 0
Эпоха 8сек 00:01:10.0
Эпоха 8сек 00:01:24.0
Состояние пациента
Функциональные нагрузки
Фильтр 1 6-ЗОГц
1 охя всем
00 01 00 о
12Гц
Рис. 4. Фокусный кросскорреляционный анализ ЭЭГ больной аутизмом Е.У., 2 г. 8 м.
патологии в развитии головного мозга ребенка. Именно на отклонении развития указанных связей в картине ЭЭГ основана используемая нами ранняя диагностика психических заболеваний у детей.
В качестве примера рассмотрим анализ ЭЭГ ребенка с диагнозом «аутизм», не отягощенного патологической наследственностью, которого мы наблюдаем более 5 лет. Неоднозначность диагностических критериев значительно затрудняет тонкую диагностику по кросскорреляционному анализу ЭЭГ, которая в этом случае может иметь важное значение. Из наших исследований (20 пациентов) можно сделать заключение, что под диагнозом «аутизм»
скрываются весьма разные клинические случаи, от элементарной алалии, связанной с временной задержкой речевого развития ребенка, до проявления сложного психического заболевания, связанного, по-видимому, с генетической наследственностью.
На рис. 4 приведен кросскорреляционный анализ ЭЭГ больной В.У (2 года 8 мес.) с диагнозом «аутизм». До 2-х лет ребенок развивался нормально. Регресс речевого развития и поведения наблюдается после комбинированной прививки, сделанной в 2 года и 2 месяца. Речь от стадии элементарной фразовой регрессировала до элементов первичного гуления. В поведении
Рис. 5. Фокусный кросскорреляционный анализ ЭЭГ больной аутизмом В.У., в 6 лет.
преобладает компонент страха, желание спрятаться от всех, в том числе ближайших родственников.
Непосредственный первичный анализ записи ЭЭГ позволяет классифицировать ее, как «легкие нарушения регуляторного характера в пределах допустимых вариантов возрастной нормы». Кросскорреля-ционный анализ показал значительное обеднение межструктурных связей, как фокусных, так и межполушарных. Однако здесь имеется ряд существенных отличий от, скажем, ЭЭГ ребенка с синдромом Дауна. Во-первых, динамика анализа не так устойчиво однообразна: встречаются фокусные фрагменты с практически
полными и даже иногда нормальными межструктурными связями, что никогда не наблюдалось при синдроме Дауна. Кроме того, межполушарные связи в среднем представлены более полно.
Дополнительный анализ «нормальных» фрагментов с учетом времени взаимодействия показал значительные величины этого параметра (более 200 мс), что говорит о нарушении межкоркового взаимодействия между структурами и попытками мозга восстановить это взаимодействие по резервным обходным путям через подкорковые образования головного мозга. Такая картина характерна и для некоторых других больных детей с диагнозом «аутизм».
Общество
Terra Humana
Кросскорреляционный анализ ЭЭГ (рис. 5) той же больной спустя 4 года, в процессе ее усиленного лечения, показал увеличение числа «нормальных» фрагментов межструктурного взаимодействия (до 20 % от общего числа, по сравнению с 5 % в первом случае). При этом связная речь по-прежнему отсутствовала (появились только отдельные слова), а поведение улучшилось частично (восстановился контакт с ближними родственниками). Отсутствие развитой речи после двух лет часто вызывает беспокойство заботливых родителей, и служит поводом для тщательного неврологического обследования ребенка.
Усредненные результаты кросскорре-ляционного анализа ЭЭГ более 100 детей в возрасте от 4-х до 6 лет, страдающих тяжелыми формами тоно-клонического и тонического типов заикания, являющимся одним из самых ярких по проявлению видом пограничных психических расстройств, приведены на рис. 6, а данные для такого же количества больных в возрасте от 8 лет и старше с аналогичным диагнозом - на рис. 7.
Как видно из приведенных данных, характер нарушения взаимодействий между структурами по сравнению с приведенной на рис. 3 нормой существенно зависит от возраста больных. В раннем возрасте наблюдается резкое уменьшение общего количества межструктурных связей, что является характерным для задержки развития мозга вообще, а не только при заикании.
В более позднем возрасте, когда заикание начинает осознаваться ребенком как социальные дефект и перерастает в лого-невроз, восстановление межструктурных связей в ходе развития мозга происходит в извращенном (обратном) порядке. В результате теменно-затылочная зона правого полушария из генетически запрограммированного центра истока, превращается в центр стока, т.е. затормаживается, со всеми вытекающими для речевых нарушений последствиями. Тормозится первичный анализ и синтез сенсорных, в том числе речевых, сигналов, вследствие чего перегружаются исполнительные речевые области левого полушария и возникают речевые задержки. Ослабляются тормозные влияния на лобные области левого полушария, в результате чего возникает эмоциональное напряжение, что в свою очередь усиливает речевые судороги и в конечном итоге приводит к полному торможению всего речевого процесса.
Рис. 6. Кросскорреляционные отношения между различными зонами коры головного мозга по результатам анализа 102-х больных детей в возрасте 4-6 лет с тяжелыми формами тоно-клонического и тонического заикания.
Рис. 7. Кросскорреляционные отношения между различными зонами коры головного мозга по результатам анализа 102-х больных с тяжелыми формами тоно-клонического и тонического заикания в возрасте от 8 лет и старше (до 18 лет).
Согласно теории патологической системы Г.Н. Крыжановского, в начале развития нарушения высшей нервной деятельности патологическая детерминанта может преодолевать нормальные регуляторные связи межструктурных взаимодействий ЦНС и навязывать объединение этих структур в патологическую систему. Новая патодинамическая организация, возникающая таким путем, со временем претерпевает самоупрочение и становится все более резистентной к коррекции, работая по жестко-программному принципу [3].
Таким образом, лишь раннее распознание патологических межструктурных взаимодействий способно дать перспективу прерывания формирования таких патологических систем. Этой цели и служит ЭЭГ, позволяющая исследовать патоинформатику формирующейся болезни [20]. Ком-
пьютерный кросскорреляционный анализ ЭЭГ в раннем детском возрасте может служить надежным объективным методом диагностики развивающихся психических расстройств в начальной стадии, либо верифицировать их отсутствие, что позволяет рекомендовать его для широкого использования в первичных диспансерных учреждениях. Все такие пункты должны быть обеспечены компьютерными электроэнцефалографами (с соответствующим программным обеспечением) и медицинским персоналом, обученным работе на таких приборах.
Все пограничные психические расстройства в детском возрасте можно охарактеризовать как своеобразную задерж-
ку созревания взаимоотношений между анализаторными зонами коры и другими структурами головного мозга. Нарушение этих взаимодействий тормозит нормальное развитие связей, с чем и связано возникновение различных расстройств поведения или запаздывание развития тех или иных функций мозга (речи, внимания, опосредствованного запоминания и т.п.). Учитывая это, можно сделать заключение: восстановление нормального взаимодействия между структурами головного мозга служит одним из самых ранних и надежных способов профилактики различных форм зависимости и антисоциального поведения у детей и подростков.
Список литературы:
1. Кити С. Заболевания человеческого мозга / Мозг (пер. с англ. под ред. П.В. Симонова). - М.: Мир, 1984. - С. 241-255.
2. Костандов Э.А. Функциональная асимметрия полушарий мозга и неосознаваемое восприятие. - М.: Наука, 1983. - 171 с.
3. Крыжановский Г.Н. Патологические интеграции в центральной нервной системе / Мозг (под ред. В.И. Покровского). - М.: Медицина, 2003. - С. 13-52.
4. Лохов М.И., Вартанян Г.А. Заикание: новые подходы к лечению // Журн. невропат. и психиатр. Т. 89. - 1989, Вып. 3. - С. 68-73.
5. Лохов М.И. Психофизиологические механизмы коррекции речи при заикании. - СПб.: Наука, 1994. -190 с.
6. Лохов М.И., Фесенко Ю.А. Заикание и логоневроз. Диагностика и лечение. - СПб.: СОТИС, 2000. -288 с.
7. Лохов М.И., Фесенко Ю.А., Щугорева Л.М. Заикание: неврология или логопедия? - СПб.: ЭлБи-СПб, 2005. - 600 с.
8. Лурия А.Р. Высшие корковые функции человека. - М.: Педагогика, 1969. - 356 с.
9. Лурия А.Р. Язык и сознание. - Ростов н/Д.: Феникс, 1998. - 416 с.
10. Лурия А.Р., Симерницкая Э.Г. О функциональном взаимодействии полушарий головного мозга в организации вербально-мнестических функций // Физиол. человека. Т.1. - 1975. - № 3. - С. 25-31.
11. Пиаже Ж. Речь и мышление ребенка / пер. с фр. - М.: Педагогика-Пресс, 1994. - 528 с.
12.Прибрам К. Языки мозга / пер. с англ. - М.: Прогресс, 1975. - 464 с.
13. Русинов В.С., Гриндель О.М., Болдырева Г.Н. и др. Биопотенциалы мозга человека. - М.: Медицина, 1987. - 256 с.
14. Русинов В.С., Гриндель О.М., Болдырева Г.Н. и др. Оценка функционального состояния здорового человека и больных с очаговыми поражениями мозга по параметрам спектрально-корреляционного анализа ЭЭГ на ЭВМ / Диагностика и прогнозирование функционального состояния мозга человека. - М.: Наука, 1988. - С. 51-124.
15. Симерницкая Э.Г. Мозг человека и психические процессы в онтогенезе. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - 190 с.
16.Смирнов В.М., Резникова Т.Н. Структурно-функциональная организация головного мозга / Механизмы деятельности мозга человека. - Л.: Наука, 1988. - С. 71-150.
17. Фарбер Д.А., Дубровинская Н.В. Формирование психофизиологических функций в онтогенезе / Механизмы деятельности мозга человека. - Л.: Наука, 1988. - С. 426-454.
18.Хризман Т.П. Развитие функций мозга ребенка. - Л., Наука, 1978. - 143 с.
19. Хризман Т.П. Функциональное развитие ассоциативных отделов неокортекса: механизмы эмоций и речи ребенка / Автореф. дис. ...докт. мед. наук. - Л., 1989. - 40 с.
20.Чурилов Л.П. О системном подходе в общей патологии: необходимость и принципы патоинформатики // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 11. - 2009, вып. 3. - С. 3-23.
21. Шеповальников А.Н. Пространственно-фазовая структура биопотенциалов мозга и функциональное состояние человека // Усп. физиол. наук. Т.18. - 1987. - С. 363-370.
22.Шеповальников А.Н. и соавт. Функциональная асимметрия мозга при нарушениях речевого и слухового развития. - М.: Наука, 1992. - 260 с.
23.Brazier M., King L., Carpenter R. Autocorrelation and crosscorrelation studies of the EEG in man // EEG & din. Neurophysiol. Vol.11. - 1959, № 1. - P.185-190.
24.Wiener N., Rosenbluth A. The mathematical formulation of the problem of conduction of impulses in a network of connected excitable elements, specifically in cardiac muscle // Arch. Inst. Cardiol. Mex. v.16. - 1946. -P. 205-265.
Общество
