CC BY
19УДК 612.821.6
ОСОБЕННОСТИ ДЛИННОЛАТЕНТНЫХ КОМПОНЕНТОВ САМОТОСЕНСОРНЫХ ВП НА ПОДПОРОГОВУЮ РИТМИЧЕСКУЮ ЭЛЕКТРОКОЖНУЮ СТИМУЛЯЦИЮ ВО ВРЕМЯ ТРЕТЬЕЙ СТАДИИ ДНЕВНОГО СНА
© 2016 В.Б. Дорохов,1 Ю.В. Украинцева, 1 А.А. Полищук1, О.Н. Ткаченко, 1 В.В. Дементиенко2
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт высшей нервной деятельности
и нейрофизиологии РАН»
2Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН»
Ранее нами было показано улучшение качества сна путем подпороговой электрокожной ритмической стимуляции руки во время третьей стадии ночного сна человека [3]. Для повышения эффективности воздействия такой стимуляции на качество сна было проведено исследование возможности регистрации соматосенсорных вызванных потенциалов (СВП) на электрокожную стимуляцию с аналогичными параметрами. Показано наличие СВП и особенности конфигурации СВП при слабой подпороговой электрокожной ритмической стимуляция руки во время третьей стадии сна.
Ключевые слова: сон, подпороговая ритмическая электрокожная стимуляция, соматосенсорные вызванные потенциалы.
Введение. Ранее нами была разработана методика воздействия на качество сна путем низкочастотной подпороговой электрокожной стимуляции кисти руки во время глубокого дельта-сна человека, что вызывало улучшение качества сна и последующего психоэмоционального состояния человека [2]. Сходные результаты были получены и в работе [10] при низкочастотной ритмической аудиостимуляции во время сна.
В настоящее время показано, что основные когнитивные процессы могут функционировать и во сне [1, 4, 7, 10]. По существующим представлениям анализ информации от внешней среды на подсознательном уровне продолжается и во сне [7], так как существует необходимость непрерывной оценки биологической значимости раздражителей от внешней среды. Для исследования динамики информационных процессов в бодрствовании и во сне наиболее адекватным методом является анализ вызванных потенциалов (ВП), причем последовательные компоненты ВП отражают последовательные этапы обработки информации. Ранние (экзогенные) компоненты ВП определяются физическими характеристиками стимула, а поздние (эндогенные) компоненты ВП более вариабельны и связаны со значимостью приходящей информации и с изменением функционального состояния организма. Для глубоких стадий сна характерно появление очень поздних компонентов отличных от бодрствования, что объясняют замедлением процесса обработки информации [1, 4, 6, 10]. Для ВП в третьей стадии сна при предъявлении слуховых стимулов характерны поздние компоненты с латентностью в диапазоне 80-300 мс, негативный компонент с латентностью 350-550 мс и позитивный компонент с латентностью 900-1000 мс [1, 3, 6]. Причем показано, что слуховые ВП могут регистрироваться в третьей стадии сна даже на околопороговую громкость звуковых шелчков [5]. При соматосенсорной стимуляции во сне также наблюдались длиннолатентные ВП со сходным латентным периодом: позитивный комопонент с латентностью 200 мс, негативный ко-монент с латентностью 550 мс и позднее позитивное отклонение в районе 900 мс [6]. Как при аудио-, так и при соматосенсорной стимуляции такие поздние высокоамплитудные компоненты в бодрствовании и на начальных стадиях сна не наблюдаются. Предполагается, что появление высокоамплитудных поздних компонентов N550 и P900 в третьей стадии сна оп-
ределяется участием в генезе ВП нейрофизиологических механизмов К-комплекса и дельта-волн ЭЭГ, электрофизиологических паттернов, характерных для медленноволной стадии сна. [3, 6, 7]. Сравнение ВП на аудио и соматосенсорную стимуляцию в третьей стадии сна [3, 6] показало их различие в выраженности межполушарной асимметрии. В работе [3] при предъявлении звуковых щелчков в третьей стадии сна наблюдалась асимметрия поздних компонентов, слуховых ВП, однако в работе [7] при соматосенсорной вибростимуляции левой и правой рук, различий в поздних компонентах ВП межполушарной асимметрия не наблюдалось. В этой, более поздней работе [7], были предложены возможные объяснения этих различий, требующие дальнейшего анализа.
Целью исследования была оценка возможности регистрации поздних компонентов СВП на подпороговую электрокожную низкочастотную стимуляцию руки во время третьей стадии сна и анализ межполушарной асимметрии этих компонентов.
Материалы и методы. В исследовании приняли участие 18 человек (возраст 19-25 лет; 11 мужчин, 7 женщин). При наборе участников проводилось устное анкетирование с целью определить степень соответствия требованиям эксперимента. Перед началом опыта испытуемые были осведомлены о предмете и процедуре исследования и подтверждали свое добровольное участие подписанием Информированного согласия. Протоколы экспериментов одобрены этической комиссией ИВНД и НФ РАН.
Регистрация данных. Эксперименты начинались в послеобеденное время. Испытуемые спали в отдельной звукоизолированной комнате, оборудованной кушеткой и кондиционером. Для регистрации электрической активности использовали многоканальный компьютерный полиграф SAGURA, фирмы «MKE Medizintechnik GmbH» (Германия). Электроэнцефалограмму (ЭЭГ) регистрировали монополярно от 3 пар отведений F3, F4, C3, C4, O1, O2 (по международной системе 10-20), относительно усредненного потенциала от двух электродов, установленных на мастоидных костях черепа. Использовали фильтр высоких частот - 35 Гц, постоянная времени - 0,3 Гц, частота дискретизации ЭЭГ - 200 Гц. Стимулирующие электроды устанавливали в районе срединного нерва на правом предплечьи в 2-3 см от запястья. В эксперименте использовалась сила тока величиной 80 % от порога индивидуальной чувствительности, длительность импульса 50 мс, сила тока варьировала в диапазоне 20-600 мкА. Стимуляция осуществлялась с помощью программируемого электростимулятора, производства фирмы «НЕЙРОКОМ». Для регистрации ЭЭГ и стимуляции руки использовали позолоченные чашечковые электроды и электродную пасту фирмы Grass (США). После крепления электродов следовал дневной сон, продолжавшийся 1 час.
Процедура стимуляции. Экспериментатор сидя перед экраном монитора, визуально определял появление 3 стадии сна (согласно международным критериям AASM). Программное обеспечение полиграфа автоматически определяло количество дельта волн в 30 секундной эпохе - индекс дельта-ритма и высвечивало его значение на экране монитора. Когда значения этого индекса превышали 20 %, экспериментатор включал программу стимуляции, а при его значениях менее 20 %, выключал стимуляцию. Программа стимуляции подавала 30 секундные пачки из 30 импульсов с частотой 1 Гц с 30-секундной паузой между отдельными пачками. Каждый испытуемый в течение эксперимента получал не менее восьми пачек стимуляции (N = 240), в среднем - 25 пачек (N = 750), в зависимости от длительности 3 стадии сна.
Анализ данных. При анализе данных на предварительном этапе визуально определялись участки с артефактами, которые исключались из записи. Для анализа ВП использовали данные от 16 испытуемых. При анализе ВП проводили селективное усреднение ВП для всех 6
отведений ЭЭГ, отдельно суммировали ВП из начала и конца 30 секундной пачки из 30 стимулов: 1) от первых трех стимулов пачки и 2) для 3 стимулов из конца пачки. Вначале проводили суммацию ВП для этих отведений индивидуально у отдельных испытуемых, а затем проводили усреднение ВП для всех испытуемых (К = 16), путем усреднения ВП для отдельных испытуемых. При усреднении ВП для каждого отведения как для отдельных испытуемых, так и для всех испытуемых, для каждой точки ВП, соответствующей частоте дискретизации сигнала 200 Гц, получали средние значения и среднеквадратичное отклонение. При групповом усреднении для всех испытуемых, для усреднения использовали средние значения для индивидуальных испытуемых. После этого проводили статистический анализ различий между 3 парами ВП для симметричных отведений (Б3 и Б4; С3 и С4; 01 и 02) и для начала пачки - для первых трех стимулов на первые 3 стимула и на 3 последних стимула в серии из 30 стимулов (рис. 1). А также сравнивались ВП для каждого из 6 отведений ЭЭГ от первых трех стимулов из начала серии и 3 последних стимула в серии (рис. 2). Для определения достоверности различий использовали ^критерий Стьюдента. Это давало возможность определить временные интервалы, на которых ВП достоверно отличались. Эти два вида анализа проводили индивидуально для отдельных испытуемых и по группе - для всех испытуемых.
Программы анализа и графического представления данных были реализованы с помощью программ МайаЬ 7.12.
Рис. 1. Статистический анализ вызванных потенциалов, усредненных по группе испытуемых (К = 16) для трех пар симметричных отведений (Р3уб.Р4; С3уб.С4; 01уб.02). А - первые 3 стимула из начала пачки по 30 стимулов; Б - последние 3 стимула из конца пачки. Черная линия - левая сторона (Р3, С3, 01), серая линия - правая сторона (Б4, С4, 02). Для каждого усредненного ВП приведены три графика: средняя линия показывает средние значения, а линии сверху и внизу - среднеквадратичное отклонение в каждой точке. Под каждой парой ВП график достоверности различий по ^критерию Стьюдента, достоверные различия (р = 0,01) отклонения вверх. Ордината - значения в мкВ, негативность - вверх от нулевой линии, абсцисса - время в мс. 0 - момент электрокожной стимуляции
Результаты. В ответ на подпороговую электрокожную ритмическую стимуляцию предплечья руки во время медленноволновой стадии дневного сна были зарегистрированы сомато-сенсорные ВП (СВП). Анализ усредненных СВП у отдельных испытуемых на слабую подпороговую стимуляцию показал большую интериндивидуальную вариабельность формы СВП. Поэтому анализировались только результаты группового усреднения СВП для всех испытуемых, отдельно для первых 3-х стимулов из начала и отдельно для последних 3-х импульсов из тридцати стимулов 1 Гц пачки. Наиболее выраженные поздние компоненты СВП были зарегистрированы в левом полушарии мозга, контрлатеральном к стимулируемой правой руке. Следует отметить, что выраженность компонентов СВП уменьшалась от фронтального отведения ЭЭГ к затылочному. В контрлатеральном (правом) полушарии во фронтальном и центральном отведении (Б3 и С3) СВП имели достоверно большую амплитуду (рис. 1), чем в ипсилатераль-ном полушарии (Б4 и С4). Во фронтальном отведении Б3 можно выделить три последовательных длиннолатентных компонента: первый позитивный компонент с латентностью в диапазоне 100-200 мс, негативный компонент с латентностью 300-600 мсек и второй позитивный компонент в диапазоне 750-9000 мс. В центральном отведении С3 амплитуда этих компонентов уменьшалась, но они также хорошо различимы, причем следует отметить их большое сходство в обоих полушариях, по сравнению с фронтальным отведением Б3. В затылочном отведении 01 амплитуда компонентов СВП еще уменьшалась и сохранялся только первый позитивный компонент с латентностью в диапазоне 100-200 мс (рис. 1, 2).
А
Б
Рис. 2. Статистический анализ вызванных потенциалов, усредненных по группе испытуемых (К = 16) для 6 отведений ЭЭГ: Б3, Б4, С3, С4, 01, 02. Для каждого отведения приведены наложенные селективно усредненные ВП: 1) сплошная линия - первые 3 стимула из начала пачки по 30 стимулов; 2) штриховая линия - последние 3 стимула из конца пачки. Для каждой пары ВП указана точка отведения: Б3, Б4, С3, С4, 01, 02. Остальные обозначения как на рис. 1
Амплитуда СВП, усредненных для последних 3-х импульсов из конца пачки из тридцати стимулов для всех 6 отведений обоих полушарий была меньше, чем для первых трех СВП из начала пачки (рис. 1, 2). Причем форма СВП из конца пачки имела сходство с СВП из начала пачки, только для лобных отведений Б3 и Б4. Для центральных и затылочных компонентов форма этих СВП значительно изменялась, что хорошо видно на рис. 2, где приведены СВП для отдельных отведений, наложенных друг на друга из начала и конца пачки. На рис. 2 внизу под каждой парой СВП приведен график для значений достоверности различий средних значений для каждой точки. Хорошо видно, что амплитуда СВП на первые три стимула достоверно больше, чем на последние три стимула пачки. В лобных отведениях Б3 и Б4 СВП достоверно отличались на протяжении всех 1000 мс усреднения для обоих полушарий, а для С3 и С4 наибольшие достоверные различия наблюдались для первого позитивного компонента с латентностью в диапазоне 100-200 мс, для затылочных отведений 01, 02 различия были достоверны для первых двух компонент СВП в диапазоне 100-700 мс.
Следует отметить, что отклонения в диапазоне от 0 до 50 мс являются артефактами от электрической стимуляции нефизиологического происхождения.
Обсуждение. Значения латентных периодов трех поздних компонентов соматосенсорно-го ВП, в ответ на подпороговую электрокожную стимуляцию во время третьей стадии сна, имели такие же значения, как и при более сильной, надпороговой стимуляцией [7, 9]. Этот результат показывает, что даже при таком слабом электрокожном стимуле, информация о наличии этого стимула воспринимается и анализируется мозгом, и может оказывать влияние на его состояние. Известно, что параметры длиннолатентных компонентов ВП во время мед-ленноволнового сна имеют сходство с К-комплексом и дельта-волнами ЭЭГ регистрируемых во время этой стадии сна [3, 7]. Это дало возможность предполагать, что длиннолатентные компоненты ВП также имеют неспецифический характер и не зависят от характеристик стимула его вызвавшего [7]. Это предположение используется в работе [7] для объяснения результатов, полученных в этой работе, об отсутствии межполушарной асимметрии ВП вызываемых вибростимуляцией левой и правой рук. Однако в нашей работе при слабой подпоро-говой электрокожной стимуляции показана межполушарная асимметрия поздних компонентов ВП, причем с большей амплитудой компонентов на контралатеральной стороне, что согласуется с данными [3] о наличии межполушарной асимметрии ВП на аудиостимуляцию во время третьей стадии сна.
Также в нашем исследовании показано уменьшение амплитуды СВП от началу к концу пачки стимулов, что можно рассматривать как показатель процесса привыкания (габитуации) на ритмическую стимуляцию. Сходный результат о габитуации слуховых ВП в третъей стадии сна показан также и в работе [4, 10], с использованием надпороговых звуковых шелчков. В бодрствовании габитуацию ВП на ритмическую стимуляцию рассматривают как показатель угашения ориентировочного рефлекса, сопровождаемой потерей значимости повторяющихся раздражителей и относят к одной из форм неассоциативного обучения [4, 10].
Таким образом, наши данные подтверждают существующие представления о функционировании информационных процессов, которые и во сне обеспечивают мониторинг биологической значимости раздражителей от внешней среды. Наибольшая амплитуда компонента Р200 в лобной коре контрлатерального полушария указывает на то, что во сне именно эта область мозга связана с анализом информации, поступающей от окружающего мира. Уменьшение амплитуды поздних компонентов к концу пачки стимулов, можно трактовать как коррелят психофизиологических процессов снижения значимости электрокожной стимуляции от начала к концу пачки, то есть как угашение ориентировочного рефлекса.
Полученный результат показывает возможность и необходимость анализа ВП для контроля эффективности улучшения качества сна, вызываемого ритмической стимуляцией во сне [2, 10].
Выводы:
1. При подпороговой электрокожной пачечной ритмической (1ГЦ) стимуляции во время медленноволновой стадии дневного сна в соматосенсорных ВП, усредненных по группе испытуемых, можно выделить три длиннолатентных компонента: первый позитивный компонент в диапазоне 100-200 мс, негативный компонент в диапазоне 300-600 мс и второй позитивный компонент в диапазоне 750-9000 мс.
2. Показано наличие межполушарной асимметрии соматосенсорных ВП, их амплитуда была достоверно больше в полушарии, контрлатеральном к стороне стимуляции, причем эта разница была наиболее выражена во фронтальном отведении.
3. Сравнение СВП, усредненных из начала и конца пачки стимулов, показало достоверное уменьшение амплитуды всех компонентов СВП к концу пачки для всех шести отведений фронтальной, центральной и затылочной областей мозга, что можно рассматривать, как показатель габитуации СВП, обусловленной простейшей формой неассоциативного обучения -привыканием.
Работа выполнена при поддержке Российского гуманитарного научного фонда, проект № 15-06-10909а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Дорохов В.Б., Вербицкая Ю.С. Динамика компонентов слуховых длиннолатентных вызванных потенциалов на разных стадиях медленноволнового сна // Журн. высш. нервн. деят. - 2005. - № 1. - С. 29-38.
2 Индурский П.А., Маркелов В.В., Шахнарович В.М. и др. Низкочастотная электрокожная стимуляция кисти руки во время медленноволновой стадии ночного сна: физиологические и терапевтические эффекты // Физиология человека. - 2013. - № 6. - С. 91-105.
3 Armitage R., Bell I., Campbell K., Stelmack R. Asymmetrical auditory probe evoked potentials during REM and NREM sleep. // Sleep. - 1990. - № 13. - С. 69-78.
4 Campbell K.1., Michaud D.S., Keith S.E., Muller-Gass A., Wiebe S. Event-related potential measures of the disruptive effects of trains of auditory stimuli during waking and sleeping states // J Sleep Res. - 2005. - № 4. - С. 347-357.
5 Campbell K.1., Muller-Gass A. The extent of processing of near-hearing threshold stimuli during natural sleep // Sleep. - 2011. - № 9. - С. 1243-1249.
6 Cottone L.A1., Adamo D., Squires N.K. The effect of unilateral somatosensory stimulation on hemispheric asymmetries during slow wave sleep // Sleep. - 2004. - № 1. - С. 63-68.
7 Ibanez A.M., Martin R.S., Hurtado E., Lopez V. ERPs studies of cognitive processing during sleep // Int J Psychol. - 2009. - № 4. - С. 290-304.
8 Massimini M., Rosanova M., Mariotti M. EEG slow (1 Hz) waves are associated with nonstationarity of thalamocortical sensory processing in the sleeping human // J. Neurophysiol. - 2003. - № 3. - № 1205-1213.
9 Ngo H.V., Claussen J.C., Born J., Molle M. Induction of slow oscillations by rhythmic acoustic stimulation // J. Sleep Res. - 2013. - № 1. - С. 22-31.
10 Van Sweden B.1., van Dijk J.G., Caekebeke J.F. Auditory information processing in sleep: habituation to repetitive stimuli // Neuropsychobiology. - 1994. - № 3. - С. 143-147.
Рукопись получена: 24 ноября 2016 г. Принята к публикации: 30 ноября 2016 г.
