CC BY
167. Applying an efficient evolutionary algorithm for EEG signal feature selection and classification in decision-based systems Sajjad Afra-khteh, Mohammad Reza Mosavi, in Energy Efficiency of Medical Devices and Healthcare Applications, 2020
УДК 612.821
А. О. Канцерова1, Л. Б. Окнина1, Машеров Е. Л.2, Подлепич В. В.2, Вологдина Я. О.2, Ланге А. М.3, Зибер И. А.4, Пицхелаури Д. И.2
1 ФГБУН Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, Россия.
2 ФГАУ "Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии имени академика Н. Н. Бурденко" Минздрава России, Москва, Россия.
3 АНОО ВО "Сколковский институт науки и технологий", Москва, Россия.
4 ФГАОУ ВО "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики"", Москва, Россия.
Kantserova A. O.1; Oknina L. B.1; Masherov E. L.2; Podlepich V. V.2;
Vologdina Y. O.2; Lange A. M.3; Inna Sieber4; Pitskhelauri D. I.2
1 Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RAS, Moscow, Russia
2 National Medical Research Center of Neurosurgery named after Academician N. N. Burdenko, Ministry of Health, Moscow, Russia
3 Skolkovo Institute of Science and Technology, Moscow, Russia
4 National Research University Higher School of Economics, Moscow, Russia
E-mail: anna.kantserova@gmail.com
ПОТЕНЦИАЛЫ СРЕДНЕГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА, ВЫЗВАННЫЕ РАЗЛИЧНЫМИ ЗВУКОВЫМИ СТИМУЛАМИ: АНАЛИЗ КЛИНИЧЕСКИХ СЛУЧАЕВ
POTENTIALS OF HUMAN MIDBRAIN CAUSED BY VARIOUS SOUND STIMULI: ANALYSIS OF CLINICAL CASES
DOI
Аннотация: Настоящая работа представляет собой анализ потенциалов ствола головного мозга человека, регистрируемых в ответ
на простые и составные тоны, а также лексические стимулы. Активность среднего мозга регистрировалась во время интраоперацион-ного мониторинга. Регистрирующие электроды временно устанавливались в водопровод мозга. Было выявлено два типа паттернов электрофизиологической активности: комплекс из двух коротколатентных пиков, появляющийся в начале звука и при изменении частоты тона, а также высокоамплитудный пик, появляющийся после окончания звучания стимула. Комплекс из двух коротколатентных пиков предположительно отражает проведение сигнала по слуховым волокнам среднего мозга, а высокоамплитудный пик может быть связан с обработкой полученного слуховыми структурами ствола мозга сигнала.
Ключевые слова: человек; средний мозг; вызванные потенциалы; простой тон; слог
Abstract: The current study represents an analysis of the human brainstem potentials evoked to simple and compound tones, as well as lexical stimuli. Deep biopotentials were recorded together with the intraoperational monitoring of the functional safety of the structures of the midbrain. For this purpose, a macroelectrode was temporarily installed directly into the cerebral aqueduct. Two types of electrophysiological activity patterns were detected on the recordings of evoked potentials: a complex of two short-latency peaks and a highamplitude peak that appears after the end of sound stimulus. The complex of two short-latency peaks presumably reflects the signal conduction along the auditory fibers of the midbrain, and the high-amplitude peak may be associated with the processing of the signal received by the auditory structures of the brainstem.
Keywords: human, midbrain, evoked potentials, pure tone, lexical stumuli
Подкорковые сенсорные структуры ранее рассматривались только как нервный путь от периферии к коре головного мозга [1]. Однако сейчас уже обсуждается способность обрабатывать информацию на каждом этапе восходящего слухового пути [2].
Первые попытки получить и оценить нейронную реакцию ствола головного мозга человека в ответ на слуховые стимулы были предприняты 50 лет назад [3]. Акустические стволовые вызванные потенциалы (АСВП), регистрируемые с кожи головы в ответ на щелчки, использовались в клинике для неинвазивной оценки активности слуховых структур ствола головного мозга человека. В последние несколько десятилетий шум и тона, сложные синтезированные звуки, звуки речи и слоги были предложены в качестве стимулов для изучения того, как ствол мозга обрабатывает временные и частотные особенности звука. Тем не менее, записи стволовых потенциалов со скальпа имеют значительные недостатки. Для их измерения обычно используют многочисленные повторения
идентичных коротких звуковых стимулов, из-за которых теряется внимание и возникает нейронная адаптация [4]. Более того, предположение, что сигнал, зарегистрированный на скальпе, генерируется в стволе головного мозга, не имеет строгих эмпирических доказательств [5].
Глубинные электроды решили бы большинство этих проблем, но до сих пор нет исследований такого рода. Запись потенциалов из глубинных структур мозга человека возможна только в особых случаях, а единственным способом регистрации активности ствола головного мозга человека без влияния активности коры больших полушарий является запись глубинных потенциалов во время нейрохирургической операции у пациентов, находящихся в состоянии анестезии. Этот вид записи может выполняться во время интраопе-рационного мониторинга (ИОМ), проводимого с целью контроля функциональной безопасности структур, расположенных в непосредственной близости от зоны хирургического вмешательства.
Настоящая работа представляет собой анализ потенциалов ствола головного мозга человека, регистрируемых в ответ на простые тоны, последовательности простых тонов, а также лексические стимулы — отдельные слоги. Регистрация выполнена в рамках ИОМ. Регистрацию проводили с помощью макроэлектрода, который временно устанавливался в водопровод мозга.
Методика: Исследуемая группа состояла из 6 взрослых пациентов с опухолью четвертого желудочка или задней части третьего желудочка. Перед операцией пациенты подписывали письменное информированное согласие на проведение расширенного ИОМ, включающего данную регистрацию. Исследование проводилось во время операции, когда пациенты находились в состоянии анестезии.
Глубинный электрод состоял из трех металлических кольцевых контактов шириной 3 мм, закреплённых на пластиковой трубке. Контакты были прикреплены к дистальному концу провода на расстоянии 6,5 мм друг от друга. Два наиболее дистальных контакта были записывающими, а проксимальный — референтным. Заземляющий электрод располагался в проекции левого плечевого сустава.
В качестве стимулов использовались:
1. простые синусоидальные тоны частотой 600, 800, 1000, 2000, 4000 Гц и длительностью 100 мс;
2. последовательности простых синусоидальных тонов, состоящих из участков частотой 600, 800, 1000, 2000, 4000 Гц и встречающиеся в случайной последовательности, длительностью 350 мс;
3. лексические стимулы (слоги и гласные звуки) длительностью от 380 до 455 мс.
Все стимулы были представлены в псевдослучайном порядке, с одинаковой вероятностью появления. Для точной синхронизации звуковых колебаний стимула с электрическими реакциями мозга на электроэнцефалографе был выведен отдельный канал записи, регистрирующий электрические колебания аудиосигнала.
После визуальной оценки качества сигнала биопотенциалы подвергались фильтрации 2—500 Гц. Для наиболее точного нахождения начала стимулов, был разработан специальный алгоритм, который использовал записи аудиоканала регистратора. Вызванные потенциалы (ВП) были получены путем усреднения 25 маркеров начала стимула. Полученный ВП включал предстимульный интервал 100 мс и 600 мс после начала звучания стимула. В качестве контроля были рассчитаны псевдо-ВП. Для этого были выбраны участки записи без звуковых стимулов, и случайным образом размещены 25 маркеров, относительно которых проводилось усреднение. Потенциалы мозга были проанализированы с помощью MATLAB (R2015b, Math Works, США) Brainstorm toolbox.
Результаты: Анализ ВП ствола мозга человека, вызванных в ответ на простые тоны выявил наличие одного комплекса ко-ротколатентных пиков на восходящем фронте тонов частотой 600, 800, 1000 Гц (рис 1 А) и двух комплексов коротколатентных пиков на восходящем фронте тонов частотой 2000 и 4000 Гц (рис 1 Б). В последовательностях на каждую смену тона приходилось по одному комплексу коротколатентных пиков (рис 1 В). Медиана латентностей этих комплексов составляла от 7,6 мс (IQR=1,2 мс) от начала тона. Такие же комплексы коротколатентных пиков появлялись после начала гласных звуков и в слогах, а затем повторялись на протяжении всего звучания (рис 1 Г). Описанные данные говорят в пользу того, что комплекс из двух коротколатентных пиков отражает проведение сигнала по слуховым волокнам среднего мозга.
После окончания звучания всех рассматриваемых звуковых стимулов следовал высокоамплитудный пик, имеющий медианную латентность для простых тонов 33,3 мс от окончания стимула (IQR=5,5 мс) (рис 1 А, Б), а для последовательностей — 27 мс (IQR=15,4 мс) от окончания стимула (рис 1 В). На ВП, записанных на слоги, высокоамплитудный длиннолатентный пик следовал сразу после последнего комплекса коротколатентных пиков, что позво-
ляет предположить, что данный пик связан с обработкой полученного слуховыми структурами ствола мозга сигнала (рис 1 Г).
Рис 1. Вызванные потенциалы с глубинного электрода, записанные в ответ на простые тоны (А-600 Гц, Б — 4000 Гц), составной тон (В) и лексический стимул (Г — гласная "О"). Отрезки над графиками обозначают длительность звучания звукового стимула, а пунктирные вертикальные линии — смену частоты тона в последовательности.
Заключение: ВП, зарегистрированные от ствола головного мозга человека в ответ на простые тоны, последовательности тонов, слоги и гласные звуки включают два типа паттернов электрофизиологической активности: комплекс из двух коротколатентных пиков и высокоамплитудный пик, появляющийся после окончания звучания стимулов. Комплекс из двух коротколатентных пиков предположительно отражает проведение сигнала по слуховым волокнам среднего мозга, а высокоамплитудный пик может быть связан с обработкой полученного слуховыми структурами ствола мозга сигнала.
Список литературы:
1. Walzl E. M. Representation of the cochlea in the cerebral cortex//Laryngoscope. 1947. № 12 (57). С. 778—787. DOI:10.1288/00005537—194712000—00003.
2. Shen L., Zhao L., Hong B. Frequency-specific adaptation and its underlying circuit model in the auditory midbrain//Frontiers in Neural Circuits. 2015. № OCT (9). DOI:10.3389/fncir.2015.00055.
3. Jewett D. L., Williston J. S. Auditory-evoked far fields averaged from the scalp of humans//Brain. 1971. № 4 (94). C. 681—696. D01:10.1093/brain/94.4.681.
4. Forte A. E., Etard O., Reichenbach T. The human auditory brainstem response to running speech reveals a subcortical mechanism for selective attention//eLife. 2017. (6). D0I:10.7554/eLife.27203.
5. Chandrasekaran B., Kraus N. The scalp-recorded brainstem response to speech: Neural origins and plasticity//Psychophysiology. 2010. № 2 (47). C. 236—246. D0I:10.1111/j.1469—8986.2009.00928.x.
УДК 612.821
Катермин Н. С., Гуляева А. С., Каримова Е. Д.
ФГБУН Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, Россия
Katermin N. S., Gulyaeva A. S., Karimova E. D.
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RAS, Moscow, Russia E-mail: e. d.karimova@gmail.com
ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИЙ МЮ-РИТМА ЗДОРОВЫХ ЖЕНЩИН ПРИ НАБЛЮДЕНИИ И ВЫПОЛНЕНИИ МОТОРНЫХ ЖЕСТОВ
FEATURES OF THE MU-RHYTHM REACTIONS OF HEALTHY WOMEN WHEN OBSERVING AND PERFORMING MOTOR
GESTURES
DOI
Аннотация: Социальное поведение человека тесно взаимосвязано с активацией зеркальной системы мозга (ЗСМ). Исследование направлено на выявление факторов, влияющих на уровень активации ЗСМ у здоровых взрослых женщин при наблюдении и повторении моторных действий и социальных жестов. Использовали регистрацию ЭЭГ во время функциональных проб и психологические шкалы.
