Миллисекундная синхронизация экстремумов ЭКоГ, ак свидетельство смысловых квантов ЭЭГ

Чебкасов С.А, Ефимов В.Н., Ласков В.Н,Иванова Е.А.
НИИНК РГУ, Ростов-на- Дону, Россия
Вопытах на 7 морских свинках, обездвиженных тубокурарином, показано, чтомиллисекундное (2мс интервал) совпадение экстремумов ЭКоГ в различныхотведениях есть закономерное и регулярное явление для бодрствующего мозга.
Полученныерезультаты согласуются с концепцией дискретно-волнового механизма нервнойинтеграции и ее приложением к ЭЭГ. Эта концепция содержит представление обиерархии смысловых квантов ЭЭГ, по которому квазиритмические колебания — «волны» ЭЭГ есть ее энергетический компонент или же колебаниявозбудимости, тогда как информационным компонентом ЭЭГ являются дискретные«пики» (экстремумы), отображающие апериодические эпизоды формированиямиллисекундных интегративных нейронных макроансамблей в коре мозга. В частностипоказано, что кроме периодических эпизодов миллисекундной синхронизацииэкстремумов ЭкоГ (ЭМС), которые могут быть разделены интервалами,соответствующими гамма, бета, сигма, альфа, дельта диапазонам ЭЭГ, ее«волнам», регулярно имеет место апериодическое следование ЭМС.Визуальное отслеживание записей ЭКоГ с должной временной разверткой показаломиллисекундную синхронизацию именно «пиков», экстремумов ЭКоГ, но неее «волн» — например, гамма осцилляций.
Показано,в соответствие с нашим концептуальным походом, что позитивных ЭМС,рассматриваемых по аналогии с волнами первичного ответа как тормозные,обнаруживается больше, чем негативных — возбудительных.
Показано,что внутрианализаторные взаимодействия реализуются достоверно большим числом ЭМС,чем внеанализаторные. Это соответствует нашему представлению об иерархиисмысловых квантов ЭЭГ.
Проанализированыближайшие проблемы исследования смысловых квантов ЭЭГ как метода адекватногошкалирования ЭЭГ с учетом нелинейности биологического времени.
Введение
Теоретическии на базе косвенных экспериментальных свидетельств была обоснована идея [4-14],что в ЭЭГ отображается иерархия циклически повторяющихся квантовфункционирования полярных нервных модулей разного уровня сложности, которыеобразуют вложенную иерархию и вместе представляют собою мозг.
Интегрированноефункционирование модулей порождает все более объемные временные функциональныеансамбли, что отображается в поэтапной миллисекундной синхронизации нейронныхспайков. Такими временными макроансамблями нейронов кодируются все болеесложные акты деятельности мозга.
Каждыйвременной макроансамбль служит для кодирования результатов нервной интеграции(на том или ином уровне), достигаемых в результате акта (той или инойсложности) функционирования соответствующей нервной структуры.
Синхронизацияактивности во временном макроансамбле нейронов порождает соответствующиеколебания в ЭЭГ.
Обосновано[6,8,10,13,14], что каждый смысловой квант должен начинаться с кратковременногосинхронного торможения соответствующих модулей. Это обусловлено необходимостьюнакопления энергии структурных напряжений для осуществления акта нервнойинтеграции, и также может отображать «обнуление» нервных устройствперед каждым актом деятельности. Далее развертывается процесс нервнойинтеграции в виде характерной последовательности эпизодов миллисекунднойсинхронизации нервных спайков в больших ансамблях нейронов, т.е. — эпизодовсинхронизированного возбуждения, каждый из которых сопровождается эпизодомсинхронизированного торможения. Это означает, что число тормозных эпизодовмиллисекундной синхронизации должно превышать число возбудительных ЭМС .
Мыпредположили, что колебания ЭЭГ, связанные с торможением и возбуждением должныбыть разнонаправлены так же, как и в фазах первичного ответа: торможениюсоответствует позитивность, а возбуждению — негативность.
Отмеченныеповторяющиеся последовательности колебаний мы обозначаем как смысловые квантыЭЭГ.
Мыобосновали [5,6,8,11,13,14], что эти кванты организованы в иерархию: более сложнымпроцессам интеграции соответствуют более длительные кванты (временной интервалот волны торможения до волны очередного торможения нарастает, как, видимо,должны нарастать и средние интервалы между экстремумами волн возбуждения).Скажем, если мы будем двумя электродами отводить ЭЭГ в пределах проекционныхполей одного анализатора мы будем сталкиваться с ЭМС (эпизодами миллисекунднойсинхронизации экстремумов волн ЭЭГ) более часто, чем тогда, когда один электродбудет отводить из поля анализатора, а другой — например из ретросплениальнойкоры, или электроды будут расположены в нескольких зонах коры, поскольку в этихслучаях в ЭЭГ будут отображаться смысловые кванты более старшего ранга. Ещебольших интервалов между ЭМС мы можем ожидать, для далеко отстоящих электродов,когда в ЭЭГ отображаются смысловые кванты еще более высокого ранга и т.д.
Соответственнонашему подходу длительность каждого смыслового кванта даже для одного и того жемодуля меняется в зависимости от текущего функционального состояния. Аналогично- относительно временных отношений в иерархии квантов. Это определяетнелинейность биологического времени [1-3] и создает большие трудности дляадекватного анализа ЭЭГ.
Действительно,прогресс в области анализа ЭЭГ определятся тем, насколько адекватно мы можемсудить по ней о функциях мозга. Но на сегодня ЭЭГ (в рассматриваемом ракурсе) — это запись без начала и без конца, квантованная на шкале физического времени,которое не соответствует времени биологическому, к тому же ЭЭГ — это запись,никак не привязанная к иерархии смысловых квантов.
Соответственноизложенному выше возникает ощущение насущной необходимости поиска и анализасмысловых квантов ЭЭГ, прежде всего — поиска реперных событий, позволяющихразметить ЭЭГ на шкале событий нервной интеграции.
Цельнастоящей работы — поиск моментов миллисекундной синхронизации экстремумов,т.е. позитивных и негативных ЭМС, а также закономерностей их представленности иповторяемости в записях в зависимости от локализации отводящих электродов в техили иных зонах коры.
Методика
Опытыпроведены на 7 морских свинках обездвиженных тубокурарином и переведенных врежим искусственного дыхания. Ректальная температура поддерживалась в диапазоне36-37 град. При проведении операции использовали локальную новокаинизацию иэфирный наркоз. Отведения ЭКоГ осуществляли спустя час после
операции,когда эфир полностью выветривался за счет легочной вентиляции. Отведенияосуществляли эпидурально от правой ретросплениальной коры, от симметричных зонпроекционной зрительной коры и от симметричных зон проекционной соматосенсорнойкоры, а также от премоторной коры правого полушария — всего 6 точек отведения.Исследовали фоновые записи.
Сигналычерез усилители спаренной установки УФПТ-5 через АЦП с шагом квантования 2мсвводились на ПЭВМ и оцифровывались по программе «EEG-vision»,разработанной в нашем институте. Длина записи составляла 30с.
Дляавтоматического анализа ЭЭГ мы составили программу «WavletEEG»,которая находила локальные экстремумы волн на записях по каждому из 6 каналов,и выявляла моменты синхронизации таких экстремумов на 2мс интервалах в любойпаре каналов. Регистрировались два вида событий — момент совпаденияположительных экстремумов (максимумов) и момент совпадения отрицательныхэкстремумов (минимумов).
Поалгоритму на основе формулы Байеса программа проводила вычисление коэффициентов«неслучайности» совпадений для каждой пары каналов.
Далеепрограмма выполняла построение постимпульсной гистограммы по стандартномуалгоритму, применяемому при анализе импульсной активности нейронов. Импульсом(событием) в данном случае являлся момент совпадений экстремумов. По сути делатакая гистограмма показывала вероятность наступления события на расстоянии (повремени) от данного события.
Нагистограммах (см. рис.1А и Б) по горизонтали — время, по вертикали — вероятность события. Возможно четыре варианта таких гистограмм:«плюс-плюс», «минус-минус», «плюс-минус»,«минус-плюс». Гистограмма «плюс-плюс» — это вероятностьсовпадения максимумов («плюсов») после предшествующего момента совпадениямаксимумов («плюсов»). Гистограмма «минус-минус» — этовероятность совпадения минимумов («минусов») после предшествующегомомента совпадения минимумов («минусов»). И т.д. Такую гистограммуможно рассматривать как аналог функции автокорреляции (или кросскорреляции), нотолько для импульсных потоков.
Анализзаписей выполнялся в два этапа. На первом этапе после автоматического выявлениямоментов совпадений экстремумов (ЭМС) и оценки их «неслучайности»проводился визуальный контроль записей, на которых уже были проставлены меткисовпадений (см. рис. 2). При этом из списка совпадений исключались моментыартефактов, которые могли быть на записях. Затем выполнялся повторный анализ спостроением гистограмм.
Описанныйметод лежал в основе исследования закономерностей пространственно-временнойорганизации эпизодов синхронизации экстремумов соответствующих волн.
/>
Постимпульсныегистограммы возбудительных ЭМС для отведений суммарной активности коры мозгаморской свинки двумя электродами.
А- случай ритмического появления ЭМС с интервалом, соответствующим гамма-диапазонуЭКоГ.
Б- случай ритмического появления ЭМС с интервалом, соответствующимальфа-диапазону ЭКоГ.
Пояснения в тексте.
/>
Выделениепрограммными средствами отрицательных ЭМС — пик на канале 2 и положительных ЭМС- пик на канале 1.
З- канал отведения ЭКоГ премоторной коры, правое полушарие (ПП).
4- то же — ретросплениальной коры, ПП.
5- то же — зрительной, поле 17, ПП
6- то же, левое полушарие (ЛП).
7- канал отведения из SI, ЛП.
8 — то же, ПП.
Результаты
Вначалееще раз обратимся к рис.1А и Б на них видно, что эпизоды миллисекунднойсинхронизации (ЭМС) могут быть весьма закономерно организованы во времени,ложась на ритм гамма-волн (конкретно — около 80 Гц), но также на ритм волн иныхдиапазонов ЭКоГ: мы наблюдали альфа-диапазон -6-12Гц (рис 1. Б) и бета диапазон- до 30Гц, дельта диапазон -2-4Гц. Визуальный просмотр показал, что ЭМСхарактеризуют не столько миллисекундную синхронизацию «волн» ЭКоГ, ноименно экстремумов — дискретных событий, разделенных временными интервалами. Как отмечалось — именно такие, дискретные и в общем случае апериодическиследующие события в ЭЭГ мы рассматриваем в качестве информационного компонентаЭЭГ, но не «волны» (волн правильных в ЭЭГ нет вообще), последние нанаш взгляд отражают динамику возбудимости нервных структур — модулей, того илииного уровня.
Действительно,проведенный анализ показал, что чаще всего ЭМС следовали апериодически, невызывая соответствующих ритмически повторяющихся пиков на гистограммах (рис З).Это естественно, поскольку гистограмма построена в физическом времени, абиологическое время не линейно.
/> Постимпульсные гистограммы тормозных ЭМС (вверху) и возбудительных (внизу) для отведений суммарной активности коры мозга морской свинки двумя электродами. Пример отсутствия ритмических осцилляций на шкале физического времени (особенно отчетливо — внизу) и пример (вверху) аритмичных ЭМС (дуплеты — смотри текст).
Особоотметим довольно обычные случаи отчетливых пиков ЭМС на гистограмме, которые неповторялись ритмически. Это соответствует ситуациям, когда, например, спаренныерегулярным интервалом физического времени ЭМС — дуплеты — следуют друг задругом аритмично.
Посколькудлина смысловых квантов адекватно измеряется не в шкале физического времени, нов шкале событий, функциональных актов, которая существенно нелинейная [1-3] иможет не соответствовать шкале физического времени, мы уделяли особое вниманиедругим способам анализа, кроме гистограммного.
Вчастности подсчитывалось абсолютное и процентное количество отрицательных — возбудительных и положительных — тормозных ЭМС экстремумов ЭКоГ попарно впределах ипсилатеральных зон коры: премоторной, ретросплениальной, зрительной исоматосенсорной, а также количество ЭМС попарно в симметричных точкахпроекционных зон левого и правого полушарий, а также — для зон отведения изразных областей коры мозга.
Полученныерезультаты анализировали по соответствующим таблицам отдельно для каждого изсеми опытов. Обнаружив, что картина распределения частоты проявления ЭМСсущественно сходна в разных опытах (p
Таблица.Пространственное распределение количества наблюдаемых эпизодов миллисекунднойсинхронизации возбудительных и тормозных экстремумов ЭКоГ (в %) по зонам корымозга.
Отведения
ЭКоГ 3 4 5 6 7 8 3 - 2,76 8,76 4,69 4,79 6,81 4 2,16 - 3,41 2,66 3,59 4,06 5 7,40 3,44 - 13,49 9,50 12,42 6 3,63 1,93 14,90 - 12,56 5,22 7 3,61 3,09 9,16 13,66 - 4,19 8 5,37 3,66 15,59 7,07 3,20 -
(+)n = 961
(-)n = 1033
Зоныотведения ЭКоГ: правое полушарие — 3,4,5,8; левое полушарие — 6,7;
3- премоторная кора; 4 — ретросплениальная кора; 5 и 6 — зрительные проекционныезоны, 7 и 8 — соматосенсорные проекционные поля.
Втаблице жирным шрифтом выделены достоверно отличающиеся значения (критерийСтьюдента для долей выборок[15]).
Представленыусредненные результаты по семи опытам.
Изтаблицы прежде всего видно, что согласно ожиданиям (см. введение) число ЭМСтормозных экстремумов ЭКоГ превышало число возбудительных.
Далее- число ЭМС оказалось достоверно выше для случаев отведения внутри зрительногоанализатора, чем для ЭМС между зрительным проекционным полем и ретросплениальнойкорой. При этом разница была особенно велика (p
Несколькоиная, чем для зрительной коры картина наблюдалась в симметричных поляхсоматосенсорной коры. Это, однако, можно объяснить ее сравнительно низкимтонусом из-за обездвиживания тубокурарином.
Тоесть в целом представление о том, что для отведений внутри анализатора должныбыть характерны более высокочастотные и короткие смысловые кванты ЭЭГ, чем дляотведений из удаленных зон коры с их более длительными и низкочастотнымисмысловыми квантами (отображающими ансамбли старшего ранга), находится вразумном соотношении с результатами эксперимента.
МежанализаторныеЭМС для ипсиотведений оказались представлены даже большим числом, чем внутрианализаторные. Это неожиданно. Надо учесть, однако, низкую из-за тубокураринаактивность соматосенсорной коры. Возможно, что у необездвиженного животногорезультаты будут другими. В общем это вопрос для дальнейших исследований.
Итак,данные таблицы показывают как минимум, что представленность и соответственно — частота следования ЭМС имеет функциональный смысл, в целом подтверждаяразумность представления об иерархии смысловых квантов ЭЭГ.
Наконец,мы сравнили число ЭМС в зависимости от числа одновременно анализируемых зонотведения. Полученная зависимость иллюстрируется рис.4. Эта зависимость вполнесогласуется с предсказанной для иерархии смысловых квантов ЭЭГ (см. введение).
/> Распределение числа наблюдаемых ЭМС, наблюдаемых с ростом числа одновременно анализируемых каналов.
Заключение
Нашподход к вопросу о роли миллисекундной синхронизации различных ЭЭГ отведенийпринципиально отличается от сложившегося со времени открытия синхронизациигамма-осцилляций Сингером с коллегами, например [16] и последующего бумаисследований и осмысления полученных результатов. Перечислять их нет смысла — их «тьмы и тьмы». Среди недавних отечественных обзоров с ясновыраженной оригинальной позицией отметим [17] — прежде всего потому, что онбазируется на альтернативном нашему концептуальном подходе. И эта последняяработа в центр внимания ставит миллисекундную синхронизации прежде всего гаммаосцилляций.
Впротивовес наш концептуальный подход не связывает образование ни микро, нимакро нейронных ансамблей, образующихся как код того или иного этапа нервнойинтеграции на миллисекундных временных интервалах исключительно с гаммаосцилляциями, да и вообще — с наличием каких либо специфических осцилляций какнепременного условия. И экспериментальные данные дают подтверждение именно этомувзгляду на ЭЭГ феномены в миллисекундном диапазоне, подходу, учитывающему какнелинейность отображаемых в ЭЭГ процессов, так и их многоуровневость, а такжеих функциональную неоднозначность — наличие энергетического и информационногокомпонентов.
Сдругой стороны цель нашей работы, которая принесла лишь первые результаты — это  создание метода адекватного шкалирования ЭЭГ. Такое шкалирование требуеттщательного обоснования критериев. Разумное совпадение наших концептуальнообоснованных предсказаний с фактами эксперимента убеждает в правильностивыбранного направления работ, несмотря на их нетрадиционность. При этомостается впереди решение задачи идентификации начального (перед смысловымквантом ЭЭГ), тормозного колебания, которое будет «репером» смысловогокванта. Проблема состоит в том, чтобы отличить его от прочих тормозных ЭМС.
Подведемитоги.
Полученныерезультаты согласуются с концепцией дискретно-волнового механизма нервнойинтеграции и ее приложением к ЭЭГ — представлением об иерархии смысловых квантовЭЭГ, по которому квазиритмические колебания — «волны» ЭЭГ есть ееэнергетический компонент, колебания возбудимости, тогда как информационнымкомпонентом ЭЭГ являются дискретные «пики» или экстремумы,отображающие апериодически следующие эпизоды формирования в коре мозгамиллисекундных интегративных нейронных ансамблей разной сложности. Показано вчастности, что кроме периодических эпизодов миллисекундной синхронизации (ЭМС)экстремумов ЭКоГ, которые могут быть разделены интервалами, соответствующими гамма,бета, сигма, альфа, дельта диапазонам ЭЭГ, ее «волнам», регулярноимеет место апериодическое следование ЭМС экстремумов, пиков ЭКоГ. Визуальноеотслеживание записей ЭКоГ с должной временной разверткой показаломиллисекундную синхронизацию именно «пиков», экстремумов ЭКоГ, но неее «волн» — например, гамма осцилляций.
Показано,в соответствие с нашим концептуальным походом, что позитивных ЭМС,рассматриваемых по аналогии с волнами первичного ответа как тормозные,обнаруживаются в большем количестве, чем негативных ЭМС — возбудительных.
Показано,что «внеанализаторные» отведения характеризуются достоверно меньшим
числомЭМС, чем внутрианализаторные; — это соответствует нашему
представлениюоб иерархии смысловых квантов ЭЭГ.
Проанализированыближайшие проблемы исследования смысловых квантов ЭЭГ как метода адекватногошкалирования ЭЭГ с учетом нелинейности биологического времени.
Список литературы
ВернадскийВ.И. Пространство и время в неживой и живой природе — Размышления натуралиста-М.: Наука, 1975.
ВладимирскийБ.М. Информационные воздействия на нейрорегуляцию и поведение человека. — Научная мысль Кавказа, 1997, N 3, — С.45-53.
ВладимирскийБ.М. Собственное физиологическое время и неопределенность в нервной системе. — krinc.ru\Krinc\public\Articles
ЧебкасовС.А. Конструкция интегративных модулей неокортекса и трансуровненвые принципыорганизации естественных информационно-управляющих систем // Ростов-на-Дону,НИИНК, 1980, Изд-во ЦВВР, 2003, — 158 c. ISBN 5-94153-059-5.
ЧебкасовС.А. Материалы и заключения о функционировании простых декодирующих модулейзрительной коры. — Ростов-на-Дону,1991. Деп. ВИНИТИ N 3113 — В91. — 76 с.
ЧебкасовС.А. Основные подходы и новые пути к сенсорной коррекции сна. — Отчет по теме NГР 01910044497. Этап 1992г. — С. 33-89.
Chebkasov S.A. Desinchibition and stepwise synchronization ofneural activity as mechanism of producing and encoding orientation signalswithin the functional modules in the visual cortex. — Proc. IJCNN-93, Nogaya,Japan, 1993. — V.1 — P. 113.
ЧебкасовС.А. О возможных «смысловых» квантах ЭЭГ. — Успехи физиол. наук,1994, N 4 С. 117.
ЧебкасовС.А. Проблема сенсорного управления функциональным состоянием мозга с позицийконцепции дополнительности. — Ростов-на-Дону, 1994. — Деп. ВИНИТИ N 1644 — В94.- 91 с.
ЧебкасовС.А. Предстимульное торможение. — Физиол. журн. СССР, 1995, Т.81, N 5. С.119.
Chebkasov S.A. The phenomena of neuronal spike-s synchronizationin the milliseconds range: purpose, mechanism, basic units. — The complementaryapproach — ICAUTO-95. Paper #110.
Chebkasov S.A. New attack on the memory-s problem-- Abstr. 4-thIBRO World Congress of Neuroscience. 1995, Kyoto, Japan. Publ. by rapid com.Oxford, New York, P.369, N D9.3.
ЧебкасовС.А. Взаимоотношение специфической и неспецифической систем мозга.Дополнительный подход. — Деп. ВИНИТИ. — N 1938 — В97. — 34 с.
ЧебкасовС.А. Концепция информационно-структурного дополнения: существо,нейрофизиологическое обоснование, перспективы. — Ростов-на- Дону, Изд-во ЦВВР,2003. — 44 с. ISBN 5-94153-064-1.
ПлохинскийН.А. Биометрия. — М: Изд-во МГУ, 1970, 368 с.
Friewald WA, Kreiter AK, Singer W. Synchronization and assemblyformation in the visual cortex. — Prog Brain Res 2001; 130-40.
КиройВ.Н., О.Г. Чораян Нейронные ансамбли мозга. — Успехи физиол. наук, 2000, том31,N3, с.23-38.