мілісекундним
синхронізація екстремумів ЕКоГ, ак свідоцтво смислових квантів ЕЕГ
Чебкасов С.А,
Єфімов В.М., ласкавий В.Н, Иванова Е.А.
НІІНК РГУ,
Ростов-на-Дону, Росія
У дослідах на 7
морських свинок, знерухомлених тубокурарину, показано, що мілісекунди (2мс
інтервал) збіг екстремумів ЕКоГ в різних відведеннях є закономірне
і регулярне явище для бодрствующего мозку.
Отримані
результати узгоджуються з концепцією дискретно-хвильового механізму нервової
інтеграції та її додатком до ЕЕГ. Ця концепція містить уявлення про
ієрархії смислових квантів ЕЕГ, за яким квазірітміческіе коливання --
"хвилі" ЕЕГ є її енергетичний компонент або ж коливання
збудливості, тоді як інформаційним компонентом ЕЕГ є дискретні
"піки" (екстремуми), що відображають Аперіодичні епізоди формування
мілісекунд інтеграційних нейронних макроансамблей в корі мозку. Зокрема
показано, що крім періодичних епізодів мілісекунди синхронізації
екстремумів ЕкоГ (ЕМС), які можуть бути розділені інтервалами,
відповідними гамма, бета, сигма, альфа, дельта діапазонами ЕЕГ, її
"хвилях", регулярно має місце аперіодіческій слідування ЕМС.
Візуальне відстеження записів ЕКоГ з належною тимчасової розгорткою показало
мілісекундним синхронізацію саме "піків", екстремумів ЕКоГ, але не
її "хвиль" - наприклад, гамма осциляції.
Показано, в
відповідність до нашого концептуальним походом, що позитивних ЕМС,
розглянутих за аналогією з хвилями первинної відповіді як гальмові,
виявляється більше, ніж негативних - збудливий.
Показано, що
внутріаналізаторние взаємодії реалізуються достовірно більшим числом ЕМС,
ніж внеаналізаторние. Це відповідає нашому уявленню про ієрархію
смислових квантів ЕЕГ.
Проаналізовано
найближчі проблеми дослідження смислових квантів ЕЕГ як методу адекватного
шкалювання ЕЕГ з урахуванням нелінійності біологічного часу.
Вступ
Теоретично і
на базі непрямих експериментальних свідчень була обгрунтована ідея [4-14],
що в ЕЕГ відображається ієрархія циклічно повторюваних квантів
функціонування полярних нервових модулів різного рівня складності, що
утворюють вкладену ієрархію і разом являють собою мозок.
Інтегроване
функціонування модулів породжує все більш об'ємні тимчасові функціональні
ансамблі, що відображається в поетапної мілісекунди синхронізації нейронних
спайки. Такими тимчасовими макроансамблямі нейронів кодуються все більше
складні акти діяльності мозку.
Кожен
тимчасової макроансамбль служить для кодування результатів нервової інтеграції
(на тому чи іншому рівні), що досягаються в результаті акту (тієї чи іншої
складності) функціонування відповідної нервової структури.
Синхронізація
активності в тимчасовому макроансамбле нейронів породжує відповідні
коливання в ЕЕГ.
Обгрунтовано
[6,8,10,13,14], що кожен смисловий квант повинен починатися з короткочасного
синхронного гальмування відповідних модулів. Це обумовлено необхідністю
накопичення енергії структурних напруг для здійснення акту нервової
інтеграції, і також може відображати "обнулення" нервових пристроїв
перед кожним актом діяльності. Далі розгортається процес нервової
інтеграції у вигляді характерної послідовності епізодів мілісекунди
синхронізації нервових спайки у великих ансамблях нейронів, тобто - Епізодів
синхронізованого збудження, кожен з яких супроводжується епізодом
синхронізованого гальмування. Це означає, що число гальмівних епізодів
мілісекунди синхронізації повинно перевищувати число збудливий ЕМС.
Ми
припустили, що коливання ЕЕГ, пов'язані з гальмуванням і порушенням повинні
бути різнонаправлений так само, як і в фазах первинної відповіді: гальмування
відповідає позитивність, а порушення - негативність.
Зазначені
повторювані послідовності коливань ми позначаємо як смислові кванти
ЕЕГ.
Ми обгрунтували
[5,6,8,11,13,14], що ці кванти організовані в ієрархію: більш складним
процесам інтеграції відповідають більш тривалі кванти (часовий інтервал
від хвилі гальмування до хвилі чергового гальмування наростає, як, мабуть,
повинні наростати і середні інтервали між екстремумами хвиль збудження).
Скажімо, якщо ми будемо двома електродами відводити ЕЕГ в межах проекційних
полів одного аналізатора ми будемо стикатися з ЕМС (епізодами мілісекунди
синхронізації екстремумів хвиль ЕЕГ) більш часто, ніж тоді, коли один електрод
буде відводити з поля аналізатора, а інший - наприклад з ретроспленіальной
кори, або електроди будуть розташовані в декількох зонах кори, оскільки в цих
випадках у ЕЕГ будуть відображатися смислові кванти більш старшого рангу. Ще
великих інтервалів між ЕМС ми можемо очікувати, для далеко віддалених електродів,
коли в ЕЕГ відображаються смислові кванти ще більш високого рангу і т.д.
Відповідно
нашого підходу тривалість кожного смислового кванта навіть для одного й того ж
модуля змінюється в залежності від поточного функціонального стану. Аналогічно
- Щодо тимчасових відносин в ієрархії квантів. Це визначає
нелінійність біологічного часу [1-3] і створює великі труднощі для
адекватного аналізу ЕЕГ.
Дійсно,
прогрес у галузі аналізу ЕЕГ визначаться тим, наскільки адекватно ми можемо
судити по ній про функції мозку. Але на сьогодні ЕЕГ (в даному ракурсі) --
це запис без початку і без кінця, квантованими на шкалі фізичного часу,
яке не відповідає часу біологічному, до того ж ЕЕГ - це запис,
ніяк не прив'язана до ієрархії смислових квантів.
Відповідно
викладеного вище виникає відчуття нагальної потреби пошуку та аналізу
смислових квантів ЕЕГ, перш за все - пошуку реперних подій, що дозволяють
розмітити ЕЕГ на шкалі подій нервової інтеграції.
Мета цієї
роботи - пошук моментів мілісекунди синхронізації екстремумів, тобто
позитивних і негативних ЕМС, а також закономірностей їх представленості та
повторюваності в записах в залежності від локалізації відвідних електродів в тих
чи інших зонах кори.
Методика
Досліди проведені
на 7 морських свинок знерухомлених тубокурарину і переведених у режим
штучного дихання. Ректальна температура підтримувалася в діапазоні 36-37
град. При проведенні операції використовували локальну новокаінізацію і ефірний
наркоз. Відведення ЕКоГ здійснювали через годину після
операції, коли
ефір повністю вивітрювався за рахунок легеневої вентиляції. Відведення здійснювали
епідурально від правої ретроспленіальной кори, від симетричних зон проекційної
зорової кори і від симетричних зон проекційної соматосенсорной кори, а
також від премоторной кори правої півкулі - всього 6 точок відведення.
Досліджували фонові запису.
Сигнали через
підсилювачі спареної установки УФПТ-5 через АЦП з кроком квантування 2мс
вводилися на ПЕОМ та оцифровувати за програмою "EEG-vision",
розробленої в нашому інституті. Довжина запису становила 30с.
Для
автоматичного аналізу ЕЕГ ми склали програму "WavletEEG",
яка знаходила локальні екстремуми хвиль на записах по кожному з 6 каналів,
і виявляла моменти синхронізації таких екстремумів на 2мс інтервалах в будь-якій
парі каналів. Реєструвалися два види подій - момент збігу
позитивних екстремумів (максимумів) і момент збігу негативних
екстремумів (мінімумів).
За алгоритмом на
основі формули Байеса програма проводила обчислення коефіцієнтів
"невипадковості" збігів для кожної пари каналів.
Далі програма
виконувала побудова постімпульсной гістограми за стандартним алгоритмом,
що застосовується при аналізі імпульсної активності нейронів. Імпульсом (подією) в
даному випадку був момент збігів екстремумів. По суті справи така
гістограма показувала ймовірність настання події на відстані (по
часу) від даної події.
на гістограмі
(див. рис.1 і Б) по горизонталі - час, по вертикалі - імовірність події.
Можливо чотири варіанти таких гістограм: "плюс-плюс",
"мінус-мінус", "плюс-мінус", "мінус-плюс".
Гістограма "плюс-плюс" - це ймовірність збігу максимумів
( "плюсів") після попереднього моменту збігу максимумів
( "плюсів"). Гістограма "мінус-мінус" - це ймовірність
збіги мінімумів ( "мінусів") після попереднього моменту
збіги мінімумів ( "мінусів"). І т.д. Таку гістограму можна
розглядати як аналог функції автокореляції (або кросскорреляціі), але
тільки для імпульсних потоків.
Аналіз записів
виконувався в два етапи. На першому етапі після автоматичного виявлення
моментів збігів екстремумів (ЕМС) та оцінки їх "невипадковості"
проводився візуальний контроль записів, на яких вже були проставлені мітки
збігів (див. рис. 2). При цьому зі списку збігів виключалися моменти
артефактів, які могли бути на записах. Потім виконувався повторний аналіз з
побудовою гістограм.
Описаний метод
лежав в основі дослідження закономірностей просторово-часової
організації епізодів синхронізації екстремумів відповідних хвиль.
Постімпульсние
гістограми збудливий ЕМС для відведень сумарної активності кори мозку
морської свинки двома електродами.
А - випадок
ритмічного появи ЕМС з інтервалом, що відповідає гамма-діапазону ЕКоГ.
Б - випадок
ритмічного появи ЕМС з інтервалом, що відповідає альфа-діапазону ЕКоГ.
Пояснення в
тексті.
Виділення
програмними засобами негативних ЕМС - пік на каналі 2 і позитивних ЕМС
- Пік на каналі 1.
З - канал
відведення ЕКоГ премоторной кори, права півкуля (ПП).
4 - те саме --
5 - те саме --
зорової, поле 17, ПП
6 - те ж,
ліва півкуля (ЛП).
7 - канал
відведення з SI, ЛП.
8 - те ж,
ПП.
Результати
Спочатку ще раз
звернемося до рис.1 і Б на них видно, що епізоди мілісекунди синхронізації
(ЕМС) можуть бути вельми закономірно організовані у часі, лягаючи на ритм
гамма-хвиль (конкретно - близько 80 Гц), але також на ритм хвиль інших діапазонів
ЕКоГ: ми спостерігали альфа-діапазон-6-12Гц (рис 1. Б) і бета діапазон - до 30Гц,
дельта діапазон-2-4Гц. Візуальний перегляд показав, що ЕМС характеризують не
стільки мілісекундним синхронізацію "хвиль" ЕКоГ, але саме
екстремумів - дискретних подій, розділених часовими інтервалами. Як
відзначалося - саме такі, дискретні і в загальному випадку аперіодіческій наступні
події в ЕЕГ ми розглядаємо в якості інформаційного компонента ЕЕГ, але не
"хвилі" (хвиль правильних в ЕЕГ немає взагалі), останні на наш погляд
відображають динаміку збудливості нервових структур - модулів, того чи іншого
рівня.
Дійсно,
проведений аналіз показав, що найчастіше ЕМС слідували аперіодіческій, не
викликаючи відповідних ритмічно повторюваних піків на гістограмі (рис З).
Це природно, оскільки гістограма побудована у фізичному часу, а
біологічний час не лінійно.
Постімпульсние
гістограми гальмівних ЕМС (вгорі) і збудливий (внизу) для відведень
сумарної активності кори мозку морської свинки двома електродами. Приклад
відсутності ритмічних осциляції на шкалі фізичного часу (особливо
виразно - внизу) і приклад (угорі) аритмічний ЕМС (дуплети - дивись текст).
Особливо відзначимо
досить звичайні випадки чітких піків ЕМС на гістограмі, які не повторювалися
ритмічно. Це відповідає ситуацій, коли, наприклад, спарені регулярним
інтервалом фізичного часу ЕМС - дуплети - слідують один за одним
аритмічний.
Оскільки довжина
смислових квантів адекватно вимірюється не в шкалі фізичного часу, але в
шкалою подій, функціональних актів, яка істотно нелінійна [1-3] та
може не відповідати шкалі фізичного часу, ми приділяли особливу увагу
інших способів аналізу, крім гістограммного.
Зокрема
підраховувалася абсолютна і процентний кількість негативних --
збудливий і позитивних - гальмівних ЕМС екстремумів ЕКоГ попарно в
межах іпсилатеральний зон кори: премоторной, ретроспленіальной, зорової та
соматосенсорной, а також кількість ЕМС попарно в симетричних точках проекційних
зон лівого і правого півкуль, а також - для зон відведення з різних областей
кори мозку.
Отримані
результати аналізували з відповідних таблиць окремо для кожного з
семи дослідів. Виявивши, що картина розподілу частоти прояву ЕМС
істотно схожа в різних дослідах (p <0,05, критерій знаків) побудували
зведену таблицю.
Таблиця.
Просторовий розподіл кількості спостережуваних епізодів мілісекунди
синхронізації збудливий і гальмівних екстремумів ЕКоГ (у%) по зонах кори
мозку.
відведення
ЕКоГ
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
Зони відведення
ЕКоГ: права півкуля - 3,4,5,8; ліва півкуля - 6,7;
3 - премоторная
кора; 4 - ретроспленіальная кора; 5 і 6 - зорові проекційні зони, 7 і 8 --
соматосенсорной проекційні поля.
У таблиці
жирним шрифтом виділені достовірно відрізняються значення (критерій Стьюдента
для часткою вибірок [15]).
Представлені
усереднені результати по семи дослідам.
З таблиці
перш за все видно, що відповідно до очікувань (див. введення) число ЕМС гальмівних
екстремумів ЕКоГ перевищувала кількість збудливий.
Далі - число
ЕМС виявилося достовірно вище для випадків відведення всередині зорового
аналізатора, ніж для ЕМС між зоровим проекційним полем і
ретроспленіальной корою. При цьому різниця була особливо велика (p <0,001,
t-критерій для часткою вибірок) для контралатеральной зорової зони і
ретроспленіальной кори.
Дещо інша,
ніж для зорової кори картина спостерігалася в симетричних полях
соматосенсорной кори. Це, однак, можна пояснити її порівняно низьким
тонусом через знерухомлення тубокурарину.
Тобто в цілому
уявлення про те, що для відведень всередині аналізатора повинні бути
характерні більш високочастотні і короткі смислові кванти ЕЕГ, ніж для
відведень з віддалених зон кори з їх більш тривалими і низькочастотними
смисловими квантами (відображають ансамблі старшого рангу), знаходиться в
розумному співвідношенні з результатами експерименту.
Межаналізаторние
ЕМС для іпсіотведеній опинилися представлені навіть більшим числом, ніж усередині
аналізаторние. Це несподівано. Треба врахувати, проте, низьку через тубокурарину
активність соматосенсорной кори. Можливо, що у необездвіженного тварини
результати будуть іншими. Загалом це питання для подальших досліджень.
Отже, дані
таблиці показують як мінімум, що представленість і відповідно - частота
проходження ЕМС має функціональний сенс, у цілому підтверджуючи розумність
уявлення про ієрархію смислових квантів ЕЕГ.
Нарешті, ми
порівняли число ЕМС в залежності від кількості одночасно аналізованих зон
відведення. Отримана залежність ілюструється мал.4. Ця залежність цілком
узгоджується з передбаченою для ієрархії смислових квантів ЕЕГ (див. введення).
Розподіл
числа спостережуваних ЕМС, які спостерігаються з ростом числа одночасно аналізованих
каналів.
Висновок
Наш підхід до
питання про роль мілісекунди синхронізації різних ЕЕГ відведень
принципово відрізняється від сформованого з часу відкриття синхронізації
гамма-осциляції Сінгер з колегами, наприклад [16] і наступного буму
досліджень і осмислення отриманих результатів. Перераховувати їх нема сенсу --
їх "тьми і тьми". Серед недавніх вітчизняних оглядів з ясно
вираженою оригінальною позицією відзначимо [17] - перш за все?? тому, що він
базується на альтернативному нашому концептуальному підході. І ця остання
робота в центр уваги ставить мілісекундним синхронізації насамперед гамма
осциляції.
На противагу
наш концептуальний підхід не пов'язує освіта ні мікро, ні макро
нейронних ансамблів, що утворюються як код того чи іншого етапу нервової
інтеграції на мілісекунд тимчасових інтервалах виключно з гамма
осциляціями, та й взагалі - з наявністю будь-яких специфічних осциляції як
неодмінної умови. І експериментальні дані дають підтвердження саме
з цим поглядом на ЕЕГ феномени в мілісекундним діапазоні, підходу, що враховує
як нелінійність які відображаються в ЕЕГ процесів, так і їх багаторівневість, а
також їх функціональну неоднозначність - наявність енергетичного і
інформаційного компонентів.
З іншого
боку мета нашої роботи, яка принесла лише перші результати - це створення методу адекватного шкалювання
ЕЕГ. Таке шкалювання вимагає ретельного обгрунтування критеріїв. Розумне
збіг наших концептуально обгрунтованих прогнозів з фактами експерименту
переконує у правильності обраного напрямку робіт, незважаючи на їх
нетрадиційність. При цьому залишається попереду рішення задачі ідентифікації
початкового (перед смисловим квантом ЕЕГ), гальмівного коливання, яке буде
"репером" смислового кванта. Проблема полягає в тому, щоб відрізнити
його від інших гальмівних ЕМС.
Підіб'ємо підсумки.
Отримані
результати узгоджуються з концепцією дискретно-хвильового механізму нервової
інтеграції та її додатком до ЕЕГ - уявленням про ієрархії смислових
квантів ЕЕГ, за яким квазірітміческіе коливання - "хвилі" ЕЕГ
є її енергетичний компонент, коливання збудливості, тоді як
інформаційним компонентом ЕЕГ є дискретні "піки" або
екстремуми, що відображають аперіодіческій наступні епізоди формування в корі
мозку мілісекунд інтеграційних нейронних ансамблів різної складності.
Показано зокрема, що крім періодичних епізодів мілісекунди
синхронізації (ЕМС) екстремумів ЕКоГ, які можуть бути розділені інтервалами,
відповідними гамма, бета, сигма, альфа, дельта діапазонами ЕЕГ, її
"хвилях", регулярно має місце аперіодіческій слідування ЕМС екстремумів,
піків ЕКоГ. Візуальне відстеження записів ЕКоГ з належною тимчасової розгорткою
показало мілісекундним синхронізацію саме "піків", екстремумів
ЕКоГ, але не її "хвиль" - наприклад, гамма осциляції.
Показано, в
відповідність до нашого концептуальним походом, що позитивних ЕМС,
розглянутих за аналогією з хвилями первинної відповіді як гальмові,
виявляються в більшій кількості, ніж негативних ЕМС - збудливий.
Показано, що
"внеаналізаторние" відведення характеризуються достовірно меншим
числом ЕМС, ніж
внутріаналізаторние; - це відповідає нашому
поданням
про ієрархії смислових квантів ЕЕГ.
Проаналізовано
найближчі проблеми дослідження смислових квантів ЕЕГ як методу адекватного
шкалювання ЕЕГ з урахуванням нелінійності біологічного часу.
Список
літератури
Вернадський В.І.
Простір і час у неживій і живій природі - Роздуми натураліста-М.:
Наука, 1975.
Володимирський
Б.М. Інформаційні впливу на нейрорегуляцію і поведінку людини. --
Наукова думка Кавказу, 1997, N 3, - С.45-53.
Володимирський
Б.М. Власне фізіологічний час і невизначеність у нервовій системі. --
http://krinc.ruKrincpublicArticles
Чебкасов С.А.
Конструкція інтеграційних модулів неокортексу і трансуровненвие принципи
організації природних інформаційно-управляючих систем// Ростов-на-Дону,
НІІНК, 1980, Изд-во ЦВВР, 2003, - 158 c. ISBN 5-94153-059-5.
Чебкасов С.А.
Матеріали та висновки про функціонування простих декодуючі модулів
зорової кори. - Ростов-на-Дону, 1991. Деп. ВИНИТИ N 3113 - В91. - 76 с.
Чебкасов С.А.
Основні підходи та нові шляхи до сенсорної корекції сну. - Звіт по темі N ГР
01910044497. Етап 1992р. - С. 33-89.
Chebkasov S.A. Desinchibition and stepwise
synchronization of neural activity as mechanism of producing and encoding
orientation signals within the functional modules in the visual cortex. - Proc.
IJCNN-93, Nogaya, Japan, 1993. - V.1 - P. 113.
Чебкасов С.А. Про
можливих "смислових" кванти ЕЕГ. - Успіхи фізіолого. наук, 1994, N 4
С. 117.
Чебкасов С.А.
Проблема сенсорного управління функціональним станом мозку з позицій
концепції додатковості. - Ростов-на-Дону, 1994. - Деп. ВИНИТИ N 1644 --
В94 .- 91 с.
Чебкасов С.А.
Предстімульное гальмування. - Фізіолого. журн. СРСР, 1995, Т.81, N 5.
Chebkasov S.A. The phenomena of neuronal spike-s
synchronization in the milliseconds range: purpose, mechanism, basic units. --
The complementary approach - ICAUTO-95. Paper # 110.
Chebkasov S.A. New attack on the memory-s problem --
Abstr. 4-th IBRO World Congress of Neuroscience. 1995, Kyoto, Japan. Publ. by
rapid com. Oxford, New York, P.369, N D9.3.
Чебкасов С.А.
Взаємовідносини специфічного і неспецифічного систем мозку. Додатковий
підхід. - Деп. ВИНИТИ. - N 1938 - В97. - 34 с.
Чебкасов С.А.
Концепція інформаційно-структурного додатки: істота, нейрофізіологічне
обгрунтування, перспективи. - Ростов-на-Дону, Изд-во ЦВВР, 2003. - 44 с. ISBN
5-94153-064-1.
Плохінскій Н.А.
Біометрія. - М: Изд-во МГУ, 1970, 368 с.
Friewald WA, Kreiter AK, Singer W. Synchronization and
assembly formation in the visual cortex. - Prog Brain Res 2001; 130-40.
Кірою В.М.,
О.Г. Чораян Нейронні ансамблі мозку. - Успіхи фізіолого. наук, 2000, том 31, N3,
с.23-38.
