Характеристики ЭЭГ при возбуждениях мозга во время второй стадии дневного сна, сопровождающихся самопроизвольными микропробуждениями и минимальной поведенческой активностью в ситуации выполнения психомоторного теста

Рис. 1. Суммарные значения мощности по всем отведениям ЭЭГ дельта-, тета- и альфа1-колебаний перед началом, во время минимальной поведенческой активности

Рис. 2. Карты-схемы результатов дисперсионного анализа спектральных характеристик дельта-, тета- и альфа1-колебаний для всего анализируемого отрезка ЭЭГ по ее отдельным отведениям

Рис. 3. Карты-схемы различий спектральных характеристик дельта-, тета- и альфа1-колебаний по областям отведения ЭЭГ непосредственно перед началом и во время поведенческой активности

Рис. 4. Карты-схемы различий спектральных характеристик дельта-, тета- и альфа1-колебаний по областям отведения ЭЭГ в начале активации мозга,

Введение

Изучение возбуждений мозга в состоянии сна, которые заканчиваются двигательной активностью и пробуждениями, важно для оценки нестабильности этого состояния в условиях влияния на него социальных и экологических факторов [1], при исследовании расстройств возбуждений во время сна, которые приводят к непроизвольной двигательной активности различной длительности и сложности [2].  Оно также может быть полезно специалистам при оценке рисков, которые вызывают сознательные реакции субъекта (в том числе сновидения) во время анестезии и после операции [3].

В исследованиях внутримозговых записей биоэлектрической активности пациентов с эпилепсией в период ремиссии показано, что переходы коры от сна к бодрствованию носят продолжительный характер и пробуждения можно рассматривать как разные состояния мозга. Таламическая активность единообразна и соответствует состоянию между бодрствованием и сном. При этом активация коры неоднородна и обусловлена разными факторами регуляции. Ее спектральный состав зависит от модальности пробуждения (спонтанная или индуцированная), гомеостаза, стадии сна и области отведения [4, 5]. Эти состояния сопровождаются таким явлением, как локальное бодрствование, когда на фоне активности, похожей на сон, наблюдаемой в большинстве корковых областей мозга, появляются паттерны, соответствующие состоянию пробуждения [6]. В этих паттернах отмечается более выраженное присутствие высокочастотных колебаний электроэнцефалограммы (ЭЭГ), которые либо замещают низкочастотные, либо накладываются на них [7]. Это явление может отражать сенсомоторную обработку внешних раздражителей и готовить мозг к пробуждению [8] или же сопровождать двигательную активность без ее осознавания [2, 9, 10].

В исследованиях ЭЭГ во время эпизодов спонтанных пробуждений во время ночного сна, которые испытуемые подтверждали нажатиями на кнопку, было показано, что в большинстве случаев этим нажатиям предшествовал период появления в биоэлектрической активности альфа-ритма [11]. Особенность нашей работы состоит в том, что мы исследуем активации мозга с последующим коротким эпизодом самопроизвольного пробуждения, сопровождающегося восстановлением выполнения психомоторного теста, прерываемого сном. Мы предполагаем, что различия в поведении (в числе нажатий на кнопку) и ЭЭГ, которая предшествует и сопровождает это поведение, позволят оценить состояние субъекта и изменения уровня сознания в этих обстоятельствах [12]. Ранее нами были приведены доказательства, которые позволяют предположить, что даже при небольшом числе нажатий психомоторная активность в этот период не является неосознаваемой, а сопровождается сниженным уровнем сознания [13]. Мы решили продолжить нашу работу: исследовать ЭЭГ субъектов во время микропробуждений, которые сопровождаются единичными нажатиями, и сопоставить ее с ЭЭГ тех же субъектов в ситуации с коротким паттерном нажатий (2–6).

Материал и методы

Исследовали 19 взрослых здоровых испытуемых (трое мужчин и 16 женщин, студенты, правши, средний возраст – 21,26 ± 0,89 года) без диагностированных неврологических, психиатрических заболеваний и нарушений сна. Всех испытуемых просили не употреблять алкоголь в течение суток, а также чай и кофе в течение шести часов перед опытом. Исследование было одобрено этической комиссией Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (протокол № 2 от 3 июня 2019 г.) и соответствовало этическим нормам Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации «Этические принципы проведения научных медицинских исследований с участием человека» с поправками 2000 г. Состояние перед опытом оценивалось с помощью дневника сна [14] и опросника уровня сонливости KSS. Субъекты спали в ночь перед сном в среднем М = 6,46 ± 0,46 часа. Качество сна и самочувствие при пробуждении по пятибалльной шкале (5 – «отличное»): М = 4,0 ± 0,19 и М = 3,32 ± 0,27 соответственно. Отметим высокий уровень сонливости: М = 5,42 ± 0,41 (по семибалльной шкале, 7 – «очень высокий»).

Эксперимент начинали в период 12:00–13:00 часов, длительность его – 1,5–2 часа. В течение всего опыта испытуемый находился в затемненном звукозаглушающем помещении, на кушетке, с закрытыми глазами. С помощью психомоторного теста [12] в его унимануальной модификации получали ряд последовательных периодов засыпания – пробуждения. Тест состоит из двух чередующихся фаз. Испытуемые считали про себя от 1 до 10, одновременно при каждом отсчете они нажимали на кнопку большим пальцем правой руки, зафиксированную на указательном пальце той же руки (первая фаза). Далее они продолжали считать про себя от 1 до 10, но уже без нажатий (вторая фаза). Чередование этих фаз длилось до тех пор, пока испытуемые не засыпали. При самопроизвольных пробуждениях они возобновляли выполнение теста с первой фазы.

Регистрировали ЭЭГ от 17 отведений в соответствии со схемой 10–20, электроокулограмму, электромиограмму короткой мышцы, отводящей большой палец кисти правой руки, и механограмму нажатий на кнопку. Регистрацию проводили с помощью системы Neocortex-Pro (Neurobotics). Частота дискретизации – 250 Гц, полоса пропускания частот: 0,5–70 Гц. Использовали шлем и хлорсеребряные электроды, сопротивление – меньше 5 кОм.

Для анализа выбирали безартефактные отрезки полисомнограмм, соответствующие эпизодам самопроизвольного короткого пробуждения из второй стадии ортодоксального сна (N2) с частичным выполнением первой фазы психомоторного теста.  Длительность N2 должна была быть не менее 1,5 минуты, оценка принадлежности полисомнограмм к N2 проводилась визуально по критериям AASM (2023 г.). У каждого испытуемого выбирали по два отрезка полисомнограмм – с единичным нажатием и с паттерном (2–6 нажатий). Если отрезков с тем или иным числом нажатий было несколько, то предпочтение отдавалось парам, наиболее близким по времени. Пример полисомнограммы с пробуждением и частичным выполнением психомоторного теста приведен в работе [13].

Анализировали 40-секундные отрезки записи ЭЭГ, на середину которых приходились нажатия на кнопку: по 20 секунд до и после начала нажатий. Для оценки мощностных характеристик биоэлектрической активности коры проводили непрерывное вейвлет-преобразование на основе материнского комплексного Morlet-вейвлета (Matlab 78.01). Карты распределения значений модуля коэффициента вейвлет-преобразования (КВП) строили в полосе 0,5–40 Гц с шагом 0,5 Гц и разрешением по времени 0,01 секунды. Проводили усреднение КВП по частоте в диапазонах 0,5–3,5, 4–7,5, 8–10,5 и 11–14,5, 15–20,5 и 21–40 Гц (дельта-, тета-, низкочастотный и высокочастотный альфа-ритмы, бета- и низкочастотный гамма-ритм), далее усредняли по времени, в двухсекундных интервалах.

Полученные амплитудно-мощностные характеристики ЭЭГ анализировали с помощью дисперсионного анализа (ANOVA RM). Рассматривали влияние на них факторов: «число нажатий» – два уровня (единичное нажатие и паттерн нажатий), «поведенческая активность» – два уровня (периоды – до начала нажатий на кнопку и после) и «время» (10 уровней – 10 двухсекундных интервалов времени). ANOVA RM проводили как суммарно (то есть по усредненным мощностным характеристикам всех отведений ЭЭГ для каждого отсчета), так и по отдельности для каждого отведения ЭЭГ. Статистические оценки проводили с учетом поправки Гринхауза – Гессера. С помощью парного критерия Стьюдента полученные в результате усреднений по всем отведениям ЭЭГ амплитудно-мощностные характеристики сравнивали между ситуациями с единичным нажатием и паттерном нажатий – по каждому выделенному двухсекундному интервалу и в каждом из спектральных диапазонов. По результатам этого сравнения выделяли временные интервалы с различающимися характеристиками. Внутри этих интервалов для каждого отведения проводили аналогичное сравнение – также по парному критерию Стьюдента. Все вычисления проводили с помощью пакета программ SPSS 13.0.

Результаты

Показано влияние факторов «число нажатий» и «время» на суммарные (усредненные по всем отведениям) спектральные характеристики ЭЭГ дельта-колебаний (F (1; 18) = 8,01, p < 0,011 и F (9; 10) = 3,13, p < 0,05 соответственно) и тета-ритма (F (1; 18) = 8,9, p < 0,01 и F (9; 10) = 3,89, p < 0,03 соответственно), а также факторов «поведенческая активность» и «время» на альфа1-ритм (F (1; 18) = 5,63, p < 0,03 и F (9; 10) = 9,35, p < 0,001 соответственно).

Мощность дельта- и тета-активности в целом была больше во время пробуждения при единичном нажатии, чем при серии нажатий. Низкочастотный альфа-ритм был больше после начала нажатий, чем в период до них. Значимые различия между ситуациями с единичным нажатием и серией нажатий по временным отрезкам были показаны для дельта-колебаний и альфа1-ритма за 13–14 секунд до начала нажатий и для дельта-колебаний в первые четыре секунды психомоторной деятельности (рис. 1).

Показано генерализованное влияние по отведениям ЭЭГ фактора «число нажатий» на мощность дельта-колебаний и тета-ритма (рис. 2А.1 и рис. 2Б.1) и фактора «поведенческая активность» на мощность альфа1-ритма в каудальных областях коры (рис.  2В.2).

В интервале 3–4 секунды до начала деятельности между ситуацией с единичным нажатием и ситуацией с серией нажатий показаны значимые различия в мощности тета-ритма в каудальных областях коры (рис. 3Б.1).  В интервале 1–2 секунды, непосредственно перед деятельностью, – различия в мощности дельта-колебаний в левой лобной и лобно-височной коре (рис. 3А.2), в мощности тета-ритма в лобной, лобно-височной, передневисочной, центральной и теменной областях левого и лобно-височной области правого полушария (рис. 3Б.2). В интервале 1–2 секунды, непосредственно после начала нажатий, показаны различия в мощности дельта-колебаний практически во всех отведениях ЭЭГ (рис. 3А.3) и в мощности тета-ритма в передних и височных областях обоих полушарий (рис. 3Б.3). Во всех случаях величины спектральных характеристик были больше в ситуации с единичными нажатиями.

В начале активации, которая закончилась микропробуждением и эпизодом поведенческой активности в интервале 13–14 секунд до начала нажатий между ситуацией с единичным нажатием и ситуацией с серией нажатий, показаны значимые различия в мощности дельта-колебаний практически во всей области отведения ЭЭГ (рис. 4А.3) и в мощности альфа1-ритма в передних областях левого и генерализованно – в правом полушарии (рис. 4В.3).

Обсуждение

Периоды активации, которые заканчиваются микропробуждениями с единичным нажатием на кнопку, обусловленным необходимостью выполнения психомоторного теста, сопровождаются ЭЭГ с более выраженными дельта-колебаниями и тета-ритмом большей мощности, чем в ситуации с серией нажатий. Этот факт позволяет предположить, что более короткий период моторной активности происходит при пробуждении из более выраженной второй стадии ортодоксального сна. В этом случае более высокие амплитуды К-комплексов, которые непосредственно предшествуют единичному нажатию, можно рассматривать как проявление активационных процессов, требующихся для окончательного выведения субъекта из более глубокого сонного состояния. Роль К-комплексов в активациях мозга, которые приводят к пробуждению, показана в работах [8, 15]. Также были получены доказательства, что мощность К-комплексов должна достигать определенного уровня, чтобы запустить этот процесс и подвести субъекта к деятельности [16]. Вместе с тем более глубокое сонное состояние, предшествующее деятельности, предполагает более сильное влияние на нее такого явления, как инерция сна [17]. На более выраженное влияние инерции сна, которое, как мы предполагаем, сократило поведение до единичного нажатия на кнопку, указывают более высокие характеристики дельта- и тета-активности во время и после единичного нажатия, чем в ситуации серии нажатий. Отметим, что в других обстоятельствах, а именно на начальной стадии исследуемой нами продолжительной активации мозга (за 13–14 секунд до единичного нажатия), появление К-комплексов существенно меньшей амплитуды не приводило к пробуждению и двигательной активности.

Более выраженная мощность тета-ритма при единичных нажатиях, как мы уже упоминали, связывается с процессами инерции сна. Вместе с тем тета-ритм, особенно во фронтальной коре, связывают с процессами когнитивного контроля [18]. При этом тета-ритм увеличивается не только во время выполнения заданий психомоторного теста, но и в процессе подготовки к нему. Иначе говоря, функция контроля включается раньше начала деятельности и носит упреждающий характер. Наблюдаемые нами бóльшие величины мощности тета-ритма в ситуации единичного нажатия по сравнению с серией нажатий во фронтальных областях отведения ЭЭГ можно рассматривать как усиление функции когнитивного контроля, который необходим при психомоторной деятельности в условиях преодоления более выраженного влияния ортодоксального сна.

Усиление альфа-ритма в период микропробуждения непосредственно перед началом нажатий мы связываем в наших исследованиях с припоминанием инструкции и подготовкой к воспроизведению психомоторного теста [13, 16]. Увеличение его мощностных характеристик в период после начала нажатий, особенно в теменно-затылочных областях, отражает поддержание активации при выполнении этой психомоторной деятельности, а далее, когда нажатия прекращаются, вероятно, ее следовые процессы. Теменно-затылочный альфа-ритм необходим для поддержания сознания [19]. Необходимость присутствия этой ритмической составляющей в ЭЭГ для осуществления сознательной деятельности при коротких пробуждениях показана в работе [11]. Ранее нами отмечались существенная роль этого ритма при выполнении психомоторного теста и его связь с уровнем сознания во время более длительных пробуждений [13]. На этом основании можно предположить, что не только паттерн из 2–6 нажатий, но и единичные нажатия являются сознательными актами, однако уровень сознания, вероятно, значительно снижен по сравнению с выполнением данной деятельности в состоянии бодрствования. При этом отсутствие различий в мощностных характеристиках альфа-ритма, сопровождающих обсуждаемую кратковременную деятельность разной длительности, свидетельствует, что в обоих случаях воспроизведение психомоторного теста в условиях микропробуждения происходит на сходном уровне.

Заключение

Длительность выполнения психомоторного теста в условиях кратковременного пробуждения из второй стадии ортодоксального дневного сна связана с глубиной этой стадии, которая характеризуется разной величиной мощностных характеристик дельта-колебаний и тета-ритма. По сравнению с несколькими нажатиями единичным нажатиям предшествует период более глубокого сонного состояния, который завершается К-комплексами с более высокими амплитудами. К-комплексы в этих обстоятельствах рассматриваются как проявление активационных процессов, требующихся для подготовки к выполнению нажатий на кнопку. Отсутствие различий в мощностных характеристиках альфа-ритма при деятельности разной длительности свидетельствует, что в обоих случаях воспроизведение психомоторного теста в условиях микропробуждения происходит на сходном функциональном и сознательном уровне. Полученные результаты будут полезны в клинической практике при исследовании расстройств возбуждений во время сна, которые приводят к непроизвольной двигательной активности различной длительности и сложности. 

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на 2021–2023 гг.

Конфликт интересов отсутствует.