Цикл сон—бодрствование у здоровых людей является перспективной моделью для выделения предикторов успешного поведенческого пробуждения пациентов из коматозного состояния разной этиологии [1]. Присутствие по данным электроэнцефалографии (ЭЭГ) сонных веретен и ее реактивность на внешние стимулы (десинхронизация/синхронизация) может рассматриваться как признак приближающегося восстановления сознания [2—4]. Изучение нами реактивности ЭЭГ, вызванной изменением активации мозговых структур здоровых испытуемых при спонтанном когнитивном пробуждении, показало ее связь с уровнем сознания, на фоне которого впоследствии развивается поведенческое пробуждение и выполняется психомоторный тест [5]. Представления о когнитивном пробуждении, когда человек не в состоянии двигаться, но способен воспринимать внешние раздражители, и последующим за ним поведенческим пробуждением, когда он речью или движениями реагирует на стимуляцию [6], сближают наши исследования переходных состояний цикла сон—бодрствование с обнаружением признаков сознательной деятельности пациентов при выходе из комы [7].

Межполушарная асимметрия (МПА) и ее динамика в характеристиках ЭЭГ также имеют значение для оценки успешности восстановления высших психических функций после нарушения сознания, вызванного травмой [8]. В этом плане представляется перспективным исследование МПА при пробуждении у здоровых испытуемых для расширения наших представлений о нейрофизиологических коррелятах появления сознательных реакций.

Отметим, что работ, посвященных межполушарным различиям в биоэлектрической активности мозга при пробуждении практически нет. Нами обнаружена статья, в которой показано устойчивое преобладание правого полушария при переходе утреннего сна в бодрствование [9].

Цель исследования — изучить МПА ЭЭГ здорового человека при когнитивном пробуждении из II стадии дневного сна перед восстановлением выполнения психомоторного теста [10]. Нашей задачей являлось оценить в этих условиях амплитудно-амплитудное взаимодействие ритмов ЭЭГ в левом и правом полушариях.

Материал и методы

В эксперименте участвовали 23 человека (16 женщин и 7 мужчин; от 19 до 22 лет; все студенты; правши). Испытуемые были ознакомлены с процедурой исследования и дали письменное согласие на участие в нем. Исследование соответствовало этическим нормам Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации «Этические принципы проведения научных медицинских исследований с участием человека» с поправками 2000 г. и «Правилами клинической практики в Российской Федерации», утвержденными Приказом Минздрава России от 19.06.03 №266. Уровень дневной сонливости оценивали по Каролинской шкале сонливости (KSS).

Эксперимент проводился с 13.00 до 16.00 ч. Его длительность составляла от 55 мин до 1 ч. Испытуемые располагались на кушетке в затемненной, звукоизолируемой и проветриваемой камере. В помещении поддерживалась постоянная комфортная температура.

Экспериментальной моделью служил непрерывно-дискретный психомоторный тест, разработанный В.Б. Дороховым [10]. Обследуемые должны были считать «про себя» от 1 до 10, одновременно нажимая на кнопку при каждом отсчете, зафиксированную на указательном пальце правой руки, затем считать «про себя» от 1 до 10, но уже без нажатий. Монотонное выполнение задания приводило к засыпанию. В случае засыпания и последующего спонтанного пробуждения они должны были немедленно возобновить выполнение психомоторного теста. В инструкции особо подчеркивалось, что при просыпании надо сначала выполнять счет с нажатием на кнопку и только потом без нажатия.

От 17 электродов регистрировали ЭЭГ с поверхности головы. Они располагались по схеме 10—20% (F3, F4, F7, F8, Fz, C3, C4, Cz, T3, T4, P3, P4, Pz, T5, T6, O1, O2). Отведение ЭЭГ монополярное, референтный электрод объединенный ушной. Также регистрировали электроокулограмму (ЭОГ), электромиограмму (ЭМГ) и механограмму нажатия на кнопку. Регистрацию всех показателей проводили с помощью системы Neocortex-Pro («Neurobotics», Россия). Частота дискретизации 250 Гц. Полоса пропускания частот 0,5—70 Гц. ЭЭГ регистрировали с помощью специального шлема с хлорсеребряными электродами, с сопротивлением, не превышающим 5 кОм.

Анализировали 20-секундные отрезки ЭЭГ при когнитивном пробуждении из II стадии сна, перед появлением широко распространенного по коре альфа-ритма с последующим возобновлением психомоторного теста. Критерий выбора эпохи анализа соответствует критерию Американской ассоциации по нарушениям сна (ASDA) [11]. Анализировали 65 отрезков ЭЭГ, при этом время коротких эпизодов сна перед пробуждением варьировалось от 1,5 до 14 мин. Количество спонтанных пробуждений в анализируемой выборке у испытуемых изменялось от 1 до 8.

Оценка характеристик ЭЭГ осуществлялась с использованием непрерывного вейвлет-преобразования на основе «материнского» комплексного Morlet-вейвлета (Matlab 78,01, параметры для скриптов брали у C. Tallon-Baudry и соавт. [12]). Для каждого испытуемого когнитивные вызванные потенциалы (КВП) усредняли по количеству его пробуждений в эксперименте. Далее проводили усреднение в частотных диапазонах дельта (0,5—3,5 Гц), тета (4—7,5 Гц), альфа1 (8—10,5 Гц), альфа2 (11—14,5 Гц), бета (15—19,5 Гц) и гамма (20—40 Гц) активности. Эти величины усредняли по времени (по четырем 5-секундным интервалам) и отведениям для каждого полушария. Таким образом, ЭЭГ каждого испытуемого для каждого из четырех временных интервалов, выделенных перед пробуждением, описывалось 6-частотными характеристиками (по числу 6 избранных для анализа диапазонов) для левого и правого полушарий.

Мерой взаимодействия ритмов ЭЭГ служил коэффициент корреляции Кендалла (КК). Например, для определения силы взаимодействия дельта- и альфа1-ритмов брали вычисленные показатели дельта и альфа1 ЭЭГ для каждого испытуемого (n=23) и между ними вычисляли КК. Эту операцию проводили для всех пар ритмов — по каждому из четырех 5-секундных интервалов, на которые была поделена 20-секундная эпоха анализа. Полученный амплитудно-амплитудный показатель отражает функциональное взаимодействие между генераторами ритмов на ЭЭГ [13]. Статистическая обработка осуществлялась с помощью пакета программ SPSS, v.12.

Результаты

Результаты исследования взаимодействия ритмов ЭЭГ для левого и правого полушарий мозга в процессе когнитивного пробуждения приведены на рисунке. На временном участке за 20—15 с до появления широко распространенного по коре альфа-ритма при подавляющем количестве симметричных связей в полушариях (см. рисунок, а, 1) показана связь тета—альфа2 в левом полушарии (см. рисунок, б,1). Также в этом полушарии выявлена отрицательная корреляция ритмов дельта—гамма. Следующий временной отрезок (15—10 с) демонстрирует наличие асимметричных связей тета—альфа2 и тета—бета-ритмов в левом полушарии и дельта—тета в правом полушарии (см. рисунок, б, 2). на отрезке 10—5 с показана связь альфа2—гамма в левом полушарии (см. рисунок, б,3). На последнем из анализируемых отрезков (5—0 с) также обнаружена единственная асимметричная связь тета—альфа2 — в левом полушарии (см. рисунок, б, 4). Таким образом, в период когнитивного пробуждения оба полушария в основном работают синхронно. Однако при этом отмечаются асимметричные связи ритмов. В основном это связи тета-ритма, и наблюдаются они в левом полушарии мозга человека.

Карты-схемы значимых корреляционных связей между ритмами ЭЭГ в целом по левому и правому полушариям перед когнитивным пробуждением из II стадии дневного сна.

Слева направо на картах-схемах — левое и правое полушарие; а — одинаковые связи, наблюдаемые в обоих полушариях; б — межполушарные различия; 1, 2, 3 и 4 — интервалы времени за 20—15, 15—10, 10—5 и 5—0 с до пробуждения соответственно; Δ, θ, α1, α2, β и γ — дельта-, тета-, альфа1-, альфа2-, бета- и гамма-ритмы соответственно; линиями между значками ритмов отмечены значимые корреляционные связи: тонкая линия — p<0,05, толстая — p<0,01.

Обсуждение

В период когнитивного пробуждения из II стадии дневного сна, предшествующего восстановлению выполнения заданий психомоторного теста обнаружена МПА в амплитудно-амплитудном взаимодействии ритмов биопотенциалов мозга. Она формируется за счет большего количества связей в левом полушарии по сравнению с правым (6 против 1). В основном это связи тета- с альфа2- и бета-ритмом. Считается, что тета-ритм отражает работу кортико-гиппокампальной системы. Альфа-ритм связан с работой таламокортикальной системы. Бета-ритм может быть связан как с кортико-гиппокампальной, так и с таламокортикальной системами. Учитывая это, можно сделать предположение об определенном уровне активации кортико-гиппокампальной системы за счет объединения с быстрыми ритмами, которые подключают таламокортикальную систему и, вероятно, дополнительные области мозга или дополнительные нейронные сети в пределах одной корково-подкорковой системы. В 3 из 4 исследуемых временных интервалах мы наблюдаем связи тета-ритма, который, как известно, связан с работой гиппокампа. Можно предположить, что именно в это время происходит извлечение из памяти инструкции, которая в дальнейшем позволяет вернуться к деятельности, прерванной сном. Ранее было показано, что при пробуждении изменения в биоэлектрической активности гиппокампа и орбитофронтальной коры носят прогрессирующий и динамичный характер и определяются предшествующей стадией сна, а во фронтальной коре — интенсивностью первоначальной реакции [14]. Это хорошо согласуется с нашими результатами.

В правом полушарии мы наблюдаем единичную асимметричную связь дельта—тета-ритмов (см. рисунок, б, 2). Как нами уже отмечено выше, дельта- и альфа-ритмы традиционно связывают с работой таламокортикальной системы, а тета-ритм — с кортико-гиппокампальной. Судя по наличию связи дельта-ритма с тета-ритмом, можно сделать предположение об объединении двух вышеуказанных корково-подкорковых систем.

Во сне правое полушарие может быть доминирующим из-за необходимости поддерживать определенный уровень бдительности [15]. Если исходить из предположения об ответственности правого полушария за бдительность во сне, то в нашей работе, вероятно, это явление характеризует связь дельта—тета. В работе M. Casagrande и соавт. [9] показано доминирование правого полушария при переходе от утреннего сна к бодрствованию. Расхождение с нашими результатами объясняем различиями в модели эксперимента. В наших опытах испытуемый не просто пробуждается: ему предписывается инструкцией, проснувшись, немедленно начать выполнять психомоторную задачу. Подготовка к нажатиям правой рукой на кнопку во время когнитивного пробуждения, как нам представляется, требует большей активации левого полушария. Преимущественное участие этого полушария в психомоторной деятельности во время бодрствования показано в работе Л.А. Жаворонковой [16].

Заключение

При когнитивном пробуждении выявлена МПА взаимодействия ритмов ЭЭГ. Она формируется за счет связей тета-ритма с альфа2- и бета-ритмом в левом полушарии и дельта—тета в правом. На протяжении 20-секундной эпохи анализа ЭЭГ до появления широко распространенного по коре альфа-ритма отмечаются различные комбинации взаимодействия ритмов ЭЭГ.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант №22-28-01769.

The work was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 22-28-01769.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare there is no conflict of interest.