Ограничение и сдвиги периода сна практически здоровых людей, распространенные в современном обществе, создают условия для нарушения когнитивных функций и поведенческой активности при бодрствовании в течение дня [1, 2], усиливают инерцию сна после пробуждения, в основном после принудительного раннего пробуждения [3, 4], могут привести к инсомнии и переходу этих нарушений на субклинический, а в дальнейшем и клинический уровень [5, 6]. Исследование когнитивной деятельности в условиях пробуждения позволяет выявить объективные показатели, которые могут быть использованы в клинической практике у пациентов с минимальными когнитивными нарушениями, возникающими при расстройствах сна.

Инерция сна (ИС) взаимодействует с гомеостатическими и циркадными процессами и влияет на когнитивную активность сразу после пробуждения [7]. В этом состоянии часто исследуется устойчивое внимание/бдительность, т.е. способность сохранять внимание в течение определенного периода времени и своевременно реагировать на внешние раздражители [8]. Обнаружено, что непосредственно после пробуждения страдают все исследуемые когнитивные процессы, но бдительность и устойчивое внимание (применялся тест Psychomotor Vigilance Test, PVT) страдают больше, чем рабочая память и когнитивная производительность (задача непрерывного выполнения и на сложение чисел соответственно) [9]. Длительное выполнение PVT показала снижение производительности во время выполнения теста, причем в большей степени этот эффект был выражен при депривации [10].

У субъектов с задержкой фазы сна и бодрствования (DSWPD) на основании показателя реакции на целевой стимул (использовался тест Conners’ Continuous Performance Test II) и на появления простого стимула (тест Sustained Reaction Time Test) выявлено снижение способности фокусировать внимание, особенно после принудительного пробуждения [1, 3]. Субъективная оценка качества сна и устойчивое внимание снижались при вынужденном пробуждении по сравнению с ночами со свободным временем пробуждения (использовались аналог «Дневника сна» и опросник Morningness-Eveningness Questionnaire) 4]. Во всех трех упомянутых случаях экспериментаторы отмечают, что участники опытов были студентами, которые могли справляться с симптомами, вызванными нарушениями сна, и были в состоянии поддерживать регулярный (но с поздним засыпанием) режим сна.

В исследованиях ИС без когнитивной нагрузки по сравнению с периодом, который предшествовал сну, отмечаются снижение мощности бета-ритма электроэнцефалограммы (ЭЭГ), связанной с бодрствованием, и более высокая дельта-активность [11, 12]. В работе с использованием ЭЭГ и функциональной МРТ (фМРТ) головного мозга сразу после пробуждения была показана корреляция ухудшения когнитивной деятельности (выполнения задачи на вычитание) с присутствием в этот период свойственных сну и состоянию сонливости характеристик: выраженной мощности ЭЭГ в дельта-диапазоне и тесной связи между сетью режима по умолчанию и областями мозга, отвечающими за сенсомоторный контроль и внимание. При этом тяжесть поведенческих и мозговых изменений при пробуждении была связана с продолжительностью и глубиной предыдущего сна [13].

В опытах с выполнением PVT после насильственных пробуждений из ортодоксального ночного сна и отведением ЭЭГ (спустя 2, 17, 32 и 47 мин после пробуждения) мощность дельта-колебаний практически не изменилась по отношению к фоновым записям, за исключением ее роста при «+32»; альфа-ритм был снижен при 2 и 17 мин и далее возвращался к фоновым значениям, а бета-ритм восстанавливался только к 47 мин [14]. В опытах с выполнением теста Струпа и проведением ЭЭГ показано влияние инерции сна утром после пробуждения в группах с нормальным сном и депривацией. В первые 5 мин после пробуждения депривация давала значимое увеличение времени реакции, а мощность тета- и альфа-ритма возрастала по сравнению с фоновыми записями (выполнение задания в тот же день вечером) в обеих группах. При этом тета-ритм был существенно выше в группе с депривацией, а представленность альфа-ритма оказалась сопоставимой в обеих группах [15].

В наших исследованиях влияния на когнитивные функции состояния субъекта непосредственно после пробуждений во время дневного сна мы используем бимануальный психомоторный тест (ПМТ) [16]. Сопоставление точного выполнения заданий теста с тем или иным отклонением у одного и того же испытуемого позволяет на коротких интервалах времени оценить степень восстановления когнитивных функций и сопутствующие им объективные характеристики в условиях влияния предшествующего эпизода сна.

Данная работа направлена на исследование коррелятов уровня возбуждения, которое приводит к пробуждению и на фоне которого с припоминанием инструкции начинается когнитивная деятельность, а также устойчивости внимания во время этой деятельности.

Цель работы — исследовать нарушения устойчивого внимания (бдительности) и выделить их объективные характеристики в условиях состояния ИС после самопроизвольного пробуждения из дневного сна.

Материал и методы

Обследовали 15 здоровых испытуемых, правшей, студентов (14 женщин и 1 мужчина в возрасте от 18 до 22 лет).

Критерии включения: здоровые студенты.

Критерии невключения: наличие неврологических, психических заболеваний и расстройств сна в анамнезе; прием любых лекарственных препаратов.

Необходимо было сопоставить спектральные характеристики ЭЭГ после эпизода дневного сна 2-й стадии при восстановлении выполнения бимануального ПМТ. В качестве меры устойчивости внимания в этой ситуации было использовано количество нажатий: меньшее, чем предустановлено инструкцией, их количество рассматривалось как поведенческий показатель меньшей устойчивости внимания, а совпадающее с инструкцией — большей.

Испытуемым было предписано не принимать алкоголь в течение дня, предшествующего исследованию. В день эксперимента испытуемым было рекомендовано воздержаться от употребления кофе, крепкого чая, шоколада и энергетических напитков. Участники исследования не получали денежного вознаграждения.

Перед началом эксперимента участники заполнили анкеты «Дневник сна», Каролинскую шкалу сонливости (KSS) и общего состояния перед началом эксперимента (САН). Начало опыта — с 13.00—14.00, продолжительность около 1,5 ч. Во время записи испытуемый лежал на кушетке с закрытыми глазами в затемненном звукоизолированном и вентилируемом помещении. В исследовании использовался бимануальный ПМТ. На указательном пальце каждой руки была закреплена кнопка, на которую испытуемый должен был нажимать большим пальцем: 10 раз, чередуя серии нажатий правой и левой руками. Испытуемый нажимал на кнопки, пока не засыпал. При самопроизвольном пробуждении он возобновлял выполнение теста.

Регистрировали ЭЭГ от 18 хлорсеребряных электродов в соответствии со схемой 10—20% (референтные электроды располагались на мастоидах, сопротивление до 5 кОм, частота дискретизации 1000 Гц, полоса пропускания усилителя 0,5―40 Гц), электроокулограммы и механограммы нажатий на кнопки. У каждого испытуемого анализировали ЭЭГ в двух ситуациях — частичного и полного выполнения заданий теста. Частичным выполнением считали ситуацию, при которой субъект нажимал на кнопку правой, а затем левой рукой от 7 до 9 раз; полным — количество нажатий, соответствующее инструкции. Выбирали отрезки записи при самопроизвольном пробуждении после эпизода 2-й стадии сна не менее 30 с. Оценка принадлежности ЭЭГ к данной стадии проводилась экспертами по критериям AASM [17]. Длина отрезков 40 с (по 20 с до и после начала нажатий).

Для оценки мощностных характеристик биоэлектрической активности коры проводили непрерывное вейвлет-преобразование [18]. Исследовали дельта- (1—3 Гц), тета- (4—7), альфа-1- (8—10), альфа-2- (11—13), бета- (14—20) и гамма- (21—40) диапазоны. Для сглаживания различий в мощности ЭЭГ отдельных испытуемых нормировали ее амплитудно-частотные характеристики: вычитали из значений, полученных на каждом анализируемом 2-секундном отрезке, значения, вычисленные на 2-секундном отрезке, непосредственно предшествующем анализируемому 40-секундному отрезку ЭЭГ; далее делили эти разности на соответствующие величины анализируемых 2-секундных отрезков и умножали на 100%. Таким образом, вычисленные параметры показывают, на какую долю в процентах по отношению к исходному уровню (за 20 с до нажатий на кнопку) изменяются мощностные характеристики ЭЭГ. Были взяты значения в этот период для исходного уровня изменений в ЭЭГ, так как было показано, что первые признаки активации мозга во сне, которые могут заканчиваться движениями, наблюдаются несколько позже этого времени [19].

Исследование одобрено этической комиссией ИВНД и НФ 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.

Статистический анализ. Полученные величины, усредненные по всем отведениям ЭЭГ, анализировали с помощью дисперсионного анализа (ANOVA RM). Оценивали влияние на них факторов «ситуация»: 2 уровня (частичное и полное выполнение теста), «деятельность»: 2 уровня (до нажатий и после) и «время»: 10 уровней (по количеству 2-секундных отрезков до и после нажатий). Все результаты получали с использованием поправки Гринхауза—Гессера. Post-hoc анализ осуществляли с помощью теста Фишера, далее на основании его результатов в соответствующих спектральных диапазонах и временных отрезках с помощью парного критерия Стьюдента оценивали различия между исследуемыми ситуациями по областям отведения ЭЭГ. Статистические вычисления проводили с помощью пакетов программ SPSS 13.0 и Statistica 8.0.

Результаты

На мощность дельта-активности показано статистически значимое влияние фактора «ситуация» (F(1,14)=7,44; p<0,016): в ситуации с неполным воспроизведением ПМТ эта мощность на всем исследуемом отрезке ЭЭГ была больше. При этом уровня значимости между ситуациями это различие, согласно post-hoc анализу, достигало только за 15—16 с до начала деятельности и в первые 6 с после (см. рисунок, а).

Нормированные суммарные значения мощности по всем отведениям ЭЭГ дельта-, альфа-1- и гамма-активности при пробуждении, перед началом и при выполнении ПМТ разной эффективности во время эпизода спонтанного пробуждения из второй стадии дневного сна.

а — дельта-, б — альфа-1-, в — гамма-колебания; пунктирная линия — по 7—9 нажатий сначала правой, а потом левой рукой, сплошная — полное воспроизведение теста (по 10 нажатий); по горизонтали — время, 2-секундные интервалы; по вертикали — нормированные по отношению к значениям на предшествующем 2-секундном интервале спектральные характеристики (%), стрелка — начало нажатий после пробуждения и припоминания инструкции; знаки «*», «**» и «***» — p<0,05, p<0,01 и 0,001 соответственно; показана ошибка среднего.

В первые 4 с после нажатий это соотношение было значимым в большинстве отведений ЭЭГ, т.е. носило генерализованный характер. На мощность тета-колебаний значимо влиял фактор «деятельность» (F(1,14)=7,15; p<0,018): после начала деятельности он существенно снижался, независимо от количества нажатий. На мощность низкочастотного альфа-ритма также влияли фактор «деятельность» (F(1,14)=16,83; p<0,001)) и сочетание факторов «ситуация» и «деятельность» (F(1,14)=10,16; p<0,007). До начала деятельности его значения не различались, а в период выполнения теста были выше в ситуации полного воспроизведения его заданий (см. рисунок, б).

На временных отрезках, где с помощью post-hoc анализа отмечалась статистическая значимость этого фактора, она также была показана для большинства отведений ЭЭГ.

Обнаружено влияние фактора «поведение» на высокочастотный альфа- и бета-ритм (F(1,14)=7,15; p<0,015 и F(1,14)=7,76; p<0,015 соответственно): в обоих случаях их мощностные характеристики были больше при психомоторной деятельности, чем в период, ей предшествующий. На изменения гамма-ритма также показано влияние фактора «поведение» (F(1,14)=35,98; p<0,0001). К началу нажатий он существенно возрастал в обеих исследуемых поведенческих ситуациях, затем — при неполном количестве нажатий снижался, а при полном — после некоторого снижения наблюдался период роста (см. рисунок, в).

Обсуждение

Во время выполнения ПМТ после эпизодов дневного сна выявлены различия мощностных характеристик ЭЭГ в ситуациях частичного и полного его воспроизведения. При частичном выполнении величины мощностных характеристик медленноволновых колебаний численно больше на всем исследуемом отрезке, достигают максимума в начале выполнения теста и далее снижаются до уровня начала пробуждения. При полном воспроизведении заданий теста наибольшая мощность этих колебаний наблюдается в период перед нажатиями и по мере выполнения психомоторной деятельности уменьшается, приобретая к концу анализируемого отрезка ЭЭГ более низкие величины, чем в начале пробуждения.

Если исходить из гипотезы, что появление медленоволновой активности на ЭЭГ в период перед началом ПМТ связано с припоминанием инструкции после эпизода кратковременного сна [20], то можно предположить, что смещение ее максимальных мощностных характеристик на период нажатий свидетельствует о том, что в это время продолжается припоминание инструкции и этот процесс влияет на эффективность психомоторной деятельности испытуемых. Они припоминают, что им необходимо нажимать на кнопку то правой, то левой рукой, но точное количество нажатий, которое необходимо сделать перед и после переключения, не актуализируется при деятельности после эпизода сна, и мы наблюдаем неполное воспроизведение заданий теста. При этом нельзя исключать возможность более выраженной в этих обстоятельствах ИС, которая влияет на поведение и также характеризуется усилением низкочастотной активности после пробуждения [11—13].

Также в период деятельности после пробуждения показано, что при полном воспроизведении ПМТ спектральные характеристики низкочастотного альфа-ритма существенно выше, чем при частичном. Это соответствует ранее полученным нами результатам в исследованиях с использованием унимануального варианта ПМТ, которые показали роль этого ритма для эффективности выполнения когнитивной деятельности после пробуждения [21]. Альфа-активность ЭЭГ участвует в обеспечении процессов внимания, в том числе с таким его аспектом, как его устойчивость (бдительность) [8, 22]. Меньшие значения его мощности во время психомоторной деятельности при частичном выполнении теста могут указывать на трудности длительного поддержания внимания испытуемыми в условиях ИС.

Различие в значениях мощности гамма-ритма обнаружилось только при переключении выполнения нажатий с правой руки на левую: в этот период в ситуации полного выполнения теста наблюдается существенный их рост, тогда как при частичном — они снижаются. В методическом отношении гамма-ритм показывает свою эффективность для отслеживания изменений уровня активации в достаточно широком спектре состояний, в том числе при ортодоксальном и парадоксальном сне, и отражает уровень активации субъекта [23]. С увеличением времени выполнения задач на устойчивость внимания наблюдаемые изменения в гамма-активности ассоциированы с эффективностью деятельности в этот период: провалы внимания сопровождаются снижением мощности, а безошибочное выполнение — постоянными ее значениями [24, 25]. L. Borghetti и соавт. [25] также показано, что время реакции (ВР) на появление стимула связано с мощностью гамма-осцилляций: у испытуемых с коротким ВР мощность с течением времени снижалась, а с более продолжительным — оставалась неизменной. Этот результат, с точки зрения авторов, характеризует мотивационные различия между испытуемыми. Вероятно, контроль за обусловленным инструкцией количеством нажатий, за которым должно последовать переключение с одной руки на другую, после пробуждения требует больше ресурсов внимания и поддержания его устойчивости, что сопровождается ростом гамма-активности на ЭЭГ.

Заключение

Исследование спектров ЭЭГ здоровых испытуемых после эпизода дневного сна в условиях самопроизвольного пробуждения и последующего выполнения заданий бимануального ПМТ выявило различия, связанные с разной эффективностью их выполнения. Ситуация с меньшим, чем предписано инструкцией, количеством нажатий, по сравнению с ситуацией полного воспроизведения заданий теста, сопровождается более высокими значениями мощности медленноволновых колебаний и меньшими величинами низкочастотного альфа-ритма. Эти факты указывают на различия в активации, которые влияют на устойчивость внимания в этих обстоятельствах. Быстрое истощение ресурсов внимания в условиях ИС не сказывается на выполнении переключения психомоторной деятельности с одной руки на другую. При этом контроль за обусловленным инструкцией количеством нажатий в ситуации с более эффективным выполнением теста требует больше ресурсов мозга, что отражается в усилении гамма-активности в этот период.

Анализ и оценка нейрокоррелятов устойчивости внимания (бдительности) и поведенческих нарушений, обусловленных ситуацией пробуждения, позволяют создать набор маркеров, которые могут быть использованы для оптимизации цикла отдых-активность в условиях ограничений и сдвигов периода сна. ПМТ, который позволяет объективно оценивать когнитивную дисфункцию, возникающие при переходных состояниях цикла сон—бодрствование, может дать дополнительную диагностическую информацию при жалобах когнитивного характера, связанные с пробуждением, а также при когнитивно-поведенческой терапии — с учетом ее осуществимости и приемлемости для пациентов.

Работа выполнена в рамках Государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на 2021—2023 годы.

Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов.