Физиология человека, 2019, T. 45, № 2, стр. 44-50

МЕТОДИКА

Выполнили два исследования, каждое из которых состояло из 2-х опытных дней с перерывом в 3–7 дней, в которых участвовали соответственно 23 испытуемых-добровольцев в возрасте от 18 до 31 года (9 женского пола) и 20 испытуемых-добровольцев в возрасте от 18 до 23 лет (11 женского пола), соответственно. Все испытуемые подписывали Информированное согласие, которое вместе с регламентом исследования было одобрено Комиссией по биоэтике МГУ им. М.В. Ломоносова.

Над правой рукой сидящего в кресле испытуемого располагалась искусственная кисть антропоморфного вида (рис. 1), каждый палец которой мог сгибаться с помощью струнной тяги от компактного сервомотора и разгибаться посредством растягивающегося при сгибании резинового тяжа [18]. На последних фалангах каждого пальца фантома установили белые светодиоды яркостью 5 Кд, кратковременное (на 50 мс) включение которых служило зрительными стимулами, выполняющими роль маркеров “целевых” и “не целевых” пальцев. Фокусирование внимания испытуемого на подсветках маркера на “целевом” пальце фантома воспроизводило известную парадигму “oddball” и приводило к характерным изменениям в связанных с этим событием потенциалах (ПСС) ЭЭГ, в основном в виде возрастания позитивности в области 300 мс после начала подсветки. Таким образом, в контуре ИМК-Р300 по наличию таких изменений детектировали внимание испытуемого к конкретному пальцу фантома и по факту этого события с помощью компактного сервомотора запускали движение соответствующего пальца искусственной кисти. Испытуемые получали возможность произвольно управлять пальцами искусственной кисти одними только мысленными усилиями [16].

Рис. 1.

Общий вид испытательного стенда для выполнения исследования. 1 – фантом кисти, 2 – светодиоды на пальцах кисти, 3 – дисплей для задания номера целевого пальца, 4 – резиновые тяжи, 5 – сервоприводы пальцев, 6 – усилитель ЭЭГ, 7 – катушка ТМС.

Для выделения и анализа ПСС на включения светодиодов использовали записи ЭЭГ в отведениях Pz, Poz, PO₃, PO₄, PO₇, PO₈, O₁, O₂ (10–10% по Джасперу) со средней точкой в позиции Fpz и объединенным ушным контактом в качестве референтного электрода. Регистрацию ЭЭГ осуществляли посредством усилителя NVX-52 (МКС, г. Зеленоград) с частотой дискретизации 500 Гц. Задание фокусировать внимание на подсветки светодиодов на том или ином пальце искусственной кисти испытуемые получали указанием номера пальца на компактном дисплее, закрепленном на этой же кисти (рис. 1).

Процесс записи ЭЭГ и управления стимулами осуществлялся с помощью программной реализации технологии интерфейса мозг-компьютер на основе волны P300 [1, 15] с использованием линейного дискриминанта Фишера для выделения ПСС на целевой стимул.

Изменение кортико-спинальной возбудимости в покое оценивали по величине миографических вызванных потенциалов (МВП) мышц предплечья, вызываемых стандартными импульсами транскраниальной магнитной стимуляции коркового моторного представительства этой мышцы. Накожные электроды для регистрации МВП устанавливали на правую руку испытуемого в области мышц: flexor digitorum superficialis (поверхностный сгибатель пальцев кисти, далее – мышца-сгибатель) и extensor digitorum communis (общий разгибатель пальцев кисти, далее – мышца-разгибатель). На каждую мышцу, пальпируемую по ее рельефу при напряжении, устанавливали по 3 электрода: один в области сухожилия, два других – далее по ходу брюшка мышцы. Заземляющий электрод устанавливали в области шиловидного отростка локтевой кости левой руки. Межэлектродный импеданс миографической регистрации не превышал 5 кОм. Сигнал от мышцы регистрировали посредством усилителя NVX52 и оцифровывали с частотой 10 кГц.

Для сравнительного количественного анализа МВП амплитуду этих ответов от пика до пика нормировали на медианное ее значение по результатам всех ТМС-импульсов в состоянии спокойного бодрствования. Статистический анализ различий амплитуд нормированных МВП при разных экспериментальных условиях выполняли с использованием теста Краскела–Уоллеса (непараметрический аналог метода ANOVA для несвязных выборок) с дальнейшим post-hoc-анализом с коррекцией p-значений методом Данна (Dunn’s test). Отображение, предобработка и статистический анализ изменения амплитуд МВП проводили в среде MATLAB и Graphpad prism.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В первый опытный день обоих исследований испытуемый обучался управлению пальцами искусственной кисти в контуре ИМК-Р300, для чего сначала выполнялось калибровочное тестирование с построением классификатора реакций ЭЭГ на целевые, т.е. указанные на кистевом дисплее по номеру пальца, и не целевые подсветки пальцев искусственной кисти. Далее, у каждого испытуемого сначала находили точку на поверхности головы, магнитная стимуляция которой вызывала максимальные МВП с мышцы сгибателя, затем определялась пороговая мощность ТМС, при которой появляются МВП данной мышцы. В ходе эксперимента ТМС проводилась при мощности импульса на 10% большей порога моторного ответа. В силу того, что порог для мышцы разгибателя ниже, чем для сгибателя, на фоне магнитной стимуляции выбранной на скальпе точки сгибателя, как правило, регистрировались МВП и разгибателя. Примеры МВП в ответ на одиночные импульсы ТМС представлены на рис. 2.

Рис. 2.

Примеры накопленных МВП в ответ на 15 применений одиночных импульсов ТМС для одного испытуемого. А – для мышцы сгибателя, Б – для разгибателя.

В этот же опытный день испытуемые тестировались в контуре ИМК-Р300, сопряженном с подачей вызывающей МВП ТМС сразу после полного сгибания пальца фантома. Каждый испытуемый получал с экрана кистевого дисплея по 20 указаний на сгибание того или иного пальца.

К работе во второй опытный день исследований отбирались только те испытуемые, которые в первый день успешно, т.е. не менее чем в 75% попыток, выполняли регламент управления пальцами искусственной кисти. Отличительной особенностью регламента работы испытуемого в контуре ИМК-Р300 во второй опытный день первого исследования было сделано намеренное со стороны исследователя увеличение числа неправильных срабатываний фантома за счет программно-регулируемого введения ошибок в канал исполнения команд испытуемого. Если в первый день испытуемый при управлении пальцами искусственной кисти через ИМК-Р300 мог достигать точности срабатываний 95% и более из 20-ти попыток, то в регламенте тестирования во второй день процент правильных срабатываний, т.е. когда сгибался тот палец фантома, на котором фокусировал свое внимание испытуемый, не мог превысить 30%. Оставшиеся 70% срабатываний приходились на ошибки первого и второго рода (неправильное срабатывание или отсутствие такового), которые возникали вне зависимости от усилий испытуемого и точности срабатывания ИМК-Р300.

В этот день испытуемые заранее предупреждались о введении “более трудных” условий для их работы и о возможном снижении в связи с этим точности срабатываний системы. Это позволяло, во-первых, достичь максимальных усилий испытуемых по управлению пальцами искусственной кисти, и, во-вторых, создавало примерно равное число трех категорий “реакций” фантома при фокусировании испытуемого на подсветках указанного на дисплее пальца: правильные сгибания, неправильные и отсутствие сгибаний.

В рамках данного исследования предполагалось ответить на вопрос о том, будет ли изменяться и в какую сторону возбудимость моторной коры у испытуемых, фиксирующих внимание на подсветках целевого пальца, при разной результативности этого мысленного действия (при сгибании целевого пальца, нецелевого пальца и при несрабатывании искусственной кисти в ответ на усилия испытуемого).

На рис. 3 представлены усредненные по всем испытуемым данные нормированных амплитуд МВП для условий фокусирования внимания испытуемого на целевом пальце при разных вариантах срабатывания приводов пальцев искусственной кисти.

Рис. 3.

Изменение амплитуды МВП у группы испытуемых (N = 23) при работе в контуре ИМК-Р300 с различной результативностью. ЦП – сгибание целевого пальца, НП – сгибание нецелевого пальца, ОС – отсутствие сгибания и ПК – покой. Значения амплитуд МВП представлены в процентах от амплитуды МВП в состоянии “покой”. Столбцы – медианы, планки погрешностей – интерквартильный размах. ** – p < 0.01; **** – p < 0/0001.

Как видно из рис. 3 при фокусировании внимания на целевом пальце фантома в среднем по группе испытуемых наблюдалось статистически значимое увеличение амплитуды МВП относительно состояния покоя при любых реакциях фантома: правильных, неправильных, и при отсутствии реакций. Это свидетельствует об увеличении кортико-спинальной возбудимости у испытуемых при выполнении ими задачи на фокусирование внимания к определенному пальцу фантома, с целью вызвать его движение, независимо от результативности этой деятельности.

Однако оставалось неясным, что именно приводит к повышению кортико-спинальной возбудимости: собственно работа испытуемого в контуре ИМК-Р300 с целью вызова движения пальца фантома, или сама деятельность по фокусированию внимания на мигающих светодиодах, вне зависимости от ее направленности на сгибание пальцев? Кроме того, вполне возможно, что даже одно только наблюдение за движениями пальцев фантома, не связанными с мысленными усилиями испытуемого и контуром ИМК-Р300, может привести к увеличению МВП.

Для проверки этих предположений во втором исследовании во время повторного визита тестирование испытуемых в контуре ИМК-Р300 на фоне ТМС выполнялось в трех экспериментальных условиях, последовательность которых в каждом исследовании выбиралась случайным образом. Первое условие предполагало, что ТМС включается только при правильном или ошибочном сгибании пальца фантома. При невыполнении движения фантомом ТМС не включалась, так как эффекты при отсутствии сгибания уже были изучены в первый опытный день. Контролем служила ТМС в состоянии спокойного бодрствования испытуемого, наблюдавшего за искусственной кистью, на которой светодиоды не включались и пальцы не двигались, хотя ТМС-стимулы подавались в том же количестве и темпе, что и в первую сессию.

В рамках второго условия испытуемый должен был также спокойно наблюдать за фантомом кисти, пальцы которой не подсвечивались, но в случайном порядке сгибались в том же темпе, что и при условии 1.

В третьем условии фантомная кисть замещалась панелью со светодиодами в том же пространственном расположении, что и на кисти. В этом случае испытуемому с дисплея давалось задание фокусировать внимание на подсветках того или иного светодиода, согласно его порядковому номеру, как и при работе с кистью. При этом некоторые подсветки сопровождались стимулами ТМС со средним интервалом между ними, характерным для условия 1. Таким образом, в этом условии испытуемые не работали с фантомом, но выполняли по сути ту же активность с фокусированием внимания на включениях тех же светодиодов с тем только отличием, что испытуемые не ожидали какого-то действия по результатам своих мысленных усилий. Результаты второго исследования представлены на рис. 4.

Рис. 4.

Изменение амплитуды МВП у испытуемых во время их работы в разных экспериментальных условиях. ИМК – в контуре ИМК-Р300 с управлением движением целевого пальца фантома, НС – с наблюдением за программно управляемыми движениями пальцев фантома, СП – с фокусированием внимания на светодиодах панели и в состоянии покоя – ПК. * – p < 0.05. Остальные обозначения см. рис. 3.

Как видно из рис. 4. только при работе в контуре ИМК, т.е. с возможностью реального запуска движения целевого пальца фантома у испытуемых обнаруживается увеличение возбудимости нейронов моторной коры, судя по статистически значимому росту МВП. Простое наблюдение за движением пальцев искусственной кисти без фокусирования внимания на каком-то из пальцев с целью вызова его движения не приводит к изменению кортико-спинальной возбудимости (рис. 4). Также одно только копирование активной работы в контуре ИМК с фокусированием внимания на тех же световых маркерах, но расположенных не на пальцах фантома, а на отдельной панели, также не приводило к изменению МВП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном исследовании проверялась гипотеза о возможности увеличения кортико-спинальной возбудимости у испытуемых при работе в контуре интерфейса на волне Р300, который обеспечивал сгибание конкретных пальцев искусственной кисти при фокусировании на них зрительного внимания испытуемого. Полученные данные свидетельствуют о том, что возбудимость нейронов моторной коры у испытуемых действительно повышалась при управлении через ИМК-Р300 пальцами искусственной кисти посредством фокусирования на них зрительного внимания и с ожиданием ответного их движения. Контрольное тестирование с оцениванием кортико-спинальной возбудимости при наблюдении испытуемым движений искусственных пальцев или при работе в контуре ИМК-Р300 с панелью светодиодов, но без искусственной кисти показали, что в этих случаях возбудимость корковых моторных нейронов не изменяется. Это, по-видимому, означает, что наблюдение испытуемым инициированного им через ИМК-Р300 движения антропоморфного объекта, внешнего по отношению к телу человека, интегрируется в мысленный образ движения собственного тела и тем самым приводит к повышению кортико-спинальной возбудимости. Менее вероятной причиной подобной трансформации внешнего движения в активацию мозговых моторных систем можно считать работу системы зеркальных нейронов [19, 20], поскольку, как уже отмечалось, наблюдение тех же пальцев искусственной кисти, но не инициированное испытуемым, – не приводит к повышению кортико-спинальной возбудимости. В работе [5] исследователи хотя и обнаружили некоторое повышение кортико-спинальной возбудимости при пассивном наблюдении испытуемым за движением пальцев руки человека на экране, но показали, что гораздо больший эффект дает активное наблюдение, например, с целью имитации.

Таким образом, полученная совокупность данных позволяет полагать, что комплекс ИМК-Р300 с искусственной кистью руки человека в качестве исполнительного устройства может быть использован в качестве тренажера, инициативная работа пользователя на котором приводит к активации моторных областей коры больших полушарий. Преимуществом тренажера на основе ИМК-Р300 с искусственной кистью перед известными тренажерами на основе представления движения, является возможность формирования большого числа команд, для управления отдельными элементами экзоскелетных устройств, например, пальцами фантома кисти, или экзоскелетными сегментами различных частей тела, что дает возможность тренировки мелкой моторики.