Физиология человека, 2019, T. 45, № 4, стр. 40-45

МЕТОДИКА

В исследовании принимали участие 36 здоровых испытуемых-добровольцев в возрасте от 18 до 29 лет (средний возраст 21.9). Перед проведением исследования испытуемые подписывали информированное согласие по форме, утвержденной комиссией по биоэтике биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Регистрация и анализ ЭЭГ. ЭЭГ записывали посредством усилителя NVX-52 (“Медицинские компьютерные системы”, Зеленоград, Россия) монополярными электродами в 30 отведениях (монтаж 10/20 по Джасперу) с референтным электродом в позиции TP10. Контактное сопротивление при монтаже электродов не превышало 10 кОм. При оцифровке ЭЭГ частота дискретизации сигнала составляла 500 Гц. После оцифровки ЭЭГ фильтровали в частотном диапазоне 0.01–60 Гц, с Notch-фильтром 50 Гц.

Испытуемого располагали в кресле перед монитором (диагональ 24 дюйма, разрешение 1920 × 1080, IPS-матрица) на расстоянии примерно 120 см.

Для детектирования эпизодов десинхронизации ЭЭГ в контуре ИМК использовали авторский пороговый критерий ERDd (Event-related desynchronization based on distributions analysis) [18], основанный на оценивании нормированной площади перекрытия распределений оценок глубины десинхронизации на фоне представления движения и при рассматривании испытуемым нейтральной зрительной сцены с максимумом в 100 условных единиц.

Функциональная электростимуляция. Для проведения электростимуляции использовали блок стимулятора, входящий в состав комплекса Нейро-МВП-8 (Нейрософт, Иваново). Стимуляцию осуществляли прямоугольным единичным стимулом, который подавали на плоские одноразовые электроды (Вилорд), закрепленные на поверхности руки испытуемого.

Для определения оптимальных параметров стимуляции необходимо учитывать не только характеристики вызываемого движения [19], но и индивидуальные особенности тканей человека, такие как общее сопротивление, влажность кожи, толщина жировой прослойки.

В литературе известны следующие параметры для нервно-мышечной стимуляции предплечья: длительность стимула 50–250 мкс, частота стимуляции 20–40 Гц, амплитуда тока 20–100 мА. В случае более низких частот сложно достичь плавного мышечного сокращения, а при более высоких наблюдается быстрая утомляемость мышц, требующая повышения силы тока в ходе тестирования [20].

Для корректного выбора параметров стимуляции важно также правильное расположение электродов на конечности и оптимально подобранная локализация индивидуальных моторных точек. В противном случае для вызова движений требуются более высокие токи электростимуляции, что повышает риски болевых ощущений [19].

В клинической практике наиболее трудными для восстановления движения являются движения пальцев кисти: захват, разгибание и др. [21]. Для тренировки этих движений необходимо подобрать такие условия ФЭС, при которых возможно будет активировать как поверхностные, так и глубокие мышцы. Так, например, для реализации сгибания пальцев, необходимо активировать поверхностный и глубокий сгибатели пальцев, а для получения функционального разгибания – общий разгибатель пальцев и собственный разгибатель указательного пальца.

В табл. 1 показаны основные характеристики, по которым осуществляли выбор параметров для стимуляции. Указанные в литературе параметры ФЭС оказались не оптимальными для данного исследования, в частности, это касалось длительности единичного стимула. Как видно из таблицы при большой длительности одиночного стимула, до 300 мс, у испытуемых возникали довольно чувствительные болевые ощущения, которые практически полностью исчезали при снижении длительности стимулов до 30 мкс. При подаче таких стимулов наиболее плавные движения пальцев достигали у мужчин при частоте стимуляции в 65 Гц, а у женщин чаще всего при частоте в 45 Гц.

Амплитуду тока стимуляции подбирали индивидуально: минимальный порог вызова движения оказался в области 28 мА, а максимальное достигало верхнего диапазона прибора – 99 мА. Среднее значение силы тока при сгибании составляло 57 мА, а при разгибании 73 мА. Более высокое значение тока в последнем случае может быть связано с индивидуальными особенности кожи на внешней поверхности предплечья, а также с расположением мышц и нервов относительно позиции стимулирующего электрода.

Общая (средняя) длительность стимуляции (т.е. всей пачки стимулирующих импульсов с указанными выше параметрами) для сгибания и для разгибания составляла 3 с.

Для запуска стимулятора использовали команды, которые формировались в контуре ИМК в моменты детектирования паттернов ЭЭГ, специфичных эпизодам представления движения.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Испытуемые-добровольцы в разные дни участвовали в трех исследованиях. В первый день задачей испытуемого было научиться технике моторного представления и адаптироваться к условиям обследования. Для этого в ответ на экранные символы ему необходимо было выполнять реальные движения (сгибание или разгибание руки) с последующим постепенным переходом на мысленное представление этого движения.

По результатам обучения в первый день тестирования испытуемые ранжировались по величине эффекта десинхронизации ЭЭГ на фоне мысленного представления движения. Во втором исследовании выполнялось собственно тестирование способности испытуемых к выраженной десинхронизации ЭЭГ на фоне представления движения в зависимости от того, насколько это представление конгруэнтно форме обратной связи в виде вызываемого посредством ФЭС сгибания или разгибания кисти руки. Вначале, в первых двух сессиях, испытуемые многократно представляли одно из движений кисти (сгибание или разгибание) в ответ на соответствующую экранную команду, с целью построения на основе данных регистрации ЭЭГ алгоритма классификации эпизодов депрессии µ-ритма [18, 22]. Поскольку в тестовых сессиях запуск ФЭС осуществлялся в контуре ИМК именно по достижении порога десинхронизации, то чем больше эпизодов мысленного представления движения сопровождалось запуском ФЭС, тем, следовательно, более эффективной можно было считать соответствующий вариант обратной связи.

В шести, собственно, тестовых сессиях испытуемым, многократно выполнявшим задание на мысленное представление одного из движений кистью в ответ на соответствующие экранные символы, по каждому акту мысленного усилия в равной пропорции подавалась конгруэнтная или неконгруэнтная обратная связь с запуском ФЭС, приводящей к реальному сгибанию или разгибанию кисти руки. Причем порядок предъявления обратной связи определялся исходя из подгруппы, в которую был определен каждый участник по результатам первого дня тестирований. Всего групп было 4: 2 большие группы отличались по типу представляемого движения (сгибание или разгибание), и внутри каждой из этих групп выделяли еще 2 подгруппы, различающиеся по порядку предъявления обратной связи: одним испытуемым первой включалась конгруэнтная, а затем неконгруэтная обратная связь, а у других все было наоборот.

По результатам тестирования после статистической обработки не получили значимых различий в этих подгруппах в оценке типа представляемого движения и порядка предъявления обратной связи. После этого было решено объединить всех участников в одну группу и сравнить показатели ERDd между конгруэнтной и неконгруэнтной обратной связью. Результаты этого тестирования с оцениванием величины индекса ERDd для случаев конгруэнтной и неконгруэнтной обратной связи приведены на рис. 1.

Рис. 1.

Сравнение усредненных по 18 испытуемым величин показателя ERDd для случаев представления движений с конгруэнтной (К-ОС) и неконгруэнтной (Н-ОС) обратной связью. На рисунке представлены средние значения (+), медиана (горизонтальная линия в ящике Тьюки) и отметки интерквартильного разброса данных. Кружком (⚫) обозначен выброс. * – статистически значимое различие между средними значениями (парный t‑критерий Стьюдента для нормально распределенных данных, р = 0.0390).

Как видно из рисунка, более половины испытуемых успешно работали в контуре ИМК, достигая высоких, более 70 баллов, значений индекса ERDd при любом типе обратной связи. Однако в работе с неконгруэнтной обратной связью испытуемые показали меньший разброс величин индекса ERDd и статистически значимую по парному t-критерию Стьюдента (р = 0.0390) тенденцию к более высоким медианным значениям этого показателя: 80.7 по сравнению с 78.2 при конгруэнтной обратной связи. Фактически при неконгруэнтной обратной связи значительно большее число испытуемых показывают высокие значения индекса десинхронизации ЭЭГ на фоне представления движения в контуре ИМК.

Кроме того, были получены статистически значимые различия в индексе ERDd между испытуемыми мужского и женского пола в пользу первых. Мужчины на 3% лучше могли представлять движения и вызывать у себя устойчивую десинхронизацию, чем женщины. Также, достоверно значимой оказалась тенденция к постепенному снижению эффективности мысленного воображения движения в отношении запуска ФЭС по ходу последовательного выполнения повторных тестов любой обратной связи. По-видимому этот эффект связан с постепенным угасанием реакции десинхронизации при воображении движения в связи как с психическим утомлением, так и, возможно, с уменьшением психофизиологической реактивности, т.е. снижением ответа физиологической системы на один и тот же психический образ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты данного исследования показали, что гибридный тренажерный комплекс ИМК-ФЭС легко осваивается испытуемыми и может быть предложен в качестве альтернативы для более сложных и дорогостоящих комплексов ИМК-Экзоскелет.

Кроме того было обнаружено, что наиболее эффективной формой идеомоторной тренировки, контролируемой посредством ИМК с ФЭС, может быть режим с неконгруэнтной обратной связью, т.е. когда воображаемое движение конечности не совпадает с реальным ее движением, вызываемым посредством ФЭС. По-видимому, именно этот когнитивный диссонанс приводит к наибольшей активации корковых структур. В какой-то мере этот эффект соответствует известной информационной теории эмоций, предполагающий тем большую эмоциональную активацию, чем более неожиданным является результат функционального акта деятельности [23]. Таким образом при создании тренажерных комплексов ИМК-ФЭС, возможно, следует отдать предпочтение системам ФЭС с неконгруэнтной обратной связью. Обнаруженные в ходе исследования особенности тренинга в гибридном комплексе ИМК-ФЭС могут быть положены в основу создания эффективных тренажерных комплексов для восстановления двигательной функции после инсульта или нейротравм.

Этические нормы. Все исследования проведены в соответствии с принципами биомедицинской этики, сформулированными в Хельсинкской декларации 1964 г. и ее последующих обновлениях, и одобрены локальным биоэтическим комитетом Биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Информированное согласие. Каждый участник исследования представил добровольное письменное информированное согласие, подписанное им после разъяснения ему потенциальных рисков и преимуществ, а также характера предстоящего исследования.

Финансирование работы. Работа поддержана грантом Умник № 11420ГУ/2017 от фонда содействия инновациям и частично грантом № 14.641.31.0003 Центра биоэлектрических интерфейсов Института когнитивных наук национального исследовательского университета “Высшая школа экономики” (Москва).

Благодарности. Особая благодарность выражается Юрию Олеговичу Нуждину, за помощь в написании Программного обеспечения для проведения исследований, а также Анатолию Николаевичу Васильеву за помощь в обработке и анализе данных. Авторы благодарят А.Ю. Горовую и И.А. Басюла за помощь в тестовой части работы и техническом оснащении.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией данной статьи.