Физиология человека, 2020, T. 46, № 2, стр. 63-75

МЕТОДИКА

В обследовании участвовали 10 пациентов в возрасте от 26 до 45 лет (в среднем 35.5 лет) с давностью заболевания в среднем 10.5 лет и диагнозом “паническое расстройство” (F 41.0), удовлетворяющим критериям МКБ-10. Малую выборку осуществляли в связи с новизной использования указанного метода для больных с паническими атаками, и рассматривали как экспериментальную. Все лица данной группы амбулаторно лечились в клинике Института мозга человека РАН. Для них были характерны жалобы на приступообразную тревогу и страх, а также вегетативные проявления в виде учащенного сердцебиения, затруднения дыхания, потливости.

Курс коррекции состоял из сеанса формирования АСФС (фотостимуляция 20 Гц, длительностью 10 с на фоне действия фармакологического препарата этимизола) и последующих 10 сеансов активаций АСФС (каждый сеанс состоял из 6 серий фотостимуляций заданной при формировании частоты без дополнительных фармакологических воздействий). Интервалы между подачей стимула составляли 1–2 мин, длительность одного сеанса активации АСФС составляла 15–20 мин. Курс составлял 4 нед. Во время проведения сеансов больные находились в комфортной позе, лежа, с закрытыми глазами. Фотостимуляцию проводили с помощью “тренажера функциональной активности мозга ТММ Мираж”, который является представителем линии приборов световой стимуляции (контрактное производство, ООО НПП “МедПАСС”, Россия); качество печатных плат соответствует требованиям ГОСТ 23 752-79 “Платы печатные. Общие технические условия”; система менеджмента качества на заводе, соответствует требованиям ISO 9001-2008. Данный прибор и его модификации активно используется для коррекции психофизиологического состояния спортсменов и здоровых лиц. Он надежно зарекомендовал себя в программах немедикаментозной коррекции в более ранних исследованиях [21–23].

До начала курса этих сеансов и после них регистрировали и анализировали биоэлектрическую активность мозга, а также проводили психологическое исследование с помощью методик СМИЛ (“Стандартизированный многофакторный метод исследования личности”), ИСАС (“Опросник иерархической структуры актуальных страхов личности”), теста Тейлор, двойной и корректурной проб.

Электрическую активность мозга регистрировали на 21-канальном электроэнцефалографе (Мицар-ЭЭГ, Россия). Активные электроды располагали по стандартной схеме 10 /20. В качестве индифферентного электрода использовали усредненный электрод Av. Данные записывались с частотой дискретизации 256 Гц и содержали безартефактные фрагменты записи в трех состояниях: до воздействия светового стимула, во время действия стимула и во время релаксации. Фотостимулятор находился на расстоянии 15 см от глаз пациента в темном помещении. Энергия лампы составляла 0.3 Дж. Действие светового стимула длилось 10 с для каждой частоты, время релаксации до включения фотовспышки другой частоты составляло 20 с. В связи с тем, что световые сигналы имеют максимальную амплитуду в затылочных долях мозга, анализировали паттерны в O₁-, Oz- и O₂-отведениях.

Для оценки реакции усвоения ритма в паттернах ЭЭГ применяли два метода: 1) метод непрерывного вейвлет-преобразования [24] и пакет программ Wavelet Toolbox MATLAB и 2) метод кросс-рекуррентного анализа [25] и процедуры CRP Toolbox, доступные на сайте tocsy.pik-potsdam.de/crp.php.

При первом методе в качестве базисного вейвлета использовали комплексный вейвлет Морле:

в котором значение параметра ω₀ = 2π обеспечивает простое соотношение между масштабом вейвлет-преобразования a и действительной частотой f исследуемого сигнала [24, 26]:

Непрерывное вейвлет-преобразование сигнала x(t) определяется функцией:

где a – параметр масштаба; t₀ – параметр временнóго сдвига; ψ((t – t₀)/a) – вейвлет-функция, полученная из базисного вейвлета ψ(t) путем масштабирования и сдвига по времени, символ * означает комплексное сопряжение.

В силу указанной выше связи между a и f можно записать:

Величина квадрата модуля вейвлет-преобразования |W(f, t₀)|² задает локальный вейвлетный спектр энергии паттерна ЭЭГ в момент времени t₀, т.е. мгновенное распределение энергии по частотам f. Интеграл от локального вейвлетного спектра $E(f) = \int_{{{t}_{1}}}^{{{t}_{2}}} {W{{{(f,{{t}_{0}})}}^{2}}d{{t}_{0}}} $ определяет глобальный вейвлетный спектр, т.е. интегральное распределение энергии вейвлетного спектра сигнала по частотам в интервале времени [t₁, t₂]. Интегрирование по частоте $E({{t}_{0}}) = \int_{{{f}_{{\text{C}}}} - \Delta f}^{{{f}_{{\text{C}}}} + \Delta f} {{{{\left| {W(f,{{t}_{0}})} \right|}}^{2}}df} $ задает энергию вейвлетного спектра в диапазоне вокруг частоты фотостимуляции f_C.

Световой сигнал задавался последовательностью k импульсов, следующих с частотой f_C:

где r₀ = 10 мс – ширина импульса, t_j – центры импульсов в точках ${{t}_{j}} = {{t}_{A}} + {j \mathord{\left/ {\vphantom {j {{{f}_{c}}}}} \right. \kern-0em} {{{f}_{c}}}},$ $j = {\text{0,}}...{\text{,}}k - 1,$ t_A – время начала первого импульса в последовательности [26].

Вейвлет-преобразование светового сигнала находилось в виде:

где $g = 1 + 2{{({{r}_{0}}f)}^{2}}{\text{.}}$

Наличие реакции усвоения по методу вейвлет-преобразования оценивали по величине коэффициента усвоения ритма (k_R) в исследуемом частотном диапазоне [f_С – Δ f, f_С + Δ f], где Δ f = 0.5 Гц, и по нарастанию энергии вейвлетного спектра непосредственно в период фотостимуляции.

Коэффициент усвоения ритма (k_R) определяли как отношение максимумов глобальных вейвлетных спектров во время (рис. 1, Б) и до действия фотостимула (рис. 1, А): k_R = $ = {{{{E}_{{\max }}}{{{(f)}}_{{{\text{during}}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{E}_{{\max }}}{{{(f)}}_{{{\text{during}}}}}} {{{E}_{{\max }}}{{{(f)}}_{{{\text{before}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{E}_{{\max }}}{{{(f)}}_{{{\text{before}}}}}}}.$ При этом значение коэффициента k_R < 1 означало меньшее значение максимума глобального вейвлетного спектра во время фотостимуляции, по сравнению с максимумом спектра до фотостимуляции, т.е. отсутствие нарастания энергии вейвлетного спектра при действии определенного светового сигнала и отсутствие усвоения заданной частоты.

Нарастание энергии вейвлетного спектра непосредственно в период действия фотостимула показано на рис. 1, В и Г, которые иллюстрируют проекцию локального вейвлетного спектра на плоскость (t, f) (рис. 1, В) и нормированные интегральные распределения энергий вейвлетных спектров $e({{t}_{0}}) = {{E({{t}_{0}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{E({{t}_{0}})} {{{E}_{{\max }}}({{t}_{0}})}}} \right. \kern-0em} {{{E}_{{\max }}}({{t}_{0}})}}$ паттерна ЭЭГ и светового сигнала (рис. 1, Г, а и б соответственно). Начало и конец действия фотостимула показаны на рис. 1, В и Г стрелками.

Второй метод анализа реакции усвоения ритма в паттернах ЭЭГ связан с построением совместных рекуррентных диаграмм паттерна ЭЭГ и светового сигнала. Совместная рекуррентная диаграмма представляет собой графическое представление матрицы ${{R}_{{i,j}}}(\varepsilon ) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {1,{{y}_{i}} \approx {{y}_{j}},{{z}_{i}} \approx {{z}_{j}},} \\ {0,{{y}_{i}} \ne {{y}_{j}},{{z}_{i}} \ne {{z}_{j}}} \end{array}} \right.,$ в которой значения 1 или 0 соответствуют черной или белой точкам, при этом черная точка означает наличие рекуррентности, а белая точка – ее отсутствие. Совместная рекуррентность с точностью до ε-ошибки определяется как возврат состояния y_j фазовой траектории сигнала ЭЭГ к состоянию y_i и одновременный возврат состояния z_j фазовой траектории светового сигнала к состоянию z_i [25].

Фазовые траектории состояний z(t) и y(t) получили из исходных временны́ х рядов {x(t)} и {p(t)} методом временны́ х задержек [27]: y(t) = (x(t), x(t + d), …, x(t + (m – 1)d)), где d – временнáя задержка, m – размерность вложения (минимальная размерность пространства, в котором восстановленная траектория воспроизводит свойства исходной траектории). Оптимальная временнáя задержка d находилась на основании поиска первого минимума функции взаимной информации [28]. Оптимальную размерность вложения m определяли методом поиска минимума ближайших ложных соседей [29]. Выделение сигнала в узкой полосе частот вблизи частоты фотостимуляции позволило находить в качестве оптимальной размерности вложения значения m < 5. Величину ε-ошибки выбирали равной 1% от величины стандартного отклонения анализируемого сигнала.

Реакцию усвоения ритма в паттернах ЭЭГ методом анализа совместных рекуррентностей паттерна ЭЭГ и светового сигнала оценивали по численным показателям рекуррентных диаграмм: скорости возврата (recurrence rate) RR и времени возврата τ (рекуррентному времени, необходимому для возврата значения сигнала в ε окрестность точки, в которой оно было ранее).

Для выяснения различий между средними значениями вычисленных параметров для различных отведений в группе лиц с паническими атаками, а также для определения статистически значимых различий между средними значениями параметров, полученными до и после сеансов АСФС использовали непараметрический тест Манна-Уитни (p < 0.05).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

По данным проведенного психологического исследования после воздействия методом АСФС были выявлены положительные изменения, которые касались эмоциональной, активирующей, когнитивной и личностной сферы. Наблюдалось существенное снижение жалоб, главным образом, на страх и тревогу, а также вегето-сосудистые реакции, улучшение состояния больного по всем клиническим параметрам – в виде снижения выраженности, развернутости и частоты приступов. Все больные отмечали значительное уменьшение или полное исчезновение приступов панических атак, снижение общей и ситуационной тревоги.

Достоверные изменения усредненных показателей проведенных психологических тестов до и после курса коррекции представлены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, за 10 сеансов активаций АСФС происходило достоверное снижение общего усредненного показателя страха (p < 0.05) и снижение уровня суммарной тревоги (p < 0.01), которые являлись ведущими симптомами в клинической картине болезни в исходном состоянии. Кроме того, после воздействия методом АСФС наблюдались положительные изменения пропускной способности зрительного анализатора по данным корректурной пробы и индекса кратковременной памяти по двойному тесту, что говорит о повышении уровня психической активности. По опроснику СМИЛ (стандартизованный метод исследования личности), отмечалось достоверное снижение показателей по шкалам депрессивности, психастении и гипомании (p < < 0.05), что свидетельствует о снижении внутренней напряженности, психологической депрессивности, тревожно-фобических явлений, повышении активности и коммуникабельности больных.

В фоновых паттернах ЭЭГ 69% больных с паническими атаками до сеансов активаций АСФС преобладала высокоамплитудная активность θ-диапазона (рис. 2, А), а в паттернах ЭЭГ 31% больных наблюдалась низкоамплитудная полиморфная активность в δ-, θ- и α-диапазонах (рис. 2, В). Сеансы АСФС приводили к значительному уменьшению амплитуды θ-активности (рис. 2, Б), исчезновению полиморфной активности и усилению активности в α-диапазоне (рис. 2, Г).

Реактивные паттерны ЭЭГ во время фотостимуляции у 9 из 10 исследуемых пациентов характеризовались асимметрией ответов затылочных долей мозга на фотостимул. Это проявлялось в различных значениях максимумов локальных вейвлетных спектров паттернов ЭЭГ, регистрируемых в О₁- и О₂-отведениях. Примеры локальных вейвлетных спектров паттернов ЭЭГ в этих отведениях и их проекции на плоскость (t, f) представлены на рис. 3, А, В и рис. 3, Д, Ж соответственно. Начало и конец фотостимуляции отмечены на рис. 3, Д, Ж вертикальными стрелками. Максимум локального вейвлетного спектра паттерна ЭЭГ в отведении О₂ и в данном примере в 1.7 раза превышает максимум спектра в отведении О₁.

Представленные на рис. 4 глобальные вейвлетные спектры паттернов ЭЭГ, построенные в узких частотных диапазонах вблизи частоты фотостимуляции до начала действия фотостимула и во время фотостимуляции, также демонстрируют наличие асимметрии ответов затылочных долей мозга на фотостимул. Так, по данным рис. 4, А, Б, значение коэффициента усвоения ритма предложенной частоты 20 Гц k_R = 20 для отведения О₁ и k_R = 132 для отведения О₂ (данные рис. 4, В, Г). После сеансов АСФС наблюдалось уменьшение асимметрии ответов и значительное уменьшение значений коэффициента усвоения ритма данной частоты 20 Гц (k_R = 2.5 для отведения О₁ и k_R = 1.5 для отведения О₂, данные рис. 4, Д, З).

В табл. 2 приведены средние значения коэффициентов усвоения (k_R) для реактивных паттернов ЭЭГ до и после сеансов АСФС. Значения усреднялись по числу тестируемых больных.

Для 9 из 10 пациентов с паническими атаками значение коэффициента усвоения ритма k_R < 1 для частот θ-диапазона, что означает отсутствие нарастания энергии паттерна ЭЭГ во время фотостимуляции и отсутствие усвоения ритма данного диапазона. Незначительное усвоение выявлялось для частот α-диапазона (k_R = 1.9 ± 0.2 и k_R = = 2.7 ± 0.2 для 12 Гц и k_R = 1.1 ± 0.1 для 8 Гц). Значительное усвоение определялось для частот β-диапазона, например, k_R = 22 ± 1.9 и k_R = = 101 ± 11 для 20 Гц. При этом отмечалось практически пятикратное превышение значений коэффициента усвоения ритма k_R для отведения О₂, по сравнению со значениями для отведения О₂. Таким образом, обнаружены статистически значимые различия в средних значениях коэффициента k_R, вычисленных для затылочных отведений О₁ и О₂ (p < 0.05), что свидетельствует об асимметрии реакции усвоения ритма β-диапазона у большинства тестируемых пациентов.

После сеансов АСФС асимметрия ответов затылочных долей мозга становилась статистически незначимой (p > 0.05), а значения коэффициента усвоения ритма частот α-диапазона k_R < 1, что означает отсутствие усвоения ритма α-диапазона. Усвоение ритма β-диапазона значительно уменьшалось (k_R = 11 ± 1.2 для отведения О₁ и k_R = 17 ± 1.8 для отведения О₂ для частоты 18 Гц).

Динамика изменения усвоения ритма в паттернах ЭЭГ у пациентов с паническими атаками после сеансов АСФС подтверждалась также изменением одновременных рекуррентностей (повторяемости) в совместных рекуррентных диаграммах этих паттернов и ритмических световых сигналов определенных частот. Примеры таких диаграмм до и после сеансов АСФС представлены на рис. 5, Б и Г соответственно. Эти диаграммы построены для интервала фотостимуляции частотой 20 Гц при величине временнóй задержки d = 3 и размерности вложения m = 3, величина размера окрестности ε равна 1% от величины стандартного отклонения анализируемых временны́ х рядов. На рис. 5, А, В показаны соответствующие паттерны ЭЭГ во время фотостимуляции данной частотой (а) и фотостимул (б).

Правая диаграмма (рис. 5, Б) имеет рекуррентные структуры, cодержащие длинные диагональные линии, что свидетельствует о возникновении одновременных рекуррентностей в паттерне ЭЭГ и световом сигнале заданной частоты. Во время нарастания амплитуды ответа мозга на фотостимуляцию предложенной частоты (интервал значений nL от 600 до 1800) число одновременных рекуррентностей возрастает, что отражается в увеличении длины диагональных линий в рекуррентной диаграмме.

В отличие от этого, правая диаграмма (рис. 5, Г) содержит только короткие диагональные линии, что свидетельствует о слабой совместной рекуррентности в данном световом сигнале и анализируемом паттерне ЭЭГ.

На рис. 5, Д и Е представлена динамика изменений значений показателей рекуррентных диаграмм: скорости возврата (RR) и времени возврата (τ) значения сигнала в ε окрестность точки, в которой это значение было ранее. После сеансов АСФС наблюдается шестикратное уменьшение скорости и увеличение времени возврата, что подтверждает снижение совместной рекуррентности светового сигнала и физиологического ответа.

На рис. 6 вместо числа значений nL по оси абцисс отложено время, вычисленное в соответствии с правилом t = nL*dt, где dt = 1/Fs, Fs – частота дискретизации регистрируемого сигнала. Рис. 6, А показывает постепенное нарастание и спад амплитуды паттерна ЭЭГ в интервале времени от 2.3 до 6.7 с в ответ на фотостимуляцию частотой 20 Гц, которая длилась 10 с. В этом интервале происходит увеличение следующих показателей рекуррентной диаграммы: скорости возврата (RR) (рис. 6, Б), детерминизма (DET) (рис. 6, В), средней длины диагональных линий (L) (рис. 6, Г) и времени возврата (τ) (рис. 6, Д).

Средние значения скорости (RR) и времени возврата (τ) для реактивных паттернов ЭЭГ до и после сеансов АСФС (усредненные по числу тестируемых больных) приведены в табл. 2. Данные табл. 2 свидетельствуют о повышении средних времен возврата после сеансов АСФС при фотостимуляции с частотами α- и β-диапазонов. Например, для частоты 14 Гц τ = 7 ± 0.6 (для отведения О₁) и τ = 4 ± 0.3 (для отведения О₂), а после сеансов АСФС значение времен возврата увеличивалось до τ = 44 ± 4.3 (для отведения О₁) и τ = = 36 ± 3.5 (для отведения О₂). Характерное отсутствие усвоения ритма частот θ-диапазона для тестируемых больных подтверждалось отсутствием статистически значимых изменений динамики показателей рекуррентных диаграмм во время действия фотостимула.

Значения второго показателя совместной рекуррентности (скорости возврата траектории сигнала в ε окрестность точки, в которой она была ранее) статистически не отличаются для разных затылочных отведений для всех анализируемых частот, кроме частоты 20 Гц (RR = 0.12 ± 0.01 для отведения О₁ и RR = 0.17 ± 0.01 для отведения О₂). Уменьшение величины RR после сеансов АСФС характерно только для частот β-диапазона (RR = = 0.12 ± 0.01 до сеансов АСФС и RR = 0.04 ± 0.003 после сеансов АСФС).

Средняя длина диагональных линий (L) также статистически значимо уменьшалась для частот именно β-диапазона. Таким образом, оба метода, используемые в работе, указывают на то, что для пациентов с паническими атаками отмечается значительная реакция усвоения ритма частот именно β-диапазона и отсутствие реакции усвоения ритма частот θ- и α-диапазона или незначительная реакция усвоения некоторых частот α-диапазона.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Как известно, выраженность перестроек электрической активности мозга в соответствии с частотой, равной или кратной частоте световых импульсов, определяется возбудимостью нейронов коры головного мозга, зависящей от соотношения синхронизирующих и десинхронизирующих процессов [30]. В связи с этим мозг здорового человека или человека с нарушениями функционального состояния центральной нервной системы по-разному реагирует на фотостимуляцию, т.е. по-разному воспроизводит ритмы частот β-, θ- или α-диапазонов [31, 32]. Например, количественные показатели реакции усвоения при нарушениях функционального состояния центральной нервной системы, связанных с сосудистой патологией мозга различной степени выраженности, статистически значимо отличаются от показателей, определенных для здорового человека [32, 33]. По мере нарастания проявлений сосудистой патологии от вегето-сосудистой дистонии к гипертонической болезни и вертебрально-базилярной недостаточности отмечается повышение показателей реакции усвоения [32].

Для здорового человека, как правило, значение коэффициента усвоения ритма меньше единицы или близко к единице, т.е. для него характерна незначительная реакция усвоения ритма световых импульсов в α-диапазоне [31, 32]. Расширение диапазона усвоения ритма в сторону θ- или β-диапазонов и межполушарная асимметрия реакции усвоения ритма связываются с возникновением невротизации пациента, т.е. с повышением уровня его психоэмоциональной возбудимости, и считаются критериями патологии при оценке реакции фотостимуляции [34, 35].

Увеличение показателей реакции усвоения ритма частот θ-диапазона показано в реактивных паттернах ЭЭГ больных с нарушениями сердечного ритма в форме фибрилляции предсердий, и по мере нарастания проявлений этих нарушений от времени существования мерцательной аритмии, т.е. при переходе от пароксизмальной формы аритмии в постоянную, значение коэффициента усвоения ритма в θ-диапазоне десятикратно возрастает, в то время как в α-диапазоне это значение существенно уменьшается, что, вероятно, связано с преобладанием процессов торможения в нервной системе этих пациентов [36].

Отсутствие или незначительность реакции усвоения ритма в диапазоне θ- и β-частот на фоне слабого усвоения α-ритма у здорового человека отражает сбалансированность процессов возбуждения и торможения и преобладание внутренней синхронизации нейронных структур при навязывании внешнего ритма [37]. Повышение показателей реакции усвоения ритмов фотостимуляции связано, как правило, с повышением неустойчивости внутренней синхронизации нейронных ансамблей и усилением их внешней синхронизации [37–40].

Формирование и активация АСФС мозга приводят к уменьшению значений коэффициента усвоения, уменьшению скорости и увеличению времени возврата траектории ЭЭГ в окрестность точки, в которой она была ранее. Также после курса активаций АСФС наблюдается улучшение психофизиологического состояния пациента, что проявляется в положительных изменениях по данным психодиагностики, улучшении субъективного состояния больного и улучшении его объективного состояния (снижение выраженности, развернутости и частоты приступов панических атак).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ реактивных паттернов ЭЭГ, проведенный до и после немедикаментозного метода терапии, связанного с формированием и активацией артифициальных стабильных функциональных связей мозга, продемонстрировал возможность с помощью методов вейвлетного и рекуррентного анализов достоверно выявить улучшение функционального состояния головного мозга пациентов с паническими атаками.

Психологическое исследование с помощью методик СМИЛ, ИСАС, теста Тейлор, двойной и корректурной проб позволило подтвердить достоверное снижение ведущих симптомов в клинической картине болезни в исходном состоянии, а именно уменьшение общего усредненного показателя страха и снижение уровня суммарной тревоги.

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 Института мозга человека им. Н.П. Бехтеревой (протокол КПЭ ИМЧ РАН от 18 апреля 2013 г.) (Санкт-Петербург).

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 выполнена при финансовой поддержке ПФНИ государственных академий на 2013–2020 гг. (ГП-14, раздел 64).

Благодарности. Авторы благодарны Н.А. Селиверстовой за помощь в обработке результатов психофизиологических данных.

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