Анализ вызванных потенциалов методом вычисления мгновенной мощности

Традиционные методы обработки любых длиннолатентных вызванных потенциалов представляют собой разметку и определение положения позитивных и негативных пиков, картирование, спектральный, корреляционный анализ и некоторые дополнительные виды оценки сигнала ВП. Все они по определению требуют незашумленных , т.е. «чистых» исходных данных. В действительности же коэффициент сигнал/шум в любом зарегистрированном ВП достаточно мал и определяется соотношением уровней фоновой ритмики и собственного отклика мозговых структур на стимул, а также корнем квадратным из числа усреднений.

 

В клинике и в большинстве научных исследований сигнал вызванных потенциалов чаще всего анализируется без учета шумового вклада фоновой электроэнцефалограммы. При этом исследователи по умолчанию еще и принимают на веру утверждение о значительной изменчивости ВП как внутри популяции, так и у одного и того же испытуемого в различные моменты времени или при различных условиях регистрации.

 

Приведем упрощенный расчет соотношения сигнал/шум для типичного случая регистрации длиннолатентных ВП. Допустим, уровень фоновой электроэнцефалограммы в процессе регистрации составлял 25 мкВ от пика до пика. Уровень истинного отклика мозговых структур предположим в пределах 5 мкВ от пика до пика. Введем общепринятое допущение о полном отсутствии корреляции между двумя процессами и рассчитаем вклад фоновой ЭЭГ в зарегистрированный вызванный потенциал. Предельно упрощая и исключая специальные термины, можно сказать, что уровень электроэнцефалограммы будет уменьшаться пропорционально корню квадратному из количества поданных стимулов. Т.е. если, допустим, было подано 100 вспышек при регистрации зрительного ВП, то уровень шума в полученной смеси будет равен 25/√100=2.5мкВ от пика до пика. При предполагаемом уровне ВП равном 5 мкВ, соотношение сигнал шум в данном эксперименте будет равно 2:1, т.е. уровень помехи будет равен половине уровня истинного ВП. При подаче 400 стимулов отношение улучшится до 4:1 и т.д., но в любом случае в зарегистрированном вызванном потенциале всегда есть значительный вклад компонентов, которые не имеют никакого отношения к истинному отклику мозговых структур. Все эти расчеты подробно описаны в специальной литературе. При практической работе всегда можно с уверенностью утверждать, что не менее 10% «шумового» вклада в анализируемый вызванный потенциал обеспечивает фоновая ритмика мозга.

 

В то же время существующие методы анализа ВП требуют нахождения с высокой точностью вершин позитивных и негативных пиков и точное определение их временных и амплитудных показателей. На основании полученных данных и делается заключение. При этом, повторим, погрешность, обусловленная вкладом фоновой ритмики в подавляющем большинстве случаев никак не учитывается. Для случая здорового испытуемого это не так важно, потому, что фоновая электроэнцефалограмма примерно идентична в обоих полушариях. Зарегистрированные ВП будут искажены, но искажены идентично справа и слева. И только при повторной записи того же испытуемого исследователь обнаружит, что форма вызванных потенциалов изменилась, но тоже идентично справа и слева. Учитывая общепринятое мнение о существенной изменчивости формы ВП, обнаруженный феномен именно так и будет оценен. Однако при записи пациента с локальной патологией или выраженной межполушарной асимметрией вклад фоновой ритмики существенно снизит ценность и точность исследования, чего не заметит исследователь.

 

Описанные сложности разделения истинного отклика мозговых структур на поданный стимул и шума, обусловленного фоновой ЭЭГ, определяются самим способом регистрации ВП, т.е. корреляционным приемом. И хотя такой метод регистрации теоретически позволяет получить любое сколь угодно хорошее разделение, в действительности все ограничивается предельным числом поданных стимулов, которое не сможет быть бесконечным и не может превысить величину, при которой начинается существенное уменьшение отклика мозговых структур на подаваемые стимулы. В практическом плане это означает, что получить «чистые» ВП при реальной экспериментальной работе невозможно.

 

Применение экзотических способов ( ICA и др.) дополнительного разделения компонентов следует считать не вышедшими из стадии экспериментов и весьма опасными в смысле дезинформации исследователя (если выдвинутой авторами метода модель не соответствует внутренней блок-схеме мозговых структур). Что касается общепринятого метода оценки качества регистрации ВП методом вычисления корреляции между группами четных и нечетных усреднений, то следует учитывать, что величина, описывающая полученное качество регистрации является верхним теоретически возможным пределом. Реальное соотношение сигнал/шум хуже, что обусловлено коррелированными со стимулами компонентами ЭЭГ и другими, в том числе и статистическими особенностями электроэнцефалограммы.

Учитывая специфику анализа вызванных потенциалов – необходимость довольно точного измерения степени задержки распространения импульсов (в том числе и локальной) и требование обнаружения изменений амплитуды (в том числе и локальных), можно утверждать, что наличие шума в сигнале ВП существенно затрудняет работу и снижает точность метода. Кроме того, от шума страдает и интерпретация «врачебного» уровня т.к. некоторые пики могут быть смещены, искажены или даже вообще не обнаруживаться. В связи с этим несомненно, что любой способ, который может помочь повысить точность «разметки» сигнала ВП может быть чрезвычайно полезным не только в научной, но и клинической практике.

 

Очевидно также (доказательства опускаются), что никакой математический метод, не использующий априорных допущений или искусственных моделей, не может быть применен для улучшения соотношения сигнал/шум вызванных потенциалов. Действительно – отфильтровать шум невозможно т.к. он находится в той же частотной полосе, что и полезный сигнал, временное разделение после корреляционного приема невозможно в принципе, а вводить умозрительную модель недопустимо до тех пор, пока мы не будем знать алгоритма функционирования мозга хотя бы в области генерации ЭЭГ и ВП. В итоге остается единственная возможность – пространственная фильтрация, использующая многоканальную регистрацию сигналов.

Следует сразу оговориться, что линейное суммирование сигналов ВП от разных участков коры бессмысленно вследствие фазового несовпадения их компонентов, амплитудных различий и особенностей системы отведений (биполярной, униполярной и т.п.). Кроме того, получаемый сигнал будет иметь весьма неопределенный физический смысл. Более того, он будет вариабельным и уникальным для каждой записи каждого пациента, а для некоторых систем отведений - вырождаться в изолинию.

 

В связи с этим предлагается использовать суммарную мгновенную мощность вызванных потенциалов, зарегистрированных одновременно во всех отведениях. Такой параметр будет иметь вполне определенный физический смысл – это мгновенная электрическая мощность, генерируемая всеми нейронами, которые в данный момент заняты обработкой информации, полученной от внешнего стимула.

На Рис.1 представлены результаты такой обработки. Для стандартных длиннолатентных ЗВП (100 стимулов) вычислена мгновенная мощность, график которой представлен в правой части рисунка. Отдельно произведено вычисление для правого и левого полушария раздельно – графики внизу.

 

 

Рис.1 Длиннолатентные ЗВП и графики их мгновенной мощности.

 

Обратим внимание, что графики получились весьма информативными: в момент стимула мощность близка к нулю, отчетливо видны ранние компоненты, основной отклик, поздний колебательный процесс и затухание вызванного потенциала. Наглядно представляются асимметрии – ранние компоненты более выражены в левополушарных областях, а основной отклик имеет преимущественно правостороннюю локализацию.

 

Если оценивать график мощности по критерию улучшения коэффициента сигнал/шум, то необходимо учитывать, что этот сигнал имеет выигрыш перед стандартным представлением ВП в количество раз, равное корню квадратному из числа каналов записи (в действительности больше, что связано с фазовыми смещениями электроэнцефалограммы в различных отведениях). В представленном случае – не менее чем в четыре раза, т.к. использовался 16-канальный электроэнцефалограф. Разумеется, четырехкратное улучшение отношения сигнал/шум может дать принципиально новое качество точности оценки временных параметров ВП, а также обнаружения и распознавания анализируемых пиков.

 

Следует отметить, что график мощности нормирован, т.е. максимальное зарегистрированное значение принято за 100 процентов, а остальные выражены в долях от него. Физический смысл такой нормировки очевиден: если считать, что в момент наибольшей мощности активно максимальное для обработки мозгом подаваемого зрительного стимула количество нейронов, то в остальные моменты времени можно узнать процентное соотношение числа активных нейронов.

Очевидно также, что сопоставление графика мощности с вызванным потенциалом, зарегистрированном в любом отведении, может обеспечить достоверную временную «привязку» при определении пиков, интересующих исследователя.

 

Попробуем привести примеры определения пиков мощности ЗВП. Для здоровых испытуемых (Рис.2) типичным (для условий регистрации в нашей лаборатории) является форма кривой с подъемом в областях 120, 200, 270 мсек.

 

 

Рис.2 Типичная форма графика мощности для ЗВП здорового добровольца

 

Для пациентов с зарегистрированной пароксизмальной активностью и клиническими проявлениями эпилепсии форма графика мощности существенно меняется. Обращают внимание либо дополнительные пики в областях после 300 мсек. (Рис.3, Рис.4), либо появление дополнительного «острого» пика в областях 70 – 100 мсек. (Рис.5).

 

Рис.3 Изменение формы графика у пациентов с пароксизмальной активностью

 

 

Рис.4 Выраженный дополнительный пик мощности в области 400 мсек, существенное искажение формы ВП, вызывающее затруднение при «классической» разметке.

 

 

Рис.5 Появление «дополнительного» острого пика на графике мощности у пациента с пароксизмальной активностью.

 

 

Весьма важно и то, что с учетом улучшения соотношения сигнал/шум, график мощности вызванных потенциалов может быть использован для сопоставления электрофизиологических и клинических данных. Например: хорошо известный типичный феномен трансформации ВП в комплекс «пик-волна» является следствием далеко зашедшего и явно выраженного процесса. Но не исключено, что его более ранние стадии могут быть выявлены с помощью метода, предоставляющего более чистый и достоверный сигнал, чем классические ВП. Тем более вероятна связь получаемой формы графика мощности ВП с генетически детерминированными скоростями проведения нервного импульса, типами обработки информации и т.д. Не исключено также, что некоторые формы эпилепсии будут давать патогномоничные особенности графика мощности. Вообще, следует предполагать, что те особенности ВП при различных заболеваниях, которые не были выявлены исследователями вследствие физических причин, легко могут быть обнаружены при анализе графика мощности. Обоснование этого тезиса очевидно – использование для анализа менее зашумленного сигнала ведет к увеличению разрешения метода.

 

Можно ожидать также, что график мощности ВП проявит большую, чем обычные вызванные потенциалы, специфичность к подаваемым стимулам. При этом его форма и расположение пиков будут более стабильными и распознаваемыми. Экспериментальное подтверждение этого тезиса следует из иллюстраций.

Для экспериментальной работы использовалась записи здоровых добровольцев, у которых последовательно после промежутка для отдыха регистрировались различные типы длиннолатентных вызванных потенциалов. Анализировались собственно ВП и график их мгновенной мощности. Результаты представлены на следующих иллюстрациях.

 

Рис.6 Длиннолатентные ЗВП, (200 стимулов) и их графики мощности. Фотостимулятор светодиодный, длительность вспышки 8 мсек. Стимуляция симметрично на оба глаза, глаза закрыты.

 

В данном случае можно наблюдать хорошее совпадение формы графика мощности ВП с предыдущими наблюдениями у здоровых добровольцев. Следует отметить заметную асимметрию, особенно в области ранних компонентов и пика в 100 мсек. Основные пики графика мощности расположены на 100, 175, 270 мсек.

Очевидно, что при исследовании ВП на обращение шахматного паттерна мы должны получить другую форму вызванных потенциалов у того же испытуемого. Следует ожидать также изменения вида графика мощности. С учетом специфического действия шахматного паттерна можно ожидать смешения пиков мощности во времени и изменения самой структуры отклика мозговых структур на предъявленные стимулы.

 

На рис.7 наблюдается именно такая картина. Основные пики графика мощности сместились в области 90, 135, 220 мсек, уменьшилась межполушарная асимметрия, максимальный по амплитуде отклик стал более коротким т.е. кратковременным, появились дополнительные компоненты в областях 400-500 мсек.

 

Рис.7 Реакция на обращение шахматного паттерна (100 стимулов). Тот же испытуемый. ЗВП и график мощности существенно отличаются от предыдущей записи.

Если сравнивать ВП на вспышку и ВП на шахматный паттерн, то сами вызванные потенциалы сопоставить и проанализировать непросто, а график мощности весьма удобен для анализа наблюдаемых изменений (рис.8)

 

Рис.8 Сопоставление графиков мощности при регистрации ЗВП на вспышку (слева) и на обращение шахматного паттерна (справа).

 

При регистрации графика мощности ЗВП на изменение изображений отмечается смещение пиков в области 150, 260, 410 мсек. Увеличение латентных периодов объясняется, видимо, большей сложностью стимула и, как следствие, более длительной реакцией на него (Рис.9). Двухфазные ранние компоненты, как следует из анализа графика мощности, обусловлены, вероятно, процессом обнаружения и распознавания самого факта изменения изображения.

 

Рис.9 Длиннолатентные ЗВП на стимуляцию изменением изображений

 

Сопоставление графиков мощности ЗВП на вспышку и ЗВП на изменение изображения наглядно демонстрируют разницу ответов мозговых структур на эти стимулы (Рис.10).

 

 

Рис.10 График мощности ЗВП на вспышку света (вверху) и график мощности ЗВП на изменение изображения (внизу). Обращает внимание дополнительный (второй) ранний компонент.

 

 

Представляет интерес также обнаружение с помощью графика мощности компонентов ЗВП, связанных с когнитивными функциями. Вычислим этот график для ЗВП на смену изображений при коэффициенте усреднения значимых и незначимых стимулов 1:1, (Рис.11).

 

Рис.11 Графики мощности ЗВП при усреднении значимых и незначимых стимулов 1:1. Та же запись, тот же испытуемый. Повышение уровня пиков в области 400-700 мсек.

 

 

 

Если применять усреднение только по значимым стимулам, график мощности имеет максимумы в области 300-500 мсек. Следует обратить внимание, что в данном эксперименте усреднение производилось лишь по 16 стимулам. Тем не менее, график мощности позволяет обнаруживать ожидаемые эффекты (Рис.12).

 

 

 

Рис.12 График мощности ЗВП для значимых стимулов. Доминируют пики в областях после 300 мсек., отмечается выраженная межполушарная асимметрия.

 

 

Для слуховых вызванных потенциалов можно наблюдать сходные закономерности (Рис.13).

 

 

 

Рис.13 Слуховые вызванные потенциалы (100 усреднений), соотношение значимых и незначимых стимулов – 1:4. На графиках мощности хорошо видна межполушарная асимметрия в областях 350-550 мсек.

 

 

 

Если уменьшить вклад незначимых стимулов при усреднении ВП до 1:1, то компоненты в области 350-550 мсек. проявляются более наглядно (Рис.14)

 

 

 

Рис.14 Усреднение при вкладе значимых и незначимых стимулов в соотношении 1:1. Тот же испытуемый, та же запись. Возрастание уровня поздних компонентов, увеличение асимметрии.

 

 

 

Сопоставление графиков мощности для ЗВП на изменение изображения и слуховых ВП дает возможность наглядно показать отличие функций правого и левого полушарий при обработке акустических сигналов и анализе изображений (Рис.15).

 

 

 

 

 

Рис.15 Графики мощности слуховых ВП (слева) и ВП на изменение изображения (справа). Усреднение при соотношении значимых и незначимых стимулов 1:1, при стимуляции соотношение было 1:4 в обоих случаях.

 

 

 

При сопоставлении графиков мощности хорошо видно, что обработка (распознавание) стимула идет преимущественно в структурах левого полушария для слуховых ВП. В то же время распознавание изображений как более сложная задача требует, вероятно, сочетанной работы структур обоих полушарий, хотя асимметрия (связанная, надо полагать, с разделением функций) также присутствует.

 

 

 

Выводы:

 

 

1. Вследствие улучшения коэффициента сигнал/шум график мощности ВП дает возможность более точного измерения интервалов времени между откликами.

 

 

2. Падение пространственного разрешения не является дефектом метода и может быть при необходимости скомпенсировано традиционным анализом ВП .

 

 

3. Метод может быть расширен вычислением дополнительных параметров – например взаимнокорреляционной функции графиков мощности обоих полушарий. В результате могут быть получены не только достоверные данные о корреляции процессов, но и данные об интегральных характеристиках задержки проведения ВП, что принципиально невозможно при существующих методах их анализа.

 

 

4. Высокая специфичность графиков мощности для ВП на различные стимулы позволит распознавать тип патологического процесса при проведении комбинированного исследования вызванных потенциалов с разнотипной стимуляцией.

 

 

5. Следует ожидать хорошей стабильности формы графика мощности у одного и того же пациента в разные моменты времени исследования.

 

 

6. Можно предполагать высокую корреляции вида графика мощности ВП с генетически детерминированными особенностями проведения нервных импульсов (в первую очередь при генетически обусловленных эпилептических синдромах).

 

 

7. Нельзя исключить возможность обнаружения патогномоничных форм графика мощности ВП при некоторых нозологиях .

 

 

8. Вычисление графика мощности вызванных потенциалов может предоставить новые возможности для анализа функционирования мозговых структур и практической диагностики в условиях клиники.

 

 

9. Перечисленные выводы не являются исчерпывающими, т.к. экспериментальная работа находится в начальной фазе и не исключено обнаружение неожиданных феноменов.