Изучение взаимодействия ритмических компонентов ЭЭГ на первой стадии дневного сна

Взаимодействие ритмов энцефалограммы (ЭЭГ) является важным показателем функционального состояния мозга человека. В настоящее время существуют три теории, объясняющие такое взаимодействие: а) коммуникация нейронных популяций; б) нейронное взаимодействие; в) взаимодействие генераторов изучаемых частот. Известно, что тета-ритм связывают с функционированием кортико-гиппокампальной системы, альфа-ритм — таламо-кортикальной, а бета-ритм — может быть включен в работу обеих корково-подкорковых систем. Представленная работа может прояснить особенности взаимодействия вышеописанных корково-подкорковых систем. Существует ряд публикаций, посвященных изучению взаимодействия ритмов ЭЭГ при различных видах психической деятельности. При этом в последние годы возник интерес к связи ритмов на разных стадиях сна. В задачу нашей работы входило изучение взаимодействия тета-, альфа- и бета-ритмов ЭЭГ на первой стадии сна. В исследовании приняли участие 22 испытуемых в возрасте от 18 до 22 лет. Регистрировалась многоканальная ЭЭГ во время дневного сна участников эксперимента. Для обработки выбирали отрезки ЭЭГ с хорошо выраженным тета-ритмом, поскольку он является «доминирующим» на первой стадии сна. Затем осуществлялась диапазонная фильтрация сигнала ЭЭГ. Были выделены следующие ритмы: тета-ритм (4—7 Гц), альфа-ритм (8—13 Гц), бета-1- (14—19 Гц) и бета-2-ритмы (20—25 Гц). После этого для каждого диапазона на каждой секунде вычислялась средняя амплитуда как корень квадратный из дисперсии сигнала ЭЭГ. В качестве меры, оценивающей взаимодействие ритмов ЭЭГ, использовали коэффициент корреляции Пирсона. В результате было установлено, что первая стадия сна характеризуется: а) отсутствием связей тета-ритма с другими ритмами; б) наличием связей альфа—бета-1-, альфа—бета-2- и бета-1—бета-2-ритмов-; в) ростом амплитуды тета-ритма; г) снижением амплитуд альфа- и бета-ритмов. Как уже отмечалось выше, тета-ритм связывают с функционированием кортико-гиппокампальной системы, а альфа-ритм — таламо-кортикальной. В нашей работе показаны два сосуществующих вида функционирования этих систем: 1) «независимый» кортико-гиппокампального круга и 2) связанный с другими ритмами, в частности, с бета-ритмом, таламо-кортикальный. Вероятно, эта неоднородность является условием того, что первая стадия сна может быть нестабильной. Показано увеличение амплитуды тета-ритма на первой стадии сна, по отношению к этому показателю в состоянии спокойного бодрствования. Это традиционно связывается с увеличением восходящих влияний лимбических структур мозга. Амплитуды альфа- и бета-ритмов на первой стадии сна достоверно уменьшились, что говорит об ослаблении влияния префронтальных отделов коры на центры заднего гипоталамуса. Исходя из этого, можно предположить, что наступление первой стадии сна может обеспечиваться разнородным характером взаимодействия ритмов, и, соответственно, различным функционированием кортико-гиппокампальной и таламо-кортикальной систем.

1. Voytek B., Knight R.T. Dynamic network communication as a unifying neural basis for cognition, development, aging, and disease // Biol. Psychiatry. 2015. Vol. 77. N 12. P. 1089-1097.

2. de Munk J, Goncalves S, Mammoliti R, Heethaar R, Lopes da Silva F. Interaction between different EEG frequency bands and their effect on alpha—fMRI correlation // Neuroimage. 2009. Vol. 47. N 1. P. 69-76.

3. Roopun A.K., Kramer M.A., Carrasedo L.M., Kaiser M, Davies C.H., Traub R.D., Koppel N.J., Whittington M.A. Temporal interaction between cortical rhythms // Front. Neurosci. 2008. Vol. 2. N 2. P. 145-154.

4. Rodriguez-Martinez E. I., Barriga-Paulino C. I., Rojas-Benjumea M. A., Gomez C.M. Co-maturation of theta and low—beta rhythms during child development // Brain Topogr. 2015. Vol. 28. N 2. P. 250-260.

5. Wang J., Fang Y., WangX., Yang H, Yu X., Wang H. Enhanced gamma activity and cross-frequency interaction of resting-state electroencephalographic oscillations in patients with Alzheimer’s disease // Front. Aging Neurosci. 2017. Vol. 9: 243.

6. Яковенко И.А., Петренко Н.Е., Черемушкин Е.А., Козлов М.К Взаимодействие ритмов ЭЭГ при установке на лицевую экспрессию // Рос. фи-зиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2017. Т. 103. № 7. С. 825-834.

7. Niculin V., Nolte G., Curio G. Cross-frequency decomposition. A novel technique for studying interactions between neuronal oscillation with different frequencies // Clin. Neuriphysiol. 2012. Vol. 123. N 7. P. 1353-1360.

8. Amiri M., Frauscher B ., Gotman J. Phase-amplitude coupling is elevated in deep sleep and in the onsetz of focal epileptic seizures // Front. Hum. Neurosci. 2016. Vol. 10: 387.

9. Ladenbauer J., Ladenbauer J., Kulzow N., de Boor R., Avramova E., Grittner U., Floel A. Promoting sleep oscillations and their functional coupling by transcranial stimulation enhances memory consolidation in mild cognitive impairment // J. Neurosci. 2017. Vol. 37. N 30. P. 7111-7124.

10. Li D., Ni M., Dun S. Phase-amplitude coupling in human scalp EEG during NREM sleep // 8th International Conference on BioMedical Engineering and Informatics (BMEI Shenyang, China, 14-16 October 2015), IEEE Catalog Number. 2015. P. 219-223.

11. Takeuchi S., Mima T., Murai R., Shimazu H., Isomura Y., Tsujimoto T. Gamma oscillations and their cross-frequency coupling in the primate hippocampus during sleep // Sleep. 2015. Vol. 38. N 7. P. 10851091.

12. Scheffzuk C., Kukushka V.I., Vyssotski A.L., Draguhn A., Tort A.B.L., Brankack J. Selective coupling between theta phase and neocortical fast gamma oscillations during REM-sleep in mice // PLoS ONE. 2011. Vol. 6. N 12. e28489.

13. Яковенко И.А., Петренко Н.Е., Черемушкин Е.А., Дорохов В.Б. Функциональная роль связи бета-ритма с медленными ритмами у студентов с нарушениями сна при формировании установки на лицевую экспрессию // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2018. Т. 104. № 10. С. 1238-1249.

14. Klimesch W. EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis // Brain Res. Rev. 1999. Vol. 29. N 2-3. P. 169-195.

15. Iber C., Ancoli-Israel .S., Chesson A., Quan S. The AASM manual for the scoring of sleep and associated events; rules, terminology and technical specifications. Westchester: American Academy of Sleep Medicine, 2007. 59 pp.

16. BibbigA., Middleton S., Racca C., Gillies M.J., Garner H., LeBeau F.E.N., Davies C.H., Whittington M.A. Beta rhythms (15-20) generated by nonreciprocal communication in hippocampus // J. Neurophysiol. 2007. Vol. 97. N 4. P. 2812-2823.

17. Linas R., Grace A., Yarom Y. In vitro neurons in mammalian cortical layer 4 exibit intrinsic oscillatory activity in the 10- to 50-Hz frequency range // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1991. Vol. 88. N 3. P. 897901.

18. Yeh Ch.-H., Shi W. Identifying phase-amplitude coupling in cyclic alternating pattern using masking signals // Sci. Rep. 2018. Vol.8. N 1. P. 2649-2657.