Подробно вызванные потенциалы мозга (ВП) описаны в этом материале.
В данной же статье я остановлюсь именно на когнитивных ВП (Event Related Potentials (ERP)), особенностях их регистрации и анализа.
Регистрация ВП
Вызванный потенциал – это реакция головного мозга на предъявленный стимул, выраженная в виде электрического разряда на в головном мозге определенной латентности и амплитуды. Для записи ВП обычно регистрируют ЭЭГ.
Для регистрации вызванных потенциалов мозга производят усреднение ЭЭГ-сигнала на несколько стимулов (фото, аудио, паттерн, токовых и др.).
Шум и усреднение
На фоновой ЭЭГ-активности невозможно распознать ответ головного мозга на единичный предъявленный стимул. Однако, если последовательно предъявить несколько одинаковых стимулов (часто 100 и более) и усреднить все полученные ответы, то шумы и фоновая ЭЭГ-активность отсеются, так как имеют случайный характер, а ответы головного мозга на стимул останутся, так как они постоянны и повторяются от стимула к стимулу. Чем больше усреднений, тем чище полученные ответы.
Качество регистрации ВП также напрямую зависит от технических характеристик ЭЭГ-комплекса.
Электроды и импеданс
Для регистрации ВП высокого качества также необходимо обеспечить как можно более низкий уровень подэлектродного импеданса (обычно < 5 кОм).
Кожу головы в месте наложения электродов необходимо предварительно обезжирить спиртом и обработать абразивной пастой.
Также качество регистрации напрямую зависит от качества используемых ВП-электродов:
Модальности ВП
В зависимости от типа стимуляции выделяют следующие модальности вызванных потенциалов:
- Визуальные ВП (вспышка, паттерн, картинка, видео).
- Слуховые ВП (звук: тон, щелчок, речевые стимулы).
- Соматосенсорные ВП (электрический ток).
- Обонятельные ВП (запах).
Латентность ВП
Время от момента стимула до регистрации реакции мозга на него называется латентностью ответа. В зависимости от структур головного мозга, отвечающих за ответ, скорость реакции может быть разной.
Различают:
- коротко-латентные ВП (< 50 мс);
- средне-латентные ВП (< 100 мс);
- длинно-латентные ВП (> 100 мс);
Когнитивные ВП
Когнитивные вызванные потенциалы - это длиннолатентные ВП (ДВП), связанные с принятием решения. Существует множество различных парадигм регистрации когнитивных вызванных потенциалов.
Вот некоторые из них:
- P300
- MMN
- CNV
- GoNoGo
- P50
- N400
- OddBall
- TOVA (Test of Variables of Аttention)
- StroopTask
- VCPT (Visual Continuous Performance Task)
Для качественной регистрации ВП необходимо оборудование с низким уровнем собственных шумов, высокой частотой квантования и точной синхронизацией со стимулятором.
В качестве примера современного регистратора ЭЭГ/ВП рассмотрим «Нейрон-Спектр-4/ВПМ:
- Низкий уровень шума и высокая частота квантования.
- Встроенные фото-, аудио-, паттерн- и токовый стимуляторы.
- Возможность подключения внешних стимуляторов (USB и синхро-вход).
P300
P300 (P3) – это компонент связанного с событием потенциала (Event Related Potential), выявляемый в процессе принятия решений.
Во время регистрации пациенту подаются два типа стимулов: значимые и незначимые.
Задача пациента: распознать стимулы и подсчитать количество значимых, или нажимать кнопку сразу после значимого стимула.
При использовании кнопки можно также измерить время реакции пациента.
Для стимуляции обычно используются аудио- или паттерн-стимулятор:
Частота стимуляции обычно 1 Гц. Вероятность предоставления значимого стимула ~20%. Значимый и незначимый стимулы довольно легко различимы для обследуемого.
Отдельно усредняется два ответа: на значимые и незначимые стимулы. Также может быть рассчитана кривая разности первых двух.
В настоящее время P300 является, пожалуй, наиболее распространенной парадигмой среди всех когнитивных ВП. Латентность ответа в норме, как ясно из названия, составляет около 300 мс. С возрастном у человека латентность компонента Р300 обычно увеличивается.
MMN
Mismatch negativity test очень похож на P300, но разница между девиантным и стандартным стимулами меньше, чем между значимыми и незначимыми при P300. Пациенту сложнее их распознать.
MMN является компонентом связанного с событием потенциала (ERP) отличного стимула в последовательности стимулов.
Для стимуляции обычно используется аудиостимулятор:
Частота предъявления стимулов обычно 1 Гц. Вероятность предъявления девиантного стимула ~10%. Девиантный и стандартный стимулы сложно различимы для обследуемого в сравнении с P300.
Усредняются два ответа: на девиантный и стандартный стимулы. Также может быть рассчитана кривая их разности.
Кроме компонента P300 на девиантной кривой усредняется компонент MMN, латентность которого составляет в норме 150-200 мс.
Odd ball
Одним из вариантов теста MMN является Odd ball task. Для стимуляции используется паттерн-стимулятор:
P300, MMN, Odd ball – это своеобразные тесты на внимательность. При различных психических и неврологических заболеваниях амплитуды и латентности ответов, а также время реакции значительно отличаются от нормы.
CNV
Contingent negative variation (CNV) - время реакции между предупреждающим и пусковым стимулом, измеренное с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ). CNV был одним из первых компонентов, связанных с событием (ERP), которые были описаны.
Пациент должен нажимать кнопку, как только он услышит пусковой стимул. Перед пусковым подается предупредительный стимул. Интервал между предупреждающим и пусковым стимулами варьируется и составляет ~2 секунды.
Для стимуляции обычно используется аудиостимулятор:
Усредняется одна кривая с довольно длительной эпохой анализа ~2.3 сек. Оба ответа (на предупреждающий и пусковой стимулы) отчетливо видны на кривой.
В данном видео от компании "Медицинские компьютерные системы" описан процесс регистрации CNV:
GoNoGo
Отличие парадигмы GoNoGo от предыдущих состоит в том, что стимулы подаются не по одному, а парами. И реагировать пациент должен именно на последовательность стимулов в паре.
Каждый шаг содержит два стимула. Временной интервал между этими двумя стимулами ~ 500 мс. Интервал между парами стимулов ~ 2,5 сек. Пары стимулов подаются в случайной последовательности или по заранее созданному сценарию.
Для стимуляции обычно используется паттерн-стимулятор, но возможно применение и слухового стимулятора:
Усредняется два ответа: на Go и NoGo стимулы. Ответ на игнорируемый стимул также может быть усреднен.
Потенциал готовности
В неврологии потенциал Bereitschaftspotential или BP (от немецкого «потенциал готовности»), также называемый домоторным, является мерой активности в моторной коре и дополнительной моторной области мозга, ведущей к произвольному движению мышц.
Во время этого теста пациенту просто необходимо спонтанно нажимать кнопку.
P50
В электроэнцефалографии P50 - это связанный с событием потенциал, возникающий примерно через 50 мс после предъявления стимула, обычно слухового щелчка. Ответ P50 используется для измерения сенсорного стробирования или снижения нейрофизиологического ответа на избыточные (повторяющиеся) стимулы.
Исследования обнаружили аномальное подавление P50 у людей с шизофренией, что делает его примером биологического маркера данного заболевания. Помимо шизофрении, аномальное подавление P50 было обнаружено у пациентов с черепно-мозговой травмой, употреблением рекреационных наркотиков и посттравматическим стрессовым расстройством.
Во время этого теста пациенту предъявляются два одинаковых слуховых стимула (щелчок). Время между кондиционирующим и тестовым стимулами составляет 200 мс. Интервал между парами стимулов - 5 сек. Длительность щелчка 0,1 мс.
Усредняются два ответа: на кондиционирующий и тестовый стимулы.
TOVA
Test of Variables of Attention (T.O.V.A.) - это нейропсихологическая оценка, которая измеряет внимание человека при скрининге на синдром дефицита внимания и гиперактивности. Обычно тест длится около 20 минут.
Тест используется для измерения ряда переменных, включающих реакцию испытуемых на визуальный или слуховой раздражитель. Затем эти измерения сравниваются с измерениями группы людей без нарушений внимания, которые прошли тест T.O.V.A.
Существует несколько тестов Visual Continuous Performance Tasks (VCPT), но в действительности все эти тесты основаны на регистрации P300.
Stroop task
Для стимуляции обычно используется паттерн-стимулятор:
Mathematical task
Для стимуляции обычно используется паттерн-стимулятор:
N400
N400 - это компонент синхронизированных по времени сигналов ЭЭГ, известных как потенциалы, связанные с событием (ERP). Это отрицательное отклонение, которое достигает пика примерно через 400 миллисекунд после появления стимула, хотя оно может длиться от 250 до 500 мс и обычно максимально на участках центрально-теменных электродов.
N400 является частью нормальной реакции мозга на слова и другие значимые (или потенциально значимые) стимулы, включая визуальные и слуховые образы, знаки языка жестов, изображения, лица, звуки окружающей среды и запахи.
Для стимуляции обычно используется паттерн-стимулятор:
Анализ вызванных потенциалов мозга
Как уже упоминалось, по амплитуде и латентности компонентов различных когнитивных ВП можно судить о тех или иных отклонениях от нормы, свидетельствующих о тех или иных заболеваниях. В помощь диагносту современные компьютеризированные программы содержат ряд инструментов анализа, существенно упрощающих и ускоряющих процесс диагностики.
Программы анализа автоматически отбрасывают артефактные эпохи и берут в усреднение только качественные ответы, ускоряя процесс регистрации.
После проведения записи есть возможность автоматической расстановки маркеров компонентов ВП с возможностью ручной регулировки.
После расстановки маркеров программа рассчитывает латентности и амплитуды компонентов и сравнивает их с нормальными значениями.
Результаты анализа представлены в табличном виде или в виде топографических карт.
Видео
В данном ролике продемонстрирована регистрация P300 и MMN:
Заключение:
Когнитивные ВП могут применяться как самостоятельный инструмент для диагностики, так и в составе других тестов для определения неврологических и психических отклонений. Существует большое разнообразие парадигм.
Кроме диагностики в последнее время когнитивные ВП находят и более широкое применение, например, в системах Brain-Computer Interface (BCI).
Так, в системе NeuroChat с помощью регистрации P300 реализован ввод текста в компьютер фактически с помощью мысли.
Будьте здоровы, берегите себя!
