ЭЭГ характеристики альфа-ритма

Ритмы ЭЭГ

Альфа-ритм

Альфа-ритм или альфа-волны (англ. alpha rhythm, alpha wave, α-rhythm) — нормальная ритмическая активность ЭЭГ, регистрирующаяся в области первичных или вторичных зон сенсорной коры при открытых или закрытых глазах в состоянии покоя у 85-95% здоровых взрослых. При активации сенсорных областей коры альфа-ритм угнетается. У здорового человека альфа-ритм является доминирующим (т.е. преобладает по амплитуде) в области теменной, затылочной, а также сенсомоторной коры, где отдельно выделяют mu- или сенсомоторные ритмы. Частота альфа-ритма варьирует в пределах от 8 до 13 Гц. Амплитуда альфа-волн может варьировать, но у взрослых обычно около 30-50 мкВ. Блокируется или ослабляется при повышении внимания (в особенности зрительного) или мыслительной активности.

Таким образом, в современной литературе термин «альфа-ритм» применяется к любым компонентам ЭЭГ со следующими характеристиками:

· доминирующий ритм ЭЭГ в затылочно-теменной области с частотой 8-13 Гц;

· веретенообразность колебаний;

· снижение амплитуды при реакции зрительной и когнитивной активации

 

ЭЭГ характеристики альфа-ритма

Лучше всего альфа-ритм выражен (доминирует) в затылочных и теменных отделах, по направлению кпереди амплитуда его постепенно уменьшается. Наибольшую амплитуду α-ритм имеет в состоянии спокойного расслабленного бодрствования, особенно при закрытых глазах в затемненном помещении. Для альфа-ритма характерна быстрота реакции, подавление альфа-ритма происходит при открывании глаз; при закрывании глаз амплитуда альфа-активности возвращается в норму, особенно в затылочной области.

Его амплитуда, хотя и является в среднем относительно постоянным параметром для данного индивидуума, весьма существенно колеблется во времени, как правило от 30 до 50 мкВ. Помимо изменений амплитуды, связанных с функциональным состоянием мозга, в большинстве случаев достаточно регулярно наблюдаются спонтанные изменения амплитуды, так называемые модуляции альфа-ритма, выражающиеся в чередующемся нарастании и снижении амплитуды волн с образованием характерных «веретен», длительность которых чаще всего колеблется от 2 до 8 с.

Модуляция – то есть правильное возрастание и убывание амплитуды альфа-ритма – выглядит на мониторе как горизонтальное веретено.

Регулярным считается альфа-ритм тогда, когда периоды (длины) волн отличаются не более чем на 0,5 Гц.

Количественной характеристикой является индекс альфа-активности. До 25% альфа-активность считается низкой, до 50% – средней, высокой – более 70%. Альфа активность считается нормальной, если она фиксируется в затылочно-теменной области с индексом не менее 60% или наблюдается во всех областях мозга с индексом не менее 50%.

По морфологическим свойствам альфа-ритм представляет собой синусоиду, но у молодых пациентов он может прерываться острыми отрицательными колебаниями, то усиливаться, то ослабляться, вызывая появление «эффекта биения». Подобный ритм может встречаться у одних людей и отсутствовать у других. Этот ритм называют «веретенообразным» (spindles). Он особенно заметен при исследовании сна у пациентов.

Теменной альфа-ритм

В некоторых редких случаях высокоамплитудные ритмы в диапазоне альфа-частот могут быть обнаружены в теменных областях с максимумом в Pz. Это рассматривается как нормальный вариант альфа-ритма. Этот ритм может увеличиваться в состоянии с закрытыми глазами, так же как затылочный альфа-ритм, хотя у некоторых людей мы наблюдали уменьшение теменного альфа-ритма в ответ на закрывание глаз. Теменной ритм может присутствовать в ЭЭГ вместе с затылочным ритмом и, по-видимому, независим от затылочного ритма. Частота теменного ритма обычно меньше частоты затылочного ритма, измеренная у того же человека. Суммарная мощность теменных ритмов возрастает с повышением трудности задачи и увеличивается в состоянии решения задачи по сравнению с состоянием спокойного бодрствования с открытыми глазами. Функциональное значение теменного ритма полностью не понято. Функциональный анализ сталкивается с двумя трудностями:

1) теменной альфа-ритм присутствует у немногих людей;

2) он маскируется соседним затылочным альфа-ритмом.

Анализ независимых компонент амплитудных спектров. Анализ независимых компонент был применен к амплитудным спектрам ЭЭГ, вычисленным для более 300 здоровых субъектов, выполняющих зрительную двухстимульную GO/NOGO-задачу. Представлены шесть независимых компонент, соответствующих различным ритмам. Для каждой компоненты слева направо приведена топография компонент, представление соответствующей компоненты для отдельного субъекта, ниже — спектральные характеристики компонент.

Голограммы и LORETA-изображения трех типов альфа-ритмов. Примеры топограмм и соответствующих электромагнитных томографических изображений трех здоровых взрослых субъектов. Все субъекты находились в состоянии спокойного бодрствования с открытыми глазами. А. Индивидуум с затылочным альфа-ритмом. Б. Индивидуум с мю-ритмами. В. Индивидуум с теменным альфа-ритмом. Изображения LORETA отображают распределение генераторов ритмов в затылочно-теменной области, постцентральной сенсомоторной полосе и среднетеменной области соответственно.

Спектральный анализ ЭЭГ

Для анализа фоновой биоэлектрической активности мозга широко применяется спектральный метод анализа, описывающий распределение мощности по частотным составляющим изучаемого процесса. Можно указать следующие причины такого широкого применения метода:

· амплитудно-частотные характеристики ЭЭГ наиболее информативны для исследования текущего функционального состояния ЦНС;

· спектральные характеристики ЭЭГ поддаются математической и статистической обработке и потенциально могут дать эффективные методы анализа ЭЭГ, которые невозможно получить при традиционных методиках.

Частотный анализ предполагает изучение распределения какого-либо параметра ЭЭГ в зависимости от частоты. В первую очередь интерес представляет мощность для частотных составляющих ЭЭГ. Для измерения мощности в заданной частотной полосе во временной области необходимо отфильтровать достаточно большой участок ЭЭГ и вычислить средний квадрат значений амплитуды ЭЭГ. Таким образом, получаем мощность ЭЭГ (микровольты в квадрате) на заданном диапазоне частот, средняя амплитуда вычисляется через квадратный корень от мощности. Совокупность значений вычисленных таким образом амплитуды и мощности для всего частотного диапазона образует амплитудный спектр и спектр мощности соответственно. Для непрерывного (аналогового) сигнала можно получить непрерывный спектр значений амплитуды, в этом случае вычисляется спектральная плотность мощности с размерностью микровольт в квадрате/Герц, а мощность на заданном диапазоне вычисляется через интегрирование спектральной плотности мощности в заданных частотных границах. При количественном анализе под словами «амплитуда ЭЭГ» подразумевается амплитуда не от пика до пика, как при традиционном визуальном анализе, а от пика до изолинии, т.е. нуле калибровочного сигнала. Спектральная амплитуда представляет собой усредненное значение на рассматриваемом временном интервале, в отличие от визуального анализа, где выборочно выбираются участки ЭЭГ с наиболее выраженным ритмом. По этим причинам спектральная амплитуда будет в 5-7 раз меньше, чем амплитуда в традиционном анализе.

В настоящее время для частотного анализа применяют, как правило, спектральный анализ. Математической основой спектрального анализа является преобразование Фурье исходных ЭЭГ-данных, которые рассматриваются как случайный процесс. На спектральную оценку могут влиять и допущения относительно исходных данных, и метод усреднения, и алгоритм вычисления и прочие обстоятельства, делающие спектральный анализ достаточно субъективным. На практике в большинстве случаев используется метод Кули и Тьюки – расчет спектра прямым дискретным преобразованием Фурье с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье. Реже используется вычисление спектров через преобразование Фурье корреляционной функции.

Так как ЭЭГ-сигнал представлен в системе дискретных равноотстоящих N точек (отсчетах АЦП) на заданном участке ЭЭГ (сегменте) с эпохой анализа (длительностью сегмента) T, при помощи дискретного преобразования Фурье (ДПФ) можно получить дискретный спектр, состоящий из N/2 гармоник (синусоидальных сигналов разной частоты, амплитуды и фазы) с равноотстоящими частотами с шагом 1/T. Амплитудный спектр и спектр мощности представлен амплитудой и мощностью этих гармоник соответственно. Для получения мощности на частотной полосе, превышающей шаг в спектральной области (1/T в Гц), нужно просуммировать мощности всех гармоник внутри этой полосы. Общая спектральная мощность должна быть равна мощности во временной области (т.е. средний квадрат исходного ЭЭГ-сигнала). Спектр, полученный на одной эпохе, иногда называют выборочным спектром. Выборочный спектр является статистически несостоятельным, так как среднеквадратичная ошибка сравнима по величине со средним значением самой оценки спектральной мощности.

Для получения статистически состоятельной оценки спектра используют следующие методики усреднения: по соседним частотам – метод Даньелла (Daniell), по непересекающимся эпохам – метод Бартлетта (Bartlett), по перекрывающимся эпохам – метод Уэлча (Welch). На практике длину эпохи анализа часто устанавливают равной 4-5 с, общая длина анализируемых ЭЭГ-данных должна составлять не менее 20 с.

Кроме спектров по одному отведению ЭЭГ, можно также получить взаимные спектры двух отведений (каналов). Взаимная спектральная плотность есть комплексная величина

  Sn=Cn-ixQn,

где действительная часть Cn называется синфазной составляющей, а мнимая часть Qn – квадратурной составляющей взаимной спектральной плотности. Синфазная составляющая Cn – отношение среднего произведения двух процессов на n-й частоте к ширине n-й частоты. Квадратурная составляющая Qn – отношение среднего произведения процессов x(t) и y(t) на n-й частоте к ширине n-й частоты, причем один из процессов сдвинут относительно другого на π/2. Взаимную спектральную плотность также можно определить как преобразование Фурье кросс-корреляционной функции. Взаимные спектры также называют кросс-спектрами, а спектр по одному отведению – автоспектром.

На практике для описания взаимосвязи между отведениями используют комплексную функцию КОГ, которая вычисляется для каждой частоты или полосы (диапазона) частот через взаимную спектральную плотность мощности двух каналов делением на произведение автоспектров мощности. В этом случае иногда используют термин «когерентный анализ». Модуль функции КОГ на данной частоте меняется от 0, когда нет статистической зависимости, до 1, когда есть полная статистическая зависимость. При ненулевой КОГ также можно измерить разность фаз на данной частоте между двумя отведениями и соответственно задержку по времени сигнала с одного отведения по отношению к другому.

Ряд спектральных показателей, такие как мощность, относительная мощность, когерентность, межполушарная асимметрия, рассматриваемые как случайные величины, могут быть приведены несложными математическими преобразованиями к нормальному распределению (Гаусса), что существенно упрощает их статистический анализ, так как многие виды статистической обработки, такие как критерий Стьюдента, ANOVA и прочие, требуют от данных нормального распределения. Скажем, логарифм от величины мощности для стандартных ритмов δ, θ, α, β является нормально распределенной случайной величиной для 20-секундных отрезках ЭЭГ. В этом случае можно подобрать контрольную группу одного пола и возраста, вычислить среднее по группе и стандартное отклонение спектрального показателя и сравнивать обследуемых с этими нормативными ЭЭГ-данными при помощи Z-критерия, в котором величина Z, определенная как степень отклонения от среднего по нормативной группе в единицах стандартного отклонения, не должна в норме превышать 2-3 S.D. Результаты такого анализа могут быть представлены в виде графиков, гистограмм и топографических карт. Использование набора подобных тестов для нормально распределенных спектральных параметров получило название «нейрометрика» (John E.R.).

Задание по ЛР

На портале https://physionet.org/ в разделе Data найти раздел Neuroelectric and Myoelectric Databases.

В разделе Neuroelectric and Myoelectric Databases выбрать EEG During Mental Arithmetic Tasks

Ознакомиться с визуализатором Visualize waveforms

На любой из последовательности, выявить все альфа волны (см. 1 часть методички)

Произвести спектральный анализ (см. 2 часть методички)

Сделать выводы о возможности использования ЭЭГ для нейроинтерфейсов.

Ритмы ЭЭГ

Альфа-ритм

Альфа-ритм или альфа-волны (англ. alpha rhythm, alpha wave, α-rhythm) — нормальная ритмическая активность ЭЭГ, регистрирующаяся в области первичных или вторичных зон сенсорной коры при открытых или закрытых глазах в состоянии покоя у 85-95% здоровых взрослых. При активации сенсорных областей коры альфа-ритм угнетается. У здорового человека альфа-ритм является доминирующим (т.е. преобладает по амплитуде) в области теменной, затылочной, а также сенсомоторной коры, где отдельно выделяют mu- или сенсомоторные ритмы. Частота альфа-ритма варьирует в пределах от 8 до 13 Гц. Амплитуда альфа-волн может варьировать, но у взрослых обычно около 30-50 мкВ. Блокируется или ослабляется при повышении внимания (в особенности зрительного) или мыслительной активности.

Таким образом, в современной литературе термин «альфа-ритм» применяется к любым компонентам ЭЭГ со следующими характеристиками:

· доминирующий ритм ЭЭГ в затылочно-теменной области с частотой 8-13 Гц;

· веретенообразность колебаний;

· снижение амплитуды при реакции зрительной и когнитивной активации

 

ЭЭГ характеристики альфа-ритма

Лучше всего альфа-ритм выражен (доминирует) в затылочных и теменных отделах, по направлению кпереди амплитуда его постепенно уменьшается. Наибольшую амплитуду α-ритм имеет в состоянии спокойного расслабленного бодрствования, особенно при закрытых глазах в затемненном помещении. Для альфа-ритма характерна быстрота реакции, подавление альфа-ритма происходит при открывании глаз; при закрывании глаз амплитуда альфа-активности возвращается в норму, особенно в затылочной области.

Его амплитуда, хотя и является в среднем относительно постоянным параметром для данного индивидуума, весьма существенно колеблется во времени, как правило от 30 до 50 мкВ. Помимо изменений амплитуды, связанных с функциональным состоянием мозга, в большинстве случаев достаточно регулярно наблюдаются спонтанные изменения амплитуды, так называемые модуляции альфа-ритма, выражающиеся в чередующемся нарастании и снижении амплитуды волн с образованием характерных «веретен», длительность которых чаще всего колеблется от 2 до 8 с.

Модуляция – то есть правильное возрастание и убывание амплитуды альфа-ритма – выглядит на мониторе как горизонтальное веретено.

Регулярным считается альфа-ритм тогда, когда периоды (длины) волн отличаются не более чем на 0,5 Гц.

Количественной характеристикой является индекс альфа-активности. До 25% альфа-активность считается низкой, до 50% – средней, высокой – более 70%. Альфа активность считается нормальной, если она фиксируется в затылочно-теменной области с индексом не менее 60% или наблюдается во всех областях мозга с индексом не менее 50%.

По морфологическим свойствам альфа-ритм представляет собой синусоиду, но у молодых пациентов он может прерываться острыми отрицательными колебаниями, то усиливаться, то ослабляться, вызывая появление «эффекта биения». Подобный ритм может встречаться у одних людей и отсутствовать у других. Этот ритм называют «веретенообразным» (spindles). Он особенно заметен при исследовании сна у пациентов.