Введение
В данном мини-обзоре мы ставили цель сформировать представление о возрастных особенностях динамики альфа-ритма, акцентируя внимание на источниках его генерации и связи с когнитивными функциями, которые также подвержены возрастным изменениям и благодаря чему альфа-ритм можно рассматривать в качестве маркера когнитивного старения.
С альфа-ритма началась история изучения биоэлектрической активности головного мозга, или электроэнцефалограммы (ЭЭГ), когда Ганс Бергер в 1924 году впервые записал, а в 1929 году опубликовал результаты по регистрации электрических потенциалов головного мозга человека [Berger]. Волны электрической активности головного мозга с частотой колебаний примерно 10 Гц получили название «альфа-ритм». Спустя пять лет в 1934 году вышла публикация [Adrian], подтверждающая открытие Г. Бергера. Со временем были открыты и другие волны биоэлектрической активности мозга — бета-, тета-, дельта-ритмы [Buzsaki, 2006], а также ритмические колебания на частоте, сходной с альфа-ритмом, но отличающиеся локализацией и функциональным значением — мю-ритм с максимумом мощности в сенсомоторных отведениях [Inamoto], каппа-ритм с максимумом мощности в височных отведениях [Sumi], тау-ритмы с максимом мощности в верхних височных отведениях [Wisniewski]. В данном обзоре акцент сделан именно на альфа-ритме.
Источники генерации альфа-ритма
Альфа-ритм является основным ритмом спокойного бодрствования человека, наблюдаемым преимущественно в теменно-затылочных областях головы в виде четко модулированных веретен амплитудой от 40 до 60–80 мкВ на частоте 8–13 Гц. Альфа-ритм хорошо виден без дополнительной обработки при закрытых глазах в состоянии физического и умственного расслабления [Iacono, 2017; Shaw, 2003]. При открывании глаз наблюдается снижение амплитуды альфа-ритма (эффект Бергера). Однако около 10–15% индивидуумов в норме характеризуются низкоамплитудным альфа-ритмом, не превышающим 20 мкВ [Сазонова, 2018]. Индивидуальный альфа-ритм имеет высокую интраиндивидуальную стабильность [Kondacs, 1999], а также достаточно сильную вариацию между отдельными людьми и изменчивость с возрастом [Klimesch, 1999].
Источники генерации альфа-ритма оставались неопределенными вплоть до 1970-х годов [Da Silva, 1977]. В настоящее время сложилось несколько позиций в отношении источников генерации альфа-ритма. Согласно одним позициям, альфа-ритм связан с активностью таламуса благодаря вовлеченности в сенсорные процессы. По данным исследований на животных, классический затылочный альфа-ритм управляется подушкой и/или латеральными коленчатыми ядрами таламуса [Saalmann, 2012; Vijayan, 2012]. В исследовании Мунка с коллегами [de Munck] при одновременной регистрации ЭЭГ и функциональной магниторезонансной томографии (фМРТ) анализировали изменения амплитуды затылочного альфа-ритма для изучения гемодинамических коррелятов альфа-активности ЭЭГ. Авторы показали, что время пика альфа-ритма в таламусе возникает на несколько секунд раньше, чем в затылочной и теменной коре. При этом не обнаружено систематической BOLD (blood oxygen level dependent) активности, предшествующей активности альфа-диапазона, хотя у двух испытуемых с наиболее сильной мощностью альфа-диапазона такая корреляция присутствовала.
В то время как некоторые авторы говорят о таламусе как об источнике, генерирующем альфа-колебания [Hughes], другие приводят доводы в пользу кортикального происхождения альфа-ритма [Laufs, 2006; Portnova]. Последнее не противоречит многочисленным данным, полученным на животных, о том, что источником альфа-ритма является субгранулярная зона гиппокампа [Mejias, 2016; Senzai; Silva, 1991].
В исследованиях на человеке многократно подтверждается наблюдение, что мощность альфа-ритма снижается в областях мозга, имеющих отношение к задаче [ElShafei, 2022; Haegens, 2011; Morrow; Radecke; Schneider, 2022; Thut, 2006; Wöstmann, 2019]. Существует предположение, что ослабление альфа-мощности отражает освобождение релевантных задаче областей от торможения [Abubaker, 2021; Klimesch, 2012; Rempel; Roux, 2014]. Наконец, результаты интракраниальной регистрации ЭЭГ у человека подтверждают, что преобладающим источником альфа-ритма служит электрический потенциал субгранулярной зоны зубчатой извилины [Halgren, 2019]. В совокупности ранее полученные данные позволяют предположить, что альфа-ритм, вероятно, отражает интегральную ингибирующую внутрикортикальную обратную связь за счет торможения ассоциативных связей, которая распространяется от коры более высокого порядка к низшим слоям коры и от коры к таламусу и субгранулярной зоне гиппокампа [D’Souza, 2022; Halgren, 2019; Markov, 2014]. В контексте исследований возраста мозга необходимо установить влияние изменений объемов, активности и проводящих путей вышеописанных структур-источников на параметры альфа-ритма. Так, например, при помощи МЭГ-исследования было показано снижение затылочно-теменного альфа-пика, связанное с одновременным повышением активности тета-диапазона в гиппокампе [Hinault, 2023]. Однако изменение мощностей ритмов, даже при использовании МЭГ и ее более точной пространственной локализации активности, не дает точного объяснения связи возрастной динамики альфа-ритма с анатомическими изменениями мозга в результате старения.
Исследования ЭЭГ человека также указывают на гетерогенность альфа-ритма, т.е. на возможное существование нескольких параллельно действующих источников его генерации. Граттон с коллегами применили трехкомпонентную пространственную модель к данным ЭЭГ в диапазоне альфа-ритма (8–12 Гц), включающую височный, затылочный и теменной компоненты [Gratton, 1992]. Результаты показали, что при закрытых глазах средняя альфа-частота составила 9,51 Гц для височного, 9,88 Гц для затылочного и 10,14 Гц для теменного компонента. Мощность затылочного компонента была больше, чем остальных, и она значительно уменьшалась с возрастом. Возраст не имел значимой корреляции с пиковой частотой трех компонентов альфа-диапазона. Однако у пожилых людей (в возрасте 62–75 лет) отмечается тенденция к снижению частоты альфа-ритма и смещение максимума мощности во фронтальные отведения [Mathewson, 2011]. Авторы предполагают, что три компонента альфа-ритма могут отражать электрическую активность, генерируемую в различных областях зрительной системы. Затылочный компонент может быть связан с ритмической активностью в первичных зрительных областях, височный компонент может соответствовать аналогичному типу активности в зрительных областях в нижней височной доле, а теменной компонент — активности в теменных зрительных областях.
Барзегаран с коллегами [Barzegaran, 2017] выявили двухкомпонентную структуру альфа-ритма в 90% выборки из 29 человек (в некоторых случаях — трехкомпонентную структуру). Типичная структура альфа-ритма в состоянии покоя состояла из высокочастотного затылочно-теменного компонента и низкочастотного затылочно-височного компонента. В нескольких случаях авторы обнаружили трехкомпонентную структуру, с двумя затылочно-теменными компонентами и одним затылочно-височным.
В исследовании на выборке из 60 здоровых испытуемых в возрасте от 20 до 81 года было показано, что альфа-ритм, как правило, состоит из двух компонентов [Knyazeva, 2018]. Авторы установили, что распределение более высокочастотного затылочно-теменного компонента расширяется с возрастом, его максимум активности перемещается от дипольного источника, расположенного в полях Бродмана 18/19, к полю 37. Низкочастотный компонент, источник которого определяется в затылочно-теменных областях у молодых взрослых, также смещается ростральнее с возрастом, сохраняя свой максимум в поле Бродмана 37. Оба компонента замедляются примерно на 1 Гц в течение жизни взрослого человека. Многокомпонентный альфа-ритм чаще встречается у молодых людей, тогда как однокомпонентный альфа-ритм — у пожилых. Такая динамика альфа-ритма, включая увеличение пространственного и частотного перекрытия между его компонентами, позволяет предположить трансформацию многокомпонентного альфа-ритма в однокомпонентный альфа-ритм с возрастом [Barzegaran, 2017].
Недавние исследования с применением различных регрессионных моделей вне зависимости от разновидности применяемых алгоритмов машинного и/или глубокого обучения на больших наборах данных (n > 2500) магнитоэнцефалограммы (МЭГ) и ЭЭГ людей от молодого до пожилого возраста подтверждают возрастную динамику альфа-ритма [Goljahan, 2012; Gonçalves]. Исследования показали, что пространственное распределение кортикальных спектров мощности в бета- (13–30 Гц) и альфа-диапазонах (8–13 Гц) является наиболее значимым фактором, объясняющим показатели возраста мозга среди многих других альтернативных характеристик обработки данных разной сложности [Engemann]. Перспективные направления по определению интегративных показателей возраста мозга человека основаны на оценке объемов областей и проводящих путей мозга, толщины коры и васкулярных изменений [Vidal-Pineiro]. Примечательно, что в одном из исследований было установлено наличие прямой связи между гиперплотностью белого вещества с более высокой мощностью альфа-ритма и с возрастом, что, по мнению авторов, является следствием влияния гиперплотности белого вещества на пространственную организацию источников альфа-ритма. При этом связи увеличения плотности проводящих путей мозга с уменьшением пиковой частоты альфа-ритма у участников исследования (60–80 лет, n = 907) выявлено не было [Kumral, 2022].
Возрастные изменения мощности и частоты альфа-ритма ЭЭГ
В целом ряде исследований было показано, что альфа-пик характеризуется постепенным увеличением частоты с младенчества и до пубертата [Cellier; Cuevas, 2022; Freschl, 2022; Marshall, 2002; Stroganova, 1999; Thorpe, 2016]. В работе Гетц и коллег показано, что у детей с момента рождения до двух лет пиковая частота и мощность альфа-ритма увеличиваются с возрастом, а продолжительность и синхронность альфа-веретен уменьшаются [Goetz, 2021]. У взрослых людей, наоборот, альфа-пик характеризуется уменьшением с возрастом: с 20 до 70 лет его частота уменьшается в среднем с 10,89 Гц до 8,24 Гц [Klimesch, 1997]. Наиболее заметное уменьшение пика альфа-ритма наблюдается в пожилом возрасте.
В исследовании Строгановой и коллег на 154 младенцах [Stroganova, 1999] было выявлено, что реакции альфа-ритма в задаче на зрительное внимание и на предъявление однородного темного фона зависела только от периода внеутробного опыта (возраста ребенка), независимо от гестационного возраста при рождении. Авторы делают вывод о связи между более высокой частотой альфа-ритма и наличием раннего визуального опыта.
Полученные данные относительно связи зрительного опыта и величины альфа-ритма согласуются как с классическими работами [Новикова, 1966], так и с более современными данными. К примеру, в работе Kriegseis с коллегами [Kriegseis, 2006] проведено сравнение амплитуды и топографии альфа-активности ЭЭГ между врожденно слепыми и зрячими взрослыми при выполнении задач на тактильное восприятие и пространственное воображение. В обоих заданиях активность в верхнем и нижнем альфа-диапазонах была значительно ниже у врожденно слепых по сравнению со зрячими участниками в теменно-затылочных областях коры головного мозга. Авторы делают вывод о связи зрительного сигнала и структур мозга, которые обусловливают генерацию альфа-ритма в теменно-затылочных областях у здоровых взрослых. Шуберт с коллегами получили аналогичные результаты [Schubert]. Авторы изучили осцилляторную активность мозга в процессе выполнения задания на тактильное внимание. Осязание может быть локализовано в анатомических (ощущения на коже) или внешних (ощущения тела в пространстве) координатах. Результаты показали, что у зрячих людей альфа-активность отражает использование внешних пространственных координат, а бета-активность — анатомические координаты. У слепых людей центральная альфа-активность указывает на предпочтение анатомических координат, а бета-активность не отличается от зрячих. Таким образом, различия в использовании координатных систем связаны с развитием зрения и отсутствием соответствующих нейронных механизмов у слепых людей.
Систематический лонгитюдный анализ ЭЭГ Маршалла и коллег [Marshall, 2002] показал появление пика 6–9 Гц в разных областях скальпа у 29 участников (5, 10, 14, 24 и 51 месяц). Пик альфа-ритма, или индивидуальный альфа-ритм (ИАР), увеличивался по мере развития и роста. В рамках семилетнего лонгитюдного исследования [Benninger, 1984] на выборке из 96 здоровых детей (47 мальчиков и 49 девочек) было показано, что в возрасте от 4 до 17 лет содержание тета-волн уменьшается, а альфа-волн — увеличивается. У девочек доля медленных альфа-волн (7,5–9,5 Гц) начинает увеличиваться в затылочных отведениях раньше, чем у мальчиков, и позже уменьшается. Быстрые альфа-волны (9,5–12,5 Гц) растут после снижения тета-волн. Изменения в затылочных отведениях происходят быстрее и активнее в раннем детстве. До 6 лет у девочек больше тета- и меньше альфа-волн по сравнению с мальчиками, но они развиваются быстрее и догоняют их. К примеру, в работе Мартинович с коллегами показано, что у девочек 13–15 лет средняя частота верхнего альфа-ритма значимо выше по сравнению с мальчиками [Martinović]. Похожие результаты были получены также Кларке с коллегами [Clarke].
Важно отметить, что в научной литературе приводится множество исследований, демонстрирующих гендерные и возрастные особенности развития когнитивных функций в детском возрасте [Веракса, 2023; Якшина, 2022; Leybina, 2022; Morosanova; Soldatova, 2022]. Как правило отмечается опережающее развитие девочек по отношению к мальчикам, включая электрофизиологические параметры [Антипанова, 2016; Barry, 2004; Markovic, 2020; Modarres]. Девочки достигают половой зрелости на 2–3 года раньше, чем мальчики. Это влияет на более раннее развитие речи у них, четкость звукопроизношения, чтение, овладение иностранными языками и другие аспекты, в том числе благодаря более раннему, по сравнению с мальчиками, развитию левого полушария. Мальчики характеризуются более ранним развитием правого полушария, что обеспечивает им лучшее пространственное и логическое мышление, математические способности [Антипанова, 2016]. При этом мальчики демонстрируют высокую когерентность в левом полушарии с одновременным снижением ее в правом полушарии, что может быть связано с большей дифференциацией и количеством нейронов, а также меньшим количеством белого вещества в правом полушарии [Marosi, 1993].
В исследовании Chiang и коллег изучались возрастные тенденции и половые различия альфа-ритмов ЭЭГ на выборке здоровых участников (1498 человек в возрасте от 6 до 86 лет) [Chiang, 2011]. Результаты показали, что с возрастом альфа-ритмы смещаются в более фронтальные области, что может указывать на увеличение активности в лобной доле или снижение активности в затылочной доле. Однако авторы предполагают, что снижение с возрастом средней мощности альфа-ритмов является более вероятной причиной данного эффекта. Также были обнаружены различия между мужчинами и женщинами в отношении частоты и мощности альфа-ритмов. У мужчин до 16 лет наблюдались более высокие пиковые частоты и мощность альфа-ритма, которые затем значительно снижались к 20 годам. У женщин же динамика показателей альфа-ритма отражает возрастные изменения, то есть постепенное снижение с возрастом.
Динамические изменения ЭЭГ в процессе развития и старения были изучены в работе Портновой и Атанова на выборке здоровых испытуемых в возрасте 3–75 лет [Portnova]. Выборка была разделена на шесть подгрупп: дошкольное детство, среднее детство, подростковый возраст, ранняя взрослость, средняя взрослость, поздняя взрослость. Авторы обнаружили значительные возрастные различия в указанных группах. Было показано, что у пожилых пациентов наблюдается более низкая стабильность амплитуды основных ритмов ЭЭГ и что пик альфа-ритма меньше у детей и пожилых людей. Также авторами выявлено, что пациенты после черепно-мозговых травм демонстрируют большее сходство по мощности спектра ЭЭГ с детьми, то есть отличаются меньшей стабильностью, указывающей на возможную дисфункцию альфа-ритмической активности.
В другом исследовании на выборке 17722 здоровых испытуемых (водителей грузовиков) в возрасте от 20 до 70 лет были изучены изменения ЭЭГ с возрастом [Vysata]. Авторы показали отрицательную корреляцию мощности всех ритмов ЭЭГ с возрастом, но наиболее значимые изменения были выявлены для альфа-ритма.
Десинхронизация или выраженное падение мощности при переходе от состояния спокойного бодрствования к активному состоянию является особенностью альфа-ритма. Было показано, что степень десинхронизации альфа-ритма менее выражена при выполнении моторных задач у пожилых людей, по сравнению с молодыми, что также связывает ослабление альфа-ритма с ухудшением моторных навыков с возрастом [Manor, 2023].
Еще одним важным свойством альфа-ритма является его высокая когерентность у взрослых людей между удаленными электродами. Дети из-за слабого развития неокортекса характеризуются сниженной когерентностью между лобными и затылочными электродами на пиковой частоте альфа-ритма [Srinivasan]. Существуют также половые различия в когерентности альфа-ритма. Так, девочки 8–12 лет характеризуются меньшей внутриполушарной и межполушарной когерентностью, которая увеличивается по мере их развития [Barry, 2004].
Альфа-ритм как маркер когнитивного и биологического возраста человека
Исследования возрастных изменений альфа-ритма, его силы и пиковой частоты важны не только для изучения биологического возраста, но и для определения когнитивного возраста человека, поскольку установлена связь альфа-ритма с когнитивными функциями. Согласно некоторым исследованиям, пиковая частота альфа-ритма имеет положительную связь с успешностью выполнения когнитивных функций, связанных с вниманием, памятью и скоростью обработки информации [Klimesch, 1999; Klimesch, 1997]. Частота индивидуального альфа-ритма возрастает больше в правом полушарии при выполнении зрительных заданий и больше в левом при выполнении арифметических заданий [Angelakis, 2004]. В ряде исследований установлено, что индивидуальная частота альфа-колебаний взаимосвязана с индивидуальными различиями в когнитивной деятельности и когнитивных способностях [Bertaccini; Grandy; Klimesch, 1993; Vogt]. Климеш показал, что испытуемые со сниженными мнестическими способностями характеризуются снижением пика альфа-ритма во время выполнения заданий на память, а испытуемые с высокими мнестическими способностями характеризуются стабильностью пика альфа-ритма в различных условиях [Klimesch, 1993; Klimesch, 1996]. Также Климеш показал, что испытуемые с высокими мнестическими способностями и высокой скоростью обработки информации характеризуются частотой альфа-пика в среднем на 1 Гц большей по сравнению с контрольной группой [42–45; 87]. Тем не менее в некоторых работах ставится под сомнение наличие связи между спектральными характеристиками ЭЭГ и интеллектом [Anokhin; Ociepka; Pahor]. Кроме того, в одной из работ показано, что дети с расстройствами аутистического спектра могут иметь более высокую частоту альфа-ритма, чем их нормотипичные сверстники [Shen, 2023]. При этом дети и подростки с достоверно более высоким уровнем IQ, чем их сверстники, могут иметь достоверно сниженную частоту альфа-ритма. В работе Постума с коллегами [Posthuma, 2001] проводилось исследование 271 семьи близнецов (688 участников), в котором показано отсутствие корреляций между ИАР и интеллектом, однако по отдельности данные параметры показали высокую степень наследуемости. В работе Пахор и Яушовец [Pahor] также показано отсутствие корреляций между индивидуальным альфа-ритмом и IQ. Вместе с тем, авторы показали положительную корреляцию у мужчин между ИАР и умственным вращением, манипулированием формами и вниманием, объемом внимания, а также положительную корреляцию между ИАР и временем реакции у женщин.
Неоднозначные данные получены в ряде исследований, направленных на стимуляцию ИАР. К примеру, в работе Пахор и Яушовец [Pahor] с использованием транскраниальной стимуляции переменным током (tACS) проводилось увеличение ИАР. У мужчин это вызвало ухудшение выполнения заданий на интеллект (матрицы Равена), а у женщин — легкий положительный эффект. В работе Бобби [Bobby, 2020] на здоровых пожилых участниках (60–65 лет) проводились сеансы терапии с биологической обратной связью, направленные на увеличение альфа-ритма. Результаты показали увеличение производительности рабочей памяти и когнитивных навыков.
В работе Грэнди с коллегами [Grandy] проводилось крупномасштабное тренировочное исследование, в котором здоровые молодые (20–31 год, n = 30) и пожилые (65–80 лет, n = 28) люди выполняли тренировки когнитивных функций (примерно по 100 тренировок). ЭЭГ регистрировали до и после когнитивного тренинга. В обеих возрастных группах ИАР не изменился, несмотря на значительный прирост когнитивных показателей. Это указывает на стабильность ИАР у здоровых взрослых до 80 лет и возможность использования этого показателя в качестве нейрофизиологического маркера когнитивных функций.
Таким образом, индивидуальная стабильность, генетическая обусловленность и возрастные особенности альфа-ритма делают его перспективным маркером как развития, так и старения мозга. Определение степени соответствия альфа-ритма нормотипичным возрастным характеристикам может способствовать развитию методик определения соответствия биологического и когнитивного возраста человека его хронологическому возрасту [Поликанова, 2022]. «Возраст мозга» также является одним из наиболее важных индикаторов биологического возраста человека, и большинство последних работ по определению возраста мозга основано на его структурных изменениях [Vidal-Pineiro] и их связи с генетическими факторами [Anokhin, 2014; Leonardsen, 2023; Ponomareva, 2022].
Несмотря на это, определение возраста мозга (преимущественно для молодого и пожилого возрастов) на основе его биоэлектрической активности и, в частности, параметров альфа-диапазона остается актуальной областью исследований и имеет перспективы развития благодаря большей распространенности процедуры записи ЭЭГ в клинической практике по сравнению с магнитно-резонансной томографией головного мозга.
Заключение
Суммируя все изложенное выше, можно подчеркнуть следующее. Альфа-ритм является доминирующим по амплитуде ритмом мозга человека в спокойном бодрствовании. Существуют разные взгляды на природу возникновения альфа-ритма. Некоторые авторы говорят о таламусе как источнике возникновения альфа-ритма в связи с его вовлеченностью в сенсорные процессы. Другие исследования говорят в пользу кортикального происхождения альфа-ритма. В последнее время все больше появляется доказательств в пользу того, что источником альфа-ритма является субгранулярная зона зубчатой извилины гиппокампа.
На сегодняшний день имеются противоречивые данные относительно взаимосвязи между величиной ИАР и когнитивными способностями человека. В то время как ранние исследования продемонстрировали явную связь между более высоким ИАР и улучшенными когнитивными функциями, такими как восприятие, внимание, сенсорная обработка и мышление, последние исследования не подтверждают столь явную связь. Вместе с тем, показана связь между гендерными особенностями, когнитивными способностями и величиной ИАР.
Альфа-ритм характеризуется высокой индивидуальной стабильностью, однако имеет выраженную возрастную динамику, которую можно описать u-формой. В период с младенчества до пубертата (а по некоторым данным до приблизительно 20 лет) индивидуальный пик альфа-ритма характеризуется более низкой частотой (5–9 Гц). С возрастом частота пика альфа-ритма постепенно увеличивается (8–13 Гц). У взрослых людей альфа-ритм характеризуется высокой стабильностью, однако отмечается снижение его пика в течение жизни (с 20 до 70 лет). В пожилом возрасте (старше 70 лет) происходит также выраженное снижение мощности альфа-ритма. В настоящее время все больше доказательств в пользу существования многокомпонентной структуры альфа-ритма (обычно двух-, иногда — трехкомпонентной). Более высокочастотный затылочно-теменной компонент характеризуется расширением с возрастом и смещением из поля Бродмана 18/19 к полю 37. Низкочастотный компонент в затылочно-теменной области характеризуется с возрастом более ростральным смещением с максимумом также в поле 37. В пожилом возрасте отмечается, как правило, наличие однокомпонентной структуры альфа-ритма. В целом, индивидуальная стабильность, генетическая обусловленность альфа-ритма и повторяющиеся данные о его возрастной динамике делают его перспективным маркером определения возраста мозга человека преимущественно для молодого и пожилого возрастов.