Сравнение частотных компонент ЭЭГ и кожного потенциала (количественный анализ)

Введение

В недавней статье (Назаров, 2017) сообщалось о некоторых наблюдениях, в которых обнаружилось сходство (по крайней мере, топологическое) между высокочастотными компонентами кожного потенциала (КП) и частотными полосами локальной ЭЭГ (Fp1). Регистрация КП производилась по аналогии с регистрацией КГР¹, но с применением широкополосного усилителя биопотенциалов в диапазоне частот 0.05—1000 Гц. В этом заключалось отличие описанного в упомянутой статье способа регистрации КП от традиционного метода измерения электрокожной активности, при котором верхняя граница частоты полезного сигнала не превышает 2 Гц. Анализ более широкополосного спектра частот КП, выполненный с применением современной цифровой техники обработки аналоговых сигналов и того же алгоритма, который используется для анализа ЭЭГ, позволил, в частности, установить следующее.

1. В составе суммарного сигнала КП, регистрируемого с поверхности кисти руки, присутствуют те же полосы частот, которые характерны для ритмов ЭЭГ: Альфа (8—13 Гц), Бета (13—30 Гц), Дельта (0.5—4 Гц), Тета (4—8 Гц), Гамма (36—45 Гц). Общие конфигурации этих ритмов в КП и ЭЭГ характеризуются значительным сходством.

2. Различия в указанных ритмах КП и ЭЭГ проявляются в частичном несовпадении их фазовой и амплитудной динамики на протяжении относительно длительного периода регистрации. Соответствующие данные были получены при одновременной регистрации КП и ЭЭГ у немногих, но одних и тех же испытуемых (всего 3 человека).

3. В соотношении низкочастотных (0.05—1 Гц) составляющих в суммарных КГР, КП и ЭЭГ при их одновременной регистрации были обнаружены три типа таких отношений: полная синфазность и конгруэнтность амплитудной динамики (у большинства испытуемых); контрфазность амплитудной динамики при сохранении ее конгруэнтности (у меньшинства испытуемых); смешанный тип с чередованием синфазности и контрфазности (у некоторых испытуемых).

В данной статье особое внимание уделено второму типу из найденных закономерностей с целью более детального количественного анализа как сходства, так и различий между динамическими характеристиками КП и ЭЭГ в диапазоне частот 5—45 Гц.

Метод

Стимульный материал и задачи для испытуемых. Регистрация КП и локальной ЭЭГ (Fp1) проводилась при выполнении испытуемыми двух типов заданий: 1) решение анаграмм (1-я серия эксперимента); 2) 9 разных по содержанию задач, выбранных из разных интеллектуальных тестов (2-я серия).

Анаграммы состояли из 5, 6, 7, 8, 9, 10 букв. Все анаграммы составлялись из разных по содержанию слов, но одна и та же длина анаграммы повторялась 3 раза. Весь стимульный список состоял из 3 X 6 = 18 анаграмм. Они предъявлялись по одной в порядке возрастания сложности² в виде слайдов в формате PowerPoint на экране компьютерного монитора. Экспозиция каждой анаграммы заканчивалась, как только испытуемый давал правильный ответ или, если ответа не было, — по истечении 40 с. Сразу после каждого ответа или по окончании указанного времени на экране показывалось на 5 с слово, которое и было решением анаграммы. Это позволяло снять у испытуемого психическое напряжение, особенно в случае неудачной попытки. Затем следовала очередная проба.

В заданиях с комбинированным тестом время выполнения не ограничивалось, но экспозиция прекращалась через 40 с после ее начала. По окончании экспозиции задания на 5 с показывалось правильное решение.

Описанный стимульный материал применялся не для того, чтобы выяснять отно - сящиеся к нему психологические проблемы («стратегии» решения анаграмм, влияние их сложности на время и стратегию решения, квалификация интеллекта испытуемых и т. п.). Основная цель заключалась в том, чтобы оценить, в чем состоит сходство или различие между КП и локальной ЭЭГ при выполнении испытуемыми различных типо - вых заданий.

Регистрация данных. Для регистрации КП и локальной ЭЭГ использовался тот же аппаратно-программный комплекс, который описан в предыдущей статье (Назаров, 2017). Отличие состояло в том, что вся регистрация и обработка проводились только с помощью системы МР-150 (BIOPAC, США).

В предварительных опытах активный электрод для КП прикреплялся к внешней поверхности кисти левой руки на участке между основаниями указательного и большого пальцев; в этом случае использовался липкий диск ADD208 и гель GEL100 (Biopac, США). Для регистрации локальной ЭЭГ активный электрод закреплялся на позиции Fp1 (т. е. на некотором удалении вверх от брови левого глаза). Референтный электрод (общий для ЭЭГ и КП и соединенный с заземленным входом биоусилителя) закреплялся на левом мастоиде. Соблюдение правила ипсилатерального размещения всех электродов основывалось на ранее установленном факте, что при контралатеральном размещении референтного и активного электродов³ во время регистрации КП в последнем присутствуют артефакты в виде кардиоимпульсов большой амплитуды. Однако оказалось, что в случае одновременной регистрации ЭЭГ и КП при ипсилатеральном размещении электродов кардиоимпуль­сы отсутствуют в ЭЭГ, но присутствуют в КП! Поэтому в основных опытах 1-й серии было принято решение о раздельной регистрации: в одном сеансе регистрировалась только ЭЭГ (как описано выше), в другом — только КП. В последнем случае референтный электрод находился в ванночке с водой, в которую погружался кончик указательного пальца кисти левой руки испытуемого, а активный электрод закреплялся на внешней поверхности кисти левой руки на участке между основаниями указательного и большого пальцев.

Список анаграмм при регистрации КП (1-й сеанс) отличался от списка для ЭЭГ (2-й сеанс) только по содержанию соответствующих им слов.

После окончания 1-й серии был проведен поиск способа размещения электродов, при котором возможна одновременная регистрация КП и ЭЭГ без наличия кардиоимпульсов в каком-либо из этих показателей. В результате апробации нескольких вариантов оказалось, что активный электрод для КП следует закрепить на контралатеральной (по отношению к электроду для ЭЭГ) кисти руки, что и было сделано во 2-й серии. При этом, электроды для ЭЭГ размещались стандартно: активный — на Fp1, референтный — на левом мастоиде.

Во время записи частота дискретизации выбиралась равной 10 кГц, поскольку кроме КП и ЭЭГ одновременно регистрировались данные еще по трем каналам: сигналы длительности экспозиции, микрофона (для фиксации ответов испытуемого) и внешнего электрического шума (для контроля возможных артефактов, имеющих внешнее происхождение).

Цифровая обработка данных. После эксперимента сигналы КП и ЭЭГ вначале обрабатывались в ПО Acqknowlege 4 с помощью комбинированного заграждающего фильтра, который подавлял частоту 50 Гц и ее первые 6 гармоник на уровне не менее 70 дБ (вкладки Тransform → Digitel Filters → Comb Band Stop). Затем к сигналам КП и ЭЭГ применялся полосовой фильтр 5—45 Гц для устранения тонической составляющей и высокочастотных компонент, находящихся за пределами выбранного диапазона (вкладки Тransform → Digitel Filters → Band Pass).

На записях ЭЭГ фиксировались также артефакты, вызванные непроизвольными мор­ганиями глаз испытуемого. Их относительное количество, однако, было незначительным. Кроме того, как показала специальная проверка, частотный диапазон импульсов, возникающих при моргании, ниже 10 Гц, так что их возможное влияние (едва ли существенное) ограничивалось низкочастотной границей спектра ЭЭГ.

После фильтрации суммарные сигналы КП и ЭЭГ обрабатывались в ПО Acqknowlege 4 (вкладка Analysis → Electroencephalography → Derive EEG Frequency Bands) для выделения в них традиционных биоритмов от Дельта до Гамма. Далее эти же суммарные сигналы подвергались частотному анализу (вкладка Analysis → Electroencephalography → EEG Frequency Analysis). Последний выполнялся при ширине временнóго окна (эпохи) 0,5 с. В результате частотного анализа на графиках отображается временная динамика средней мощности сигнала, среднего, медианного и пикового значений его частоты в пределах выбранного окна, которое непрерывно перемещается по всей длительности пробы. Для каждой пробы по данным динамики пиковой частоты строились гистограммы распределения частот (вкладки Analysis → Hystograms).

Испытуемые. В 1-й серии с анаграммами и раздельной регистрацией участвовали 8 человек (3 студента и 5 преподавателей), каждый из которых выполнял задания в двух сеансах (один — с регистрацией КП, другой — с регистрацией локальной ЭЭГ). Во 2-й серии с комбинированным тестом и одновременной регистрацией КП и ЭЭГ участвовала другая группа испытуемых — 4 студента и 2 преподавателя.

Результаты

1-я серия. Типичные для всех испытуемых примеры суммарных сигналов КП и локальной ЭЭГ представлены на рис. 1, где изображены фрагменты обработанных записей решения анаграмм.

Визуальный анализ 288 записей (18 анаграмм х 8 испытуемых х 2 сеанса) показал, что средние амплитуды КП и ЭЭГ и их соотношение у разных испытуемых не одинаковы. При этом общая картина динамики амплитуд выглядит приблизительно одинаковой для КП и ЭЭГ. Такими же сходными оказались и частотные полосы, соответствующие традиционным ритмам ЭЭГ.

Для более детального количественного сравнения КП и ЭЭГ был проведен частотный анализ их суммарных сигналов. Частотный анализ позволяет представить несколько параметров сигнала (пиковая, средняя и медианная частоты, средняя мощность сигнала, граница спектра) как функцию от времени. На рис.2 приведен пример записи суммарных ЭЭГ, КП и динамики соответствующих пиковых частот⁴ при решении испытуемым двух анаграмм.

Характерным для всех рассмотренных графиков пиковых частот является быстрое переключение последних с одного поддиапазона на другой. Два наиболее типичных интервала таких переключений — 0,5 и 1 с. Практически не встречались интервалы стабильного удержания одной и той же частоты, равные или превышающие 2 с. Другой особенностью является уникальность каждого паттерна временной динамики не только у каждого испытуемого, но и в каждой из отдельных проб одного и того же испытуемого. Такой паттерн — это своего рода штрих-код, присущий данному испытуемому в данной пробе. Визуальный анализ не позволяет выделить в нем какой-либо закономерности.

Но одно дело — случайный характер временного распределения частот в отдельной пробе и другое — наличие закономерностей или, по крайней мере, устойчивых соотношений во множестве проб. Для решения этой второй задачи необходимо было выделить признаки, общие для сравниваемых элементов множества. Одним из таких признаков, очевидно, является частота: в каждой пробе есть ограниченный набор частот, так или иначе распределенных во времени. Другим признаком является частость встречаемости той или иной частоты в разных пробах. Эти два ортогональных признака могут быть представлены в виде гистограммы. Хотя в гистограммах утрачивается информация о временной динамике, но по характеру их контура можно судить об относительных «весах» того или иного частотного поддиапазона в каждой пробе. Тогда в контексте основной цели данной работы возникает вопрос: есть ли что-нибудь общего в характере гистограмм для ЭЭГ и КП?

Таблица 1

Среднее количество попаданий пиковых частот в интервал гистограммы

Примечание: В графе % указан процент решенных анаграмм. «Среднее» вычислялось для 7 испытуемых.

Для ответа на поставленный вопрос вначале были построены гистограммы для каждой пробы, которые затем усреднялись по всем испытуемым, решенным и нерешен - ным анаграммам. При этом усреднение производилось отдельно по каждому частотно - му интервалу. Результаты представлены в табл. 1 и на рис. 3. Здесь важно отметить характерное для КП постепенное убывание среднего количества попаданий по мере увеличения частоты от младшего (9 Гц) к старшему (37 Гц) поддиапазону. Что касается разницы в абсолютных величинах попаданий для решенных и нерешенных анаграмм. то такая динамика обусловлена прежде всего более коротким временем, затраченным на решенные анаграммы. Иная картина наблюдается в показателях для ЭЭГ: здесь заметна разница в соотношении частотных компонент для решенных и нерешенных анаграмм, а также тенденция к росту числа попаданий по мере увеличения частоты от 17 до 25 Гц в случае решенных анаграмм.

Как видно на рис. 3, наиболее весомой, как для КП, так и для ЭЭГ, оказалась частота 11 — 15 Гц, что близко к частоте альфа-ритма (8—13 Гц) и немного захватывает начальный участок бета-ритма (13—30 Гц). Частотные компоненты последнего для двух изучаемых показателей характеризуются различным распределением. В случае КП (верхние графики на рис. 3) происходит постепенное снижение веса более высокочастотных компонент бета-ритма, причем как для решенных, так и для нерешенных (т. е. более трудных) анаграмм. В случае ЭЭГ характер распределения компонент бета-ритма имеет существенные различия: для решенных анаграмм частость компонент от 17 до 25 Гц постепенно возрастает (нижний график слева), тогда как для нерешенных анаграмм такой рост отмечается только на крайнем участке с центральной частотой 25 Гц (нижний график справа). Во всех случаях практически отсутствует гамма-ритм (35—45 Гц), который обычно связывают, в частности, с уровнем когнитивной нагрузки при решении мыслительных задач. Однако гамма-ритм присутствовал в средних показателях частотного анализа, которые не вошли в наше рассмотрение.

Обращают на себя внимание индивидуальные гистограммы испытуемого № 8, данные которого были исключены из процедуры усреднения и выделены в табл. 1 отдельной строкой. У испытуемого № 8, в отличие от средних и индивидуальных данных других испытуемых, в показателе КП для решенных и нерешенных анаграмм практически отсутствуют частоты выше 15 Гц и довольно хорошо выражены частоты с центрами интервалов 9 и 13 Гц (рис. 4, верхние графики).

Преобладание этих же низких частот, относящихся к альфа-диапазону, сохранялось и для показателя ЭЭГ (рис. 4, нижние графики), но здесь присутствовали также и высокочастотные компоненты вплоть до 35 Гц, которые у других испытуемых либо отсутствовали, либо были выражены очень слабо. Следует отметить, что испытуемый № 8 получил наилучшие результаты по числу решенных анаграмм (71% и 61%, табл. 3). Близкие показатели были у испытуемого № 4 (50% и 61%, табл. 3), но здесь преобладание низкочастотной компоненты с центром 9 Гц имело место только для показателя ЭЭГ.

Таким образом, согласно средним данным (табл. 1 и рис. 3):

1)  профили распределения частотных компонент для показателей КП и ЭЭГ отличаются друг от друга по степени относительной выраженности высокочастотных компонент: для ЭЭГ данный показатель характеризуется более высокими значениями; наиболее сильное различие в профилях отмечено у испытуемого № 8 с максимальным показателем количества решенных анаграмм;

2)     общим для КП и ЭЭГ является преобладание низкочастотной компоненты 13 Гц;

3. Различия в профилях распределений частотных компонент для решенных и нерешенных анаграмм имеют место только в показателе ЭЭГ; наиболее высокими значениями данного показателя также характеризуется испытуемый № 8.

2-я серия. В этой серии КП и ЭЭГ регистрировались одновременно при выполнении испытуемыми нескольких заданий комбинированного теста. Задания состояли из словесного, числового и изобразительного материала. Естественно было ожидать, что при работе с качественно разным стимульным материалом профили распределения частот окажутся разными не только для КП и ЭЭГ, но и внутри каждого из этих показателей. Кроме того, одновременная регистрация позволяла делать более непосредственные сравнения суммарных сигналов КП и ЭЭГ, поскольку при этом исключаются возможные влияния разных функциональных состояний испытуемого и других побочных переменных.

В табл. 2 представлены величины коэффициента кросскорреляции в разных заданиях для суммарных сигналов КП и ЭЭГ. Коэффициенты вычислялись автоматически в программе AcqKnowlege 4 (вкладки Analysis → Correlation coefficient) по стандартной формуле Пирсона. Пример графика с исходными суммарными сигналами (каналы 1, 2), их частотными паттернами (каналы 3, 4) и разностью между последними (канал 5) приведен на рис. 5.

Таблица 2

Коэффициенты кросскорреляций суммарных сигналов КП и ЭЭГ

Средние коэффициенты корреляции (выделены жирным шрифтом) находятся в диапазоне от 0,76 до 0,91, что указывает на достаточно высокую степень согласованности суммарных КП и ЭЭГ и незначительный разброс коэффициентов для разных заданий и разных испытуемых (стандартные отклонения не превышают 0,04).

В то же время частотный анализ указывает на существование различий между суммарными КП и ЭЭГ по характеру распределения частотных компонент во времени. Если из показателей канала 4 (распределение частот для ЭЭГ) вычесть показатели канала 3 (распределение для КП), получим разницу, которая изображена на канале 5 (рис. 5). В данном случае эта разница не так значительна, в других же случаях (когда корреляция слабее) она выражена гораздо сильнее. При этом подавляющая часть различий находится в зоне отрицательных значений (рис. 6). Это свидетельствует о том, что частота КП в течение большего промежутка времени выполнения задания превышает частоту ЭЭГ, хотя оба показателя находятся в одном и том же частотном диапазоне 5—45 Гц.

Общая типология частотных гистограмм. Как упоминалось выше, на основе частотного анализа суммарных КП и ЭЭГ для каждой пробы строились гистограммы распределения частотных компонент в диапазоне 5—45 Гц. Всего в обеих сериях было построено 360 гистограмм. В этом множестве были выделены 6 типов гистограмм, демонстрирующих соотношения между частотными компонентами внутри указанного диапазона. На рис. 7 показаны примеры типовых эмпирических гистограмм вместе с их «идеальными» формами. Типы 1 и 2 напоминают параболическую функцию, 4 и 6 — экспоненциальную, 3 — импульсную, 5 — треугольную.

Проследим частоту встречаемости того или иного типа гистограммы в рассматриваемом множестве. Соответствующие данные приведены в табл. 3. Из средних данных табл. 3 следует, что к наиболее частым профилям распределения частотных компонент относятся типы 1, 2 и 4 (относительно широкие спектры частот выделены жирным шрифтом). 3-й тип гистограммы (импульсный, узкий спектр) был характерен для испытуемого № 8 (КП, все 18 анаграмм!). 5-й и 6-й типы встречались у двух испытуемых — 4 (ЭЭГ, 6 и 10 анаграмм, соответственно) и 6 (КП, 7 и 1 анаграммы соответственно).

Таблица 3

Частость типов гистограмм