EEG sensorimotor rhythms dynamics in children with cerebral palsy during the course of neurorehabilitation, depending in the success of their imagination of movements

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Детский церебральный паралич (ДЦП) является наиболее распространенной причиной инвалидности в детском возрасте. В настоящее время его встречаемость в разных странах составляет от 1.6 до 3.4 случаев на 1000 новорожденных [1]. Данное заболевание представляет гетерогенную группу нарушений движения и осанки, обусловленную непрогрессирующим повреждением головного мозга, возникшим на ранних этапах развития (внутриутробный период или первые два года жизни). Гетерогенность клинической картины связана со сложным взаимодействием между поражением головного мозга (которое варьирует от случая к случаю в зависимости от локализации, степени и времени возникновения), индивидуальным генетическим фоном конкретного ребенка и последующими эпигенетическими и экологическими факторами [2]. Повреждения головного мозга сопровождаются аберрантным формированием нейронных связей. Все это приводит к стойкому нарушению тонуса мышц конечностей, запуска и координации движений, сенсорному дефициту, когнитивным нарушениям (см. обзор [3]). Наиболее частым симптомом у детей с ДЦП является спастичность, то есть состояние повышенного мышечного напряжения, которое ограничивает объем пассивных и активных движений в суставах. Спастичность отрицательно влияет на дальнейшее развитие двигательных функций и вызывает вторичные нарушения опорно-двигательного аппарата [4]. Причиной спастических нарушений являются поражения как моторных кортикоспинальных, так и таламокортикальных путей. В большинстве случаев они возникают вследствие внутриутробного или перинатального инсульта [5].

Существующие медикаментозные и физиотерапевтические методы помощи больным с ДЦП не всегда оказываются эффективными. В связи с этим активно развиваются методы нейрореабилитации, основанные на феномене пластичности мозга в условиях интенсивных упражнений пациента. К числу таких методов относятся: роботизированная механотерапия [6]; терапия с использованием наблюдения за действиями с последующей их имитацией [7]; применение комплексов, включающих неинвазивные интерфейсы мозг – компьютер (ИМК) с биологической обратной связью на основе виртуальной реальности [8, 9] или на основе кинестетической обратной связи с использованием экзоскелета кисти руки (см. обзор [10]). Получены доказательства эффективности последнего подхода в улучшении двигательных функций верхних конечностей [11, 12] и показателей моторной реализации речи [13] у детей со спастическими формами ДЦП.

У больных с ДЦП степень поражения структур мозга и связей между ними, а также пластичность нервной ткани в процессе лечения можно оценить посредством анализа характеристик электроэнцефалограммы (ЭЭГ), которые отражают активность распределенных нейронных сетей [2]. При анализе фоновой ЭЭГ у детей с ДЦП в возрасте 6–14 лет отмечено снижение мощности альфа-ритма в затылочных областях неокортекса и увеличение мощности в тета- и дельта-диапазонах почти во всех отведениях по сравнению с контрольной группой здоровых сверстников [14].

Особое внимание в последнее десятилетие уделяется динамике сенсомоторных ритмов ЭЭГ при выполнении пациентами различных функциональных проб. Сенсомоторный мю-ритм, регистрируемый над центральными областями неокортекса, включает как минимум две негармонические составляющие – в альфа- (8–13 Гц) и бета- (15–25 Гц) диапазонах частот, иногда называемые мю-альфа- и мю-бета-ритмами [15]. Однако большинство исследователей обозначают эти компоненты как мю- и бета-ритмы соответственно. В настоящей работе мы также будем придерживаться этих названий. Мю-ритм генерируется в сенсомоторной постцентральной коре, а бета-активность – в прецентральной моторной области неокортекса [16, 17]. Считают [18], что мю-ритм в основном отражает сенсомоторные функции, в то время как бета-компонент более тесно связан с моторным кортикальным контролем. Поскольку подавление амплитуды (десинхронизация) сенсомоторных ритмов вызывается как реальным движением, так и его воображением, модуляции сенсомоторных ритмов предложено использовать в качестве электрофизиологических маркеров состояния кортикальной сенсомоторной системы и ее пластичности в процессе реабилитации у пациентов с ДЦП [2, 19].

Исследования динамики сенсомоторных ритмов ЭЭГ при выполнении движений пациентами с ДЦП указывают на ее зависимость от формы заболевания. У детей и взрослых с гемипарезом (односторонней формой ДЦП) движения паретичной руки сопровождаются меньшей десинхронизацией мю-ритма в центральных отведениях пораженного контралатерального полушария, чем у здоровых людей. Чем меньше падала амплитуда мю-ритма и, следовательно, меньше активировалось полушарие, тем выше была степень нарушений движений пораженной руки [20]. У детей и подростков с двусторонней формой ДЦП десинхронизация мю-ритма при выполнении движений была больше, чем у здоровых сверстников, причем, чем сильнее были выражены нарушения, тем больше десинхронизация. Предполагают, что дети с билатеральной формой ДЦП нуждаются в большей степени активации неокортекса, чем пациенты с односторонней формой заболевания [21]. Также у таких пациентов была больше выражена десинхронизация бета-ритма. При этом более высокая степень подавления данного ритма в большинстве отведений была связана с лучшими показателями исполнения двигательных задач [22].

В последние годы было выполнено несколько работ, в которых для восстановления двигательных функций у детей с ДЦП применялись тренировки с использованием ИМК. В процессе лечебных сеансов ИМК контролируют паттерны ЭЭГ с помощью программы-классификатора и генерируют сигналы биологической обратной связи при воображении пациентами собственных движений. Обоснованием для применения таких тренировок является тот факт, что в реальном выполнении и кинестетическом представлении одних и тех же движений участвуют одни и те же нейронные структуры за исключением лишь моторного выхода, который в последнем случае тормозится [10, 23]. Основываясь на обратной связи в реальном времени, дети могут корректировать свои ментальные стратегии. В одной из работ для проведения тренингов у детей с ДЦП 8–12 лет применяли визуальную обратную связь (изменение цвета объектов и их движения в период воображения движений левой и правой руки) [8]. На протяжении серии сеансов было обнаружено увеличение мощности ЭЭГ в диапазоне 8–15 Гц, усредненной для центральных, теменных и височных областей. По мнению авторов, рост мощности ЭЭГ в этом диапазоне отражает торможение реального движения при его воображении. Такое изменение паттерна ЭЭГ считали индикатором улучшения обработки сенсомоторной информации.

В двух работах с использованием для нейрореабилитации комплекса «Экзокисть-2» в качестве сигналов обратной связи выступали движения экзоскелета кисти. В одной из них показано, что при воображении движений в виде разгибания пальцев кисти во время первого сеанса у детей и подростков с ДЦП в большинстве отведений наблюдалась синхронизация ЭЭГ в диапазоне альфа-ритма (8–13 Гц). К концу серии тренингов из десяти сеансов происходило замещение реакций синхронизации на десинхронизацию, что свидетельствовало об увеличении активации неокортекса [24]. Также в процессе тренингов уменьшились различия в степени реактивности альфа-ритма у пациентов с левополушарным и правополушарным поражением. Выявленные перестройки паттерна ЭЭГ в частотной полосе альфа-ритма рассматривались авторами как проявление процессов благоприятной реорганизации нейронных цепей, контролирующих планирование и выполнение сложных движений рук.

В другой работе [12] анализировали свойства источников мю-ритма ЭЭГ детей и подростков при воображении движений во время управления ИМК. Средняя вероятность успешного распознавания воображаемых движений и состояния покоя во время сессий составила 0.51, но у отдельных детей доходила до 0.70. Участников, наиболее эффективно управлявших ИМК, характеризовала высокая доля сеансов, в которых удалось идентифицировать источники мю-ритма. Показано, что чем больше десинхронизация ритма при воображении движения как сохранной, так и паретичной руки, тем выше точность управления ИМК.

Однако в исследованиях с применением ИМК не анализировались особенности двигательных или иных функций до и после комплексного лечения у тех детей, состояния которых определяли по паттерну ЭЭГ с разной, низкой или высокой степенью успешности. Также в указанных работах в процессе тренингов оценивалась динамика либо лишь альфа-диапазона мю-ритма [24], либо всего частотного диапазона сенсомоторных ритмов [12], а особенности изменений бета-активности в центральных и прилегающих к ним регионах не анализировалась. В связи с этим целью настоящего исследования явился анализ изменений сенсомоторных ритмов в процессе нейрореабилитации в мю- (8–13 Гц) и бета- (15–25 Гц) диапазонах частот, а также выявление особенностей восстановления двигательных функций у детей, процессы кинестетического представления движений или расслабления которых распознавались программой-классификатором с высокой и низкой степенью успешности.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Характеристика выборки. Исследования проводили в 2022–2023 гг. на базе центра «Технологии здоровья и реабилитации» Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского и Государственного бюджетного учреждения Республики Крым «Санаторий для детей и детей с родителями «Чайка» им. Гелиловичей». В исследованиях приняли участие 50 детей в возрасте от 7 до 15 лет (35 мальчиков и 15 девочек) с установленным диагнозом ДЦП и основной формой нарушений в виде спастической диплегии. У 36 из них преобладали нарушения двигательных функций правой, а у 14 – левой руки. Среди указанных пациентов отсутствовали дети с умственной отсталостью умеренной, тяжелой и глубокой степеней. Средний возраст испытуемых составил 10.0 ± 3.3 лет.

Дети проходили комплексное санаторно-курортное лечение с курсом нейрореабилитации из 10 сеансов с применением комплекса, включающего неинвазивный ИМК и экзоскелет кисти «Экзокисть-2» (производства ООО «Экзопласт», Москва). Комплекс обеспечивает генерацию визуальных сигналов и формирование команд управления экзоскелетом кисти руки. В состав ИМК входил электроэнцефалограф Нейровизор БММ-52 («Медицинские Компьютерные Системы», Россия). Регистрацию ЭЭГ проводили монополярно с помощью хлорсеребряных датчиков в 32 отведениях, которые были расположены по неполной международной схеме 10–10. В процессе записи частота оцифровки ЭЭГ-сигналов составляла 500 Гц, а частоты среза фильтров высоких и низких частот – 5 и 30 Гц соответственно. Сопротивление электродов составляло менее 20 кОм. В качестве референтного использовался усредненный электрод.

Сеансы проводились через день по одинаковой схеме: три сессии по 8 мин с перерывом на отдых не менее 5 мин. Во время сеанса пациенты сидели в кресле перед компьютерным монитором, на котором им предъявляли визуальные инструкции. Кисти рук размещались внутри «рукавиц» экзоскелета. В центре экрана находилась круглая метка белого цвета, служившая для фиксации взгляда, и расположенные вокруг нее три стрелки, менявшие цвет для обозначения инструкций. Продолжительность активации каждой стрелки составляла 10 с. Пациент выполнял следующие команды: расслабиться, кинестетически воображать движение разгибания кисти левой или правой руки, воздерживаясь от их реального выполнения. В течение сеанса ситуации расслабления и воображения движений каждой руки повторяли 24 раза. Для создания конкретного кинестетического образа при воображении движений детям давали инструкцию: «Представь, что у тебя в руке маленький мячик, ты раскрываешь кисть и роняешь его. Почувствуй это движение». При успешном выполнении пациентом задания на представление движения фиксирующая взор метка окрашивалась в зеленый цвет, экзоскелет выполнял соответствующее движение, и кисть руки пассивно разгибалась. Таким образом, генерировался комбинированный зрительный и кинестетический сигнал обратной связи (подробнее [13]).

Работа ИМК была основана на анализе в реальном режиме времени паттернов ЭЭГ, возникающих при кинестетическом воображении разгибания кисти. Для классификации состояний (воображаемых движений рук и расслабления) использовали различия ковариационных матриц ЭЭГ в терминах римановой метрики [25]. По окончанию каждого сеанса отображалось соотношение правильно распознанных классификатором состояний к общему числу заданий. Поскольку, как мы предполагаем, это соотношение зависело от способности ребенка успешно представить себе движение, все пациенты были разделены на две группы – с низкой и высокой успешностью представления движения. Чтобы исключить эффекты новизны обстановки и сложности понимания задания, за основу для такого деления были взяты показатели последнего сеанса нейрореабилитации.

Для оценки изменений биоэлектрической активности головного мозга пациентов при прохождении курса комплексной терапии с применением нейрореабилитации использовали записи ЭЭГ, зарегистрированной над моторной и сенсомоторной областями коры и прилегающих к ним регионах в следующих отведениях: F₃, F_z, F₄, FС₃, FC_z, FС₄, C₃, C_z, C₄, СР₃, CР_z, СР₄, P₃, Р_z, P₄. Анализировали изменения амплитуды мю- и бета-ритмов ЭЭГ в частотных диапазонах 8–13 и 15–25 Гц соответственно. Временные отрезки ЭЭГ, использованные для анализа, соответствовали времени предъявления пациенту визуальной инструкции о представлении движения и составляли 10 с. Участки записей ЭЭГ с амплитудой более 250 мкВ, а также отрезки, содержащие большое количество артефактов, исключались из обработки на основании визуального анализа. Безартефактные отрезки ЭЭГ разбивали на эпохи по 5 с с перекрытием 30% и подвергали быстрому преобразованию Фурье. Анализировали не менее 10 безартефактных эпох (общая продолжительность ЭЭГ не менее 50 с). При этом использовали программное обеспечение фирмы «Нейрософт» (Россия), входящее в комплект электроэнцефалографа «Нейрон-Спектр-5».

Для выявления изменений амплитуды мю- и бета-ритмов ЭЭГ у детей с ДЦП при прохождении курса нейрореабилитации рассчитывали индексы реактивности (ИР) в соответствии с формулой ИР = ln (B/A) [26], где B – амплитуда ритма на последнем сеансе, A – амплитуда ритма на первом сеансе. Для нормализации распределения применяли логарифмирование. Значения ИР > 0 свидетельствуют об увеличении амплитуды ритма на последнем сеансе по сравнению с первым (синхронизация), а ИР < 0 – о снижении амплитуды ритма (десинхронизация).

Для оценки двигательных функций были использованы:

1. Индекс Бартел, характеризующий возможности самостоятельного передвижения или самообслуживания пациента на основе результатов заполнения соответствующего опросника [27]. Чем выше возможности, тем выше балл (диапазон от 0 до 100 баллов).
2. Модифицированная шкала для определения двигательной функции верхних конечностей ребенка в быту (ABILHANDKids, «Возможности кисти –дети») [11]. Чем выше суммарный показатель (диапазон от 0 до 42 баллов), тем легче выполняет ребенок действия с предметами без посторонней помощи.
3. Модифицированная шкала Эшворта, отражающая степень сопротивления, встреченного при равномерном пассивном движении верхней конечности [28]. Оценке подвергались сгибатели локтевого сустава, сгибатели лучезапястного сустава, поверхностный сгибатель пальцев. Чем выше суммарный показатель (диапазон от 0 до 18 баллов), тем выше спастичность мышц руки.
4. Шкала функционирования верхних конечностей (The Manual Ability Classification System, MACS) для определения уровня владения левой и правой рукой при манипулировании предметами [29]. Включает пять уровней, где самый высокий из них указывает на наиболее тяжелые нарушения.

Статистический анализ данных проводили с использованием программы STATISTICA v.12. Различия в ИР ритмов оценивали с помощью дисперсионного анализа с повторными измерениями (repeated measures ANOVA). Определяли влияние межсубъектного фактора – ГРУППА (2 уровня: группы детей с высокой и низкой успешностью) и внутрисубъектного фактора ЛОКУС (15 отведений ЭЭГ) по схеме 2 × 15. Для оценки значимости изменений ИР в каждом из отведений ЭЭГ применяли метод априорных контрастов на основе сравнения средних значений наименьших квадратов.

Распределение иных показателей оценивали с помощью критерия Шапиро‒Уилка. Если распределение не отличалось от нормального, статистические данные представляли в виде среднего и стандартного отклонения, а для сравнений применяли t-критерий Стьюдента. При отличии распределения от нормального статистические данные представляли в виде медианы и интерквартильного размаха Ме [Q1; Q3], а для оценки межгрупповых различий использовали U-критерий Манна-Уитни, внутригрупповых – Т-критерий Вилкоксона. Статистически значимыми считали различия при p < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для всех детей с ДЦП, принявших участие в исследовании, в заключительном сеансе нейрореабилитации точность классификации ЭЭГ паттернов правильно распознанных состояний (т. е. соответствующих предъявленной инструкции) для трех классов задач (воображаемых движений левой и правой руки, расслабления) получена в пределах от 0.30 до 0.68 при пороге случайных распознаваний 0.33. Значение медианы составило 0.395 [0.350; 0.480]. В группу с низкой успешностью были включены дети, вероятность правильно распознанных состояний которых не превышала 0.39. В эту группу вошло 25 детей (19 мальчиков и 6 девочек), средний возраст составил 9.0 ± 3.6 лет. В группу с высокой успешностью, для которой соотношение правильно распознанных состояний составило не менее 0.40, вошли 25 детей (16 мальчиков и 9 девочек, средний возраст 10.3 ± 2.9 лет). Различия между группами по возрасту не были статистически значимы (р = 0.22). В обеих группах преобладали пациенты с нарушением двигательных функций правой руки. Значения медиан и интерквартильного размаха показателя успешности заключительного сеанса для первой и второй групп составили 0.37 [0.31; 0.37] и 0.52 [0.43; 0.60] соответственно (различия статистически значимы при p < 0.001). Нужно отметить, что для группы с низкой успешностью этот показатель был статистически значимо ниже, чем у детей с высокой успешностью, уже на первом сеансе нейрореабилитации (0.37 [0.30; 0.41] и 0.46 [0.36; 0.56], p < 0.05). В результате прохождения комплексного лечения у детей группы с высокой успешностью показатель распознавания состояний статистически значимо (р < 0.05) вырос, а у детей из группы с низкой успешностью – изменился незначительно.

Дисперсионный анализ изменений амплитуды мю-ритма ЭЭГ при прохождении комплексного санаторно-курортного лечения с курсом нейрореабилитации выявил значимое влияние фактора ГРУППА (F_1,2 = 61.2; p = 0.02) при представлении пациентами движений правой рукой. Так, у детей группы с высокой успешностью в данной ситуации амплитуды мю-ритма на последнем сеансе по сравнению с первым не изменилась, а у группы с низкой успешностью наблюдался рост амплитуды указанного ритма (рис. 1а).

 

Рис. 1. Индексы реактивности (RI), отражающие изменение мю- (а) и бета-ритмов (b) ЭЭГ при прохождении курса реабилитации с использованием роботизированного комплекса в ситуации представления движений правой рукой у детей групп с низкой (красные столбцы) и высокой (белые столбцы) успешностью. Приведены средние значения и ошибки средних. Различия индексов реактивности у детей двух групп: * – p < 0.05; ** – p < 0.01.

 

В диапазоне бета-ритма ЭЭГ при представлении движений правой руки также обнаружено значимое влияние фактора ГРУППА (F_1,2 = 29.1; p = 0.03) (рис. 1b).

Анализ различий в изменении амплитуды ЭЭГ при прохождении первого и заключительного сеанса комплексной реабилитации в ситуации представления движений левой рукой не выявил значимого влияния фактора ГРУППА на динамику мю- (F_1,2 = 0.19; p = 0.70) и бета-ритмов (F_1,2 = 16.3; p = 0.06). Также не выявлено значимого влияния данного фактора при выполнении испытуемыми команды, предписывающей расслабиться.

Показатели двигательных функций участников исследования до и после комплексной терапии приведены в табл. 1. Представленные данные свидетельствуют о том, что прохождение курса комплексной терапии с применением нейрореабилитации привело к статистически значимым улучшениям состояния детей обеих групп: росту способности к самообслуживанию по шкале Бартел и суммарному показателю «Возможности кисти – дети». При этом отметим, что значимое снижение спастичности мышц правой руки по шкале Эшворт и рост способности манипулировать предметами левой и правой рукой по шкале MACS выявлены лишь у группы с высокой успешностью представления движений.

Как видно из представленных в табл. 1 показателей, двигательные функции двух исследованных групп имели заметные особенности. Так, индекс Бартел и суммарный показатель «Возможности кисти – дети» у пациентов группы с высокой успешностью были статистически значимо выше еще до начала комплексной терапии, и эти различия сохранились после ее завершения. После завершения курса дети группы с высокой успешностью, в отличие от пациентов другой группы, достигли статистически значимо более высокого уровня владения левой рукой при манипулировании предметами (шкала MACS).

 

Таблица 1. Показатели двигательных функций у детей исследуемых групп до и после прохождения комплексного санаторно-курортного лечения с курсом нейрореабилитации

Показатель	Группа с низкой успешностью	Группа с высокой успешностью
	До	После	До	После
Индекс Бартел	45 [5; 55]	60** [15; 80]	80●● [65; 90]	90***●● [75; 100]
Суммарный показатель «Возможности кисти – дети»	14 [0; 28]	17** [2; 32]	27● [22; 36]	35***●● [25; 38]
Шкала Эшворт, левая рука	3.0 [3; 6]	3.0 [3; 6]	3.0 [3; 3]	3.0 [0; 3]
Шкала Эшворт, правая рука	5.5 [3; 6]	3.5 [1; 6]	5.0 [3; 6]	4.0*** [3; 5]
Шкала MACS, левая рука	2 [2; 3]	2 [1; 2]	2 [1; 2]	1***●● [1; 1]
Шкала MACS, правая рука	2 [2; 3]	2 [1; 3]	2 [2; 3]	2** [1; 2]

Приведены медианы, в скобках – верхний и нижний квартили. Указаны статистически значимые изменения показателя относительно исходного значения соответствующей группы: ** – p < 0.01, *** – p < 0.001, а также различия между показателями групп: • – p < 0.05, •• – p < 0.01. Значения показателей шкал, где есть клинические улучшения, выделены жирным шрифтом.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты настоящего исследования показали, что вероятность распознавания программой классификатором состояний кинестетического представления движений у разных детей с ДЦП и в первом, и в завершающем сеансе курса нейрореабилитации значительно отличается. Одной из причин таких различий может быть неодинаковая способность участников исследования к воображению движений руки. Можно предположить, что при недостаточной способности к представлению движений паттерн ковариационных матриц ЭЭГ детей группы с низкой успешностью при выполнении команд на кинестетическое воображение движений разгибания кисти левой или правой руки менялся меньше, что не позволяло классификатору правильно определить состояние, заданное пациенту инструкцией. Как отмечалось выше, доля правильно определенных классификатором состояний для этой группы в завершающем сеансе не превышала 0.39, что незначительно отличается от случайного показателя 0.33 для выполнения трех команд. Затруднять распознавание классификатором паттернов ЭЭГ могли также недостаточная мотивация и, как следствие, низкая способность ребенка к поддержанию внимания на воображаемых двигательных образах в течение временного периода предъявления команды, а также неспособность избежать непроизвольных движений тела, что приводило к росту мышечных артефактов и нарушало работу нейроинтерфейса. На неравноценные, в том числе пониженные способности к выполнению задач на воображение движений у детей с ДЦП, указывают и другие авторы [10, 23, 30].

Для группы с высокой успешностью нами отмечен статистически значимый рост выявления состояний программой классификатором в завершающем сеансе курса по сравнению с первым сеансом. Можно предположить, что дети этой группы, пользуясь сигналом обратной связи (движение рукавицы экзоскелета, изменение цвета метки, фиксирующей взор), более эффективно обучались управлению своим состоянием, поддерживали и даже улучшали способность к генерации соответствующих кинестетических образов.

Величины ИР, отражающие изменение мю- и бета-ритмов ЭЭГ при проведении завершающего сеанса по отношению к первому, у детей группы с высокой успешностью были близки к единице (см. рис. 1), т. е. степень синхронизации/десинхронизации сенсомоторных ритмов в процессе нейрореабилитации оставалась стабильной. Если учесть, что активация моторных областей коры отражает не только выполнение, но и внутреннее моделирование движений [7, 31], особенности динамики паттерна ЭЭГ еще раз указывают – дети этой группы на протяжении курса нейрореабилитации поддерживали необходимый уровень представления двигательных образов.

Показатели ИР сенсомоторных ритмов у детей исследованных групп достигали статистически значимых различий в сагиттальных отведениях лобно-центральных, а также теменных областей неокортекса: для мю-ритма в локусах FC_z и P_z, для бета-ритма – в FC_z. Отведение FC_z отражает активность верхней лобной извилины, являющейся частью премоторной коры, а локус P_z – активность предклинья (precuneus), части теменной доли [32]. Ранее у детей с ДЦП показана особая роль премоторной коры при выполнении задач на кинестетическое воображение движений – ее активация у таких детей была выше, чем у здоровых сверстников [33]. Предклинье, в свою очередь, является важным корковым центром эгоцентрического представления окружающего пространства и собственных движений в нем [34]. Рост десинхронизации альфа-ритма в области предклинья у другой группы детей с ДЦП в процессе нейрореабилитации уже отмечался нами в предыдущем исследовании [24]. Нейроны лобно-центральных и теменных регионов образуют так называемую лобно-теменную двигательную сеть, которая активна при представлении и планировании движений [23, 35]. Работа с применением функциональной томографии показала повышенную активацию этих областей у детей с ДЦП при проведении интенсивного обучения выполнению действий пораженной конечностью [36]. Можно предположить, что обнаруженные нами различия в ИР сенсомоторных ритмов ЭЭГ в процессе курса нейрореабилитации связаны с особенностями перестройки активации лобно-теменных двигательных сетей у детей сравниваемых групп.

В нашем исследовании степень синхронизации/десинхронизации сенсомоторных ритмов ЭЭГ у детей успешной группы сохранялась, указывая на стабильный уровень активности лобно-теменной сети. Такая активность благоприятствует нейропластичности, то есть появлению стойких структурных и функциональных изменений нервной системы в ответ на внутренние и внешние раздражители [4]. Нейропластичность связывают с ультраструктурными изменениями нервной ткани, включающими модификацию дендритной архитектуры или силы синапсов.

Как видно из рис. 1, характер изменений ИР мю- и бета-ритмов при прохождении комплексной реабилитации у детей с ДЦП демонстрировал значительное сходство. Считают [18, 19], что мю-ритм в основном отражает сенсомоторные функции, в то время как бета-компонент более тесно связан с моторным кортикальным контролем. Причиной обнаруженного в нашем исследовании сходства паттерна изменений мю- и бета-ритмов может быть сопряженность их динамики в процессе кинестетического представления движений. Параллельные изменения мощности в альфа- и бета-диапазонах при реализации задач на воображение движений при ходьбе выявлены у здоровых испытуемых. При этом степень десинхронизации ЭЭГ в указанных диапазонах росла по мере усложнения двигательных задач [37] и зависела от способности к зрительному воображению движений, определяемой с помощью психологических тестов [38].

Ранее было установлено, что применение в реабилитационном процессе интерфейса «мозг – компьютер – экзоскелет кисти» приводит у пациентов с ДЦП к снижению спастичности верхних конечностей и улучшению их двигательных функций [11, 12]. В случае, если в исследованиях присутствовала контрольная группа пациентов, получавшая традиционное санаторно-курортное лечение, статистически значимые положительные изменения показателей отмечены только у группы пациентов, прошедших комплексную терапию с курсом нейрореабилитации [11, 13]. Настоящее исследование подтверждает результаты предыдущих работ и впервые показывает, что группа пациентов, состояния которых классификатор определяет более эффективно, благодаря успешному представлению ими движений, достигает более высоких показателей реабилитации двигательной сферы.

У детей менее успешной группы амплитуда сенсомоторных ритмов в лобно-центральных, а также теменных областях неокортекса в завершающем сеансе значительно увеличилась. Рост синхронизации сенсомоторных мю- и бета-ритмов рассматривают как отражение процессов торможения в областях неокортекса, контролирующих моторные функции [2, 19]. Возможными причинами повышения амплитуды таких ритмов и усиления тормозных реакций в указанных областях коры на протяжении завершающего сеанса может быть снижение мотивации пациентов в процессе курса реабилитации и, как следствие, снижение внимания к выполнению задачи на воображение движения. Как указано выше, программа-классификатор распознает состояния пациентов на основании различий ковариационных матриц ЭЭГ. Мы предполагаем, что развитие торможения в ряде корковых областей, участвующих в кинестетическом представлении движений, приводит к снижению взаимодействия нейронов лобно-теменных сетей, что в свою очередь приводит к уменьшению различий ковариационных матриц состояний покоя и воображения движений.

У группы детей с низкой успешностью под влиянием комплексного лечения развивались благоприятные изменения двигательных функций, но в меньшей степени, чем у детей, чьи состояния программа-классификатор различала эффективнее. У пациентов данной группы не было выявлено статистически значимых изменений показателей по шкалам Эшворт и MACS (см. табл. 1). Нужно отметить, что еще до начала курса реабилитации участники исследования с низкой успешностью отличались более низкими показателями способностей к самообслуживанию и манипулированию предметами, т. е. у них в большей степени была нарушена координация движений. Возможно, таким детям приходилось прилагать больше усилий, чтобы не допустить непроизвольных движений во время их мысленного представления, что и вело к синхронизации сенсомоторных ритмов. Мы считаем, что для повышения успешности комплексного санаторно-курортного лечения необходимо особое внимание обращать на тех детей с ДЦП, которые имеют следующие особенности: более высокие баллы по шкалам Эшворт и MACS и, судя по результатам работы программы-классификатора во время первого сеанса нейрореабилитации, наименьшую степень способности к кинестетическому воображению движений. В дальнейшем необходимо разработать дополнительные меры по повышению мотивации таких детей к достижению успеха при выполнении задач на воображение движений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящее исследование подтверждает результаты предыдущих работ об эффективности комплексного санаторно-курортного лечения ДЦП с курсом нейрореабилитации на основе применения неинвазивного интерфейса «мозг – компьютер – экзоскелет кисти». Разделение пациентов на две группы – с низкой и высокой успешностью представления движения по соотношению правильно распознанных классификатором состояний показало, что реактивность сенсомоторных ритмов у детей исследованных групп достигала статистически значимых различий в сагиттальных отведениях лобно-центральных и теменных областей неокортекса. Эти области относятся к так называемой лобно-теменной двигательной сети, которая активна при представлении и планировании движений. У детей группы с низкой успешностью в указанных областях на последнем сеансе курса по сравнению с первым наблюдался рост амплитуды сенсомоторных ритмов, свидетельствующий о развитии торможения в лобно-теменной двигательной сети. У детей группы с высокой успешностью в этих областях амплитуды мю- и бета-ритма к последнему сеансу не менялись, т. е. степень синхронизации/десинхронизации сенсомоторных ритмов при представлении движений в процессе курса нейрореабилитации оставалась стабильной. Программа-классификатор, чья работа основана на анализе ковариационных матриц, с большей вероятностью распознавала состояния детей этой группы в процессе представления движений в завершающем сеансе курса по сравнению с первым сеансом, благодаря чему такие пациенты лучше управляли ИМК. Мы предполагаем, что дети этой группы не только способны лучше кинестетически воображать движения на протяжении всего курса нейрореабилитации, но и, основываясь на сигналах обратной связи, обучаются эффективно корректировать свои стратегии представления движений.

Пациенты, состояния которых классификатор определяет более точно, достигают более высоких показателей реабилитации двигательной сферы. Это указывает на необходимость принятия дополнительных мер с целью повышения мотивации детей той группы, чьи состояния определяются менее успешно. Например, для них можно попытаться дополнительно создавать игровые ситуации, стимулировать небольшими подарками успешность выполнения задач. Для уменьшения числа непроизвольных движений, создающих артефакты и мешающих работе классификатора, целесообразно уделить особое внимание снижению тревожности детей этой группы.

ВКЛАДЫ АВТОРОВ

В. Б. П., С. В. В., Е. Н. Ч. – идея работы, планирование исследования, написание статьи. А. И. К., Л. С. О., Е. А. Б., Д. В. П. – набор и обработка данных, написание статьи. Ш. Э. Т. – набор и обработка данных.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа финансировалась за счет средств гранта Российского научного фонда и Республики Крым № 22–15–20035, https://rscf.ru/project/22–15–20035/. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Все исследования проводились в соответствии с принципами биомедицинской этики, изложенными в Хельсинкской декларации 1964 г. и последующих поправках к ней. Они также были одобрены Комитетом по этике Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского (г. Симферополь), протокол № 1 от 25 января 2022 г.

Родители каждого участника исследования дали добровольное письменное информированное согласие после получения разъяснений о потенциальных рисках и преимуществах, а также о характере предстоящего исследования.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

V. B. Pavlenko

Vernadsky Crimean Federal University

Author for correspondence.
Email: vpav55@gmail.com
Russian Federation, Simferopol

S. V. Vlasenko

Vernadsky Crimean Federal University; Research institute of children's balneology, physiotherapy and medical rehabilitation

Email: vpav55@gmail.com
Russian Federation, Simferopol; Evpatoria

E. N. Chuyan

Vernadsky Crimean Federal University

Email: vpav55@gmail.com
Russian Federation, Simferopol

A. I. Kaida

Vernadsky Crimean Federal University

Email: vpav55@gmail.com
Russian Federation, Simferopol

L. S. Orekhova

Vernadsky Crimean Federal University

Email: vpav55@gmail.com
Russian Federation, Simferopol

E. A. Birukova

Vernadsky Crimean Federal University

Email: vpav55@gmail.com
Russian Federation, Simferopol

D. V. Pavlenko

Vernadsky Crimean Federal University

Email: vpav55@gmail.com
Russian Federation, Simferopol

S. E. Tataris

Vernadsky Crimean Federal University

Email: vpav55@gmail.com
Russian Federation, Simferopol

References

Supplementary files