Electrical activity of the brain during the imagination of purposeful hand movements in persons playing stringed and keyboard musical instruments

Full Text

В настоящее время у исследователей усиливается интерес к изучению электрофизиологических коррелятов моторной деятельности человека, а электрической активности мозга при воображаемом целенаправленном движении. Поиск ответом на эти вопросы поможет развитию нейрокомпьютерного интерфейса и более глубокому внедрению его в экспериментальную практику.

Рост фундаментальной и экспериментальной базы знаний об интерфейсе «мозг – компьютер» (ИМК) позволяет усовершенствовать текущие разработки в сфере управления экзоскелетной конечности, а также формирует новые методики по восстановлению работоспособности рук и ног [1, 2].

Технология ИМК позволяет компенсировать не только моторные дисфункции, а также способствуют восстановлению чувствительности пораженных участков [1]. Благодаря развитию данного направления уже сегодня имеется возможность с помощью фокусирования внимания, нажимая на электронные кнопки, запускать определенные программы ЭВМ. Это существенно расширяет практическое применение данной технологии в различных областях медицины, инженерии, повседневной жизни и других. В частности, внедрение ИМК в области медицины, а именно в управлении робототехническими системами позволит выполнять более сложные медицинские манипуляции с организмом с помощью мозга человека [2].

Большим количеством исследователей было доказано, что воображение целенаправленных движений и их реализация активирует одни и те же участки коры головного мозга, следовательно, воображение движений может вызывать такие же пластические изменения в моторной системе, как и реальная физическая активность [3, 4, 5]. В этом процессе достаточно хорошо изучен вопрос влияния восходящих активирующих систем мозга, расположенных на уровне ретикулярной формации среднего и преоптических ядер переднего мозга, однако влияние активации нисходящих систем остается до сих пор малоизученным.

Исследование электрической активности головного мозга при воображении движении рук у правшей и левшей показали достоверные отличия в частоте и амплитуде µ-ритма во фронтальных и париетальных участках коры, что, в свою очередь, влияет на характер внутримозговых взаимодействий при планировании и реализации движения. Взаимосвязи β-, γ- и θ- диапазонов остаются по-прежнему малоизученными [1, 6].

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение особенностей функциональной активности головного мозга при активации систем, реализующих произвольные бимануальные движения путем воображения инициации движений рук у лиц, играющих на струнных и клавишных музыкальных инструментах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводилось на базе лаборатории физиологии двигательной активности НИИ физиологии, объединенного с однопрофильной кафедрой ФГБОУ ВО КГМУ Минздрава России.

В исследовании на основе информированного согласия приняли участие 80 человек, из них 40 юношей и 40 девушек в возрасте от 18 до 23 лет. Из проведенного анкетирования на наличие способности игры на музыкальных инструментах было установлено: 52 человека не имеют навыков игры на музыкальных инструментах, 12 человек обладают способностью игры на клавишных инструментах (фортепиано), 10 испытуемых указали, что освоили игру на струнных музыкальных инструментах (гитара) и 6 опрошенных играют на струнных и на клавишных инструментах. Тип доминирования полушария устанавливали по результатам комплексного метода на определение ведущего полушария [7]. Испытуемые располагались в удобном положении сидя в кресле, в стандартных условиях лаборатории при соблюдении звукоизоляции. Первая фаза эксперимента заключалась в записи электроэнцефалограммы в состоянии полного покоя, с закрытыми глазами. Вторая фаза заключалась в записи электроэнцефалограммы при воображении движения (сжимание кисти в кулак) вначале правой рукой, а затем левой.

Исследование проводилось путем записи электроэнцефалограммы в течение 2,5 мин. При наложении 21 чашечкового электрода на интактные покровы головы и экстракраниальные точки использовалась международная система отведений «10-20». Для изучения использовали данные, полученные с отведений С4-А2 и С3-А1, так как именно в эти отведения проецируется область моторной коры, отвечающая за движения кисти. Показатель электродного импеданса не превышал 20 кОм, чувствительность установлена 7 мкВ/мм. Дальнейшая компьютерная обработка сигнала проводилась методом быстрого преобразования Фурье, с усреднением не менее 30 эпох по 2 с. В эксперименте использовался электроэнцелограф-анализатор ЭЭГА-21/26 «Энцефалан-131-03» (Таганрог, Россия) [8]. Дальнейшая статистическая обработка проводилась путем сравнения спектральных параметров ЭЭГ (величин спектральной мощности ритмов) группы исследуемых, играющих на музыкальных инструментах, с группой не играющих. Количественные показатели оценивались на предмет соответствия нормальному распределению с помощью критерия Колмогорова – Смирнова (при числе исследуемых более 50). В случае отсутствия нормального распределения количественные данные описывались с помощью медианы (Me), нижнего и верхнего квартилей (Q1–Q3). Категориальные данные описывались с указанием абсолютных значений и процентных долей. Сравнение трех и более групп по количественному показателю, распределение которого отличалось от нормального, выполнялось с помощью критерия Краскела – Уоллиса, апостериорные сравнения – с помощью критерия Данна с поправкой Холма [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведения корреляционного анализа спектральных параметров ЭЭГ головного мозга в отведениях C4-A2, C3-A1 с наличием навыков игры на музыкальных инструментах у исследуемых лиц (табл.), были выявлены статистически значимые различия (p = 0,049, p = 0,030 соответственно).

При сопоставлении спектральных параметров ЭЭГ головного мозга в остальных отведениях статистически значимых различий выявлено не было.

Топографическая локализация отведений С3-А1 и С4-А1 в «международной схеме 10-20» соответствует дну центральной борозды, а также постцентральной и прецентральной извилины, которые ответственны за проприоцептивную чувствительность и моторную активность.

 

Анализ спектральных параметров ЭЭГ головного мозга в альфа-диапазоне в зависимости от наличия навыка игры на музыкальных инструментах у исследуемых лиц

Отведения ЭЭГ	Категории	Игра на музыкальных инструментах			p
		Me	Q1–Q3	n
C4-A2	клавишные	16	14–22	12	0,049
	нет	10	7–20	52
	струнные	14	11–29	10
	струнные + клавишные	22	17–30	6
C3-A1	клавишные	19	17–25	12	0,030
	нет	13	11–26	52
	струнные	18	15–32	10
	струнные + клавишные	26	22–33	6

 

В правой половине мозга у лиц, не играющих на музыкальных инструментах, показатели спектра мощности регистрируются в интервале 7–20 мкВ² (Ме-10), в то время как у играющих на струнных инструментах – 11–29 мкВ² (Ме-14), что говорит о более сильной активации участков коры и более выраженном и точном представлении движении. Показатели у играющих на клавишных инструментах 14–22 мкВ² (Ме-14) несколько отличаются в своем интервале, однако медиана совпадает и говорит о незначительных отличиях. Лица, владеющие обеими видами инструментов, показывают результаты 17–30 мкВ² (Ме-22) и по медиане значительно выше остальных (рис. 1). Полученные данные свидетельствуют о том, что выработка двигательных навыков и развитая мелкая бимануальная сложно скоординированная моторика оказывают модулирующее влияние на развитие корковых центров, отвечающих за формирование произвольных моторных программ в правом полушарии, что приводит к повышению эффективности и результативности извлечения двигательных энграмм, определяющих сложные локомоции [4, 6].

В левом полушарии значения спектра мощности выше, чем в правом. Так у лиц, не играющих на музыкальных инструментах, показатель равен 11–26 мкВ² (Ме-3), на струнных – 15–32 мкВ² (Ме-18), на клавишных – 17–25 мкВ² (Ме-19), играющих на обоих видах инструментов – 22–33 мкВ² (Ме-26) (рис. 2). Так как именно левое полушарие отвечает за тонкий двигательный контроль пальцев обеих рук, а также за восприятие музыкальных композиций, медиана показателей активности головного мозга здесь намного выше, чем в правом полушарии [5, 6].

 

Рис. 1. Анализ спектральных параметров ЭЭГ головного мозга в альфа-диапазоне в отведении C4-A2 в зависимости от наличия навыка игры на музыкальных инструментах у исследуемых лиц. Цифрами здесь и на рис. 2 обозначены показатели медианы (Ме) значений спектральной мощности нейронов по группам исследуемых

 

Рис. 2. Анализ спектральных параметров ЭЭГ головного мозга в альфа-диапазоне в отведении C3-A1 в зависимости от наличия навыка игры на музыкальных инструментах у исследуемых лиц

 

Различия в показателях между правым и левым отделами мозга указывают на связь между активностью альфа-волн и доминирующим типом полушария. Проведенный сравнительный анализ активности правого и левого полушария у испытуемых, владеющих навыком игры на музыкальных инструментах и характеризующихся разным доминированием полушария, не выявил статистически значимых различий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, навыки игры на музыкальных инструментах даже при отсутствии сенсорной афферентации с периферии при воображаемой инициации движения способствуют более сильной сочетанной активации сенсорной и двигательной областей коры, что связано с более развитой бимануальной моторикой, а также с чувственным представлением движений. При этом разнообразие двигательных программ (фортепиано и гитара) закономерно усиливают проявления пусковой активности соответствующих зон коры. Следует отметить отсутствие выраженной асимметрии активации. В соответствии с теорией функциональных систем развитая точность движений способствует сонастройке взаимодействия «мозг – верхняя конечность : программа – эффектор» и приводит к эффективной активации соответствующих корковых зон с формированием специфических межнейроннх связей, что и обнаружено в нашем исследовании.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

About the authors

Pavel V. Tkachenko

Kursk State Medical University

Author for correspondence.
Email: pwtkachenko@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-2725-6482

Doctor of Medical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Normal Physiology named after Professor A.V. Zavyalov

Russian Federation, Kursk

Nikolay S. Kononenko

Kursk State Medical University

Email: kononenkons@kursksmu.net

Postgraduate Student of the Department of Normal Physiology named after Professor A.V. Zavyalov

Russian Federation, Kursk

Anastasiya A. Nasmachnaya

Kursk State Medical University

Email: nesmachnaya.n@mail.ru

Student of the Faculty of Medicine

Russian Federation, Kursk

References

Supplementary files