CHANGES IN PATTERNS OF SENSORIMOTOR EEG RHYTHMS DURING MOTOR IMAGERY

Abstract


Aim - the determination of common and individual characteristics in patterns of sensorimotor rhythms of EEG during motor imagery in upper and lower limbs. Materials and methods. 20 right-handed students of Samara State Medical University at the age of 18-20 years took part in the investigation, signing informed consent. Monopolar EEG was recorded with the use of 128-channel EEG recording system (BP-010302 BrainАmpStandart 128) at rest and during the imagining of monovector movements in 4 limbs (bending fingers of the right hand, bending fingers of the left hand, dorsiflexion of the right foot, dorsiflexion of the left foot); and during the imagining of triple-vector movements in the dominant hand (fingers bending, elbow flexion, wrist rotation). The following programs and methods were used during the processing of EEG: MatLab, IBM SPSS Statistics 22, ICA (independent component analysis), CSP (Common Spatial Pattern), LORETA. Results. It was found out that alpha2- and beta2- EEG frequency bands are highly significant for the formation of contralateral activation focus during motor imagery in the 4 limbs. ERD / ERS of the EEG rhythms were more pronounced during imagining movements in the dominant limbs (right hand, right leg) than in non-dominant.We found individuality of responses of sensorimotor EEG rhythms in addition to the general trends of EEG changes during imagination of one-type movement in the 4 limbs. The significance of changes in the power of EEG sensorimotor rhythms for differentiating 3 degrees of freedom during motor imagery in one limb was not found. Conclusion. Event-related desynchronization/synchro-nization(ERD/ERS) of sensorimotor EEG rhythms related to motor imagery has individual characteristics and their classification will lead to the significant increase of the number of degrees of freedom in creation and implementation of BCI.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Значительные перспективы в разработке и применении интерфейса «мозг-компьютер» (ИМК) связаны с корреляцией между двигательным воображением и сенсомоторными ритмами ЭЭГ, которые в этом случае могут использоваться в качестве управляющего сигнала в ИМК [1, 2, 3]. Применение двигательных образов в технологиях ИМК связано с теорией «функциональной эквивалентности», суть которой заключается в частичном перекрытии нейронных сетей, которые контролируют реальные движения и их ментальную репрезентацию [4, 5]. В то же время связанная с воображением движения вызванная реакция десинхронизации/синхронизации (ERD/ERS) сенсомоторных ритмов ЭЭГ имеет индивидуальные особенности, классификация которых позволит существенно увеличить количество степеней свободы при создании и реализации системы ИМК. ■ ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ Выявление общих и индивидуальных особенностей в паттернах сенсомоторных ритмов ЭЭГ при воображении движений в верхних и нижних конечностях человека. ■ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ В исследовании приняли участие 20 студентов-правшей Самарского государственного медицинского университета в возрасте 18-20 лет, подписавшие информированное согласие. ЭЭГ регистрировалась монополярно с помощью 128-канальной системы записи ЭЭГ (BP-010302 BrainАmpStandart 128). Во время исследования испытуемые находились в звукоизолированной комнате. Они сидели в ЭЭГ-кресле, с закрытыми глазами, в состоянии покоя (Neurobotics, Россия). Протокол регистрации ЭЭГ сигналов был представлен следующими заданиями для испытуемых: 1) воображение моновекторных движений в 4-х конечностях (сгибание пальцев правой руки, сгибание пальцев левой руки, тыльное сгибание правой стопы, тыльное сгибание левой стопы); 2) воображение трехвекторных движений в доминантной руке (сгибание пальцев, сгибание в локтевом суставе, ротация кисти). Протокол проведения эксперимента: время регистрации ЭЭГ при планировании одного вида движения составило 2,5 мин; количество попыток воображения одного движения - 10; продолжительность одной попытки воображения движения - 3 сек; интервал между попытками воображения движения - 10 сек. В качестве стимульной метки на ЭЭГ использовался звуковой сигнал. Процессинг ЭЭГ: (1) окулографическая фильтрация ICA (анализ независимых компонентов); (2) анализ динамики мощности ритмов ЭЭГ (с помощью MatLab ЭЭГ разделялась на отдельные частотные диапазоны: дельта (0,3-3,9 Гц), тета1 (4,05,9 Гц), тета2 (6,0-7,6 Гц), альфа1(7,7-9,2 Гц), альфа2 (9,3-10,5Гц), альфа3 (10,6-12,9 Гц), бета1 (13,0-19,9 Гц), бета2 (20,0-35,0 Гц), гамма (36,0-170,0 Гц). Каждый частотный диапазон обрабатывался с помощью IBM SPSS Statistics 22.); (3) анализ ERD/ERS сенсомоторных ритмов: аль-фа1, альфа2, альфа3, бета1, бета2; (4) оценка достоверности регистрируемых изменений мощности значимых ритмов ЭЭГ (IBM SPSS Statistics 22); (5) частотно-пространственная фильтрация (Common Spatial Pattern, CSP), LORETA (Low Resolution Brain Electromagnetic Tomograph). Достоверность измерений оценивалась параметрическими и непараметрическими методами. Статистически значимыми изменения средних величин считались при р<0,001. ■ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Анализ ЭЭГ сигналов, зарегистрированных при воображении моновекторных движений в 4-х конечностях. Обработка ЭЭГ сигналов, зарегистрированных при воображении моновекторных движений в 4-х конечностях логистической регрессией и ROC-анализом, выявила наибольшие величины площади под ROC-кривой, соответственно высокую чувствительность и специфичность изменений мощности в альфа2-(0,941 ± 0,016) и бета2- (0,933 ± 0,004) ритмах, а наименьшие - в бета1- частотном диапазоне ЭЭГ (0,772 ± 0,007) (табл. 1). Анализ количества достоверных (р<0,001) отведений ЭЭГ показал наименьшую величину отведений при воображении движений в левой ноге (в альфа3- и бета1-ритмах), в левой руке (в альфа3-ритме), в правой ноге (в бета1- ритме). Аналогичная тенденция была отмечена при проведении пространственно-частотной фильтрации ритмов ЭЭГ во время воображения движений (CSP) (рис. 1). Нами обнаружена высокая значимость альфа2-и бета2-частотных диапазонов ЭЭГ в формировании контралатерального очага активации при воображении движений в конечностях. В нашей работе анализ ЭЭГ, зарегистрированных при воображении моновекторных движений в 4-х конечностях, выявил полиморфизм ERD/ERS сенсомо-торных ритмов при воображении сгибания пальцев руки и тыльного сгибания стопы в доминантных и не- Таблица 1. Среднее значение площади под ROC-кривой в частотных диапазонах ЭЭГ при воображении движений (М ± m) Типы Ритмы ЭЭГ движении Альфа1 Альфа2 АльфаЗ Бета1 Бета2 Правая 0,899 ± 0,953 0,862 ± 0,766 ± 0,939 рука 0,006 ±0,011 0,003 0,005 ±0,008 Левая 0,889 ± 0,956 ± 0,874 0,797 ± 0,932 ± рука 0,019 0,023 ±0,011 0,009 0,004 Правая 0,896 ± 0,885 ± 0,864 ± 0,759 ± 0,934 ± нога 0,004 0,048 0,012 0,025 0,006 Левая 0,939 ± 0,972 ± 0,857 ± 0,764 ± 0,927 ± нога 0,002 0,002 0,019 0,004 0,017 0.1 ■2Ю.05 Ф 0 0.1 #0.05 э 0 -1- 0.05 . . 1 * 0 10 20 30 Frequency in Hz 10 20 Frequency in Hz 30 10 20 Frequency in Hz 30 А Б В Рисунок 1. Общая картина пространственного распределения во время воображения движений: А - сгибание пальцев левой руки; Б - сгибание пальцев правой руки; В - тыльное сгибание правой стопы. доминантных конечностях (рис. 2). ERD/ERS в ритмах ЭЭГ были более выражены при воображении движений в доминантных конечностях (правой руке и в правой ноге), чем в недоминантных. Кроме общих тенденций изменений ЭЭГ при воображении моновекторных движений в 4-х конечностях, нами обнаружена и индивидуальность ответов сенсо-моторных ритмов ЭЭГ. Так, последовательное воображение одного и того же паттерна движения в верхних и нижних конечностях сопровождалось полиморфизмом характера изменения мощности сенсомоторных ритмов ЭЭГ у разных испытуемых (рис. 3). При воображении сгибания пальцев правой руки у испытуемого А в альфа2 диапазоне ЭЭГ обнаружена реакция синхронизации в теменно-затылочных и двигательных зонах коры больших полушарий и реакция десинхронизации в лобно-височных областях. В то время как у испытуемого Б при воображении сгибания пальцев правой руки преобладала только реакция Рисунок 2. Динамика средних значений мощности в частотных диапазонах ЭЭГ при воображении движений: 1 - сгибание пальцев правой руки; 2 - сгибание пальцев левой руки; 3 - тыльное сгибание правой стопы; 4 - тыльное сгибание левой стопы; 0 - фон. синхронизации в альфа2 диапазоне ЭЭГ (в моторных, теменных, затылочных и височных областях) (рис. 3). При воображении тыльного сгибания правой стопы у испытуемого А обнаружена реакция синхронизации в альфа1-, альфа2-, альфа3- и бета 2-ритмах ЭЭГ. А у испытуемого Б синхронизация обнаружена только в аль-фа3- и бета2-ритмах ЭЭГ. В альфа1 частотном диапазоне ЭЭГ у испытуемого Б в отличие от испытуемого А установлена реакция десинхронизации в центральных, левой фронтальной, правой париетально-темпоральной, правой париетально-окципитальной областях. В качестве проявления индивидуальности ответов сенсомоторных ритмов ЭЭГ при воображении моновекторных движений в 4-х конечностях в наших исследованиях выявлена либо низкая, либо высокая межполушар- Рисунок 3. Динамика средних значений мощности в частотных диапазонах ЭЭГ при воображении движений испытуемых А и Б. 0- фон; 1 - планирование движения. ная асимметрия при воображении движений в верхних и нижних конечностях. Межполушарная асимметрия проявлялась в локализации источника максимальной Сгибание пальцев правой руки Сгибание пальцев левой руки Рисунок 4. LORETA спектральная плотность при воображении одновекторных движений в верхних конечностях испытуемого С, в нижних конечностях испытуемого А. Рисунок 5. Динамика средних значений мощности в частотных диапазонах ЭЭГ при воображении трехвекторных движений в правой руке испытуемого Н. 0 - фон; 1 - сгибание пальцев, 2 - сгибание в локтевом суставе; 3 - ротация кисти. активности (рис. 1, 4), в характере проявлении ERD/ERS сенсомоторных ритмов ЭЭГ (рис. 2). ERD/ERS в сенсомоторных ритмах ЭЭГ была более выражена при воображении движений в доминантных конечностях (правой руке и в правой ноге), чем в недоминантных. Описанные результаты позволяют сделать заключение о том, что при воображении моновекторных движений в доминантных и недоминантных конечностях имеет место полиморфизм ERD/ERS в сенсомоторных ритмах ЭЭГ, но индивидуальные особенности их проявлений открывают возможности их использования в качестве команд для целей ИМК. Анализ ЭЭГ при воображении трехвекторных движений в доминантной руке. Поскольку метод ЭЭГ обладает невысоким пространственным разрешением, то дифференцировать сигналы различных воображаемых движений в одной конечности становится гораздо труднее, поскольку в этом случае активируются близко расположенные участки первичной двигательной коры [6]. В нашем исследовании по паттернам ЭЭГ обнаружена низкая дифференцировка воображаемых трехвекторных движений (сгибание пальцев, сгибание в локтевом суставе, ротация кисти) в доминантной руке (рис. 5). Воображение всех трех типов движений в доминантной руке сопровождалось практически одинаково выраженной ERD/ERS в сенсомоторных ритмах. Таким образом, в работе не установлена значимость изменений мощности сенсомоторных ритмов ЭЭГ для дифференцирования 3-х степеней свободы при воображении движений в одной конечности. В то же время после моделирования 900 двигательных паттернов в течение 30 сек. на аппарате для реабилитации PowerPlate [7, 8] нами установлена возможность четкой диффе-ренцировки изменений мощности сенсомоторных ритмов ЭЭГ двухвекторных воображаемых движений (сгибание пальцев, сгибание в локтевом суставе) доминантной руки [9]. ■ ВЫВОДЫ 1.Воображение моно- и двухвекторных движений конечностей отражается дискретными паттернами в сенсомоторных ритмах ЭЭГ. 2. Во время воображения моновекторных движений в доминантных и недоминантных конечностях имеет место полиморфизм ERS/ERD в сенсомоторных ритмах ЭЭГ, но индивидуальные особенности их проявлений открывают возможности их использования в качестве команд для целей ИМК.

About the authors

VF F Pyatin

Samara State Medical University

Email: pyatin_vf@list.ru
ap. 85, 59 Fadeev st., Samara hD, professor, Head of the Department of Physiology with the course of life safety and medicine of catastrophes SSMU, Head of the Department of Neurointerface and Applied Neurophysiology of the Center for breakthrough research «IT in Medicine» Russia, 443081.

AV V Kolsanov

Samara State Medical University

Email: avkolsanov@mail.ru
ap. 85, 59 Fadeev st., Samara PhD, professor, director of the Institute of innovative development of Samara State Medical University Russia, 443081.

MS S Segreeva

Samara State Medical University

Email: marsergr@yandex.ru
ap. 85, 59 Fadeev st., Samara PhD, associate professor of the Department of Physiology with the course of life safety and medicine of catastrophes SSMU, Head of the Laboratory of Applied Neurophysiology of the Center for breakthrough research «IT in Medicine Russia, 443081.

ES S Korovina

Samara State Medical University

Email: korovina_ekateri@mail.ru
ap. 85, 59 Fadeev st., Samara postgraduate student at the Department of Physiology with the course of life safety and medicine of catastrophes Russia, 443081.

AV V Zakharov

Samara State Medical University

Email: zakharov1977@mail.ru
ap. 85, 59 Fadeev st., Samara PhD, associate professor of the Department of Neurology and Neurosurgery, Head of the Laboratory of Neurointerface of the Center for breakthrough research «IT in Medicine» Russia, 443081.

References

  1. Пятин В.Ф., Колсанов А.В., Сергеева М.С., Захаров А.В., Антипов О.И., Коровина Е.С., Тюрин Н.Л., Глазкова Е.Н. Информационные возможности использования мю- и бета-ритмов ЭЭГ доминантного полушария в конструировании нейрокомпьютерного интерфейса. Фундаментальные исследования. 2015;2(5):975-978
  2. Хивинцева Е.В., Сергеева М.С., Пятин В.Ф., Колсанов А.В., Захаров А.В., Антипов О.И., Коровина Е.С. Динамика сенсомоторной активности коры головного мозга при интенции движения. Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2016;(6):40-43
  3. Gao Q, Duan X, Chen H. Evaluation of effective connectivity of motor areas during motor imagery and execution using conditional Granger causality. Neuroimage. 2011;54(2):1280-1288.
  4. McFarland DJ, Sarnacki WA, Wolpaw JR. Effects of training pre-movement sensorimotor rhythms on behavioral performance. J Neural Eng. 201 5; 1 2(6):066021.
  5. La Fleur K, Cassady K, Doud A, Shades K, Rogin E, He B. Quadcopter control in three-dimensional space using a noninvasive motor imagery-based brain-computer interface. Journal of Neural Engineering. 2013; 10(4): 1 - 15.
  6. Plow EB, Arora P, Pline MA, Binenstock MT, Carey JR. Withinlimb somatotopy in primary motor cortex-revealed using fMRI. Cortex. 2010;46(3):310-321.
  7. Пятин В.Ф., Сергеева М.С., Королев В.В., Коровина Е.С., Лавров О.В. Увеличение мощности дельта-ритма ЭЭГ после физической нагрузки на тренажере Power Plate. Вестник ТвГУ. Серия Биология и экология. 2012;(28):7-21
  8. Пятин В.Ф., Сергеева М.С., Коровина Е.С., Шалдыбина Ю.Э., Меркулова С.В. Активация проприоцептивной сенсорной системы уменьшает проявления психологического стресса у студентов. Современные проблемы науки и образования. 2014;(6)
  9. Сергеева М.С, Пятин В.Ф., Колсанов А.В., Захаров А.В., Антипов О.И., Коровина Е.С. Модуляция сенсомоторных ритмов ЭЭГ. Биомедицинская радиоэлектроника. По материалам XII Международного междисциплинарного конгресса и Научной школы «Нейронаука для медицины и психологии. Новейшие разработки в фундаментальных и прикладных нейроисследованиях и психологии». 2016;5(2):28-30

Statistics

Views

Abstract - 11

PDF (Russian) - 0

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2016 Pyatin V.F., Kolsanov A.V., Segreeva M.S., Korovina E.S., Zakharov A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies