Электроэнцефалограмма. анализ с точки зрения теории информации

А.В. Крамаренко

Электроэнцефалограмма. анализ с точки зрения теории информации

"ЭЭГ отражает функциональную активность мозга и, таким образом, зависит от степени организации мозговых систем".

Это цитата из книги читаемого и уважаемого автора многих учебников и серьезных научных трудов. Это положение - одно из основных и несомненных, изложено кратко и точно. В других книгах встречается модификация: "ЭЭГ отражает функциональное состояние мозга". С этим никто не спорит и сомнению не подвергает.

Если же попробовать уточнить эту аксиому, некоторые неясности начинаются со второго слова цитаты. Где отражает? И в чем? В зеркале, в мозгу исследователя, в компьютере? И как отражает, реализуя законы оптики, радиотехники или иные?

Если не останавливаться на этом неудачном термине и попробовать его заменить на "ЭЭГ описывает...?". Неприемлемо, т.к. количество информации в электроэнцефалограмме много меньше того, которое обрабатывает мозг за этот же период времени и разрешение метода и количество каналов записи не сопоставимо с количеством активных элементов мозга. Описывать функциональное состояние (или активность) мозга ЭЭГ, конечно же, не может.

"ЭЭГ коррелирует...?". Можно предположить, что это несколько ближе к точным терминам (и вычислению при необходимости может быть подвергнуто и стиль девятнадцатого века напоминает несколько менее). И нужно добавить: "иногда коррелирует", с учетом того, что существуют иные гипотезы.

Но, с точки зрения математика, занятого обработкой сигналов, неизбежен вопрос: "А с чем коррелирует электроэнцефалограмма? Необходимо определение понятия функционального состояния мозга".

Существует типичное мнение, что это само собой разумеется, и что такие вопросы могут задавать только дилетанты, которых к больному на пушечный выстрел подпускать нельзя. Возможно, эта гипотеза имеет свои обоснования, но до тех пор, пока не удается однозначно и математически корректно определить понятие функционального состояния головного мозга (или функциональной активности), этот термин придется, к сожалению, исключить т.к. не может быть использовано понятие, не поддающееся определению.

Поэтому необходимо дать определение самой электроэнцефалограмме, причем так, чтобы формулировка была однозначно понята математиками, специалистами по теории информации - всеми теми, кто реально занимается обработкой сигналов.

Предположим, что ЭЭГ - результат записи (здесь, несомненно, если «грамма», то запись) спонтанного электрического феномена живого головного мозга (достоверно известно, что после смерти мозга ЭЭГ исчезает), регистрируемого на кожных покровах поверхности головы (в отличие от электрокортикограммы) в диапазоне частот десятые доли - десятки герц и в амплитудных значениях единицы - сотни микровольт. Сигнал ЭЭГ имеет нулевое математическое ожидание (т.к. для регистрации используются усилители переменного тока) и близкий к нормальному закону распределения при исследовании реализаций, больших единиц секунд. Сигнал ЭЭГ нестационарен в большинстве реализаций и его осциллограмма напоминает смесь ограниченного по полосе розового шума с амплитудно-модулированными гармоническими составляющими с малой частотной девиацией.

Возможно, это определение не вполне соответствует врачебному, но имеет (наряду с недостатками) и свои преимущества т. к. термин "розовый шум", например, - четко определенное в технике понятие, однозначно описывающее спектр шумового сигнала, в отличие от термина "функциональное состояние мозга", который неизвестно что описывает.

Но как быть с главным вопросом? Какова связь ЭЭГ (или ее изменений) с деятельностью мозга? По этому поводу существует огромное количество гипотез, и диапазон оценок колеблется от "связи нет" до знаменитого высказывания Джибса "Электрическая запись, которую мы регистрируем, это язык самого мозга". Необходимо заметить, что и очень крупные специалисты позволяли себе выражать сомнение в связи ЭЭГ с функционированием мозга и высказываться как академик Анохин. (Может потому и позволяли, что крупные...).

Ничто, впрочем, не мешает сделать предположение, что правы были все исследователи. Но электроэнцефалограмма описывает не деятельность мозга, а результат работы только одной его системы. Системы удержания постсинаптического потенциала.

И в этом предположении есть, к сожалению, существенное отличие от общепринятой концепции, что электроэнцефалограмма коррелирует с деятельностью всего мозга, как структуры. А высказанная гипотеза предполагает, что система удержания постсинаптического потенциала имеет свои характеристики, свои принципы функционирования, вероятно, очень слабо связанные с системой обработки информации мозгом. Поэтому совершенно правы те исследователи, которые никакой связи между психической деятельностью (например) и ЭЭГ не находили.

В пользу того, что ЭЭГ не язык мозга, а результат работы некоторой системы, связанной не со всеми мозговыми функциями, можно привести простой аргумент: сигнал электроэнцефалограммы вышел на поверхность, т.е. распространился по мозговым структурам. Именно поэтому он не может быть суммой ВСЕХ тех сигналов, которые обрабатывает мозг, иначе пространственное разрешение внутри мозговых образований должно стремиться к нулю, а суммарный сигнал такого большого количества нейронов должен быть белым шумом (здесь следует оговориться, что пространственное распределение ЭЭГ не карта поля, а карта тока, что не всегда учитывают).

Естественно, что всякое предположение требует доказательств. Особенно с учетом того факта, что происхождение самой ЭЭГ вопрос до сих пор не вполне ясный.

Используем результаты известного эксперимента: изолированный участок коры головного мозга генерирует псевдогармонический сигнал с частотой около 2 герц с аддитивным шумовым компонентом. Спектральные характеристики этого сигнала отличаются от спектра ЭЭГ только смещением всех компонентов в область низких частот. Вопрос: что 'отражает' этот сигнал - функциональную активность изолированной коры? Какая может быть 'функциональная активность', если на входе и выходе устройства ничего нет, т.е. нет ни входов, ни выходов (они ведь отрезаны). Какие сигналы может обрабатывать этот участок, отключенный от всего. Думает о своей грустной судьбе изолированная кора? Здесь, конечно, приходят на помощь концепции самовозбуждения системы слабосвязанных осцилляторов, Уолтеровская 'стабилизация через флуктуации', разнообразные теории образования паттернов ЭЭГ (сканирование внешних данных) и т.п. Но, не пытаясь разобраться в гипотезах происхождения ЭЭГ, сделаем предположение: в достаточно большом изолированном участке коры автоматически включилась система удержания постсинаптического потенциала. И ничего она не обрабатывает, никакой функциональной активности не отражает. Этот сигнал свидетельствует только о том, что некоторая система работает. И у нее есть свои характеристики, свои законы функционирования и распространять эти закономерности на работу всего мозга не стоит, ведь изолированный от всего участок коры и функционирующий в полном объеме мозг отличаются принципиально. А спонтанные сигналы генерируют очень сходные.

Но, если предполагать, что ЭЭГ есть результат работы системы удержания постсинаптического потенциала, экспериментальные данные и гипотезы начинают весьма удачно укладываться в единую концепцию. В том числе и 'стабилизация через флуктуации', предложенная Уолтером (физики более удачно называют это стабилизацией системы методом принудительных осцилляций) - следует предполагать, что постсинаптический потенциал - опорное напряжение второго входа компаратора и динамический порог необходим для регенерации кодоимпульсных последовательностей, прошедших через реальный канал связи, т.е. получивших паразитную амплитудную модуляцию. Доказательство опубликовано неоднократно - любая запись любой последовательности внутриклеточных спайков демонстрирует разные амплитуды у разных спайков, т.е. кодоимпульсная последовательность подверглась паразитной (или не паразитной, как в принципе работы клеток Рэншоу) амплитудной модуляции. Так, впрочем, и должно быть, т.к. затухание в каналах связи существует, и синапс поврежденный может внести мультипликативную помеху, да мало ли может быть причин.

Теория Мак-Каллока тоже очень хорошо согласуется с этим предположением. Если частота альфа-ритма точно совпадает с максимальной частотой предъявления визуально распознаваемых объектов, т.е. альфа-ритм - кадровая развертка зрения - то эта частота и должна определяться частотой сигнала, поданного на один из входов устройства сравнения (иначе в системе возникнут биения и некоторые поданные объекты будут не только не распознаны, но и не все будут обнаружены). Но необходимо некоторое уточнение: частота предъявления объектов должна быть ВДВОЕ НИЖЕ частоты альфа-ритма, если частота альфа-ритма является частотой дискретизации (согласно основным положениям Найквиста). Если же альфа-ритм реализует временную апертуру дискретизации, то эквивалентная частота дискретизации соответствует фронту/спаду альфа волн, т.е. УДВОЕННОЙ частоте альфа-ритма - гипотеза приходит в соответствие с экспериментальными данными. При этом нужно учесть, что альфа-ритм относительно симметричен, и очень малая временная апертура квантования (как в технических устройствах) при малом быстродействии мозговых структур невозможна в принципе.

Если оценить гипотезу с позиций пейсмекерной теории ЭЭГ - увеличения медианной частоты спектров при понижении уровня пересечения мозга - можно считать, что пейсмекерная теория практически идеально описывает наращивание системы удержания постсинаптического потенциала и изменение ее основных характеристик.

Данные о том, что ЭЭГ продуцируется только двумя цитоархитектоническими слоями коры из шести - вполне уместны. Не могут ведь ВСЕ мозговые структуры заниматься только удержанием постсинаптического потенциала - это означало бы прекращение выполнения других функций.

Можно привести еще множество сопоставлений, но имеет смысл попытаться экспериментально подтвердить гипотезу 'ЭЭГ описывает работу системы удержания постсинаптического потенциала, а с остальными функциями мозга коррелирует настолько, насколько они связаны с этой системой '. Можно предложить следующий способ решения данной задачи: если бы в распоряжении экспериментатора был метод непрерывной оценки количества информации, содержащейся в электроэнцефалограмме и пациент с периодически возникающими существенными расстройствами мозговой деятельности и последующей ее нормализацией то:

1.Если во время пароксизмов будет зарегистрировано увеличение или уменьшение количества информации в ЭЭГ то - ни подтвердить, ни опровергнуть эту гипотезу невозможно.

2.Если удастся найти случаи, когда количество информации в ЭЭГ не изменяется во время пароксизмов, заведомо вызвавших существенное изменение деятельности мозга то - либо гипотеза верна, либо ЭЭГ вообще никак с деятельностью мозга не связана.

Понятно, последний тезис можно исключить, ЭЭГ с деятельностью мозга несомненно связана. То есть для подтверждения гипотезы необходимо найти такого больного и научиться оценивать количество информации в ЭЭГ (хотя бы относительное, об абсолютном не может быть и речи по причинам, обсуждение которых далеко выходит за пределы желаемого размера текста.)


Новости|О компании|Продукция|Прайс-лист|Контакты|Публикации|Архив|Медицинский центр|Наши партнеры