В большинстве развитых стран детский церебральный паралич (ДЦП) является наиболее распространенной причиной инвалидности, возникающей в раннем детстве. ДЦП поражает примерно 1 из 500 новорожденных, в мире им страдает около 17 млн человек [1]. Термин «ДЦП» объединяет группу хронических непрогрессирующих симптомокомплексов двигательных нарушений (спастических параличей, гиперкинетического, церебеллярного атактического, псевдобульбарного синдромов), основная причина которых в нарушении развития или повреждении головного мозга в антенатальном, интранатальном или неонатальном возрастных периодах. Двигательные дисфункции часто сочетаются с умственной отсталостью, эпилептическими припадками, трудностями восприятия, общения и обучения [2]. В связи с разнообразием клинических проявлений ДЦП существующие медикаментозные и физиотерапевтические методы помощи таким детям не всегда эффективны. Один из перспективных методов коррекции двигательных нарушений — применение комплексов реабилитации, состоящих из неинвазивных интерфейсов мозг–компьютер (ИМК) и роботизированных устройств с биологической обратной связью [3]. Работа комплексов основана на распознавании намерений пациента по изменению паттерна его ЭЭГ при кинестетическом воображении движений и запуске движений экзоскелета. Предполагается [4], что предоставление дополнительной информации с помощью роботизированных ортезов повышает качество лечения: пациент получает обратную связь об успешности представления движения, а усиление тактильной, проприоцептивной и зрительной афферентации дополнительно активирует структуры головного мозга, лишенные или ограниченные в получении сенсорной информации вследствие поражения мозга. Показана эффективность указанной технологии при реабилитации больных, перенесших инсульт [5, 6].

Несмотря на то что ряд авторов [7, 8] указывают на обширные перспективы использования ИМК в реабилитации детей с ДЦП, в настоящее время исследования в этой области единичные. Так, при работе с пациентами, имеющими диагноз ДЦП, показана потенциальная возможность применения ИМК на основе анализа динамики сенсомоторного ритма ЭЭГ [9]. Выполнение больными заданий на кинестетическое представление движений приводило к таким изменениям мощности μ- и β-ритмов ЭЭГ, которые адекватно оценивала программа-классификатор. В другой работе использовали ИМК, выявляющий изменения отношения мощности β- и θ-ритмов при представлении пациентом разгибания кисти и запускающий электростимуляцию мышц разгибателей запястья [10]. После серии таких сеансов у детей с ДЦП было выявлено улучшение параметров движений рук.

Для коррекции двигательных функций верхних конечностей у детей с ДЦП был применен комплекс ИМК-экзоскелет кисти [11]. Авторы работы испытывали комплекс на фоне санаторно-курортного лечения в специализированном санатории. В результате курса нейрореабилитации у большинства детей снизилась спастичность мышц кисти, увеличилась сила мышц и объем движений кисти, вырос репертуар бытовых навыков. У пациентов, получавших только традиционное санаторно-курортное лечение, была обнаружена лишь тенденция к увеличению объема бытовых навыков, но положительные изменения не были статистически значимыми. В указанной публикации динамику ЭЭГ детей в процессе применения роботизированного комплекса не анализировали.

В контексте анализа активности ЦНС в процессе реабилитационных мероприятий у пациентов с двигательными нарушениями особый интерес представляет изучение реактивности α-ритма и его разновидности — μ-ритма. Эти ритмы при выполнении человеком различных видов деятельности демонстрируют связанную с событиями десинхронизацию или синхронизацию. Параметры реактивности α-ритма ЭЭГ используют в качестве индикатора вовлеченности различных областей неокортекса здоровых испытуемых в процессы переработки разномодальной информации [12], а μ-ритма — в качестве индикатора активации соматосенсорной и моторной зон коры при выполнении и представлении движений [13, 14]. Поскольку указанные ритмы имеют схожий частотный диапазон, а при выполнении задач на представление движений в этот диапазон вносит свой вклад и частично сохраняющийся при открытых глазах затылочный α-ритм, отличающийся высокой реактивностью при выполнении когнитивной деятельности [15], в дальнейшем, употребляя по отношению к результатам нашего исследования термин «α-ритм» или словосочетание «активность в частотном диапазоне α-ритма», мы подразумеваем, что эта активность является результатом генерации и α-, и μ-ритма.

У перенесших инсульт пациентов при представлении движений выявлены изменения указанных ритмов, заключающиеся в их как синхронизации, так и десинхронизации [16]. Паттерн таких реакций менялся после курса реабилитации с использованием ИМК, управляющего экзоскелетом кисти. Авторы указанной публикации высказали предположение, что такие изменения отражают реорганизацию нейронных цепей в процессе нейрореабилитации. Необходимо подчеркнуть, что у детей с ДЦП особенности реактивности α- и μ-ритмов в процессе курса нейрореабилитации изучены недостаточно.

Целью исследования было определить особенности реактивности ЭЭГ в частотном диапазоне α-ритма в процессе реабилитации детей с ДЦП, имеющих нарушение функций верхней конечности, на основе применения комплекса «неинвазивный ИМК-экзоскелет кисти с биологической обратной связью».

ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ

Характеристика выборки

Работу проводили на базе специализированного отделения для психоневрологических больных Евпаторийского военного детского клинического санатория имени Е. П. Глинки. В исследовании приняли участие пациенты в возрасте 10–18 лет, проходящие курс санаторно-курортной реабилитации с применением комплекса «неинвазивный ИМК-экзоскелет кисти» («Экзокисть-2») производства консорциума: Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н. И. Пирогова, Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, НПО «Андроидная техника» (Россия). Критерии включения пациентов: наличие установленного синдромного диагноза «ДЦП» в соответствии с критериями МКБ-10; наличие у пациента в структуре неврологических нарушений гемипареза с уровнем двигательной активности не выше III по критериям классификации больших моторных функций (Gross Motor Function Classification System for Cerebral Palsy, GMFCS). Критерии исключения: уровень двигательной активности по критериям GMFCS больше III; наличие плегии верхней конечности; афатические нарушения; медикаментозно некорригируемая эпилепсия; нарушения зрения, не позволяющие различать инструкцию на экране; умственная отсталость умеренной, тяжелой и глубокой степеней (F71–73 по МКБ-10).

В итоговую выборку вошли 32 пациента, которые были направлены на санаторно-курортный этап восстановительного лечения с установленным диагнозом ДЦП. Больные были разделены на две группы: имеющие диагноз левосторонний гемипарез (16 испытуемых: 10 мужского, 6 женского пола) и правосторонний гемипарез (16 испытуемых: 9 мужского, 7 женского пола). Из них 21 пациент по критериям классификации больших моторных функций (GMFCS) имел II уровень двигательной активности и 11 пациентов — III уровень. Возраст детей составил 10–12 лет (11 человек), 13–15 лет (12 человек) и 16–18 лет (9 человек). Средний возраст испытуемых — 13,6 ± 2,5 лет. Достоверных различий по возрасту между группами не было.

Реабилитационные мероприятия, регистрация и анализ ЭЭГ

Работа ИМК основана на анализе паттернов ЭЭГ, возникающих при воображении движений. Для этого применяли классификатор, анализирующий ковариационные матрицы сигналов ЭЭГ с применением метода Байеса [17].

Во время тренингов пациенты сидели в кресле на расстоянии полутора метров от компьютерного монитора, на котором им предъявляли визуальные инструкции. Кисти рук размещали внутри «рукавиц» экзоскелета. В центре экрана находились округлая метка белого цвета, служившая для фиксации взгляда, и три стрелки вокруг нее, менявшие цвет для обозначения инструкций. Пациент выполнял следующие команды: расслабиться (в течение 10 с активировалась верхняя стрелка); кинестетически воображать движение левой или правой руки (в течение 10 с активировалась левая или правая стрелка соответственно). При точном выполнении пациентом задания 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.

Пациенты проходили курс из 10 сеансов (один сеанс через день) по одинаковой схеме: три сессии по 8 мин с перерывом на отдых не менее 5 мин. В течение сеанса ситуацию воображения движений каждой руки повторяли 24 раза. Больные в течение 21 дня получали также комплексное санаторно-курортное лечение по стандартным методикам [11]: лечебную физкультуру, массаж паретичных мышц, пелоидотерапию, гидрокинезиотерапию в термальной воде, электростимуляцию мышц, являющихся антагонистами паретичным.

ЭЭГ регистрировали монополярно с помощью электроэнцефалографа «Нейровизор БММ» («Медицинские Компьютерные Системы»; Россия) в лобных (Fpz, Fp1, Fp2, Fz, F1, F2, F3, F4), центральных (Cz, C1, C2, C3, C4), теменных (Pz, P1, P2, P3, P4) и затылочных (Oz, O1, O2) отведениях, расположенных по неполной международной схеме 10–10. В качестве референтного использовали объединенный ушной электрод. В процессе записи частоты среза фильтров высоких и низких частот составляли 5 и 30 Гц соответственно, частота оцифровки ЭЭГ-сигналов — 500 Гц.

При обработке ЭЭГ из анализа исключали участки записей с амплитудой более 250 мкВ, а также отрезки, содержащие большое количество артефактов, связанных с активацией ЭЭГ мышц лба. Для анализа отбирали безартефактные 10-секундные фрагменты ЭЭГ во время воображения движений правой либо левой рукой и во время расслабленного бодрствования с открытыми глазами («фон»). Для одного сеанса количество таких фрагментов составляло 10–15 для каждой ситуации. Указанные фрагменты ЭЭГ подвергали быстрому преобразованию Фурье с эпохой анализа 2,5 с и взаимным перекрытием эпох 50%. Применяли сглаживание окном Блэкмана. Для каждого 10-секундного отрезка записи рассчитывали среднюю амплитуду α-ритма в полосе частот 8–13 Гц и индексы реактивности (ИР) в соответствии с формулой:

ИР = 100% × [(В – A) / A],

где B — средняя амплитуда α-ритма во время представления движений в течение 10 с, A — средняя амплитуда α-ритма в фоновой ситуации, предшествующей представлению движений. Для ситуаций воображения движений левой и правой рук, по фрагментам ЭЭГ, зарегистрированным в течение сеанса, средние арифметические значений ИР рассчитывали отдельно.

Положительные значения ИР свидетельствуют об увеличении амплитуды α-ритма во время представления движений по сравнению с фоновым уровнем (синхронизация), а отрицательные — об ее уменьшении (десинхронизация). Для дальнейшего анализа использовали усредненные ИР для первого и десятого сеансов тренинга.

Статистическая обработка данных

Статистический анализ данных проводили с использованием пакета STATISTICA 10.0 (StatSoft Inc.; США). Применение критерия Шапиро–Уилка показало, что распределение значений ИР α-ритма в исследуемых отведениях не отличалось от нормального. Это позволило использовать для обработки данных дисперсионный анализ с повторными измерениями (repeated measures ANOVA). По схеме 2 × 2 × 21 оценивали влияние межсубъектного фактора ГРУППА (принадлежность к группе испытуемых с лево- или правосторонним гемипарезом), а также двух внутрисубъектных факторов: РУКА (представление движений левой и правой руками) и ЛОКУС (21 отведение ЭЭГ). Изменения у пациентов реактивности α-ритма в результате прохождения курса лечения анализировали с помощью ANOVA с внутрисубъектными факторами СЕАНС (первый и десятый), РУКА и ЛОКУС. Для оценки изменений ИР в каждом из локусов ЭЭГ применяли метод априорных контрастов (оценка F-распределения). Статистически значимыми считали различия при р < 0,05, но в связи с небольшим объемом выборки учитывали и тенденции к наличию различий (р< 0,10).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Ранее нами было показано, что в результате проведенного комплексного санаторно-курортного лечения с применением «неинвазивный ИМК-экзоскелет кисти» у детей с ДЦП значимо улучшились характеристики движений верхних конечностей [11]. У пациентов, получавших только традиционное санаторно-курортное лечение, положительные изменения не были статистически значимыми. ЭЭГ этих пациентов не регистрировали.

Реактивность α-ритма в начале курса реабилитации

Во время первого сеанса роботизированной терапии у пациентов при воображении движений были выявлены разнонаправленные изменения амплитуды α-ритма (рис. 1, рис. 2, красные столбцы). В большинстве отведений обоих полушарий была выявлена его синхронизация. Паттерны изменений α-ритма различались у групп детей с право- и левосторонним гемипарезом. Близкое к статистически значимому влияние оказывало взаимодействие факторов ГРУППА × РУКА × ЛОКУС (F_{20, 600} = 1,45; р = 0,09). Применение метода априорных контрастов показало, что при воображении разгибания пальцев левой кисти (рис. 1) различия достигали статистической значимости в правом теменном отведении Р2 (F_{1, 30} = 5,10; p < 0,05). В этом локусе при представлении движений левой рукой у детей с левосторонним гемипарезом выявлена выраженная синхронизация α-ритма ЭЭГ (рис. 1А), тогда как у испытуемых с правосторонним гемипарезом — лишь незначительные его изменения (рис. 1Б).

Применение метода априорных контрастов показало, что при воображении движений правой рукой у детей с правосторонним гемипарезом выявлена тенденция к большей синхронизации α-ритма в отведении P2 (F_{1, 30} = 2,81; p = 0,10) по сравнению с пациентами, у которых паретичной рукой была левая (рис. 2А, Б).

Реактивность α-ритма при завершении курса реабилитации

Паттерн реактивности α-ритма, выявленный у пациентов во время завершающего десятого сеанса, отличался от такового в начале курса реабилитации.

Для группы детей с левосторонним гемипарезом выявлено значимое влияние взаимодействия факторов СЕАНС × РУКА × ЛОКУС (F_{20, 300} = 1,84; p < 0,05). Во время представления движений паретичной рукой реакцию синхронизации α-ритма ЭЭГ, наблюдаемую ранее в отведениях Fp1, Fp2, P2, Oz, к концу тренингов сменила реакция десинхронизации (см. рис. 1А). Различия показателей ИР первого и десятого сеансов достигали уровня статистической значимости в отведениях P2 (F_{1, 15} = 10,02; р < 0,01) и Oz (F_{1, 15} = 7,68; р < 0,05) и приближались к нему в отведении Fp1 (F_{1, 15} = 3,96; р = 0,07). Во время воображения движений правой рукой у детей с левосторонним гемипарезом значимые различия в реактивности α-ритма выявлены в отведении С1 (F_{1, 15} = 6,57; р < 0,05). После проведения тренингов реакция десинхронизации α-ритма сменилась на синхронизацию (см. рис. 2А).

У испытуемых с правосторонним гемипарезом различия ИР α-ритма при представлении движений правой и левой рукой во время первого и последнего сеансов не достигали уровня статистической значимости (см. рис. 1Б, рис. 2Б), взаимодействие факторов ТРЕНИНГ × РУКА × ЛОКУС не оказывало значимого влияния на различия (F_{20, 300} = 0,86; p = 0,64).

После прохождения курса тренингов степень различия показателей реактивности α-ритма при воображении движений рук у детей с левосторонним и правосторонним гемипарезом уменьшилась — влияние взаимодействия факторов ГРУППА × РУКА × ЛОКУС стало далеким от значимого (F_{20, 600} = 0,88; р = 0,61).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящем исследовании проанализированы изменения ЭЭГ в процессе нейрореабилитации функций пациентов с ДЦП при применении комплекса ИМК. Следует отметить, что степень изменения амплитуды ЭЭГ в частотном диапазоне α-ритма у детей с ДЦП при воображении движений рук оказалась неожиданно невысокой. В большинстве отведений значения ИР не превышали 3%. Одной из причин ограниченного уровня реактивности может быть тот факт, что для больных с ДЦП характерен нетипичный вид модуляции ритмов ЭЭГ. У таких пациентов при выполнении движений отмечено снижение реакций как десинхронизации, так и синхронизации μ-ритма по сравнению с реакциями здоровых детей, четкая локализация реакций отсутствует, изменения ЭЭГ можно наблюдать в самых разных областях неокортекса, включая теменную и затылочную область [18–20]. Кроме того, несмотря на то что от пациентов требовалось воображать движение непрерывно в течение 10 с, изменения амплитуды α-ритма могли быть нестабильными. У здоровых взрослых испытуемых изменения μ-ритма при воображении движений носили многофазный характер с чередующимися фазами синхронизации и десинхронизации [14]. Смена чередовавшихся эпизодов десинхронизации/синхронизации μ- и α-ритмов отмечена также во время воображения движений у взрослых пациентов, проходящих процедуру реабилитации после инсульта с помощью роботизированной терапии [16]. Нельзя исключить, что поскольку в настоящей работе амплитуду ЭЭГ оценивали за весь период воображения движений, реакции связанной с событиями десинхронизации/ синхронизации в значительной мере нивелировались.

Обращает на себя внимание и билатеральный паттерн реакций α-ритма при воображении движений. Рост или падение амплитуды указанного ритма были отмечены не только в контра-, но и в ипсилатеральном, по отношению к руке, полушарии, разгибание пальцев которой представлял испытуемый. Такие нетипичные двусторонние паттерны моторной активации у детей с ДЦП выявлены и другими авторами [21]. Указанная группа исследователей с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии оценивали активацию структур ЦНС при выполнении испытуемыми движений (сжимание пальцами мячика), а также регистрировали ответы мышц руки на транскраниальную магнитную стимуляцию. Результаты работы привели авторов к выводу, что более чем у половины обследованных детей, страдающих ДЦП, паретичную конечность контролирует либо ипсилатеральное, либо оба полушария. Такую необычную мозговую организацию можно расценивать как носящую компенсаторный характер и развивающуюся благодаря пластичности нервной системы после повреждения головного мозга в раннем возрасте.

Особенность настоящего исследования — участие в нем двух групп пациентов: с право- и левосторонним гемипарезом. Она позволило сравнить ЭЭГ-реакции предположительно относительно сохранного и серьезно поврежденного полушарий при представлении движений одной, левой или правой, рукой. В начале курса нейрореабилитации паттерны изменений α-ритма при воображении движений одноименных конечностей различались у детей указанных групп. Различия ИР достигали уровня статистической значимости в теменной области правого полушария (отведение Р2). После прохождения тренингов степень различия показателей реактивности α-ритма при воображении движений рук у детей с лево- и правосторонним гемипарезом уменьшилась, что может свидетельствовать об определенных благоприятных перестройках активности ЦНС.

В основе таких изменений лежит прежде всего статистически значимое изменение паттерна реактивности ЭЭГ в частотной полосе α-ритма у пациентов с левосторонним гемипарезом к концу курса тренингов. Если во время первого сеанса при воображении движений паретичной рукой у детей этой группы заметную десинхронизацию (ИР более 0,25%) наблюдали только в одном отведении (Сz), то во время десятого сеанса — в шести отведениях обоих полушарий (см. рис. 1А). Хотя изменение паттерна реактивности ЭЭГ у детей с правосторонним гемипарезом к концу курса реабилитации не достигло уровня статистической значимости, у них также отмечался рост десинхронизации α-ритма. Если во время первого сеанса при воображении движений паретичной рукой десинхронизация отсутствовала во всех отведениях ЭЭГ, то во время завершающего сеанса она проявилась в шести отведениях, главным образом ипсилатерального полушария (см. рис. 2Б). Увеличение доли реакций связанной с событием десинхронизации α-ритма указывает на рост активации неокортекса у пациентов в результате курса нейрореабилитации [12–14]. Особый интерес представляет рост десинхронизации в отведении Р2 (см. рис. 1А, Б). Сигнал ЭЭГ в данном отведении отражает активность нейронных сетей предклинья (precuneus) [22]. Предклинью отводят центральную роль в широком спектре высокоинтегрированных задач, включая формирование пространственных образов движений и восприятие пространственной перспективы от первого лица [23]. Повышение степени активации данной области в результате курса нейрореабилитации может играть одну из ключевых ролей в оптимизации планирования и выполнения сложных движений руки у пациентов, улучшении бытовых навыков.

Усиление десинхронизации в ряде регионов неокортекса сопровождал рост связанной с событием синхронизации α-ритма в других корковых областях. Так, у детей с левосторонним гемипарезом во время завершающего сеанса заметно значительное увеличение амплитуды α-ритма при воображении разгибания пальцев паретичной руки в области первичной моторной (С2, С4) и премоторной коры (F2, F4). Мы рассматриваем такие изменения в частотной полосе α-ритма в указанных областях как свидетельство процесса активного торможения, направленного на предотвращение чрезмерного вовлечения пораженного контралатерального полушария в контроль двигательной активности ребенка.

Поскольку в результате курса нейрореабилитации у детей с ДЦП значимо улучшились двигательные функции [11], выявленные нами перестройки паттерна ЭЭГ в частотном диапазоне α-ритма можно рассматривать как проявление процессов благоприятной реорганизации нейронных цепей. Данное исследование носит во многом предварительный характер. Мы не можем исключить влияние на паттерн реактивности ЭЭГ факторов традиционного санаторно-курортного лечения. В дальнейшем планируется применить рандомизированный перекрестный дизайн для оценки влияния на реактивность α-ритма не только курса нейрореабилитации, но и указанных факторов, а также проанализировать связь между показателями изменений ЭЭГ и улучшением у детей двигательных функций. Считаем, что настоящее и планируемые исследования помогут наметить новые подходы к повышению эффективности комплексного санаторно-курортного лечения.

ВЫВОДЫ

Нейрореабилитация детей, страдающих ДЦП, с применением комплекса «неинвазивный ИМК-экзоскелет кисти» приводит не только к значимому улучшению характеристик движений верхних конечностей, но и к перестройке паттерна реактивности α-ритма пациентов при воображении движений рук. В начале курса нейрореабилитации паттерны изменений α-ритма при воображении движений одноименных конечностей у детей с лево- и правосторонним гемипарезом значительно различались. После прохождения тренингов степень различия показателей реактивности α-ритма у детей указанных групп уменьшилась, что может свидетельствовать об определенных благоприятных перестройках активности ЦНС. В основе таких изменений лежит прежде всего статистически значимое изменение паттерна реактивности ЭЭГ у пациентов с левосторонним гемипарезом. В целом у детей с лево- и правосторонним гемипарезом выявлено увеличение доли реакций связанной с событием десинхронизации α-ритма, что указывает на рост активации неокортекса в результате курса нейрореабилитации. Выявленные перестройки паттерна ЭЭГ в частотной полосе α-ритма могут быть рассмотрены как проявление усиления процессов пластичности нейронных цепей, контролирующих планирование и выполнение сложных движений рук у пациентов.