Детский церебральный паралич (ДЦП) представляет собой группу стойких нарушений развития движений и позы [1, 2], однако свойство пластичности мозга создает потенциальную возможность для лечения этого заболевания. На феномене пластичности основаны методы нейрореабилитации, активно развиваемые в последнее время. Больным дают задания на многократное повторении или представлении определенных движений. Отмечают, что представление движений может вызывать даже более высокую когнитивную нагрузку, чем их физическая реализация, что активирует восстановительные процессы нервной ткани [3]. Один из подходов нейрореабилитации — применение комплексов, включающих неинвазивные интерфейсы мозг–компьютер (НИМК) и экзоскелет кисти руки [4]. Получены доказательства эффективности данного подхода в улучшении двигательных функций верхних конечностей [5, 6] и показателей моторной реализации речи [7] у детей со спастическими формами ДЦП.

Для оценки функционального состояния головного мозга больных ДЦП и динамики нейропластичности в процессе реабилитации используют анализ амплитуды сенсомоторных ритмов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) [6, 8, 9]. Перспективен также анализ особенностей структурной и функциональной связности нейронных сетей головного мозга в процессе лечения. Структурную связность определяют как совокупность нервных путей головного мозга, которые соответствуют устоявшимся анатомическим представлениям [10]. Применение диффузионно-тензорной магнитно-резонансной томографии (МРТ) выявило у больных с ДЦП нарушение архитектуры кортикоспинального тракта и соматосенсорных таламокортикальных проекций. Отмечены также изменения структурной целостности комиссуральных и ассоциативных путей больших полушарий [11]. Функциональную связность определяют как совокупность взаимосвязей динамической активности нейронов разных регионов мозга. Репертуар функциональных конфигураций отражает лежащие в их основе анатомические связи. Для исследований в этой области применяют функциональную МРТ (фМРТ) и электрофизиологические методы, такие как электро- и магнитоэнцефалография [10].

Анализируя данные фМРТ, для оценки функциональной связности применяют расчет коэффициентов корреляции между показателями активности регионов мозга у больных в состоянии покоя. Было установлено, что нарушения функциональной связности широко распространены у детей с ДЦП, причем в зависимости от формы заболевания и выбора анализируемых областей наблюдались как пониженные, так и повышенные значения данного показателя по сравнению с контрольной группой [11]. Особое внимание обращает на себя выявленное снижение взаимосвязи активности лобных и теменных регионов, что может способствовать двигательным и когнитивным нарушениям при ДЦП [12].

Однако результаты, полученные с применением фМРТ в состоянии покоя, не являются надежным индикатором нарушений двигательных способностей при ДЦП [2]. Кроме того, фМРТ не обладает достаточным временным разрешением, так как измеряет метаболический (вторичный) ответ на активацию нейронов [13]. Записи ЭЭГ обеспечивают высокое временное разрешение и, таким образом, важны для описания как пространственно распределенных, так и временных динамических закономерностей нейронной активации и связности. При этом анализируется спектральная когерентность, которая является аналогом парной взаимной корреляции во временной области [10]. Спектральную когерентность обычно рассчитывают в полосах традиционно выделяемых ритмов ЭЭГ. Ее показателем является коэффициент когерентности, который варьирует от нуля до единицы в зависимости от степени синхронизации активности функционально связанных регионов коры [13, 14].

Анализ когерентности ЭЭГ у детей с ДЦП к настоящему времени проведен лишь в единичных работах. Первоначально когерентность ритмов ЭЭГ у детей с ДЦП оценивали только в состоянии покоя. У детей с диплегией, имеющих двусторонние поражения мозга, в диапазоне α-ритма выявлено более низкое, по сравнению с контролем, значение межполушарной когерентности в затылочной области. В диапазонах δ-, θ- и β-ритмов для меж- и внутриполушарных пар отведений обнаружили повышенный уровень когерентности, что было интерпретировано как отражение компенсационных процессов [15]. У детей с гемипарезом также обнаружены более высокие значения межполушарной когерентности в δ- и θ-диапазоне, и пониженные — для α- и β-ритмов [16]. Значения когерентности в пораженном полушарии были ниже, чем в относительно сохранном, что, по мнению авторов, являлось следствием локальных нарушений в неокортексе и подкорковом белом веществе.

В более позднем исследовании анализировали межполушарную когерентность ЭЭГ над центральной областью коры у больных с унилатеральным ДЦП как в покое, так и при выполнении движений разгибания запястья [17]. Когерентность в диапазоне α-ритма ЭЭГ в покое оказалась снижена, и снижение было тем больше, чем выше степень нарушений двигательных функций. В недавней работе оценили внутриполушарную когерентность между центральными и лобными областями неокортекса в диапазоне μ-ритма ЭЭГ у детей с унилатеральным ДЦП при спокойном стоянии и ходьбе [18].  В отличие от результатов представленных выше исследований [14, 15], при стоянии у больных в пораженном полушарии когерентность была выше, а в сохранном — ниже, чем у контрольной группы.

Оценку когерентности ЭЭГ как индикатора нейропластичности в процессе реабилитации применяли при лечении взрослых больных после инсульта. При этом отмечена важность ее динамики в качестве показателя восстановления функций неокортекса [19]. Однако, насколько нам известно, оценку когерентности ЭЭГ у больных с ДЦП в процессе лечения выполняли лишь в одной работе. У детей с ДЦП, имеющих нарушения подвижности нижних конечностей, определяли функциональную связность областей коры при проведении серии тренингов на представление движений [20]. При представлении больными поднятия конечности программа-классификатор выявляла изменения паттерна ЭЭГ и выводила на экран изображения, служившие в качестве визуальной обратной связи. Курс реабилитации привел к росту коэффициента кластеризации ЭЭГ в частотном диапазоне 8–15 Гц, что рассматривалось как повышение эффективности сетевых свойств неокортекса. Однако данные о результатах двигательной реабилитации в работе не представлены.

В связи с этим цель нашей работы — провести анализ изменений когерентности в частотных диапазонах θ-, α- и β-ритмов ЭЭГ при проведении комплексного санаторно-курортного лечения детей с ДЦП с курсом нейрореабилитации на основе применения комплекса «НИМК — экзоскелет кисти», а также взаимосвязи этих изменений с показателями двигательной активности больных.

ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ

Характеристика выборки

Исследования проводили в 2022–2023 гг. на базе центра «Технологии здоровья и реабилитации» Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского, а также Государственного бюджетного учреждения Республики Крым «Санаторий для детей и детей с родителями «Чайка» им. Гелиловичей». В них приняли участие 30 детей 6–15 лет, проходящих санаторно-курортное лечение с курсом нейрореабилитации на основе применения НИМК. Критерии включения пациентов: наличие установленного диагноза «ДЦП» в соответствии с критериями МКБ-10; наличие у пациента в структуре неврологических нарушений спастической диплегии с уровнем моторного развития I–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; 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 группу для анализа не включены дети, ЭЭГ которых содержали большое количество артефактов из-за чрезмерной двигательной активности ребенка. Таким образом были отобраны записи 23 детей (7 девочек, 16 мальчиков) в возрасте от 7 до 15 лет. У 15 из них преобладали нарушения движений правой руки, у шести — левой, у двух — нарушения движений обеих рук были выражены в равной степени.

Оценка показателей двигательных функций

Для оценки двигательных функций пациентов был использован индекс Бартел, характеризующий возможности самостоятельного передвижения или самообслуживания пациента на основе результатов заполнения соответствующего опросника [21]. Чем выше возможности, тем выше значения индекса (диапазон от 0 до 100 баллов). Индекс Бартел применяют как для оценки состояния взрослых пациентов, так и для определения способности детей с ДЦП участвовать в повседневных действиях [22]. Первичную оценку двигательных возможностей детей проводили на второй день после поступления в санаторий. На следующий день после окончания курса (14–15-й день пребывания в санатории) данные о двигательной активности собирали вторично.

Проведение реабилитационных процедур

Комплексное санаторно-курортное лечение включало: ежедневные процедуры аэро- и гелиотерапии, гидрокинезиотерапии в термально-минеральной воде (продолжительность — 10–15 мин), лечебную физкультуру, массаж паретичных мышц, электростимуляцию мышц, являющихся антагонистами паретичным. Раз в два дня назначали пелоидотерапию. Ботулинотерапию на этапе санаторно-курортного лечения не применяли. Курс нейрореабилитации проводили с помощью комплекса «мозг — компьютер — экзоскелет кисти» «Экзокисть-2» («Экзопласт», Россия; по РУ № РЗН 2018/7681). Работа НИМК основана на выявлении программойклассификатором паттернов ЭЭГ, возникающих при кинестетическом представлении разгибания кисти. Программа обеспечивает генерацию визуального сигнала обратной связи и формирование команд управления экзоскелетом кисти руки.

ЭЭГ регистрировали монополярно с помощью электроэнцефалографа БММ-52 (усилитель NVX-52, Москва, Зеленоград, «МКС») в 32 отведениях. Электроды были расположены по неполной международной схеме 10–10. В качестве референтного использовали усредненный электрод. В процессе записи частоты среза фильтров высоких и низких частот составляли 4 и 30 Гц соответственно. Частота оцифровки ЭЭГ-сигналов — 500 Гц.

В процессе нейрореабилитационного тренинга пациенты сидели в кресле перед компьютерным монитором, на котором им предъявляли визуальные инструкции. Кисти рук размещались внутри «рукавиц» экзоскелета. В центре экрана находилась округлая метка белого цвета, служившая для фиксации взгляда, и расположенные вокруг нее три стрелки, менявшие цвет для обозначения инструкций. Пациент выполнял следующие команды: расслабиться, кинестетически представить движение разгибания кисти левой или правой руки. Для создания конкретного кинестетического образа при воображении движения детям давали инструкцию: «Представь, что у тебя в руке маленький мячик, ты раскрываешь кисть и роняешь его. Почувствуй это движение». При успешном выполнении пациентом команды и выявлении программойклассификатором определенных паттернов ЭЭГ, 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. Курс нейрореабилитации начинался с третьего дня санаторно-курортного лечения. Пациенты проходили по 10 сеансов (ежедневно, за исключением выходного дня в воскресенье) по одинаковой схеме: три сессии в сеанс по 8 мин с перерывом на отдых не менее 5 мин. В течение сеанса задание на представление движений каждой руки повторяли 24 раза. Доля правильных ответов классификатора (при которых срабатывал экзоскелет и пассивно разгибалась кисть) в первом сеансе у разных пациентов составляла 0,18–0,66, достигая, по мере тренировки, к концу курса уровня 0,30–0,84. Остальные подробности реабилитационной методики описаны ранее [7].

Для оценки перестройки взаимосвязей корковых регионов под влиянием нейрореабилитации анализировали когерентность ЭЭГ θ-, α-, β1- и β2-ритмов в частотных диапазонах 4–8, 8–13, 14–20 и 20–30 Гц соответственно. Участки записей ЭЭГ с амплитудой более 250 мкВ, а также отрезки, содержащие большое количество артефактов, исключали из обработки. Анализировали не менее 10 безартефактных эпох (общая продолжительность записи ЭЭГ не менее 50 с). Поскольку реализация движений и их представление обеспечиваются взаимодействиями внутри лобно-теменной нейронной сети [3], внутриполушарную когерентность биопотенциалов рассчитывали для десяти пар отведений лобных, центральных и теменных областей левого (F3–С3, FС3–С3, С3–СР3, C3–Р3, F3–Р3) и правого (F4–С4, FС4–С4, С4–СР4, C4–Р4, F4–Р4) полушарий, а межполушарную — для пяти пар (F3–F4, FС3–FС4, С3–С4, СР3–СР4, Р3–Р4). При этом использовали программное обеспечение фирмы «Нейрософт» (Россия), входящее в комплект электроэнцефалографа «Нейрон-Спектр-5».

Значения коэффициентов когерентности преобразовали с применением функции натурального логарифма. Числовые значения, выходившие за пределы 3 σ, отбрасывали. В результате показатели когерентности имели распределения, близкие к нормальным, что позволило анализировать их средствами параметрической статистики.

Статистическая обработка данных

Статистический анализ данных проводили с использованием программы STATISTICA v.12 (StatSoft Inc.; США). Значения когерентности ЭЭГ для каждого из исследуемых ритмов подвергали дисперсионному анализу ANOVA с повторными измерениями (repeated measures) с факторами ТРЕНИНГ (первый и десятый сеансы) и ПАРЫ (10 или 5 пар отведений). Для оценки изменений когерентности в каждой из пар отведений использовали метод линейных контрастов. Поскольку величины исходных значений коэффициентов корреляции, которые не подвергали логарифмированию, также могут представлять интерес, а их распределение отличалось от нормального (критерий Шапиро–Уилка), конкретные показатели приводили в тексте в виде медианы и интерквартильного размаха Ме [Q₁; Q₃]. Распределение индекса Бартел также отличалось от нормального, в связи с чем статистические данные представляли аналогичным образом. Для оценки различий индекса Бартел до и после комплексного лечения использовали Т-критерий Уилкоксона, а расчет корреляций проводили с помощью критерия Спирмена. Различия и коэффициенты корреляции считали статистически значимыми при уровне р < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Показатели двигательных функций до и после реабилитационных процедур

До начала комплексного лечения с курсом нейрореабилитации значения индекса Бартел составляли 70 [60; 85] баллов, после — 77,5 [74,0; 95,0] баллов (различия достоверны при р < 0,001). Таким образом, возможности самостоятельного передвижения и самообслуживания детей существенно выросли.

Динамика когерентности ЭЭГ в результате реабилитационных процедур

Применение ANOVA для анализа изменений внутриполушарной когерентности при представлении движений левой руки выявило эффект фактора ТРЕНИНГ в диапазоне α-ритма: F_{1, 14} = 7,21; р = 0,02. Уровень когерентности во время проведения последнего сеанса вырос по сравнению с первым, особенно в правом, контрлатеральном по отношению к представляемому движению, полушарии. Метод линейных контрастов показал достоверные различия в паре С4–CР4, где рост показателя был значим при р = 0,004 (рисунокА; красная линия). Значение коэффициента когерентности в этой паре увеличилось с 0,38 [0,36; 0,45] до 0,43 [0,39; 0,47].

При представлении движений правой руки выявлен эффект взаимодействия факторов ТРЕНИНГ и ПАРЫ: F_{9, 90} = 2,37; р = 0,02 в диапазоне θ-ритма ЭЭГ. Уровень когерентности в данном частотном диапазоне снижался в парах правого, ипсилатерального полушария. Метод линейных контрастов подтвердил различия в паре С4–FC4, где снижение когерентности оказалось значимым при р = 0,01 (рисунокБ; зеленая линия). В этой паре значения коэффициента когерентности снизились с 0,41 [0,36; 0,42] до 0,36 [0,33; 0,38]. Также при представлении движений правой руки выявлен эффект фактора ТРЕНИНГ в диапазоне β1-ритма ЭЭГ: F_{1, 7} = 24,091 при р = 0,002. Уровень когерентности в данном частотном диапазоне также снижался. Метод линейных контрастов подтвердил значимые различия в паре С3–СР3 контрлатерального полушария при р = 0,03 и F4–Р4 ипсилатерального полушария при р = 0,01 (рисунокБ; синие линии). В этих парах значения коэффициентов когерентности снизились с 0,39 [0,37; 0,42] до 0,37 [0,34; 0,41] и с 0,40 [0,37; 0,43] до 0,38 [0,36; 0,40] соответственно.

В диапазоне β2-ритма статистически значимых влияний фактора ТРЕНИНГ и его взаимодействия с фактором ПАРЫ при анализе динамики внутриполушарной когерентности ЭЭГ не обнаружено.

Анализ динамики межполушарной когерентности в диапазоне θ-, α-, β1- и β2-ритмов ЭЭГ при представлении детьми движений левой и правой рук, а также внутри- и межполушарной когерентности в состоянии расслабления не выявил влияния фактора ТРЕНИНГ и его взаимодействия с фактором ПАРЫ.

Связь когерентности с показателями двигательных функций

Для оценки взаимосвязей между когерентностью и характеристиками двигательных функций использовали показатели ЭЭГ в процессе завершающего сеанса курса нейрореабилитации, а также величины индекса Бартел, отражающие двигательные функции детей по окончанию данного курса. Для анализа отобраны только те пары отведений, для которых выявлены статистически значимые изменения (приведены выше). Обнаружена связь между когерентностью α-ритма в паре С4–СР4 и величиной индекса Бартел (r = 0,52; р = 0,04), т. е. чем выше когерентность α-ритма в данной паре отведений правого полушария при представлении движений левой руки, тем выше способность пациентов к передвижению и самообслуживанию. Для других частотных диапазонов ЭЭГ значимых корреляций не выявлено.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

После прохождения курса нейрореабилитации нами обнаружены статистически значимые изменения внутриполушарной когерентности θ-, α- и β1-ритмов ЭЭГ в отдельных звеньях лобно-теменных цепей, которые сочетались с улучшением двигательных функций пациентов. В завершающем сеансе представление движения левой руки сопровождалось значимо большим уровнем когерентности α-ритма, чем в начале реабилитации. Каким может быть значение усиления взаимосвязей на частоте данного ритма? Ряд авторов предполагают, что синхронизированные ЭЭГ-осцилляции служат механизмом, обеспечивающим быстрое и избирательное взаимодействие между областями мозга [23–25]. По их мнению, именно α-ритм обеспечивает крупномасштабную синхронизацию, поскольку α-волны присутствуют в коре головного мозга повсеместно и отражают чередование периодов торможения и возбуждения. Синхронизация таких периодов в разных областях мозга позволяет им взаимодействовать более эффективно, что, в частности, необходимо для функционирования лобно-теменной сети. Важно отметить, что активность в частотном диапазоне α-ритма, зарегистрированная нами в центральных и прилегающих к ним отведениях, соответствует низкочастотному компоненту μ-ритма, генерируемого в этих областях неокортекса. Динамика μ-ритма отражает процессы реализации или представления движений и рекомендована в качестве электрофизиологического маркера пластичности кортикальной сенсомоторной системы [8]. В нашем исследовании метод контрастов показал статистическую значимость роста когерентности α-ритма в паре отведений С4–СР4 (рисунокА), находящихся над постцентральной сенсомоторной корой и нижней теменной долькой [26]. Указанные области у здоровых испытуемых активировались во время задач на представление движений и являлись центрами нейронных сетей, чьи показатели когерентности коррелировали с результатами таких задач [27].

Необходимо добавить, что кинестетическое представление движений требует актуализации информации, содержащейся в памяти ребенка. Сообщалось, что фазовые взаимодействия в диапазоне α-ритма, выявляемые в центральной и теменной коре, лежат в основе нисходящей модуляции амплитуд локальных осцилляций в сенсорных областях, поддерживая функции внимания и памяти [23]. Таким образом, рост когерентности ЭЭГ в диапазоне α-ритма улучшает взаимодействие областей мозга, актуализирующих двигательные образы в памяти и поддерживающих внимание к ним. В результате кинестетическое представление движений становится более успешным, что отражается в увеличении доли правильных ответов программыклассификатора. Поскольку во время представления движений люди задействуют те же нейронные структуры, что участвуют в реальном выполнении действий [28, 29], успешное представление движений усиливает процессы нейропластичности корковых и подкорковых структур. Все это приводит к улучшению координации реальных движений конечностей, что и отражается в значимом росте индекса Бартел.

Нами выявлено также снижение уровня когерентности θ- и β1-ритмов при представлении движения правой руки в последнем сеансе, по сравнению с первым. Ранее у детей с ДЦП были обнаружены повышенные значения когерентности θ-ритма [15, 16], что рассматривалось как проявление компенсаторного механизма при нарушении функциональной связности в диапазоне α-ритма. Таким образом, снижение когерентности θ-ритма может быть расценено как проявление определенных положительных изменений в функционировании неокортекса.

Снижение когерентности β1-ритма может быть обусловлено спецификой выполняемой задачи. Частотный диапазон указанного ритма соответствует высокочастотному компоненту μ-ритма. Его динамика отражает активность первичной моторной коры в процессе реального выполнения движений [8]. В условиях наших тренингов детям было необходимо лишь представлять, но не выполнять движение, что вовлекало в основном сенсомоторные области неокортекса. Следует добавить, что когерентность β-ритма растет в условиях выполнения движений, нуждающихся в усиленном контроле [30]. Задача на кинестетическое представление движений такого контроля очевидно не требовала. Можно предположить, что в условиях первого сеанса представление движений давалось сложнее и требовало дополнительной активации первичной моторной области. В дальнейшем представление движений происходило с меньшими усилиями, а активация коры была более локальной.

В заключение отметим следующее. Как было показано ранее, дисфункция лобно-теменной сети у детей с ДЦП способствует двигательным и когнитивным нарушениям [12]. Выявленные нами изменения когерентности ритмов ЭЭГ в звеньях этой сети можно расценить как показатели позитивных сдвигов в функциональном состоянии неокортекса пациентов.

К ограничениям исследования можно отнести отсутствие контрольной группы детей с ДЦП, у которых была бы зарегистрирована ЭЭГ при представлении движений в начале и конце стандартного санаторно-курортного лечения без курса нейрореабилитации на основе НИМК. Временные рамки санаторно-курортного лечения (21 день) не позволяли прибегнуть к перекрестному дизайну исследования, который был бы в этом случае наиболее адекватен и этичен.

ВЫВОДЫ

Комплексная терапия с применением интерфейса «мозг — компьютер — экзоскелет кисти» привела у детей с ДЦП к статистически значимому росту индекса Бартел (р < 0,001), свидетельствующему об улучшении показателей подвижности и способности к самообслуживанию. Выявлено статистически значимое (р < 0,05) изменение когерентности внутриполушарных связей в диапазонах θ-, α- и β1-ритмов. Основой таких изменений может быть усиление процессов пластичности в нейронных сетях неокортекса, контролирующих планирование, представление и выполнение сложных движений. Полученные данные могут быть использованы для оценки функционального состояния головного мозга больных в процессе реабилитации и разработки новых методов коррекции двигательной сферы детей с ДЦП. В будущих исследованиях представляется целесообразным провести анализ ЭЭГ пациентов с использованием перекрестного дизайна при прохождении ими курса нейрореабилитации на базе центра «Технологии здоровья и реабилитации» Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского.