Электрическая активность мозга при воображении целенаправленных движений рук у лиц, играющих на струнных и клавишных музыкальных инструментах
- Авторы: Ткаченко П.В.1, Кононенко Н.С.1, Насмачная А.А.1
-
Учреждения:
- Курский государственный медицинский университет
- Выпуск: Том 20, № 1 (2023)
- Страницы: 24-28
- Раздел: Оригинальные исследования
- URL: https://journals.rcsi.science/1994-9480/article/view/143299
- DOI: https://doi.org/10.19163/1994-9480-2023-20-1-24-28
- ID: 143299
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Воображение целенаправленных движений и их реализация активируют одни и те же участки коры головного мозга, что активно используется в создании интерфейса мозг – компьютер и внедряется в область здравоохранения в виде нейроуправляемых экзоскелетных конечностей и роботов, которые выполняют сложные медицинские манипуляции при помощи мозга человека. Игра на музыкальных инструментах способствует развитию моторики верхней конечности и развитию межнейронных связей коры головного мозга. Целью работы стало изучение активности мозга при воображении целенаправленного движения у лиц, играющих на музыкальных инструментах. Измерение мозговой активности проводили с помощью метода электроэнцефалографии. Межполушарное асимметрию определяли с помощью комплексного метода на определение ведущего полушария. В результате проведенного исследования установили, что 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.
Полный текст
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
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.
Об авторах
Павел Владимирович Ткаченко
Курский государственный медицинский университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: pwtkachenko@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-2725-6482
доктор медицинских наук, доцент, заведующий кафедрой нормальной физиологии имени профессора А.В. Завьялова
Россия, КурскНиколай Сергеевич Кононенко
Курский государственный медицинский университет
Email: kononenkons@kursksmu.net
аспирант кафедры нормальной физиологии имени профессора А. В. Завьялова
Россия, КурскАнастасия Александровна Насмачная
Курский государственный медицинский университет
Email: nesmachnaya.n@mail.ru
студентка лечебного факультета
Россия, КурскСписок литературы
- Каплан А.Я., Кочетова А.Г., Шишкин С.Л. и др. Экспериментально-теоретические основания и практические реализации технологии «интерфейс мозг-компьютер». Бюллетень сибирской медицины. 2013;12(2):21–29.
- Fedotchev A.I., Parin S.B., Polevaya S.A., Velikova S.D. Brain-computer interface and neurofeedback technologies: current state, problems and clinical prospects (review). Современные технологии в медицине. 2017;9(1):175–184. doi: 10.17691/stm2017.9.1.22
- Мокиенко О.А., Черникова Л.А., Фролов А.А., Бобров П.Д. Воображение движения и его практическое применение. Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2013;63(2):195–204.
- Соколова Н.И., Петрова Е.В., Ткаченко П.В. Тонкие манипуляторные движения как характеристика организации и уровня произвольной двигательной активности. Региональный вестник. 2019;29(14):12–14.
- Ткаченко П.В., Бобынцев И.И. Соотношение моторных и сенсорных функций человека. Курск: Изд-во КГМУ, 2016. 264 с.
- Чалбаш Э.Т. Влияние музыки на развитие мозговой деятельности человека. Материалы IV международной научно-практической конференции. 2013. 231 с.
- Брагина Н.Н., Доброхотова Т.А. Функциональные асимметрии человека. М.: Медицина, 1999. 298 с.
- Зенков Л.Р., Клиническая электроэнцефалография (с элементами эпилептологии): руководство для врачей. 4-е изд. М.: МЕДпресс-информ, 2011. 355 с.
- Баврина А.П. Современные правила применения параметрических и непараметрических критериев в статистическом анализе медико-биологических данных. Медицинский альманах. 2021;1(66):64–73.