Особенности взаимосвязи двусторонней электродермальной активности с показателями спектральной мощности ЭЭГ

Регистрация изменений состояний субъекта как диагностическая задача ставится во многих исследованиях. Изменения могут быть оценены с помощью психофизиологических методов: электроэнцефалографии, электромиографии, анализа лицевой экспрессии, частоты сердечных сокращений, регистрации электродермальной активности, диаметра зрачка [1, 2]. Широко применяются методы регистрации электродермальной активности, что обусловлено их чувствительностью к изменениям состояния субъекта, быстротой и простотой измерения.

Электродермальная активность – термин, обозначающий электрические явления в коже, ее электрические свойства, которые можно зафиксировать экспериментально [3]. Электро-дермальная активность является психофизиоло- гическим индикатором изменений в вегетативном симпатическом возбуждении [3, 4]. Существует разнообразие индексов электродермаль-ной активности: потенциал, сопротивление, проводимость, их тонические и фазические компоненты, частота, амплитуда, латентное и общее время реакций, которые могут быть как неспецифическими, так и возникающими под воздействием внешних стимулов [3].

Индексы, отражающие изменение электро-дермальной активности, широко используются для исследования реакций на когнитивную нагрузку [5], различные эмоциональные стимулы [6–8], стрессогенные стимулы [9, 10], рекламные стимулы [11, 12], медиа-контент [13].

В исследованиях индивидуальных различий используются показатели неспецифической электродермальной активности. Так, вы- явлена взаимосвязь неспецифической кожногальванической реакции на нейтральные стимулы и акцентуаций характера [14], взаимосвязь частоты спонтанных кожно-гальванических реакций (КГР) со свойствами темперамента [15], количества и амплитуды колебаний КГР с пограничными состояниями личности [16].

Традиционно показатели электродер-мальной активности снимают с поверхности неведущей руки (левой). Измерение электро-дермальной активности только с одной стороны тела может привести к существенным неточностям, так как существуют данные о различиях в показателях электродермальной активности при ее измерении с разных сторон тела [17]. Одновременное измерение электро-дермальной активности с двух сторон тела является более точным методом.

Несмотря на большое количество исследований, использующих регистрацию элек-тродермальной активности, не выявлены до конца ее нейрофизиологические механизмы. В исследованиях, посвященных поиску областей головного мозга, связанных с электродер-мальной активностью, выявлено, что на симпатическую вегетативную активность влияет активация префронтальной и теменной коры, а также лимбических структур, поясной извилины, медиальной височной доли с частичной латерализацией в сторону правого полушария [4]. Также существуют данные о связи активации симпатической нервной системы с функциональной латерализацией мозга [18]. Исследование связи между асимметрией элек-тродермальной активности и асимметрией полушарий головного мозга является актуальным направлением исследований [19].

Таким образом, актуально исследовать электродермальную активность с двух сторон тела и ее взаимосвязи с активацией областей головного мозга, а также соотношение асимметрии электродермальной активности и асимметрии полушарий головного мозга.

Цель – выявление особенностей взаимосвязей двусторонней электродермальной активности с показателями спектральной мощности ЭЭГ, а также сопоставление асимметрии электродермальной активности и асимметрии полушарий головного мозга.

Материалы и методы

Выборка исследования – 30 человек от 18 до 25 лет, обучающихся на разных специаль- ностях вуза (18 юношей, 12 девушек), без неврологических и психиатрических расстройств в анамнезе, праворукие.

Процедура исследования. Перед регистрацией записи ЭЭГ участники были проинструктированы о необходимости сохранять состояние покоя. Каждые две минуты участников просили открыть или закрыть глаза, используя словесную инструкцию. Были использованы данные ЭЭГ с открытыми глазами.

Показатели электродермальной активности с помощью прибора «Активациометр АЦ-9К» замерялись непосредственно перед записью ЭЭГ.

Диагностика показателей электродермальной активности с ладоней рук и асимметрии электродермальной активности

Для диагностики показателей электро-дермальной активности с ладоней рук и асимметрии электродермальной активности на аппаратурно-программном комплексе «Ак-тивациометр АЦ-9К» Ю.А. Цагарелли¹ использовался метод неспецифической эндодермальной реакции кожного потенциала по Тарханову на ладонях двух рук с использованием общепринятых показателей [3]. Диагностика осуществлялась по показателям: реакция кожного потенциала с ладони правой руки (КП П ), с ладони левой руки (КП Л ), суммарный кожный потенциал с двух рук (∑КП), асимметрия реакции кожного потенциала (АС_КП).

Расчет асимметрии реакции кожного потенциала (АС КП ) на основе данных прибора «Активациометр АЦ-9К» осуществлялся по формуле:

где КП П – кожный потенциал с ладони правой руки, КП_Л – кожный потенциал с ладони левой руки.

В соответствии с методикой Ю.А. Цага-релли показатель реакции кожного потенциала с ладони правой руки (КПП) интерпретируется как показатель активации левого полушария (АПЛ), показатель реакции кожного потенциала с ладони левой руки (КПЛ) интерпретируется как показатель активации право- го полушария (АПП), показатель суммарного кожного потенциала с двух рук (∑КП) соответствует показателю суммарной активации полушарий (АП), показатель асимметрии реакции кожного потенциала (АСКП) соответствует показателю функциональной межполушарной асимметрии (ФАП).

Сбор и предварительная обработка данных ЭЭГ

Регистрация ЭЭГ данных производилась с помощью 64-канального электроэнцефалографа BP-100-2110-Система «actiCHamp-64» (Brain Products, Германия), с электродами, размещенными по системе «10-10», с использованием пакета Brain Products PyCorder; запись проводилась непрерывно без какой-либо фильтрации, Референсный электрод располагался в точке Cz. Сопротивление во всех отведениях было ниже 25 кОм. Запись проводилась в звукоизолированном и электрически экранированном помещении с тусклым освещением.

Первичная обработка данных и спектральный анализ проводились с использованием программного пакета Brain Vision Analyzer (Brain Products, Германия). Частота дискретизации снижалась до 500 Гц, полученные записи фильтровались в диапазоне частот от 0,1 до 30 Гц. Данные очищались от артефактов в ручном и полуавтоматическом режимах, «шумовые каналы» удалялись из записи с последующим восстановлением с помощью метода топографической интерполяции (не более 2 каналов на одну запись). Коррекция глазодвигательной активности осуществлялась с помощью метода независимого компонентного анализа (IСА) (VEOG-Fp1, HEOG-FT9 и FT10).

Данные по 64 каналам после коррекции артефактов были разделены на следующие частотные диапазоны: дельта (0–4 Гц), тета (4–8 Гц), альфа: низкочастотный – альфа-1 (8– 10 Гц), и высокочастотный – альфа-2 (10–13 Гц), бета: низкочастотный – бета-1 (13–20 Гц) и высокочастотный бета-2 (20–30 Гц), гамма: низкочастотный – гамма-1 (30–50 Гц) и высокочастотный гамма-2 (50–120 Гц). Спектральный анализ проводился с использованием метода быстрого преобразования Фурье в выделенных частотных диапазонах. Данные предварительно сегментировались на эпохи по четыре секунды.

Функциональная асимметрия полушарий оценивалась при помощи показателя симметричности каналов. Для расчета показателей симметричности каналов использовались данные спектральной мощности 28 каналов левого полушария (нечетных), 28 каналов левого полушария (четных). Данные восьми центральных каналов исключались из анализа.

Показатель симметричности каналов (СК) рассчитывался на основе данных спектральной мощности для каждой пары контралате-рально расположенных каналов (например, FC3 и FC4) по формуле

СК = ц^ лк -ц^ пк ,                       (2)

ЦУЛК-ЦУПК где цУЛК — значение спектральной мощности канала левого полушария, цУПК — значение спектральной мощности контралатерального канала правого полушария2.

Таким образом, для анализа были использованы показатели спектральной мощности для каждого из 64 каналов, а также показатели симметричности для 28 пар каналов в каждом диапазоне мощности.

Статистический анализ. Для выявления взаимосвязей электродермальной активности с ладоней двух рук с показателями спектральной мощности данных ЭЭГ, а также сопоставления асимметрии электродермальной активности и асимметрии полушарий головного мозга использовался коэффициент ранговой корреляции r s Спирмена. Все расчеты выполнены с помощью статистического пакета IBM SPSS Statistics v. 23.

Результаты

Взаимосвязи показателей реакции кожного потенциала ( КП П , КП_Л, ^КП ) и показателей спектральной мощности ЭЭГ

Значимые корреляционные взаимосвязи показателей реакции кожного потенциала (КПП, КПЛ, ^КП) с показателями спектральной мощности ЭЭГ-сигналов с отдельных каналов во всех диапазонах частот представлены в табл. 1.

Взаимосвязи показателей реакции кожного потенциала со спектральной мощностью ЭЭГ-сигналов обнаружены во всех частотных диапазонах, кроме низкочастотного гамма-диапазона.

Таблица 1

Table 1

Взаимосвязи показателей реакции кожного потенциала с показателями спектральной мощности ЭЭГ

(r s Спирмена)

The correlation between skin potential response and EEG spectrum power signals from individual channels (Spearman's r s )

os' о ZL i-Q H Q И 2 О	Диапазон частот Frequency	Каналы Channels	Реакция кожного потенциала, мкСм Skin potential response, µS
			КП П / SPR R	КП Л / SPR L	∑КП / ∑SPR
	Дельта (0–4 Гц) Delta (0–4 Hz)	TP7			–0,365*
	Тета (4–8 Гц) Theta (4–8 Hz)	FC3	–0,447*		–0,448**
		FC5	–0,420*
		TP10			–0,380*
	Альфа-1 (8–10 Гц) Alpha-1 (8–10 Hz)	TP9		–0,405*
	Альфа-2 (10–13 Гц) Alpha-2 (10–13 Hz)	FC2		–0,366*
		FC4		–0,367*
		C4	–0,402*	–0,442*
		C5	–0,370*	–0,374*
		C6		–0,367*
		P7		–0,371*
		PO7		–0,390*
		T7	–0,486**	–0,495**	–0,364*
		TP7	–0,378*	–0,448*
	Бета-1 (13–20 Гц) Beta-1 (13–20 Hz)	AF3	–0,363*
		C2	–0,378*	–0,464**
		C4	–0,370*	–0,390*
		C5	–0,459*	–0,404*
		CP1		–0,380*
		CP3	–0,408*	–0,490**
		CP5	–0,488**	–0,507**
		F1	–0,361*	–0,381*
		F3	–0,394*	–0,413*
		FC4		–0,361*
		FT7	–0,390*	–0,458*
		FT9		–0,371*
		P3	–0,428*	–0,411*
		P5	–0,581**	–0,564**
		P7	–0,636**	–0,661**
		PO7	–0,453*	–0,487**
		T7	–0,388*	–0,463*
		TP7	–0,363*	–0,496**
		TP9	–0,433*	–0,511**

Окончание табл. 1

Table 1 (end)

	Диапазон частот Frequency	Каналы Channels	Реакция кожного потенциала, мкСм Skin potential response, µS
			КП П /SPR R	КП Л / SPR L	∑КП / ∑SPR
	Бета-2 (20–30 Гц) Beta-2 (20–30 Hz)	F6	–0,391*
		FC4	–0,369*
	Гамма-2 (50–120 Гц) Gamma-2 (50–120 Hz)	C1			0,345*

Примечание: КП П – реакция кожного потенциала с правой ладони, КП Л – реакция кожного потенциала с левой ладони, ∑КП – суммарный кожный потенциал с двух ладоней, * – статистическая значимость на уровне P < 0,05, ** – статистическая значимость на уровне P < 0,01.

Note: SPR R – skin potential response from the right palm, SPR L – skin potential response from the left palm, ∑SPR – total skin potential response, * – statistical significance at P < 0.05, ** – statistical significance at P < 0.01.

Обратный характер взаимосвязей показателей реакции кожного потенциала (КП П , КП_Л, ∑КП) с показателями спектральной мощности ЭЭГ-сигналов обусловлен характером взаимосвязи их единиц измерения – реакция кожного потенциала измерена в микросименсах (мкСм), спектральная мощность ЭЭГ-сигналов – в микровольтах (мкВ), которые имеют обратную взаимосвязь, что позволяет утверждать наличие прямых взаимосвязей показателей.

В дельта-, тета-, низкочастотном альфа-, высокочастотных бета- и гамма-диапазонах частот выявлено небольшое количество взаимосвязей.

В дельта-диапазоне частот выявлена обратная корреляционная взаимосвязь показателя суммарного кожного потенциала с двух рук (∑ КП ) с показателем спектральной мощности в затылочном отведении левого полушария TP7. В тета-диапазоне частот выявлены обратные корреляционные взаимосвязи показателя реакции кожного потенциала с правой ладони (КП П ) с показателем спектральной мощности в лобно-центральных отведениях левого полушария FC3, FC5; показателя суммарного кожного потенциала с двух рук (∑ КП ) с показателем спектральной мощности в лобно-центральном отведении левого полушария FC3 и в затылочном отведении правого полушария TP10.

В низкочастотном альфа-диапазоне выявлена обратная корреляционная взаимосвязь показателя реакции кожного потенциала с левой ладони (КП Л ) с показателем спектральной мощности в затылочном отведении левого полушария TP9. В высокочастотном бета- 112

диапазоне выявлены обратные корреляционные взаимосвязи показателя реакции кожного потенциала с правой ладони (КП П ) с показателями спектральной мощности фронтального канала F6 и фронтально-центрального канала FC4 правого полушария. В высокочастотном гамма-диапазоне выявлена прямая корреляционная взаимосвязь показателя суммарного кожного потенциала с двух рук (∑ КП ) с показателем спектральной мощности центрального канала C1 левого полушария.

Наибольшее количество взаимосвязей показателей реакции кожного потенциала со спектральной мощностью ЭЭГ-сигналов обнаружено в высокочастотном альфа и низкочастотном бета диапазонах.

В высокочастотном альфа-диапазоне выявлены обратные корреляционные взаимосвязи показателя реакции кожного потенциала с левой ладони (КП_Л) с показателями спектральной мощности в лобно-центральных каналах FC2, FC4 и центральном канале C6 правого полушария, а также в теменном канале P7 и теменно-затылочном канале PO7 левого полушария; кожного потенциала с правой и левой ладоней (КП П , КП Л ) с показателями спектральной мощности центральных каналов C4 и C5 (правое и левое полушарие) и теменно-височного канала левого полушария TP7. Также все показатели реакции кожного потенциала (КП П , КП Л , ∑ КП ) обратно взаимосвязаны с показателем спектральной мощности височного канала левого полушария T7.

В низкочастотном бета-диапазоне выявлена обратная корреляционная взаимосвязь показателя реакции кожного потенциала с левой ладони (КПЛ) с показателями спектральной мощности в околоушно-фронтальном канале AF3; показателя реакции кожного потенциала с правой ладони (КПП) с показателями спектральной мощности фронтально-центрального канала FC4 правого полушария и центральнотеменного канала CP1, фронтально-височного канала FT9 левого полушария.

Также выявлены обратные корреляционные взаимосвязи показателей кожного потенциала с правой и левой ладоней (КП П , КП Л ) с показателями спектральной мощности центральных каналов C2, C4 правого полушария, а также фронтальных каналов F1, F3, фронтально-теменного канала FT7, центрального канала C5, центрально-теменных каналов CP3, CP5, височного канала T7 и височнотеменных каналов TP7, TP9, теменных каналов P3, P5, P7 и теменно-затылочного канала PO7 левого полушария.

Таким образом, выявлена специфика взаимосвязей отдельных показателей кожного потенциала (КП П , КП Л , ∑ КП ) со спектральной мощностью ЭЭГ в разных диапазонах частот.

Показатель суммарного кожного потенциала с двух рук связан в дельта-диапазоне с активностью в теменно-затылочной области левого полушария; в тета-диапазоне - с активностью во фронтально-центральной области левого полушария и теменно-затылочной области правого полушария; в высокочастотном альфа-диапазоне - с активностью в теменной области левого полушария; в высокочастотном гамма-диапазоне - с активностью в центральной области левого полушария.

Показатель кожного потенциала с правой руки связан ипсилатерально - в высокочастотном бета-диапазоне с активностью фронтальной и фронтально-центральной областей правого полушария; контралатерально - в тета-диапазоне с активностью фронтальноцентральной области левого полушария. Показатель кожного потенциала с левой руки связан ипсилатерально - в альфа-диапазонах с активностью теменно-затылочной области левого полушария; контралатерально - в высокочастотном альфа-диапазоне с активностью фронтальной и фронтально-центральной областей правого полушария.

Показатели кожного потенциала отдельно с правой и левой рук симметрично связаны в высокочастотном альфа-диапазоне с активностью в центральных областях правого и левого полушарий, в теменной и теменнозатылочной области левого полушария; в вы- сокочастотном бета-диапазоне - с активностью в центральных областях правого и левого полушарий, фронтальной, фронтальновисочной, теменной, теменно-височной области левого полушария.

Сопоставление показателя асимметрии реакции кожного потенциала (АСКП) с показателями симметричности каналов ЭЭГ

Корреляционные взаимосвязи показателя асимметрии реакции кожного потенциала (АС КП ) с показателями симметричности каналов ЭЭГ представлены в табл. 2.

Взаимосвязи показателя асимметрии реакции кожного потенциала показателями симметричности каналов ЭЭГ обнаружены в дельта-, тета-, а также высокочастотных альфа-, бета- и гамма-диапазонах. В низкочастотных альфа-, бета- и гамма-диапазонах взаимосвязи не выявлены. Преобладают прямые взаимосвязи реакции кожного потенциала показателями симметричности каналов ЭЭГ.

В дельта-диапазоне выявлены прямые корреляционные взаимосвязи асимметрии реакции кожного потенциала (АС_КП) с показателями симметричности фронтально-центральных каналов FC3-FC4 и FC5-FC6.

В тета-диапазоне выявлены обратные корреляционные взаимосвязи асимметрии реакции кожного потенциала (АС КП ) с показателями симметричности фронтальных F7-F8 и центральных C1-C2 каналов.

В высокочастотном альфа-диапазоне выявлены прямые корреляционные взаимосвязи показателя асимметрии реакции кожного потенциала (АС КП ) с показателями симметричности фронтальных (FC3-FC4), центральных (C1-C2, C3-C4) и центрально-теменных (CP1-CP2) каналов, а также обратные корреляционные взаимосвязи с показателями симметричности височных и височно-теменных (T7-T8, TP7-TP8) каналов.

В высокочастотных бета- и гамма-диапазонах выявлены прямые корреляционные взаимосвязи асимметрии реакции кожного потенциала (АС КП ) с показателем симметричности теменных каналов P1-P2.

Таким образом, выявлена специфика соотношения асимметрии реакции кожного потенциала с симметрией каналов ЭЭГ в разных диапазонах частот. Прямые соотношения показателя асимметрии реакции кожного потенциала выявлены в дельта-диапазоне с асимметрией фронтально-центральных областей в высокочастотном альфа-диапазоне с асим-

Таблица 2

Table 2

Взаимосвязи показателя асимметрии реакции кожного потенциала (АС КП ) с показателями симметричности каналов ЭЭГ (r s Спирмена)

The relationships between Skin potential response asymmetry indicators with the channel symmetry indicators of EEG signals (Spearman's r s )

m о й К К g £ у у 5 1 оЗ К	Диапазон частот Frequency	Пары каналов Channels pairs	Асимметрия реакции кожного потенциала Skin potential response asymmetry
	Дельта (0–4 Гц) Delta (0–4 Hz)	FC3–FC4	0,457*
		FC5–FC6	0,505**
	Тета (4–8 Гц) Tetha (4–8 Hz)	F7–F8	–0,398*
		C1–C2	–0,454*
	Альфа-2 (10–13 Гц) Alpha-2 (10–13 Hz)	FC3–FC4	0,361*
		C1–C2	0,428*
		C3–C4	0,528**
		CP1–CP2	0,482**
		T7–T8	–0,445*
		TP7–TP8	–0,423*
	Бета-2 (20–30 Гц) Beta-2 (13–20 Hz)	P1–P2	0,462*
	Гамма-2 (50–120 Гц) Gamma-2 (50–120 Hz)	P1–P2	0,397*

Примечание: * – статистическая значимость на уровне P < 0,05, ** – статистическая значимость на уровне P < 0,01.

Note: * – statistical significance at P < 0.05, ** – statistical significance at P < 0.01.

метрией фронтально-центральных, центральных, центрально-теменных областей; в высокочастотных бета- и гамма-диапазонах с асимметрией теменных областей. Обратные соотношения показателя асимметрии реакции кожного потенциала выявлены в тета-диапазоне с асимметрией фронтальных и центральных областей, в высокочастотном альфа-диапазоне с асимметрией височных и височно-теменных областей.

Обсуждение

Выявлены взаимосвязи показателей реакции кожного потенциала с показателями спектральной мощности ЭЭГ-сигналов с отдельных каналов во всех диапазонах частот. Наибольшее количество взаимосвязей выявлено в диапазоне частот от 10 до 20 Гц (высокочастотный альфа- и низкочастотный бета-диапазоны), что связано с тем, что субъекты находились в спокойном состоянии. Это согласуется с данными о взаимосвязи колебаний нейронных ансамблей в альфа-диапазоне в состоянии спокойного бодрствования с процессами «расфокусировки внимания» и общем состоянии расторможенности и бета-ритмике колебаний как сигналов о спонтан- ных когнитивных операциях во время сознательного отдыха [20–22].

Выявлены взаимосвязи электродермаль-ной активности с активацией зон головного мозга. Обнаружены как взаимосвязи с традиционным показателем электродермальной активности с левой ладони, так и с показателем электродермальной активности с правой ладони и суммарным показателем с двух рук. Взаимосвязи каждого показателя имеют свою специфику в каждом диапазоне частот.

Наряду со спецификой взаимосвязей выявлена частичная симметрия взаимосвязей электродермальной активности с левой и правой рук с активацией зон головного мозга. Это согласуется с данными о существовании множественных механизмов активации областей головного мозга, вызывающих электро-дермальную активность на ипсилатеральной и контралатеральной сторонах тела, а также областях коры, вызывающих симметричную электродермальную реакцию [17]. Выявлено, что электродермальная активность связана с активацией фронтальных, центральных, теменных, теменно-височных и теменнозатылочных областей головного мозга, что согласуется с исследованиями, посвященны- ми поиску областей головного мозга, связанных с электродермальной активностью [4]. Уточнены области мозга, имеющие специфичные и симметричные взаимосвязи с показателями электродермальной активности в разных диапазонах частот.

Большинство взаимосвязей электродер-мальной активности выявлено с активацией левого полушария. Это противоречит данным о частичной латерализации взаимосвязей элек-тродермальной активности с активностью головного мозга в сторону правого полушария [4], что может быть связано с использованием в указанных исследованиях замеров электродермальной активности только с левой стороны тела. Использование показателей электродермальной активности с двух сторон тела позволяет выявить более полную картину.

Выявлено соотношение асимметрии элек-тродермальной активности с функциональной асимметрией полушарий головного мозга в состоянии покоя. Асимметрия электродер-мальной активности соотносится с асимметрией тех областей головного мозга, которые, по данным исследований, вызывают электро-дермальную активность. Существует специфика этого соотношения в зависимости от диапазона частоты ЭЭГ.

Заключение

Показатели электродермальной активности, регистрируемые с двух сторон тела, отражают активацию отдельных зон головного мозга в целом, а не только активацию контралатерального полушария, в связи с чем наряду с показателями электродермальной активности с двух рук правомерно использовать также показатель суммарной электродермальной активности с двух сторон тела.

Информативным является показатель асимметрии электродермальной активности, так как он отражает функциональную асимметрию полушарий головного мозга.

В дальнейшем предполагается соотнести показатели электродермальной активности со спектральной мощностью и симметричностью каналов ЭЭГ под воздействием информационных стрессоров в исследованиях стрессо-устойчивости личности.