Синхронизация колебаний низкочастотных составляющих электроэнцефалограмм дыханием с изменяющейся во времени частотой
Автор: Караваев А.С., Руннова А.Е., Боровкова Е.И., Ишбулатов Ю.М., Хорев B.C., Киселев А.Р., Журавлев М.О., Пономаренко В.И., Прохоров М.Д., Безручко Б.П., Короновский А.А.
Журнал: Саратовский научно-медицинский журнал @ssmj
Рубрика: Физиология и патофизиология
Статья в выпуске: 4 т.12, 2016 года.
Бесплатный доступ
Цель: изучение особенностей взаимодействия медленных ритмов дельта-диапазона поверхностных электроэнцефалограмм (ЭЭГ) и процессов вегетативной регуляции кровообращения с дыханием. Материал и методы. Анализировались синхронные записи 19 каналов ЭЭГ, фотоплетизмограмм (ФПГ) и дыхания у четырех условно здоровых мужчин (19-25 лет), выполненные во время функциональных проб с линейно нарастающей (в течение 30 мин) частотой дыхания. С использованием современных методов нелинейной динамики оценивалось наличие фазовой и частотной синхронизации между процессом дыхания и дельта-ритмами в отведениях ЭЭГ и низкочастотными колебаниями в ФПГ Результаты. Выявлены значительные по длительности участки синхронизации между линейно нарастающим по частоте дыханием и дельта-ритмами в затылочных отведениях ЭЭГ, а также дыханием и низкочастотными ритмами в ФПГ Заключение. Полученные результаты свидетельствуют в пользу известной гипотезы о том, что низкочастотные ритмы барорефлекторной регуляции кровообращения находятся в сложном динамическом взаимодействии со структурами ствола головного мозга. Предложена методика количественной оценки степени синхронизованности дыхания и медленных ритмов электрической активности мозга в ходе физиологических проб с дыханием, частота которого линейно нарастает во времени.
Анализ сигналов, вегетативная регуляция, дельта-диапазон, нелинейная динамика, процесс дыхания, сердечно-сосудистая система, синхронизация, физиологическая проба, электроэнцефалограмма (ээг)
Короткий адрес: https://sciup.org/14918360
IDR: 14918360
Synchronization of low-frequency rhythms in electroencephalogram by respiration with linear dependent time frequency
The aim of the present study was to investigate the features of interaction of low-frequency rhythms in delta band of electroencephalogram (EEG) and processes in vegetative regulation of circulation with respiration. Materials and methods. 19 leads of EEG, photoplethysmogram (PPG) and respiration were simultaneously recorded in four healthy males (19-25 years old) during 30 minutes physiological test with linearly increasing frequency of respiration. Modern methods of nonlinear dynamics were used to diagnose the presence of phase and frequency synchronization between respiration and low-frequency rhythms in delta band of EEG and in PPG. Results. We found significantly long sections of synchronization of delta rhythms in cervical leads of EEG and low-frequency rhythms in PPG by respiration with linearly increasing frequency. Conclusion. Obtained results correlate well with established hypothesis which suggest that low-frequency rhythms in baroreflectory regulation of circulation are in complex dynamic relationships with structures of brain stem. A method was proposed for quantitative evaluation of synchronization strength between respiration and low-frequency rhythms in electrical brain activity in physiological tests with respiration with frequency linearly increasing in time.
Список литературы Синхронизация колебаний низкочастотных составляющих электроэнцефалограмм дыханием с изменяющейся во времени частотой
- Millett D. Hans Berger: from psychic energy to the EEC Perspect Biol Med 2001; 44 (4): 522-542
- Nuwer MR, Lehmann D, da Silva FL, et al. IFCN guidelines for topographic and frequency analysis of EEGs and EPs. In: Deuschl G. and EisenA., eds. Recommendations for the practice of clinical neurophysiology: guidelines of the International Federation of Clinical Physiology. Elsevier Science, 1999; 304 p.
- Галимов H.M., Вильданов Э.Р., Хидиятов И.И., и др. Сверхмедленные физиологические процессы головного мозга человека и животных в экспериментальных клинических исследованиях. Медицинский вестник Башкортостана 2009; 4 (3): 63-69
- Gloor Р, Ball G, Schaul N. Brain lesions that produce delta waves in the EEG. Neurology 1977; 27 (4): 326-333
- Harmony T, Fernandez -Bouzas A, Marosi E, et al. Frequency source analysis in patients with brain lesions. Brain Topogr1995;8(2): 109-117
- Accolla EA, Kaplan PW, Maeder-lngvar M, et al. Clinical correlates of frontal intermittent rhythmic delta activity (FIRDA). Clin Neurophysiol2011; 122 (1): 27-31
- Spironelli C, Angrilli A. EEG delta band as a marker of brain damage in aphasic patients after recovery of language. Neuropsychologia 2009; 47 (4): 988-994
- Ingvar DH, Sulg IA. Regional cerebral blood flow and EEG frequency content in man. Scand J Clin Invest 1969; 23: 47-66
- Feddersen B, Ausserer H, Neupane P, et al. Right temporal cerebral dysfunction heralds symptoms of acute mountain sickness. J Neurol 2007; 254 (3): 359-363
- Barry RJ, Clarke AR, Johnstone SJ. A review of electrophysiology in attention-deficit/hyperactivity disorder: I. Qualitative and quantitative electroencephalography. Clin Neurophysiol 2003; 114: 171-183
- Chabot RJ, di Michele F, Prichep L, John ER. The clinical role of computerized EEG in the evaluation and treatment of learning and attention disorders in children and adolescents. J Neuropsychiatry Clin Neurosci 2001; 13 (2): 171-186
- Penolazzi B, Spironelli C, Angrilli A. Delta EEG activity as a marker of dysfunctional linguistic processing in developmental dyslexia. Psychophysiology 2008; 45 (6): 1025-1033
- Lorincz ML, Geall F, Bao Y, et al. ATP-dependent infra-slow (PLoS One 2009; 4 (2): e4447
- Aladjalova NA. Infra-slow rhythmic oscillations of the steady potential of the cerebral cortex. Nature 1957; 179: 957-959
- Аладжалова H.A. Психофизиологические аспекты сверхмедленной ритмической активности головного мозга. Москва: Наука, 1979; 214 с.
- Lambertz М, Langhorst P. Simultaneous changes of rhythmic organization in brainstem neurons, respiration, cardiovascular system and EEG between 0.05 Hz and 0.5 Hz. J Auton Nerv Syst 1998; 68 (1-2): 58-77
- Короновский A.A., Москаленко О.И., Пономаренко В.И. и др. Синхронизация хаоса: фундаментальные подходы и практические приложения. Саратов: Изд-во Сарат ун-та, 2015
- Schafer С, Rosenblum MG, Kurths J, Abel H-H. Heartbeat synchronized with ventilation. Nature 1998; 392 (6673): 239-240
- Pecora LM, Carroll TL. Synchronization in chaotic systems. Physical Review Letters 1990; 64 (8): 821-824
- Mormann F, Lehnertz K, David P, Elger CE. Mean phase coherence as a measure for phase synchronization and its application to the EEG of epilepsy patients. Phys D 2000; 144: 358
- Anishchenko VS, Vadivasova ТЕ. Synchronization of self-oscillations and noise-induced oscillations. J Commun Technol Electron 2002; 47 (2): 117-148
- Vandenhouten R, Lambertz M, Langhorst P, Grebe R. Nonstationary time-series analysis applied to investigation of brainstem system dynamics. IEEE Trans Biomed Eng 2000; 47 (6): 729-737
- Knyazev GG. EEG delta oscillations as a correlate of basic homeostatic and motivational processes. Neuroscience and Biobehavioral Reviews 2012; 36 (1): 677-695
- Ponomarenko VI, Prokhorov MD, Karavaev AS, et al. Synchronization of low-frequency oscillations in the cardiovascular system: Application to medical diagnostics and treatment. Eur Phys J Spec Top 2013; 222 (10): 2687-2696
- Karavaev AS, Kiselev AR, Gridnev VI, et al. Phase and frequency locking of 0.1-Hz oscillations in heart rate and baroreflex control of blood pressure by breathing of linearly varying frequency as determined in healthy subjects. Human Physiology 2013; 39 (4): 416-425
- Borovkova Yl, Karavaev AS, Bezruchko BP, et al. Uncovering frequency locking for systems affected by chirping. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics 2011; 75 (12): 1601-1604
- Пономаренко В.И., Гриднев В.И., Прохоров М.Д. и др. Синхронизация сердцебиения и ритма регуляции сосудистого тонуса с дыханием. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника 2004; (8-9): 40-51
- Prokhorov MD, Ponomarenko VI, Gridnev VI, et al. Synchronization between main rhythmic processes in the human cardiovascular system. Phys Rev E 2003; 68 (4, Pt 1): 41913
- Ponomarenko VI, Prokhorov MD, Bespyatov AB, et al. Deriving main rhythms of the human cardiovascular system from the heartbeat time series and detecting their synchronization. Chaos, Solitons and Fractals 2005; 23: 1429-1438
- Karavaev AS, Prokhorov MD, Ponomarenko VI, et al. Synchronization of low-frequency oscillations in the human cardiovascular system. Chaos 2009; 19: 33112
- Безручко Б.П., Гриднев В.И., Караваев А.С. и др. Методика исследования синхронизации колебательных процессов с частотой 0,1 Гц в сердечно-сосудистой системе человека. Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика 2009; 17 (6): 44-56
- Киселев A.P., Караваев А.С., Гриднев В.И. и др. Метод оценки степени синхронизации низкочастотных колебаний в вариабельности ритма сердца и фотоплетизмограмме. Кардио-ИТ 2016; 3 (1): е0101
- Киселев A.P., Караваев А.С., Гриднев В.И. и др. Динамика синхронизованное™ подсистем вегетативной регуляции ритма сердца и артериального давления на фоне двухчасовой иммобилизации в горизонтальном положении у здоровых лиц. Бюллетень медицинских интернет-конференций 2012; 2 (8): 604-607
- Караваев А.С., Сидак E.В., Пономаренко В.И. и др. Способ оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека. Информационно-аналитический журнал Novus Trends 2010; (1): 30-31
- Киселев A.P., Гриднев В.И., Караваев А.С. и др. Оценка пятилетнего риска летального исхода и развития сердечно-сосудистых событий у пациентов с острым инфарктом миокарда на основе синхронизации 0,1 Гц-ритмов в сердечно-сосудистой системе. Саратовский научно-медицинский журнал 2010; 6 (2): 328-338
- Киселев A.P., Гриднев В.И., Посненкова О.М. и др. Оценка на основе определения синхронизации низкочастотных ритмов динамики вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы при применении метопролола у больных ИБС, перенесших инфаркт миокарда. Терапевтический архив 2007; 79 (4): 23-31
- Киселев A.P., Гриднев В.И., Караваев А.С. и др. Коррекция вегетативной дисфункции сердечно-сосудистой системы у больных артериальной гипертонией на основе комбинированной терапии атенололом и амлодипином. Российский кардиологический журнал 2012; (6): 66-71
- Киселев A.P., Гриднев В.И., Караваев А.С. и др. Персонализация подхода к назначению гипотензивной терапии у больных артериальной гипертензией на основе индивидуальных особенностей вегетативной дисфункции сердечно -сосудистой системы. Артериальная гипертензия 2011; 17 (4): 354-360
- Jasper НН. The Ten-Twenty Electrode System of the International Federation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1958; 10:371-375
- Баевский P.M., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В. и др. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем (методические рекомендации). Вестник аритмологии 2001; (24): 65-86
- Koronovskii АА, Ponomarenko VI, Prokhorov MD, Hramov АЕ. Diagnostics of the synchronization of self-oscillatory systems by an external force with varying frequency with the use of wavelet analysis. Journal of Communications Technology and Electronics 2007; 52 (5): 544-554
- Hramov AE, Koronovskii AA, Ponomarenko VI, Prokhorov MD. Detection of synchronization from univariate data using wavelet transform. Phys Rev E 2007; 75 (5): 056207
- Hramov AE, Koronovskii AA, Ponomarenko VI, Prokhorov MD. Detecting synchronization of self-sustained oscillators by external driving with varying frequency. Phys Rev E 2006; 73 (2): 026208
- Wu MC, Ни CK. Empirical mode decomposition and synchrogram approach to cardiorespiratory synchronization. Phys Rev E 2006; 73 (5 Pt 1): 051917
- Mormann F, Lehnertz K, David P, Elger CE. Mean phase coherence as a measure for phase synchronization and its application to the EEG of epilepsy patients. Phys D Nonlinear Phenom 2000; 144 (3): 358-369
- Koronovskii AA, Hramov AE, Ponomarenko VI, Prokhorov MD. Method of studying the synchronization of self-sustained oscillations using continuous wavelet analysis of univariant data. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics 2007; 52 (9): 1106-1116
- Короновский А.А., Пономаренко В.И., Прохоров М.Д., Храмов А.Е. Изучение синхронизации автоколебаний по универсальным данным при изменении частоты внешнего воздействия с использованием вейвлетного анализа. Письма в Журнал технической физики 2006; 32 (11): 81-88
- Москаленко О.И., Короновский А.А., Храмов А.Е., Журавлев М.О. Оценка степени синхронности режима перемежающейся фазовой синхронизации по временному ряду (модельные системы и нейрофизиологические данные). Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики 2016; 103 (8): 606-610
- Kiselev AR, Mironov SA, Karavaev AS, et al. A comprehensive assessment of cardiovascular autonomic control using photoplethysmograms recorded from the earlobe and fingers. Physiol Meas 2016; 37 (4): 580-595
- Хованова H.A., Хованов И.А. Методы анализа временных рядов. ГосУНЦ "Колледж", 2001; 120 с.
- Bernardi L, Radaelli A, Solda PL, et al. Autonomic control of skin microvessels: assessment by power spectrum of photoplethysmographic waves. Clin Sci 1996; 90: 345-355
- Middleton PM, Tang CHH, Chan GSH, et al. Peripheral photoplethysmography variability analysis of sepsis patients. Med Biol Eng Comput 2011; 49 (3): 337-347
- Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiol Meas 2007; 28 (3): R1-R39
- Hramov AE, Koronovskii AA, Makarov VA, et al. Wavelets in neuroscience. Springer: Heidelberg, New York, Dordrecht, London, 2015
- Pavlov AN, Hramov AE, Koronovskii AA, et al. Wavelet analysis in neurodynamics. Physics-Uspekhi 2012; 55 (9): 845-875.
