СПОСОБ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА
METHOD FOR ASSESSING FUNCTIONAL HEALTH OF INDIVIDUAL'S BRAIN

Способ относится к области медицины и может использоваться для оперативной оценки функционального состояния различных зон головного мозга человека, находящегося как в поликлинических и больничных, так и в отдаленных от населенных пунктов мест, в чрезвычайных и нестандартных условиях.
Изучение механизмов патогенеза центральной нервной системы (ЦНС), обусловленного воздействиями контузий, ранений в области головы, сотрясений мозга, физических нагрузок, многочасовой работы на компьютере, страха, стресса, эмоциональных расстройств, токсикантов, отравляющих веществ, показывает, что любой из этих факторов в совокупности или каждый в отдельности вызывает устойчивые изменения в ЦНС, особенно военнослужащих, спортсменов и лиц, работающих на вредных производствах и проживающих на прилегающих к ним территориях, в связи с чем возникает необходимость разработки новых, точных и удобных в применении неинвазивных способов оценки функционального состояния различный отделов головного мозга человека. Одним из первых признаков функциональных расстройств различных отделов головного мозга является расстройство уже на уровне сетчатки, именно поэтому в нейрофизиологии глаз рассматривается как часть мозга, вынесенная на периферию. Известно также, что более 35 зон головного мозга имеют отношение к зрительному анализатору [Глезер В.Д. Зрение и мышление. СПб.: Наука, 1993. 285 с.; Габибов И.М. Межполушарная асимметрия и структурные основы межнейронной интеграции. Изд-во Lambert Academic Publishing, Германия. 2013. 265 с.]. Следовательно, зрительный анализатор может послужить тем ключом, посредством которого можно установить функциональное состояние различных отделов головного мозга, а также воздействовать на них. В связи с тем что нарушения функционального состояния различных отделов головного мозга детей и взрослых становятся массовыми из-за ухудшения качества питания, малоподвижного образа жизни, вышеприведенных и других обстоятельств, на первый план выходит необходимость разработки неинвазивных способов ранней диагностики функционального состояния различных отделов головного мозга.
Одним из точных методов определения функционального состояния мозга является регистрация импульсной активности нейронов и вызванных потенциалов с различных отделов коры головного мозга человека и высших животных (хищных и приматов) на предъявления стимулов разной модальности. Данные, полученные при изучении механизмов работы мозга высших животных на уровне нейронов, могут иметь прямое отношение к механизмам работы мозга человека, включая механизмы межполушарного взаимодействия [Габибов и др. Новые методы диагностики и биокоррекции функциональных расстройств различных отделов головного мозга и зрительной системы человека. В сб. "Решение проблемы обеспечения химической безопасности в Российской Федерации" / Под ред. доктора мед. наук, проф. В.Р. Рембовского. СПб., 2012. С. 173-185]. В результате наших нейрофизиологических, поведенческих и морфологических исследований, проведенных на хищных (Felis domesticus) и приматах (Масаса Rhesus), установлено, что нейронные системы различных областей коры имеют свои, отличные от других областей коры функциональные характеристики и связи, обеспечивающие процесс переработки информации, поступающей в мозг из внешней среды [Габибов И.М. Функциональная организация пространственных структур рецептивных полей нейронов поля 21 коры мозга кошки. Успехи физиол. наук. 1995. Т. 26, N 3. С. 78-94; Gabibov I.M., Demyanenko G.P. Morphological correlated investigation of structural and functional organization of cat′s brain associative neural receptive fields // Neurophysiol. (UK). - 1998. - Vol. 27, №8. - P. 46-51; Gabibov I.M. Spatial information processing in split-brain of the cats (Felis domesticus) and monctys (Macaca Rhesus). In Proceedings "XVI International Conference on Neurocybernetics". Rostov-on-Don, 2012. Vol. 1. P. 162-164]. Известно также, что каждый уровень мозга осуществляет описание окружающего мира или изображений по их пространственно-частотным составляющим [Gabibov I.M., Baulo L.D. Spatial-frequency characteristics of neurons receptive fields in area 21 of cat visual cortex. Perception. 1991. Vol. 2, №1. P. 105-106], установлено, что при предъявлении стимулов, состоящих из разных пространственно-частотных решеток с синусоидальным распределением освещенности, нейронные системы каждого уровня головного мозга реагируют на свои собственные значения. Реакции нейронов при этом определялись по оптимальной реакции на стимуляцию каждой решеткой [Габибов И.М. Межполушарная асимметрия и структурные основы межнейронной интеграции. Изд-во Lambert Academic Publishing, Германия. 2013. 265 с.]. В результате установлено, что нейроны на уровне сетчатки (амакриновые клетки, биполяры и ганглиозные клетки, в совокупности образующие так называемый горизонтальный синцитий) и клетки наружного коленчатого тела (НКТ) производят описание по более высокочастотным составляющим (5,0-20 цикл/угл. град), ассоциативные ядра таламуса (подушка зрительного бугра - Pulvinar и заднелатеральное ядро таламуса - LP thalami в основном производят описание по более низким пространственно-частотным составляющим (0,7-5,0 цикл/угл. град), чем нейроны сетчатки, нейронные системы проекционных областей (затылочной коры - поля 17 и 18) производят описание по низкочастотным составляющим (0,1-1,0 цикл/угл. град), а нейроны ассоциативных областей коры (теменно-височные области - поля 19, 21 и 7) производят описание по более низким пространственно-частотным значениям (0,05-0,25 цикл/град), чем нейроны затылочной коры [Габибов И.М. Межполушарная асимметрия и структурные основы межнейронной интеграции. Изд-во Lambert Academic Publishing, Германия. 2013. 265 с.]. Значения пространственных частот для каждой области головного мозга приведены на фиг. 1. Как следует из этой фигуры, нейроны различных отделов головного мозга имеют свой диапазон частот, которые реагируют на предъявление стимулов, соответственно с высокими частотами - сетчатка и НКТ (а, б), со средними - подушка зрительного бугра и заднелатеральное ядро таламуса и затылочной коры (в-д) и низкими частотами - нижневисочная и заднетеменная ассоциативные области коры, на уровне которых наблюдаются межполушарные различия - заштрихованные линии - распределение нейронов левого (сплошной линией) - правого полушарий (е, и).
Несмотря на точность и объективность метода регистрации активности одиночных нейронов их различных областей коры мозга и подкорковых образований, его применение для оценки функционального состояния различных областей мозга человека в медицинской практике невозможно и не целесообразно, поскольку каждый раз требует хирургического вмешательства. Это является главным и существенным недостатком использования данного метода для исследования и диагностики различных структур головного мозга человека. Другим из доступных методов исследования функционального состояния различных отделов мозга, который используется в медицинской практике, является регистрация электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в сочетании с вызванными потенциалами на вспышку света разной модальности и интенсивности.
На основе данных современной нейрофизиологии нами разработан способ оценки функционального состояния различных отделов головного мозга человека, который направлен не измерение биоэлектрической активности нейронных систем различных областей головного мозга (сетчатки, подкорковых ядер, затылочной коры и ассоциативных областей коры больших полушарий) при предъявлении стимулов, состоящих из разных пространственно-частотных решеток с синусоидальным распределением освещенности [Габибов И.М. Способ диагностики и немедикаментозного лечения различных форм зрительных нарушений человека. Патент на изобр. №2219832. Бюл. №36. 2002. 1-42 с. RU 2219832 С1].
Следует отметить, что способ и прибор для регистрации ЭЭГ от отдельных зон коры мозга человека в стационарных условиях при предъявлении специальных стимулов в результате может показать функциональное состояние различных структур коры мозга, но только лишь после специальной обработки, с привлечением высококлассных специалистов.
Несмотря на то что нет единого мнения относительно природы формирования различных ритмов ЭЭГ, данный способ может использоваться как при исследовании интактного мозга, так и в диагностике заболеваний различной природы. ЭЭГ во многих случаях позволяет не только выявить, но и локализовать очаг поражения в коре. Этот способ является наиболее близким к предлагаемому способу.
Однако этот метод имеет свои недостатки: 1. ЭЭГ не позволяет регистрировать электрическую активность подкорковых структур мозга и установить их функциональное состояние, что является немаловажным для диагностики ЦНС; 2. Использование метода регистрации ЭЭГ требует присутствия высококлассных специалистов для ее анализа и описания состояния различных областей коры мозга; 3. Этот метод требует дорогостоящего оборудования и специализированных кабинетов, что значительно усложняет регистрацию ЭЭГ в амбулаторно-поликлинических учреждениях и труднодоступных населенных пунктах. Это является существенным и главным недостаткам данного метода. Таким образом, к настоящему времени нет способов быстрой и точной оценки функционального состояния различных областей головного мозга человека. Первым шагом для этого является разработка способов и устройств, а также стимулов, предъявление которых позволит установить функциональное состояние различных областей головного мозга человека, однако он не позволяет получить сведения о функциональном состоянии подкорковых структур, является громоздким и обследование требует значительного времени и имеет ряд вышеуказанных недостатков.
Заявленный способ является неинвазивным, отличается от существующих возможностью быстрой и точной оценки функционального состояния корковых и подкорковых структур головного мозга человека, не требует специально оборудованных с дорогостоящим оборудованием кабинетов, и обследование осуществляется в виде теста. Результаты обследования приводятся в виде графиков, на которых отражено функциональное состояние разных областей мозга человека, и хранятся на ПК в виде отдельного файла для каждого пациента. Оценка функционального состояния различных центров мозга человека обеспечивается с помощью устройства для функциональной оценки различных зон головного мозга человека (УФО-ГМЧ).
Технической задачей и положительным результатом предлагаемого способа вляются следующие возможности: 1. Точная и быстрая оценка функционального состояния различных областей коры больших полушарий и подкорковых структур мозга человека - от сетчатки, подкорковых ядер (НКТ, подушки зрительного бугра и заднелатерального ядра таламуса), затылочной коры до ассоциативных областей коры больших полушарий (височно-теменные области); 2. Разработка и применение стимулов, состоящих из разных пространственно-частотных решеток с синусоидальным распределением освещенности, предъявление которых адресно активирует вышеуказанные структуры мозга и не вызывает побочного действия; 3. Для работы УФО-ГМЧ не требует присутствия высококлассных специалистов для анализа результата и описания состояния различных областей коры мозга - результат анализа представляется в виде жесткой копии (графиков) сразу после тестирования отдельно при стимуляции мозга через правый и левый глаз и сохранится в цифровом виде; 4. УФО-ГМЧ не требует дорогостоящей техники и прост в применении в амбулаторно-поликлинических учреждениях и в труднодоступных населенных пунктах; 5. Процедура проведения тестирования по указанному способу, с учетом времени адаптации к уровню освещенности, занимает не более 5-7 минут на человека; 6. С помощью данного способа можно не только выявить и локализовать нарушение функционального состояния различных центров головного мозга в раннем его развитии, но позволяет проследить динамику изменения выявленных нарушений в процессе лечения или воздействия факторов внутренней и внешней среды.
Для сравнения и определения точности измерений УФО-ГМЧ мы провели специальное исследование с помощью регистрации ЭЭГ от различных центров мозга человека и предлагаемым способом при предъявлении решеток с разными пространственно-частотными составляющими, со значениями от 0,05 до 15,0 цикл/угд. град. Исследования электрической активности с помощью параллельного отведения электроэнцефалограммы (ЭЭГ) от четырех центров мозга человека - затылочная кора правого и левого полушарий (ЗК-ПП, ЗК-ЛП), заднетеменная кора правого и левого полушарий (ЗТК-ПП, ЗТК-ЛП) при предъявлении решеток разной частоты на специальном мониторе. Специальная программа обеспечивает одновременное предъявление изображений на одном мониторе и экспресс-обработку данных и управление параметрами стимуляции на другом мониторе. Предъявление стимулов для каждой зоны производилось по 10 раз, затем рассчитывались средние значения и строились диаграммы ответов, т.е. соотношений альфа- и бета-ритмов у каждого испытуемого. После регистрации ЭЭГ проводился анализ соотношения альфа- и бета-ритмов для всех четырех зон при монокулярной стимуляции. В результате наших нейрофизиологических исследований установлено, что при отключении входа или изменении входного сигнала различные центры мозга претерпевают функциональные изменения, сопровождающиеся при длительном воздействии частичной или полной атрофией связей. В связи с этим исследования были проведены на добровольцах с нарушением зрения различной степени тяжести. В качестве испытуемых привлекались лица с нормальным зрением и с нарушениями зрения - миопия разной степени тяжести в возрасте от 16 до 45 лет. В качестве стимулов предъявлялись решетки с такими же значениями частот, которые получены в экспериментах на высших животных - 1-я решетка - около 15,0 цикл/угл. град, 2-я - 8,0 цикл/угл. град, 3-я - 3,5 цикл/угл. град, 4-я - 1,75 цикл/угл. град, 4-я - 1,0 цикл/угл. град, 5-я - 0,5 цикл/угл. град, 6-я - 0,025 цикл/угл. град, 7-я - 0,1 цикл/угл. град, 8-я - 0,05 цикл/угл. град. 1-я решетка самая высокочастотная, а 8-я - самая низкочастотная.
В связи с тем что результаты анализа для каждого полушария при стимуляции левого и правого глаз существенно не отличались, в данной работе для простоты изложения представлены данные, полученные только для правого полушария. Результаты этого исследования приведены на фиг. 2. Как следует из этой фигуры, у испытуемых (офтальмологически здоровых людей - норма) средние значения соотношений альфа- и бета-ритмов ЭЭГ в ЗК-ПП составили в пределах 30-45%; в ЗТК-ПП уровень альфа-ритма - 20-30%, а бета-ритма - 30-42% (а). При миопии слабой степени в ЗК-ПП уровень альфа-ритма составил 15-25%, а бета-ритма - 35-55%; в ЗТК-ПП уровень альфа-ритма - 18-25%, а бета-ритма - 35-60% (б). При миопии средней степени в ЗК-ПП уровень альфа-ритма составил 5-15%, а бета-ритма 40-60%; в ЗТК-ПП уровень альфа-ритма - 8-30%, а бета-ритма - 30-60% (в). При миопии высокой степени тяжести в ЗК-ПП уровень альфа-ритма составил 5-35%, а бета-ритма - 35-55%; в ЗТК-ПП уровень альфа-ритма - 1-5%, а бета-ритма - 50-80% (г). Таким образом, выявляются четкие устойчивые изменения функционального состояния в затылочно-височно-теменных областях коры мозга, сопровождающиеся повышенной активностью в отдельных структурах коры больших полушарий мозга человека.
На таких же испытуемых были проведены исследования с применением предлагаемого способа, с применением УФО-ГМЧ.
Испытуемым предъявлялись решетки с такими же значениями частот, которые получены в экспериментах на высших животных и использовались при исследовании испытуемых с регистрацией ЭЭГ.
Указанная задача решается и технический результат достигается тем, что способ оценки функционального состояния мозга человека, основанный на предъявлении восьми пространственно-частотных решеток с синусоидальным распределением освещенности от 0,05 до 15,0 циклов/угл. град, где каждая решетка с фиксированной скоростью открывается на экране монитора пациента, отстоящего от глаз пациента на расстоянии 1,5 м, с усиливающимся контрастом так, что на каждые 10% прохождения стимула контраст изображения усиливается на 10% и при открывании решетки на 90-100% - самое четкое изображение, как только начинает выявляться решетка и пациент увидит ее появление на экране, он нажимает кнопку, которая соединена с устройством, автоматически отключающим подачу сигнала, включается блок обработки результата, значение уровня контраста наносится в виде точки на графике на мониторе врача и с помощью обратной связи одновременно запускается следующая решетка, так процедура повторяется для всех восьми решеток, предъявление которых производится отдельно для правого и левого глаза, по завершении процедуры на экране монитора врача, на котором устанавливаются параметры для стимуляции и сведения о пациенте, представляются графики в виде жесткой копии отдельно для правого и левого глаза, на оси абсцисс которых отображены номера решеток и зоны мозга, а на оси ординат отображается значение уровня контраста решеток в процентах, по которым быстро и точно оценивается функциональное состояние различных зон мозга, где при снижении чувствительности в области высоких частот наибольшей степени поражены ретино-геникулятные зоны мозга, при снижении чувствительности в области средних частот наибольшей степени поражены таламо-стриарные зоны мозга - от сетчатки, наружного коленчатього тела таламических ядер до затылочной и височно-теменной зон коры, в результате чего установлено, что при снижении чувствительности в области низких частот наибольшей степени поражены височно-теменные зоны мозга.
На фиг. 3 представлены внешний вид монитора врача (а) во время тестирования, на котором указываются сведения о пациенте и задаются параметры стимуляции, а на фиг. 3 (б) представлен внешний вид решеток, при обнаружении которых пациент нажимает специальную кнопку. Предъявление решеток начинается с самой низкочастотной 1 - (фиг. 3б) до самой высокочастотной 4 - (фиг. 3б). На фиг. 3б - 1-4 показано, как по мере открывания решеток усиливается контраст, и когда выявляется пространственно-частотный спектр каждой решетки, пациент нажимает кнопку.
Внешний вид УФО-ГМЧ, обеспечивающий реализацию способа оценки функционального состояния головного мозга человека, в виде схемы представлен на фиг. 5 и на прилагаемых чертежах, где:
на фиг. 1 - простанственно-частотные значения различных зон мозга высших животных;
на фиг. 2 - реакции различных зон головного мозга человека на предъявление решеток разных значений пространственных частот;
на фиг. 3 - внешний вид монитора врача (а) и внешний вид пространственно-частотных решеток с синусоидальным распределением освещенности на мониторе пациента (б) во время тестирования;
на фиг. 4 - графики функционального состояния различных зон мозга человека при миопии разной степени тяжести на предъявление пространственно-частотных решеток с синусоидальным распределением освещенности;
на фиг. 5 - блок-схема устройства для функциональной оценки различных зон головного мозга человека (УФО-ГМЧ).
УФО-ГМЧ компактен и состоит из кнопки 1 - (фиг. 5), блока выключателя подачи сигнала - 2, блока прерывания сигнала - 3, который отключает подачу сигнала на мониторе пациента - 6 и с помощью обратной связи одновременно наносит точку на графике монитора врача - 8, блока запуска следующего стимула на мониторе пациента - 5, который запускает решетку и одновременно через блок прерывания и запуска стимула переключается на кнопку - 1, и блок экспресс-обработки сигнала - 4, который переключается на блок обработки и хранения сигнала - 7. Стимуляция производится монокулярно на мониторе испытуемого, отстоящем от глаз испытуемого на 1,5 м строго, начиная с 8-й решетки до 1-й (фиг. 2, 3б, 4), с постоянной скоростью предъявления в помещении со стандартизированной освещенностью. На мониторе врача задаются сведения о пациенте, параметры стимуляции, и в виде графиков наносятся результаты испытаний (тестирования) (фиг. 3а). Графики оценки и распределения функционального состояния указанных структур на предъявление каждого стимула отображаются на экране монитора и сразу наносятся в виде графика отдельно при стимуляции правого и левого глаза, на которых отражается функциональное состояние отдельных структур мозга - сетчатки, подкорковых структур, затылочной коры до височно-теменных ассоциативных областей коры - а-и (фиг. 4). Графики на фиг. 4 соответствуют уровню функционального состояния каждой из указанных структур мозга при стимуляции правого и левого глаза пациентов с миопией слабой (сл. ст.), средней (ср. ст.) и высшей (выс. ст.) степени тяжести, где на оси абсцисс указаны номера решеток - 1-8 (фиг. 4) и соответственно зоны мозга (а-и), которые соответствуют зонам мозга, указанным на фиг. 1. На оси ординат - функциональное состояние различных зон мозга в процентах, где верхний график - норма, а последующие графики соответствуют миопии слабой, средней и высшей степени тяжести.
После тестирования графики сохраняются в цифровом виде на блоке обработки и хранения данных в виде отдельного файла с указанием сведений о пациенте и даты проведения тестирования, на этих же графиках наносятся результаты дальнейших тестирований того же пациента, что позволяет проследить динамику изменения функционального состояния указанных структур как в процессе развития патогенеза заболевания, так и в результате лечения или воздействия факторов внутренней и внешней среды.
Способ позволяет установить функциональное состояние различных зон мозга; например, при снижении чувствительности в области высоких частот наибольшей степени поражены ретино-геникулятные зоны мозга, при снижении чувствительности в области средних частот в большей степени поражены таламо-стриарные зоны мозга, а при снижении чувствительности в области низких частот в основном поражена таламо-париетльная ассоциативная система, включающая в себя задне-латеральное ядро таламуса и височно-теменные зоны коры больших полушарий мозга человека.
Область применения УФО-ГМЧ - неврологические и психиатрические отделения (кабинеты) больниц, поликлиник, санаторий для первичной диагностики и экспресс-анализа функционального состояния различных зон головного мозга человека и выявления динамики изменений ЦНС в результате воздействия препаратов, операций, стрессовых ситуаций, а также в реабилитационных центрах, на объектах Федерального медико-биологического агентства России, в сельских и труднодоступных населенных пунктах, а также в научно-исследовательских лабораториях для контроля за функциональным состоянием испытуемых во время эксперимента.
Литература
1. Gabibov I.Μ., Baulo L.D. Spatial-frequency characteristics of neurons receptive fields in area 21 of cat visual cortex // Perception. - 1991. - Vol. 2, №1. Р. 105-106.
2. Габибов И.Μ., Байло Л.Д. Пространственно-частотные характеристики рецептивных полей нейронов 21 поля зрительной коры кошки // Физиол. журн. им. И.М. Сеченова. - 1992. - Т. 78, №5. - С. 1-8.
3. Габибов И.М. Механизм формирования пространственно-частотной избирательности нейронов поля 21 коры мозга кошки // Физиол. журн. им. И.М. Сеченова. - 1992. - Т. 28, №6. - С. 25-32.
4. Габибов И.М. Функциональная организация пространственных структур рецептивных полей нейронов поля 21 коры мозга кошки // Успехи физиол. наук. - 1995. - Т. 26, N 3. - С. 78-94.
5. Gabibov I.M., Demyanenko G.P. Morphological correlated investigation of structural and functional organization of cat′s brain associative neural receptive fields // Neurophysiol. (UK). - 1998. - Vol. 27, №8. - P. 46-51.
6. Габибов И.М. Способ диагностики и немедикаментозного лечения различных форм зрительных нарушений человека // Патент на изобр. №2219832. - Бюл. №36. - 2002. - 1-42. - RU 2219832 С1.
7. Gabibov I.M. Spatial information processing in split-brain of the cats (Felis domesticcus) and monctys (Macaca Rhesus). In Proceedings "XVI International Conference on Neurocybernetics". Rostov-on-Don, 2012. Vol. 1. P. 162-164.
8. Габибов И.М., Пириева Т.Г., Сибаров Д.А. Новые методы диагностики и биокоррекции функциональных расстройств различных отделов головного мозга и зрительной системы человека. В сб. "Решение проблемы обеспечения химической безопасности в Российской Федерации" / Под. ред. доктора мед. наук, проф. В.Р. Рембовского. СПб., 2012. С. 173-185.
9. Габибов И.М. Межполушарная асимметрия и структурные основы межнейронной интеграции. Изд-во Lambert Academic Publishing, Германия. 2013. 265 с.
10. Глезер В.Д. Зрение и мышление. - СПб.: Наука, 1993. - 285 с.