ИНТЕРФЕЙС МОЗГ–КОМПЬЮТЕР:

ПЕРВЫЙ ОПЫТ КЛИНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ В РОССИИ

О. А. Мокиенко, Р. Х. Люкманов, Л. А. Черникова, Н. А. Супонева,

М. А. Пирадов, А. А. Фролов

Воображение движений может стимулировать те же нейропластические механизмы мозга, что и их реальное исполнение. Контролировать воображение движения можно при помощи интерфейса мозг–компьютер (ИМК), который преобразует ЭЭГсигналы мозга, возникающие при воображении движения, в команды внешнему устройству. Представлены результаты двухэтапного исследования применения неинвазивного ИМК в реабилитации пациентов с выраженным гемипарезом вследствие очагового повреждения головного мозга. Показано, что обучение управлению ИМК не зависит от давности заболевания, локализации очага поражения и тяжести неврологического дефицита. На первом этапе исследования с участием 36 пациентов показано, что эффективность восстановительной терапии была выше в группе с включением в реабилитационную программу тренировки управления ИМК (в группе ИМК улучшение по шкале ARAT с 1 [0; 2] до 5 [0; 16] баллов, p = 0.012; в контрольной группе значимого улучшения не наблюдалось). На втором этапе исследования с участием 19 пациентов применялся комплекс ИМКэкзоскелет. На фоне курса реабилитации с применением данной технологии наблюдалось улучшение двигательной функции руки по шкалам ARAT (с 2 [0; 37] до 4 [1; 45.5] баллов, p = 0.005) и Fugl–Meyer (с 72 [63; 110] до 79 [68; 115] баллов, p = 0.005).

гемипарез, нейрореабилитация, интерфейс мозг–компьютер, экзоскелет. неврология, нейроинженерия

Интерфейс мозг–компьютер (ИМК) – это технология, позволяющая осуществлять преобразование данных об электрической или метаболической активности мозга человека или животного в сигналы управления внешним техническим устройством [1–3].

В качестве сигнала об активности мозга в неинвазивном ИМК наиболее часто используют реакцию синхронизации/десинхронизации сенсомоторного ритма (СМР) электроэнцефалограммы (ЭЭГритм в диапазоне 8–12 Гц) над областями первичных соматосенсорной и моторной коры, соответствующую процессу воображения движения [4, 5].

Применение именно сенсорномоторных ритмов ЭЭГ в ИМК представляется наиболее перспективным: данный нейрофизиологический феномен устойчиво ассоциирован с двигательными областями мозга, при этом десинхронизация сенсомоторного ритма не требует реального движения, а только его воображения [5]. Таким образом, естественным типом ментальной деятельности, который может быть распознан в системе ИМК, является просто воображение движения какого-либо исполнительного органа (конечности, языка). Кроме того, воображение движений разных органов создает разное распределение активности по поверхности коры и, соответственно, разные пространственные паттерны ЭЭГ, что об легчает задачу классификатора интерфейса [6, 7].

Научным обоснованием применения в нейрореабилитации ИМК, базирующегося на таком принципе, являются данные о влиянии процесса воображения движения на нейропластичность, а также тот факт, что воображение движения является единственной активной парадигмой для модуляции процессов нейропластичности в двигательных зонах головного мозга при плегии, то есть при полном отсутствии движений в конечности [8–10].

С развитием концепции нейропластичности была показана значимость обратной связи, предъявляемой пациенту при обучении. Синхронное предоставление объективной информации о выполнении движения с помощью роботизированных ортезов, визуальных данных повышает качество обучения: пациент получает инструмент для произвольного контроля собственного движения, а усиление тактильной, проприоцептивной, зрительной афферентации дополнительно активирует структуры головного мозга, лишенные или ограниченные в получении сенсорной ин формации вследствие инсульта [11, 12]. Немало важным является применение технологий роботизированной терапии, обеспечивающих высокую повторяемость движения с оптимальной интенсивностью тренировок [13]. Также одним из основополагающих принципов нейрореабилитации является раннее начало восстановительных мероприятий [14]. Комплекс ИМК позволяет реализовать практически все современные принципы нейрореабилитации.

В России ранее не проводились исследования ИМК в двигательной реабилитации пациентов неврологического профиля. Основными предпосылками для начала данной работы стали нерешенные вопросы о возможности обучения управлению ИМК, основанного на воображении движения, у пациентов с обширным повреждением двигательной коры, а также необходимость изучения клинической эффективности применения этой технологии у больных с грубыми двигательными нарушениями.

МЕТОДИКА

Исследование проходило в два этапа: в 2011–

2013 гг. (первый этап) на базе ФГБНУ Научный центр неврологии и с 2014 г. (второй этап) в сов местной работе ФГБНУ Научный центр неврологии, РНИМУ им. Н.И. Пирогова и МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского. В настоящей работе приводятся данные, полученные на базе ФГБНУ Научный центр неврологии. Протокол исследования был одобрен локальным этическим комитетом ФГБНУ Научный центр неврологии.

Критерии включения в исследование: пациенты мужского и женского пола в возрасте 18–80 лет с подтвержденным первичным нарушением мозгового кровообращения по ишемическому или геморрагическому типу давностью от 1 месяца или с травмой головного мозга с единичным очагом повреждения по данным магнитно-резонансной томографии (МРТ), имеющие парез или плегию в кисти.

Критерии не включения в исследование: грубые когнитивные нарушения, сенсорная афазия (нарушение способности понимать речь), грубая моторная афазия (нарушение способности говорить), грубое нарушение зрения, не позволяющее выполнять визуальные инструкции на экране компьютера.

В исследовании использовался неинвазивный ИМК, основанный на анализе паттернов ЭЭГ при воображении движения рук. Комплекс ИМК состоит из следующих элементов (рис. 1): система активных электродов ActiCap фирмы Brain Prod ucts (Германия) для регистрации ЭЭГ; энцефалограф NBL640 производства ООО “НейроБиоЛаб”; персональный компьютер (операционная система Windows 7) с программным обеспечением для синхронной передачи данных, выделения рабочих показателей ЭЭГ и классификации сигналов для распознавания управляющей команды в реальном времени; экзоскелет кисти (роботизированный ортез) производства ООО “Нейроботикс”. Экзоскелет кисти входил в состав комплекса ИМК только на втором этапе исследования.

Регистрация ЭЭГ проводилась с помощью 30 электродов, расположенных по международной схеме 10–20. Под каждый электрод наносил ся специальный гель для улучшения контакта с поверхностью головы. Сигналы ЭЭГ фильтровались в полосе частот от 5 до 30 Гц. В исследовании применялся классификатор паттернов ЭЭГ, основанный на методе Байеса. В качестве показателя точности классификации использовались индекс “каппа Коэна” (при идеальном распознавании ? = 1, при случайном распознавании ? = 0) [15] и процент правильных ответов классификатора (распознавание выше случайного при >35%). Определение источников активности, наиболее значимых для функционирования ИМК, проводилось с помощью метода независимых компонент (ICA, Independent Component Analysis).

Во время тренировки пациент сидел в удобном кресле так, что голова находилась на расстоянии 1 метра от компьютерного монитора, на котором ему предъявлялись визуальные инструкции. В центре экрана находилась округлая метка, служившая для фиксации взгляда, и расположенные вокруг нее 3 ромбовидные стрелки, менявшие цвет для обозначения инструкций. Пациент выполнял одну из трех инструкций: расслабиться (верхняя стрелка), воображать движение левой или правой руки (левая или правая стрелки соответственно). По инструкции расслабиться (по кой) испытуемый должен был спокойно сидеть и смотреть в центр экрана. Инструкции по воображению движения предъявлялись в случайном по рядке, каждая в течение 10 секунд с обязательным периодом покоя между ними длительностью 10 секунд.

На первом этапе исследования в качестве воображаемого движения пациенту предлагалось кинестетически представлять медленное сжатие кисти в кулак. Результаты распознавания выполняемой ментальной задачи предъявлялись пациенту по зрительной обратной связи: метка в сере дине экрана, фиксирующая взор, принимала зеленый цвет, если классификатор распознавал задачу, соответствующую предъявляемой инструкции движения, и оставалась белой, если распознавалась другая задача.

На втором этапе исследования в качестве воображаемого движения пациенту предлагалось кинестетически представлять медленное разгибание пальцев. Результаты распознавания такого воображения предъявлялись как с помощью визуальной, так и с использованием кинестетической обратной связи: в случае успешного распознавания классификатором задачи, закрепленный на паретичной руке экзоскелет кисти разгибал пальцы.

С каждым пациентом основной группы первого этапа и со всеми пациентами второго этапа исследования тренировки проводили в течение 10– 15 дней, по одной в день, продолжительностью 20–30 минут. Интервалы между тренировками составляли от 1 до 4 дней.

Для оценки двигательной функции руки до на чала и по окончании курса реабилитации применяли шкалы: Action Research Arm Test (ARAT), Modified Ashworth Scale (MAS) – на первом и втором этапах исследования и FuglMeyer (на втором этапе исследования).

Статистическая обработка результатов проводилась с помощью критериев Манна–Уитни и Вил коксона на персональном компьютере с применением пакета прикладных программ STATISTICA (StatSoft®).

Данные представлены в виде медианы и 25%, 75% квартилей медианы. Статистически значимыми различия считались при р < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Первый этап исследования. На первом этапе в исследовании участвовали 36 пациентов с гемипарезами в результате очагового поражения головного мозга вследствие инсульта или травмы, из них 26 мужчин и 10 женщин, в возрасте от 34 до 70 лет (медиана – 52.5 [42.5; 57] лет), с давностью заболевания от 1 месяца до 8 лет (медиана давности заболевания составила 11.5 [3; 21.5] месяцев). В раннем восстановительном периоде находились 14 пациентов, в позднем и резидуальном – 22 пациента. У большинства пациентов (25 из 36) характер нарушения мозгового кровообращения был ишемический, у 10 из 36 – геморрагический и у 1 пациента – причиной очагового повреждения головного мозга являлась тяжелая черепно-мозговая травма. Очаг поражения локализовался

в правом полушарии у 20 пациентов, в левом – у 14, и у 2 пациентов – в стволе головного мозга. Среди наблюдаемых больных корковоподкорко вое повреждение было у 2 пациентов, подкорковое – у 34 пациентов. У всех пациентов в клинической картине наблюдался грубый парез в руке или плегия: медиана по шкале ARAT составляла 0 [0; 4].

Шестнадцать пациентов составили основную группу, в комплексное лечение которых были включены тренировки ИМК, и 20 пациентов бы ли включены в группу сравнения, они получали только традиционную комплексную терапию. Основная группа и группа сравнения были сопоставимы по возрасту, давности заболевания и степени выраженности неврологического дефицита. Все испытуемые – правши. Все пациенты перед началом исследования подписали добровольное информированное согласие.

Способность управлять ИМК. Обучение управлению ИМК полностью прошли 13 пациентов с очаговым повреждением головного мозга (основная группа). Процент правильного распознавания классификатором метальных задач составил 55.5 [45; 59.5]%, показатель “каппа Коэна” – 0.37 [0.19; 0.43]. Качество управления ИМК не зависело от латерализации очага повреждения (при сравнении подгрупп пациентов с левосторонним или правосторонним гемипарезом: p = 0.89) и реабилитационного периода (при сравнении пациентов в раннем или позднем и резидуальном периоде p = 0.08).

Таким образом, несмотря на наличие очагового повреждения головного мозга и выраженного нарушения двигательной функции кисти, пациентам с разной давностью заболевания удавалось управлять ИМК, основаны на регистрации сенсомоторного ритма.

Значимые для управления ИМК компоненты при корково-подкорковой и подкорковой локализации очага повреждения...

Полный текст статьи смотрите в прикрепленном документе.

Интерфейс мозг-компьютер: первый опыт клинического применения в России - Мокиенко О.А., Люкманов Р.Х., Черникова Л.А., Супонева Н.А., Пирадов М.А., Фролов А.А. (Физиология человека, том 42, №1, с.31-39)

Источник: vk.com

Комментарии: