Проблема восстановления сознания после тяжелой черепно-мозговой травмы (ТЧМТ) весьма значима в медико-социальном плане, так как данная патология является одной из основных причин инвалидизации и летальности населения, особенно молодого и трудоспособного возраста [33]. Ее решение не представляется возможным без комплексных нейрофизиологических исследований. В XX веке еще до наступления «эры нейровизуализации», именно с помощью электрофизиологических методик были получены многие базовые данные, касающиеся структурного обеспечения сознания и патогенеза его угнетения при разных формах патологии [31, 53, 54, 67]. Многие из них находят свое подтверждение по мере развития новых подходов к прижизненному изучению структурно-функциональной организации работы мозга: магнитно-резонансная томография - МРТ, функциональная МРТ - фМРТ, позитронная эмиссионная томография - ПЭТ, что в свою очередь способствует развитию методов нейрофизиологии.
В НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко электрофизиологические исследования у пациентов с длительным угнетением сознания при разных формах церебральной патологии, включая ТЧМТ, были начаты в 60-х годах прошлого века и неразрывно связаны с именами нейрофизиологов О.М. Гриндель и И.С. Добронравовой, невролога Н.Н. Брагиной и психиатра Т.А. Доброхотовой [15]. В настоящее время доказавший свою информативность исследовательский комплекс включает методики с привлечением специалистов разного профиля: нейрофизиологов, неврологов, нейропсихиатров, нейрореабилитологов, нейрорентгенологов (МРТ, фМТР, ДТИ).
Нейрофизиологические методы активно привлекаются для решения важных практических и теоретических задач, связанных с лечением пациентов с ТЧМТ, сопровождаемой длительным угнетением сознания:
1. Оценка тяжести текущего состояния и прогнозирование дальнейшего развития травматической болезни [7, 11, 20, 46, 59, 62].
2. Выявление потенциальных возможностей функциональной активизации на основе анализа реактивности ЦНС [14, 29, 32, 45, 66].
3. Оценка эффективности проводимого лечения, участие в разработке новых, физиологически обоснованных реабилитационных подходов [21, 22, 42, 47].
4. Изучение нейрофизиологических механизмов формирования и регресса затяжных бессознательных состояний после ТЧМТ [12, 23, 61].
5. Выявление объективных ЭЭГ-показателей состояния сознания и оценка направленности его динамики.
Последняя задача относится к числу не только наиболее интригующих, но и весьма далеких от своего решения. В источниках литературы можно выделить две взаимодополняющие «зоны поиска». Первая из них связана с детальным анализом частотных показателей ЭЭГ, будь то направленность динамики доминирующих ритмов [8], поиск информативных интегральных частотных показателей [57, 62], поведение отдельных ритмов, в частности альфа [68] или гамма [13]. Вторая - с исследованием пространственной организации активности мозга и выделением определенных отделов мозга (или коры), особо важных для сознания, по показателям синхронизации ЭЭГ либо данным фМРТ [9, 23, 36, 37, 56, 61, 63].
Цель работы - сравнительный анализ данных ЭЭГ в динамике восстановления сознания после ТЧМТ для определения наиболее информативных показателей в оценке текущего состояния сознания и направленности его изменений.
Методика
Материалом служили данные комплексных клинико-электроэнцефалографических исследований в динамике восстановления сознания пациентов с ТЧМТ (196 человек в возрасте от 9 до 69 лет, средний возраст 30,6 года), проходивших лечение в НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко РАМН.
Все больные после ТЧМТ и длительной (10 сут и более) комы перешли в затяжное посткоматозное бессознательное состояние (ПКБС). В 36% наблюдений это состояние стало хроническим (длительностью до нескольких лет), у остальных оно длилось от нескольких недель до 7 мес - с разной успешностью дальнейшего восстановления психической деятельности, вплоть до пограничных (со здоровьем) легких когнитивных и эмоционально-личностных нарушений.
Травма мозга в изученных наблюдениях носила многокомпонентный характер: 1) первичное - либо диффузно-аксональное повреждение головного мозга, либо многоочаговое повреждение подкорковых и корковых образований; 2) вторичное воздействие совокупности различных патологических факторов на стволовые структуры (нарушение микроциркуляции, вторичные сосудистые реакции, отек и дислокация мозга, метаболические нарушения вследствие артериальной гипоксемии).
Топографию и выраженность повреждения мозга определяли на основе комплексного клинического обследования, включая методы КТ (Sytek-1800, Дж. Электрик) и МРТ (Signa, 1,0-1,5 Тл), а также хирургического вмешательства; патоморфологических данных - в случаях с летальным исходом.
Текущее состояние сознания пациентов оценивали количественно, в соответствии с представлениями о стадиях восстановления психической деятельности после комы [16, 17]. Согласно им, ПКБС - это следующие непосредственно после комы и сменяющие друг друга синдромы, начинающиеся с первого посткоматозного открывания глаз больного и заканчивающиеся появлением контакта с ним (чаще всего в виде отчетливого выполнения инструкций). К ПКБС относят вегетативный статус и акинетический мутизм, когда у пациента отсутствуют внешние признаки сознания [15, 17], т.е. продуктивный контакт, ориентированность в месте, времени и собственной личности. После восстановления контакта с больным следуют состояния (стадии) мутизма с пониманием речи и дезинтеграции речи, относящиеся, как и предыдущие, к синдромам угнетенного сознания, но характеризующиеся наличием крайне ограниченного вербального контакта, не позволяющего установить степень ориентировки в себе и окружающем. Состояние с неустойчивым выполнением отдельных элементарных инструкций может стать хроническим и расценивается как состояние минимального проявления сознания. В графическом виде описываемые стадии посттравматического восстановления психической деятельности представлены на рис. 2, а.
ЭЭГ-исследования (от 4 до 25 у одного пациента) сопровождали развитие ПКБС, охватывая период от 1,5 до 4 лет, в ряде наблюдений - 7 лет и даже 16 лет после травмы. Биопотенциалы регистрировали по схеме 10-20% (10 или 18 каналов) с полосой пропускания 0,3-35 Гц и частотой квантования 100 Гц. Запись проводили в состоянии пациента в покое с закрытыми глазами и при афферентных воздействиях, что способствовало наиболее полной оценке потенциальных функциональных возможностей головного мозга. Кроме традиционных неспецифических раздражителей (ритмическая фотостимуляция, звуковой тон), предъявляли также биологически значимые (красное пятно, контрастная полоска) и эмоционально значимые стимулы (лицо или голос близкого человека и др.) [45].
Значительное место занимало исследование ЭЭГ-маркеров внимания как базисного компонента сознания человека, играющего важную роль в организации когнитивных процессов и поведения [71]. У больных с ТЧМТ нарушения внимания могут рассматриваться в качестве «осевого расстройства», сопровождающего все стадии восстановления психической деятельности. Анализировали ЭЭГ-маркеры ориентировочной реакции (на открывание глаз и на варьирующий по частоте звуковой тон), а также непроизвольного и произвольного зрительного внимания [48].
Записи ЭЭГ оценивали визуально, а также с привлечением методов математического анализа. Проводили спектрально-когерентный анализ безартефактных реализаций ЭЭГ длительностью 45-90 c в полосе 0,4-30 Гц на базе программно-вычислительного комплекса Нейрокартограф (МБН, Россия). «Шаг» спектрального анализа составлял 0,4 Гц. Вычисляли среднюю мощность, среднюю частоту и эффективную частотную полосу спектров мощности, ее верхнюю частотную границу (частоту, выше которой в спектре только 5% от всей мощности), средние уровни когерентности ЭЭГ в диапазоне 0,5-20 Гц. Определяли также характеристики мощности, частоты и когерентности в диапазонах основных физиологических ритмов - дельта, тета, альфа и бета1 каждого испытуемого в фоне и при функциональных нагрузках. Информативность и функциональная значимость этих показателей была обоснована ранее [2, 9, 34, 35].
Особое внимание уделяли исследованию когерентности как мере согласованности электрической активности в разных точках мозга. Согласно представлениям научных школ М.Н. Ливанова [25], В.С. Русинова-О.М. Гриндель [10, 35], именно показатели пространственной синхронизации ЭЭГ отражают интегративные межцентральные взаимодействия в мозге как основу формирования определенных функциональных состояний человека и обеспечения разных видов его деятельности, включая психическую.
Показатели фоновой и реактивной ЭЭГ сопоставляли с имеющимися эталонными нормативными характеристиками взрослых людей (74 человека), а в ряде экспериментальных серий - и детей разного возраста [32]. Последнее представляет особый научный интерес в связи с данными литературы о сходстве динамики посттравматического восстановления психической деятельности с формированием ее в онтогенезе [28].
Количественные различия спектрально-когерентных показателей ЭЭГ больных по сравнению с нормой и оценка их изменений в динамике основывались на непараметрическом тесте Манна-Уитни [6].
Наряду с этим для ряда специфических устойчивых посттравматических ЭЭГ-феноменов (доминирующие ритмы фоновой ЭЭГ, разные формы локальной медленной активности и пароксизмальные проявления) выявляли трехмерную локализацию эквивалентных дипольных источников (ЭДИ) на основе программы BrainLoс 5.0 [24]. Сходимость ЭДИ ряда ЭЭГ-феноменов с зонами повреждения мозга при ТЧМТ была показана ранее в серии специальных исследований [4].
Результаты и обсуждение
Установлено, что для рисунка ЭЭГ у пациентов с ПКБС характерны выраженные отличия от нормы в виде нарушения пространственной организации, отсутствия или значительной редукции доминирующего в норме альфа-ритма при увеличении медленных дельта и тета (чаще при вегетативном состоянии пациента) или, напротив, высокочастотных бета-составляющих (при разных модификациях мутизма) (рис. 1, а).
ЭДИ доминирующих на ЭЭГ патологических видов активности локализованы в стволовых, подкорковых и базальных структурах мозга. Причем это относится как к медленным формам активности, так и к более высокочастотным бета- и даже альфа-составлящим (см. рис. 1, б), которые отражают в этих условиях раздражение гиппокампа и других лимбических структур мозга [3]. Полученные данные свидетельствуют о том, что на ранних посткоматозных этапах на ЭЭГ преобладают влияния со стороны стволовых и подкорковых образований (ПКБС в форме вегетативного состояния) либо подкорковых, диэнцефальных и базальных структур головного мозга (разные формы мутизма) на фоне угнетения (подавления) функциональной активности коры.
При обратимом ПКБС поступательный процесс восстановления сознания сопровождается постепенным нивелированием диффузных и очаговых медленных волн либо других видов локальных патологических нарушений и формированием регулярного, нормально организованного альфа-ритма (см. рис. 1, в). В то же время для хронического бессознательного состояния характерна стойкость общих и особенно локальных нарушений ЭЭГ-паттерна на протяжении от 6 мес до 1,5 лет и более после травмы, что указывает на их обусловленность непосредственным структурным повреждением определенных зон мозга.
Вместе с тем даже в пределах одного типа бессознательного состояния обращало на себя внимание определенное разнообразие паттернов ЭЭГ (нами было выделено, например, 7 таких вариантов для вегетативного состояния и акинетического мутизма) [46]. Это указывает на вероятную множественность вариантов структурно-функциональных повреждений мозга, обусловливающих ПКБС. Наше предположение подтверждается современными данными МРТ о множественном и вариантном сочетании повреждения стволовых, подкорковых, корковых структур мозга при ТЧМТ [17], результатами нейрохимических исследований [1, 52], а также разнообразием клинической картины ТЧМТ [26, 39, 50-52].
Так, М.В. Челяпиной [41] были выделены и подробно исследованы два клинико-энцефалографических синдрома в динамике развития посттравматического бессознательного состояния. Клиническим признакам дофаминергической недостаточности сопутствовало стойкое усиление на ЭЭГ бета-активности на разных стадиях восстановления психической деятельности (рис. 3, а). В то же время у пациентов с клиническими проявлениями холинергической недостаточности характерным для ЭЭГ было наличие альфа-активности некоркового генеза даже при глубоком (в виде комы) угнетении сознания - с последующей реорганизацией и нормализацией этого ритма в процессе восстановления (см. рис. 3, б).
Таким образом, динамические особенности паттерна ЭЭГ при ПКБС позволяют охарактеризовать тяжесть текущего состояния пациента, выявить структуры мозга с наиболее выраженной дисфункцией, определить зону локального коркового повреждения, а также общую направленность развития травматической болезни (как бы динамику «гомеостаза» головного мозга). Однако они не отражают напрямую уровень и особенности текущего состояния сознания.
Анализ частотных характеристик спектра мощности ЭЭГ по показателям средняя частота-эффективная частотная полоса выявил достоверную корреляцию данной характеристики с исходом ТЧМТ [43].
Это отчетливо проявилось при анализе как фоновых, так и реактивных изменений ЭЭГ. Установлено, что реактивные сдвиги ЭЭГ разной направленности выявляются у пациентов и в коме [14, 70], и в вегетативном состоянии (более чем в 75% наблюдений). Однако стереотипные ЭЭГ-реакции с усилением патологической активности в узком частотном диапазоне (по типу доминантного очага) имеют прогностически неблагоприятное значение. Напротив, вариативные по отношению к раздражителям изменения с расширением частотного спектра ЭЭГ и приближением его к норме характерны для пациентов с обратимым бессознательным состоянием [45].
Вместе с тем углубленный анализ прогностической информативности частотных показателей фоновой ЭЭГ с учетом сроков после травмы выявил, что наибольшие различия между пациентами с обратимым и необратимым ПКБС (по степени отклонения значений средней частоты - эффективной частотной полосы спектра мощности ЭЭГ от нормы) обнаруживались в период наблюдения более 3 мес после травмы (рис. 4).
Переходя к данным анализа когерентности ЭЭГ, следует подчеркнуть, что классические представления отечественных исследователей об интегративных функциональных межцентральных связях как основе формирования функционального состояния и разных видов деятельности, включая психическую [25, 35], подтверждены многочисленными экспериментальными, психофизиологическими и клинико-физиологическими исследованиями и в России, и за рубежом. Эти представления созвучны с идеями С. Stam [73] о сетевой организации деятельности мозга, а также с представлениями многих современных авторов о значимости функциональных церебральных взаимодействий (functional brain connectivity), базирующимися на результатах электрофизиологических и нейровизуализационных исследований [55, 58, 61, 75].
Высокую функциональную значимость когерентности подтверждают и результаты ЭЭГ-фМРТ сопоставлений при разных функциональных пробах (как например, открывание глаз и перебор пальцев руки) у здоровых людей [5]. Показано, что среди всех количественных характеристик ЭЭГ топографии локального фМРТ-ответа в наибольшей степени соответствуют изменения когерентности, причем в определенных частотных диапазонах: альфа высокой частоты (10,5-12,5 Гц), а также бета-активности (20-30 Гц). При нагрузках когерентные связи этих «рабочих ритмов ЭЭГ» значимо усиливаются по сравнению с фоном.
У пациентов с посттравматическим ПКБС большинство когерентных связей в основных частотных диапазонах ЭЭГ достоверно снижены по сравнению с нормой, отражая тормозное состояние коры. Особо следует подчеркнуть факт резкого ослабления межполушарного взаимодействия (см. рис. 1, б), варьирующего от 30 до 80% относительно нормы и акцентированного в лобных корковых областях. Этот факт, выявленный первоначально статистически в репрезентативной группе наблюдений [72], был подтвержден на разных выборках пациентов с помощью усовершенствованных подходов к анализу ЭЭГ [12, 44, 63], а в последние годы - и в фМРТ-исследованиях [60, 61, 74]. Как установлено ранее [3], ослабление межлобных когерентных связей ЭЭГ может быть обусловлено не только непосредственным повреждением лобных долей или комиссуральных трактов, но также поражением (дисфункцией) регуляторных структур мозга разного уровня.
По мере восстановления сознания пациентов с ПКБС происходит постепенное усиление межполушарных когерентных связей фоновой ЭЭГ в широком частотном диапазоне и восстановление характерного для нормы пространственного градиента (доминирование ее в передних областях полушарий) (см. рис. 1, б). Вместе с тем наиболее резкое (80%) и устойчивое (месяцы, годы) ослабление межполушарного взаимодействия выражено при хроническом ПКБС (феномен функционального «разобщения полушарий») и выступает в качестве его маркера. Данные о динамике межполушарной когерентности ЭЭГ при ПБКС согласуются с результатами исследований трактов мозолистого тела у этой категории пациентов [17, 18].
Детальный анализ изменений когерентности в динамике восстановления сознания по узким частотным диапазонам показал, что наиболее отчетливо его позитивные изменения сопряжены с нормализацией межлобных альфа-связей на частоте 10,5-12,5 Гц, а также гиперсинхронизацией бета-активности частотой 17-23 Гц в левом полушарии (лобно-центральные, лобно-теменные и лобно-затылочные связи). Эти данные сходны с результатами текущих ЭЭГ-исследований других авторов [63]. Позитивные сдвиги в сфере сознания сопряжены по большей части с изменениями когерентности (согласованности) «рабочих ритмов ЭЭГ» как в лобных отделах обоих полушарий, так и в пределах левого.
В ситуации активизации зрительного внимания именно наличие межполушарной реактивности, включая лобные доли, с самых ранних посткоматозных этапов характерно для пациентов с обратимым бессознательным состоянием (рис. 5), что отражает потенциальные возможности фронто-таламического комплекса в обеспечении избирательного произвольного внимания [27].
Таким образом, являясь интегральной характеристкой системной деятельности мозга, показатели фоновой межполушарной (в первую очередь лобной) когерентности ЭЭГ и ее изменения при реакциях на внешние стимулы в наибольшей степени отражают степень угнетения сознания, его динамику и потенциал восстановления.
Это положение созвучно представлениям S. Laureus [61] и J. Eriksson [56], основанным на результатах фМРТ-исследований, о преимущественном отношении к сознанию лобных отделов полушарий, особенно левого, в связи с их сопряженностью с вниманием. Наши данные в определенном смысле дополняют их фактором значимости согласованности межполушарной лобной активности.
Результаты исследования когерентности ЭЭГ обосновывают перспективность направленных стимулирующих лечебных воздействий при ПКБС. Это было подтверждено в серии наблюдений у 7 пациентов с ПКБС. У 5 из них даже однократная подпороговая ритмическая транскраниальная магнитная стимуляция сагиттальных отделов премоторной коры (как проекции передней системы внимания по М. Posner [69]) сопровождалась выраженным и стойким ускорением процесса восстановления наряду с позитивными изменениями рисунка ЭЭГ и повышением когерентности между полушариями, а также в пределах левой гемисферы [47].
В текущих исследованиях все большее внимание мы уделяем изучению функциональных возможностей пациентов с ПКБС, пытаясь приблизиться к пониманию характера субъективных переживаний. Как следует из представленных данных, функциональное состояние пациентов с ПКБС и их реактивность обеспечиваются главным образом активностью глубинных структур мозга разного уровня при инактивации коры, что подтверждают и данные фМРТ [ 60, 61]. Вместе с тем, по мнению, например, B. Merker [65], это не исключает наличия у пациентов с отсутствием внешних признаков сознания переработки информации, переживаний и самосознания за счет стволовых и подкорковых образований, даже в отсутствие коркового интерфейса.
Анализируя у пациентов с ПКБС изменения ЭЭГ при активизации зрительного внимания в сопоставлении с данными литературы [38, 40], мы предположили возможное сходство этих реакций с детскими: при хроническом ПКБС - с реакциями мозга ребенка до первых 6 мес жизни, при обратимом - в возрасте около года и старше [49]. Совместные с Г.А. Портновой и соавт. [32] исследования подтверждают эту гипотезу, выявив сходство ЭЭГ-реакций на тактильные раздражители между группой пациентов с обратимым ПКБС (кома 1 - вегетативное состояние) и детьми 5-6 лет, в отличие от реакций взрослых людей. Сходство с детскими ЭЭГ-реакциями проявляется и в топографии изменений, и в специфическом поведении отдельных частотных диапазонов.
В последние годы на основе анализа фМРТ и ВП (вызванных потенциалов) у пациентов с ПКБС удалось выявить системные реактивные изменения мозга на довольно сложные функциональные нагрузки [66, 69]. Так, при исследовании длиннолатентных когнитивных компонентов акустического вызванного потенциала (N100, N200, P300) при ПКБС Л.Б. Окниной и соавт. [29] было показано, что у пациентов с обратимой формой угнетения сознания уже при вегетативном состоянии или акинетическим мутизме регистрируются ответы и в задаче прослушивания разномодальных звуков, и при инструкции считать значимые.
Представленные данные указывают на вероятную недооценку и явную недостаточность наших знаний о функциональных возможностях деятельности мозга при ПКБС, что обусловливает перспективность дальнейших исследований этой направленности.
Заключение
В различных показателях ЭЭГ у пациентов с посттравматическим угнетением сознания находят преимущественное отражение разные стороны функционирования мозга. Динамические особенности рисунка ЭЭГ (с анализом эквивалентных дипольных источников отдельных составляющих) позволяют охарактеризовать тяжесть текущего состояния пациента, выявить структуры мозга с наиболее выраженной дисфункцией, определить зону локального коркового повреждения, а также общую направленность развития травматической болезни (как бы динамику гомеостаза головного мозга). Частотные характеристики спектра мощности ЭЭГ (средняя частота - эффективная частотная полоса) в фоне и при реакциях обнаруживают наибольшую прогностическую значимость, особенно при оценке их через 2-3 мес после травмы. Являясь интегральной характеристкой системной деятельности мозга, показатели фоновой межполушарной (в первую очередь, лобной) когерентности ЭЭГ и ее изменения при реакциях на внешние стимулы в наибольшей степени отражают степень угнетения сознания, динамику и потенциал его восстановления.
Значительный интерес представляют исследования функциональных возможностей и индивидуальных особенностей реактивных изменений биопотенциалов мозга при ПКБС. Электрофизиологический метод имеет в этой связи ряд преимуществ относительно фМРТ: лучшее временное разрешение, комфортность, дешевизна. Результаты этих исследований могут способствовать коррекции лечения и ускорению восстановления пациентов с посттравматическим угнетением сознания - наряду с возможным вкладом в решение теоретической проблемы понимания функциональных возможностей человеческого мозга.
Не исключено, что в отличие от сопряженности разных видов деятельности человека «сознательного» c «рабочими» ЭЭГ-ритмами (высокочастотный альфа, а также бета и гамма) маркеры функциональной активности человека «бессознательного» следует искать в более медленной части спектра ЭЭГ. Перспективным при ПКБС представляется привлечение подхода «интерфейс мозг-компьютер».
Поддержано грантом РФФИ (проект 13-04-12061 ОФИ-М).
Комментарий
Электрофизиологические исследования, проведенные в НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко у пациентов с длительным угнетением сознания при тяжелой черепно-мозговой травме (ТЧМТ) и других формах церебральной патологии, отличаются системным подходом и доказали свою высокую информативность.
Выявление ранних объективных количественных показателей ЭЭГ, характеризующих состояние сознания, необходимо для своевременного прогнозирования и для ранней целенаправленной коррекции затяжных бессознательных состояний после тяжелой черепно-мозговой травмы. Поэтому авторы на протяжении десятилетий проводили сравнительный анализ ЭЭГ в динамике восстановления сознания после ТЧМТ для определения наиболее информативных показателей количественной ЭЭГ.
Для практикующих врачей интенсивной терапии, нейрохирургов, неврологов, реабилитологов особенно важно выявление авторами значимых различий параметров ЭЭГ у пациентов с обратимым и необратимым посткоматозным бессознательным состоянием (ПКБС) в периоде более 3 мес после травмы. Это еще раз доказывает необходимость наиболее ранних - до 2-3 мес после инцидента - и адекватных терапевтических воздействий, которые собственно и предопределяют перспективы восстановления психической деятельности у данной категории пациентов.
Следует отметить необоснованно «узкое» применение метода количественной ЭЭГ в современном практическом здравоохранении, в то время как в результате проведенного авторами статьи исследования было доказано, что важными предикторами степени угнетения сознания, динамики его восстановления являются показатели межполушарной (преимущественно лобной) когерентности ЭЭГ и ее изменения в ответ на внешние стимулы.
В статье поставлены новые вопросы, которые предопределяют перспективы дальнейших исследований состояния пациентов с посттравматическим угнетением сознания.
В.И. Черний (Донецк)