1.8.1 Классификация сна на основе ЭЭГ

В норме уровень функциональной активности мозга определяется циклом бодрствование - сон, а в состоянии бодрствования дополнительные градации вносятся интенсивной психической активностью, напряженным вниманием. Этому состоянию соответствует десинхронизация на ЭЭГ, которая выражается в уменьшении амплитуды и увеличении частоты ритмов.

Активным бодрствованием определяется состояние человека, занимающегося какой-либо деятельностью, которая требует высокой степени внимания. При исследовании ЭЭГ, длительного состояния активного бодрствования можно добиться, предложив обследуемому решить какую-либо достаточно сложную, например вычислительную, задачу в уме. В этой экспериментальной ситуации десинхронизация на ЭЭГ поддерживается достаточно длительно, однако, как правило, не бывает столь выраженной, как при реакции активации на одиночный неожиданный стимул.

Расслабленным бодрствованием определяется состояние обследуемого, покоящегося в удобном кресле или на постели с расслабленной мускулатурой и закрытыми глазами, не занятого какой-либо специальной физической или психической активностью. У большинства здоровых взрослых людей, обследуемых в этом состоянии, на ЭЭГ регистрируется регулярный альфа-ритм максимальной амплитуды. Этот ритм может изредка прерываться, очевидно, в связи с активностью за счет собственной психической активности обследуемого. Предъявление в этой стадии внешних раздражителей вызывает реакцию активации на ЭЭГ.

Организация процесса сна представляет собой последовательность появления различных стадий сна, циклическая их организация свидетельствуют о существовании определенной регуляторной системы. Различают два состояния - фазу медленного и фазу быстрого сна.

Фаза медленного сна (синонимы: медленноволновой сон, синхронизированный, ортодоксальный) характеризуется замедленной ритмикой, в частности, появлением в ЭЭГ сонных веретен (сигма-ритм, веретенообразные комплексы колебаний частотой 12-16 периодов в 1 сек.) и высокоамплитудной дельта-активностью.

У человека в фазе медленного сна выделяют ряд стадий, характеризующихся определенной электроэнцефалографической картиной и глубиной сна:

Стадия I, или дремотная стадия, характеризуется постепенным замещением альфа-ритма на ЭЭГ низкочастотными колебаниями, появлением низкоамплитудных тета (4-7 Гц) и дельта (1-4 Гц) волн, а также низкоамплитудной высокочастотной активности. Визуально ЭЭГ может быть расценена как уплощенная и десинхронизированная с наличием полиморфной низкоамплитудной активности. Предъявление на этом фоне внешних стимулов может вызвать появление вспышек высокоамплитудного альфа-ритма. Продолжительность этой стадии обычно 1-7 минут. Медленные колебания появляются к концу этой стадии, амплитуда их не превышает 75 мкВ. В это же время спонтанно или в ответ на сенсорные стимулы могут появиться вертексные острые переходные потенциалы, представляющие собой одиночные или групповые монофазные поверхностно негативные острые волны с максимумом в области макушки, обычно не превосходящим 200 мкВ. Первая стадия, особенно ее начало, характеризуется также медленными движениями глаз.

Стадия II, или стадия сонных веретен, характеризуется появлением сонных веретен - комплексов колебаний частотой 12-16 периодов в секунду. Продолжительность веретен составляет 0,5-3 с, амплитуда обычно около 50 мкВ. Для этой стадии характерно наличие К-комплексов - двухфазных колебаний потенциала, часто непосредственно переходящих в сонные веретена. Амплитуда его максимальна в области макушки, продолжительность не менее 0,5 с. К-комплексы возникают спонтанно или в ответ на сенсорные стимулы. В этой стадии эпизодически наблюдаются также вспышки полифазных высокоамплитудных медленных волн. Медленные движения глаз отсутствуют. Эта картина ЭЭГ соответствует относительно неглубокой стадии сна.

Стадия III характеризуется увеличением числа регистрируемых на ЭЭГ дельта-волн (частотой 2 кол/с и менее), занимающих от 20 до 50% эпохи записи. Критерием отнесения ЭЭГ к третьей стадии является количество медленных волн амплитудой больше 75 мкВ. В этой стадии часто трудно дифференцировать К-комплексы от дельта-волн. Сонные веретена могут полностью отсутствовать.

Стадия IV определяется наличием на ЭЭГ дельта-волн частотой 2 кол/с и менее, амплитудой выше 75 мкВ, занимающих более 50% эпохи записи ночного сна.

Фаза быстрого сна характеризуется значительным снижением амплитуды колебаний на ЭЭГ, пилообразными разрядами, низкоамплитудной быстрой активностью, иногда появлением альфа-ритма, частота которого снижается на 1-2 кол/с; появлением быстрых движений глаз на ЭОГ, резким снижением тонуса мышц, регистрируемым на ЭМГ. Фазу быстрого сна еще называют фазой быстрого движения глаз или REM стадией (Rapid Eye Movements), или парадоксальным сном.

Появлению эпизода быстрого сна обычно предшествует "переходная" стадия, в которой имеет место сочетание электрографических признаков обеих фаз сна. В переходной стадии, составляющей обычно 1-5% общей длительности сна, наблюдается значительная представленность вертекс-потенциалов (острые волны амплитудой около 200 мкВ), К-комплексов, замедленных колебаний, сонных веретен, быстрой ритмики и участков плоской кривой, появление хаотичных движений глаз.

Для объективного изучения сна и его нарушений используется полисомнография - метод, включающий параллельную регистрацию ЭЭГ, ЭОГ и ЭМГ. Эти показатели являются базовыми для идентификации стадий и фаз сна. На основании анализа этих показателей строится гипнограмма - временной график сна, отражающая динамику стадий и фаз сна в течение периода регистрации. На рисунке 6 представлен пример гипнограммы, отражающей естественный цикл сна человека.

В естественных условиях сон начинается с фазы медленного сна, с первой стадии постепенно углубляется до самых глубоких стадий и затем сменяется фазой быстрого сна. Это составляет цикл сна. В течение ночи у здоровых лиц наблюдается 4-5 циклов, в среднем повторяющихся через 90-120 мин. Первый цикл начинается с момента засыпания и заканчивается первым эпизодом быстрого сна, последующие циклы - от конца предыдущего периода быстрого сна до окончания следующего эпизода быстрого сна. Длительность эпизодов быстрого сна, минимальная в первых циклах, к утру постепенно возрастает, в то время как представленность наиболее глубокого дельта-сна (III и IV стадии вместе), максимальная в первых 2-3 циклах, уменьшается в последних циклах сна.

Система, разработанная Рейхшаффеном и Келли (R&K) в 1968 году, была первой универсальной и общепринятой системой классификации стадий сна [8]. Она позволила провести стандартизацию критериев разделения стадий сна и тем самым дала возможность сравнивать результаты исследований, проведенных в разных лабораториях и клиниках.

По системе R&K стадиям сна соответствуют следующие характеристики:

Бодрствование - равномерная альфа активность и низкоамплитудная смешанная активность;

Стадия 1 "дремотная" - сравнительно низкоамплитудная смешанная активность на ЭЭГ;

Стадия 2 "легкий сон" - 12-14 Hz сонные веретена и K-комплексы;

Стадия 3 "глубокий сон" - появление высокоамплитудной низкочастотной активности;

Стадия 4 "глубокий сон" - преобладание высокоамплитудной низкочастотной активности;

REM-сон "быстрый сон" - относительно низко амплитудная смешанная активность на ЭЭГ (десинхронизация ЭЭГ), эпизоды быстрого движения глаз, низкоамплитудная активность на ЭМГ.

Система базируется на том, что для анализа, необходимы записи с одного канала ЭЭГ (C4/A1 или C3/A2 согласно системе 10-20), двух каналов ЭОГ и одного канала ЭМГ.

Вся запись делится на сегменты по 30 секунд и для каждого сегмента рассчитываются основные параметры ритмов: индексы и амплитуды. Индекс ритма рассчитывается как отношение суммы длительностей отрезков представляющих ритм к общей длительности сегмента. В качестве амплитуды, характеризующей ритм, используется максимальная амплитуда данного ритма в сегменте.

Однако сегодня становится очевидным, что система R&K подразумевает некоторые ограничения. Одно из ограничений - это фиксированная длина сегмента 20 - 30 секунд. А если переход между стадиями случится в середине этого участка, то эксперту все равно придется выбирать одну из стадий. Другая проблема данной системы в том, что она была разработана относительно молодых и здоровых пациентов, в случае обследования пациентов старшего возраста или с расстройствами сна этот метод может не дать точных результатов. Из-за того, что анализ должен выполняться человеком, что само по себе требует много времени и сил, возникает проблема субъективной интерпретации [6]. Поэтому сейчас исследователи нуждаются в объективных компьютеризированных методах классификации стадий сна. Для этих целей могут быть использованы классификаторы на основе нейронных сетей. Для коротких сегментов ЭЭГ рассчитываются определенные характеристики, например статистические или спектрально-корреляционные, которые будут идентифицировать конкретный сегмент. После этого классификатор разделяет все сегменты на заданное количество групп. Очевидно, что такой анализ применим к ЭЭГ сигналу, но только после его предварительного сегментирования на участки относительной стационарности. Это, в свою очередь, привело исследователей к необходимости разработки технологий выделения так называемых квази-стационарных участков в ЭЭГ сигнале. Первые же позитивные данные в этом направлении позволили не только указать путь более корректного оценивания статистических свойств ЭЭГ сигнала, но, что представляется более важным, - дали первые основания к совершенно новому пониманию организации ЭЭГ как кусочно-стационарного процесса [9].