7 ЧаСТоТно-ВреМеннаЯ ХараКТериСТиКа ПиК

▪ биологические науки ▪
УДК 611.813.14.018: 599.323.4
7
ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ПИК- ВОЛНОВЫХ РАЗРЯДОВ В ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММЕ
КРЫС С РАЗЛИЧИЯМИ В АЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЕ ГЕНА
РЕЦЕПТОРА ДОФАМИНА ВТОРОГО ТИПА (DRD2)
А.М. Мусина, Л.Б. Ка лимуллина
Башкирский государственный университет, г. Уфа, marmishka-06@mail.ru
В работе приведены результаты исследования
частотно-временной структуры
пик-волновых разрядов (SWD) и сравнительного анализа количественных характеристик ЭЭГ двух групп гомозиготных крыс линии WAG/Rij с генетической абсансной
эпилепсией, которые различались представительством аллелей в локусе TAG 1A гена
DRD2.
Ключевые слова: абсансная эпилепсия, атипичные разряды пик-волна, модифицированное вейвлет-преобразование.
THE TIME-AND-FREQUENCY CHARACTERISTICS SPIKEWAVE DISCHARGES IN ELECTROENCEFALOGRAM RAT’S
WHICH ARE DIFFER IN GENOTYPE LOCUS TAG 1 A OF GENE
RECEPTOR OF DOPAMINE SECOND TYPE ((DRD2)
A.M. Musina, L.B. Kalimullina
Bashkir state university, Ufa, marmishka-06@mail.ru
In work are presented results of research of time-and-frequency structure of spike-wave
discharges and the comparative analysis of quantitative characteristics EEG of two groups
WAG/Ri rats with genetics absence epilepsy, which are homozygous in biallele locus TAG
1A DRD2.
Keywords: absence epilepsy, modified wavelet, atypical -wave discharges.
Основной характеристикой абсансной
мическим типом эпилепсии. Кортикальный
эпилепсии являются разряды пик-волна
фокус в соматосенсорной коре является ве-
(spike-wave discharges, SWD). Это спон-
дущим в распространении пик-волновой ак-
танно возникающие генерализованные вы-
тивности по кортикоталамическим нервным
сокоамплитудные эпизоды электрической
сетям в течение спонтанных абсансных су-
активности
дорог («hot spot theory) [4].
мозга,
сопровождающиеся
кратковременным отключением сознания.
Важным звеном в патогенетических меха-
представлениям
низмах абсансной эпилепсии является дефи-
абсансная эпилепсия является кортикотала-
цит дофаминергической системы, при этом
Согласно
современным
фундаментальные исследования №6, 2010
8
▪ биологические науки ▪
ведущее значение имеет изменение уровня
Операции вживления электродов на кры-
функционирования дофаминовых рецепто-
сах проводили в стерильных условиях.
ров второго типа (DRD2) [1].
В качестве наркоза использовали хлорал-
В ранее проведенных генетических иссле-
гидрат в дозе 400 мг / кг. После наркотиза-
дованиях установлено, что у крыс WAG / Rij
ции и местной анестезии мягких тканей
генотип локуса TAG 1A (DRD2) может
головы проводили скальпирование и вжив-
представлять различное сочетание двух ал-
ление нихромовых электродов эпидураль-
лелей — А1 и А2. В исследованной популя-
но: во фронтальную кору — поле 6 (AP-+3;
ции крыс линии WAG / Rij наиболее часто
LM-3); в теменную кору — поле 2 (AP-0;
встречали генотип А1 / А2 (75 % животных),
LM-5); в затылочную кору — поле 17 (AP -6;
остальные генотипы были более редкими:
LM-3) [9]. Индифферентный электрод рас-
А2 / А2 — 21 % А1 / А1 — 4 % животных. Целе-
полагался в кости над мозжечком. После
направленное скрещивание крыс позволило
восстановительного периода (7‑8 дней) про-
получить на кафедре морфологии и физио-
изводили регистрацию фоновой ЭЭГ. За-
логии человека Башкирского государствен-
пись осуществляли в программе EEGView
ного университета две субпопуляции гомо-
(А. М. Спиридонов). Использовали электро-
зиготных крыс указанной линии [3].
энцефалограф Bioskript 2000 (Германия),
Одним из направлений в анализе элек-
постоянная времени — 0,3 с, фильтр высо-
трической активности мозга является ис-
кой частоты — 70 Гц, параллельно сигнал
пользование вейвлет-преобразования [9].
поступал в компьютер для дальнейшей об-
Для анализа частотно-временной структуры
работки.
разрядов пик-волна у пациентов с абсанс-
Анализ частотно-временной структуры
ной эпилепсией метод был специально мо-
разрядов был проведен с помощью вейвлет-
дифицирован [2, 6, 7, 8].
анализа. Суть преобразования состоит в раз-
Целью нашей работы было исследование
ложении по базису одномерного сигнала,
с помощью модифицированного вейвлет-
сконструированного из обладающих опреде-
преобразования
ленными свойствами функций, посредством
особенностей
частотно-
временной структуры разрядов пик-волна,
масштабных изменений и переносов.
зарегистрированных в ЭЭГ двух групп го-
Непрерывное вейвлет-преобразование W
мозиготных крыс линии WAG / Rij, которые
функции f задается формулой Wf (a, b) =1 / √ ∫
различались представительством аллелей
f (x) ψ { (x-b) / a} dx, где a, b — коэффициенты
в локусе TAG 1A гена рецептора дофамина
масштабирования и сдвига соответственно
второго типа (DRD2).
[2]. Коэффициент b отвечает за сдвиг по вре-
Для работы были использованы 12 живот-
мени, а коэффициент а — за частотную харак-
ных с генотипом А1 / А1 по локусу TAG 1А
теристику. Для частотно-временного анализа
гена DRD2 (условное обозначение данной
часто используют вейвлет Морле, поскольку
группы А1А1) и 12 животных с генотипом
он имеют наилучшую одновременно частот-
А2 / А2 по тому же локусу (обозначение —
ную и временную локализацию. Вейвлет
А2А2).
Морле определяется следующим выражени-
фундаментальные исследования №6, 2010
9
▪ биологические науки ▪
ем: ψ (x) =C1 exp (-x² / 2) cos (C2 x), где C1,
разрядами. Для расчета индекса находили
C2 — константы. Спектрограммы Морле
сумму длительности всех пик-волновых раз-
дают представление об изменении амплиту-
рядов на протяжении всего файла, за 100 %
ды в течение разряда, однако точная коли-
принимали продолжительность файла.
чественная оценка изменений частоты с по-
Особенности
частотно-временной
мощью обычного вейвлет-преобразования
структуры пик-волновых разрядов крыс
Морле является сложной.
группы А1А1. Средняя продолжительность
Bosnyakova D, Obukhov Yu., (2005), Га-
разрядов, зарегистрированных в ЭЭГ крыс
бова и др. (2008) модифицировали вейвлет
группы А1А1, составила 5,6±0,34 с., сред-
Морле таким образом, чтобы разложение
нее количество пик-волновых разрядов
исходного сигнала по модифицированному
в проанализированных файлах крыс анали-
базису позволяло выделить динамику часто-
зируемой группы равно 8,6±0,66. Еще один
ты разряда: ψ (x) =xe–х / 2cos (5х). Преоб-
важный количественный показатель пик-
разование сигнала по такому модифициро-
волновых разрядов, отражающий, какую
ванному базису будет иметь нули в точках,
долю занимают пик-волновые разряды
в которых трехмерный «хребет», получен-
в общей длительности записи, — это пик-
ный с помощью обычного преобразования
волновой индекс. Этот показатель составля-
Морле, имеет максимум [2, 6, 7, 8].
ет 9,5±0,82 %.
2
Кроме исследования частотно-временной
Применяя модифицированное вейвлет
структуры разрядов, был рассчитан пик-
преобразование и вейвлет преобразование
волновой индекс. Пик-волновой индекс
Морле, мы построили более тысячи преобра-
(SWDInd) — это процент времени, занятый
зований входного сигнала. На рис. 1 представ-
Рис. 1. Частотно-временная структура пик-волнового разряда крыс группы А1А1; а) запись разряда пик-волна, калибровка 1с., 500 мкВ; б) трехмерный график преобразования
Морле данного разряда. По осям на трехмерном графике – время (с.), частота (Гц), коэффициент вейвлета (W); в) анализ с помощью модифицированного вейвлета: по горизонтали — время, по вертикали – частота
фундаментальные исследования №6, 2010
10
▪ биологические науки ▪
лены результаты вейвлет-преобразования
— W — (пропорционален амплитуде) коле-
одного из разрядов крыс группы А1А1,
блется в диапазоне от 1000 до 2000 мкВ.
зарегистрированного в теменной области
Особенности
частотно-временной
коры. Данный пик-волновой разряд имеет
структуры пик-волновых разрядов крыс
продолжительность 4,5 секунды (рис. 1а).
группы
Частота комплексов «пик-волна» в началь-
ность разрядов у крыс данной группы рав-
ный момент времени составляет 14,8 Гц,
на 3,72±0,14 с., часто продолжительность
(рис. 1в), в течение первой секунды частота
разрядов не превышала 2‑3 с. Количество
разряда снижается до отметки 8 Гц, а затем
пик-волновых разрядов крыс группы А2А2
на фоне общего небольшого снижения от-
составила 4,21±0,41. На основе этих пара-
мечены периодические флуктуации часто-
метров нами был посчитан третий коли-
ты в диапазоне десятых долей герца. Такие
чественный показатель пик-волновых раз-
флуктуации в течение разряда встречаются
рядов — пик-волновой индекс, и у крыс
несколько раз, и их период составляет около
данной группы он составляет 2,71±0,25 %.
А2А2.
Средняя
продолжитель-
трех секунд (рис. 1в). Средняя начальная ча-
Для анализа частотно-временной струк-
стота комплексов «пик-волна» у крыс груп-
туры разрядов были использованы моди-
пы А1А1 равна 14,1±0,10 Гц. Анализируя
фицированное
вейвлет-преобразование Морле (рис. 1б),
и вейвлет-преобразование Морле. На рис. 2
мы отметили, что коэффициент вейвлета
представлен короткий разряд, характерный
вейвлет
преобразование
Рис. 2. Частотно-временная структура коротких разрядов, характерных для группы
А2А2: а) запись разряда пик-волна, калибровка 0,5с., 500 мкВ; б) трехмерный график преобразования Морле данного разряда. По осям на трехмерном графике – время (с.), частота (Гц), коэффициент вейвлета (W); в) анализ с помощью модифицированного вейвлета:
по горизонтали — время, по вертикали — частота.
фундаментальные исследования №6, 2010
11
▪ биологические науки ▪
для анализируемой группы. Разряд длится
Проанализировав полученные вейвлет-
около двух секунд. Он начинается с высокой
преобазования, мы обнаружили, что у крыс
частоты — 14‑16 Гц (рис. 2в). В течение всего
группы А2А2 имеются разряды, которые
короткого разряда происходило стремитель-
не подходят по описанию тем разрядам,
ное снижение его частоты. Скорость умень-
которые были охарактеризованы выше.
шения частоты у коротких разрядов обычно
Для них свойственна менее выраженная
была 1 Гц / с или более. Иногда на этом фоне
симметричность по сравнению с вышеопи-
наблюдали небольшое временное повыше-
санными разрядами, они — асимметричны.
ние частоты (рис. 2б — на отметке 1,5 с мож-
В большинстве случаев не наблюдали чет-
но наблюдать незначительный подъем часто-
кого опережения разряда во фронтальной
ты). Средняя начальная частота комплексов
коре. Максимальная частота комплексов
«пик-волна» у крыс группы А2А2 составила
«пик-волна» могла приходиться как на се-
12,8±0,13 Гц. Коэффициент вейвлета (W)
редину, так и на его конец. Эти разряды
у крыс данной группы колеблется в диапазо-
были обозначены как «атипичные». На рис.
не 1000‑1500 (рис. 2в).
3
представлен
вейвлет-анализ
одного
Рис. 3. Частотно-временная динамика атипичного разряда, зарегистрированного в ЭЭГ
группы А2А2: а) запись разряда пик-волна, калибровка 0,5с., 500 мкВ; б) трехмерный график преобразования Морле данного разряда. По осям на трехмерном графике — время (с.),
частота (Гц), коэффициент вейвлета (W); в) анализ с помощью модифицированного вейвлета: по горизонтали — время, по вертикали — частота
из «атипичных» разрядов, зарегистриро-
приходится на середину разряда (рис. 3в),
ванных нами у крыс группы А2А2. Макси-
коэффициент вейвлета (W) в начальный
мальная частота комплексов «пик-волна»
момент разряда составляет 1500, затем профундаментальные исследования №6, 2010
12
▪ биологические науки ▪
исходит значительное колебание его зна-
значимо больше по сравнению с группой
чения, которое выражается образованием
А2А2 (p<0,001).
двух «хребтов» на вейвлет преобразовании
2. Пик-волновой индекс (время, занятое
Морле (рис. 3б, показано стрелочками).
разрядами) у крыс группы А2А2 достовер-
Для крыс группы А2А2 мы отметили чере-
но ниже по сравнению с тождественным
дование широкогенерализованных по коре
показателем у группы А1А1; p<0,001.
разрядов с разрядами с «атипичной» струк-
3. По частотно-временной структуре
крысы группы А1А1 и А2А2 неоднородны:
турой.
В настоящей работе были исследованы
для группы А1А1 характерны типичные
особенности структуры одного из видов
разряды, для группы А2А2 — одновремен-
высокосинхронизированной
ное присутствие типичных и атипичных
патологиче-
ской активности коры головного мозга —
разрядов на ЭЭГ.
разрядов «пик-волна» неконвульсивной
Список литературы
абсансной эпилепсии. Для крыс группы
1. Бирюкова Л. М., Мидзяновская И. С.,
А1А1 были получены следующие резуль-
Ленсу С., Туомисто Л., Ван Луийтелаар Ж.,
таты: в самом начале разряда «пик-волна»
Базян А. С.// Нейрохимия. — 2006; 23:
частота была наиболее высокой в лобных
3:234‑239.
отделах коры, и этот начальный период
2. Габова А. В., Гнездицкий В. В., Бос-
разряда всегда был очень коротким. Эти
някова Д. Ю., Жарикова А. В., Самотае-
данные согласуются с ранее проведен-
ва И. С., Обухов Ю. В., Кузнецова Г. Д. Тех-
ными исследованиями на крысах линии
нологии живых систем, 2008; 5: 72‑81.
WAG / Rij [2, 6, 7]. Картина изменений
3. Калимуллина Л. Б., Ахмадеев А. В.,
частоты коротких разрядов (менее 4 с.),
Бикбаев А. Ф., Баязитова Л. И. // Материа-
свойственных группе А2А2, несколько от-
лы V съезда Российского общества меди-
личается от описанной у крыс группы
цинских генетиков. — Уфа // Медицинская
А1А1. У таких разрядов снижение частоты
генетика. — 2005. — № 4. — С. 150.
происходит стремительно. На ЭЭГ груп-
4. Меерен Х. К. М., Е. Л. Дж. М. Ван Лу-
пы А2А2 одновременно присутствовали
ителлаар, Ф. Х. Лопес да Сильва, Р. К. Бер-
как «типичные», так и «атипичные» раз-
диев, Н. Е. Чепурнова, С. А. Чепурнов,
ряды. Такие «атипичные разряды» были
А. М. Л. Кунен. // Успехи физиологических
описаны у пациентов с неконвульсивной
наук. — 2004. — Т. 35, № 1. — С. 3‑19
эпилепсией, была выявлена их структурная неоднородность [2].
Выводы
Мидзяновская И. С., Кузнецова Г. Д., Туомисто Л..и др. // Нейрохимия. — 2004. —
Т. 21, № 4. — С. 264‑270.
1. Крысы группы А1А1 имеют досто-
5. Acar T., Aykut-Bingol C., Bingol H.,
верно большую продолжительность SWD
Bro R., Yener B. // Bioinformatics 2007; 23:
в ЭЭГ соматосенсорной коры по сравне-
110‑118.
нию с крысами группы А2А2; p<0,001. Количество SWD в ЭЭГ крыс группы А1А1
фундаментальные исследования №6, 2010
6.
Bosnyakova D.,
Gabova A.,
Zharikova A., Gnezditski V., Kuznetsova G.,
▪ биологические науки ▪
van Luijtelaar G. // Clin. Neurophysiol. 2007;
118: 1736‑1743.
7.Malat S. G. Wavelet tour for signal
13
8. Paxinos G., Watson C. The rat brain in
stereotaxic coordinates. — Sydney: Academic,
1998.
processing. — San Diego: Academic Press.
1999.
фундаментальные исследования №6, 2010