Способ регуляции функционального состояния центральной нервной системы в цикле сон-бодрствование и устройство для его осуществления

 

Технический результат способа: повышение временной корреляции воздействующих импульсов электромагнитного поля (ЭМП) с биоэлектрической активностью мозга, позволяющее управлять изменением функционального состояния центральной нервной системы (ЦНС). Способ включает оцифровку электроэнцефалограммы (ЭЭГ), определение функционального состояния ЦНС с помощью спектрального и амплитудного анализа оцифрованных участков и в нужный момент времени включение воздействия на ЦНС импульсами ЭМП. Новым в способе является синхронизация импульсов ЭМП с пороговым мгновенным значением сигнала ЭЭГ, выбираемым в диапазоне от среднего до максимально-возможного для данного функционального состояния. Способ позволяет использовать низкоинтенсивные импульсы ЭМП для исследования ЦНС (управления процессами, проводящими к "синхронизации-десинхронизации ЭЭГ"), для нормализации сна, причем не только для усыпления и пробуждения, но и для регулировки временных соотношений между медленноволновыми и поверхностными стадиями сна, для облегчения проведений гипнотических процедур, для борьбы с эпилептическим очагом. Технический результат устройства: управление функциональным состоянием биообъекта с помощью импульсов ЭМП. Устройство содержит индуктор и электроды для снятия биопотенциалов. Новым в устройстве является использование и соединение между собой остальных блоков схемы: электроды соединены с усилителем биопотенциалов, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен с микро-ЭВМ и компаратором, выход микро-ЭВМ соединен с управляемым ею компаратором, выход компаратора - с блоком управления генератора импульсов, а выход генератора импульсов - с индуктором. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к экспериментальной физиологии и медицине, конкретно к способам воздействия на центральную нервную систему (ЦНС) импульсными электромагнитными полями (ЭМП).

Наиболее близким к предлагаемому является способ воздействия на ЦНС низкоинтенсивными (117 264 мкТл) импульсными ЭМП с частотой следования импульсов от 0,5 до 22 Гц [1] Подобные воздействия влияют на изменение двигательной активности животных, формирование условных рефлексов, развитие тормозных реакций.

Однако, несмотря на некоторую специфичность, выражающуюся в том, что более низкие частоты следования импульсов эффективнее работают на торможение, а более высокие на возбуждение, в большинстве случаев воздействия импульсных ЭМП с одной и той же частотой следования импульсов могут приводить к разнонаправленным изменениям функционального состояния, как к торможению, так и к возбуждению (на уровне ЦНС как к синхронизации, так и к десинхронизации биоэлектрической активности мозга). Учет функционального состояния ЦНС перед воздействием, также не позволяет сделать предсказание направленности изменений достоверными. В связи с этим невозможно эффективное использование данного режима воздействия для управления функциональным состоянием ЦНС.

Разнонаправленность изменений функционального состояния ЦНС при воздействии объясняется тем, что импульсы ЭМП, появляющиеся через одинаковые промежутки времени, не коррелированы с биоэлектрической активностью, мозга, носящей апериодический характер и, т. к. действие поля на нейроны, находящиеся в различном функциональном состоянии, различно, то предсказать с высокой вероятностью итоговый результат перераспределения активности нейронов и направленности изменения функционального состояния невозможно. Под изменением функционального состояния здесь понимается переход между состояниями бодрствования, покоя, стадиями сна, каждое из которых характеризуется как преобладающим частотным спектром, так и определенным амплитудным диапазоном (или определенными распределениями мгновенных значений) сигнала электроэнцефалограммы (см. Кратин Ю. Г. Гусельников В. И. Техника и методика электроэнцефалографии. 1971, Наука, Л. с. 15, 157).

Технический результат способа повышение временной корреляции воздействующих импульсов электромагнитного поля с биоэлектрической активностью мозга, позволяющее управлять изменением функционального состояния центральной нервной системы.

Для этого в способе регуляции функционального состоянием ЦНС в цикле "сон-бодрствование" путем воздействия низкоинтенсивным импульсным магнитным полем предварительно регистрируют электроэнцефалограмму (ЭЭГ) соответствующего функционального состояния центральной нервной системы, определяют уровень средних и максимально возможных амплитудных значений и осуществляют синхронизацию электромагнитного поля с сигналом электроэнцефалограммы из диапазона найденных значений.

Способ осуществляют следующим образом. Снимают и оцифровывают ЭЭГ с помощью спектрального и амплитудного анализа оцифрованных участков, определяют функциональное состояние ЦНС и уровень максимально возможных мгновенных амплитудных значений сигнала ЭЭГ, характерных для данного функционального состояния. При необходимости перевести биообъект из бодрого или спокойного состояния в стадию сна, т. е. вызвать реакцию "синхронизации ЭЭГ" (см. Кратин Ю. Г. Гусельников В. И. Техника и методики электроэнцефалографии, 1971, Наука, Л. с. 24), или наоборот, перевести биообъект из стадии сна в состояние поверхностного сна, либо разбудить, т. е. вызвать реакцию "десинхронизации ЭЭГ", принимают решение о проведении управляемого воздействия и устанавливают параметры, регулирующие его: 1) пороговое мгновенное значение (П) сигнала ЭЭГ, находящееся в диапазоне от среднего до максимально возможного для данного функционального состояния, с которым необходимо синхронизировать во времени появление воздействующего импульса ЭМП; 2) минимальное время задержки (T₃), перед синхронизированием следующего импульса; 3) время воздействия. После этого производят управляемое воздействие, во время которого, через одинаковые интервалы времени (Δt~5-25мc), измеряют мгновенные значения сигнала ЭЭГ и, когда оно достигает или превышает пороговое значение, осуществляют генерацию, воздействие отключается на время задержки T₃ (50 2000 мс), которое, с одной стороны, инвелирует наводку от импульса ЭМП, с другой стороны, ограничивает максимально возможное число импульсов ЭМП за период воздействия. По истечении времени задержки T₃ снова проводят сравнения мгновенных значений сигнала ЭЭГ с пороговым значением П через равные промежутки времени Δt для определения времени генерации следующего импульса ЭМП. Повторение цикла происходит до истечения времени воздействия (2 5 мин), после чего снова производят оцифровку сигнала ЭЭГ и определение функционального состояния ЦНС.

На фиг. 1 изображены режимы оцифровки сигнала ЭЭГ и генерации импульсов: а) режим оцифровки сигнала ЭЭГ через равные промежутки времени Δt; б) режим управляемого воздействия, т. е. оцифровка сигнала до достижения последним порогового значения П, генерация импульса ЭМП, время задержки T₃ оцифровки, снова оцифровка сигнала до порогового значения; в) режим неуправляемого воздействия, т. е. пороговое значение (П) ниже минимально возможного значения сигнала ЭЭГ, и, вследствие этого, генерация импульсов ЭМП происходит через равные (T₃) промежутки времени (с частотой следования импульсов равной 1 с/T₃) без синхронизации с биоэлектрической активностью мозга.

В центральной научно-исследовательской лаборатории Свердловского государственного медицинского института (ЦНИЛ СГМИ), было проведено 105 экспериментов с управляемым воздействием (фиг. 1б) на белых крысах по вышеописанному способу. ЭКГ снималась из сенсомоторной области коры биполярным способом. При этом, если животное находилось в состоянии бодрствования или покоя, воздействие приводило к переходу в одну из стадий сна (развитию "реакции синхронизации ЭЭГ"), если животное находилось в одной из стадий сна, воздействие приводило либо к переходу от медленноволновой к поверхностной стадии сна, либо к пробуждению (т. е. к развитию "реакции десинхронизации ЭЭГ"). Уровень значимости полученного эффекта α<0,01. Т. е. вероятность прогнозируемой направленности изменения функционального состояния ЦНС при управляемом воздействии P 0,99. Наоборот, в 99 экспериментах с неуправляемым воздействием (фиг. 1в) направленность изменения функционального состояния ЦНС, с одной стороны, не была достоверной, с другой, в большинстве случаев (70) носила иной характер (усиление "реакции синхронизации ЭЭГ" спящего животного или "десинхронизации ЭЭГ" бодрствующего животного).

Полученный эффект управления функциональным состоянием ЦНС, проявляющийся в развитии реакций "синхронизации-десинхронизации ЭЭГ", открывает возможность использования низкоинтенсивных импульсов ЭМП, синхронизированных во времени с пороговым мгновенным значением ЭЭГ, для исследования ЦНС биообъекта (как фактор, действующий непосредственно на ЦНС, а не на органы чувств); для нормализации сна при его нарушениях, причем не только для усыпления и пробуждения, но и для регулировки временных соотношений между медленноволновыми и поверхностными стадиями сна (чтобы приблизить это соотношение к физиологически нормальному); для стимуляции в нужный момент времени "реакции синхронизации ЭЭГ", облегчающей проведение гипнотической процедуры; для стимуляции процессов "десинхронизации", направленных на борьбу с эпилептическим очагом.

Устройство для осуществления способа.

Область применения устройства соответствует области применения способа.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для воздействия магнитным полем [2] содержащее индуктор магнитного поля, подключенный к блоку управления, блок электродов, соединенный с датчиком электрического потенциала, в котором с целью повышения точности локализации воздействия при повторных процедурах введены последовательно соединенные первый источник калиброванных напряжений, элемент сравнения и управляемый генератор тока, источники эталонного напряжения, последовательно соединенные элемент задержки, логический элемент и амплитудный анализатор, второй источник калиброванных напряжений, связанный с вторым входом амплитудного анализатора, выход которого соединен с блоком управления, причем выходы источников эталонных напряжений соединены с вторым входом логического элемента, выход датчика-потенциала соединен с входами элемента сравнения и элемента задержки, а выход управляемого генератора тока соединен с входом блока электродов.

Но данное устройство не может быть использовано для управления функциональным состоянием биобъекта (ЦНС), т. к. во-первых, не содержит усилителя биопотенциалов, и, следовательно, не может работать с такими слабыми сигналами как ЭЭГ, во-вторых, не имеет микропроцессора, и, следовательно, не может само, в автоматическом режиме анализировать функциональное состояние биообъекта, в соответствии с которым необходимо затем принимать решение о включении воздействия, а также устанавливать режимы управляемого воздействия.

Технический результат: управление функциональным состоянием биообъекта с помощью импульсов электромагнитного поля.

Для этого в устройстве, содержащем индуктор магнитного поля (МП) и блок электродов, электроды соединены с усилителем биопотенциалов, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), выход которого соединен с микро-ЭВМ, и управляемым от микро-ЭВМ компаратором, а выход компаратора с блоком управления генератора импульсов, выход которого соединен с индуктором МП.

Такое решение позволяет определить функциональное состояние ЦНС путем проведения микро-ЭВМ спектрального и амплитудного анализа оцифрованного участка ЭЭГ и затем в автоматическом режиме (по заложенной в микро-ЭВМ программе) принимать решение о включении-невключении воздействия, устанавливать режим работы компаратора, управляющий воздействием, т. е. следованием импульсов ЭМП, синхронизированных с пороговым мгновенным значением ЭЭГ, согласно предлагаемому способу.

На фиг. 2 изображена общая схема устройства: электроды 1, усилитель биопотенциалов 2, АЦП 3, микро-ЭВМ 4, компаратор 5, блок управления генератором импульсов 6, генератор импульсов 7, индуктор 8.

Устройство работает следующим образом: сначала в режиме идентификации функционального состояния микро-ЭВМ отключает компаратор или устанавливает на компараторе порог срабатывания, превышающий максимально возможный уровень ЭЭГ-сигнала, что приводит к отключению воздействия импульсами ЭМП (фиг. 1а). В этом режиме сигнал ЭЭГ с электродов подается на усилитель биопотенциалов, с усилителя усиленный сигнал подается на АЦП, а оцифрованный сигнал на микро-ЭВМ, где проводится спектральный и амплитудный анализ, в соответствии с которым определяется функциональное состояние и принимается решение: включать не включать воздействие ЭМП. При решении включать воздействие устанавливаются режимы работы компаратора: порог срабатывания компаратора (равен П, т. е. мгновенному значению сигнала ЭЭГ, с которым синхронизируется импульс ЭМП), задержка работы компаратора после срабатывания (T₃ - время, нивелирующее наводку от импульса ЭМП на сигнал ЭЭГ и ограничивающее число импульсов ЭМП за время воздействия) и время воздействия. Устройство переходит в режим управляемого воздействия (фиг. 1б). В этом режиме микро-ЭВМ управляет работой компаратора. Сигнал ЭЭГ здесь также подается с электродов 1 на усилитель биопотенциалов 2, с усилителя на АЦП 3, с АЦП на микро-ЭВМ 4 и компаратор 5 (фиг. 2). Когда подаваемый на компаратор и микро-ЭВМ оцифрованный сигнал ЭЭГ достигнет или превысит установленный порог срабатывания компаратора, компаратор подает сигнал на блок управления генератора импульсов 6, который подает управляющий сигнал на генератор импульсов 7, а последний подает импульс тока в индуктор МП 8, что приводит к возникновению в пространстве с биообъектом импульса ЭМП. При срабатывании компаратора микро-ЭВМ отключает компаратор на время, равное установленному времени задержки (T₃). По окончании времени задержки микро-ЭВМ снова устанавливает на компараторе порог срабатывания для определения момента появления (синхронизации) следующего импульса ЭМП. По истечении времени воздействия микро-ЭВМ отключает компаратор на период (1 2 с), требующийся для повторного анализа оцифрованного сигнала ЭЭГ и определения функционального состояния ЦНС.

Как показали лабораторные испытания на белых крысах, устройство обеспечивает управление функциональным состоянием ЦНС.

Формула изобретения

1. Способ регуляции функционального состояния центральной нервной системы в цикле "сон-бодрствование" путем воздействия низкоинтенсивным импульсным магнитным полем, отличающийся тем, что предварительно регистрируют электроэнцефалограмму соответствующего функционального состояния центральной нервной системы, определяют уровень средних и максимально возможных амплитудных значений и осуществляют синхронизацию электромагнитного поля с сигналом электроэнцефалограммы из диапазона найденных значений.

2. Устройство для воздействия магнитным полем, включающее индуктор магнитного поля, блок электродов для снятия биопотенциалов, отличающееся тем, что блок электродов соединен с усилителем биопотенциалов, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен с микро-ЭВМ и компаратором, а выход компаратора с блоком управления генератора импульсов, выход генератора импульсов соединен с индуктором магнитного поля.