7 ЧаСТоТно-ВреМеннаЯ ХараКТериСТиКа ПиК
реклама
▪ 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, [email protected] 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, [email protected] 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
