Исследование генетической детерминации ЭЭГ человека

  Полученные  результаты позволяют сделать заключение о различной природе межиндивидуальной  изменчивости отдельных частотных  составляющих альфа-ритма. При этом наблюдается следующая закономерность: чем позже в онтогенезе составляющая альфа-ритма становится доминирующей формой активности, тем меньшую роль в семейном сходстве играют генетические факторы. Индивидуальные различия низкочастотной составляющей альфа-ритма во всех областях, кроме правой лобной области обусловлены аддитивными генетическими влияниями и случайными эффектами средовых факторов. Изменчивость же высокочастотной составляющей альфа-ритма детерминирована в большинстве областе мозга систематическими и случайными эффектами среды. Поддиапазон с частотой 9,5-11,0 Гц занимает промежуточное положение. Эти результаты свидетельствуют о том, что при генетическом анализе ЭЭГ неправомерно напрямую сопоставлять данные разных возрастных групп, только по широкополосному альфа-ритму.

  В большинстве работ, посвященных  ЭЭГ, либо обследовались небольшие  контингенты испытуемых, либо возрастной диапазон испытуемых был очень широким. Размер выборки имеет важное методическое значение поскольку от этого зависит точность оценки компонент дисперсии исследуемых признаков. Как мы уже упоминали, одним из основных преимуществ метода подбора моделей при анализе дисперсии какого-либо признака является то, что рассматривая альтернативные гипотезы, мы можем проверить, является ли значимым действие того или иного эффекта - средового или генетического. Возможность оценки значения того или иного эффекта зависит от целого ряда факторов: действительной величины эффекта в популяции (чем больше эффект, тем легче он выявляется); уровня вероятности выбранного в качестве критерия для отвержения нулевой гипотезы об отсутствии влияния эффекта; размера выборки (чем больше размер выборки, тем  более тонкие эффекты мы можем оценить). Поэтому, исследования, в которых обследуются большие выборки испытуемых дают возможность более точной оценки всех эффектов.

  Голландскими  исследователями (Van Baal C. et al, 1996, Van Baal C., 1997, Van Beijsterveldt C. еt al.,1996, Van Beijsterveldt C., 1996) были учтены все недостатки работ их предшественников. Остановимся на этом исследовании более подробно, поскольку оно, в определенном смысле, является образцовым (как по выборке испытуемых, так и по использованным методам генетического анализа). Особо следует отметить, что для определения зиготности близнецов использовались не только опросники и диагностика типа крови, но и «генная дактилоскопия», что обеспечивает 100% надежность определения зиготности.  В этих исследованиях приняли участие 71 пара МЗ и 96 пар ДЗ близнецов пяти лет (Van Baal C. et al, 1996, Van Baal C., 1997) и 91 пара МЗ и 122 пары ДЗ близнецов 16 лет (Beijsterveldt C. еt al.,1996, Beijsterveldt C., 1996). Вначале рассмотрим результаты, полученные на выборке пятилетних близнецов. ЭЭГ детей записывали в состоянии покоя (3 минуты с открытыми глазами и 3 минуты с закрытыми глазами) в различных областях мозга (Fp1, Fp2,F3, F4, F7,F8,C3,C4,P3,P4,O1,O2,Т5,Т6). Анализировали  спектры мощности дельта(1,5-3,5 Гц)-, тета (4-7,5 Гц)-,альфа (8-12,5 Гц)-, и бета (13-25 Гц) диапазонов.  Для оценки генетических и средовых компонент фенотипической дисперсии использовали метод структурного  моделирования. В пятилетнем возрасте у детей доминируют  медленные волны (суммарно дельта, тета и альфа-1 составляют почти 92% общей вариативности сигнала), тогда как быстрые волны (альфа-2, бета-1 и бета-2) составляют лишь 8%. Наибольшая мощность спектра наблюдается для тета-активности. Результаты генетического анализа данных свидетельствуют о сильном влиянии генетических факторов в 5-летнем возрасте. [2]

  Величины  коэффициентов внутриклассовой  корреляции МЗ близнецов во всех отведениях и для всех частотных диапазонов была выше, чем у ДЗ. В исследовании принимали участие и разнополые близнецы, что позволило оценить половые различия в наследуемости характеристик ЭЭГ. Оказалось, что корреляции разнополых ДЗ близнецов и однополых ДЗ близнецов приблизительно равны, что свидетельствует  об одинаковом уровне генетических и средовых влияний в группах мальчиков и девочек. Метод подбора моделей, использованный для генетического анализа показал, что полученные данные лучше всего описываются простой генетической моделью. [2]

  Результаты  свидетельствуют о высокой наследуемости тета, альфа-1 и альфа-2 частот: в среднем значения оценок наследуемости  для показателей абсолютной мощности тета-диапазона составляют  81%,  для альфа-1 и альфа-2 диапазонов  - 81% и 78% соответственно. Для других диапазонов влияние генетических факторов несколько меньше, но, тем не менее, наследственные факторы объясняют большую часть наблюдаемых индивидуальных различий в показателях дельта- и бета-диапазонов ( средние значения наследуемости составляют 55% для дельта дипазона, 73% - для бета-1 и 64% - для бета-2). Генетические влияния для показателей относительных мощностей  дельта- и бета-диапазонов оказались выше чем для абсолютных спектров ( значения коэффициента наследуемости составляют 63% для дельта-диапазона, 76% для тета дипазона, 71% для альфа-1 и 72% для альфа-2 диапазона, 68% и 65% для обоих бета-диапазонов). [2]

  В исследовании 16-летних близнецов использовались те же отведения и методы анализа, что и на выборке пятилетних детей. Практически для всех  показателей также наблюдалось высокое сходство МЗ близнецов, корреляции ДЗ составляли около половины корреляций МЗ близнецов. Использование метода подбора моделей показало, что для большинства ритмов во всех областях мозга простая генетическая  модель наилучшим образом описывает полученные данные. [2]

  Рассмотрим  результаты (по диапазонам)  генетического анализа.

  Дельта  диапазон. Корреляции МЗ близнецов в этой частотной области ниже, чем в других. Корреляции ДЗ близнецов в среднем составляли половину от корреляций МЗ близнецов. Подбор моделей показал, что наилучшие результаты дает простая генетическая модель. Наследуемость ЭЭГ характеристик дельта-диапазона во фронтальных областях составляет около 70%, тогда как для задних областей она выше (80%).

  Тета  диапазон. Для тета-диапазона корреляции выше (в среднем для всех отведений около 0,9); ДЗ корреляции составляли в среднем половину корреляций МЗ. Как и для дельта-диапазона, простая генетическая модель наилучшим образом описывает полученные данные, за исключением отведений C3 и P3. В этих отведениях данные лучше всего обьясняются генотип-средовой моделью, учитывающей половые различия. Уровень половых различий в генетических влияниях  невелик.

  Альфа диапазон. Данные по мощности альфа-ритма лучше всего описываются простой генетической моделью. Коэффициент наследуемости (усредненный по всем отведениям) составляет около 89%. Половых различий в генетических влияниях не обнаружено.

  Бета  диапазон. Корреляции ДЗ близнецов - девочек оказались несколько ниже, чем можно было предположить, исходя из степени родства. Корреляции МЗ были на том же уровне, что и для альфа диапазона. Подобные результаты указывают на наличие генетических эффектов, обусловленных доминированием. Результаты подбора моделей показали, что для двух отведений (P3 и T5) наилучшим образом подходит аддитивно-доминантная модель*, а для оставшихся областей -простая генетическая модель. [2]

  ЭЭГ у разлученных  близнецов. Систематические, общесемейные средовые факторы увеличивают сходство между близнецами; случайные факторы среды  уменьшают это сходство. Сопоставление “разлученных” близнецов и близнецов выросших вместе позволяют оценить роль систематических средовых факторов в формировании сходства-различия между членами близнецовой пары, поскольку у разлученных близнецов нет обшей среды.

  Одно  из первых подобных исследований ЭЭГ  было проведено на 8 парах МЗ близнецов (Juel - Nielsen, Harvald, 1958), разлученных в  раннем детстве. Это исследование показало высокое сходство характеристик  ЭЭГ как по частоте и амплитуде  альфа-ритма, так и по а-индексу.

  В исследовании Ликкена и соавт. (Lykken e. a., 1982) была обследована большая  выборка взрослых МЗ близнецов (25 пар), разлученных в первые месяцы после рождения, и МЗ близнецов (89 пар), выросших вместе. Внутрипарные корреляции  мощности основных частотных диапазонов ЭЭГ, а также средней частоты а-ритма оказались практически одинаковыми в обоих группах близнецов - разлученных и выросших вместе. Бушаром (Bouchard, et al., 1990) были получены аналогичные результаты. Оказалось, что коэффициенты внутриклассовой корреляции параметров ЭЭГ у разлученных МЗ близнецов лишь немного ниже, чем для ЭЭГ одного и того же человека, зарегистрированной два раза. Сходство разлученных ДЗ близнецов было значимо больше, чем сходство в парах неродственников.

  Данные полученные в исследованиях ЭЭГ разлученных близнецов, свидетельствуют о том, что систематические, общесемейные факторы среды мало влияют на формирование индивидуального паттерна ЭЭГ. [2] 

Глава 2. Электроэнцефалограмма  при различных  функциональных состояниях.

  В отличие от ЭЭГ покоя, наследственная обусловленность особенностей реактивных изменений ЭЭГ исследована в  меньшей степени. Имеющиеся эмпирические данные свидетельствуют о высоком  сходстве реакций партнеров МЗ пар  на гипервентиляцию, фотостимуляцию, открывание глаз. Влияние генетических факторов испытывают также такие показатели, как величина и длительность блокады альфа-ритма на внешние раздражители (Крылов и др., 1972), реакция усвоения ритма (Уварова, Хамаганова, 1972; Маньковский и др., 1976), длительность и латентный период условной ЭЭГ-реакции (Шляхта, 1972), длительность блокады альфа-ритма на первое предъявление звука в звуковой последовательности, показатели реакции перестройки ритма (Шляхта, Пантелеева, 1978). [1]

  В ЭЭГ покоя существенное влияние наследственных факторов испытывают показатели альфа-ритма, тогда как при различного рода стимуляции (свет, звук, открывание глаз) и при решении арифметических задач максимальная наследуемость характерна для показателей бета-ритма. При подобных функциональных состояниях происходит депрессия альфа-ритма и увеличение количества бета-волн, поэтому можно предположить, что максимальной зависимостью от генотипа обладают характерные для данного функционального состояния (при определенном уровне активации) компоненты ЭЭГ. [2]

  Следует заметить, что ЭЭГ параметры очень  чувствительны к уровню активации.  Когда человек засыпает, одна за другой чередуются несколько различных стадий сна, которые характеризуются определенными ЭЭГ-паттернами. 

  Исследование  ЭЭГ во время сна показало высокое сходство показателей ЭЭГ МЗ близнецов на всех стадиях сна. Влияние генетических факторов на индивидуальные особенности динамики ЭЭГ сна было обнаружено Цунгом и Вильсоном (Zung, Wilson, 1968). Как оказалось МЗ близнецы  конкордантны по периодической смене основных стадий сна, тогда как у ДЗ аналогичные периодические изменения не совпадают, что подтверждает гипотезу о наследственной обусловленности индивидуальных различий биоритма сна. [2]

  Попытка оценить влияние наследственных факторов на динамику показателей ЭЭГ при введении испытуемым препаратов, влияющих на работу центральной нервной системы – исследование Гинека и соавторов (1978) выявило роль генетических факторов в характере действия хлорпромазина на электрическую активность мозга. Введение этого препарата вызывало достоверное увеличение тэта- и бэта-активности, причем уровень бэта-активности после введения хлорпромазина был генетически детерминирован.

  Таким образом, индивидуальные различия как  в фоновой ЭЭГ, зарегистрированной в состоянии покоя, так и в ЭЭГ, записанной в различных функциональных состояниях (повышенная или пониженная активация), а также изменения ЭЭГ в ответ на различные воздействия в значительной мере генетически детерминированы. [2] 
 

Заключение.

  Исследование  биоэлектрической активности испытуемых разных возрастных групп показало, что относительный вклад генетических факторов может увеличиваться или уменьшатся в ходе развития. Изменение оценок наследуемости не обязательно означает изменение молекулярных механизмов. Несмотря на то, что признак может определяться одними и теми же генами в разном возрасте, оценки наследуемости могут изменяться. В то же время, показатели наследуемости могут оставаться стабильными, при том, что на фенотип в разные возрастные периоды действуют разные гены.

  Общий паттерн ЭЭГ, а также основные количественные параметры ЭЭГ относятся к числу индивидуально устойчивых особенностей человека, что дает основания изучать роль генотипа и среды в происхождении межиндивидуальной вариативности по этим признакам. Результаты большинства генетических работ свидетельствуют о значительном влиянии наследственных факторов на общий рисунок ЭЭГ. Для нескольких редко встречающихся вариантов ЭЭГ установлен тип наследования (аутосомно-доминантный), выделен ген, ответственный за один из этих вариантов (низковольтная ЭЭГ).

  При анализе ритмических составляющих ЭЭГ показано значительное влияние генотипа на параметры альфа-ритма, но с существенными межзональными и межполушарными различиями. Использование автоматического спектрального анализа ЭЭГ позволяет выявить высокую степень наследственной обусловленности и для других ритмов ЭЭГ. Установлено, что как структура спектра ЭЭГ покоя, так и соотношение случайных и периодических составляющих в нем испытывают на себе значительное влияние со стороны генотипа.

  Генетическая  обусловленность характерна не только для ЭЭГ в состоянии покоя, но и для реактивных изменений, возникающих  при сенсорной стимуляции.

  Оценки  наследственной обусловленности ЭЭГ  могут варьировать в зависимости от зоны регистрации и исследуемого параметра ЭЭГ, уровня бодрствования и возраста испытуемых. [1]