Ученые предложили новый способ определения уровня сознания пациентов с нарушениями сознания — по потенциалам на электроэнцефалограмме (ЭЭГ) при восприятии речи. У здоровых людей всплески активности наблюдали при восприятии как слов, так и целых фраз и предложений, а у пациентов с нарушениями сознания на ЭЭГ были только следы восприятия отдельных слов. Исследователи обучили линейный классификатор на основе различных характеристик ЭЭГ при восприятии речи распределять пациентов по диагнозам и предсказывать улучшение их состояния. Алгоритм справился с задачей с высоким уровнем точности, а его прогнозы сбывались чаще, чем при анализе стандартных поведенческих тестов. Статья опубликована в журнале Nature Neuroscience.
У пациентов с травмами мозга существуют различные степени нарушения сознания, от комы до синдрома безответного бодрствования (вегетативного состояния) и апаллического синдрома (бодрствующей комы). Граница между этими состояниями тонка, и врачи часто ставят неправильный диагноз. Один из подходов к оценке уровня сознания — по динамических характеристикам нейронной активности на электроэнцефалограмме (ЭЭГ), и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ).
Ученые из Китая и Франции под руководством Липин Вана (Liping Wang) из Китайской академии наук искали корреляцию между активностью на ЭЭГ, которая возникает при восприятии речи на уровне отдельных слов, фраз или целых предложений, и уровнем сознания. ЭЭГ регистрировали у 47 здоровых добровольцев, 42 пациентов с апаллическим синдромом и 36 — с синдромом безответного бодрствования. Участники слушали записи, состоящие из односложных слов, которые звучали раз в 250 миллисекунд. На базовом лексическом уровне это были отдельные слова, в усложненной версии — фразы из двух слов, и, наконец, предложения из четырех слов. На ЭЭГ искали фазовую когерентность между попытками — всплески электрической активности мозга, которые совпадали с частотой четыре Герца (когда участники слушали слова), два Герца (для фраз) или один Герц (для предложений).
Амплитуда ответа на ЭЭГ при восприятии речи действительно коррелировала с уровнем сознания пациентов: при прослушивании отдельных слов у всех участников наблюдали значительный всплеск с частотой в четыре Герца; на фразы у всех пациентов был ответ на той же частоте, но на двух Герцах значительный всплеск среднем по группе был только у здоровых добровольцев (p < 0,05) и слабый всплеск у пациентов с апаллическим синдромом (p < 0,1). Пик на частоте в один Герц при восприятии целых предложений был только у здоровых людей. Ученые предположили, что люди с нарушениями сознания воспринимают в фоновом режиме отдельные слова, но практически не распознают фразы и никогда — целые предложения.
Кроме того, анализ смог предсказать улучшение состояния нескольких пациентов: у 11 участников с нарушением сознания на одном и двух Герцах были всплески активности, и состояние шести из них значительно улучшилось через сто дней после эксперимента.
Затем ученые проверили гипотезу, что не только фазовые, но и пространственные характеристики сигнала ЭЭГ отражают уровень сознания. Для этого выделили четыре состояния, или карты активации областей мозга, которые описывали распределение потенциалов на ЭЭГ в 80 процентах случаев. Для полученных в эксперименте данных вычислили, как часто встречается та или иная карта и как долго она активна.
У здоровых пациентов чаще встречались первые две карты (активация в лобных отделах), а у пациентов с нарушениями сознания — вторые две (височные доли). Различие в вероятности появления этих двух групп карт при прослушивании фраз или предложений было разным между пациентами с апаллическим синдромом и с синдромом безответного бодрствования. У пациентов, за состоянием которых наблюдали в течение продолжительного времени и регулярно записывали ЭЭГ, пространственное распределение сигналов сместилось в пользу первых двух карт, если больные пошли на поправку. Такие изменения не произошли у пациентов, состояние которых не изменилось за время наблюдения.
Чтобы перейти от группового анализа к диагнозам и предсказаниям для отдельных пациентов, использовали линейный классификатор на основе дискриминантного анализа. Этот алгоритм выбирал лучшую комбинацию признаков и по ним вычислял вероятность классификации в ту или и иную группу каждого из пациентов. В качестве входных данных использовали все результаты предыдущих экспериментов: фазовую когерентность ЭЭГ сигналов между попытками на частоте один, два и четыре Герца, различные пространственные характеристики ЭЭГ. Модель обучали классифицировать пациентов по диагнозам и предсказывать улучшение состояния. Затем выполняли перекрестную проверку на той же группе данных за вычетом одного пациента.
Алгоритм распределил пациентов на здоровых, с апаллическим синдромом и с синдромом безответного бодрствования с точностью в 89, 58 и 70 процентов соответственно. Треть пациентов в вегетативном состоянии, которых классификатор ошибочно определил как находящихся в состоянии бодрствующей комы, пришли в сознание или улучшили свое состояние. Возможно, на момент анализа у них присутствовал некоторый уровень сознания, который врачи не смогли определить с помощью стандартных поведенческих тестов.
Классификатор предсказал улучшение состояние пациентов с большей точностью, чем поведенческий тест (77 против 70 процентов совпадения). Модель затем проверили на данных 25 дополнительных пациентов без переобучения. Алгоритм разделил пациентов на тех, кто улучшит свое состояние и нет, с точностью 80 процентов, а аналогичный классификатор на основе поведенческих данных правильно предсказал лишь 28 процентов исходов. Авторы заключили, что диагностирование уровня сознания и предсказание изменения состояния на основе ЭЭГ-анализа может стать более точным, чем принятые сейчас тесты.
Совсем недавно ученые предложили другой, довольно необычный, способ определять уровень сознания пациентов — по их реакции на запахи. Ставить диагноз с помощью такого теста не оказалось возможным, зато у этого подхода есть прогностический потенциал — пациенты, которые в вегетативном состоянии реагируют на яркие запахи сильнее других, с большой вероятностью вскоре пойдут на поправку.
Алиса Бахарева