Age factor in the formation of neurophysiological mechanisms of sensorimotor reactions in children aged 5-12 years



Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: The article is devoted to identifying the most significant markers of the formation of neurophysiological mechanisms that support sensorimotor reactions in children of different ages (5-7 years and 8-12 years). The characteristics of electroencephalography, endogenic evoked potentials were used as markers of the activity of neurophysiologic mechanisms that form children’s sensorimotor reactions.

AIM: To distinguish significant neurophysiologic markers based on electroencephalography, endogenous evoked potentials in estimation of sensorimotor task performance in children of different ages.

METHODS: Inclusion criteria included parental and child consent to participate in the study, and the child's ability to complete the study's test tasks. Exclusion criteria included acute and chronic neurological and psychiatric diseases in patients and traumas of central and peripheral nervous system in anamnesis. The study was conducted in Ryazan medical state university. The study is suggested visit of inclusion; performing of neurophysiological studies and visit after 6 months (the data of 1st visit is presented). The target study indicators were spectral analysis of the electroencephalogram (characteristics of theta and alpha oscillations), and the P300 cognitive evoked potential. Neurophysiological data were obtained by recording the electroencephalogram using Neuron-Spectrum-3 software with an electrode arrangement according to the 10-20 scheme, as well as the endogenous evoked potential P300 in the oddball paradigm.

RESULTS: 33 participants were included in study: 17 male and 16 female, average age was 10 years with standard error 2,8 years. The group of children was divided into subgropus: age  from 5 to 7 years (16 patients) and aged 7 to 12 years (17 patients). Analysis of sensorimotor responses demonstrate the increase in response speed and decrease in the number of errors in aging. Neurophysiological studies revealed a decrease in latency and and increase in the frequency of alpha oscillations with increasing patient age. The obtained data let us to construct regression models for the dependence of the latency of the P3 component of the endogenous evoked potential P300 and the frequency of alpha oscillations in the occipital leads on age.

CONCLUSION: Child maturation between 5 and 12 years is accompanied by an increase in the speed and accuracy of sensorimotor reactions, which is associated with the development of a specific alpha rhythm frequency, a decrease in latency, and an increase in the amplitude of the main components of the endogenous evoked potential P300. A limitation of this study is the specific age range of the subjects.

Full Text

Возрастной фактор в формировании нейрофизиологических механизмов сенсомоторных реакций у детей 5-12 лет

Обоснование

Выявление наиболее значимых маркеров формирования нейрофизиологических механизмов, обеспечивающих сенсомоторные реакции детей на разных этапах онтогенетического развития, является актуальной задачей [1, 2, 3]. Во многом это отражает возможности организма детей разного возраста взаимодействовать с окружающей средой. Методические подходы проведения такого рода исследований связаны с рассмотрением изменения участия нейрофизиологических процессов у детей в разные периоды их развития при решении ими простейших сенсомоторных задач [4]. При этом, по мнению ряда авторов, информативными маркерами активности нейрофизиологических процессов, протекающих на уровне коры больших полушарий головного мозга, могут быть показатели электроэнцефалограммы (ЭЭГ) [5], сенсорных и эндогенных вызванных потенциалов [6, 7, 8]. Однако значимость указанных маркеров нейрофизиологических механизмов, участвующих в реализации простейших сенсомоторных ответов в разные возрастные периоды развития ребенка, исследовалась недостаточно [9, 10, 11].

Цель исследования

Выявить наиболее значимые нейрофизиологические маркеры по показателям электроэнцефалографии, сенсорных и эндогенных вызванных потенциалов при сенсомоторных реакциях у детей разного возраста.

 

Методы

Дизайн исследования

Исследование представляло собой проспективное наблюдательное исследование, в данной работе представлены результаты первого визита.

Условия проведения исследования

Работа одобрена локальным этическим комитетом ФГБОУ ВО РязГМУ Минздрава России (протокол № 3 от 15.09.2023).

Исследование проводилось на базе Рязанского государственного медицинского университета и предполагало визит включения в исследование, проведение нейрофизиологического исследования, а также визит через 6 месяцев после включения. В работе представлены данные первого визита.

Критерии соответствия (отбора)

В исследование вошло 33 испытуемых, из них 17 мальчиков и 16 девочек. Средний возраст составил 10 лет, стандартная ошибка средней – 2,8 года (медиана 10 лет; LQ 9 лет; UQ 12 лет).

Описание критериев соответствия

Критерии включения: согласие родителей и ребенка на участие в исследование, способность ребенка выполнять тестовые задания исследования. Критерии невключения: острые и хронические заболевания неврологического и психиатрического профиля у пациентов, в том числе эпилептическая энцефалопатия и энцефалопатия развития, наличие травм центральной и периферической нервной системы в анамнезе. Критерии исключения из исследования: отказ родителей или ребёнка от исследования, развитие неврологических и психиатрических расстройств, а также соматических заболеваний и травм, которые могли исказить оценку сенсомоторных реакций и нейрофизиологических показателей.

Целевые показатели исследования

Основные показатели исследования

Основными показателями, которые оценивались в данном исследовании, являлись характеристики эндогенного когнитивного вызванного потенциала Р300, спектрального анализа ЭЭГ, а также характеристики простых и сложных психомоторных реакций.

Дополнительные показатели исследования

Не изучали.

Методы измерения целевых показателей

Простая сенсомоторная реакция регистрировалась с помощью комплекса «НС-Психотест» (ООО «Нейрософт», Россия). Испытуемый должен был максимально быстро нажать на кнопку при предъявлении ему сигнала красного цвета. Анализировали среднее время реакции. Сложная сенсомоторная реакция предполагала дифференцированную реакцию на сигналы, различающиеся по цвету. Определялись следующие характеристики: среднее время реакции (выбора), число ошибочных нажатий, в том числе количество преждевременных нажатий и нажатий с задержкой.

Проводилась регистрация потенциала Р300 в рамках вероятностной парадигмы появления значимого стимула (тон 2000 Гц, вероятность появления 20%) и незначимого стимула (тон 1000 Гц, вероятность появления 80%), длительность стимулов составила 50 мс, интенсивность – 60 дБ с нажатием на кнопку ответа при появлении значимого стимула. Регистрация ответа проводились по отведениям Pz, Cz, Fz с референтными электродами на ушах (А1, А2). Анализировались латентность пиков N2, P3, межпиковая амплитуда P2N2, N2P3. Регистрация условно негативной волны проводилась эпохами по 2,5 секунды, в парадигме предупреждающего (звуковой сигнал частотой 2000 Гц) и пускового (звуковой сигнал частотой 1000 Гц) стимулов с отведений Fz, Cz, Pz c расположением референтных электродов на ушах (А1 и А2), при числе усреднений равном 40 с оценкой амплитуды волны.

Регистрация ЭЭГ проводилась при помощи 19-канального цифрового электроэнцефалографа и программного обеспечения «Нейрон-спектр-3» (ООО «Нейрософт», Россия) при расположении электродов по схеме «10-20» с референтными электродами на ушах (А1 и А2). Анализ ЭЭГ осуществлялся методами спектрального анализа с определением мощности и частоты колебаний в основных частотных диапазонах.

Анализ чувствительности

Не проводили.

Статистические процедуры

Запланированный размер выборки

Предварительный размер выборки не рассчитывали.

Статистические методы

Статистический анализ осуществлялся при помощи пакета программ Statistica 10.0 Ru. Для проверки данных на соответствие закону нормального распределения использовали критерий Шапиро-Уилка. Поскольку распределение данных исследуемых массивов отличалось от нормального, применяли методы описательной непараметрической статистики (данные представлены в формате Me [LQ; UQ]). Для выявления наиболее значимых маркеров нейрофизиологических процессов сенсомоторных реакций детей от 5 до 12 лет использовали линейный регрессионный анализ: в качестве характеристик модели применяли критерий Фишера, уровень значимости ошибки p<0,05.

 

Результаты

Формирование выборки

Формирование выборки представлено на рис. 1.

Основные результаты исследования

Нами применялась периодизация детского возраста по ВОЗ, согласно которой в группе испытуемых выделялся детский возраст (от 3 до 7 лет, в исследуемой группе – от 5 до 7 лет) и младший школьный возраст (7-11/12 лет).

В табл. 1 представлены результаты исследования психомоторных реакций у детей в разные возрастные периоды развития.

Представленные в табл. 1 данные свидетельствуют о том, что у детей при переходе из возрастной группы 5-7 лет в группу 8-12 лет существенным образом улучшаются ответы на сенсорные раздражители, как в сторону уменьшения латентного периода реакции, так и в сторону уменьшения количества ошибочных ответов.

В табл. 2 представлены нейрофизиологические характеристики в группах детей различного возраста.

Как следует из табл. 2, для детей в возрасте до 7 лет характерна меньшая скорость выполнения психомоторных тестов, большая латентность основных пиков эндогенного вызванного потенциала Р300 и меньшая частота альфа-колебаний по сравнению с группой 8-12 лет.

Учитывая значимость характеристик латентности потенциала Р300 для оценки зрелости ассоциативных зон коры и формирования психофизиологических механизмов детекции и принятия решения в отношении сигнала, нами предложены логит-регрессионые модели зависимости латентности потенциала Р300 от возраста. Регрессионная модель для латентности Р3 эндогенного вызванного потенциала представлена формулой:

латентность Р3 Р300 в Fz=392–3,5×возраст пациента (диапазон от 5 до 12 лет)

(для свободного члена t=25,8; p=0,001; для возраста пациента t=-2,3; p=0,026).

Подробные характеристики модели представлены в табл. 3.

В табл. 4 представлены характеристики модели регрессионного анализа для описания взаимосвязи возраста и частоты альфа-колебаний у обследованных детей, учитывая высокую значимость данного показателя для оценки функциональной зрелости головного мозга и затылочной коры в частности.

Регрессионная модель представлена формулой:

частота альфа-колебаний в Оz=8,2+0,16×возраст испытуемого (диапазон от 5 до 12 лет)

(для свободного члена t=23,9; p=0,001; для возраста пациента t=-4,5; p=0,001).

 

Обсуждение

Резюме основного результата исследования

В результате исследования нами описана возрастная динамика характеристик сенсомоторных реакций, когнитивного вызанного потенциала Р300 и спектрального анализа ЭЭГ в группе детей 5-12 лет; выявлено увеличение частоты основного затылочного ритма, снижение латентности основных компонентов Р300 и увеличение скорости реакции в старшей возрастной группе.

Ограничения исследования

К ограничениям исследования относится небольшой объём выборки, а также ограниченный возрастной диапазон исследуемых нейрофизиологических показателей.

Интерпретация результатов исследования

Формирование механизмов сенсомоторной интеграции в детском возрасте является важнейшим индикатором функциональной зрелости нервной системы; при этом в качестве важнейших механизмов данного феномена выступает достаточный уровень продуктивной активации головного мозга [12, 13], функционирование ассоциативных зон коры с реализацией механизмов опознания стимула и принятия решения в отношении него и собственно исполнительный эффекторный моторный механизм [14]. Дезорганизация деятельности данных механизмов характерна для неврологических расстройств, в том числе фокальной эпилепсии, что придаёт клиническое значение изучаемым феноменам.

Как следует из представленных материалов, развитие ребёнка в интервале 5-12 лет сопровождается закономерным увеличением скорости и точности сенсомоторных реакций, что сопровождается увеличением частоты альфа-колебаний как основного затылочного коркового ритма за счет оптимизации кортико-таламо-кортикальных взаимоотношений, так и увеличением скорости детекции и классификации стимулов (уменьшение латентности пиков N2 и Р3) [15, 16]. В связи с этим вышеописанные показатели могут быть расценены как корреляты сенсомоторной интеграции у ребёнка; предложенные модели линейной регрессии позволяют учитывать роль возраста ребёнка в определении нормативных значений данных показателей [17, 18, 19, 20, 21].

 

Заключение

Взросление ребёнка в интервале от 5 до 12 лет сопровождается увеличением скорости и точности сенсомоторных реакций. Индикаторами данных состояний могут являться характеристики частоты основного затылочного ритма и компоненты когнитивного вызванного потенциала Р300. Уменьшение латентности основных пиков эндогенного вызванного потенциала р300 и частоты основного ритма с возрастом ребенка позволяет создавать линейные регрессионные модели взаимосвязи данных показателей.

Дополнительная информация

Вклад авторов

Ю.Ю.Калинина – определение концепции, работа с данными, пересмотр и редактирование рукописи;

Р.А. Зорин – определение концепции, обработка данных, подготовка рукописи;

В.А. Жаднов – определение концепции;

М.М. Лапкин – определение концепции, обработка данных;

Т.А. Мирошкина – обработка данных, подготовка рукописи;

М.Р. Зорина – получение и работа с данными;

Е.И. Трибунько – получение и работа с данными.

Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты настоящей работы, гарантируют надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

 

Благодарности*

Этическая экспертиза

Проведение исследования одобрено локальным этическим комитетом ФГБОУ ВО РязГМУ Минздрава России (протокол № 3 от 15.09.2023).

Согласие на публикацию

Неприменимо.

Источники финансирования

Отсутствуют.

Раскрытие интересов

Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Заявление об оригинальности

При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным

  • Авторы предоставляют полный открытый (неограниченный) доступ к данным, размещённым на внешнем ресурсе (репозитории).
  • Авторы сообщают, что все данные представлены в статье и/или приложениях к ней.

Генеративный искусственный интеллект

При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование

Работа направлена в редакцию журнала в инициативном порядке.

Дисклеймер*

Таблицы

Таблица 1

Показатели сенсомоторных реакций у детей 5-7 и 8-12 лет

Параметры

Возраст 5-7 лет

(16 детей)

Возраст 8-12 лет

(17 детей)

U

p

Me;LQ;UQ

Me;LQ;UQ

Простая сенсомоторная реакция, среднее значение, мс

465;390;622

333;276, 438

657

0,001

Простая сенсомоторная реакция, число ошибок

25;15;39

10;6;22

825

0,001

 

Таблица 2

Нейрофизиологические показатели детей 5-7 и 8-12 лет

Параметры

Дети 5-7 лет

Дети 8-12 лет

U

p

Me;LQ;UQ

Me;LQ;UQ

Латентность N2 пика Р300 в отведении Fz, мс

263;245;292

240;222;272

1143

0,012

Латентность P3 пика Р300 в отведении Fz, мс

390;351;406

375;342;389

1205

0,028

Латентность N2 пика Р300 в отведении Cz, мс

278;248;317

252;227;284

1045

0,003

Латентность N2 пика Р300 в отведении Fz, 2 визит, мс

289;242;321

238;221;268

380

0,005

Латентность P3 пика Р300 в отведении Fz, 2 визит, мс

398;347;413

352;324;382

359

0,003

Частота альфа-колебаний в отведении P3, Гц

9,2;8,9;9,6

9,5;9,1;10,0

660

0,046

Частота альфа-колебаний в отведении P4, Гц

9,4;8,9;9,5

9,5;9,1;10,0

631

0,026

Частота альфа-колебаний в отведении O1, Гц

8,9;8,8;9,6

9,5;8,9;10,0

596

0,013

Частота альфа-колебаний в отведении O2, Гц

9,3;8,9;9,6

9,6;9,1;10,1

549

0,004

 

Таблица 3

Характеристика модели линейной регрессии зависимости латентности пика Р3 когнитивного вызванного потенциала Р300 от возраста

Показатели

Сумма квадратов

Степени - Свободы

MS

F

p

Свободный член

975344,9

1

975344,9

667

0,001

Возраст

7568,8

1

7568,8

5,2

0,026

 

Таблица 4

Характеристики модели регрессионного анализа

зависимости частоты альфа-ритма от возраста испытуемого

Показатели

Сумма квадратов

Степени - Свободы

MS

F

p

Свободный член

975344,9

1

975344,9

667

0,001

Возраст

7568,8

1

7568,8

5,2

0,026

Рисунки

Рис. 1. Последовательность формирования выборки исследования

×

About the authors

Yulia Yurievna Kalinina

Email: yu.kalinina81@yandex.ru

Roman Alexandrovich Zorin

Author for correspondence.
Email: zorin.ra@mail.ru

Vladimir Alekseevich Zhadnov

Email: vladimir.zhadnov@mail.ru

Mikhail Mikhailovich Lapkin

Email: lapkin_rm@mail.ru

Tatyana Aleksandrovna Miroshkina

Ryazan State Medical University

Email: mirta62@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9179-5181

кандидат медицинских наук, доцент кафедры патофизиологии

Russian Federation

Maria Romanovna Zorina

Email: zorinamasha25122004@gmail.com

Elizaveta Ivanovna Tribunko

Email: tribunkoelizaveta@gmail.com

References

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 78166 от 20.03.2020.