Фаза сна бдг что это
Фазы и стадии сна человека
Многие слышали о том, что сон состоит из последовательно сменяющих друг друга фаз и стадий. Некоторые знают, что в одни фазы проснуться легче, в другие – тяжелее, поэтому в идеале пробуждение стоит подстраивать на определенные этапы сна. Кто-то скажет, что сны снятся только в какую-то одну фазу (небольшой спойлер – на самом деле это не так, см. ниже). В данной статье мы предлагаем углубиться в эти и другие вопросы, связанные с различными периодами сна, и рассмотреть, какие фазы выделяются, какова их характеристика и продолжительность, сколько фаз нужно, для того чтобы выспаться, и как самостоятельно рассчитать сон по фазам. Кроме того, в последней части текста мы рассмотрим, как с точки зрения фаз и стадий оцениваются некоторые так называемые рациональные схемы сна.
Фазы сна человека: предисловие
Сны кажутся такой обыденной вещью, и тем не менее это – одна из тех областей, которая еще таит множество загадок. В частности, пока у ученых не наблюдается единства мнений даже в отношении того, видим ли мы цветные сны или черно-белые. А вот стадии и фазы сна человека можно считать вполне изученными, в том числе потому что их проще исследовать с помощью различных приборов. Основные источники данных для ученых – активность мозга в целом и его долей в частности (показывается на электроэнцефалограмме – ЭЭГ), движения глазных яблок и мышц затылка. Эти и ряд других показателей позволяют составить более или менее ясную картину циклов фаз сна.
В целом мы предлагаем не углубляться в термины и методики сомнологии (науки о сне), а рассмотреть фазы сна на более практическом уровне: понять, сколько фаз выделяется, разобрать их главные черты и то, что отличает фазы друг от друга. Эти знания помогут ответить на вопросы, в какую фазу легче проснуться, сколько должен длиться здоровый сон и т.д. Но сначала сделаем несколько ремарок:
Итак, каким должен быть нормальный сон у среднестатистического здорового человека в подобных условиях?
Фазы сна
В целом специалисты делят сон на две основные фазы:
Медленный сон
Медленный сон, он же ортодоксальный, или NREM-сон. В среднем 3/4 цикла приходится на медленный сон. Название NREM происходит от английского Not Rapid Eye Movement и отражает тот факт, что для данной фазы не характерны быстрые движения глаз.
У медленного сна выделяется ряд стадий:
Стадии 3 и 4 носят общее название – дельта-сон, что связано с наличием на ЭЭГ специфических дельта-волн.
Быстрый сон
Быстрый сон, он же парадоксальный, или REM-сон (то есть быстрые движения глаз присутствуют). В среднем 1/4 цикла приходится на быстрый сон. Название «парадоксальный» связано с тем, что во время этой фазы сна сочетаются полное расслабление мышц и высокая активность мозга. Получается, что в этот период мозг работает почти так же, как при бодрствовании, но при этом не обрабатывает информацию, получаемую от органов чувств, и не отдает телу приказов, как реагировать на эту информацию.
Цикл «медленный + быстрый сон» длится примерно 1,5-2 часа (подробнее чуть ниже), и в ходе ночи данные фазы последовательно сменяют друг друга.
Схема ночного цикла по фазам и стадиям сна
С точки зрения циклов сна наша ночь проходит следующим образом:
Продолжительность фаз и стадий сна
Как мы уже говорили выше, на весь сонный цикл (медленный и быстрый сон) в среднем уходит примерно от 1,5 часов до 2 часов. При этом продолжительность фаз и стадий и их соотношение в рамках одного цикла меняется с течением ночи. Рассмотрим, как в среднем распределяются фазы и сколько длится каждая из них.
Таким образом, в первом цикле полноценный глубокий сон (стадия 4) наступает примерно через 40-50 минут после сна, а быстрый – через 1,5 часа. Исходя из средней потребности во сне, получаем, что в нормальном состоянии человеку за ночь нужно проспать 3-6 циклов – в зависимости от их продолжительности и от его потребности во сне. В свою очередь, данная потребность весьма разнится: некоторым нужно 4 часа, для некоторых норма может превышать 10 часов.
В какую фазу лучше просыпаться и как это рассчитать
Как известно, просыпаться легче всего на фазе быстрого сна, на втором месте – стадия легкого. Зная последовательность разных периодов, вы сможете подгадать оптимальное время пробуждения. С другой стороны, надо учитывать, что длительность фаз неодинакова у разных людей, кроме того, потребность в том или иной «виде» сна колеблется в зависимости от состояния. Например, если вы устали, болеете или восстанавливаетесь после болезни, медленный сон способен занять больше времени.
Конечно, чтобы облегчить себе пробуждение, можно купить различные гаджеты, которые считывают характерные особенности фаз (подробнее чуть ниже) и будят вас именно в положенное время. Но узнать, как проснуться в фазу быстрого сна, можно и самостоятельно – в первую очередь надо поэкспериментировать. Например, примите за фазу сна 2 часа, рассчитайте, во сколько надо лечь/проснуться, чтобы выдержать целое число циклов. Например, если вам надо встать в 8 утра, кратное число фаз будет в 6 утра, 4 утра, 2 ночи, полночь и т.д. При расчете времени учитывайте и то, что еще немного времени вам потребуется на то, чтобы заснуть. Как мы говорили, на стадию 1 обычно уходит 5-15 минут. То есть, чтобы встать в 8, лечь надо в 1:45 или 23:45.
Попробуйте какое-то время придерживаться такого графика и посмотрите, получается ли у вас просыпаться в фазу быстрого сна. Если нет, «поиграйте» с границами – сделайте расчет исходя из 1 часа 50 минут или 1 часа 40 минут. Таким образом вы сможете найти именно вашу продолжительность ночного цикла и в дальнейшем отталкиваться от нее. Проводить эксперименты лучше всего, когда вы находитесь в нормальном физическом и эмоциональном состоянии и более или менее нормально высыпались накануне экспериментов.
Также намекаем, что под «лечь спать» мы имеет в виду именно лечь спать, а не «лечь в кровать со смартфоном в обнимку и еще час переписываться в мессенджерах». Заметим и то, что расчет фаз сна не придаст вам бодрости, если вы уже неделю спите только по одному циклу за ночь. Подстройка под фазы – инструмент для более легкого пробуждения, но от необходимости полноценно спать он вас не освободит.
Фазы сна и сновидения
Согласно исследованиям, неправильно ставить вопрос: «В какой фазе сна снятся сны». Корректнее другая формулировка: «Сны из какой фазы мы лучше всего запоминаем?» Исследования показывают, что сны снятся нам на всех этапах – даже на стадии глубокого сна. Другое дело, что мы их не запоминаем – возможно, вследствие того, что медленный сон слишком крепкий и активность мозга ниже. Впрочем, даже то, что мы видели в фазе быстрого сна, мы запоминаем далеко не всегда. Подробнее об этом в нашей статье «Интересные факты о снах».
Что происходит с нами в разные фазы сна
Одно из главных отличий фаз друг от друга – разная активность мозга, которую визуально можно проследить в волнах на ЭЭГ, однако физиология фаз сна характеризуется не только этим. Другое различие быстрого и медленного отражено в английских названиях REM и NREM – наличие и отсутствие быстрых движений глаз. В целом же определение фазы сна на глазок, без учета приборов и измерения различных показателей, достаточно проблематично. Можно только сказать, что если человек двигает глазами, конечностями и т.д., скорее всего, речь идет о быстром сне. А что можно зарегистрировать на различных приборах? Приведем несколько интересных фактов.
Черты медленного сна
Чтобы погрузиться в первую стадию медленного сна (дремоту), мозг вырабатывает специальные вещества, которые блокируют его активность, вызывают вялость, а также влияют на другие системы организма, в том числе замедляют метаболизм. В стадиях 2-4, особенно при дельта-сне, обмен веществ также замедляется.
Говорить, что во время медленного сна в принципе нет движения глаз, не совсем верно – они есть в стадиях 1 (дремота) и 2 (легкий сон), но специфически медленные; в английской терминологии они так и называются – slow rolling eye movement (SREM). В свою очередь, во время дельта-сна нет даже таких движений, зато именно в этой фазе люди ходят или говорят во сне, а также совершают иные неконтролируемые действия, если им это свойственно.
В фазе медленного сна на 1-1,5 градуса понижается температура тела (особенно в глубоком сне), снижается пульс и артериальное давление, дыхание становится более редким. Вместе с тем активнее продуцируются гормоны роста, половые гормоны и др., идут процессы по построению тканей и т.д. Именно поэтому говорят, что медленный сон в большей мере отвечает за физиологический отдых. Кроме того, эта фаза необходима для восстановления мозговой ткани после бодрствования (подробнее об этом в первом видео нашей статьи «Не отказывайте себе во сне»).
Черты быстрого сна
Одна из главных особенностей быстрого сна – самые яркие сновидения. Под словами «самые яркие» мы имеет в виду то, что практически все сны, которые мы помним после пробуждения, – именно из этой фазы. Считается, что быстрый сон, в свою очередь, отвечает за обработку полученной за день информации, внутреннюю работу над эмоциями и т.д. Но пока ученые точно не могут точно сказать, как что конкретно происходит во время быстрого сна и какие механизмы при этом задействованы.
Как мы уже отмечали, визуально быстрый сон можно узнать по движениям глазных яблок, по иногда сбивающемуся дыханию, движениям рук и т.д. Также для этой фазы характерны изменения температуры тела и ритм сердца: они могут повышаться или понижаться в рамках одного и того же этапа.
Интересно, что мозговая активность во время быстрого сна насколько высокая, что ученые в течение долгого времени не могли заметить разницу на ЭЭГ между этой фазой сна и бодрствованием. Правда, на сегодняшний день несколько важных различий все же было найдено.
Интересные особенности, связанные с фазами сна
Для любой фазы характерно искаженное представление о времени. Наверное, всем знакомы ситуации, когда на минуточку закроешь глаза – и 5 часов как не бывало. Верно и обратное: казалось, уже вся ночь минула и много снов приснилось, а на самом деле прошло всего 20 минут.
Некоторые считают, что во время сна человек полностью отключается от реальности, однако на самом деле это не так. Многие сигналы мозгом действительно должным образом не обрабатываются, особенно во время дельта-сна, но во время быстрого и легкого главным источником информации становятся звуки. Например, нас не всегда будит шум, но человек может проснуться от того, что кто-то даже негромко позовет его по имени. Также во время быстрого сна звуки могут встраиваться в сновидение и становиться его частью. Это говорит о том, что мозг обрабатывает звуки во время сна и решает, каким уделить внимание и как именно это сделать.
У детей доля быстрого сна больше, чем у взрослых, а у пожилых людей она еще меньше. То есть чем старше мы становимся, тем короче парадоксальная фаза сна и длиннее ортодоксальная. Интересно, что быстрый сон отмечается даже у детей, находящихся в утробе матери. Ученые говорят, что на ранних этапах жизни (в том числе до рождения) быстрый сон очень важен для формирования центральной нервной системы.
Исследования показывают, что мозг может не погружаться целиком в одну и ту же фазу, что особенно характерно для дельта-сна. Хотя бОльшая часть мозга, как правило, находится на одном и тот же этапе.
Значение фаз сна для организма: небольшое предостережение
Сказать, какой сон лучше или полезнее – быстрый или медленный – невозможно. Они обе фазы нужны для полноценного отдыха и восстановления организма как на физиологическом, так и психическом уровне. В связи с этим вызывают вопросы схемы сна, в которых отсутствует полноценный цикл. Наверняка многие слышали о схемах, предполагающих, что человек спит не 1 раз в сутки 6-8 часов, а несколько раз в течение дня. Некоторые подобные схемы выглядят вполне безобидными, однако польза других вызывает серьезные сомнения.
В частности, в интернете встречается информация о якобы очень эффективном расписании, когда спать надо 6 раз по 20 минут или 4 раза по 30 минут. Исходя из типичного цикла сна, эти временные промежутки очень короткие, и за 20-30 минут человек не успеет перейти дальше 2-3 стадии, то есть о глубоком и быстром сне речь не идет в принципе. Между тем важнейшие для нашего организма процессы происходят именно на этих этапах. Возможно, у людей, которые описаны как успешно применявшие такие схемы, циклы сна очень сжаты, но велик шанс, что действительность просто приукрашена в угоду впечатляющей истории.
Конечно, какое-то время организм среднестатистического человека профункционирует и на 20 минутах 6 раз в сутки. Ему может даже казаться, что он стал более эффективно расходовать время, однако польза этих схем для организма в данном случае вызывает вопросы. Системный недостаток сна ударяет как психическому, так и физическому состоянию и приводит различным неприятным последствиям. Не отрицая пользу и эффективность других рациональных схем сна, призываем вас консультироваться с врачом и очень настороженно относиться к вариантам, которые не включают хотя бы несколько полноценных циклов в сутки.
Фазы сна и что важно о них знать (2021-09-17 11:31:31)
Фазы сна и что важно о них знать
Циклы, стадии и ритмы ночного отдыха Словосочетание «фазы сна» звучит красиво и загадочно, интригуя познавательным подтекстом, скрытым за емким понятием. Вы наверняка слышали, что сон бывает быстрым или медленным, но также наверняка не помните всех тонкостей упомянутых определений. А поскольку качество ночного отдыха с каждым годом приобретает все большую ценность, не лишним будет заново освоить физиологию фаз сна и разобраться, в чем отличие между быстрым и медленным сном
Какие бывают фазы сна
Научная схема структуры человеческого сна включает две главные фазы: медленный сон (он же медленноволновой, ортодоксальный или Non-REM-сон) и быстрый (БДГ или REM-сон — аббревиатура от определения «быстрое движение глаз» / rapid eye movement).
Сон здорового человека при нормальном графике в соответствии с биологическими ритмами представляет собой цикл из двух базовых фаз (каждая из которых, в свою очередь, имеет определенные стадии), несколько раз повторяющийся в течение ночи. Фазы сна человека имеют разную продолжительность по времени и особые функциональные задачи, обусловленные активностью мозговых структур.
Как устроены фазы и циклы сна
Засыпая, человек погружается в фазу медленного сна, а точнее, в ее первую стадию, которая длится 5-10 минут. Фактически это «прелюдия» отдыха, переход тела из активного состояния к полному расслаблению: снижается частота дыхания и пульса, замедляется обмен веществ, движение глаз под веками, понижается температура, замедляются волны мозга, мышцы расслабляются (иногда с импульсивными подергиваниями).
Затем наступает вторая стадия, которая длится около 20 минут — неглубокий или легкий сон, во время которого продолжает снижаться мышечная активность, температура, сердечный ритм, а глаза прекращают двигаться. Стадия легкого сна, повторяясь, как и прочие, несколько раз, занимает примерно 45-55 % общего времени ночного отдыха.
Еще по 30-45 минут приходится на третью и четвертую стадии — наступает глубокий дельта-сон. Сердцебиение и дыхание переходят к самому медленному ритму, мозговые волны и мышцы полностью расслаблены. Именно в этот период человека очень трудно разбудить, он/она крепко спит и даже если разговаривает в забытьи, потом ничего не помнит.
После этого спящий человек возвращается ко 2-й стадии медленного сна, которую сменяет первый короткий сеанс быстрого сна продолжительностью примерно 5 минут. Описанная последовательность стадий называется циклом, первый из которых насчитывает 90-100 минут, и, в среднем, здоровый сон длится 4-5 полных циклов, в зависимости от возраста и потребностей организма. Говоря о нормах для конкретной фазы сна, стоит отметить, что при повторении циклов доля медленного сна уменьшается, а быстрого — возрастает.
Чем важна фаза медленного сна
Во время медленного сна, а особенно в третью и четвертую стадии, организм восстанавливает энергетические и физиологические ресурсы, запуская процессы регенерации клеток, улучшения кровоснабжения мышц, общего укрепления иммунной системы. Пока мы крепко спим, гипофиз трудится, выделяя важные для тела вещества, такие, например, как гормон роста, способствующий развитию и восстановлению мышечной и костной ткани.
Кроме того, глубокий сон помогает структурировать безудержный поток поступающей в него информации, позволяя мозгу формировать осознанные воспоминания, поддерживая кратковременную/долговременную память и общее обучение.
Что происходит в фазу быстрого сна
Фаза быстрого или парадоксального сна характеризуется повышенной активностью головного мозга, что проявляется в быстром движении глазных яблок, подмеченном исследователями. Активность мозга, как и частота пульса, в эти минуты приближается к состоянию бодрствования, дыхание учащается.
Во время фазы быстрого сна мозг фильтрует полученную за день информацию, отбрасывая ненужную и второстепенную. Ученые-сомнологи считают, что проснувшиеся на этапе БДГ-фазы, более творчески настроены и готовы к решению незаурядных задач. А еще мы видим сны — 80% сновидений происходят во время быстрого сна, и те, кто просыпается в этот период, обычно помнят, что снилось и в подробностях описывают увиденное.
Как высыпаться, учитывая фазы сна
Качественный ночной сон не менее важен, чем правильное питание и регулярные воркауты. Недостаток сна, по выводам ученых, вызывает самые разнообразные проблемы со здоровьем — от лишнего веса, преддиабета и депрессии до снижения иммунитета и сексуального влечения.
Самый эффективный метод, гарантирующий крепкий и здоровый сон — соблюдение режима. Учитывая личные потребности и зная, сколько циклических повторений фаз сна организму требуется, чтобы хорошенько отдохнуть, определите час, когда вам лучше просыпаться, а когда лучше засыпать, и следуйте этому графику, отправляясь в постель и покидая ее в одно и то же время — ежедневно и при любых условиях.
Вот еще несколько советов, которые помогут высыпаться, не нарушая циркадного ритма и следуя тому, как фазы сна сменяют друг друга по часам:
упражняйтесь — как минимум 20-30 минут в день, избегая тренировок за несколько часов до сна;
во второй половине дня пейте только воду и напитки без кофеина — кофе, алкоголь и никотин затрудняют полноценный ночной отдых;
настраивайтесь на отдых после долгого дня — почитайте книгу или примите ванну;
избавьтесь от яркого света и громких звуков в спальне — от телевизора, ноутбука и, желательно, смартфона;
если не спится, не лежите в постели, ворочаясь, а лучше встаньте и займитесь чем-нибудь спокойным, например, почитайте, пока снова не начнет клонить в сон;
подумайте о замене подушек, одеяла, покупке мягкого и «дышащего» постельного белья или перестановке кровати — возможно, чтобы спать как дитя, вам нужно гнездышко покомфортнее.
Подробнее
Медицинский лекторий
«ДомоденТ» — это многопрофильная клиника, которая оказывает все виды стоматологических и лор-услуг для жителей г. Домодедово и Московской области.
Промышленный холдинг Evers Group Rus – это компания производитель инновационных и традиционных медицинских изделий, входит в число лидеров отечественного рынка фармпредприятий.
Нова Клиник — сеть специализированных центров репродукции и генетики человека в Москве, где проводится полный комплекс диагностических и лечебных мероприятий, направленных на преодоление бесплодия.
Сахарный диабет и ожирение. Новый взгляд на проблему.
Какие национальные кухни самые полезные и где живут самые здоровые люди?
Щитовидная железа – какие показатели в анализе говорят о нарушениях в ее работе
По каким признакам можно определить дефицит микроэлементов в организме?
Какие продукты вызывают зависимость? Выражение «шоколадный пьяница» появилось неспроста
Искусство как лекарство: нейронаука объясняет успехи арт-терапии
Сладость с изюминкой: что нужно знать о пользе горького шоколада
6 продуктов, которые нужно есть зимой
Врач рассказал, что поможет в борьбе с метеозависимостью
Врач дал советы по уходу за кожей зимой
Сухофрукты для сердца и укрепления всего организма
«Я беспокоюсь из-за всего»: как перестать тревожиться, если у вас тревожное расстройство
«Врачеватели растений»: лонгрид Союза журналистов Подмосковья в рамках проекта «Наука в Подмосковье в лицах и фактах»
Диетолог рассказала как правильно выбрать и готовить курицу
Как правильно пить кофе и в каких количествах? Учёные вывели идеальную формулу «бодрости»
Сон: ЭЭГ диагностика нарушений сна
Сон и его фазы
Сон – это сложное состояние, которое циклически сменяется бодрствованием и является фундаментальным для умственного и физического здоровья. Характеризуется сменой фаз БДГ (быстрого движения глаз) и медленного сна.
Во время быстрого сна (БДГ) теряется контроль над конечностями (мышечная атония), сновидения становятся ярче. Кроме того, в фазе БДГ автономная деятельность крайне нестабильная и приводит к быстрому росту частоты сердцебиения и давления, дыхание становится неровным, а терморегуляция приостанавливается. Во время фазы БДГ ЭЭГ рассинхронизируется.
Стадии сна по ЭЭГ
Во время сна стадии появляются в следующем порядке:
При нормальном цикле сна за четвертой стадией идет третья и более легкие, пока не наступает фаза БДГ. После фазы быстроволнового сна цикл начинается заново, с первой стадии.
Для человека полный цикл длится 90–100 минут. Стандартный сон состоит из 4-5 таких циклов.
Патологии сна
В состоянии сна болезни и патологии не только выявляются более отчетливо, некоторые отклонения можно обнаружить только в состоянии сна. Более того, для самого состояния сна свойственны некоторые отклонения,отличающиеся тяжестью переноса и эффектом на организм.
ICSD-3 собирает все расстройства сна в шесть разделов 7 :
Самыми распространенными расстройствами сна по версиям различных изданий и клиник 8 9 10 11 являются:
Электроэнцефалограмма в состоянии сна
На самом деле, сон состоит из нескольких отдельных процессов, различных количественно и качественно. Каждый тип сна имеет свои собственные характеристики и регуляторные механизмы.
Из-за того, что сон – это мозговой процесс, техника электроэнцефалографии была приспособлена для записи мозговой активности и исследования сна практически сразу же после открытия (начало 20 века).
С точки зрения биологии, ЭЭГ – это результирующий макропроцесс, набор электрических потенциалов областей коры головного мозга, суммируемый из потенциалов отдельных нейронов. К слову, порядок числа нейронов в головном мозге – десятки миллиардов. Потенциал, снимаемый электродом с участка скальпа, зависит от числа вовлеченных в биологические процессы нейронов, степени их синхронизации, от расположения активных участков мозга.
Амплитуда (снимаемая разность потенциалов), по сути, не имеет никакого конкретного смысла для анализа. Ее значение является стохастическим. По значению в определенный момент практически невозможно получить какую-либо информацию. Важную информацию можно определить именно из поведения потенциала с течением времени. Задержка или смена амплитуды волны позволяет сделать некоторые выводы о природе процессов, происходящих в организме. Уже существуют некоторые шаблоны перепадов потенциала (К-комплекс, сонное веретено, V-волна, CAP рисунок, различные вспышки и т. д.), по времени и частоте появления которых вполне надежно определяются фазы сна.
Точно так же, некоторую информацию несет частота смены результирующего потенциала. Спектральный анализ определенных участков ЭЭГ позволяет установить стадию сна, участки приступов и других отклонений.
Методика регистрации ЭЭГ
В традиционной записи ЭЭГ сна использовались аналоговые усилители с высоким коэффициентом усиления, управляющие чернильной ручкой. Ручка находится в контакте с бумагой, перемещаемой механическим приводом.
Усилители умножают разность потенциалов между двумя золотыми или серебряными дисковыми электродами, прикрепленными к поверхности кожи или скальпу.
В настоящее время современные электроэнцефалографы создаются на базе компьютеров. Электроды, отводящие потенциалы, представляют собой металлические пластины или стержни различной формы с диаметром контактной поверхности 5-10 мм. Усиленные потенциалы преобразуют в цифровую форму, регистрация ЭЭГ непрерывно отображается на мониторе и одновременно записывается.
Расположение электродов варьировалось в каждой лаборатории, пока не была создана стандартизированная технология.
До сих пор используется стандартная технология расположения электродов по схеме 10-20 12 (Рис. ):
Схема монтажа электродов 10-20 для ЭЭГ
Схема монтажа электродов 10-20 для ЭЭГ
ЭЭГ активности, ритмы и другие компоненты
Активность ЭЭГ состоит из непрерывной фоновой активности и особых событий, которые выделяются из фона. Так как ЭЭГ – это колебания электрических потенциалов, один из способов классификации – по частоте.
Волны могут существовать совместно (например, альфа и дельта ритм), а могут формировать фоновую активность, в то время, как некоторые другие выделяются из фона (например, К-комплексы). Некоторые комбинации довольно распространены (волны со смешанной частотой и с низкой амплитудой), в то время как другие редки (тэта-ритмы, сонные веретена).
Волны могут возникать всплесками или быть постоянными, возникать постепенно.
Некоторые волны специфичны для сна, некоторые нет.
Под понятием “ритм” на ЭЭГ подразумевается электрическая активность (волна или серия волн ЭЭГ), соответствующая определённому состоянию мозга. При описании ритма указывается его частота, типичная для появления область мозга, амплитуда и некоторые характерные черты его изменений во времени при изменениях функциональной активности мозга:
Доброкачественные эпилептиформные компоненты сна BETS (небольшие острые шипы SSS): пики очень короткой длительности и низкой амплитуды, за которыми часто следует небольшая тэта-волна, возникающие в височных областях в состоянии дремоты или поверхностного сна.
Длительность и амплитуда колебаний в пределах 50 мc и 50 мкВ соответственно.
Позитивный затылочный острый компонент сна POSTS: Острый компонент с максимумом в затылочных отделах, возникающий во время сна. Может быть одиночным или повторяющимся. Амплитуда варьируется, но, как правило, менее 50 мкВ. POSTS возникают обычно во время дремоты, стадий сна 1 и 2. Регистрируются сериями по 4-5 в секунду.
V-волна: вертексный острый компонент (вертексная острая волна). Это острый потенциал, возникающий спонтанно во время сна или в ответ на сенсорный стимул во время сна или бодрствования. Может быть одиночным или повторяющимся. Амплитуда в целом редко превышает 250 мкВ.
Вертексные волны типично возникают при засыпании, в стадиях 1 и 2 медленного сна.
K-комплекс: разряд длительностью 0.5 с и амплитудой более 100 мкВ, состоящий в основном из высокоамплитудной негативной медленной волны, за которой следует меньшая позитивная медленная волна. К-комплекс часто возникает в паре с сонными веретенами. К-комплексы возникают во время NREM-сна, спонтанно или в ответ на неожиданные сенсорные стимулы. Иногда за К-комплексом следует разряд альфа- или тэта-колебаний, называют K-альфа.
Особенности ЭЭГ на различных стадиях сна
У большинства людей (но не всех) наблюдается альфа-активность, когда они спокойно сидят в состоянии бодрствования с закрытыми глазами.
Затухание происходит при открытии глаз или напряженной умственной деятельности. Альфа-активность затухает, как только человек засыпает. Перед исчезновением наблюдается небольшой всплеск потенциала. Альфа-активность заменяется тэта- или смешанным ритмом. В это время могут наблюдаться V-волны. После закрепления сна появляются сонные веретена и К-комплексы.
Более 50% времени сна занимают низкоамплитудные волны смешанных частот, прерываемые на веретена, К-комплексы или редкие дельта-волны. Во время появления веретена вероятность пробуждения выше. К-комплекс так же может быть предвестником пробуждения. Вероятность пробуждения в течение 2 минут после появления К-комплекса выше, чем 2 минуты до него.
Именно смена типов и интенсивности ритмов является основанием для деления сна на стадии. Определение стадий сна проводится по специальным правилам, способным определить, к какой категории сна относится текущий промежуток времени. Такие промежутки называется «эпохами».
Бодрствование. Стадия бодрствования устанавливается по наличию 15 секундной эпохи альфа-активности. Для людей, у которых альфа-активность не проявляется, критерием является наличие всплесков высокочастотной бета-активности.
Медленный сон. Первая стадия медленного сна устанавливается по отсутствию альфа-активности в течение 15 секунд и отсутствию К-комплексов, веретен. Для людей с отсутствующей альфа-активностью определение первой стадии сна является проблематичным. У таких людей ЭЭГ определяют по V-волнам.
Вторая стадия устанавливается на ЭЭГ по появлению на низкоамплитудном фоне с волнами различных частот К-комплексов и сонных веретен. Критерием так же является появление дельта-волн (в т. ч. медленных) с продолжительностью менее 6 секунд и амплитудой более 75 мкВ.
В течение первого часа-полтора, у большинства людей постепенно увеличивается активность высокоамплитудных дельта-ритмов до тех пор, пока полностью не превозобладает.
Возбуждаемость подавлена, люди часто не запоминают факта пробуждения в этой стадии.
Быстрый сон. Стадия быстрого сна (БДГ-быстрого движения глаз) устанавливается по появлению волн характера первой стадии медленного сна (низкая амплитуда, смешанные частоты) с сопутствующей пилообразной тэта-активностью. Движение глаз наблюдается не на каждой эпохе этой стадии.
Стадия длится до тех пор, пока не наблюдаются признаки состояния бодрствования, 3 и 4 стадии сна, первой стадии сна или К-комплексов и веретен сна в течение 15 секунд без движений глазами.
Таблица 1 – ЭЭГ активность при стадиях сна и бодрствовании
Архитектура сна:
Обработка ЭЭГ сигнала
Любой анализ электроэнцефалограммы состоит из следующих стадий:
1. Оцифровка сигналов электрической активности мозга;
2. Предобработка (фильтрация от шумов, удаление артефактов);
3. Выделение характерных признаков;
3.1. (Выбор характерных признаков);
4. Классификация полученных признаков.
Разберем некоторые наиболее полезные методы.
Для устранения физических артефактов (помехи от электрических полей и т. п.) и физиологических (активность мышц, движения глаз и т. д.) применяются:
Для удаления артефактов, обусловленных непроизвольными движениями глаз, широкого применяется анализ главных компонентов (PCA). Данный метод позволяет уменьшить размерность данных без потери информации, убрать шум, взвесить данные и визуализировать их. Кроме того, для устранения артефактов используется анализ независимых компонент – метод декомпозиции ЭЭГ сигнала на максимально независимые паттерны активности, как правило, связанные с различными областями коры головного мозга или иными источниками сигналов.
Для выделения конкретных областей данных необходимо использовать пространственный фильтр, который минимизирует мощность сигнала во всех областях кроме области интереса, например, Null-beamformer.
Кросс-спектральные характеристики предназначены для оценки различных аспектов связи двух сигналов ЭЭГ, регистрируемых с двух отведений. Кросс-спектр двух процессов вычисляется как произведение одного спектра спектр другого в его комплексно сопряженной форме.
Практически важным показателем ЭЭГ является оценка взаимосвязи, взаимовлияния, взаимодействия процессов в парах отведений. Для этого используются различные показатели синхронности ЭЭГ, наиболее известным из которых является функция когерентности. Когерентность отражает линейную связь двух процессов в частотной области аналогично тому, как обычный коэффициент корреляции отражает степень линейной взаимосвязи двух процессов во временной области.
В качестве альтернативы когерентности наиболее эффективным в плане чувствительности к различиям является корреляция огибающих ЭЭГ.
Алгоритм классификации расстройств
Классификация расстройств сна производилась по следующему алгоритму (Рис.):
Определение характеристик и признаков патологий сна
На данный момент основными диагностическими критериями расстройств сна являются жалобы пациентов касательно качества их жизни.
Электроэнцефалографические же характеристики не используются вовсе.
Определение характеристик
Было отобрано 51 исследование, содержащее упоминание об изменении ЭЭГ характеристик у пациентов с расстройствами сна по сравнению со здоровыми. Для инсомнического расстройства отобрано 11 работ, для нарколепсии – 14, для NFLE – 11, для PLMD – 8, для RSBD – 7.
Было найдено 20 уникальных характеристик, большая часть из которых так или иначе фигурирует в каждом заболевании.
По характеру информации характеристики были поделены на две категории: спектральные – отражающие изменения частотных характеристик и структурные – отражающие изменения архитектуры и микроструктуры сна.
Характеристик, описывающих изменения другого рода (напр. пространственного) замечено не было.
Для выбранных заболеваний можно отметить совместное проявление характеристик в ЭЭГ-сигнале:
Инсомническое расстройство путают с синдромом задержки фазы сна (Delayed Sleep-Wake Phase Disorder), расстройством цикла «сон-бодрствование» (Circadian Sleep-Wake Disorder).
NFLE путают с кошмарами, ночными страхами, парасомниями, апноэ сна 33 и различными психиатрическими расстройствами.
Итог сравнительного анализа может быть представлен (систематизирован) в Таблице 2. Пустые ячейки соответствуют отсутствию информации.
Таблица 2 – Особенности ЭЭГ основных расстройств сна
При любом заболевании увеличивается доля первой стадии сна, число пробуждений и частота смены фаз сна.
У пациентов с нарколепсией увеличивается длительность полного цикла сна.
NFLE возможно отличить от парасомний по доле медленного сна, REM сна, частоте сонных веретен.
Даже отсутствие проявления каких-либо признаков у заболевания может являться критерием. Например, для инсомнического расстройства REM сон не имеет никаких отклонений, в то время как для остальных заболеваний его признаки каким-либо образом меняются.
Так как не существует параметров, однозначно определяющих какое-либо расстройство, для обучения алгоритма желательно анализировать сразу группу характеристик, представляющих в таком случае некий отпечаток заболевания.
Определение признаков
В ходе анализа литературы были обнаружены 32 признака, которые могут отражать характеристики, найденные ранее. Данные представлены в Таблице 3.
| № | Название | Формула | Ссылка |
|---|---|---|---|
| 1 | Частотная энтропия | >  | 34 35 36 |
| 2 | Частота спектральной границы | >  | 37 38 |
| 3 | Энтропия амплитуд | >  | 39 40 |
| 4 | Первый спектральный момент | >  | 41 |
| 5 | Спектральная центроида | >  | 42 43 |
| 6 | Частотная ровность | >  | 44 |
| 7 | Энергия сигнала | >  | 45 |
| 8 | Оператор энергии Тигера-Кайзера | >  | 46 47 |
| 9-13 | Относительные спектральные мощности δ, θ, ɑ, σ, β ритмов | > | 48 49 50 |
| 14-18 | Отношения спектральных мощностей:σ/θ, σ/lowɑ, σ/β, ɑ/δ+θ, θ/ɑ+δ | > | 51 52 53 |
| Гармонические параметры | > | 54 55 56 | |
| 19 | Центральная частота | >  | |
| 20 | Полоса пропускания | >  | |
| 21 | Значение на центральной частоте | >  | |
| Параметры Юрта | > | 57 58 | |
| 22 | Активность Юрта | >  | |
| 23 | Мобильность Юрта | >  | |
| 24 | Сложность Юрта | >  | |
| Анализ энергетических спектров | > | 59 | |
| 25 | Спектральная плотность мощности | >  | |
| 26 | Спектральная амплитуда | >  | |
| Амплитудно-периодометрический анализ | > | 60 61 | |
| 27 | Выпрямленная амплитуда | >  | |
| 28 | Время в ритме | >  | |
| Другие признаки | > | ||
| 29 | Средняя спектральная частота | > | 62 |
| 30 | Плотность сонных веретен | > | 63 |
| 31 | Коэффициенты вейвлет (wavelet) преобразования | > | 64 |
| 32 | Коэффициенты авторегрессионной модели | > | 65 66 |
Признаки 1, 2, 8, 14-18, 30, 31, 32 используются для индикации сонных веретен; признаки 1-4, 9-24, 29, 31-32 для определения стадий сна; признаки 1, 19-24 для детектирования приступов апноэ во сне; признаки 3, 7, 9-13, 29, 31 для индикации микропробуждений (arousals); признаки 9-13, 29, 31для определения времени засыпания. Кроме того, признак 31 (wavelet-коэффициенты) использовался для индикации участков CAP и обнаружения К-комплексов.
В рамках данного исследования использовались признаки 1-24.
Отбор признаков
Найденные признаки были сформированы в группы, являющиеся входными данными нейронной сети. В ходе предварительных проверок пригодности признаков было обнаружено, что группа из спектральных мощностей основных четырех ритмов (δ, θ, ɑ, β) являются определяющими и вносят наибольший вклад в точность определения расстройств сна.
Для отбора самой эффективной группы использовалась нейросеть с топологией 10-10-6 и обучающей выборки для контроля: 3 файла с болезнью и 3 файла здоровых.
Точность определения расстройств для наборов признаков
Было сформировано 23 группы признаков. Результаты оценки эффективности некоторых из них представлены на Рис.
Вероятность правильности определения заболеваний упала ниже 50% при использовании в качестве входных параметров групп, сформированных добавлением к основной группе одного из признаков 1-8, 19-20, 23 из Таблицы 2.
Группы, сформированные добавлением к основной группе признаков 22, 24 значимо ухудшили точность определения заболеваний.
Уменьшение точности при добавлении к основной группе признаков 14, 16, 18 составляет 
Точность определения расстройства сна от архитектуры сети и длительности обучения
При выборе наиболее подходящей архитектуры важно смотреть на две характеристики: точность определения заболевания и расхождение точности между определением наличия и отсутствия болезни. Большое расхождение точностей свидетельствует о снижении способности к категоризации, когда нейросеть обучается только на один класс (одну последовательность входных данных) и не способна перестроить свою структуру на выдачу другого типа выходных данных. Такое же явление можно наблюдать и при переобучении.
На графике представлена зависимости точности определения наличия и отсутствия болезни от числа нейронов на слоях. Красными точками отмечены наиболее подходящие варианты топологий – с высокой точностью и низким ее расхождением в определении ЭЭГ здоровых и больных. Для обучения выбрана топология 6-4. При такой топологии у нейросети наилучшая способность к обобщению и категоризации. При увеличении числа нейронов на слоях упомянутые характеристики снижаются. Также, 8 нейронов оказалось недостаточно для обучения многослойного перцептрона 10 характеристикам болезней сна.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы были определены отличительные характеристики электроэнцефалограмм людей с расстройствами сна и признаки, по которым расстройства сна можно классифицировать искусственной нейронной сетью.
Самой эффективной архитектурой для нейронной сети с топологией многослойного перцептрона оказалась 6-4 (два слоя, 6 нейронов на первом, 4 на втором).
Достигнуты следующие показатели эффективности: точность 98% в определении расстройства поведения в быстром сне, 75% в определении инсомнического расстройства, 65% – расстройства периодического движения конечностями и 57% – нарколепсии (при малой обучающей выборке).
Использование указанного типа нейронной сети вместе с выбранными признаками не подходит для классификации ночной фронтальной лобной эпилепсии.
Разработанный в ходе исследовательской работы программный комплекс на данном этапе готов к использованию в дальнейших научных и диагностических целях и будет выложен в открытый доступ под лицензией свободного ПО.