Vliv pomalých, repetitivních pohybů na výskyt mozkové alfa aktivity

Súhrn

Tato pilotní studie se zabývá výskytem alfa aktivity a jejích intracerebrálních zdrojů v sLORETA zobrazení v průběhu čínského zdravotního cvičení. Studie se zúčastnilo 5 probandů (3 muži, 2 ženy ve věku 27-52 let), kteří prováděli jednoduché, opakované, symetrické pohyby horními končetinami v trvání 10 minut při otevřených a 10 min. při zavřených očích. EEG bylo registrováno pomocí telemetrického 32kanálového Nicolet EEG Wireless Amplifier (Natus Neurology Inc.) z 19 elektrod, před cvičením, v průběhu cvičení s otevřenýma očima, při cvičení se zavřenýma očima a po ukončení cvičení. Získaný signál byl následně zpracován sLORETA programem a byla vyhodnocena statisticky významná diference intracerebrální mozkové aktivity pro pásmo alfa-1 a alfa-2. Výsledky ukazují, že alfa aktivita se objevuje nejen v relaxovaném stavu při zavřených očích, ale také v průběhu pomalých pohybů ve stoji. Alfa aktivitu jsme nalezli u 4 z 5 probandů v průběhu cvičení se zavřenýma očima a u 3 probandů z 5 při cvičení s otevřenýma očima. V průběhu cvičení se zavřenýma očima se objevuje zdroj alfa-1 aktivity v primárních a sekundárních zrakových centrech, podobně jako v klidovém EEG před a po cvičení. Závěry této pilotní studie naznačují, že v průběhu soustředěného cvičení se zavřenýma očima mohou pomalé, repetitivní pohyby generovat alfa aktivitu, a tím navozovat stav určité mozkové relaxace, která je významná pro optimální mozkovou činnost. Současně představujeme jednu z možných metodik vyhodnocení intracerebrálních zdrojů mozkové aktivity v průběhu pohybové činnosti, která může být aplikována pro výzkumné účely u většiny pohybových aktivit.

Klíčová slova:
EEG, alfa aktivita, sLORETA, čchi kung

ÚVOD

Studium změn elektrické mozkové aktivity v průběhu jednoduchých, repetitivních pohybů, které jsou typické pro čínská zdravotní cvičení (čchi kung), je zdrojem mnoha informací, které mohou být integrovány do analýzy složitějších motorických projevů v průběhu jiných sportovních aktivit. Významným faktorem, který provází každý pohyb, je buď současné soustředěné sledování probíhajícího pohybu, nebo naopak stav jakéhosi „nemyšlení“ nebo spíše „myšlení na nic“ v průběhu cvičení. V principu dochází k sebe-uvědomování se v přítomném okamžiku, tedy zefektivnění řídících i metabolických nároků na prováděný pohyb. Tento stav pak automaticky zvyšuje požadovaný fyzický výkon a prodlužuje vytrvalostní zátěž. Jednou z možností, jak tento proces sledovat, je registrace mozkové elektrické aktivity pomocí EEG přístrojů modifikovaných pro pohybové aktivity. Současně se využívají další matematické postupy následného zpracování získaných dat, které rozšiřují možnosti interpretace výsledků (17).

Vztahem mezi EEG aktivitou a cvičením čchi kung se již zabývala řada autorů, kteří studovali změny elektrické aktivity mozku před a po cvičení. Jejich výsledky nejsou jednotné v závislosti na designu studie a výběru cvičení. Pan a kolektiv (16) porovnává skupinu 20 probandů praktikujících čchi kung koncentrativní se skupinou 30 probandů cvičící čchi kung nekoncentrativní a 23 probandů tvořilo kontrolní skupinu. Výsledky ukázaly signifikantní nárůst theta aktivity ve frontálních oblastech pro skupinu, která se koncentrovala. K obdobným závěrům došel Minegishi a kolektiv (15). Tito autoři předpokládají, že nárůst theta rytmu ve frontálních oblastech je indikátorem mentální koncentrace provázející tato cvičení. Řada dalších autorů nalezla naopak ve frontálních oblastech nárůst alfa aktivity (20, 22, 27) či zvýšení alfa aktivity v pravém parietálním laloku (7). Další studie popisují nárůst beta aktivity frontálně, u které se předpokládá, že indikuje proces aktivace-excitace-facilitace (11) a odpovídá nárůstu pozornosti a bdělosti (2, 9, 14).

Podobně i studie zabývající se EEG aktivitou v průběhu meditačních cvičení nám mohou naznačit procesy, které probíhají v průběhu prolongované fyzické zátěže. Meditace je popisována jako cvičení, které se zaměřuje na trénink pozornosti a bdělosti za cílem udržet mentální procesy pod vědomou kontrolou, a tímto rozvinout stav mentálního pocitu pohody a celkového klidu. Existuje celá řada funkčních technik, rozličných fází, kognitivních procesů a emočních stavů provázejících meditační cvičení (25). Podle zaměření pozornosti můžeme meditační praxe klasifikovat na 2 základní skupiny: 1. meditace se zaměřenou pozorností (FA - focused attention) a 2. otevřené monitorování (OM – open monitoring). FA meditace je zaměření pozornosti na vybraný předmět a trvalé udržení této pozornosti. OM meditace se zabývá pozorováním kognitivního prožitku právě existujícího okamžiku, ale bez zpětné reakce. Tento typ se využívá především k rozpoznání původu kognitivních a emočních vzorců daného jedince (6, 12, 13).

V průběhu meditativních stavů se ve většině studií sledovala především alfa a theta aktivita. Nárůst theta aktivity v oblasti frontálních laloků je spojován s internalizovanou (vnitřně se ztotožňující) pozorností (1, 10, 23, 25). Naproti tomu nárůst alfa aktivity vyžaduje stav relaxace, který se objevuje až v hlubších stadiích meditace (24, 25) a je provázen nárůstem aktivity parasympatiku (5). K podobným závěrům došli i Chan a spol. (4), kteří považovali nárůst alfa aktivity za index relaxace a nárůst theta aktivity za index pozornosti (4, 25).

Jedním z možných způsobů vyhodnocení intracerebrální elektrické aktivity je použití Standart low resolution brain electromagnetic tomography metody (sLORETA), která umožňuje ze skalpového EEG vypočítat zdroje této elektrické aktivity v mozkové tkáni a zobrazit je v Talairachově 3D obraze. Autorem programu je Dr. Roberto Pascaul-Marqui z Key Institute for Brain-Mind Research v University Hospital of Psychiatry v Zurichu. Metoda stanovuje proudové hustoty v celkem 6239 voxelech s prostorovým rozlišením 5 mm³. (3, 19, 18). Cílem našeho experimentu bylo zjistit, zda se v průběhu cvičení qi gong při otevřených a zavřených očích objevuje alfa aktivita v EEG záznamu, a vyhodnotit změny jejích intracerebrálních zdrojů pomocí sLORETA programu.

METODIKA EXPERIMENTU

Experimentu se zúčastnilo pět zdravých osob, tři muži a dvě ženy ve věkovém rozmezí 27–52 let. Všichni se pravidelně věnovali cvičení čchi kungu (systému chung yuan) po dobu alespoň dvanácti měsíců. Probandi byli před provedením experimentu poučeni o průběhu měření a podepsali informovaný souhlas. Studie proběhla se souhlasem etické komise UK FTVS. Experiment byl proveden v Kineziologické laboratoři UK FTVS.

Elektroencefalografická aktivita byla registrována pomocí telemetrického 32kanálového EEG přístroje Nicolet EEG wireless 32/64 Amplifier firmy Natus Neurology, Inc. (USA). K vlastní registraci byla použita EEG čepice (Electro-Cap, Inc.) s rozložením elektrod v Mezinárodním systému 10-20, mozková aktivita byla snímána z 19 elektrod: Fp1, Fp2, F7, F3, Fz, F4, F8, T5, T3, C3, Cz, C4, T4, T6, P3, Pz, P4, O1, O2. Vzorkovací frekvence byla 512 Hz, pásmová propust 0,5-70 Hz, impedanční odpor pod 10 kΩ.

Vlastní měření probíhalo v několika fázích. Před samotným cvičením bylo registrováno klidové EEG při zavřených očích v průběhu 5 minut. Následně probandi provedli zjednodušené cvičení ve stoji v trvání 10 min. při otevřených očích a 10 min. při zavřených očích, v jehož průběhu byla trvale registrována EEG aktivita se současnou videomonitorací (obr. 1). Experiment byl ukončen 2minutovým klidovým EEG se zavřenýma očima registrovaným ve stoji na místě, kde probíhalo cvičení.

Pro experiment byly vybrány jednoduché symetrické pohyby prováděné horními končetinami v horizontálních a vertikálních rovinách, v pozici vstoje s nohama na šíři ramen a mírně pokrčenými koleny. V průběhu cvičení se probandi snažili co nejvíce koncentrovat na prováděné cvičení.

Získaná data byla následně off-line exportována do programu NeuroGuide (Applied Neuroscience, Inc.). Zde byly vybrány 30s bezartefaktové úseky z EEG signálu v klidu před cvičením se zavřenýma očima (PRE), v průběhu cvičení s otevřenýma očima (OE) a zavřenýma očima (CE) a po ukončení cvičení v klidu se zavřenýma očima (POST). Tyto úseky byly exportovány do sLORETA programu, kde byly statisticky porovnány parametrickým t-testem s korekcí nonparametrické randomizace. Statisticky významnou diferenci na hladině významnosti p≤0,05 jsme zobrazili v Talairachově obraze a vyhodnotili jednotlivé aktivní Broadmanovy zóny (18).

VÝSLEDKY

Alfa aktivitu jsme nalezli u 4 z 5 probandů v průběhu cvičení se zavřenýma očima a u 3 probandů z 5 při cvičení s otevřenýma očima. Pouze u 1 probanda se jednalo o beta záznam v průběhu celého experimentu.

Pomocí statistického modulu sLORETA programu jsme navzájem porovnali úseky z EEG signálu v klidu před cvičením se zavřenýma očima (PRE), v průběhu cvičení s otevřenýma očima (OE) a zavřenýma očima (CE) a po ukončení cvičení v klidu se zavřenýma očima (POST).

Nalezli jsme statisticky významnou diferenci (p≤0,5) pro alfa-1 pásmo (8-10 Hz) mezi EEG aktivitou při cvičení se zavřenýma očima (CE) versus cvičení s otevřenýma očima (OE) a pro alfa-1 pásmo mezi EEG aktivitou v průběhu cvičení s otevřenýma očima (OE) versus počátečním klidovým EEG (PRE) se zavřenýma očima. Naopak statisticky nevýznamná diference byla nalezena mezi klidovou EEG aktivitou se zavřenýma očima ihned po ukončeném cvičení (POST) versus klidovým EEG před cvičením (PRE) a mezi aktivitou v průběhu cvičení se zavřenýma očima (CE) versus počátečním klidovým EEG (PRE).

Statisticky významná diference mezi cvičením ze zavřenýma očima (CE) versus cvičením s otevřenýma očima, byla nalezena v Brodmannových zonách (BAs) 17, 18 a 19 (cuneus, gyrus lingualis, mediální a inferior occipital gyrus a gyrus fusiformis), které odpovídají primárním a sekundárním zrakovým korovým oblastem. V těchto oblastech dochází ke zvýšení aktivity při cvičení se zavřenýma očima (obr. 2). Nález v tomto případě vypovídá o zvýšené alfa-1 aktivitě při zavřených očích a jejímu utlumení při otevření očí.

Statisticky signifikantní diference (p≤0,5) mezi cvičením s otevřenýma očima (OE) versus klidovou EEG aktivitou se zavřenýma očima před cvičením (PRE), byla nalezena pro pásmo alfa-1 (obr. 3). Je patrná snížená aktivita v alfa-1 pásmu v oblasti okcipitálních laloků (BAs 17, 18, 19) a levé temporo-parietální oblasti (BAs 31, 37, 39, 40) v průběhu cvičení při otevřených očích. Snížení alfa aktivity při otevřených očích okcipitálně odpovídá její fyziologické atenuaci při otevření očí a nižší aktivita v levé temporo-parietální oblasti při otevření očí pravděpodobně vypovídá o ukončení procesu plánování pohybu, včetně její vnitřní představy, která probíhá před započetím pohybu.

DISKUSE

Výskyt alfa aktivity v našem experimentu je vázán na primární schopnost jedince tuto aktivitu generovat v klidovém stavu při zavřených očích. Pokud se objevila alfa aktivita v klidovém EEG před cvičením, nalezli jsme ji i v průběhu cvičení při zavřených očích. Změna se objevuje až v okamžiku otevření očí, kdy dochází k útlumu alfa aktivity v oblasti primární a sekundární zrakové kůry v okcipitálních oblastech. Tento fenomén je známý jako alfa atenuace, vymizení alfa aktivity při otevření očí patří mezi normální reaktivitu v EEG záznamu. Přestože byl tento fyziologický fenomén v našem experimentu pozorován, nalezli jsme alfa aktivitu u 3 probandů z 5 i při otevřených očích. V případě našeho experimentu s otevřenýma a zavřenýma očima v průběhu pohybové aktivity je patrná tato reaktibilita pouze v alfa-1 pásmu, v alfa-2 pásmu se aktivita neliší. Tento nález může svědčit pro to, že výskyt alfa aktivity není spojen s klidovým režimem ve smys­lu pohybové inaktivity, ale výskyt alfa aktivity bude především vázán na schopnost mentální relaxace.

Nález alfa aktivity v průběhu pomalé pohybové činnosti může naznačovat, že právě fyzická aktivita charakteru čínských zdravotních cvičení může mít neuroplastický vliv na mozkovou tkáň. Nálezy mohou do jisté míry korelovat se studiemi, které prokazují, že nižší intenzita fyzické zátěže, ve srovnání s vyšší intenzitou, vykazuje větší neuroprotektivní a regenerační vliv na mozek. Autoři tento vliv registrovali zvýšenou hladinou neuroprotektivních a růstových faktorů mozku (8, 21, 26).

V naší studii se neobjevuje alfa aktivita ve frontálních oblastech, která by odpovídala činnosti behaviorálního systému. Pravděpodobným důvodem je krátké trvání zátěže, které nevedlo ani k nástupu hlubších relaxačních stavů ani k nástupu centrální únavy, které jsou většinou doprovázeny pozitivní či negativní emoční reakcí.

ZÁVĚR

Souhrnem můžeme říct, že výskyt alfa aktivity v EEG záznamu není vázán na pohybový klid, ale můžeme ji pozorovat i při fyzické zátěži. Pokud je jedinec schopný generovat alfa aktivitu v klidu, bude ji pravděpodobně schopný generovat i při pomalých pohybech. Tento nález ukazuje, že cílená edukace ve smyslu pravidelné pohybové aktivity může vést k nárůstu alfa aktivity v EEG záznamu, a tím i k pravděpodobnému zlepšení kognitivních schopností jedince.

Studium mozkové činnosti v průběhu pohybu bylo doposud velmi problematické, protože hodnocení aktivity pomocí funkční magnetické rezonance je pro potřeby studia aktivního pohybu nevhodné a rutinní, elektroencefalografie vykazovala velké množství pohybových artefaktů. Současně trendy v registraci mozkové aktivity pomocí skalpového EEG a matematické postupy následného zpracování získaných biologických signálů nám však otevírají nové možnosti studia procesů řízení při dynamických pohybových činnostech.

Tato studie vznikla v rámci Programu rozvoje vědních oblastí na Univerzitě Karlově č. P38 Biologické aspekty zkoumání lidského pohybu.

Adresa ke korespondenci:

MUDr. David Pánek, Ph.D.

Katedra fyzioterapie FTVS UK

J. Martího 31

162 52 Praha 6

e-mail: panek@ftvs.cuni.cz