ИздательствоБашкирский государственный педагогический университет им.М. АкмуллыISBN978-5-87978-539-5Год2009Страниц100Уровень образованияБакалавриат, Специалитет. Лабораторный практикум по физиологии высшей нервной деятельности

УДК 612.821 ББК 28.073 М 54

Печатается по решению учебно-методического совета Башкирского государственного педагогического университета им. М.Акмуллы

Лабораторный практикум по физиологии центральной нервной системы / сост. Л.Г. Нагорная [Текст]. – Уфа: Изд-во БГПУ, 2009. – 28 с.

В практикуме изложены методы физиологических исследований, применяемые при изучении центральной нервной системы, которые позволяют повысить качество знаний будущих психологов. Главное внимание уделено узловым темам: «Методы исследования функций коры больших полушарий», «Функциональная асимметрия полушарий в осуществлении сенсорной и моторной функции», «Общие принципы регуляции физиологических функций. Нервная система, рефлекторный принцип деятельности», «Исследование роли мозжечка в регуляции двигательной активности».

Лабораторный практикум предназначен для студентов вузов, аспирантов, преподавателей.

Составитель: Л.Г. Нагорная, канд. биол. наук.

Рецензенты:

И.Д.Тупиев, канд. биол. наук, доцент (БИФК); Э.Н.Хисамов, д-р биол.наук, проф., академик ЕАЕН (БГПУ).

© Издательство БГПУ, 2009

2

Введение

Настоящий лабораторный практикум составлен для вузов. Лабораторный практикум содержит методические разработки к занятиям и описание лабораторных работ. Работы рассчитаны в основном на самостоятельное выполнение их отдельными студентами, но некоторые из них выполняются группой студентов под руководством преподавателя. В конце каждой работы дается перечень контрольных вопросов. Предлагаются рекомендации по оформлению протокола работ, что облегчает труд преподавателя по их проверке. В конце работ предлагаются основные вопросы для рассмотрения их на итоговом занятии – коллоквиуме.

Физиология центральной нервной системы (ЦНС) характеризуется интегративным подходом к изучению структуры и функций высших отделов ЦНС.

Современная физиология ЦНС включает изучение деятельности нейронов и их ансамблей, рассматривает механизмы возникновения и проведения возбуждения по нервным волокнам, раскрывает различные пути регуляции основных функций организма – нейрофизиологические, нейрохимические, нейрогуморальные. Нервная система обеспечивает адаптационное поведение организмов в изменяющейся окружающей среде на основе врожденных и приобретенных форм поведения.

В последние годы достаточно полно изучены межполушарные взаимоотношения, механизмы функциональных состояний, принципы координирования и обработки информации в нервной системе и другие.

Для получения более полного представления о физиологии нервной системы необходимо использовать лекции по физиологии ЦНС и указанную литературу. Приведенные в практикуме лабораторные работы помогают самостоятельному изучению физиологии нервной системы.

3

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИЙ КОРЫ БОЛЬШИХ ПОЛУШАРИЙ. ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АСИММЕТРИЯ ПОЛУШАРИЙ В ОСУЩЕСТВЛЕНИИ СЕНСОРНОЙ И МОТОРНОЙ ФУНКЦИИ

Лабораторная работа 1. Регистрация электроэнцефалограммы

Метод электроэнцефалографии (ЭЭГ) позволяет регистрировать электрическую активность нейронов головного мозга.

Ритмы ЭЭГ меняются в зависимости от состояния человека (бодрствования, сна и т. д.), действия на него раздражений, а также силы этих раздражений. Частота колебаний может меняться от десятых долей герц до 50—70 Гц и выше. Амплитуда их колеблется от 5 до 300 мкВ, но в каждый момент времени в ЭЭГ преобладают определенные ритмы, которые получили название аль- фа-, бета-, гамма - и дельта-ритмы (табл. 1). У бодрствующего человека в состоянии покоя и активности основными компонентами ЭЭГ являются альфа- и бета-ритмы. Альфа-ритм имеет частоту 8-13 Гц, амплитуда волн не превышает 50-100 мкВ. Возникает при исключении зрительных раздражений (выключение света, закрытие глаз) в состоянии покоя. При интенсивной физической и умственной работе доминирует бета-ритм, частота которого составляет 14-30 Гц, амплитуда волн не превышает 5-10 мкВ. Тета-ритм наблюдается во время сна и характеризуется частотой 4-7 Гц, амплитудой около 100-150 мкВ. При глубоком сне и наркозе появляется дельта-ритм с частотой 0,5-0,8 Гц и высокой амплитудой - до 300 мкВ. Такой ритм у детей в возрасте до 5 лет регистрируется в бодрствующем состоянии. С помощью усилителей постоянного тока можно зарегистрировать и еще более медленные колебания, получившие название сверхмедленных ритмов.

4

Природа ЭЭГ. ЭЭГ представляет собой суммарную активность сотен тысяч нейронов (возможно, и глии).

Как известно, нейроны ЦНС имеют большое число возбуждающих и тормозных синапсов. В результате приходящих на нейрон возбуждений на его мембране возникает возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) или тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП) - местные, локальные процессы. Длительность ВПСП в мотонейронах спинного мозга не превышает 6 мс, в нейронах коры большого мозга их длительность может достигать десятков и сотен миллисекунд. Длительность ТПСП, так же как ВПСП, небольшая в клетках спинного мозга и велика в клетках коры большого мозга. Полагают, что ЭЭГ, состоящая из колебаний, длящихся в среднем 100 мс (альфаритм), 20 мс (бета-ритм), 200 мс (тета-ритм) и 1000 мс (дельта-ритм), может быть обусловлена медленными колебаниями мембранного потенциала. Таковыми являются постсинаптические потенциалы - ВПСП и ТПСП. Они являются теми колебаниями электрического потенциала, которые, суммируясь, образуют альфа-, бета-, тета-, дельта-волны ЭЭГ. Кроме того, известный вклад в генез волн ЭЭГ вносит спайковая активность нейронов. Отдельные колебания потенциалов определенных зон мозга суммируются, создавая электрическое поле, которое в свою очередь создает определенную разность потенциалов на различных участках поверхности черепа.

ЭЭГ широко используется в клинике с диагностической целью. Особенно плодотворным оказалось применение этого метода в нейрохирургии для изучения локализации опухолей мозга, в неврологии - при определении локализации эпилептического очага, в психиатрии - при диагностике расстройств психики. Широкое применение метод ЭЭГ нашел и в хирургии для тестирования глубины наркоза.

Регистрация ЭЭГ у человека осуществляется при наложении электродов на кожу головы через специальную токопроводящую пасту или салфетку, смоченную раствором хлорида натрия. Расположение электродов может быть произвольным — в зависимости от целей и задач исследования, но наибольшее распространение получила так называемая система 10-20. По этой системе в качестве исходных точек принимают переносицу и затылочный бугор. Условная соединяющая их линия образует продольную ось. Поперечная ось образуется условной линией, соединяющей наружные слуховые проходы и условную точку на темени, разделяющую продольную ось пополам. Продольная ось делится на участки, измеряемые в процентах от общей длины линии от переносицы до затылочного бугра. Первый и последний электроды располагают на расстоянии, равном 100% длины этой линии от исходных точек. Остальные электроды располагают на расстояниях, равных 20% длины продольной оси. Всего на продольной оси размещают 5 электродов. Аналогично рассчитывают положение элек-

5

тродов и по поперечной оси. Остальные электроды располагают рядами в соответствии с делением основных осевых линий.

Контрольные вопросы

1.Какие существуют ритмы ЭЭГ?

2.Какова природа ЭЭГ?

3.Где применяется метод ЭЭГ?

4.Как осуществляют регистрацию ЭЭГ?

6

Лабораторная работа 2. Регистрация вызванных потенциалов мозга

Вызванными потенциалами (ВП) называют биоэлектрические потенциалы, которые имеют постоянную конфигурацию и возникают в определенных областях коры больших полушарий при раздражении рецепторов, афферентных нервов, различных подкорковых структур, а также самой коры. Конфигурация этих потенциалов, степень распространенности, амплитуда и длительность различных фаз зависят от места расположения стимулирующих электродов, характера раздражающего тока, состояний препарата, вида и уровня наркоза и т. д. Важнейшим параметром ВП является строго определенный латентный период, т.е. интервал времени между моментом раздражения и формированием этого потенциала в коре головного мозга.

На фоне спонтанной биоэлектрической активности в коре головного мозга при одиночных периферических раздражениях с наименьшим латентным периодом возникает первичный ответ (ПО) — особая биоэлектрическая реакция, генерируемая в проекционных корковых зонах различных анализаторов. Разнообразные вторичные ответы (ВО), имеющие больший латентный период, регистрируются в различных зонах коры головного мозга. ПО и ВО — медленные корковые биоэлектрические реакции коры. Они регистрируются только с помощью электродов, обеспечивающих отведение суммарных потенциалов нейрональных элементов, расположенных под отводящими электродами.

Первичные ответы имеют относительно стабильные параметры: конфигурацию фаз, латентный период, длительность и амплитуду. В корковых зонах в ответ на одиночное адекватное раздражение соответствующих рецепторов (звук, свет, прикосновение и т.д.) или при стимуляции соответствующего чувствительного нерва через 10—12 мс генерируется положительное колебание потенциала длительностью около 7—15 мс, за которым следует отрицательный потенциал продолжительностью 15-40 мс.

Выраженность ПО зависит от уровня спонтанной активности коры больших полушарий. При раздражении нерва характер ВП (величина латентного периода, амплитуда и длительность различных его фаз) определяется в значительной степени типом стимулируемого нерва и зависит от количества и качества его волокон. При стимуляции различных нервов и участков тела ПО возникают в определенных точках коры, в границах корковой области того или иного анализатора (например, кожно-мышечной чувствительности), так как проводящие пути и корковый конец анализаторов имеют строгую соматотопическую организацию.

Вторичным ответам свойственны большие различия в латентных периодах и топографии распределения в коре, а кроме того, непостоянство подкорковых структур, через которые проходят к коре афферентные посылки. О природе того или иного ВО можно судить, исходя из морфологи-

7

ческого анализа субстрата, ответственного как за проведение нервной импульсации, так и за формирование реакций на корковом уровне. ВО возникает не только в ассоциативных зонах, но и в корковых областях первичных проекций, принадлежащих другому анализатору. Метод ВП нашел широкое применение в нейрофизиологии и неврологии. С помощью ВП можно проследить взаимосвязь и взаимодействие различных отделов мозга, онтогенетическое развитие проводящих путей мозга, провести анализ локализации представительства сенсорных функций, связей между структурами мозга, показать количество синоптических переключений на пути распространения возбуждения (по латентному периоду), исследовать химическую природу синоптической передачи, произвести исследование эволюционного, филогенетического планов, изучить условнорефлекторную деятельность мозга и др.

Для анализа ВП используют метод усреднения многих ВП (в ряде случаев до 3 тыс.). Он дает возможность с большей достоверностью судить о величине, латентном периоде и длительности ВП, Для их измерения используют специальные приборы — усреднители на базе цифровых вычислительных устройств.

Контрольные вопросы

1.Что называют вызванными потенциалами?

2.Когда регистрируется первичный и вторичный ответ?

3.Какие параметры имеет первичный ответ?

4.От чего зависит выраженность первичного ответа?

5.Что свойственно для вторичного ответа?

6.Где применяется метод вызванных потенциалов?

7.Что необходимо для анализа вызванных потеницалов?

8

Лабораторная работа 3. Регистрация электрических процессов, происходящих в отдельных нервных клетках

Изучение активности отдельных клеток различных органов и тканей представляет большой интерес, так как позволяет получить информацию о механизмах и особенностях формирования возбуждения и торможений этих клеток, закономерностях их включения в определенные системы приспособительных реакций, характере ответных реакций на качественно различные раздражения, принципах кодирования информации в ЦНС и др.

Используют 2 способа регистрации активности клеток – внутриклеточный и внеклеточный. Внеклеточный метод методически проще, так как предполагает применение сравнительно толстых (до 50-100 мкм) стеклянных и металлических электродов. С помощью таких электродов регистрируют активность, как правило, нескольких близлежащих клеток. Для изготовления металлических электродов используют электролитический способ, заключающийся в медленном погружении и извлечении металлической заготовки в раствор кислоты. Контроль размера кончика электрода осуществляется под микроскопом. Металлические электроды требуют изоляции на всем протяжении, за исключением кончика.

Для внутриклеточной регистрации активности клеток используют чаще всего стеклянные микропипетки, заполненные раствором электролита, имеющие диаметр кончика 0,5-1,0 мкм. При изготовлении таких электродов используют специальные вытягивающие устройства — полуавтоматы с разогревом заготовок, создающие усилие, разрывающее разогретую заготовку в строго определенный момент ее вытяжения.

Металлические и стеклянные электроды обладают высоким сопротивлением – 5-50 мОм, поэтому при использовании таких электродов нужны усилители с высоким входным сопротивлением.

В последнее время широкое распространение получил метод микроионофореза — подведение к одиночной клетке различных химических веществ через многоканальный микроэлектрод (3-7 каналов). В таком электроде, помимо регистрирующего, имеются каналы, содержащие биологически активные вещества, «выталкиваемые» в окружающую среду при приложении небольшого (наноамперы) тока положительной или отрицательной полярности. Метод микроионофореза применяется для анализа химической природы передачи возбуждения, закономерностей обработки информации различного биологического качества, механизмов интеграции клеток и т.д.

Для точного определения положений различных глубинных структур головного мозга и введения в них различных макро- и микроинструментов (электроды, термопары, микропипетки и др.) широкое применение в электрофизиологических экспериментах и нейрохирургической клинике нашел

стереотаксический метод.

9

Этот метод впервые был предложен анатомом Д. Н. Зерновым («мозговой топограф») в 1889 г. и усовершенствован В. Хорслеем и Р. X. Кларком в 1908 г.

Стереотаксический прибор (существуют разные конструкции) состоит из основания, на котором закрепляется головодержатель и две координатные микрометрические головки.

В координатной головке укрепляется электродный держатель, с помощью которого в мозг экспериментального животного вводят электроды на соответствующую глубину. Перед введением электродов в черепе просверливают отверстие, затем для укрепления электрода на костях черепа ввертывают фиксационную втулку, а в нее вводят направляющую втулку, несущую электрод. Втулки и прилегающие участки заливают быстротвердеющими составами.

Для успешного попадания электрода в исследуемую структуру мозга голова подопытного животного должна быть фиксирована в головодержателе стереотаксического прибора всегда в строго определенном положении.

У кролика, например, установку горизонтальной плоскости и определение нуля координат производят по костным швам. Точка пересечения сагиттального и коронарного швов (брегма) должна лежать на 1,5 мм выше точки пересечения сагитгального и ламбдовидного швов (ламбда).

Координаты разных структур мозга животных и человека определены экспериментально и суммированы в специальных стереотаксических атласах. Стереотаксический метод применяется также и при нейрохирургических операциях на людях. С помощью стереотаксических приборов можно вводить в структуры мозга различные электроды (регистрирующие, раздражающие ткань мозга), канюли и микропипетки для введения разных химических активных жидкостей, капсулы с изотопами и др.

Используют способ одномоментных стереотаксических операций и метод вживленных на достаточно долгий срок электродов. Последний заключается, том, что в кору и глубокие структуры мозга вводят пучки электродов и оставляют их там, на недели и месяцы. Пучки электродов состоят из 6-10 и более свитых вместе изолированных фторопластом золотых проводников диаметром 100 мкм каждый. Неизолированные кончики электродов длиной 1,5-4 мм располагаются на различной высоте с интервалом 3-4 мм, что позволяет регистрировать активность из разных структур или разных областей одной и той же структуры. Вводят обычно 6-8 таких электродных пучков.

После завершения курса лечения электроды, как правило, извлекают, что не вызывает осложнения состояния больных. Введение в мозг человека множества пучков электродов, производимое с лечебном целью, одновременно предоставило физиологам возможность регистрировать активность многих мозговых структур у человека в условиях нормального поведения

10