8.2. Анализ электрической и магнитной активности головного мозга

Определение и методы регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ)

и электрокортикограммы (ЭКоГ)

!Суммарную электрическую активность нейронов коры можно зарегистрировать с помощью электродов, присоединенных к коже головы или поверхности мозга.

Отведение ЭЭГ и ЭКоГ. Если прикрепить к коже головы в районе крыши черепа кнопочные серебряные электроды, то можно зарегистрировать непрерывные колебания потенциала между ними, причем как у человека, так и у других позвоночных. Данные колебания (рис. 8.4) называются электроэнцефалограммой (ЭЭГ). Их частота варьирует от 0,1 до 100 Гц, а амплитуда — от 1 до 100 мкВ.

При регистрации сигнала непосредственно с поверхности мозга (в экспериментах на животных или при нейрохирургическом вмешательстве) можно получить электрокортикограмму (ЭКоГ). В этом случае колебания характеризуются большей амплитудой, лучшим воспроизведением частотного диапазона и более высокой локальной специфичностью. Отводить аналогичные колебания потенциала можно и от более глубоко расположенных структур мозга при использовании хирургически вживленных электродов.

Область охвата ЭЭГ и ЭКоГ. Отводящие электроды ЭЭГ расположены достаточно далеко от источников ЭЭГ-токов в коре. Соответственно амплитуда разности потенциалов, зарегистрированной при ЭЭГ, примерно в 100–1000 раз меньше амплитуды потенциалов, возникающих непосред-

ственно в клетках. При ЭКоГ, т. е. при непосредственном отведении сигнала с поверхности коры, потенциалы в 10 раз больше, чем при измерениях с поверхности головы при неповрежденном черепе. В обоих случаях электроды отводят сигнал от большого количества клеток одновременно. Так, было посчитано, что электрод с площадью 1 мм2, расположенный на поверхности коры, отводит сигнал приблизительно от 100 000 нейронов на глубине до 0,5 мм. При отведении с интактного черепа область охвата примерно в 10 раз больше. Уже из этого понятно, что на ЭЭГ могут возникать только волны большой амплитуды, когда существенная часть нейронов под электродом более или менее одновременно активируется, затормаживается или их активность синхронно колеблется.

Определение и методы регистрации магнитоэнцефалограммы (МЭГ)

!С помощью магнитоэнцефалографии (МЭГ) можно зарегистрировать магнитные поля. Они возникают из-за электрической активности мозга.

Каждое движение электрических зарядов приводит к возникновению магнитного поля. Соответственно мозг тоже вырабатывает слабые магнитные поля (величина магнитной индукции меньше, чем у одной стомиллионной части электромагнитного поля Земли), которые можно зарегистрировать с помощью высокочувствительного прибора (охлаждаемый гелием SQUID, superconducting quantum interference devices) (рис. 8.5). Преимущество этого метода измерения по сравнению с ЭЭГ — его лучшее пространственное разрешение места возникновения кортикальной активности, так как магнитное поле не поглощается тканями и не рассеивается. Суммарная синхронная электрическая активность

кортикальных нейронов, регистрируемая при помощи ЭЭГ, напротив, рассеивается из-за сопротивления мозговых оболочек, костей черепа и кожи головы, что приводит к регистрации сигнала на ЭКоГ с интенсивностью меньше, чем одна десятая от действительной активности клеток.

Функциональные состояния организма и их ЭЭГ- и МЭГ-корреляты

ЭЭГ и МЭГ в состоянии спокойного бодрствования. Колебания, которые мы наблюдаем на ЭЭГ/МЭГ, не только следствие ритмических разрядов нейронов. Они осцилляторно их «запускают» и так влияют на формирование упорядо-

ченных проекций в тканях мозга. Ритм, который доминирует у здорового взрослого в бодрствующем состоянии с закрытыми глазами и который особенно хорошо выражен в затылочной доле, имеет частоту 8–13 Гц (в среднем 10 Гц). Такие колебания называются α-волнами (альфа-волнами). Если в точке отведения волны ЭЭГ обладают примерно одинаковой частотой и амплитудой, то мы называем ее синхронизированной ЭЭГ; α-активность, как

правило, бывает синхронизированной (рис. 8.4). Серии α-волн подавляются при выполнении задач

на внимательность и память в тех областях мозга, которые участвуют в данных процессах, благодаря чему становится возможной концентрация на важном содержании информации.

ЭЭГ и МЭГ при внимании и обучении. Исчезновение α-волн при открывании глаз или при

других сенсорных стимулах и умственной деятельности называется блокадой α-ритма. Вместо

них возникают высокочастотные и низкоамплитудные β-волны (бета-волны) с характерной частотой

13–30 Гц, в среднем 20 Гц (рис. 8.4). ЭЭГ и МЭГ в основном становятся менее регулярными, а измерения в разных точках отведения указывают на большие различия в амплитуде, частоте и фазовых характеристиках: ЭЭГ и МЭГ десинхронизированы по сравнению с α- и θ(тета)-волнами. Конечно, β- и γ-волны могут быть высокосинхро-

низированными в отдельных областях, если внутри области с равной частотой сменяются фазы возбуждения и торможения во многих клеточных ансамблях. Таким образом, между β- и γ-волнами есть

только градуальные различия.

Волны с частотой более 30 Гц называют γ-вол-

нами (гамма-волнами), они появляются при процессах внимания и обучения. Синхронизированные γ-колебания считают нейронной основой для

образования ассоциативных связей между соседними популяциями клеток (binding; гл. 10), а низкие частоты указывают на связи между удаленными клеточными ансамблями. Оба процесса часто пересекаются, например во время глубокого сна, когда происходит сохранение информации в памяти.

Сенсомоторный ритм (СМР). В центральных сенсомоторных областях в состоянии двигательного покоя возникают регулярные ритмы с частотой 8–20 Гц, которые называются µ-ритмами и исчеза-

ют при движении или при представлении движения. Если они появляются во сне, то их называют

веретенами.

ЭЭГ и МЭГ во время сна. Наряду с α-, β- и γ-волнами существует еще два других основ-

ных ЭЭГ-ритма с высокой амплитудой и низкой частотой, а именно θ-волны (4–7 Гц) и δ-волны

(дельта-волны, 0,1–4 Гц; рис. 8.4). У взрослых они с небольшой амплитудой появляются во время бодрствования, а также наблюдаются, как описано в разд. 9.2, во время сна (рис. 9.4) и при патологических состояниях. В состоянии бодрствования встречаются низкоамплитудные θ-волны в перед-

них отделах мозга, которые управляются гиппокампом и имеют значение для исследовательского поведения.

Применение ЭЭГ в клинических и психофизиологических целях

!Основное применение ЭЭГ — это диагностика эпилепсии, определение смерти мозга и изучение взаимосвязи между активностью мозга и поведением.

Клиническая диагностика. Регистрация электрической активности головного мозга позволяет получить клинически важную информацию:

при локализации и диагностике судорожных приступов (см. 8.1);

при определении смерти мозга; при определении последствий отравления для активности мозга;

при оценке глубины наркоза (анестезия); при исследовании лекарственных препаратов (фармакология);

при оценке повреждений после нарушения кровообращения в мозге (неврология); при диагностике нарушений сна и внимания;

при определении нарушений созревания мозга.

8.1. Эпилепсия

Происхождение. В основном при эпилепсии выделяют два вида приступов:

•Парциальные (фокальные) приступы берут свое начало в локальной группе нейронов. Они возникают из-за нарушения торможения в области гиперактивного эпилептического очага. Постоянная деполяризация нейронов в первую тоническую фазу называется проксимальной деполяризацией. Подразумевается, что ГАМКергическое торможение блокируется, в то время как активность рецепторов AMPA и NMDA сохраняется.

•Генерализованные приступы возникают из таламокортикальных циклов возбуждения и охватывают всю кору. При вторично генерализованном приступе эпилептическая активность распространяется от очага через таламус во многие области мозга. Во время тонической фазы мышцы сильно сокращаются, часто распрямляются, и пациент теряет сознание. В последующей клонической фазе активность ГАМК периодически возвращается, и нейроны начинают колебаться, что сопровождается, например, конвульсивными подергиваниями мышц. Нарушение тормозных интернейронов часто распространяется в отдаленные области мозга и вызывает там повтор-

ную гиперактивность.

Терапия. Лечение эпилепсии противоэпилептическими лекарствами зависит от типа приступов; во многих случаях эти вещества способствуют снижению возбудимости нейронов. Таким образом, 60–70% случаев эпилепсии можно лечить достаточно успешно. Однако парциальная (фокальная) и вторично генерализованная формы плохо или совсем не реагируют на лекарственные препараты. Если очаг четко локализован и не относится к областям, ответственным за поведение и мышление, то хирургическое удаление очага

может привести к длительному улучшению. Благодаря отсутствию побочных эффектов, особенно успешным является психофизиологическое лечение эпилепсии путем тренировок, при котором пациенты учатся откликаться на свою мозговую электрическую активность и подавлять приступы, создавая положительные тормозящие медленные мозговые потенциалы или сенсомоторные ритмы (см. 10.2).

В качестве примеров патологически измененных волн ЭЭГ на рис. 8.4 (справа) представлены судорожные потенциалы, которые возникают прежде всего при эпилептических припадках. Типичные клинические симптомы (судороги, потеря сознания и т. д.) сочетаются с характерными резкими колебаниями потенциалов с высокой амплитудой (пароксизмальные деполяризации) в ЭЭГ. Это подтверждает, что кортикальные нейроны в момент припадка демонстрируют высоко синхронизированную активность, которая не возникает в физиологических условиях.

Изоэлектрическая ЭЭГ, т. е. ЭЭГ без какого-ли- бо колебания, остающаяся неизменной на протяжении длительного времени, считается признаком

необратимой смерти мозга.

Психофизиология. В психофизиологических исследованиях регистрация электрической и магнитной активности мозга является наиболее важным методологическим подходом к исследованию

взаимосвязей между активностью мозга и поведением у людей. Поскольку процессы обработки информации в мозге отчасти происходят очень быстро и в основном в виде колебаний (в пределах миллисекундных интервалов), для их измерения необходимо высокое временно•е разрешение, которым не обладают методы визуализации (разд. 8.4). Электроэнцефалографические методы, несмотря на достаточное временно•е разрешение, также имеют недостаток, связанный с невозможностью точно

определить локализацию данного колебания напряжения. ЭЭГ незаменима для определения различных фаз сна (разд. 9.2) и является важнейшим методом в области исследования сна. Впечатляющим примером возможностей МЭГ служит неинвазивное исследование активности мозга вынашиваемого ребенка с помощью МЭГ плода (см. 8.2).

Происхождение ЭЭГ и МЭГ

!ЭЭГ преимущественно возникает из-за внеклеточных токов, вызванных пирамидными клетками коры головного мозга, МЭГ связана с внутриклеточными токами.

Источники волн ЭЭГ. Электроэнцефалограмма отображает возбуждающие синаптические потенциалы (ВПСП) пирамидных клеток. Менее важную роль играют тормозные синаптические потенциалы (ТПСП) пирамидных клеток, поскольку при их возникновении внеклеточные потоки значительно меньше, чем при ВПСП. Вклад импульсной активности нейронов и глии в ЭЭГ (и в МЭГ) в нормальных условиях очень мал или отсутствует. Тем не менее глиальные клетки способны влиять на ритмы ЭЭГ/МЭГ, особенно на медленные, так как они участвуют в обмене веществ и влияют на возбудимость нейронов.

8.2. Фетальная магнитоэнцефалограмма: осмотр мозга перед рождением

А. Аппаратура для регистрации фетальной магнитоэнцефалограммы, которая позволяет без хирургического вмешательства или радиоактивного излучения измерить магнитные поля мозга плода и их изменения в ответ на простые зрительные и слуховые раздражители (через тело матери) начиная с 28-й недели

беременности. Б. Справа вверху: зрительные реакции, включая исходящее из головы магнитное поле (красное) и входящее поле (синее). Между обоими полями расположен источник магнитной активности. Стоит отметить небольшой временно•й сдвиг реакции магнитного поля по сравнению с реакцией у взрослых, что свидетельствует об удивительно зрелом развитии мозга эмбриона к этому времени. Слева: положение плода определяется с помощью ультразвука.

Полярность потенциалов ЭЭГ. Различают два вида колебаний потенциала:

положительные колебания потенциала в ЭЭГ (по соглашению отклонение потенциала вниз) обусловлены возбуждающими синаптическими потенциалами, возникают в более глубоких слоях (особенно в 4-м слое, куда проецируют-

или уменьшением возбуждения в поверхностных слоях;

отрицательные колебания, при которых наблюдается отклонение потенциала вверх, обеспечиваются возбуждением дендритов в верхних поверхностных слоях (через неспецифические таламические афференты, коммиссуральные и ассоциативные волокна). Тормозные синаптические потенциалы, напротив, наблюдаются в глубинных слоях коры.

Источник волн МЭГ. Магнитное поле всегда перпендикулярно по отношению к электрическому полю. Как описано выше, электрические потенциалы ЭЭГ возникают в пирамидных клетках, расположенных перпендикулярно поверхности коры. Следовательно, на МЭГ влияют только те магнит-

Рис. 8.6. Колебания с частотой 40 Гц. А. Состояние бодрствования. Б. Глубокий сон. В. REM-сон. Г. Фоновый шум прибора. Оригинальная запись колебаний кортикальных магнитных полей, зарегистрированная магнитоэнцефалографом (МЭГ) с 37 датчиками на правом полушарии мозга испытуемого (на вставке слева вверху). Слева: оригинальная запись с каждого датчика. Справа: суммированные колебания всех 37 датчиковов. Под каждой суммированной МЭГ показан ее короткий отрезок длительностью 200 мс. Колебания более выражены в состоянии бодрствования и сна в фазу сновидений, тогда как во время глубокого сна (δ-сна) они редуцируются

ные волны, которые возникают благодаря активности нейронов, расположенных горизонтально («тангенциально») по отношению к поверхности коры. Это прежде всего клетки в бороздах коры головного мозга, составляющие 60% общей площади поверхности.

Активность большей части извилин не учитывается, за исключением тех, которые располагаются горизонтально по отношению к датчикам, например извилины нижней височной доли.

Разрешающая способность комбинации ЭЭГ/МЭГ. При комбинации двух способов измерения источники активности коры можно локализовать с высокой точностью (до 2 мм). Ни один другой известный неинвазивный метод

регистрации нейронной активности не дает сопоставимого пространственного и временно•го разрешения. Однако глубина проникновения МЭГволн ограничена несколькими сантиметрами, так что подкорковые структуры или глубоко залегающие складки коры (например, орбитофронтальную кору) нельзя исследовать таким образом, или это становится возможным только при специальных условиях.

В ЭЭГ глубина проникновения еще меньше (см. выше). При использовании нескольких способов измерения, ЭЭГ/МЭГ и фМРТ, можно оптимизировать пространственное и временно•е разрешение обоих методов.

Колебания ЭЭГ и МЭГ. Различные виды волн ЭЭГ и МЭГ предположительно образуются разными генераторами. И волны ЭЭГ, и вызванные потенциалы возникают в коре, однако их ритм и синхронизация могут быть «навязаны» клеткам коры далеко расположенными подкорковыми ядрами (entrainment).

Так, α-ритм будет передаваться от ритмиче-

ски разряжающихся клеток-пейсмекеров таламуса в кору. Возникающий не как обычно во сне, но при напряженном внимании в передних областях коры, θ-ритм может быть вызван гиппокампом. Быстрые, от 30 до 80 Гц, пачки γ-волн, появляющиеся в от-

вет на значимые стимулы или слова, возникают непосредственно в коре в тесно связанных группах нейронов.

Ритмическое нарастание и спад возбуждения регулируют распространение потенциалов действия по ритмическим группам, представительствам информации в ЦНС.

Гамма-ритмы. Выше уже упоминались когерентные кортикальные колебания, необходимые для образования ассоциативной связи отдельного объекта с его образом, обладающим субъективным значением. На рис. 8.6 показаны колебания магнитоэнцефалограммы с частотой 40 Гц у испытуемого в состоянии бодрствования (вверху), на стадии медленноволнового сна (разд. 9.2) и сна с быстрыми движениями глаз, во время которо-