§ 1.4 Методы исследования функции нервной системы

Достаточно грубо методы нейрофизиологических экспериментов можно разделить на инвазивные и неинвазивные. Отдельного внимания заслуживают частично инвазивные методы, которые позволяют после некоторого хирургического вмешательства наблюдать за активностью больших популяций нервных клеток.

Инвазивные методы исследования нервной системы

Удаление частей мозга.

В таких экспериментах с помощью специальных хирургических техник у исследуемого животного удаляют части мозга. Как оказалось, даже удаление обширных зрительных областей не делает животное абсолютно слепым. Клювер считал, что остаточное зрение, сохраняющееся после обширной экстирпарации зрительной коры, - это не более чем различение светового потока без истинного предметного зрения. Если животное способно было сделать выбор между двумя предметами, то это объясняли различием градиента светового потока. Эта области исследований до сих пор порождает много споров, особенно когда речь идет о сложных экспериментах на кошках и обезьянах. У которых при удалении поля 17 возникали серьезные нарушения, и только лишь некоторые из них частично восстанавливались. Исследователи осторожны в выводах. Нет полной уверенности в том, что в ходе экспериментов удаленной оказывается вся стриарная кора. Выдвигаются предположения, что сохраняется различения положения зрительных объектов в пространстве, но не обязательно предметное зрение. Довольно противоречивые данные были получены на тупайе. У этого вида, который, как полагают, очень близок к древним приматам, стриарная кора занимает значительную часть поверхности больших полушарий мозга и лежит на поверхности. Она не скрыта в бороздах и ее можно удалить, лишь минимально повредив окружающие области коры. После такой операции кажется, что зрительная функция экспериментального животного нисколько не пострадала [14]. Животное не только могло решать поставленные перед ней исследователями задачи, но и бегало, не натыкаясь на предметы, прыгало и прекрасно ориентировалось в новой для него обстановке. Видимо у этого вида стриарная кора не является необходимой для простого предметного зрения.

Регистрация клеточной активности у анестезированных животных и на срезах мозга.

В таких экспериментах в зрительную кору вводят специальным образом подготовленный микроэлектрод для регистрации внеклеточной электрической активности отдельных нейронов. Активность кортикальных клеток наблюдалась, когда сетчатка получала зрительные стимулы. После завершения исследования одной клетки, микроэлектрод перемещали к другой клетке и процедуру повторяли. В конце животное усыпляли и делали гистологические препараты коры, след от микроэлектрода оставался заметен, и можно было идентифицировать клетки, от которых проводилось отведение.

Микроэлектроды имеют свои недостатки. Вряд ли можно считать одиночный нейрон представителем многих миллионов элементов, совокупно участвующих даже в самых простых событиях в центральной нервной системе.

Неинвазивные методы исследования нервной системы

Ядерно-магнитно-резонансная (ЯМР) топография.

Годом открытия принципов магнитно-резонансной томографии принято считать 1973 г., когда профессор химии Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позже Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения.

В действительности же ЯМР-томографию (МРТ) изобрёл в 1960 г. В. А. Иванов (и способ, и устройство), что удостоверено патентом СССР с такой датой приоритета. За изобретение метода МРТ в 2003 Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили Нобелевскую премию в области медицины. В создание магнитно-резонансной томографии известный вклад внёс также Рэймонд Дамадьян, один из первых исследователей принципов МРТ, держатель патента на МРТ и создатель первого коммерческого МРТ-сканера.

Классический эксперимент по ЯМР томографии проходит следующим образом. Исследуемый образец (напр., голова млекопитающего или человека) помещается внутрь кольцевого магнита, генерирующего равномерное по напряженности поле. Атомы тканей при совпадения частоты поля с частотой их собственных колебаний начинают резонировать и переходят на более высокий энергетический уровень. При возвращении в исходное состояние они излучают избыток энергии, которая регистрируется и передается на ЭВМ для дальнейшего анализа. Магнитное поле выделяет ядра имеющие ненулевой спин и определенным образом ориентированных в поле. Магнитные диполи ядер, имеющих спин, ориентируются по силовым линиям поля. Ансамбль вращающихся ядер с ненулевым спином создает в ткани результирующий магнитный момент, который отклоняется и тоже начинает вращаться под действием магнитного поля, имеющего резонансную частоту для собственного вращения (прецессии) данного типа ядер. Ядра, возбужденные внешним полем, дают сигнал определенной частоты, по которой можно определить их положение. Достигается это вращением поля, что позволяет последовательно получать «изображения» образца под разными углами. На основе этих данных ЭВМ строит отображение поперечного сечения образца, а затем и его трехмерное изображение. Что позволяет видеть активацию коры во время внешней стимуляции. Пространственное разрешение данного метода может доходить до 10 мкм. Временное разрешение до 33мс. [10]

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).

Самый современный диагностический метод, основанный на применении радиофармпрепаратов. Он позволяет строить трёхмерную реконструкцию функциональных процессов, происходящих в организме человека и животного. В отличие от МРТ, ПЭТ применяется не для изучения анатомических особенностей тканей и внутренних органов, а для диагностики их функциональной активности. При помощи ПЭТ можно исследовать любой функциональный процесс, происходящий в организме.

При проведении ПЭТ исследуемый образец (напр. голова животного) помещают в кольцевую систему, состоящую из 1 - 4 рядов 128 – 360 гамма-датчиков. Меченое изотопом вещество вводят в кровоток, с помощью которого оно разносится и по-разному распределяется в различных отделах исследуемой ткани (напр., мозга). Степень аккумуляции вещества в тканях образца зависимости от степени сродства и функциональной нагрузки. При распаде изотопа образуется позитрон, который после свободного пробега (1 – 10 мм) взаимодействует с электроном, что сопровождается выделением двух гамма-квантов с энергией 511 КэВ разлетающихся под углом 180˚. Свободно пройдя ткани образца, гамма-кванты могут быть зарегистрированы двумя детекторами на противоположных сторонах кольца, а затем – схемой совпадений, соединенной с входом ЭВМ. Пространственное разрешение метода составляет 2х2х4мм. Временное разрешение десятки минут. [10]

Полуинвазивный метод исследования нервной системы

Оптическое картирование коры головного мозга.

Имеется две разновидности оптического картирования: по внутреннему сигналу [11,19] и с потенциал – чувствительным красителем, который встраивается в мембрану нейрона [19].

Суть метода оптического картирования по внутреннему сигналу заключается в разных оптических свойствах оксигемоглабина и дезоксигемоглабина. Дезоксигемоглобин, отдавший молекулу кислорода и заменивший ее на молекулу углекислого газа, принимает более темную окраску, чем оксигемоголобин. Таким образом, молекула поглощает больше света и отраженная волна регистрируется камерой. Область спектра поглощения гемоглобина в окисленной и восстановленной форме от 620 до 660 нм.

Типичная установка для оптического картирования состоит из: световода, осветителя, «макроскопа», чувствительной камеры, блока управления камерой, компьютера для накопления данных и компьютера для проведения зрительной стимуляции.

Ход типичного эксперимента. Для проведения опытов с оптическим картированием необходима подготовка животного. Оно должно иметь хорошо развитую зрительную систему, созревшую стриарную кору. Острые опыты проводятся на анестезированных животных. Голова фиксируется в стереотаксическом приборе. Трепанируется череп над полем 17 со стороны, контралатеральной стимулируемому глазу. Трепанационное отверстие закрывается или шахтой со стеклом или агарозой.

Регистрация данных ведется высокочувствительной камерой, в красном свете. После набора данных (оптических функциональных карт), поступающих в ЭВМ, происходит их обработка и фильтрация. На выходе получают функциональные карты первичной зрительной коры .

Временное и пространственное разрешение, сравнительно недорогой уже говорят о явном преимуществе перед другими методами. Возможность получать функциональные карты после первого цикла стимуляции. Например: в классическом картирование для поучения карты на одну ориентацию требовалось не меньше пяти часов, невозможность постоянно следить за состоянием животного. На сегодняшний день, как говорилось выше, мы можем получить функциональную карту уже после первого цикла стимуляции, т.е. через 1 минуту, и не на одну ориентацию, а сразу на всю ориентационную решетку ( 0-360°).

Метод может встать во главу исследований мозга микроэлектродами, так как функциональные карты наглядно показывают в каком месте идет активация коры и на какой стимул. Достаточно получить карты и обозначить место для входа электрода.