Регистрация импульсной активности нервных клеток

Изучение активности нервных клеток, или нейронов, как целостных морфологических и функциональных единиц нервной системы. Безусловно. Остаётся базовым направлением в психофизиологии. Одним из показателей активности нейронов являются потенциалы действия - электрические импульсы длительностью несколько мс и амплитудой до нескольких мВ. Современные технические возможности позволяют регистрировать импульсную активность у животных в свободном поведении и, таким образом, сопоставлять эту активность с различными поведенческими показателями. В редких случаях в условиях нейрохирургических операций исследователям удаётся зарегистрировать импульсную активность нейронов у человека.

Поскольку нейроны имеют небольшие размеры (несколько десятков микрон), то и регистрация их активности осуществляется с помощью подводимых вплотную к ним специальных отводящих микроэлектродов. Микроэлектроды бывают металлическими и стеклянными. Электрод фиксируется в специальном микроманипуляторе, укреплённом на черепе животного, и коммутируется с усилителем. С помощью микроманипулятора электрод через отверстие в черепе пошагово вводят в мозг. Длина шага составляет несколько микрон, что позволяет подвести регистрирующий кончик электрода очень близко к нейрону, не повреждая его (рис.1 а)) подведение электрода к нейрону осуществляется либо в ручную, и в этом случае животное должно находиться в состоянии покоя, либо автоматически на любом этапе поведения животного. Усиленный сигнал поступает на монитор и записывается на магнитную ленту или в память ЭВМ. При "подходе" кончика электрода к нейрону экспериментатор видит на мониторе поведение импульсов, амплитуда которых при дальнейшем осторожном продвижение электрода постепенно увеличивается. Когда амплитуда импульсов начинает превосходить фоновую активность мозга, электрод больше не подводят, чтобы исключить возможность повреждения мембраны нейрона (6). Пример импульсной активности нейрона, зарегистрированный у кролика, находящегося в условиях свободного поведения, представлен на рис.1 б).

1) ЭЛЕКРОЭНЦЕФАЛОГРАФИЯ

Среди методов электрофизиологического исследования ЦНС человека наибольшее распространение получила регистрация колебаний электрических потенциалов мозга с поверхности черепа - электроэнцефалограммы. В энцефалограмме отражаются только низкочастотные биоэлектрические процессы длительностью от 10мс до 10 мин. Предполагается, что электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в каждый момент времени отражают суммарную электрическую активность клеток мозга.

ЭЭГ регистрирует с помощью наложенных на кожную поверхность головы (скальпа) отводящих электродов, скоммутированных в единую цепь со специальной усилительной техникой. Увеличенные по амплитуде сигналы с выхода усилителей можно записать на магнитную ленту или в память компьютера для последующей статистической обработки. Для минимизации контактного сопротивления между электродом и скальпом на месте наложения электрода тщательно раздвигают волосы, кожу обезжиривают раствором спирта и между электродом и кожей кладут спецэлектропроводную пасту. Для исключения электрохимических процессов на границе электрод - электролит (паста), приводящих к собственным электрическим потенциалам, поверхность электродов покрывают электропроводными неполяризующимися составами, например, хлорированным серебром. В норме контактное сопротивление не должно превышать 3 - 5 кОм.

Как любые электрические потенциалы, ЭЭГ всегда измеряется между двумя точками. Существуют два способа регистрации ЭЭГ - биполярный и монополярный. При биполярном отведении регистрируются разность потенциалов между двумя активными электродами. Этот метод применяется в клинике для локализации патологического очага в мозге, но он не позволяет определить, какие колебания возникают под каждым из двух электродов, и каковы их амплитудные характеристики. В психофизиологии общепринятым считается метод монополярного отведения. При монополярном методе отведения регистрируется разность потенциалов между различными точками на поверхности головы по отношению к какой-то одной индифферентной точке. В качестве индифферентной точки берут такой участок головы или лица, на котором какие - либо электрические процессы минимальны, и их можно принять за нуль: обычно это - мочка уха или сосцевидный отросток черепа. В этом случае регистрируются с электрода, наложенного на скальп, изменения потенциала с определённого участка мозга (5).

Отводящие электроды можно накладывать на самые разные участки поверхности головы с учётом проекции на них тех или иных областей головного мозга. Потребность сопоставления электроэнцефалографических результатов, полученных у людей с разными размерами головы в разных лабораториях и странах, привела к созданию единой стандартной системы наложения электродов, получившей название системы "10 - 20".

В соответствии с этой системой у испытуемого делают три измерения черепа: а) продольный размер черепа - измеряют расстояние по черепу между точкой перехода лобной кости в переносицу и затылочным бугром; б) поперечный размер черепа - измеряют расстояние по черепу через макушку между наружными слуховыми проходами обоих ушей; в) длину окружности головы, измеренной по этим же точкам. Имея эти основные размеры, поверхность черепа можно разметить в виде сетки, на пересечение линий которой накладываются электроды.

ЭЭГ продолжает оставаться сложным для расшифровки показателем мозговой активности. При некоторых состояниях субъекта в этом сложном колебательном процессе можно визуально выделить ритмические колебания определённой частоты (рис.2). Альфа - ритм - наиболее часто встречающийся ритм, который состоит из волн правильной, почти синусоидальной формы. Наблюдается он в состоянии спокойного бодрствования, медитации и длительной монотонной деятельности. В первую очередь проявляется в затылочных областях, где он наиболее выражен, и может периодически распространяться на другие области мозга. Часто амплитуда колебания альфа - ритма постепенно увеличивается, а затем уменьшается. Этот феномен получил название "веретено альфа - ритма". Длительность веретён составляет от долей секунды до нескольких секунд. По данным Л.А. Новиковой, у слепых людей с врождённой или многолетней слепотой, а также при сохранности только светоощущения альфа - ритм отсутствует. Автор предполагает, что альфа - ритм совпадает с наличием предметного зрения. Каппа - ритм сходен по частоте с альфа - ритмом, регистрируется в височной области при подавлении альфа - ритма в других областях в процессе умственной деятельности. Бета - ритм наиболее выражен в лобных областях, но при различных видах интенсивной деятельности резко усиливается и распространяется на другие области мозга, гамма - ритм наблюдается при решении задач, требующих максимального сосредоточенного внимания. Тета - ритм связан с поисковым поведением, усиливается при эмоциональном напряжении. Коган считает, что тета - ритм связан с квантованием извлекаемых из памяти энграмм. Дельта - ритм возникает в естественном и наркотическом сне, а также наблюдается при регистрации участков коры, граничащих с областью, поражённой опухолью (3).

Однако описанные ритмы довольно редко встречаются в чистом виде в реальном психофизиологическом эксперименте; когда испытуемый вовлечён в определённый вид деятельности, его ЭЭГ представляет постоянно меняющуюся по частоте и амплитуде кривую.

При записи ЭЭГ могут регистрироваться электрические процессы, не связанные с активностью мозга. Их называют артефактами. Все артефакты можно разделить на биологические и технические. Технические артефакты связаны, как правило, с неудовлетворительными контактами отводящих электродов с кожными покровами головы, в результате чего контактное сопротивление резко возрастает, а это приводит к снижению электрического сигнала на входе усилителя, и наблюдается при регистрации ЭЭГ синусоидальная кривая, осложнённая низкочастотными потенциалами. Сходная артефактная картина происходит при отсутствии заземления испытуемого. Все технические артефакты легко устранимы. Биологические артефакты появляются от других источников организма и в большинстве случаев не устранимы техническими средствами. К этим артефактам относятся артефакты от движения глаз, которые больше всего выражены в передних областях мозга, и активности скелетных мышц, особенно жевательных и мимических. Избавиться от таких артефактов можно только изменением условий проведения эксперимента, исключающих постоянное движение глаз и активность мышц, а также специальным инструктированием испытуемого (8).

Следует лишь отметить, что и методы получения определённых феноменов в ЭЭГ, и методы анализа ЭЭГ определяются задачей исследования и методологией. Которой придерживается тот или иной исследователь.

2) МАГНИТОЭНЦЕФАЛОГРАФИЯ

Активность мозга всегда представлена синхронной активностью большого количества нервных клеток, сопровождаемой слабыми электрическими токами, которые создают магнитные поля, которые создают магнитные поля. Регистрация этих полей неконтактным способом позволяет получить так называемую магнитоэнцефалограмму (МЭГ). МЭГ регистрируют с помощью сверхпроводящего квантового интерференционного устройства - магнитометра. Предполагается, что если ЭЭГ больше связана с радиальными по отношению к поверхности коры головного мозга источникам тока (диполям), что имеет место на поверхности извилин, то МЭГ больше связана с тангеционально направленными источниками тока, имеющими место в корковых областях, образующих борозды.

Если исходить из того, что площадь коры головного мозга в бороздах и на поверхности извилин приблизительно одинакова, то несомненно, что значимость магнитоэнцефалографии при изучении активности мозга сопоставима с электроэнцефалографией. Электрическое и магнитное поля взаимоперпендикулярны, поэтому при одновременной регистрации обоих полей можно получить взаимодополняющую информацию об исходном источнике генерации тех или иных потенциалов. МЭГ может быть представлена в виде профилей магнитных полей на поверхности черепа либо в виде кривой линии, отражающей частоту и амплитуду изменения магнитного поля в определённой точке скальпа. МЭГ дополняет информацию об активности мозга, получаемую с помощью элекроэнцефалографии (3).

3) ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ ТОМОГРАФИЯ МОЗГА

В современных клинических и экспериментальных исследованиях всё большее значение приобретают методы, дающие визуальную картину мозга субъекта в виде среза на любом уровне, построенную на основе метаболической активности, отображённых на этой картине структур. Одним из наиболее результативных методов в плане пространственного разрешения изображения является позитронно-эмиссионная томография мозга (ПЭТ). Техника ПЭТ заключается в следующем. Субъекту в кровеносное русло изотоп, это кислород - 15, азот - 13 или фтор - 18. Изотопы вводят в соединении с другими молекулами. В мозге радиоактивные изотопы излучают позитроны, каждый из которых, пройдя через ткань мозга примерно на три мм от локализации изотопа, сталкиваясь с электроном. Столкновение между материей и антиматерией приводит к уничтожению частиц и появлению пары протонов, которые разлетаются от места столкновения в разные стороны теоретически под углом 180 друг к другу. Голова субъекта помещена в специальную ПЭТ - камеру, в которую в виде круга вмонтированы кристаллические детекторы протонов. Подобное расположение детекторов позволяет зафиксировать момент одновременного попадания двух "разлетевшихся" от места столкновения протонов двумя детекторами.

Наиболее часто применяют лиганд фтор - 18 - дезоксиглюкозу (ФДГ). ФДГ является аналогом глюкозы. Области мозга с разной метаболической активностью поглощают ФДГ соответственно с разной интенсивностью. Концентрация изопа в нейронах разных областей увеличивается неравномерно, следовательно, и потоки "разлетающихся" протонов на одни детекторы попадают чаще. Чем другие. Информация от детекторов поступает на компьютер, который создаёт плоское изображение (срез) мозга на регистрируемом уровне (4).

4) ОКУЛОГРАФИЯ

Движение глаз является важным показателем в психофизиологическом эксперименте. Регистрация движения глаз называется окулографией.

С одной стороны, окулографический показатель необходим для выявления артефактов от движений глаз в ЭЭГ. С другой стороны, этот показатель выступает и как самостоятельный предмет исследования. И как составляющая при изучении субъекта в деятельности. Амплитуду движения глаз определяют в угловых градусах. Существует восемь основных видов движения глаз. Три движения - тремор (мелкий, частые колебания), дрейф (медленное, плавное перемещение глаз, прерываемое микроскачками) и микроскадды (быстрые движение продолжительностью 10 - 20 мс) относят к микродвижениям, направленных на сохранение местоположения глаз в орбите.

Из макродвижений, связанных с изменением местоположением глаз в орбите, наибольший интерес в психофизиологическом эксперименте представляют макросаккады и прослеживающие движения глаз. Маккросаккады отражают обычно произвольные быстрые и точные смещения взора с одной точки на другую, например, при рассмотрении картины, при быстрых точностных движениях рук. Их амплитуда варьирует в пределах от 40 угловых минут до 60 угловых градусов. Прослеживающие движение глаз - плавные перемещения глаз при отслеживании перемещающегося объекта в поле зрения. Амплитуда прослеживающих движений ограничивается пределами моторного поля глаза. В основном прослеживающие движения глаз носят непроизвольный характер, начинаются через 150 - 200 мс после начала движения объекта и продолжаются в течение 300 мс после его остановки.

Наиболее распространённым методом регистрации движений глаз является электроокулография. По сравнению с другими окулографическими методами, такими, как фотооптический, фотоэлектрический и электромагнитный, электроокулография исключает контакт с глазным яблоком, может проводиться при любом освещении и тем самым не нарушает естественных условий зрительной активности. В основе электроокулографии лежит дипольное свойство глазного яблока, - его роговица имеет положительный заряд относительно сетчатки. Электрическая и оптическая оси глазного яблока практически совпадают, и поэтому электроокулограмма (ЭОГ) может служить показателем направления взора. При движении глаз угол его электрической оси изменяется, что приводит к изменению потенциалов. Наводимых диполем глазного яблока на окружающие ткани. Именно эти потенциалы регистрируются электроокулографическим методом (2).

Две пары неполяризующихся отводящих электродов с электропроводной пастой накладывают на обезжиренные участки кожи в следующих точках: а) около височных углов обеих глазных щелей - для регистрации горизонтальной составляющей движений; б) посередине верхнего и нижнего края глазной впадины одного из глаз - для регистрации вертикальной составляющей движений. Контактное сопротивление на электродах, как правило, позволяет избегать артефактов от ЭЭГ и мышечной активности. Потенциалы, снимаемые между электродами в каждой паре, усиливается и поступает на монитор, а затем записываются на магнитные носители магнитофона или ЭВМ.

Линия на ЭОГ при неподвижном взоре, направленном прямо, принимается за нулевую. При повороте глаз вправо на электроде, расположенном на височном углу правого глаза, потенциал становится положительным по отношению к нулевой линии, а на электроде слева - отрицательным. При повороте глаз влево это соотношение потенциалов на электродах меняется. При направлении взора вверх на электроде, расположенном на верхнем крае глазной впадины, потенциал становится положительным по отношению к нулевой линии, а на электроде нижнего края - отрицательным. Амплитуда движений глаз в данном случае измеряется в милливольтах, но после проведения калибровочных движений глаз, т.е. движений одной точки на другую с известным расстоянием в угловых градусах. Итак, по смещению регистрируемых потенциалов горизонтальной и вертикальной составляющих можно определить направление, а по величине этих смещений - величину углового смещения оптических осей глаз.

Движения глаз, особенно вертикальные, а также моргание вызывают выраженные артефакты в ЭЭГ. Поэтому регистрация ЭЭГ без регистрации ЭОГ в психофизиологических экспериментов считается недопустимой ошибкой.

5) ЭЛЕКТРОМИОГРАФИЯ

Электромиография - это регистрация суммарных колебаний потенциалов. Возникающих как компонент процесса возбуждения в области нервно-мышечных соединений и мышечных волокнах при поступлении к ним импульсов от мотонейронов спинного или продолговатого мозга, в настоящее время применяются различные варианты подкожных (игольчатых) и надкожных (поверхностных) электродов. Последние в силу их атравматичности и лёгкого наложения имеют более широкое применение.

Обычно пользуются биполярным отведением, помещая один электрод на участке кожи над серединой ("двигательной точки") мышцы, а второй на 1 - 2 см дистальнее. При монополярном отведении один электрод помещают над "двигательной точкой" исследуемой мышцы, второй - над её сухожилием или на какой-нибудь отдалённой точке (на мочке уха, на грудине и т.д.). Требование к электродам и их наложению такие же, как и при наложении электроэнцефалографических ли электроокулографических электродов.

Во время покоя скелетная мускулатура всегда находится в состоянии лёгкого тонического напряжения, что проявляется на электромиограмме (ЭМГ) в виде низко амплитудных колебаний. Даже при локальном отведении электроактивности от расслабленной мышцы полное отсутствие колебаний потенциала в определённой двигательной единице (мышечном волокне) отсутствует; обычно наблюдаются колебания частотой 6 - 10 Гц. При готовности к движению, мысленному его выполнению, при эмоциональном напряжении и других подобных случаях, т.е. в ситуациях, не сопровождающихся внешне наблюдаемыми движениями, тоническая ЭМГ возрастает как по амплитуде. Так и по частоте. Например, чтение "про себя" сопровождается увеличением ЭМГ активности мышц нижней губы, причем, чем сложнее или бессмысленнее текст, тем выраженнее ЭМГ. При мысленном письме у правшей усиливается мышечная активность поверхностных сгибателей правой руки, выявляемых на ЭМГ.

Произвольное движение сопровождается определённой последовательности активаций различных мышц: амплитуда одних мышц увеличивается до движения, других - в процессе движения. Амплитуда и частота ЭМГ, прежде всего, определяется количеством возбужденных двигательных единиц, а также степенью синхронизации развивающихся в каждой из них колебаний потенциала. Амплитуда ЭМГ нарастает градуально. Это, по-видимому, связано с тем, что сначала активируются обладающие большей возбудимостью двигательные единицы, а затем вместе с ними начинают активироваться и другие двигательные единицы. ЭМГ становится особенно информативной в комплексе с другими показателями (10).