Основы электроэнцефалографии

 

В период между 1900 и 1957 годами неврология пришла к пониманию важности глубокого изучения электрических явлений мозга, что позволило открыть фазу быстрого сна. Сейчас мы немного отклонимся от темы нашей презентации, оставив ненадолго тему сна, и поговорим о записи электрического сигнала человеческого мозга методом электроэнцефалографии (ЭЭГ). В течение полувека ЭЭГ была главным непроникающим методом исследования деятельности человеческого мозга. (Новые способы исследования мозга представляют важную альтернативу и дополнение, но пока остановимся только на ЭЭГ.) Без понимания методики и биологии ЭЭГ мы не сможем говорить о нейробиологии сна.

ЭЭГ может записывать поверхностный электрический потенциал только потому, что кора головного мозга (внешний слой мозга) состоит из больших пирамидальных нейронов (нервных клеток), расположенных в ряд Друг за другом. Серое вещество поверхности мозга состоит, в основном, из этих клеток. Они принимают сигналы из Других участков мозга через аксоны белого вещества. Аксоны (нервные волокна) передают потенциалы действия, быстрые электрические сигналы, другим нейронам через синапсы — места контакта[8]. Если электрическая активность нейронов совпадает по времени, электрический потенциал будет достаточно большим, чтобы его можно было считать с поверхности, хотя и с трудом[9] (рис. 1). Электрический сигнал измеряется несколькими миллионными долями вольта.

 

(Рис. 1 — Поперечное сечение кости черепа и коры головного мозга. С левой стороны потенциал действия производится отрицательным зарядом аксона и соответствующим положительным зарядом в восходящих дендритах (отростках). Электрод снимает с поверхности волну с небольшой амплитудой. Другой восходящий аксон из другого участка мозга вызывает противоположную электрическую волну.)

Что происходит, когда одновременно активируются противоположно заряженные группы аксонов с одинаковой величиной заряда? Результатом будет прямая на ЭЭГ, поскольку положительный вклад уравновешивается отрицательным. Десинхронизированная ЭЭГ напоминает собрание людей, разговаривающих на вечеринке, а синхронизированная ЭЭГ напоминает людей, поющих хором. При синхронизированной ЭЭГ много нейронов одновременно переключается с положительного на отрицательный заряд, и при этом без противовеса в виде противоположного заряда. В результате образуется электрическая волна с достаточно большой амплитудой, чтобы её можно было зарегистрировать на поверхности.

Таким образом, ЭЭГ является отражением совокупной активности многих-многих нейронов в одной зоне. Эта активность и является электрическим сигналом участка коры головного мозга, вблизи которого ведется запись. Таким образом, запись ЭЭГ представляет собой местный сигнал. Она также является косвенной: многие другие нейронные группы дают идентичные поверхностные сигналы. Позвольте мне сейчас прервать абстрактные рассуждения и показать вам сигнал мозга нашего коллеги доктора Симпсона.

Аппаратура у нас была приготовлена заранее, и, когда я закончил говорить, в комнату вошел Грег Симпсон, весь опутанный проводами. Двое наших друзей принесли портативный электроэнцефалограф с цветным экраном и поставили на стол перед Далай Ламой. Грег сел рядом, и его подключили к прибору. Энцефалограф заработал под оживленные возгласы и аплодисменты. Когда оживление смолкло, я объяснил Его Святейшеству, каким образом экран показывает сигналы, записываемые с трёх разных отведений.

Подключение оказалось хорошим, и было легко наблюдать за разными точками записи, демонстрирующими типичную быстро меняющуюся ЭЭГ. Я попросил Грега закрыть глаза, чтобы вызвать сигнал большей амплитуды в задней части коры головного мозга. (Пока глаза человека открыты, с этого отведения регистрируется меньшая амплитуда сигнала). Это произвело впечатление на Его Святейшество: он смог заметить, когда именно Грег закрыл глаза, даже не глядя на него!

После завершения показа Далай Лама спросил меня:

— Есть ли различие, когда человек сидит совершенно спокойно, отрешившись от мыслей, по сравнению с тем, когда он удерживает одну целенаправленную мысль?

Я улыбнулся:

— Вы только что составили научный проект на ближайшие десять лет. Мы не знаем ответа на ваш вопрос, потому что изучение нормального, устойчивого мозга не вызывало интереса.

Потом Его Святейшество спросил: «Что происходит с ЭЭГ в процессе речи?» Я ответил, что электрические сигналы мышц, двигающихся в процессе речи, создают помехи для регистрации сигналов ЭЭГ. После еще нескольких вопросов прибор унесли, а Грега освободили от проводов.

Мы заняли свои места, и я продолжил доклад.

— Как Вы видели, Ваше Святейшество, даже на таком простом приборе можно отличить, по крайней мере, два состояния: активного и расслабленного бодрствования. Используя больше электродов и более сложный анализ, исследователи могут обнаружить и описать разные состояния мозга: состояние сна, речевую деятельность, латерализацию (правостороннюю или левостороннюю активность мозга) и многое другое.

 

Типы сна

 

— Биологи могут гордиться тем, что открыли в теле человека и животных много разных внутренних ритмов: гормональный, суточный, ритм температурного контроля, мочеиспускания и многие другие.

Естественно, они работают независимо Друг от друга. Рассмотрим, например, суточный ритм ночи и дня. Мы можем изучать его, поместив людей в абсолютную темноту, в глубокую пещеру на два-три месяца в полной изоляции от остального мира. Смена «день-ночь» для них больше не связаны со светом солнца, однако они продолжают спать и просыпаться в соответствии с циклами, которые не имеют внешних ограничителей. Человек в такой ситуации начинает отходить от ритма, заданного солнцем, и останавливается на своем внутреннем индивидуальном ритме. Внутренний ритм различен для разных людей, и, чаще всего, взрослый человек имеет двадцатипятичасовой ритм.

Его Святейшество задал вопрос:

— Происходит ли такая смена ритма в связи с мыслями, идеями и ожиданиями человека или она имеет чисто физический характер?

Я снова улыбнулся.

— Эти параметры очень сложно изучить, трудно ставить на ком-то эксперимент без каких-либо ожиданий. Результаты неоднородны, что, вероятно, связано со стилем жизни человека.

— Человек все время лежит?

— Нет. Он может обследовать пещеру, когда бодрствует, он может зажечь огонь и чем-нибудь заняться, например, приготовить еду; также было проведено несколько экстремальных экспериментов, в которых люди сидели в полной темноте, как узники в заточении. Все это дает различие в результатах, но средний взрослый западный человек имеет 25-часовой ритм с несколькими возможными вариантами.

До недавнего времени преобладало представление, что сон — это просто выключение машины, чтобы дать ей возможность остыть. Современное изучение сна началось с открытия его внутреннего ритма. В свою очередь это привело к определению цикла сна, разделению его на фазы и изучению фаз сна с помощью ЭЭГ.

На диаграмме ЭЭГ, записанной в разное время, видно, что состояние сна не однородно: во время сна есть разные фазы (рис. 2).

 

(Рис. 2 — Часы нормального сна и выборочная запись ЭЭГ в разных фазах сна.)

ЭЭГ бодрствования, подобная той, что вы видели у доктора Симпсона, состоит из ритмов разной частоты. (Традиционно разным диапазонам частот даются обозначения по буквам греческого алфавита). Есть участки с более высокой амплитудой, частотой около 10 Гц (1 Гц соответствует одному циклу в секунду). Есть еще так называемые сигналы мозга альфа-диапазона. Например, в нормальной ЭЭГ бодрствования мы никогда не увидим медленные[10] волны высокой амплитуды из дельта-диапазона (около 2-4 Гц).

У спящего человека ЭЭГ разительно отличается. В первой фазе сна амплитуда значительно уменьшена. Основные ритмы смешаны, но все же остаются в альфа-диапазоне, примерно 12-14 Гц. При переходе к следующей фазе основная частота снижается еще примерно до 2 Гц (дельта-диапазон), тогда как амплитуда заметно повышается, переходя в форму пика или веретена, что типично для глубокого сна, которого человек достигает примерно через пятьдесят минут. Во сне человек ворочается и меняет положение тела, поэтому мышечный тонус остается активным. Пока что у него нет никаких сновидений. Все это время субъект находится в состоянии сна без быстрого движении глаз (ББДГ[11]).

Дальше происходит обратная смена фаз: от четвертой фазы сон переходит к третьей, затем ко второй. И после этого человек попадает в совершенно другое состояние — БДГ-сон, или парадоксальный сон, во время которого возникают сновидения.

В первые два-три часа ночи сон в основном переходит в глубокий и выходит из него, но по мере приближения рассвета, учащаются периоды

БДГ, а фазы глубокого сна исчезают. Таким образом, сон не является однородным состоянием, и его изменения не случайны. Цикл сна четко регулируется по времени и включает в себя различные состояния сознания.

Пришло время разъяснений, и Его Святейшество спросил:

— Так происходит со всеми? Сколько времени занимает переход от первой фазы ко второй и так далее?

— Да, этот механизм присущ всем людям. Время перехода может быть очень коротким. Вы можете перейти от бодрствования к первой фазе сна за пять минут, для некоторых людей это время составляет от пятнадцати до двадцати минут. Иногда переход от первой фазы к парадоксальному сну может быть очень быстрым, но вы всегда сначала проходите через четыре фазы и обратно. Для перехода от бодрствования к первой фазе существует больше вариантов, чем для возврата от четвертой.

— Понятно, что существуют разные варианты перехода от бодрствования к первой фазе, но когда вы переходите от первой ко второй, третьей, четвертой фазе, существует ли единое правило для всех, или между людьми есть различия?

— Время перехода различно. Неизменно то, что вы не можете пропустить ни одной фазы.