Измерение электрической активности мозга

Электрическая активность присутствует в мозге всегда, даже во время сна. Показатели электрической активности мозга используют для изучения мозговых функций, диагностики, а также для мониторинга эффективности лечения заболеваний мозга. Четыре основных метода регистрации электрической активности мозга — это регистрация электрической активности отдельных клеток, электроэнцефалография (ЭЭГ), регистрация потенциалов, связанных с событиями, (ПСС) и магнитоэнцефалография (МЭГ).

Отчасти эти методы используют для регистрации электрической активности различных частей нейронов. Электрическая активность тел нейронов и дендритов, на которых формируются градуальные потенциалы, разнообразнее и медленнее, чем электрическая активность отвечающих за распространение потенциалов действия аксонов.

а) Регистрация электрической активности отдельных клеток. В начале 1950-х гг. стала возможной регистрация активности отдельных клеток путем измерения потенциалов действия на отдельном нейроне с помощью введенных в мозг тончайших электродов. Такие микроэлектроды можно размещать рядом с клетками (внеклеточное отведение) или внутри клеток (внутриклеточное отведение). Современные методы, основанные на использовании внеклеточного отведения, позволяют одновременно регистрировать активность около 40 нейронов.

Внутриклеточное отведение позволяет исследовать и регистрировать электрическую активность одного отдельно взятого нейрона. Недостатки размещения электрода внутри клетки: 1) возможная гибель клетки и 2) невозможность применения внутриклеточного отведения для исследования электрической активности находящихся в состоянии бодрствования свободно перемещающихся животных.

Это значит, что применять регистрацию электрической активности отдельных клеток можно лишь для культивируемых нейронов или нейронов в срезах живых тканей мозга, но в течение непродолжительного периода (измеряемого часами).

Благодаря применению внеклеточного отведения ученые узнали, что нейроны сенсорных областей мозга крайне чувствительны к специфическим стимулам. Некоторые клетки зрительной системы демонстрируют значительное повышение уровня возбуждения в ответ на воздействие света с определенной длиной волны (определенного цвета) или специфический рисунок полос света (например, вертикальные полосы).

Другие клетки этой области реагируют на более сложные стимулы, такие как лица или руки. Точно так же клетки слуховой системы реагируют на специфические частоты звуковых колебаний (низкий или высокий звук) или более сложные звуковые комбинации, в том числе речевые (например, слог «ба»).

Однако клетки определенного типа реагируют на более содержательные сигналы — это позволяет узнать больше о связи между мозговой деятельностью и поведением. Джон О’Киф и его коллеги (O’Keefe & Dostrovsky, 1971) обнаружили, что нейроны гиппокампа крыс и мышей активизируются, когда животное оказывается в определенном месте.

Такие клетки места, изображенные на рис. 1, обеспечивают пространственную ориентацию животного и отвечают за формирование когнитивной карты окружающей среды. В 2014 г. Джону О’Кифу, Мей-Бритт Мозер и Эдварду Мозеру (John O’Keefe, May-Britt Moser, Edvard I. Moser) присудили Нобелевскую премию «за открытие клеток, составляющих основу навигационной системы мозга».

Рисунок 1. Виды нейронов гиппокамповой формации. А и Б. Клетки места активизируются, когда крыса оказывается в определенном месте, независимо от направления движения. В. Клетки направления головы активизируются, когда голова крысы развернута в определенном направлении, независимо от его местонахождения. Г. Нейроны решетки активизируются, когда крыса пересекает узлы воображаемой координатной сетки в пространстве, где она находится, независимо от направления, характера или скорости движения. Представленные справа от каждого рисунка координатные оси демонстрируют пространственную избирательность изображенных слева клеток

Группе исследователей во главе с О’Кифом (Cacucci et al., 2008) также удалось показать, что у генетически модифицированных мышей с нарушениями пространственной памяти клетки места не отличаются специфичностью — высокий уровень возбуждения возникает в ответ на пребывание на достаточно обширной территории. Поэтому такие мыши с трудом ориентируются в пространстве — совсем как люди с деменцией. Одна из причин такого сходства может заключаться в том, что в клетках человеческого мозга возникают изменения, аналогичные искусственно созданной мутации у мышей.

б) ЭЭГ: регистрация градуальных потенциалов тысяч клеток. В начале 1930-х гг. Ганс Бергер (Hans Berger) обнаружил, что электрическую активность мозга можно зарегистрировать, просто установив электроды на кожу волосистой части головы. По словам Бергера, регистрация таких «мозговых волн» позволяла получить «запись электрических сигналов головы» — электроэнцефалограмму. ЭЭГ позволяет измерить суммарные градуальные потенциалы тысяч нейронов. Представленные на рис. 2 энцефалограммы получены в результате обработки записей на компьютере.

Рисунок 2. Запись ЭЭГ. ЭЭГ — это простой неинвазивный метод регистрации электрической активности мозга. Используя компьютерную обработку зарегистрированной ЭЭГ, можно связать волновую активность со специфическими областями мозга

Применяемый в нейрохирургии метод, электрокортикография (ЭКоГ), предполагает отведение потенциалов путем установки электродов непосредственно на кору головного мозга.

ЭЭГ позволяет выявить некоторые заслуживающие внимания особенности электрической активности мозга.

P.S. Амплитуда мозговых волн — это их высота. Частота — это количество мозговых волн, зарегистрированных в течение секунды.

Варианты ЭЭГ, представленные на рис. 3, демонстрируют три такие особенности:
1. ЭЭГ изменяется при изменении поведения (функционального состояния).
2. ЭЭГ отражает активность коры головного мозга, отдельным компонентам которой может быть свойственна ритмичность.
3. В живом мозге электрическая активность присутствует всегда, даже если человек спит или находится в коме.

Рисунок 3. Характеристика ЭЭГ. Рисунок ЭЭГ отражает функциональное состояние человека.

Когда человек активен, возбужден или просто тревожится, ЭЭГ имеет низкую амплитуду и высокую частоту (см. рис. 3, А). Такой рисунок типичен для ЭЭГ, полученной на любом участке черепа находящегося в состоянии активного бодрствования индивида — не только человека, но и любого другого животного. Если же испытуемый спокоен и расслаблен, особенно если у него закрыты глаза, в ЭЭГ часто наблюдаются ритмические колебания, представленные на рис. 3, Б.

Такой альфа-ритм отличается подчеркнутой регулярностью, его частота составляет около 11 циклов в секунду, а амплитуда то увеличивается, то уменьшается. У человека альфа-ритм регистрируют в области зрительной коры в затылочной области мозга. Если находящегося в состоянии расслабленности человека побеспокоить, заставить считать в уме или открыть глаза, альфа-ритм резко исчезнет.

ЭЭГ — это отличающийся чувствительностью индикатор функциональных состояний, отличных от возбуждения и спокойного бодрствования. Рисунки 3, В, Г и Д демонстрируют изменения ЭЭГ при переходе от сонливости ко сну, а затем к глубокому сну. Ритмы ЭЭГ постепенно замедляются, а их амплитуда увеличивается. Еще более медленные волны могут появиться под наркозом, при повреждениях мозга и во время пребывания в коме (рис. 3, Е). Только в случае смерти мозга ЭЭГ превращается в прямую линию.

Наличие характерных элементов волновой активности мозга делает регистрацию ЭЭГ удобным инструментом для мониторинга фаз сна, оценки глубины наркоза, определения тяжести повреждения мозга, а также обнаружения мозговых аномалий. Например, при эпилепсии короткие периоды нарушения чувствительности или невосприимчивость и непроизвольные движения, характеризуются появлением характерных спайков на ЭЭГ, сопровождающих электрографические судороги. Регистрация ЭЭГ — это основной метод, применяемый как для диагностики эпилепсии, так и для определения типа эпилепсии и судорог.

Важно то, что регистрацию ЭЭГ можно проводить как в исследовательских целях, так и для диагностики дисфункции головного мозга. Регистрацию ЭЭГ также можно комбинировать с описанными в отдельных статьях на сайте (просим пользоваться формой поиска выше) методами нейровизуализации, чтобы более точно идентифицировать источник высокоамплитудных синхронизированных волн при эпилепсии.

в) Картирование функций головного мозга с использованием потенциалов, связанных с событиями. Кратковременные изменения в ЭЭГ в ответ на дискретные сенсорные стимулы приводят к появлению электроэнцефалографических паттернов, называемых потенциалами, связанными с событиями (ПСС). ПСС, как правило, представляют собой градуальные потенциалы, формирующиеся на поверхности дендритов под воздействием сенсорного стимула.

Вы можете подумать, что их легко измерить, однако это не так. ПСС смешиваются с огромным количеством других электрических сигналов мозга, поэтому их трудно заметить, просто посмотрев на кривую ЭЭГ. Один из способов выявления ПСС предполагает многократное предъявление стимула и усреднение зарегистрированных ответов. Усреднение позволяет свести на нет влияние случайной и не связанной с ПСС электрической активности, оставив на ЭЭГ только потенциалы, возникшие под воздействием стимула.

Чтобы лучше понять принцип, представьте себе, что бросаете маленький камушек в озеро с неспокойной водой. Хотя падение камня вызывает всплеск, этот всплеск трудно заметить среди ряби и волн. Точно так же возникающие в ответ на сенсорный стимул ПСС трудно различить на фоне других электрических сигналов.

Эту проблему можно решить, бросив в одну и ту же точку на поверхности воды несколько камней одинакового размера, раз за разом вызывая одинаковый всплеск. Если компьютер усреднит активность воды, случайные движения воды будут исключены и наблюдатель будет видеть производимые камнями брызги так же четко, как брызги, вызванные единственным камнем, брошенным в бассейн со спокойной водой.

На рисунке 4 представлена кривая ПСС (вверху), которая появляется, когда человек слышит звук (тон). При первом предъявлении тона на ЭЭГ видна крайне нерегулярная активность. Однако усреднение кривых, получившихся в результате 100 предъявлений стимула, позволяет получить характерный рисунок, который представлен на рис. 4 (внизу). Такой паттерн ПСС состоит из нескольких отрицательных (N) и положительных (Р) пиков, которые возникают в течение нескольких сотен миллисекунд после предъявления стимула.

Рисунок 4. Обнаружение ПСС. При усреднении сигналов с целью выявления ПСС, возникающих в ответ на слуховой стимул, предъявление звукового тона отмечено на временной шкале как 0 — после этого производится запись ЭЭГ активности. После нескольких последовательных эпизодов предъявления звукового тона на кривой ЭЭГ можно различить характерную волновую форму, которая становится особенно отчетливой после усреднения 100 ответов (нижняя кривая). Анализируют положительные и отрицательные пики, возникающие через разные временные промежутки после предъявления стимула

Пики нумеруют в соответствии с временной шкалой. Например, изображенный на рис. 4 пик N1 — это отрицательный пик, возникший примерно через 100 мс после предъявления стимула, а Р2 -положительный пик, возникший примерно через 200 мс после предъявления стимула. (Указанные пики также могут быть обозначены как N100 и Р200.) Не все эти пики уникальны для данного стимула. Некоторые из них возникают в ответ на любые слуховые стимулы.

Тем не менее определенная форма сигнала отражает различия между отдельными нотами. ПСС, соответствующие произносимым словам, содержат характерные пики и волновые формы, позволяющие различить такие похожие слова, как «cat» и «rat».

Одна из множества причин применения регистрации ПСС для исследования мозга — это неинвазивный характер метода. Электроды размещают на коже волосистой части головы, а не на мозге. Это значит, что регистрацию ПСС можно применять на человеке, в том числе на наиболее часто принимающих участие в исследованиях студентах колледжей.

Другое преимущество — это стоимость метода. От других методов (таких, как методы нейровизуализации), ЭЭГ и регистрацию ПСС отличают низкая стоимость и возможность одновременной регистрации сигналов разных областей мозга путем размещения множества электродов (иногда более 200) на разных участках кожи волосистой части головы. Поскольку некоторые области мозга реагируют только на определенные сенсорные стимулы (например, слуховые зоны реагируют на звуки, а зрительные зоны — на зрительные стимулы), регистрация ответов на разных участках может быть использована для картирования функций головного мозга.

На рисунке 5 представлен метод, который предполагает одновременное использование 128 электродов для регистрации ПСС от большого числа точек коры головного мозга. Компьютеризированные алгоритмы усреднения позволяют уменьшить объем полученной информации и свести все к сравнению сигналов от разных электродов. Например, если нас интересует Р3, положительный пик, возникающий примерно через 300 мс после предъявления стимула, на экране компьютера отобразится только та кривая, которая демонстрирует амплитуду Р3.

Компьютер также может преобразовать полученные для разных участков усредненные кривые в цветовой код, позволяя получить графическое отображение наиболее восприимчивых к сигналу областей мозга.

Регистрация ПСС не только позволяет выявить области мозга, отвечающие за обработку определенных стимулов, — ее также можно применять для исследования порядка подключения различных областей мозга к обработке стимула. Это очень важно, поскольку мы хотим знать маршрут, по которому проходит информация в процессе обработки. Изображенный на рис. 5 испытуемый смотрит на изображение крысы, которое многократно появляется в одном и том же месте на экране компьютера.

Рисунок 5. Регистрации ПСС для визуализации активности мозга

Пик Р3, зарегистрированный в правой задней части головы, имеет большую амплитуду, чем пики Р3, регистрируемые на остальных участках головы. Это говорит об участии указанной области в обработке зрительных стимулов. Можно предположить, что правая задняя область коры больших полушарий мозга этого конкретного испытуемого играет ключевую роль в декодировании изображения крысы через 300 мс после его предъявления.

Регистрация ПСС позволяет получить интересные данные, будучи применена в иных целях, -об этом можно прочитать в разд. «Клинические аспекты 7-3: Легкие травмы головы и депрессия». Регистрацию ПСС можно использовать для изучения обучения и обработки информации у детей по мере их взросления, а также для изучения процессов компенсации функций у пациентов с повреждениями мозга. Регистрация ПСС может помочь выявить наиболее подверженные возрастным изменениям области мозга, которые могут быть связаны с поведенческими нарушениями у пожилых людей. Этот простой и недорогой инструмент может оказаться полезным во всех перечисленных областях исследований.

г) Магнитоэнцефалография. Перемещение провода в магнитном поле создает в проводе электрический ток. И наоборот, идущий по проводу ток создает вокруг провода магнитное поле. То же самое происходит в мозге. Нейронная активность приводит к возникновению электрического поля и магнитного поля. Хотя один нейрон создает очень слабое магнитное поле, создаваемое множеством нейронов магнитное поле обладает достаточной мощностью, чтобы его можно было измерить на поверхности головы. Для этого применяют магнитоэнцефалографию (МЭГ) метод, дополняющий ЭЭГ и регистрацию ПСС.

Вычисления с использованием данных МЭГ позволяют не только описать магнитную активность скоплений нейронов, но также локализовать клеточные скопления, генерирующие измеряемое магнитное поле. Проходящие через живые ткани электромагнитные волны претерпевают меньшие искажения, чем электрические сигналы, поэтому МЭГ имеет более высокое разрешение, чем регистрация ПСС. Основным преимуществом МЭГ перед ЭЭГ и ПСС является более высокая точность идентификации источника регистрируемой активности. Например, МЭГ хорошо себя зарекомендовала как метод обнаружения источников эпилептиформной активности.

Недостатком МЭГ является более высокая стоимость оборудования по сравнению с оборудованием для ЭЭГ и регистрации ПСС.

д) Клинические аспекты. Легкие травмы головы и депрессия. Когда опрокинулся поддон с коробками, полными инструментов, и одна из коробок ударила его по голове, Б. Д., менеджер по продажам промышленного оборудования, не потерял сознание. У него была глубокая рана на волосистой части головы и были повреждены два позвонка. Дежурный врач в отделении неотложной помощи заподозрил легкое сотрясение мозга, но не направил Б. Д. на дальнейшее обследование.

Симптомы травмы позвоночника постепенно исчезли, но раздражительность, тревожность и депрессия сохранялись даже два года спустя. Б. Д. был не в состоянии работать, а изменения в его поведении стали тяжелым бременем для его семьи. Его эмоциональные проблемы заставили его уйти в себя, что лишь усугубило ситуацию.

Нейропсихологическое тестирование, назначенное Б. Д. через два года после травмы, показало, что его когнитивные способности были значительно выше средних (IQ 115), однако при этом у Б. Д. были выявлены серьезные нарушения внимания и кратковременной памяти. МРТ мозга не выявила каких-либо повреждений, которые могли бы объяснить симптомы. В действительности серьезные эмоциональные симптомы Б. Д. являются обычным явлением после легкой травмы головы, даже в отсутствие иных неврологических или радиологических признаков повреждения мозга.

Одним из инструментов, позволяющих оценить функцию мозга в таких случаях, является регистрация ПСС. Реза и его коллеги (Reza, 2007) сравнили здоровых добровольцев с группой пациентов с легкими травмами головы, у которых была или не была диагностирована депрессия. Исследователи установили, что у пациентов с травмами головы наблюдалась задержка пика Р3, однако задержка пика N2 присутствовала только у пациентов с депрессией. Результаты исследования показывают, что регистрацию ПСС можно применять для идентификации нарушений механизмов обработки информации у пациентов с депрессией после легких травм головы даже в отсутствие аномалий на МРТ. Такие исследования очень важны для таких людей, как Б. Д., вынужденных оформлять инвалидность после казавшейся легкой травмы головы.

е) Вопросы для контроля и закрепления изученного. Прежде чем продолжить, проверьте себя:
1. Четыре основных метода исследования электрической активности мозга — это _____ , _____ , _____ и _____ .
2. Регистрация электрической активности отдельных клеток позволяет измерить потенциалы _____ на отдельном нейроне.
3. Магнитоэнцефалография измеряет _____ , а также позволяет _____ .
4. В чем состоит преимущество ЭЭГ перед МЭГ?

ж) Ответы на контрольные вопросы:
1. В любом порядке: регистрация электрической активности отдельных клеток, электроэнцефалография (ЭЭГ), регистрация потенциалов, связанных с событиями (ПСС), и магнитоэнцефалография (МЭГ).
2. Действия.
3. Магнитную активность множества нейронов; локализовать клеточные скопления, генерирующие измеряемое магнитное поле.
4. ЭЭГ, по сравнению с МЭГ, отличает низкая стоимость и возможность одновременной регистрации разных областей мозга путем размещения множества электродов (иногда более 200) на разных участках кожи волосистой части головы. Такая регистрация может быть использована для картирования функций головного мозга.

- Читать далее "Методы визуализации внутренних структур мозга - КТ и МРТ"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 23.8.2023