Резюме по методам изучения строения и функции мозга

а) Исследования и воздействие на мозг и поведение. Основная функция мозга — формирование поведения, поэтому основной метод поведенческой нейробиологии предполагает изучение связи между мозговой деятельностью и поведением. Ученые исследуют здоровых людей и других животных, а также пациентов и лабораторных животных с неврологическими расстройствами.

Вначале ученые просто наблюдали за поведением; позднее были разработаны нейропсихологические тесты для оценки специфических функций, таких как точные движения, память и эмоции. В наше время исследователи сопоставляют данные поведенческого анализа с результатами исследований анатомии, физиологии, биохимии и генетики мозга.

На мозг и поведение можно воздействовать путем необратимого или обратимого изменения функций мозга. Необратимое изменение — это повреждение мозга с помощью удаления части нервной ткани или нейротоксинов, способных разрушить мозговую ткань. Транзиторные (обратимые) изменения мозговой активности могут быть вызваны воздействием слабого электрического тока и магнитного поля, как в случае глубинной стимуляции мозга и ТМС, или воздействием препаратов.

Метод синтетической биологии CRISPR-Cas9 предполагает использование бактериального белка Cas9 для вырезания и замены последовательности ДНК в клетке. Трансгенная технология, называемая оптогенетикой, предполагает использование светочувствительных ионных каналов для возбуждения или торможения клеток-мишеней в живой ткани. Хемогенетическая стимуляция предполагает использование генно-модифицированных рецепторов и синтетических препаратов для возбуждения клеток-мишеней в живой ткани.

б) Измерение электрической активности мозга. Регистрация активности одной клетки или множества клеток показывает, что возбуждение нейронов происходит в определенном порядке и что нейроны коры больших полушарий образуют функциональные группы, которые работают как сети. Нейроны чувствительных областей реагируют на специфические характеристики стимулов, такие как цвет или высота звука. Другие нейроны, такие как клетки места в гиппокампе, кодируют более сложную информацию, в том числе местоположение объекта в пространстве.

Электроэнцефалография и магнитоэнцефалография предполагают регистрацию электрической и магнитной активности тысяч нейронов одновременно. ЭЭГ позволяет выявить связь между мозговой деятельностью и поведением: например, состоянию активного бодрствования соответствует бета-ритм, а состоянию спокойного бодрствования или дремоты соответствует более медленный альфа-ритм. Регистрация потенциалов, связанных с событиями, показывает, что даже в моменты, когда активен весь мозг, отдельные области демонстрируют большую активность по сравнению с остальными.

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

Регистрация ПСС показывает, как локализация зоны повышенной активности меняется по мере перемещения информации из одной области мозга в другую.

ЭЭГ и регистрация ПСС — это неинвазивные методы, которые предполагают регистрацию сигналов с помощью установленных на кожу волосистой части головы электродов. В случае МЭГ магнитные детекторы устанавливают над головой испытуемого. Электрокортикография, напротив, предполагает регистрацию сигналов с помощью электродов, устанавливаемых непосредственно на кору больших полушарий. ЭКоГ и регистрация сигнала отдельной клетки относятся к инвазивным методам.

в) Визуализация внутренних структур мозга: КТ и МРТ. Компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ) чувствительны к плотности мозговых структур, желудочков, ядер и проводящих путей. КТ представляет собой трехмерный вариант рентгенографии, а в основе метода МРТ лежит способность атомов водорода менять свою пространственную ориентацию в магнитном поле.

Хотя КТ-сканеры являются более быстрыми и менее дорогостоящими, МРТ обеспечивает лучшее качество изображения как ядер, так и проводящих путей мозга. МРТ также показывает, что у человека анатомическое строение мозга варьирует. КТ и МРТ можно применять для оценки повреждений мозга вследствие неврологического заболевания или травмы, при этом МРТ чаще применяют в исследовательских целях.

Диффузионная спектральная томография — это MP-метод, который позволяет идентифицировать нормальные и аномальные нервные волокна и миелин в головном мозге. Другой MP-метод, магнитно-резонансная спектроскопия (МРС), позволяет медикам определять уровень метаболитов в мозге, в том числе образующихся вследствие сотрясения мозга.

г) Функциональная нейровизуализация. Метаболическая визуализация показывает, что любое поведение обусловлено взаимодействием распространенных в коре нейронных цепей. Позитронно-эмиссионная томография регистрирует изменения кровотока и другие метаболические изменения в течение периодов продолжительностью несколько минут. Метод предполагает применение вычитания изображений и усреднение изображений, полученных в результате исследования множества испытуемых.

Гемодинамические данные, полученные с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии, могут быть скомбинированы с анатомическими МРТ-изображениями для выявления изменений в мозге пациента и подтверждения результатов регистрации ПСС. фМРТ покоя позволяет ученым исследовать связи между различными областями мозга.

Функциональное исследование мозга с использованием ближней инфракрасной спектроскопии — это разновидность оптической томографии, обычно используемая для функциональной нейровизуализации. В основе метода лежит возможность реконструкции объекта, в том числе мозговой ткани, путем улавливания пропускаемого объектом света. Функциональное исследование мозга с использованием БИС проще в использовании, чем ПЭТ и фМРТ; то, что свет не проникает глубоко в мозг, позволяет применять метод только для исследования функций коры больших полушарий.

д) Биохимические и генетические методы исследования мозга и поведения. Анализ генетических и нейрохимических изменений позволяет изучить молекулярные основы поведения. Хотя гены кодируют всю информацию, необходимую для развития и регуляции клетки, эпигенетические исследования показывают, что факторы внешней среды и пережитый опыт могут изменять экспрессию генов. Даже у однояйцевых близнецов, при рождении имевших идентичные геномы, во взрослом возрасте наблюдаются различные паттерны экспрессии генов и значимые различия в организации мозга.

е) Сравнение применяемых в нейробиологии методов исследования. В своих исследованиях основное внимание нейробиологи уделяют выбору метода, позволяющего наилучшим образом ответить на поставленный вопрос. Каким бы ни был подход, основной задачей исследования является изучение связи между мозговой деятельностью и поведением. В таблицах 2 и 3 приведен обзор методов, применяемых в поведенческой нейробиологии для исследования и воздействия на мозг и поведение. Помимо практических аспектов, таких как разрешающая способность метода и инвазивность, решающим фактором при выборе метода часто становится его стоимость.

ж) Использование животных для исследования мозга и поведения. В изучении функций как нормального, так и мозга с функциональными нарушениями ученым помогают модели заболеваний на животных. Исследователи создают модели заболеваний на животных для воздействия на мозг и изучения влияния факторов внешней среды и применяемых для лечения неврологических заболеваний препаратов на мозговые функции.

Неспособность лабораторных животных защитить себя от жестокого обращения побудила государственные органы и ученых объединить свои усилия и разработать этические стандарты в отношении обращения с лабораторными животными. Указанные стандарты необходимы для уменьшения страданий животных, а также для уменьшения числа животных, используемых для проведения инвазивных процедур.

з) Основные термины:

• Альфа-ритм — ритмические колебания на электроэнцефалограмме; регистрируются у большинства людей, находящихся в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами.
• Вольтамперометрия — метод, применяемый для определения концентрации специфических химических веществ в мозге свободно двигающихся животных.
• Глубинная стимуляция мозга (DBS) — метод хирургического вмешательства, который предполагает имплантацию электронов в мозг и стимуляцию целевой области электрическим током низкого напряжения для производства или коррекции поведения.
• Диффузионная спектральная томография - магнитно-резонансный метод, позволяющий визуализировать нервные волокна путем анализа направленного движения молекул воды.
• Клетки места — нейроны, активизирующиеся при пребывании в определенном месте.
• Компенсация — обусловленная нейропластичностью способность к выравниванию возникших вследствие повреждения патологических изменений поведения.
• Компьютерная томография (КТ) — основанный на использовании рентгеновского излучения метод, который позволяет получить статическое трехмерное изображение путем анализа изображений поперечных срезов мозга.
• Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) — магнитно-резонансный метод, позволяющий определить концентрацию метаболитов в мозге путем анализа сигнала протонов.
• Магнитно-резонансная томография (МРТ) — метод, позволяющий получить трехмерное изображение мозга путем воздействия на мозг мощным магнитным полем и радиочастотными импульсами с последующим измерением испускаемого атомами водорода радиочастотного сигнала.
• Магнитоэнцефалография (МЭГ) — измерение магнитных полей с помощью установленных на черепе датчиков.
• Микродиализ — метод, применяемый для определения химического состава внеклеточной жидкости у свободно двигающихся животных.
• Нейропсихология — наука о связи между мозговыми функциями и поведением, прежде всего у человека.
• Оптогенетика — трансгенная технология, которая предполагает применение генетических методов и облучения тканей светом для регуляции функции клеток живой ткани.
• Поведенческая нейробиология — наука о биологических основах поведения человека и других животных.
• Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — метод визуализации, который предполагает определение изменения кровотока путем измерения потребления таких веществ, как кислород и глюкоза; метод применяют для анализа метаболической активности нейронов.
• Полосатое тело (стриатум) — хвостатое ядро и скорлупа базальных ядер.
• Потенциал, связанный с событием (ПСС) - волнообразный паттерн ЭЭГ, связанный во времени со специфическим сенсорным стимулом.
• Синтетическая биология — создание не имеющих аналогов в природе биологических систем.
• Стереотаксис — аппарат, который позволяет исследователю или нейрохирургу получить доступ к специфической точке в мозге.
• Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) - процедура, которая предполагает установку индуктора на череп для стимуляции соответствующей области мозга; метод применяют как для формирования, так и для подавления поведения.
• фМРТ покоя — магнитно-резонансный метод, предполагающий измерение оксигенации у человека, находящегося в состоянии покоя (не занятого выполнением какой-либо задачи).
• Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) — магнитно-резонансный метод, позволяющий косвенно оценить активность мозга путем выявления изменений гемодинамических показателей; метод часто применяют для измерения мозгового кровотока во время выполнения когнитивных тестов или в покое, 273.
• Функциональное исследование мозга с использованием ближней инфракрасной спектроскопии (БИС) - неинвазивный метод, который предполагает анализ пропускаемого через ткани коры больших полушарий света для визуализации степени оксигенации тканей; одна из разновидностей оптической томографии.
• Хемогенетика — трансгенная технология, которая предполагает одновременное применение генетических методов и синтетических препаратов для активации клеток-мишеней в живой ткани.
• Электрокортикография (ЭКоГ) — регистрация градуальных потенциалов с помощью электродов, установленных непосредственно на поверхности коры головного мозга.

Видео различий КТ и МРТ, показаний и прототивопоказаний к ним

- Вернуться в оглавление раздела "Нейрофизиология"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 23.8.2023