Методы регистрации процессов в мозге

Самый старый и наиболее часто используемый метод отображения активности мозга заключается в измерении электромагнитного поля, производимого мозгом в пространстве и во времени. Электрическая и магнитная составляющие мозговой активности регистрируются электроэнцефалографией (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографией (МЭГ). Ганс Бергер, изобретатель электроэнцефалографии (ЭЭГ) ввел обозначение «электроэнцефалограмма». Долгое время пользовались «стандартным отведением» ЭЭГ из всех или нескольких выбранных измерительных точек, которые Яспер в 1958 г. определил в так называемой «системе 10-20» (электроды устанавливаются с шагом в 10 или 20% интервалов между анатомическими маркерами, например между корнем носа и затылочной костью). Между тем все больше признается, что специфические выводы по поводу кортикальной репрезентации когнитивных и регулирующих поведение процессов можно получить только на основе более точной локализации активности, применяя возможно большее число измерительных щупов, конкретно зависящее от специфики экспериментальных условий. В ЭЭГ регистрируется электрическое напряжение, то есть разница потенциалов между двумя электродами. Топография любого измеряемого ландшафта не зависит от того, с какого уровня («высота над уровнем моря или озера») он был определен. Из ландшафта потенциалов можно (через второе отведение по пространственным координатам) вычислить, в каких точках токи выходят из черепа и в каких — входят. Анализ плотности этих источников тока (CSD, Current source density) дает первое указание на то, что под ними лежат активные области. Еще больше информации дает отображение распределения потенциалов на оболочках мозга внутри черепа (Junghöfer, Elbert, Leiderer, Rockstroh & Berg, 1996). Если же ЭЭГ снималась только от немногих точек (электродов) на поверхности черепа, то очень мало что можно сказать об источниках электрической активности. (Более подробное описание физических принципов записи и анализа ЭЭГ, а также возможных источников артефактов и контроля за ними см., например: Rockstroh, Elbert, Canavan, Lutzenberger & Birbaumer, 1989; о разных частотных диапазонах в ЭЭГ см: Birbaumer &Schmidt, 1996.)

В плане прояснения психических процессов многого ожидают от регистрации вызванных потенциалов (ВП). При этом речь идет о колебаниях потенциала, которые систематически и достоверно возникают до, во время и после действия какого-то (внутреннего или внешнего) раздражителя или какой-то моторной либо когнитивной реакции (Elbert, 1992). Поскольку амплитуды ВП (1—30 mV) обычно меньше, чем амплитуды спонтанной ЭЭГ (до 30—50 mV), то при однократной регистрации они перекрываются спонтанной ЭЭГ, и поэтому их едва можно распознать. Тем не менее благодаря своей интраиндивидуальной надежности при повторном высвобождении эти ответы на раздражители выступают все более отчетливо, в то время как случайные колебания спонтанной ЭЭГ при наложении ослабляются или ликвидируются. ВП, экстрагированные с помощью усреднения, определяются как компоненты по их параметрам латентности к разрешающему раздражителю и полярности («N» для отрицательных полуволн, «P» для положительных полуволн); плюс к этому по характерным максимумам амплитуды в конкретных областях мозга определяются отдельные компоненты.

Магнитоэнцефалография (МЭГ). В 1964 г. Ламбе (Lambe) и сотрудники сконструировали первый SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), который основан на кванто-механическом прерывании электрического тока внешними магнитными полями (эффект Josephson) и который дал возможность измерить такие слабые сигналы, как биомагнитная активность мозга. Амплитуда МЭГ — примерно 1 рТ (10^-12 тесла) — почти на восемь порядков ниже амплитуды магнитного поля Земли (70 μT), а амплитуда кортикальных магнитных полей, вызванных сенсорными раздражителями, — ниже еще на один порядок (несколько 100 fT, или 10^-13 тесла). МЭГ-измерение осуществляется неинвазивно и бесконтактно. Однако, для того чтобы измерить слабые магнитные поля, требуется высокий аппаратурный уровень измерительной техники (детали см. Hoke, 1988; Hari & Lounasmaa, 1989). Ввиду высоких методических требований МЭГ, возможно, и не приписывалось бы такого научного и клинического значения, не обладай она существенными преимуществами по сравнению с измерением биоэлектрических потенциалов. Пожалуй, решающим здесь является то, что составляющие магнитного поля, расположенные перпендикулярно к поверхности тела, вызываются главным образом только внутриклеточными токами, в то время как распределение электрических потенциалов на поверхности тела вызывается объемными токами и может измеряться довольно далеко от источника. Это означает, что распределение магнитного поля, вызванное определенным источником на поверхности тела, существенно меньше искажается влияниями от отдаленных источников, как это происходит в случае распределения электрического потенциала. Добавим к этому, что ткани тела для биомагнитных полей практически прозрачны, то есть пронизываются ими без искажения. Объемные токи, наоборот, при распространении их в тканях тела довольно сильно искажаются, потому что некоторые ткани тела, например мышечная, анизотропны и различные ткани обладают разной проводимостью. Из этого следует, что посредством биомагнитных измерений — при определенных предпосылках — происхождение базовой биологической активности можно определить с лучшим пространственным разрешением (до нескольких мм), чем это возможно при измерениях электрических потенциалов. В особенности это относится к фокальным источникам, которые вызываются в корковых отделах сенсорных систем больших полушарий мозга раздражениями органов чувств. Точность локализации «эквивалентного токового диполя» составляет здесь 2—3 мм, и таким образом, существенно больше, чем точность томографических методов, таких как PET' или SPECT.

Помимо ЭЭГ и МЭГ есть методы, которыми можно отобразить структуры или функции мозга с помощью послойного изображения, эти методы называют томографическими.Открытие в 1895 г. рентгеновского излучения впервые позволило отображать внутренние структуры человеческого тела «неинвазивно», то есть не нарушая его целостности. Рентгеновская диагностика сделала доступными для обследования, во-первых, костные структуры, а во-вторых, — с помощью инъекции соответствующих контрастных средств — кровеносные сосуды и проводники жидкости в организме. Посредством соответствующих расчетов из отдельных теней, которые отбрасывает какой-то объект в различных направлениях, можно реконструировать послойное изображение этого объекта или какого-то органа либо его трехмерного изображения. Методы вычислительной томографии развивались не только для рентгеновских снимков — рентгенокомпьютерная томография (CT),— но и для радиоактивных методов — позитронная эмиссионная томография PET, Single Photon Emission Computertomographie SPECT,— а также для томографических техник, основанных на электромагнитном резонансе ядер водорода, возбужденных переменными магнитными полями (магнитно-резонансная томография MRT).Эти томографические методы можно подразделить на две группы: одни методы отображают мозговые структуры (CT, MRT),другие — предоставляют функциональную информацию о метаболических процессах и их развитии во времени (функциональная магнитно-резонансная томография для MRT, MRS; PET, SPECT).Как правило, речь здесь идет о послойных изображениях функциональной активации, например, изменения кровотока или параметров, которые могут локально возникать в мозге в результате измененного метаболизма. Все эти методы имеют недостатки. Так, скажем, с помощью изображений можно интерпретировать только те изменения в кровотоке или в обмене веществ, которые происходят в мозге до и после раздражителя, прямые же изображения сильно искажаются структурными свойствами. Далее информативность ограничивается тем, что региональный кровоток лишь косвенно отражает нейронную активность и далеко не всегда нейронная активность вызывает изменения в кровотоке. Другой недостаток состоит в том, что для изображения при PET и SPECT требуется сравнительно долгое время (свыше 40 секунд) и кортикальные процессы возбуждения, протекающие более быстро, например при когнитивных процессах, не могут быть распознаны. В соответствии с этим, экспериментальные условия приходится или создавать повторно, или постоянно возобновлять на протяжении длительного временного интервала. При fMRT,правда, слои конкретной области мозга могут считываться с частотой ниже 100 мс; однако кровоток изменяется гораздо медленнее (в диапазоне секунд), что, в свою очередь, затрудняет возможность сопоставить изображение и когнитивную/кортикальную активность. При fMRT пульсирующие магнитные поля создают громкий треск, который мешает дополнительной обработке акустической информации. Кроме того, при этих методах требуется, чтобы на протяжении всего времени обследования пациент неподвижно лежал в трубе. Наконец, PET и SPECT являются инвазивными, поскольку в организм вводятся радиоактивные вещества с соответствующей лучевой нагрузкой. При MRT,и особенно fMRT с его более сильными магнитными полями, энергия проводится в мозг. Тем не менее эти методы позволяют все-таки минимально инвазивным способом проникнуть в физиологические процессы в мозге, недоступные для других средств.

Обобщая, можно сказать, что существенные достоинства ЭЭГ и МЭГ для клинических фундаментальных исследований и практического применения — это их высокая временная разрешающая способность и отсутствие риска при их использовании. Прежде всего благодаря исследованиям PET или fMRT можно с высокой степенью достоверности проверить пространственное распределение, выявленное через локализацию магнитных источников, для более сложных или неизвестных структур источников.