Тема 2. Современные методы исследования физиологии головного мозга.
В настоящее время широко применяются следующие методы исследования функционирования головного мозга:
n электрофизиологические методы исследования: метод вызванных потенциалов; электроэнцефалография;
n томографические методы исследования: метод магнитно-резонансной томографии (МРТ); метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ);
n нейробиологические методы исследования;
n нейропсихологические методы исследования.
В распоряжении нейрофизиологов имеются различные электрофизиологические методы исследования. Они совершенно не опасны для мозга человека и позволяют наблюдать течение физиологических процессов в нем в диапазоне от долей миллисекунды до нескольких часов. Использование этих методов имеет глубокие исторические корни.
Основоположником экспериментальной электрофизиологии принято считать итальянского врача, анатома и физиолога Луиджи Гальвани. В XVIII столетии он заметил, что отпрепарированные лапки лягушки сокращаются при соприкосновении с металлом. История сохранила нам красивую легенду: молодая жена Гальвани заболела чахоткой. Согласно предписаниям медицины того времени больной требовалось усиленное питание бульоном из лягушачьих лапок. Для этой цели заботливый муж заготовил много таких лапок и развесил их на веревке на балконе. Они раскачивались под легким ветром и изредка прикасались к медным перилам балкона. Каждое такое соприкосновение приводило к сокращению лапки. Гальвани обнародовал замечательное открытие, назвав его биоэлектричеством. По мнению же мнению большинства историков науки, честь открытия принадлежит молодой жене Гальвани - Лючии Галеацци. Она крутила ручку электрофорной машины, в то время как ассистент препарировал лягушку. Лапка билась под скальпелем, и наблюдательная женщина заметила, что судороги случаются тогда, когда между шарами машины проскакивает искра. Она обратила внимание мужа на это совпадение.
Гальвани проводил опыты по животному электричеству: открыл и исследовал феномен сокращения мышц препарированной лягушки под влиянием электрического тока; обратил внимание на то, что мышца сокращается при одновременном прикосновении к ней двух разных металлов. Гальвани объяснил эти явления существованием «животного электричества». Результаты наблюдений и теорию «животного электричества» он изложил в 1791 в работе «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Новыми опытами (опубликованы в 1797) Гальвани доказал, что мышца лягушки сокращается и без прикосновения к ней металла – в результате непосредственного её соединения с нервом. Исследования Гальвани имели большое значение для медицинской практики и разработки методов физиологического эксперимента.
В конце XIX века английский ученый, а по совместительству мэр города Манчестера, Г. Катон впервые поместил металлические электроды на затылочные доли головного мозга собаки. При этом он зарегистрировал колебания электрического потенциала, направляя свет в глаза животному. Тогда же появились первые струнные гальванометры, которые могли фиксировать слабые электрические потенциалы от биологических объектов.Колебания электрического потенциала, аналогичные наблюдаемым Катонном, сейчас называют вызванными потенциалами (ВП) и широко используют при исследовании функций мозга и сенсорных систем человека. В основе метода лежит регистрация биоэлектрических реакций мозга в ответ на внешнее раздражение (в случае сенсорных ВП) и при выполнении когнитивной задачи. Запись ВП производится при помощи электроэнцефалографических электродов, расположенных на поверхности головы. Поскольку амплитуда ВП (5-15 мкВ) гораздо меньше амплитуды ЭЭГ в состоянии бодрствования (20-70 мкВ), то для выделения ВП проводят усреднение сигнала: стимул предъявляется несколько раз, после чего компьютер суммирует отрезки ЭЭГ, которые следуют сразу после предъявления стимула. В результате постоянные компоненты ВП суммируются и выделяются, а «случайные» компоненты ЭЭГ, наложившиеся на запись во время регистрации ВП, нивелируются. Характеристиками вызванных потенциалов являются латентный период (латентность), амплитуда (или площадь), полярность (негативная/позитивная) и форма. Для диагностических целей наибольшее применение получили коротколатентные звуковые, соматосенсорные, зрительные и моторные ВП. Например, стволовые звуковые ВП используются в качестве стандартного нейрофизиологического теста для исследования поражений ствола мозга и объективной оценки нарушений слуха. Соматосенсорные и моторные ВП позволяют выявить и оценить степень нарушения функции проводящих путей спинного мозга. Зрительные ВП имеют важное значение в диагностике рассеянного склероза.
Наиболее часто для исследования работы мозга применяется электроэнцефалографический метод. Впервые в России биоэлектрические колебания от продолговатого мозга лягушки были зарегистрированы И. М. Сеченовым. Другой наш соотечественник, профессор Казанского университета И. Правдич-Неминский изучал биоэлектрические колебания мозга собаки при различных состояниях животного - в покое и при возбуждении. Собственно, это были первые электроэнцефалограммы. Однако мировое признание получили исследования, проведенные в 1928 году шведским исследователем Г. Бергером. Используя уже более совершенные приборы, он зарегистрировал биоэлектрические потенциалы головного мозга человека, которые предложил называть «электроэнцефалограммой». В этих исследованиях впервые был зарегистрирован основной ритм биотоков мозга человека - синусоидальные колебания с частотой 8 -12 Гц, который получил название альфа-ритма. Его работы положили начало современной эры исследования физиологии головного мозга человека.
В настоящее время методы электроэнцефалографии сделали значительный шаг вперед благодаря применению компьютеров. Обычно на поверхность скальпа при клиническом обследовании больного накладывают несколько десятков электродов (наиболее распространены мостиковые, чашечковые и игольчатые). Далее эти электроды соединяют с многоканальным усилителем. Достаточно мощный компьютер обрабатывает ЭЭГ по каждому каналу. Электроэнцефалография дает возможность качественного и количественного анализа функционального состояния головного мозга и его реакций при действии раздражителей. Основными характеристиками являются частота и амплитуда сигнала. На их основе выделяют несколько основных ритмов, которые соответствуют определенным состояниям мозга и связаны с определенными мозговыми механизмами (см. таблицу).
| Ритм | Частота (Гц) | Амплитуда(мкВ) | Функциональное состояние |
| альфа-ритм | 8-13 | 30-70 | Спокойное бодрствование |
| бета-ритм | 14-40 | 5-30 | Активное бодрствование |
| тета-ритм | 4-6 | 100-150 | стресс-ритм или ритм напряжения |
| дельта-ритм | 0,5-3 | >100 | 4-я стадия медленного сна, кома |
| гамма-ритм | >40 | 30-170 | Повышенное внимание |
Основные ритмы электроэнцефалограммы
1 – бета-ритм, 2 – альфа-ритм, 3 – тета-ритм, 4 – дельта-ритм
Все более широко в настоящее время как в науке, так и в клинике применяются томографические методы исследования головного мозга человека. Они позволяют увидеть строение и особенности работы головного мозга человека, не повреждая его. Один из таких методов - метод магнитно-резонансной томографии. Головной мозг облучают электромагнитным полем, применяя для этого специальный магнит. Под действием магнитного поля диполи жидкостей мозга (например, молекулы воды) принимают его направление. После снятия внешнего магнитного поля диполи возвращаются в исходное состояние, при этом возникает магнитный сигнал, который улавливается специальными датчиками. Затем это эхо обрабатывается с помощью мощного компьютера и методами компьютерной графики отображается на экране монитора. Благодаря тому, что внешнее магнитное поле, создаваемое внешним магнитом, можно сделать плоским, таким полем как своеобразным «хирургическим ножом» можно «резать» головной мозг на отдельные слои. На экране монитора ученые наблюдают серию последовательных «срезов» головного мозга, не нанося ему никакого вреда. Этот метод позволяет исследовать, например, злокачественные образования головного мозга.
Еще более высоким разрешением обладает метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Исследование основано на введении в мозговой кровоток позитрон-излучающего короткоживущего изотопа. Данные о распределении радиоактивности в мозге собираются компьютером в течение 15-30 мин сканирования и затем реконструируются в трехмерный образ. Во время регистрации исследуемого просят заняться определенной интеллектуальной деятельностью, например почитать (про себя или вслух), послушать музыку или решить математическую задачу. Метод позволяет наблюдать в головном мозге очаги возбуждения, например, при продумывании отдельных слов, при их проговаривании вслух, что свидетельствует о его высоких разрешающих возможностях. Вместе с тем многие физиологические процессы в головном мозге человека протекают значительно быстрее тех возможностей, которыми обладает томографический метод. В исследованиях ученых немаловажное значение имеет также финансовый фактор, т. е. стоимость исследования. К сожалению, томографические методы очень дороги.
Нейробиологический подход к исследованию нервной системы человека. В теоретических исследованиях физиологии головного мозга человека огромную роль играет изучение центральной нервной системы животных. Дело в том, что мозг современного человека является продуктом длительной эволюции жизни на Земле. На пути этой эволюции природой перебирались многие варианты устройства центральной нервной системы и ее элементов. Например, нейроны, их отростки, процессы, протекающие в нейронах, остаются неизменными как у примитивных животных (например, членистоногих, рыб, амфибий, рептилий и др.), так и у человека. То же касается многих структур головного мозга. Исключение представляют только большие полушария головного мозга. Они уникальны в мозге человека. Поэтому нейрофизиолог, имея в своем распоряжении огромное число объектов исследования, всегда может изучать многие вопросы физиологии головного мозга человека на более простых и доступных объектах. Такими объектами могут быть и беспозвоночные животные. Классический объектов современной нейрофизиологии - головоногий моллюск кальмар и нервное волокно (так называемый гигантский аксон - диаметром 1 мм), на котором были выполнены классические исследования по физиологии возбудимых мембран. У многих моллюсков в нервных ганглиях, заменяющих у них головной мозг, есть очень большие нейроны - диаметром до 1 мм. Эти нейроны являются излюбленными объектами при изучении работы ионных каналов, открытие и закрытие которых управляется химическими веществами. Ряд вопросов передачи возбуждения от одного нейрона другому исследуется на нервно-мышечном соединении - синапсе кальмара; эти синапсы по размерам в сотни раз больше подобных синапсов в головном мозге млекопитающих.
В последние годы все шире применяют прижизненные срезы головного мозга новорожденных крысят и морских свинок и даже культуру нервной ткани, выращенную в лаборатории. Данный метод позволяет исследовать механизмы функционирования отдельных нервных клеток и их отростков.
Рис. Культура нервной ткани, извлеченной из мозга крысы и высеянная на чашку Петри с впаянными в дно мультиканальными электродами
Для регистрации биоэлектрической активности нейронов и их отростков применяют специальные приемы, которые называются микроэлектродной техникой. Микроэлектроды могут быть введены даже внутрь нейрона, продолжающего при этом некоторое время нормально функционировать. Такими методами получены сведения о том, как развиваются процессы возбуждения и торможения в различных типах нейронов, каковы внутриклеточные механизмы этих процессов, как осуществляется переход активности от одной клетки на другую.
Рис. Металлический микроэлектрод приближается к нейрону
.
Обычно применяют два типа микроэлектродов - металлические и стеклянные. Металлические микроэлектроды часто изготавливают из вольфрамовой проволоки диаметром 0,3-1 мм. На первом этапе нарезают заготовки длиной по 10 - 20 см (это определяется глубиной, на которую будет погружен микроэлектрод в мозг исследуемого животного). Один конец заготовки затачивают до диаметра 1 - 10 мкм. Затем электрод покрывают лаком для электрической изоляции. Самый кончик электрода остается неизолированным.
Для регистрации активности одиночных нейронов микроэлектрод закрепляют в специальном манипуляторе, который позволяет продвигать его в мозге животного с высокой точностью. Характер регистрируемой биоэлектрической активности определяется диаметром кончика микроэлектрода. Например, при диаметре кончика микроэлектрода не более 5 мкм можно зарегистрировать потенциалы действия одиночных нейронов (в этих случаях кончик микроэлектрода должен приблизиться к исследуемому нейрону на расстояние около 100 мкм). При диаметре кончика микроэлектрода больше 10 мкм одновременно регистрируется активность десятков, а иногда сотен нейронов.
Другой широко распространенный тип микроэлектродов изготавливают из стеклянных капилляров (трубочек). Для этой цели используются капилляры диаметром 1 - 3 мм. Далее на специальном устройстве, так называемой кузнице микроэлектродов капилляр в средней части разогревают до температуры плавления стекла и разрывают. Получают микропипетки с диаметром кончика до долей микрометра. На следующем этапе микропипетку заполняют раствором соли (например, 2М КС1) и получают микроэлектрод. Кончик такого микроэлектрода можно вводить внутрь нейрона (в тело или даже в его отростки), не сильно повреждая его мембрану и сохраняя его жизнедеятельность.
Еще одно направление исследования головного мозга человека возникло в годы Второй мировой войны - это нейропсихология. Одним из основоположников этого подхода был профессор Московского университета Александр Романович Лурия. Метод представляет собой сочетание приемов психологического обследования с физиологическим исследованием человека с поврежденным головным мозгом. Нейропсихологические исследования включают также анализ действия медикаментозных средств на работу мозга и поведение.
Дата добавления: 2016-05-25; просмотров: 1727;