Методы изучения электрической активности коры больших полушарий

Электроэнцефалография. В настоящее время наиболее распространенным и адекватным для изучения функционального состояния мозга является метод регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ) — суммарной биоэлектрической активности, отводимой с поверхности головы (рис. 12).

У человека в покое при отсутствии внешних раздражений преобладает альфа-ритм, имеющий частоту 8—12 Гц, амплитуду 40—70 мкВ. Он является упорядоченным регулярным ритмом. Если он доминирует, ЭЭГ рассматривается как синхронизированная. Механизм синхронизации ЭЭГ связан с деятельностью ядер таламуса. Альфа ритм преобладает у 85—95% здоровых людей старше 9 лет. Лучше всего он выражен в затылочных и передних (центральной и лобной) областях мозга, часто сочетается с бета-ритмом. Вариантом альфа-ритма являются «веретена сна» длительностью 2—8 с, которые наблюдаются при засыпании и представляют собой регулярные чередования нарастания и снижения амплитуды волн в частотах альфа-ритма.

Рис. 12. Основные ритмы электроэнцефалограммы: 1 — альфа-ритм; 2 — бета-ритм; 3 — тета-ритм; 4 — дельта-ритм

Бета-ритм имеет нерегулярную частоту: от 16 до 30 Гц, низкую амплитуду — 10—30 мкВ сменяет альфа-ритм при сенсорной стимуляции (например, действие света), эмоциональном возбуждении. Наиболее выражен бета-ритм в лобных, центральных областях головного мозга. Бета-ритм отражает высокий уровень функциональной активности головного мозга. Смена альфа-ритма бета-ритмом называется десинхронизацией ЭЭГ. Она объясняется активирующим влиянием на кору больших полушарий восходящей ретикулярной формации ствола и лимбической системы.

Для тета-ритма характерна частота 4—7 Гц и амплитуда 100—200 мкВ. У бодрствующего человека тета-ритм регистрируется обычно в передних областях мозга при длительном эмоциональном напряжении, почти всегда регистрируется в процессе развития фаз медленноволнового сна.

Дельта-ритм имеет частоту 1—3 Гц, амплитуду 200—300 мкВ. Эпизодически регистрируется во всех областях головного мозга. Появление этого ритма у бодрствующего человека свидетельствует о снижении функциональной активности мозга. Стабильно фиксируется во время глубокого медленноволнового сна (рис. 12).

Формирование ЭЭГ в онтогенезе. Электрическая активность головного мозга плода появляется в возрасте 2 месяцев, она низкоамплитудная. ЭЭГ плода с корковым компонентом регистрируется с 5-месячного возраста, имеет прерывистый, нерегулярный характер и представлена импульсами в виде серии с продолжительностью от 3 до 20 с. Периоды отсутствия активности весьма длительные — от 10 до 2—3 мин. Преобладают диффузные медленные волны частотой 0,5—2 Гц, чередующиеся с более частыми колебаниями. Наблюдается межполушарная асимметрия ЭЭГ. Относительная межполушарная синхронность устанавливается после 6-го месяца внутриутробной жизни. Значительные изменения ЭЭГ отмечаются на 8-м месяце. С этого времени начинает регистрироваться непрерывная электрическая активность коры больших полушарий.

ЭЭГ новорожденного представляет собой также аритмичные колебания, имеющие низкую амплитуду (30—50 мкВ). Преобладают частоты колебаний 1—2 и 4 Гц, то есть гамма- и тета-ритмы. В этом возрасте наблюдается реакция активации на достаточно сильные раздражения — звук, свет.

ЭЭГ детей грудного и ясельного возраста (то есть до 3 лет) характеризуется наличием тета- и альфа-ритмов с преобладанием тета-ритма (7—8 Гц), амплитуда волн уже достигает 80 мкВ. При этом ритмическая электрическая активность коры мозга в состоянии спокойного бодрствования начинает регистрироваться с 2—3 месяцев постнатальной жизни. В промежутках между сериями волн с частотой 7—8 Гц наблюдаются еще более высокие, но редкие волны с частотой 3—4 Гц преимущественно в передних областях коры. Кроме того, всегда имеются низкие волны с достаточно высокой частотой — 18—25 Гц (бета-ритм).

На ЭЭГ детей дошкольного возраста (с 3 до 7 лет) преобладают два типа волн: альфа- и тета-ритм, последний регистрируется в виде групп высокоамплитудных колебаний.

ЭЭГ детей в возрасте с 7 до 10 лет характеризуется преобладанием альфа-ритма (9 Гц), однако тета-ритм составляет еще существенную часть (25%) от общего числа колебаний. В этот возрастной период еще не сформирована реакция активации, что отражает незрелость активирующей системы мозга. К 9—10 годам на ЭЭГ в передних отделах постепенно уменьшается представленность тета-ритма, формируется зрелый тип реакции активации.

На ЭЭГ детей в возрасте 10—12 лет появляется стабильный альфа-ритм с такой же частотой, как у взрослых (10—12 Гц); колебания тета-ритма составляют всего около 10% от общего числа колебаний. К 16—18 годам ЭЭГ детей по всем параметрам становится идентичной ЭЭГ взрослого человека.

Все видоизменения в ЭЭГ протекают в направлении от более медленных низкочастотных колебаний к быстрым высокочастотным. Так, например, снижение с возрастом представленности тета-ритма свидетельствует об уменьшении роли неспецифических подкорковых структур в генезе биоэлектрической активности мозга. Усиление выраженности в ходе индивидуального развития основного ритма биоэлектрической активности альфа-ритма и формирование его пространственной организации отражают созревание коры больших полушарий мозга и функциональную организацию ее нервных центров.

Электроэнцефалограмма имеет ряд отличительных особенностей при различных функциональных состояниях мозга (возбуждение, покой сонливость, глубокий сон). Так, например, возбуждение сопровождается появлением высокочастотных и низкоамплитудных колебаний. В покое преобладает альфа-активность. Переход к глубокому сну проявляется постепенным замедлением волн на ЭЭГ. При глубоком сне появляются высокоамплитудные гамма-волны.

При различных заболеваниях головного мозга нарушается нормальное течение электрических процессов, так появление на ЭЭГ синхронных высокоамплитудных медленных волн в затылочных отделах указывает на поражение стволовых структур мозга. Примерно у 50% детей 8—9 лет с задержкой психического развития наблюдается нарушение формирования фоновой ритмики ЭЭГ. С возрастом эти нарушения уменьшаются.

Различные виды умственной деятельности сопровождаются соответствующими изменениями ЭЭГ и отдельных нейронов коры больших полушарий. Так, в процессе решения арифметических задач число областей, вовлеченных в синхронную деятельность, особенно с переднелобными отделами, существенно возрастает по сравнению с периодом спокойного бодрствования, причем степень возрастания пространственной синхронизации определенно зависит от тренированности испытуемого и трудности выполняемой задачи. Как показывают исследования мощности спектра ЭЭГ в диапазоне частот от 2 до 34 Гц, у детей 11—13 лет отмечено, что выполнение арифметических действий вызывает увеличение мощности на всех исследованных частотах в префронтальных областях с обеих сторон и снижение мощности в диапазоне 15—17 Гц в теменных областях, особенно в правом полушарии. У детей 6—16 лет выявляются аномалии на ЭЭГ: примерно у 30% отстающих в обучении по отдельным предметам, почти у 40% отстающих по всем предметам и лишь у 4% успевающих школьников.

Вызванные потенциалы — это другой тип суммарной электрической активности. Они возникают, когда на фоне покоя или другого состояния мозгу предъявляется новое быстро нарастающее раздражение, на ЭЭГ регистрируются так называемые вызванные потенциалы (ВП). Они представляют собой синхронную реакцию множества нейронов данной зоны коры (рис. 13).

Рис. 13. Вызванный потенциал в зрительной области коры на световое раздражение: 1 — позитивное колебание; 2— первичное негативное колебание; 3 — вторичные колебания

Латентный период, амплитуда ВП связаны с интенсивностью наносимого раздражения. Количество и характер его колебаний зависят от адекватности стимула относительно зоны регистрации ВП. Общая продолжительность ВП — около 300 мс.

ВП может состоять из первичного ответа или же из вторичного.

Первичные ответы представляют собой двухфазные позитивно-негативные колебания (позитивные — гиперполяризация, негативные — деполяризация). Они регистрируются в первичных зонах коры анализатора и только при адекватном для данного анализатора стимуле. Например, зрительная стимуляция для первичной зрительной зоны коры (поле 17) является адекватной.

Первичный ответ характеризуется коротким латентным периодом (ЛП), двухфазностью колебания: вначале положительная, затем отрицательная. Первичный ответ формируется за счет кратковременной синхронизации активности близлежащих нейронов.

Вторичные ответы более вариабельны по ЛП, длительности, амплитуде, чем первичные. Как правило, вторичные ответы чаще возникают на сигналы, имеющие определенную смысловую нагрузку, на адекватные для данного анализатора стимулы; они хорошо формируются при обучении.

Вторичные ответы в отличие от первичных регистрируются не только в первичных проекционных зонах, но и в других областях мозга, связанных между собой горизонтальными и вертикальными (кора — подкорка) нервными путями.

Метод дает возможность выявить взаимодействие различных зон коры при выработке условных рефлексов, оценивать состояние внимания человека, восприятия инструкций, наличие или отсутствие патологических явлений в ЦНС. Отдельные компоненты ВП могут отражать эмоциональное состояние и научение.

Топографическое картирование. Многоканальная регистрация ЭЭГ дает возможность представить полученные в результате компьютерной обработки ЭЭГ данные в удобном для восприятия виде — как карты одномоментного пространственного распределения по коре мощности разных ритмов ЭЭГ и амплитуд компонентов ВП или других характеристик. Последовательность таких карт дает представление о динамике процессов. На топографических картах мозга цветом и его интенсивностью кодируются различные параметры ЭЭГ. Такая визуализация позволяет охарактеризовать функциональную организацию мозга при разных состояниях и видах деятельности.

Компьютерная томография основана на использовании вычислительной техники и новейших технических методов, позволяющих получить множество объемных изображений одной и той же структуры мозга.

Из методов компьютерной томографии наиболее часто используется метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Этот метод позволяет охарактеризовать активность различных структур мозга на основе изменения метаболических процессов. При обменных процессах в нервных клетках используются определенные химические вещества, которые помечают радиоизотопами. Усиление активности сопровождается усилением обменных процессов, и в областях повышенной активности образуется скопление изотопов, по которым и судят об участии тех или иных структур в психических процессах.

Другим широко используемым методом является ядерно-магнитно-резонансная томография. Метод основан на получении изображения, отражающего распределение плотности ядер водорода (протонов), при помощи электромагнитов, расположенных вокруг тела человека. Водород является одним из химических элементов, участвующих в метаболических процессах, и потому его распределение в структурах мозга — надежный показатель их активности.