Природа суммарной биоэлектрической активности мозга - электроэнцефалограмма и функциональные состояния человека
Открытие нового явления в любой области науки, как бы ни были ограничены сведения о нем, неизбежно приводит к попыткам дать ему некое разумное объяснение. Биоэлектрическая активность мозга не является исключением из этого правила.
Термин &ldquo-спонтанные (фоновые) колебания&rdquo- биоэлектрической активности мозга используется в настоящее время достаточно широко. Многие исследователи рассматривают спонтанную активность как основу функционирования нервной ткани. Однако еще И.М.Сеченов указывал на то, что электрические колебания в нервной системе, по-существу, не являются спонтанными. Они обусловлены многочисленными и потому трудноучитываемыми факторами, такими, как экстеро- и интерорецепция, колебания ионного состава межклеточной среды, интенсивность внутриклеточных метаболических процессов и т.д. Именно вследствие этого далеко не всегда может быть отчетливо прослежена взаимосвязь спонтанной электрической активности мозга с вызывающими ее формирование причинами. Несомненно, однако, что фундамент современной электрофизиологии мозга составляют наши представления о процессах, протекающих в нервном волокне и в нервной клетке, в том числе, такие явления, как мембранный потенциал, потенциал действия, градуальные медленные постсинаптические потенциалы. Сведения о них абсолютно необходимы для понимания сущности суммарной биоэлектрической активности мозга во всех ее разнообразных проявлениях.
Проблема происхождения суммарной биоэлектрической активности мозга является чрезвычайно актуальной и достаточно запутанной. Основной вывод, разделяемый сегодня абсолютным большинством исследователей, сводится к тому, что ее происхождение связано с медленными электрическими процессами, развивающимися на мембранах нервных и глиальных клеток ЦНС. Максимальный вклад в формирование суммарной активности мозга вносят нейроны, которые рассматриваются при этом как своеобразные диполи, ориентированные в пределах коры перпендикулярно ее поверхности. При синхронном развитии электрических процессов на мембранах нейронов возникают условия для их суммации, результатом которой и является суммарный потенциал, регистрируемый в форме ЭЭГ.
Каков механизм синхронизации изменений потенциалов на мембранах единичных нейронов?
Каковы реальные биофизические характеристики внеклеточного пространства, в котором происходит эта суммация?
Чем обеспечивается ритмический характер этой активности?
Вот основополагающие вопросы, ответы на которые позволят глубже понять механизмы деятельности мозга.
Ранние представления о природе ЭЭГ
Существующие представления о природе медленной электрической активности мозга принято разделять на несколько так называемых теорий. Более точно их было бы назвать концепциями или гипотезами, поскольку в настоящее время многие из них представляют лишь исторический интерес, а из существующих ныне ни одна полностью не объясняет всех наблюдаемых феноменов и не разработана в деталях.
Медленная электрическая активность мозга как результат суммации потенциалов действия корковых нейронов
Из всех биоэлектрических явлений, связанных с функционированием нейронов - основных структурно-функциональных единиц нервной системы - и их микро- и макропопуляций, первыми были открыты и описаны так называемые потенциалы действия (ПД) одиночных нервных клеток, зарегистрированные от их аксонов, входящих в состав нервного волокна (РИСУНОК 18). В течение длительного времени какие бы новые явления в этой области науки не наблюдались, они рассматривались прежде всего в контексте процессов возбуждения, протекающие в нервном волокне. Возникшие на основе этих представлений гипотезы известны как синаптические теории.
Одной из первых среди них была гипотеза E.D. Adrian и B.N.Matthews (1934), которые изучая электрическую активность мозга человека при действии световых раздражителей полагали, что медленные колебания потенциала представляют собой результат суммации синхронно возникающих на соме или дендритах нервных клеток монофазных пиковых потенциалов длительностью, как тогда считали, от 10 до 100 мс.
Каждый такой разряд создает на поверхности коры монофазное колебание потенциала, а одновременное возникновение потенциалов у многих нейронов приводит к относительно длительному суммарному колебанию. Колебательный характер ЭЭГ, как полагали авторы, обусловлен периодическими изменениями частоты импульсной активности нейронов, которые происходят синхронно в большом количестве нейронов, что является необходимым условием для возникновения суммарного потенциала.
Позднее E.D.Adrian (1947) несколько модифицировал свои представления, предположив, что каждый нейрон коры разряжается залпом импульсов. Регулирующие воздействия извне координируют разряды отдельных нейронов, объединяя их в группы, работающие в унисон. Механизм синхронизации был тогда неизвестен, однако, D.Adrian (1949) полагал, что активность корковых нейронов регулируется из области гипоталамуса.,
На необходимость наличия регулирующего центра (pacemaker), синхронизирующего активность нейронов коры, указывал и F.Bremer (1949). Однако он полагал, что последний должен располагаться в межуточном мозге.
Выявление замкнутых нейронных цепей в коре и других структурах позволило R.Lorente-de-No (1934,1935) высказать получившее широкое признание предположение о том, что волны ЭЭГ возникают как результат суммации ПД, циркулирующих по этим цепям. Существование таких цепей, в частности, между таламусом и корой экспериментально было показано в работах G.H.Bishop (1933). J.G.Dusser-de-Barren, W.S.McCulloch (1938), H.T.Chang (1950), А.И.Ройтбака (1955), в связи с чем эта гипотеза получила достаточно широкое распространение (J.C.Eccles, 1948- E.D.Adrian, 1947- F.Bremer, 1949) в варианте, позднее четко сформулированном H.T.Chang (1950). Именно он впервые указал на то, что основу ритмической активности мозга в альфа-диапазоне частот составляет циркуляция возбуждения между корой и таламусом.
В экспериментальных исследованиях было показано, однако, что длительность потенциалов действия единичных нейронов не превышают 10 мс, составляя в среднем лишь 1,5 мс (В. Renshaw е.а., 1940). Не было обнаружено и достаточно выраженной взаимосвязи импульсной активности нейронов и суммарной ЭЭГ (V.E.Amassian, 1953- C.L. Li, Н.Н. Jasper, 1953- J. Calma, A.Arduini, 1954- C. L.Li, 1959- RE.Stopp, J.C. Whitfield, 1963). Напротив, как было экспериментально показано, в условиях наркоза импульсная активность нейронов исчезает раньше, чем медленные волны ЭЭГ. По имеющимся в настоящее время сведениям даже в экстремальных состояниях корреляция между клеточной пиковой и поверхностно регистрируемой медленной активностью не превышает значений 0,4 - 0,7, увеличиваясь лишь в условиях сенсорной стимуляции (В.Б. Полянский, 1965- V.E.Amassian, 1953- S.S.Fox, J.H. O&rsquo-Brein, 1965- O.D.Creutzfeld e.a., 1966- H.Fromm, H.W.Bond, 1967).
ЭЭГ как результат суммации медленных постсинаптических потенциалов, развивающихся в неокортикальных нейронах
Впервые мнение о том, что между спайковыми потенциалами нейронов и медленными волнами ЭЭГ существуют принципиальные различия, было высказано Форбсом еще в 1936 году (цит. по М.Бреже, 1979). Несмотря на отсутствие экспериментальных сведений о существовании медленной, градуально изменяющейся активности у нейрона, он утверждал, что по своей природе медленные волны, регистрируемые с поверхности головы, принципиально отличны от спайковых потенциалов, однако, оба эти явления разыгрываются в нейроне.
В 50-е годы в литературе появились сведения, указывающие на наличие у нейронов способности генерировать медленные, градуально меняющиеся потенциалы, связанные с синаптической функцией. M.H.Clare и G.H.Bishop (1955), исследуя циклы восстановления вызванных потенциалов коры, показали, что кривые восстановления некоторых видов вызванной активности имеют сложный характер. Вслед за экзальтацией тестирующего ответа, длящейся около 15 мс после обуславливающего стимула, в течение 120-140 мс имеет место более или менее выраженная депрессия, по окончании которой наблюдается фаза повторной супернормальности и возвращение тестирующего ответа к исходному уровню. Было показано (P.O.Bishop, 1953- P.Purpura, R.J.Shoffer, 1963) существование возбудительных постсинаптических потенциалов (ВПСП) длительностью 15 - 20 мс (РИСУНОК 19) и тормозных постсинаптических потенциалов (ТПСП) длительностью до 100 мс и более (РИСУНОК 20). Это и послужило экспериментальным обоснованием сформулированной J.L.O&rsquo-Leary и P.O.Bishop (1943) гипотезы, согласно которой медленные волны ЭЭГ возникают как результат суммации медленных электрических процессов, развивающихся на апикальных дендритах корковых нейронов. Позднее она получила название дендритной теории и свое развитие нашла в работах И.С.Беритова (1949), H.T.Chang (1951), M.H.Clare,. H.Bishop (1955), А.И.Ройтбака (1955), D.B.Purpura, K.Grundfest (1956), Д.С.Воронцова (1960), O.D.Creutzfeld с соавторами (1966), O.D. Creutzfeld (1969), Giannitrapani (1971).
Рисунок 19.
Унитарные и комплексные ВПСП в мотонейронах кошки.
А - унитарный ВПСП с разным временем течения в одном нейроне.
Цит. по R.E.Burke, 1967.
Б - ВПСП, вызываемые раздражением мышечных афферентов стимулами возрастающей интенсивности (1 - 9).
Цит. по J.C.Eccles, 1964.
Тогда же было высказано мнение о том (Д.С.Воронцов, 1960), что именно преимущественное отражение в ЭЭГ процессов, протекающих на апикальных дендритах корковых нейронов, определяет ее низкую информативность, так как наиболее существенные стороны их деятельности связаны с быстрыми потенциалами действия, которые практически не находят отражения в поверхностно регистрируемой ЭЭГ.
Уже в приведенных выше работах отмечалось, однако, что ЭЭГ является результатом суммации не только тех процессов, которые развиваются на апикальных дендритах, но и тех, которые имеют место на базальных дендритах и соме клетки. К выводу о том, что синхронные колебания потенциала есть результат суммации электрических процессов (деполяризации и гиперполяризации), развивающихся на поверхности клеточных мембран нейронов коры в целом, приходят J.C.Eccles (1948), F.Bremer (1949) и другие авторы.
Рисунок 20.
Моносинаптические ТПСП в мотонейронах кошки.
А - ответы на околопороговую интраспинальную микростимуляцию, Б - ответы на стимулы возрастающей силы.
Участие нейроглии в генезе медленноволновой активности мозга
Наличие в коре не только нервных, но и глиальных клеток, количество которых достигает 30 - 50% от общего числа ее клеточных элементов, позволило P.Glees (1955) высказать предположение о том, что глия также может участвовать в генезе медленных колебаний, регистрируемых с поверхности мозга. Экспериментальное обоснование эта точка зрения получила в результате обнаружения впоследствии у глиальных клеток электрических потенциалов (R.Galambos, 1961- W.Hill, J.Tasaki, 1962). На этом основании R.Galambos (1961), в частности, полагал, что глия ответственна за многие виды медленных волн, такие, например, как альфа- ритм. На значительную роль глии в генезе медленноволновой активности указывалось также в работах Е.Н.Соколова (1962), А.И.Ройтбака (1965,1968) и других авторов. Однако, поскольку глиальные клетки коры не имеют преимущественной ориентации и не обладают необходимым дипольным моментом, а изменения их потенциалов нескоррелированы, участие глии в электрогенезе медленных волн проблематично. На это указывается, в частности, в работах D. A.Sholl (1956), R.Elul (1972), А.М.Гутмана и А.Шимолюнаса (1976).
