Гипотезы о происхождении электрической активности - клиническая электроэнцефалография
ГИПОТЕЗЫ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ И ЕЕ РИТМОВ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ ЧЕЛОВЕКА
Перед электрофизиологами неизбежно встают вопросы: что такое электроэнцефалограмма? Каково происхождение электрической активности центральной нервной системы? Каково происхождение ритмов этой активности? Каковы возможности анализа ЭЭГ?
При рассмотрении этих вопросов необходимо различать происхождение электрической активности головного мозга и происхождение ее ритмики.
Ни одна из имеющихся теорий возникновения потенциалов и их ритмики в головном мозге не является еще общепринятой и экспериментально доказанной. В основном теории возникновения потенциалов рассматривают их возникновение в клетках, их зависимость от синаптической активности, изменения ионного состава среды и проницаемости мембраны. Но в современной нейрофизиологии не существует единого мнения о природе процессов, определяющих изменения ионной проницаемости мембраны при возбуждении. Одни авторы полагают, что изменение мембранного потенциала, вызываемое раздражителем, приводит к смещению в мембране заряженных частиц (например, ионов кальция), что обусловливает раскрытие «пор» («каналов»), по которым сквозь мембрану начинают перемещаться ионы натрия, калия, кальция. Другие считают, что деполяризация прежде всего активирует определенные физико-химические реакции в мембране и протоплазме, а уж это в свою очередь изменяет скорость переноса через мембрану тех или иных ионов. Наиболее широкое распространение получила модель, предложенная Hodgkin и Huxley (Hodgkin и Huxley, 1952- Hodgkin, 1964), описывающая движение калия наружу, а натрия — внутрь нерва, когда нервный импульс в форме электрического потенциала движется вдоль волокна. Ионные потоки есть результат изменения проницаемости мембраны нервного волокна к ионам натрия и калия.
Эта модель описывает лишь возникновение нервного импульса в аксоне нервной клетки. Она не применима ни к телу клетки и ее дендритам, ни к какому-либо комплексу нейронов или нервной сети (Brazier, 1967). Дискретный характер передачи импульсов есть свойство только нервного волокна, а на обоих его концах, т. е. на входе и выходе, электрические процессы являются градуальными, т. е. аналоговыми по форме, и, по-видимому, могут быть представлены математически как непрерывная функция. Да и нет ли длительных градуальных процессов в самом нервном волокне?
Электрическая активность головного мозга может проявляться и регистрироваться с обнаженного мозга в различных формах: в виде сдвига уровня постоянного потенциала, когда регистрируются медленные длительные потенциалы- в форме ритмических колебаний- в форме токов действия, при регистрации активности отдельных нейронов- в форме вызванных потенциалов в ответ на различные афферентные раздражения. Все формы или виды электрической активности головного мозга проявляются как у животных, так и у человека.
Как увидим ниже, не все эти виды электрической активности головного мозга регистрируются в стандартной ЭЭГ, но без их рассмотрения трудно понять, что представляет собой в действительности электроэнцефалограмма человека.
Наличие медленных длительных потенциалов в коре большого мозга показано рядом авторов. Амплитуда и направление этих потенциалов зависят от различных методических приемов, примененных при исследовании, но сам факт наличия долго длящихся медленных потенциалов в коре не вызывает сомнений.
Длительные электрические потенциалы в коре большого мозга известны в литературе под многими названиями: медленные длительные потенциалы, апериодические медленные колебания, изменения уровня постоянного потенциала, сверхмедленные колебания, гладкие потенциалы и т. д.- ими обозначаются биоэлектрические процессы, обычно более длительные, чем дельта-волны ЭЭГ (свыше 1 секунды). Хотя явления такого рода были известны давно, даже раньше, чем комплекс потенциалов действия и ЭЭГ с ее ритмическими колебаниями, признание в мировой литературе они получили сравнительно недавно, в последние 15—20 лет.
Установлено наличие фонового градиента постоянного потенциала (медленных потенциалов) в коре, но мнения относительно происхождения этого градиента уровня постоянного потенциала (УПП) расходятся. Распространена точка зрения Gerard и Libet (1941), что эти градиенты возникают за счет неодинаковой поляризованности различных частей нейронов.
Изменения УПП можно вызвать прямым воздействием на кору мозга — электрической стимуляцией, давлением, аппликацией различных веществ. Изменения уровня постоянного потенциала коры большого мозга происходят также при замыкании временной связи (Т. Б. Швец, 1960). Медленные длительные потенциалы коры, регистрируемые в фазу генерализации на любые применяемые раздражители, ориентировочная реакция на которые была заранее угашена, по мере упрочения временной связи появляются в коре лишь на условный раздражитель. Они не появляются в ответ на раздражения, на которые выработана дифференцировка. Сдвиги уровня постоянного потенциала коры при замыкании временной связи отражают активное состояние регистрируемых пунктов коры: на их фоне происходят условнорефлекторные ответы.
Многочисленные данные указывают, что постоянные потенциалы в коре большого мозга являются столь же распространенным биоэлектрическим феноменом, как и электрические колебания других параметров, а возможно, и более значительным.
Сдвиги уровня постоянного потенциала имеют сложное происхождение и являются результатом алгебраической суммации ряда полей постоянного потенциала с противоположными знаками. Что же является источником этих полей — деполяризация или гиперполяризация? В каких слоях коры они имеют место? Эти вопросы остаются пока открытыми. Среди гипотез о происхождении длительных потенциалов в коре наибольшего внимания заслуживает поляризационная гипотеза (Libet, Gerard, 1941), согласно которой сдвиги уровня постоянного потенциала возникают за счет изменения степени поляризации мембран клеток коры. Ряд авторов считают, что длительные электрические потенциалы создаются суммацией постсинаптических потенциалов. Высказываются предположения, что синаптические потенциалы неоднородны — имеются более быстрые и более медленные потенциалы. Суммация последних и создаст постоянный потенциал. Не исключена также возможность, что длительные потенциалы коры аналогичны электротоническим спинномозговым потенциалам, т. е. отражают длительную пресинаптическую деполяризацию (Eccles et al., 1962).
Имеются данные, свидетельствующие о том, что постоянный потенциал создается в коре большого мозга за счет мембранного потенциала не только нейронов, но и глии. Нейроны и глия рассматриваются как совместно работающие функциональные единицы, и высказывается предположение, что глиальные клетки, возможно, ответственны за медленные волны в коре.
Американские авторы Goldring и O&rsquo-Leary (1957) в серии работ исследовали вопросы, связанные с длительными потенциалами на поверхности коры большого мозга животных. Они считают, что медленный потенциал, появляющийся в коре, в частности при низкой частоте раздражения средней линии таламуса, есть результат суммации эффектов последействия, остающегося в коре от каждого из колебаний, возникающих на раздражение. При раздражении же с высокой частотой медленный потенциал является, по их мнению, результатом суммации не только эффектов последействия, но и самих вызванных ответов. Весь результат рассматривается как стойкое состояние активности дендритов.
В плане общей физиологии нервной системы и учений о возбуждении точка зрения американских авторов на длительные потенциалы по существу близка с ранее высказанным положением Adrian (1934) о том, что все колебания потенциала в коре большого мозга образуются из относительно коротких пульсаций в отдельных нейронах и что медленные изменения потенциала есть эффект суммации этих коротких пульсаций.
С нашей точки зрения (В. С. Русинов, 1969), медленные длительные потенциалы не являются продуктами слияния и совпадения отдельных волн возбуждения, а есть отражение местной длительной активности. Медленные сдвиги постоянного потенциала, регистрируемые в коре большого мозга, отражают стационарное возбуждение. Они, подобно быстрым колебаниям, являются электрическим ингредиентом возбуждения, выступающим в другой своей форме в виде медленного стационарного процесса. Это взгляд предполагает также, что не только ток действия, по и медленный длительный потенциал отражает активное физиологическое состояние. Длительные потенциалы четко выявляются при образовании условного рефлекса у человека на комплексный раздражитель (Р. Н. Лурье, В. С. Русинов, 1955). Длительные потенциалы в ЭЭГ человека описаны Walter (1964) и названы им волнами ожидания.
Предполагается, что изменения фоновой ритмики в ЭЭГ представляют собой колебания постоянного потенциала коры (Jung, 1958- Caspers, 1961), и поэтому разграничение в качестве самостоятельных процессов изменений фоновой ритмики и сдвига постоянного потенциала относительно и условно. В какой мере медленные потенциалы зависят от дендритной активности — этот вопрос является дискуссионным, требующим прямых опытных данных, как и мнение о том, что источником длительных потенциалов является только суммация возбудимых постсинаптических потенциалов. В нашей лаборатории в опытах с внутриклеточной регистрацией потенциалов рецепторов растяжения ракообразных, не имеющих возбудимых синапсов, был показан переход от отдельных потенциалов действия к длительной стойкой деполяризации. Из этого следовало, что, не отрицая возможной роли постсинаптических потенциалов в длительной деполяризации корковых нейронов, переход от отдельных потенциалов действия к групповым разрядам и далее к стойкой деполяризации можно объяснить изменением мембранных свойств самих нейронов (В. Л. Эзрохи, 1967).
Постоянный потенциал коры большого мозга и его колебания в виде медленных длительных апериодических сдвигов уровня постоянного потенциала не регистрируется в обычной электроэнцефалограмме при помощи усилителей переменного тока или регистрируется в сильно искаженной форме. Его легко смешать с кожно-гальваническим потенциалом. У человека он регистрируется преимущественно в передних областях головного мозга- при этом необходимы усилители постоянного тока и специальные сумматоры.
ЭЭГ отражает прежде всего связь между нейронами. Если не было бы связи между нейронами и группами нейронов, то с поверхности коры записывалась бы ровная линия. Колебания потенциалов огромного количества не связанных между собой отдельных элементов, да еще не совпадающих по фазам своей активности, были бы усреднены и недостаточны для генерации поля, наблюдаемого на поверхности коры большого мозга.
Постоянные потенциалы и их колебания не только отражают изменения степени поляризации мембран, но и сами активно изменяют деятельность клеточных элементов центральной нервной системы. Иначе говоря, медленные длительные потенциалы являются одним из видов функциональной межнейронной взаимосвязи в коре большого мозга, особенно при установлении временной связи, что и было показано в опытах на животных с локальной поляризацией коры слабым постоянным током (В. С. Русинов, 1951, 1953, и др.). Строго говоря, так называемая фоновая ЭЭГ есть колебания постоянного потенциала коры, вызываемые и поддерживаемые минимальным потоком афферентных раздражений разной модальности или, точнее, колебаний, происходящих на определенном уровне постоянного потенциала коры. Как известно, колебания потенциала ЭЭГ представляют собой квазипериодические процессы (основная доминирующая активность), настоящие периодические процессы (кортикальные вызванные ответы) и апериодические переменные. Это те же классы временных функций, что рассматриваются в теории информации. Вот почему среди многих теорий современного учения об информации наиболее подходящей для исследования ЭЭГ оказалась теория авто- и кросскорреляционной функции.
ЭЭГ отражает прежде всего активность поверхностных слоев коры большого мозга. Разряды нейронов и потоки импульсов в виде потенциалов действия продолжительностью меньше 1 мсек не получают отражения в ЭЭГ из-за структурной организации коры, ее поверхностных слоев с богатейшим сплетением дендритов, густой сетью мелких кровеносных сосудов, а на самой поверхности — мягкой оболочки, имеющей мощный слой сравнительно крупных сосудов. Все это представляет собой побочное замыкание с малым сопротивлением (шунт) для потенциалов более глубоких слов, оказывающее неблагоприятное влияние на выведение на поверхность мозга протекающих потенциалов (Д. С. Воронцов, I960). Этот шунт включает значительные емкости мембран дендритов и стенок кровеносных сосудов.
В последние годы широкое развитие получила теория дендритного происхождения потенциалов, регистрируемых в ЭЭГ (Clare, Bishop, 1955- Д. С. Воронцов, I960- Purpura, 1963, к др.). Elul (1962) исследовал генерацию медленных изменений корковых потенциалов в микроструктурах мозга с применением микроэлектродной техники. Он обнаружил, что медленная активность проявляется локально в пределах расстояния между микроэлектродами в 30 мк и пришел к заключению о наличии локальной медленной активности, свойственной одиночным нейронам, представляющим каждый из себя диполь. При отведении в таких же условиях от белого вещества не обнаруживается различия между локальными отведениями в медленных потенциалах. Последнее убедило Elul в правильности теории дендритного происхождения. Но в последнее время обнаружены медленные потенциалы в тех структурах, в которых нет дендритов.
Вопрос о генерации основного ритма ЭЭГ человека еще не решен. В литературе выявляются две основные точки зрения: одни исследователи считают, что существует единый генератор альфа-активности, задающий и регулирующий ее частоту, другие признают множественность генераторов альфа-ритма в больших полушариях у человека.
Точку зрения о едином генераторе поддерживают Garoutte, Aircf (1958), Remond (1965), Ю. В. Дубикайтис и В. В. Дубикайтис (1962) и др. Эти авторы считают, что ведущим в возникновении и формировании электрической активности коры является генератор, локализованный в подкорковых или стволовых структурах близ средней линии. Представление о срединном генераторе основного ритма биопотенциалов коры исходит из теории единого источника потенциала — диполя, влияющего на различные точки поверхности гомогенной среды. Однако в случаях недоразвития мозолистого тела, которому сторонники теории срединного генератора придают большое значение как системе, проводящей его влияния, не нарушается синхронность доминирующей ритмики полушарий (Пенфилд и Джаспер, 1958). А. Б. Коган (1954) на основании исследований, проведенных на мертвом мозге, приходит к заключению, что теория диполя вряд ли применима к электроэнцефалографии. Однако позже Geisler, Gerstein (1961) пришли к выводу, что модель диполя наиболее адекватна для объяснения происхождения ритмики в коре мозга. Выявившиеся в ходе исследования существенные расхождения между теоретическим положением о диполе и вычисленной на модели математической формулой и имеющим место в живом мозге фактическим распространением вызванных потенциалов авторы объясняют различиями в проводящей среде, окружающей мозг, и ее неоднородностью.
Наиболее ярким сторонником гипотезы множества генераторов доминирующей электрической активности коры человека является G. Walter, который вместе со своими сотрудниками с помощью разных методов анализа последовательно доказывал наличие множества генераторов альфа-ритма (G. Walter, 1954- Cooper, Crow, Walter, Winter, 1965- Cooper, Mundy-Castle, 1960). Такого же взгляда придерживаются Jasper (1962), М. Н. Ливанов (1962), Brazier (1958), Bekkering, Storm van Leeuwen (1957) и др. Доказательством этого представления служат исследования, проведенные с применением частотного и спектрального анализа ЭЭГ, одновременно записанной с ряда точек на поверхности головы- эти исследования показали значительное многообразие одновременно существующего спектра биопотенциалов (Walter D., et ah, 1967- О. М. Гриндель с соавт., 1968, и др.). Отведения с открытого мозга, позволяющие регистрировать активность с близко лежащих участков коры в пределах 1—3 мм, выявили дробную мозаику биоэлектрической активности даже в прилежащих точках мозга (В. Е. Майорчик, 1964), Представление о множественности относительно независимых генераторов основной электрической активности коры подтверждается также наблюдением ЭЭГ больных после трансорбитальной лоботомии и гемисферотомии (Henry, 1950- Marshal, Walker, 1950) и другими многочисленными исследованиями ЭЭГ при разных локальных поражениях мозга.
Представление о том, что ЭЭГ отражает функциональное состояние тех отделов мозга, от которых она отводится, общепризнано как экспериментаторами (Н. В. Голиков, 1956- Ю, Г. Кратин, 1962- Л. А. Новикова, 1962, и др.), так и клиническими электрофизиологами (В. С. Русинов, 1954- В. Е. Майорчик, 1964- Е. А. Жирмунская, 1963, и др.).
Вопрос о возникновении ритмической активности со строго очерченной частотой, какой является альфа-ритм, объединяющей нервные элементы на значительной протяженности коры, не может рассматриваться в отрыве от морфологического строения данных корковых структур, наличия путей, связывающих их с другими отделами мозга, от состояния этих структур и притока афферентных импульсов, что в совокупности и создает условия для возникновения или нарушения ритмики.
Одной из первых теорий возникновения ритмов ЭЭГ (в частности, альфа-ритма) была теория преформированной ритмики. Согласно этой теории, колебания потенциала ЭЭГ определяются особенностями структуры исследуемого отдела мозга. При этом ритмика ЭЭГ рассматривалась как результат суммирования быстрых разрядов многих синхронно работающих клеток (Kornmuller, 1932). Несостоятельность последнего положения была доказана в опытах Jasper (1962), показавшего сложность взаимозависимости между разрядами отдельных нейронов и записанной с помощью того же микроэлектрода медленной корковой активностью. В последние годы показано, что между разрядами одиночного нейрона и его медленной активностью существует сложная нелинейная зависимость (У. Р. Эйди, 1967).
Другая достаточно известная теория происхождения альфа-ритма была выдвинута Chang (1950): в возникновении ритмики ведущую роль играет движение возбуждения по замкнутому корково-таламическому кругу. Однако исследования ЭЭГ при лоботомиях, а также ЭЭГ больных с тотальным поражением опухолью таламуса исключают представление о ведущей роли таламо-кортикальных кругов в генерации альфа-ритма, хотя несомненна роль афферептации, проходящей в кору через таламические реле, в формировании ритмической активности.
Для вопроса о происхождении ритмов электрической активности в коре большого мозга представляет интерес предложенная Eccles (1965) теория о роли возвратных тормозных влияний па клетку по коллатералям от ее аксона. Eccles допускает возможность нескольких типов возвратных тормозных цепей, замыкающихся на нейроне на разных уровнях нервной системы.
У. Р. Эйди (1967), рассматривая суммарную ЭЭГ как отражение внутриклеточных волновых процессов в коре, отмечает, что подобных процессов, измеряемых милливольтами, нет в спинальных нейронах. Поэтому он считает, что корковые «обучающиеся нейроны» уникальны в своей внутренней организации.
Корковые нейроны прежде всего отличаются своими связями, и то, что регистрируется внутри клетки в коре большого мозга, есть отражение и межнейронных связей, как постоянно действующих, так и временного характера (В. С. Русинов, 1969).
Исследования межнейронной связи, за немногими исключениями, до последнего времени ограничивались исследованиями аксо-соматических и аксо-дендритных синапсов. Только эти синапсы принимались во внимание, когда речь шла о межнейронных взаимоотношениях. Теперь обнаружены также места в церебральном кортексе, в которых встречаются дендриты с дендритами (Д — Д), причем каждый из них принадлежит другому нейрону. Связи Д — Д существуют как между однотипными, так и между разнотипными нейронами (van der Loos, 1960). Особенно много их обнаружено в системе базальных дендритов пирамидных клеток- эти связи могут рассматриваться как субстрат межнейронной связи. Природа взаимного влияния прилегающих дендритов пока неизвестна. Способен ли действительно дендрит проводить ток действия или же в нем осуществляется только электротоническос проведение? Когда нейроны связаны электротонически, мембраны прилегающих отростков сливаются вплоть до исчезновения межклеточного пространства. Общая толщина слившихся мембран около 140 Л. В литературе последнего времени имеются данные, показывающие, что у некоторых животных имеются также аксо-соматические связи со слитием мембран вплоть до исчезновения межклеточного пространства- есть такие же связи между телами клеток и дендритами (Pappas, Bennett, 1966). Все эти данные показывают, что в настоящее время при рассмотрении вопроса о генезе электрической активности в головном мозге как отражении связей нельзя ограничиваться «классической» концепцией о взаимоотношении между нейронами в центральной нервной системе, поддерживающимися аксо-дендритными и аксо-соматическими синапсами. Градуальное изменение состояния нейрона, не обязательно сопровождающееся возникновением импульса, может влиять на активность соседних нейронов. Физиологическая роль электрического поля, влияющего на состояние окружающих, возможно, и не только окружающих нейронов, может сдвигать уровень постоянного потенциала всего ансамбля нейронов, с которого регистрируется электрическая активность. Результирующая корковая электрическая активность (ЭЭГ) зависит от уровня постоянного потенциала корковых клеток, силы и частоты входа таламической интраламинарной системы, которая в свою очередь регулируется восходящей и нисходящей системами, способствующими созданию круговых ансамблей разного набора нейронов в коре.
При анализе ЭЭГ человека мы исходим из положения, что ЭЭГ в норме отражает наиболее оптимально сбалансированную активность разных отделов головного мозга, разных функциональных систем мозга, обеспечивающую нормальную реакцию его на изменения внешней и внутренней среды в ходе рефлекторной деятельности. Согласно этому представлению, ритмика в коре больших полушарий является отражением сложных связей между нейронами, меняющихся под влиянием внешних раздражений и при изменении состояния мозга. Ритмика потенциалов, в частности альфа-ритм, представляется как отражение распространения возбуждения по цепи нейронов с возвратом в исходное состояние. При более высоком ритме колебания потенциала в цикл возбуждения включаются более дробные группы нейронов, при более медленном ритме—большие группы нейронов, объединенные единым функциональным состоянием. Определенное значение в регуляции деятельности мозга, в частности в формировании электрической активности коры, имеют медленные градуальные потенциалы большой длительности — порядка секунд и более (В. С. Русинов, 1954, 1969). Медленные потенциалы играют существенную роль в объединении в ансамбли активности дробных корковых генераторов при установлении определенного функционального состояния различных отделов мозга в ходе рефлекторной деятельности, что находит отражение в особенностях общего рисунка ЭЭГ.
Таким образом, центральная нервная система, начиная с продолговатого мозга, генерирует «спонтанную» ритмическую электрическую активность. Эта ритмика сложна, особенно в коре большого мозга. Она зависит от функциональной организации структуры и изменяется под влиянием афферентных раздражений. Помимо значения для исследований общих закономерностей деятельности высших этажей центральной нервной системы, электроэнцефалография имеет неоспоримую ценность для выяснения патологического состояния головного мозга, особенно для локализации патологического очага при органических его поражениях. Электрическая активность головного мозга может проявляться в различных формах: в форме сдвига уровня постоянного потенциала коры, ритмических колебаний потенциала, токов действия при регистрации активности отдельных нейронов, вызванных потенциалов в ответ на афферентные раздражения. Все эти формы изменений электрических потенциалов можно зарегистрировать в коре, по не все они но ряду причин, рассмотренных выше, проявляются в стандартной ЭЭГ, регистрируемой с покровов черепа.
Постоянный потенциал коры большого мозга является столь же распространенным биоэлектрическим феноменом, как и электрические колебания других параметров, а возможно, и более значительным. Постоянный потенциал коры зависит от изменений мембранного потенциала нейронов, их возбудимых и тормозных постсинаптических потенциалов, а также мембранных потенциалов глиальных клеток. Иначе говоря, постоянный потенциал коры большого мозга есть алгебраическая сумма полей потенциала разного происхождения и направления. Этот потенциал и его колебания в виде медленных длительных апериодических сдвигов не регистрируется в обычной электроэнцефалограмме при помощи усилителей переменного тока или регистрируется в сильно искаженной форме. У человека он наиболее выражен в передних областях головного мозга и его можно зарегистрировать с помощью усилителей постоянного тока и специальных сумматоров.
Так называемая спонтанная электроэнцефалограмма (ЭЭГ) есть колебания постоянного потенциала коры, вызываемые и поддерживаемые минимальным потоком афферентных раздражений разной модальности или, точнее, колебаний, происходящих на определенном уровне постоянного потенциала коры. На фоне постоянного потенциала коры и его колебаний записывается ритмическая ЭЭГ, та кривая электрической активности, которая рассматривается клинической электроэнцефалографией. Колебания потенциала в ЭЭГ представляют собой квазипериодические (основная доминирующая активность), настоящие периодические процессы (кортикальные вызванные ответы) и апериодические переменные. Это те же классы временных функций, которые рассматриваются в теории информации.
Корковые нейроны отличаются от нейронов других этажей центральной нервной системы прежде всего своими связями- электроэнцефалограмма, хотя и не в полной форме, отражает электрический ингредиент процессов коммуникации, осуществляемой между нейронами в коре большого мозга, зависящих от функционального состояния структур, с которых она регистрируется.
