Гіпотези про походження електричної активності - клінічна електроенцефалографія

Гіпотези про походження електричної АКТИВНОСТІ ТА ЇЇ РИТМІВ У ГОЛОВНОМУ МОЗКУ ЛЮДИНИ
Перед електрофізіології неминуче постає питання: що таке електроенцефалограма? Яке походження електричної активності центральної нервової системи? Яке походження ритмів цієї активності? Які можливості аналізу ЕЕГ?
При розгляді цих питань необхідно розрізняти походження електричної активності головного мозку і походження її ритміки.
Жодна з існуючих теорій виникнення потенціалів і їх ритміки в головному мозку не є ще загальноприйнятою і експериментально доведеною. В основному теорії виникнення потенціалів розглядають їх виникнення в клітинах, їх залежність від синаптичної активності, зміни іонного складу середовища і проникності мембрани. Але в сучасній нейрофізіології не існує єдиної думки про природу процесів, що визначають зміни іонної проникності мембрани при порушенні. Одні автори вважають, що зміна мембранного потенціалу, що викликається подразником, призводить до зміщення в мембрані заряджених частинок (наприклад, іонів кальцію), що обумовлює розкриття «пір» ( «каналів»), за якими крізь мембрану починають переміщатися іони натрію, калію, кальцію . Інші вважають, що деполяризація насамперед активує певні фізико-хімічні реакції в мембрані і протоплазмі, а вже це в свою чергу змінює швидкість перенесення через мембрану тих чи інших іонів. Найбільш широке поширення набула модель, запропонована Hodgkin і Huxley (Hodgkin і Huxley, 1952- Hodgkin, 1964), що описує рух калію назовні, а натрію - всередину нерва, коли нервовий імпульс у формі електричного потенціалу рухається уздовж волокна. Іонні потоки є результат зміни проникності мембрани нервового волокна до іонів натрію і калію.
Ця модель описує лише виникнення нервового імпульсу в аксоні нервової клітини. Вона не може бути застосована ні до тіла клітини і її дендритам, ні до будь-якого комплексу нейронів або нервової мережі (Brazier, 1967). Дискретний характер передачі імпульсів є властивість тільки нервового волокна, а на обох його кінцях, т. Е. На вході і виході, електричні процеси є градуально, т. Е. Аналоговими за формою, і, мабуть, можуть бути представлені математично як безперервна функція. Та й чи немає тривалих градуальних процесів в самому нервовому волокні?
Електрична активність головного мозку може виявлятися і реєструватися з оголеного мозку в різних формах: у вигляді зсуву рівня постійного потенціалу, коли реєструються повільні тривалі потенціали- в формі ритмічних колебаній- в формі струмів дії, при реєстрації активності окремих нейронов- в формі викликаних потенціалів у відповідь на різні аферентні роздратування. Всі форми або види електричної активності головного мозку проявляються як у тварин, так і у людини.
Як побачимо нижче, не всі ці види електричної активності головного мозку реєструються в стандартній ЕЕГ, але без їх розгляду важко зрозуміти, що являє собою в дійсності електроенцефалограма людини.
Наявність повільних тривалих потенціалів в корі великого мозку показано поруч авторів. Амплітуда і спрямування цих потенціалів залежать від різних методичних прийомів, застосованих при дослідженні, але сам факт наявності довго тривають повільних потенціалів в корі не викликає сумнівів.
Тривалі електричні потенціали в корі великого мозку відомі в літературі під багатьма назвами: повільні тривалі потенціали, апериодические повільні коливання, зміни рівня постійного потенціалу, сверхмедленного коливання, гладкі потенціали і т. Д ними позначаються біоелектричні процеси, зазвичай більш тривалі, ніж дельта- хвилі ЕЕГ (понад 1 секунди). Хоча явища такого роду були відомі давно, навіть раніше, ніж комплекс потенціалів дії і ЕЕГ з її ритмічними коливаннями, визнання у світовій літературі вони отримали порівняно недавно, в останні 15-20 років.
Встановлено наявність фонового градієнта постійного потенціалу (повільних потенціалів) в корі, але думки щодо походження цього градієнта рівня постійного потенціалу (УПП) розходяться. Є точка зору Gerard і Libet (1941), що ці градієнти виникають за рахунок неоднакової поляризованности різних частин нейронів.
Зміни УПП можна викликати прямим впливом на кору мозку - електричною стимуляцією, тиском, аплікацією різних речовин. Зміни рівня постійного потенціалу кори великого мозку відбуваються також при замиканні тимчасової зв`язку (Т. Б. Швець, 1960). Повільні тривалі потенціали кори, що реєструються в фазу генералізації на будь-які застосовувані подразники, орієнтовна реакція на які була заздалегідь угашена, у міру зміцнення тимчасової зв`язку з`являються в корі лише на умовний подразник. Вони не з`являються у відповідь на роздратування, на які вироблена диференціювання. Зрушення рівня постійного потенціалу кори при замиканні тимчасової зв`язку відображають активний стан реєстрованих пунктів кори: на їх тлі відбуваються умовнорефлекторні відповіді.
Численні дані вказують, що постійні потенціали в корі великого мозку є настільки ж поширеним біоелектричним феноменом, як і електричні коливання інших параметрів, а можливо, і більш значним.
Зрушення рівня постійного потенціалу мають складне походження і є результатом алгебраїчної сумації ряду полів постійного потенціалу з протилежними знаками. Що ж є джерелом цих полів - деполяризація або гиперполяризация? У яких шарах кори вони мають місце? Ці питання залишаються поки відкритими. Серед гіпотез про походження тривалих потенціалів в корі найбільшої уваги заслуговує поляризационная гіпотеза (Libet, Gerard, 1941), згідно з якою зрушення рівня постійного потенціалу виникають за рахунок зміни ступеня поляризації мембран клітин кори. Ряд авторів вважають, що тривалі електричні потенціали створюються суммацией постсинаптических потенціалів. Висловлюються припущення, що синаптичні потенціали неоднорідні - є більш швидкі і більш повільні потенціали. Суммация останніх і створить постійний потенціал. Не виключена також можливість, що тривалі потенціали кори аналогічні електротонічних спинномозковим потенціалом, т. Е. Відбивають тривалу пресинаптическую деполяризацию (Eccles et al., 1962).
Є дані, що свідчать про те, що постійний потенціал створюється в корі великого мозку за рахунок мембранного потенціалу не тільки нейронів, а й глії. Нейрони і глия розглядаються як спільно працюють функціональні одиниці, і висловлюється припущення, що гліальні клітини, можливо, відповідальні за повільні хвилі в корі.
Американські автори Goldring і O&rsquo-Leary (1957) в серії робіт досліджували питання, пов`язані з тривалими потенціалами на поверхні кори великого мозку тварин. Вони вважають, що повільний потенціал, з`являється в корі, зокрема при низькій частоті роздратування середньої лінії таламуса, є результат сумації ефектів післядії, що залишається в корі від кожного з коливань, що виникають на роздратування. При подразненні ж з високою частотою повільний потенціал є, на їхню думку, результатом сумації не тільки ефектів післядії, а й самих викликаних відповідей. Весь результат розглядається як стійкий стан активності дендритів.
У плані загальної фізіології нервової системи і навчань про порушення точка зору американських авторів на тривалі потенціали по суті близька до раніше висловлених становищем Adrian (1934) про те, що всі коливання потенціалу в корі великого мозку утворюються з відносно коротких пульсацій в окремих нейронах і що повільні зміни потенціалу є ефект сумації цих коротких пульсацій.
З нашої точки зору (В. С. Русинів, 1969), повільні тривалі потенціали не є продуктами злиття і збіги окремих хвиль збудження, а є відображенням місцевої тривалої активності. Повільні зрушення постійного потенціалу, що реєструються в корі великого мозку, відображають стаціонарне збудження. Вони, подібно швидким коливанням, є електричним інгредієнтом збудження, виступаючим в іншій своїй формі у вигляді повільного стаціонарного процесу. Це погляд передбачає також, що не тільки струм дії, по і повільний тривалий потенціал відображає активну фізіологічний стан. Тривалі потенціали чітко виявляються при утворенні умовного рефлексу у людини на комплексний подразник (Р. Н. Лур`є, В. С. Русинів, 1955). Тривалі потенціали в ЕЕГ людини описані Walter (1964) і названі ним хвилями очікування.
Передбачається, що зміни фонової ритміки в ЕЕГ є коливання постійного потенціалу кори (Jung, 1958 Caspers, 1961), і тому розмежування в якості самостійних процесів змін фонової ритміки і зсуву постійного потенціалу щодо і умовно. Якою мірою повільні потенціали залежать від дендритних активності - це питання є дискусійним, вимагає прямих досвідчених даних, як і думка про те, що джерелом тривалих потенціалів є тільки суммация збудливих постсинаптичних потенціалів. У нашій лабораторії в дослідах з внутрішньоклітинної реєстрацією потенціалів рецепторів розтягування ракоподібних, які не мають збудливих синапсів, був показаний перехід від окремих потенціалів дії до тривалої стійкої деполяризації. З цього випливало, що, не заперечуючи можливу роль постсинаптических потенціалів в тривалій деполяризації коркових нейронів, перехід від окремих потенціалів дії до групових розрядів і далі до стійкої деполяризації можна пояснити зміною мембранних властивостей самих нейронів (В. Л. Езрохі, 1967).
Постійний потенціал кори великого мозку і його коливання у вигляді повільних тривалих апериодических зрушень рівня постійного потенціалу не реєструється в звичайній електроенцефалограмі за допомогою підсилювачів змінного струму або реєструється в сильно зміненій формі. Його легко змішати з шкірно-гальванічним потенціалом. У людини він реєструється переважно в передніх областях головного мозку-при цьому необхідні підсилювачі постійного струму і спеціальні суматори.
ЕЕГ відображає перш за все зв`язок між нейронами. Якщо не було б зв`язку між нейронами і групами нейронів, то з поверхні кори записувалася б рівна лінія. Коливання потенціалів величезної кількості не пов`язаних між собою окремих елементів, та ще не збігаються за фазами своєї активності, були б усереднені і недостатні для генерації поля, що спостерігається на поверхні кори великого мозку.
Постійні потенціали і їх коливання не тільки відображають зміни ступеня поляризації мембран, а й самі активно змінюють діяльність клітинних елементів центральної нервової системи. Інакше кажучи, повільні тривалі потенціали є одним з видів функціональної міжнейронної взаємозв`язку в корі великого мозку, особливо при встановленні тимчасової зв`язку, що і було показано в дослідах на тваринах з локальної поляризацією кори слабким постійним струмом (В. С. Русинів, 1951, 1953, та ін.). Строго кажучи, так звана фонова ЕЕГ є коливання постійного потенціалу кори, викликані і підтримувані мінімальним потоком аферентних подразнень різної модальності або, точніше, коливань, що відбуваються на певному рівні постійного потенціалу кори. Як відомо, коливання потенціалу ЕЕГ є квазіперіодичні процеси (основна домінуюча активність), справжні періодичні процеси (кортикальні викликані відповіді) і апериодические змінні. Це ті ж класи тимчасових функцій, що розглядаються в теорії інформації. Ось чому серед багатьох теорій сучасного вчення про інформацію найбільш придатною для дослідження ЕЕГ виявилася теорія авто- і кросскорреляціонной функції.
ЕЕГ відображає перш за все активність поверхневих шарів кори великого мозку. Розряди нейронів і потоки імпульсів у вигляді потенціалів дії тривалістю менше 1 мс не отримують відображення в ЕЕГ через структурної організації кори, її поверхневих шарів з багатющим сплетінням дендритів, густою мережею дрібних кровоносних судин, а на самій поверхні - м`якихоболонки, що має потужний шар порівняно великих судин. Все це є побічною замикання з малим опором (шунт) для потенціалів глибших слів, що надає несприятливий вплив на виведення на поверхню мозку протікають потенціалів (Д. С. Воронцов, I960). Цей шунт включає значні ємності мембран дендритів і стінок кровоносних судин.
В останні роки широкий розвиток отримала теорія дендритного походження потенціалів, що реєструються в ЕЕГ (Clare, Bishop, 1955 Д. С. Воронцов, I960- Purpura, 1963, до ін.). Elul (1962) досліджував генерацію повільних змін коркових потенціалів в мікроструктурах мозку із застосуванням мікроелектродної техніки. Він виявив, що повільна активність проявляється локально в межах відстані між мікроелектродами в 30 мк і прийшов до висновку про наявність локальної повільної активності, властивої одиночним нейронам, які представляють кожен з себе диполь. При відведенні в таких же умовах від білої речовини не виявляється відмінності між локальними відведеннями в повільних потенціалах. Останнє переконало Elul в правильності теорії дендритного походження. Але останнім часом виявлені повільні потенціали в тих структурах, в яких немає дендритів.
Питання про створення основного ритму ЕЕГ людини ще не вирішене. В літературі виявляються дві основні точки зору: одні дослідники вважають, що існує єдиний генератор альфа-активності, що задає і регулює її частоту, інші визнають множинність генераторів альфа-ритму у великих півкулях у людини.
Точку зору про єдиний генераторі підтримують Garoutte, Aircf (1958), Remond (1965), Ю. В. Дубікайтіс і В. В. Дубікайтіс (1962) і ін. Ці автори вважають, що провідним у виникненні та формуванні електричної активності кори є генератор , локалізований в підкіркових або стовбурових структурах поблизу середньої лінії. Подання про серединному генераторі основного ритму биопотенциалов кори виходить з теорії єдиного джерела потенціалу - диполя, що впливає на різні точки поверхні гомогенної середовища. Однак у випадках недорозвинення мозолистого тіла, якому прихильники теорії серединного генератора надають великого значення як системі, яка проводить його впливу, не порушується синхронність домінуючою ритміки півкуль (Пенфилд і Джаспер, 1958). А. Б. Коган (1954) на підставі досліджень, проведених на мертвому мозку, приходить до висновку, що теорія диполя навряд чи застосовна до електроенцефалографії. Однак пізніше Geisler, Gerstein (1961) прийшли до висновку, що модель диполя найбільш адекватна для пояснення походження ритміки в корі мозку. Виявилися в ході дослідження істотні розбіжності між теоретичним положенням про диполі і обчисленої на моделі математичною формулою і мають місце в живому мозку фактичним поширенням викликаних потенціалів автори пояснюють відмінностями в провідному середовищі, навколишнього мозок, і її неоднорідністю.
Найбільш яскравим прихильником гіпотези безлічі генераторів домінуючою електричної активності кори людини є G. Walter, який разом зі своїми співробітниками за допомогою різних методів аналізу послідовно доводив наявність безлічі генераторів альфа-ритму (G. Walter, 1954- Cooper, Crow, Walter, Winter, 1965 - Cooper, Mundy-Castle, 1960). Такого ж погляду дотримуються Jasper (1962), М. Н. Ліванов (1962), Brazier (1958), Bekkering, Storm van Leeuwen (1957) та ін. Доказом цього подання служать дослідження, проведені з застосуванням частотного і спектрального аналізу ЕЕГ, одночасно записаної з ряду точок на поверхні голови-ці дослідження показали значне різноманіття одночасно існуючого спектру биопотенциалов (Walter D., et ah, 1967- О. М. Гріндель з співавт., 1968, і ін.). Відведення з відкритого мозку, що дозволяють реєструвати активність з близько лежачі ділянок кори в межах 1-3 мм, виявили дробову мозаїку біоелектричної активності навіть у прилеглих точках мозку (В. Е. Майорчик, 1964), Подання про множинність щодо незалежних генераторів основної електричної активності кори підтверджується також наглядом ЕЕГ хворих після трансорбітальний лоботомии і гемісферотоміі (Henry, 1950 Marshal, Walker, 1950) і іншими численними дослідженнями ЕЕГ при різних локальних ураженнях мозку.
Уявлення про те, що ЕЕГ відображає функціональний стан тих відділів мозку, від яких вона відводиться, загальновизнано як експериментаторами (Н. В. Голіков, 1956- Ю, Г. Кратин, 1962- Л. А. Новикова, 1962, і ін.) , так і клінічними електрофізіології (В. С. Русинів, 1954- В. Е. Майорчик, 1964- Е. А. Жирмунская, 1963, і ін.).
Питання про виникнення ритмічної активності зі строго окресленої частотою, який є альфа-ритм, що об`єднує нервові елементи на значній протяжності кори, не може розглядатися у відриві від морфологічної будови даних коркових структур, наявності шляхів, що пов`язують їх з іншими відділами мозку, від стану цих структур і припливу аферентних імпульсів, що в сукупності і створює умови для виникнення або порушення ритміки.
Однією з перших теорій виникнення ритмів ЕЕГ (зокрема, альфа-ритму) була теорія Преформовані ритміки. Відповідно до цієї теорії, коливання потенціалу ЕЕГ визначаються особливостями структури досліджуваного відділу мозку. При цьому ритміка ЕЕГ розглядалася як результат підсумовування швидких розрядів багатьох синхронно працюючих клітин (Kornmuller, 1932). Неспроможність останнього положення була доведена в дослідах Jasper (1962), який показав складність взаємозалежності між розрядами окремих нейронів і записаної за допомогою того ж мікроелектрода повільної корковою активністю. В останні роки показано, що між розрядами одиночного нейрона і його повільної активністю існує складна нелінійна залежність (У. Р. Ейді, 1967).
Інша досить відома теорія походження альфа-ритму була висунута Chang (1950): у виникненні ритміки провідну роль відіграє рух збудження по замкнутому корково-таламической колі. Однак дослідження ЕЕГ при лоботомія, а також ЕЕГ хворих з тотальним ураженням пухлиною таламуса виключають подання про провідну роль таламо-кортикальних кіл в генерації альфа-ритму, хоча безсумнівна роль афферептаціі, що проходить в кору через таламические реле, в формуванні ритмічної активності.
Для питання про походження ритмів електричної активності в корі великого мозку становить інтерес запропонована Eccles (1965) теорія про роль зворотних гальмівних впливів па клітку по коллатералям від її аксона. Eccles допускає можливість декількох типів зворотних гальмівних ланцюгів, що замикаються на нейроні на різних рівнях нервової системи.
У. Р. Ейді (1967), розглядаючи сумарну ЕЕГ як відображення внутрішньоклітинних хвильових процесів в корі, зазначає, що подібних процесів, вимірюваних мілівольтах, немає в спінальних нейронах. Тому він вважає, що коркові «навчаються нейрони» унікальні у своїй внутрішній організації.
Коркові нейрони насамперед відрізняються своїми зв`язками, і те, що реєструється всередині клітини в корі великого мозку, є відображенням і міжнейронних зв`язків, як постійно діючих, так і тимчасового характеру (В. С. Русинів, 1969).
Дослідження міжнейронного зв`язку, за небагатьма винятками, до останнього часу обмежувалися дослідженнями аксо-соматичних і аксо-дендритних синапсів. Тільки ці синапси бралися до уваги, коли мова йшла про міжнейронних взаєминах. Тепер виявлені також місця в церебральному кортексе, в яких зустрічаються дендрити з дендритами (Д - Д), причому кожен з них належить іншому нейрону. Зв`язки Д - Д існують як між однотипними, так і між різнотипними нейронами (van der Loos, 1960). Особливо багато їх виявлено в системі базальних дендритів пірамідних клітин ці зв`язки можуть розглядатися як субстрат міжнейронного зв`язку. Природа взаємовпливу прилеглих дендритів поки невідома. Чи здатний дійсно дендрит проводити струм дії або ж в ньому здійснюється тільки електротоніческос проведення? Коли нейрони пов`язані електротоніческі, мембрани прилеглих відростків зливаються аж до зникнення міжклітинної простору. Загальна товщина злилися мембран близько 140 Л. В літературі останнього часу є дані, що показують, що у деяких тварин є також аксо-соматичні зв`язку зі злити мембран аж до зникнення міжклітинної простору-є такі ж зв`язки між тілами клітин і дендритами (Pappas, Bennett, 1966). Всі ці дані показують, що в даний час при розгляді питання про походження електричної активності в головному мозку як відображенні зв`язків не можна обмежуватися «класичної» концепцією про взаємовідносини між нейронами в центральній нервовій системі, що підтримує аксо-дендритними і аксо-соматичними синапсами. Градуально зміна стану нейрона, не обов`язково супроводжується виникненням імпульсу, може впливати на активність сусідніх нейронів. Фізіологічна роль електричного поля, що впливає на стан оточуючих, можливо, і не тільки оточуючих нейронів, може зрушувати рівень постійного потенціалу всього ансамблю нейронів, з якого реєструється електрична активність. Результуюча корковая електрична активність (ЕЕГ) залежить від рівня постійного потенціалу кірковихклітин, сили і частоти входу таламической інтраламінарние системи, яка в свою чергу регулюється висхідній і низхідній системами, що сприяють створенню кругових ансамблів різного набору нейронів в корі.
При аналізі ЕЕГ людини ми виходимо з положення, що ЕЕГ в нормі відображає найбільш оптимально збалансовану активність різних відділів головного мозку, різних функціональних систем мозку, що забезпечує нормальну реакцію його на зміни зовнішнього і внутрішнього середовища в ході рефлекторної діяльності. Згідно з цим поданням, ритміка в корі великих півкуль є відображенням складних зв`язків між нейронами, мінливих під впливом зовнішніх подразнень і при зміні стану мозку. Ритміка потенціалів, зокрема альфа-ритм, представляється як відображення поширення збудження по ланцюгу нейронів з поверненням в початковий стан. При більш високому ритмі коливання потенціалу в цикл збудження включаються більш дробові групи нейронів, при більш повільному ритмі-великі групи нейронів, об`єднані єдиним функціональним станом. Певне значення в регуляції діяльності мозку, зокрема у формуванні електричної активності кори, мають повільні градуально потенціали великої тривалості - близько секунд і більше (В. С. Русинів, 1954, 1969). Повільні потенціали грають істотну роль в об`єднанні в ансамблі активності дрібних коркових генераторів при встановленні певного функціонального стану різних відділів мозку в ході рефлекторної діяльності, що знаходить відображення в особливостях загального малюнка ЕЕГ.

Таким чином, центральна нервова система, починаючи з довгастого мозку, генерує «спонтанну» ритмічну електричну активність. Ця ритміка складна, особливо в корі великого мозку. Вона залежить від функціональної організації структури і змінюється під впливом аферентних подразнень. Крім значення для досліджень загальних закономірностей діяльності вищих поверхів центральної нервової системи, електроенцефалографія має незаперечну цінність для з`ясування патологічного стану головного мозку, особливо для локалізації патологічного вогнища при органічних його поразках. Електрична активність головного мозку може виявлятися в різних формах: у формі зсуву рівня постійного потенціалу кори, ритмічних коливань потенціалу, струмів дії при реєстрації активності окремих нейронів, викликаних потенціалів у відповідь на аферентні роздратування. Всі ці форми змін електричних потенціалів можна зареєструвати в корі, по не всі вони але ряду причин, розглянутих вище, проявляються в стандартній ЕЕГ, зареєстрованої з покривів черепа.
Постійний потенціал кори великого мозку є настільки ж поширеним біоелектричним феноменом, як і електричні коливання інших параметрів, а можливо, і більш значним. Постійний потенціал кори залежить від змін мембранного потенціалу нейронів, їх збудливих і гальмівних постсинаптичних потенціалів, а також мембранних потенціалів гліальних клітин. Інакше кажучи, постійний потенціал кори великого мозку є алгебраїчна сума полів потенціалу різного походження та напрямки. Цей потенціал і його коливання у вигляді повільних тривалих апериодических зрушень не реєструється в звичайній електроенцефалограмі за допомогою підсилювачів змінного струму або реєструється в сильно зміненій формі. У людини він найбільш виражений в передніх областях головного мозку і його можна зареєструвати за допомогою підсилювачів постійного струму і спеціальних сумматоров.
Так звана спонтанна електроенцефалограма (ЕЕГ) є коливання постійного потенціалу кори, викликані і підтримувані мінімальним потоком аферентних подразнень різної модальності або, точніше, коливань, що відбуваються на певному рівні постійного потенціалу кори. На тлі постійного потенціалу кори і його коливань записується ритмічна ЕЕГ, та крива електричної активності, яка розглядається клінічної електроенцефалографії. Коливання потенціалу в ЕЕГ є квазіперіодичні (основна домінуюча активність), справжні періодичні процеси (кортикальні викликані відповіді) і апериодические змінні. Це ті ж класи тимчасових функцій, які розглядаються в теорії інформації.
Коркові нейрони відрізняються від нейронів інших поверхів центральної нервової системи насамперед своїми связямі- електроенцефалограма, хоча і не в повній формі, відображає електричний інгредієнт процесів комунікації, що здійснюється між нейронами в корі великого мозку, що залежать від функціонального стану структур, з яких вона реєструється.