Вызванные поотенциалы и потенциалы, связанные с событиями

Сенсорные стимулы вызывают изменения в суммарной электрической активности мозга, которые выглядят как пocледовательность из нескольких позитивных и негвтивных волн, которая длится в течение 0,5-1 с после стимула. Этот ответ получил название вызванного потенциала (evoked pоtential). Его нелегко выделить из фоновой ЭЭГ. В 195I г. Дж. Даусон (G. Dаwson) разработал технику когерентного накопления или усреднения ответов. Использовалась процедура синхронизации ЭЭГ относительно момента предъявле­ния стимула который поэтому многократно повторялся. Сначала использовалась суперпозиция — наложение, нескольких реакций (участков ЭЭГ, следующих за стимулом). Обычно это выполнялось на фотопленке, чтo позволяло выявить наиболее устойчивые час­ти реакции на стимул. Затем процедура суперпозиции была заме­нена на суммацию участков ЭЭГ и получение усредненного вызванного потенциала (average evoked рotеntial) (Шагас Ч., 1975; Рутман Э.М., 1975).

Эффективность этой процедуры была наглядно продемонстрирована при выявлении звуковых стволовых вызванных потенциалов (ВП). Из-за их очень малой амплитуды требуется просуммировать и усреднить несколько тысяч единичных ответов. На рис. 2 пpeдставлены основные группы компонентов звукового усреднен­ного ВП. По латентному периоду компоненты делятся на три груп­пы: потенциалы ствола мозга (с латенцией до 10-12 мс), средне-латентные (до 50 мс) и длиннолатентные (болеe 100 мс) потенциалы. Звуковые стволовые потенциалы состоят из 7 отклонений. Волна I зависит oт реакции волокон слухового нерва улитки. Волна II с латенцией 3,8 мс возникает в том случае, если импульсы слухового нерва достигают ствола мозга. Волна III отражает реакцию верхней оливы на уровне моста. Волна IV с латенцией около 4,5 мс связана с активностью латеральных лемнисков. Волна V имеет латенцию око­ло 5,2 мc и отражает активность нижнего двухолмия. Фазы VI— VII — распространение сигналов по таламо-кортикальной радиации, они совпадают с медленной негативностью, предшествующей корковому ответу. Ранние компоненты нечувствительны к сну, наркозу. Они вызываются звуковыми тонами частотой 2000-4000 Гц. Звуки ни частоте, ниже 2000 Гц вызывают только волну V.

Cтволовые потенциалы — высокочувствительный инструмент для тестирования слуховой функции. Они позволяют определить сохранность слухового анализатора на периферическом и стволовом уровнях. Особенно это важно при обследовании слуха у детей, в том числе у новорожденных, когда словесные реакции не могут быть использованы. Значение этого теста возрастает в связи с тем фактором, что даже незначительная потеря слуха в раннем детстве может привести к существенной задержке развития речи. Стволо­вые звуковые потенциалы применяют также в клинике для выяв­ления опухолей, определения коматозного состояния, обследования пациентов с демиелинизацией волокон. Если стволовые по­тенциалы полностью oтсутствуют, можно говорить о смерти мозга.

Рис. 2. Основные компоненты звукового ВП, зарегистрированного между вертексом

и правым сосцевидным отростком в ответ на щелчок (60 дБ над

уровнем порога), предъявляемый на правое ухо с частотой 1 Гц.

а — стволовые, б — среднелатентные, в — длиннолатентные компоненты; Н — негативные, П — позитивные компоненты. Для трех групп компонентов времен­ные шкалы и калибровка различны. Начало временных шкал соответствует мо­менту подачи стимула. Каждая кривая получена в результате усреднения 1024 ин­дивидуальных ответов (по R. Naatanen, 1992).

Среднелатентные и длиннолатентные компоненты отражают функционирование кортикального уровня слухового анализатора. Среднелатентные компоненты (Н₀, П₀, Н_а, П_а, H_б) регистриру­ются от первичной слуховой коры, имеют малую амплитуду, бо­лее лабильны, чем стволовые потенциалы, чувствительны к сну, наркозу. Максимальная их амплитуда вызывается звуковыми то­нами речевого диапазона. Длиннолатентные ответы включают ком­понент Н, с латенцией пика в100 мс. Потенциал характеризуется полимодальностью и чувствительностью к активации, кроме того, на него может накладываться другой потенциал — негативность рассогласования (HP), которую связывают с процессами предвнимания (см. главу «Внимание»). Компонент П₂ имеет специфи­ческие и неспецифические составляющие. Волна Н₂ также вклю­чает несколько компонентов.

Позже техника усреднения ВП была применена для выявления потенциалов, связанных с движением. Участки ЭЭГ усреднялись от­носительно не стимула, а начала движения. Это дало возможность исследовать моторные потенциалы и потенциалы готовности, пред­шествующие движению. Для обозначения всех групп потенциалов был введен общий для них термин — «потенциалы, связанные с событиями» (ПСС), объединяющий ВП, моторный потенциал и др.

На основе многоканальной регистрации ЭЭГ был разработан метод картирования биотоков мозга (brain mapping). Картирование дает представление о пространственном распределении по коре любого выбранного показателя электрической активности мозга. Это может быть ВП, один из его компонентов или альфа-ритм (или другие частотные полосы спектра ЭЭГ). Значения мощности выбранного показателя подразделяются на уровни. В одном вари­анте каждому уровню приписывается свой цвет и изменение локуса активности выглядит как перемещение определенного цвета по карте. В другом варианте значения показателя, принадлежащие од­ному уровню, соединяются изолиниями, как на топографических картах, на которых можно видеть возвышенности и впадины. Рас­сматриваются карты, полученные в разное время и в разных усло­виях. Этот метод позволяет выявить фокусы активности мозга. Ис­пользуется процедура вычитания одной карты потенциалов из дру­гой, что позволяет связать паттерн ЭЭГ-активности с той или другой когнитивной операцией. На рис. 3 приведен пример карти­рования мозговой активности по основным ритмам ЭЭГ для двух состояний взрослого испытуемого (открытые и закрытые глаза). Измерялась мощность распределения для каждого ритма (дельта, тета, альфа, бета-1, бета-2) в процентах. Показаны карты макси­мального различия и сходства для сравниваемых двух состояний. Открытые глаза, создающие условия для перцептивной активности, вызывают усиление бета-2 с фокусом в теменно-затылочной облас­ти правого полушария, отвечающего за конкретно-образное мыш­ление и сенсорно-пространственные преобразования. Второй фокус активности бета-2 локализован в левой фронтальной коре, функции которой связаны с управлением выполняемой деятельности и рабо­чей памятью. Одновременно открытые глаза усиливают мощность бета-1 в теменно-центральных отведениях обоих полушарий.

Рис. 3. Распределение локусов активации мозга в спокойном состоянии субъекта при открытых и закрытых глазах, выявляемое методом картирования по основным ритмам ЭЭГ для 16-канальной регистрации.

а – максимальное различие, б – максимальное сходство карт биотоков мозга для закрытых и открытых глаз. Оба состояния не отличаются по альфа-ритму в затылочно-височной области правого полушария и по бета-2-ритму в теменно-затылочной области левого полушария. Различия и сходства получены для уровня вероятности 95-100% на программе BRAINSYS.

Рис. 4. Локализация дипольных источников для компонентов вызванных потенциалов П180 (в области таламуса) и ПЗЗО (в области поясной извилины) на предъявление схематического изображения лица с отри­цательной эмоцией. Данные по локализации компонентов ВП и их сов­мещение с томографическими срезами мозга получены на программе BrainLoc.

Чтобы сжать информацию, содержащуюся в карте с изолини­ями, делают следующий шаг: рассчитывают некоторый источник тока — диполь, эквивалентный реальному источнику тока в мозге. Определяют его локализацию, ориентацию, длину. Таким дипо­лем обычно можно объяснить до 80—90% потенциалов, зарегист­рированных от поверхности черепа. Процедура определения дипо­ля включает построение новой карты распределения потенциа­лов, исходя из характеристик первично рассчитанного диполя. Затем рассчитанную карту сравнивают с исходной картой потенциалов. При их различии включают процедуру итерации, которая вносит коррективы в локализацию и характеристики рассчитанного ди­поля. В результате расчетная карта потенциалов максимально приближается к исходной. При расчете диполя учитывают различия распространения тока в объемном проводнике для разных типов ткани, находящейся под электродом (кожа, кости черепа, мозго­вые оболочки, структуры мозга).

На рис. 4 представлены результаты расчетов дипольных источ­ников для двух компонентов ВП. Наложение данных об источниках ЭЭГ-активности на структурные томограммы мозга конкретного человека, полученные методом структурной магнитно-резонанс­ной томографии, дает наглядное представление о распределении локусов активации по структурам мозга. Соединение двух методов: структурной магнитно-резонансной томографии и дипольной трех­мерной локализации источников электрической активности моз­га — позволяет получать результаты, близкие тем, которые обыч­но выявляются только методами функциональной томографии (см. раздел «Томографические методы исследования мозга»).

МАГНИТОЭНЦЕФАЛОГРАФИЯ

Значительные успехи в локализации источников активности мозга, достигнутые в последнее десятилетие, связаны с развити­ем магнитоэнцефалографии (Холодов Ю.А. и др., 1987; Naatanen R., 1992). Первые электромагнитные поля (ЭМП) нервной систе­мы были зарегистрированы у лягушки. Они были записаны с рас­стояния 12 мм при возбуждении седалищного нерва. Биологичес­кие поля мозга и различных органов очень малы. Магнитное поле человеческого сердца составляет около 1 миллионной доли зем­ного магнитного поля, а человеческого тела — в 100 раз слабее. Магнитное поле сердца человека впервые было записано в 1963 г. Первые же измерения ЭМП мозга человека были сделаны Д. Коеном (Koen D.) из Массачусетского технологического института в 1968 г. Магнитным методом он зарегистрировал спонтанный альфа-ритм у здоровых испытуемых и изменение активности мозга у эпилеп­тиков. Первые вызванные потенциалы с помощью магнитометров были получены несколько лет спустя.

Сначала для регистрации ЭМП были использованы индукци­онные катушки с большим количеством витков. С увеличением их числа чувствительность системы возрастает. Число витков в первых таких катушках достигало миллиона. Однако чувствительность их оставалась невысокой и они не регистрировали постоянное ЭМП.

Создание новых магнитометров связано с открытием Б. Джозефсона, за которое он получил Нобелевскую премию. Работая в области криогенной технологии со сверхпроводящими материала­ми, он обнаружил, что между двумя сверхпроводниками, разделенными диэлектриком, возникает ток, если они находятся вбли­зи ЭМП. Эта система реагировала на переменные и постоянные ЭМП. На основе открытия Б. Джозефсона были созданы СКВИДы — сверхпроводниковые квантомеханические интерференционные датчи­ки. Магнитометры, работающие на базе СКВИДа, очень дороги, их необходимо регулярно заполнять жидким гелием в качестве ди­электрика. Дальнейшее совершенствование магнитометров связа­но с разработкой квантовых магнитометров с оптической накачкой (МОН). Созданы МОНы, в которых вместо жидкого гелия использу­ются пары щелочного металла цезия. Это более дешевые системы, не требующие криогенной техники. В них световой сигнал поступает по световодам от общего источника и достигает фотодетекторов. Ко­лебания ЭМП мозга человека модулируют сигнал на фотодетекто­рах. По его колебаниям судят об электромагнитных волнах мозга. Каждый магнитометр имеет множество датчиков, что позволяет по­лучать пространственную картину распределения ЭМП. Современ­ные магнитометры (СКВИДы и др.) обладают высокой временной и пространственной разрешающей способностью (до 1 мм и 1 мс).

Магнитоэнцефалограмма (МЭГ) по сравнению с ЭЭГ облада­ет рядом преимуществ. Прежде всего это связано с бесконтактным методом регистрации. МЭГ не испытывает также искажений от кожи, подкожной жировой клетчатки, костей черепа, твердой мозговой оболочки, крови и др., так как магнитная проницае­мость для воздуха и для тканей примерно одинакова. В МЭГ отра­жаются только источники активности, которые расположены тан­генциально (параллельно черепу), так как МЭГ не реагирует на радиально ориентированные источники, т.е. расположенные пер­пендикулярно поверхности. Благодаря этим свойствам МЭГ по­зволяет определять локализацию только корковых диполей, тогда как в ЭЭГ суммируются сигналы от всех источников независимо от их ориентации, что затрудняет их разделение. МЭГ не требует индифферентного электрода и снимает проблему выбора места для реально неактивного отведения. Для МЭГ, так же как и для ЭЭГ, существует проблема увеличения соотношения «сигнал-шум», по­этому усреднение ответов также необходимо. Из-за различной чув­ствительности ЭЭГ и МЭГ к источникам активности особенно по­лезно комбинированное их использование.