Нейрокибернетические методы

Т. В. Алейникова, В. Н. Думбай,

Г. А. Кураев, Г. Л. Фельдман

ФИЗИОЛОГИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Учебное пособие Издание второе, дополненное и исправленное

Научный редактор

доктор биологических наук, профессор

Г. А. Кураев

Рекомендовано Комитетом по высшей школе Миннауки

России в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению

«Биология», специальности ^Физиология*

Ростов-на-Дону

«Феникс»

Алейникова Т. В. и др. А 45 Физиология центральной нервной системы: Учеб. пособие/Т. В. Алейникова, В. Н. Думбай, Г. А. Ку- раев, |Г. Л. Фельдман] -/тт- rti-"""-

Е991.7 А 45

Рецензенты:

доктор биологических наук К. Е. Бугаев,

доктор медицинских наук Я. А. Хананашвили,

доктор биологических наук О. Г. Чораян

_P«v,_u, ^. „.. __.. Ростов н/Д: Феникс,

2000. — 384 с. — (Учебники «Феникса»).

ISBN 5-222-00878-9

В учебном пособии представлены разделы общей и частной физиологии центральной нервной систе­мы. Впервые в подобного рода пособиях в отдель­ных главах рассмотрены саморегуляция, регуля­ция моторных, сенсорных, вегетативных функций, а также межполу тарные отношения головного мозга человека и механизмы компенсации функ­ций в нервной системе.

Рассчитано на преподавателей, студентов био­логических, психологических, ветеринарных фа­культетов, а также медучилищ.

БВКЕ991.7

Алейникова Т.В., Думбай В.Н.,

Кураев Г. А.,[Фельдман Г. Л. «Феникс*, обложка, 2000

ISBN 5-222-00878-9

Предисловие

Физиология центральной нервной системы (ЦНС), будучи объектом исследования многочисленных школ, является одной из наиболее развивающихся областей изучения мозга. Знание механизмов дея­тельности мозга - - непременное условие понима­ния закономерностей функционирования всех сис­тем организма, ибо запуск, контроль, регуляция деятельности этих систем осуществляется прежде всего структурами мозга.

В последние десятилетия изучению принципов деятельности ЦНС способствовали новые методы: микроэлектродная техника, электронная микроско­пия, нейрокибернетика, нейрохимия, биологичес­кая математика и т.д.

Физиология ЦНС имеет несколько глобальных на­правлений, которые в основном заняты исследова­ниями ряда принципов ее функционирования: воз­буждения и торможения, обратной связи, простран­ственной синхронизации, доминанты, функциональ­ной межполуш арной асимметрии, параллельной об­работки информации, полисенсорности, интегратив-пости, саморегуляции, а также рефлекторного, ве­роятностно-статистического принципа и др.

Нельзя сказать, что все эти принципы изучены достаточно глубоко и в одинаковой степени. В пос­ледние годы понимание роли отдельных из них в деятельности мозга резко возросло, однако в лите­ратуре, особенно в учебной, это не находит необхо­димого отражения.

Кроме того, в настоящее время нет учебного по­собия, которое в доступной студентам форме отра­зило бы современное состояние знаний о физиоло­гии ЦНС.

Методы изучения физиологии центральной нервной системы

По меткому выражению И. П. Павлова, физиоло­гия движется вперед благодаря совершенствованию методик. Наши сегодняшние знания о функции нервной системы — от нейрона и синапса до мозга в целом — базируются на весьма широком спектре методов, кото­рые можно объединить в три группы: аналитические, нейрокибернетические и нейропсихологические.

Аналитические методы

К классическим аналитическим методам относят­ся методы деструкции, функционального выключе­ния и раздражения нервных структур. С помощью этих, а также методов клинических наблюдений, изу­чения онтогенеза нервной системы были выяснены основные закономерности работы нервных волокон, нервных центров и мозга в целом. В конце 40-х — начале 50-х гг. в практику широко внедрился метод, основанный на использовании микроэлектродов — стеклянных микропипеток, заполненных электроли­том (ЗМ КС1, 2,5М КаС1 или др.), или тончайших металлических электродов, изолированных по всей длине, кроме торца. В качестве электродов использо­вали различные металлы (серебро, золото, платина), сплавы. Рабочая часть микроэлектродов -- самый кончик— имеет диаметр от 0,5 до 1,5 мкм, что позво­ляет подводить его к нейрону и даже вводить внутрь, не повреждая клетку. Таким образом, оказалось воз­можным длительное время (часами) регистрировать электрические процессы, сопровождающие деятель­ность нейронов в самых различных условиях прове­дения эксперимента. Наиболее ценные результаты на начальном этапе развития микроэлектродной техни-

ки были получены Экклсом, Ллойдом, Катцем, а у нас в стране — П. Г. Костюком. Совершенствование микроэлектродной техники привело к созданию многоствольных стеклянных микроэлектродов, где один из каналов используется для отведения потен­циалов, а другие (от 4 до 10) — для инъекции в ней­рон различных веществ с целью выяснения их роли в функциональных отправлениях клетки. К настояще­му времени не существует, очевидно, структур ЦНС, нейроны которых не были бы предметом изучения с помощью микроэлектродов, — от коры до глубинных ядерных образований головного мозга, клеточных ядер спинного, периферических, соматических и вегетатив­ных ганглиев, рецепторов.

Начиная с работ Правдич-Неминского (1925) и Бер­гера (1929) широко распространился метод регистра­ции суммарных электрических колебаний коры моз­га, отводимых от кожи головы,— ЭЭГ, от поверхно­сти обнаженного мозга - - электрокортикограмма (ЭКоГ), от глубоких структур — электросубкортико-грамма (ЭСКоГ). В данном случае используются макро­электроды с рабочей поверхностью от единиц до десят­ков квадратных миллиметров различных конструк­ций - - накладных и погружаемых. Как правило, используются множественные отведения одновременно от нескольких участков как поверхности мозга, так и в глубинных структурах. Часто, одновременно с сум­марной регистрацией, проводится и отведение нейрон­ной активности с помощью микроэлектродов. М. Н. Ли­вановым и В. М. Ананьевым (1960) предложен и де­тально разработан метод электроэнцефалоскопии. Суть этого метода заключается в следующем: на коже черепа испытуемого в выбранной зоне фиксируется 30-100 макроэлектродов. Каждый из электродов под­ключается к отдельному усилителю. Электронное ска-

нирующее устройство обеспечивает снятие потенциа­ла от каждой точки с высокой скоростью считывания, затем сигнал усиливается и подается на электронно­лучевую трубку. Чем выше амплитуда сигнала, тем ярче светится соответствующая точка на экране. Та­ким образом оказывается возможным наблюдать мо­заику возбуждения в динамике изучаемых процессов. ЭЭГ-метод долгое время использовался в эксперимен­тальной физиологии лишь в острых опытах. В 1934 г. А. Б. Коганом были разработаны электроды и методи­ки их вживления в различные структуры мозга, что позволило регистрировать потенциалы в условиях сво­бодного поведения животных. В дальнейшем этот же метод был распространен и на микроэлектродные ис­следования. Более того, в последние 20 лет широко применяется метод хронического вживления электро­дов в клинике нервно-психических заболеваний.

Применение специальных электродов, накладыва­емых на поверхность мозга или вживляемых в под­корковые структуры человека, и усилителей посто­янного тока позволяет регистрировать так называе­мые сверхмедленные электрические процессы (СМЭП) при реализации психической и двигательной актив­ности человека в норме и патологии. Диапазон частот СМЭП лежит в пределах 0-0,5 Гц.

В рамках электрофизиологического подхода к изуче­нию функций центральной нервной системы следует выделить метод изучения вызванных реакций. Извест­но, что при применении различных стимулов в теку­щей ЭЭГ возникают специфические комплексы потен­циалов, закономерно повторяющиеся от стимула к сти­мулу. Этот электрофизиологический феномен получил название «вызванный потенциал» (ВП). Принято счи­тать, что ВП является отражением перераспределения текущей активности. Это перераспределение связано с

афферентным залпом. Поскольку ВП имеют относи­тельно короткий латентный период (10-30 мс) и ко­роткое время развития (до 400-500 мс), регистрация их связана с определенными методическими приема­ми. Как правило, осуществляется фотографирование ВП с экрана осциллографа, луч которого запускается тем же стимулом, который посылается в мозг. Ско­рость движения луча подбирается таким образом, что­бы все компоненты ВП вписались в поле экрана и мож­но было проанализировать их частотно-амплитудные характеристики. Кроме того, необходимо предусмотреть возможность накопления отдельных ВП в одном кадре для получения усредненных (как правило, по несколь­ким десяткам) характеристик. В настоящее время эта задача сравнительно легко решается путем прямого ввода ЭЭГ в электронно-вычислительную машину, снаб­женную аналого-цифровым преобразователем.

Все вышеперечисленные методы должны завер­шаться морфологическими исследованиями, базиру­ющимися на современных методах гистологии и гис­тохимии. Последние позволяют идентифицировать структуры и отдельные нейроны, активность которых изучается электрофизиологическими методами. Таким образом удается связать функциональные и структур­ные особенности элементов ЦНС.

Широко известна чрезвычайно высокая чувстви­тельность центральной нервной системы к недостат­ку кислорода. Так, 5-6-секундная аноксия приводит к потере сознания, а прекращение кровоснабжения на 4-6 мин сопровождается необратимыми изменени­ями нервной ткани коры головного мозга. В клини­ческой нейрофизиологии, начиная с 60-х гг. нашего века, началось применение метода изучения динами­ки наличного кислорода (О₂) мозга как во время ней­рохирургических операций, так и с помощью вжив-

ляемых для лечебных целей долговременных интра-церебральных электродов. В основе метода лежит по­лярография, т.е. оценка явления концентрационной поляризации — приобретение полярности или возник­новение двойного слоя на границе двух фаз элект­род—ткань. Используемые в клинике золотые элект­роды обладают высокими полярографическими свой­ствами и обеспечивают стабильную регистрацию 0₂ ткани мозга. Методика изготовления электродов до­вольно трудоемкая, необходима тщательная их калиб­ровка перед использованием. Изготовленные для этих целей электроды называются в полярографии кисло­родным катодом. Степень и динамика поляризации оцениваются с помощью многоканальных усилителей постоянного тока с коэффициентом усиления 10⁶, вход­ным сопротивлением 0,5 МОм и полосой пропуска­ния 0-5 Гц.

Нейрокибернетические методы

Начиная с работ Винера (1948), в исследовании центральной нервной системы нашел применение кибернетический подход. Такой подход предполагает изучение закономерностей саморегулирования функ­ций нервной системы. Основное внимание обращает­ся на функциональную организацию нервных струк­тур, изучение принципов восприятия, кодирования и хранения информации и, наконец, изучение законов управления, существующих в нервной системе. Ме­тодики нейрокибернетики базируются на новых под­ходах, отличных от классических. Общим для этих методов является моделирование механизмов регуля­ции и действия обратных связей на основе точного количественного учета и математической формализа­ции с использованием современных ЭВМ. В зависимо­сти от конкретной ситуации нейрокибернетика исполь-

.

зует адаптированные частные методики теории ин­формации, математической логики, теории автоматов, теории вероятности, теории массового обслуживания, теории синтеза информационных систем, теории раз­мытых множеств и размытых алгоритмов.

Как и в классической физиологии ЦНС, нейроки-бернетический подход предусматривает изучение фун­кций на субклеточном, клеточном, ансамблевом, ядер­ном и органном уровнях. Организменный уровень применительно к функции ЦНС человека, в частно­сти, изучается уже за рамками собственно физиоло­гии и перекрывается с психологическим и нейропси-хологическим подходами.

Значительный опыт нейрокибернетических ибсле-дований в эволюционном плане накоплен в НИИ ней­рокибернетики Ростовского университета. Подробную сводку об этом с описанием частных методик можно получить из ряда монографий О. Г. Чораяна.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: