 |
Тема 1. Введение в нейрофизиологию.
|
|
|
|
Цель и задачи изучения.
Изучение материала данной темы преследует цель ознакомить студентов с предметом дисциплины «Нейрофизиология».
З адачами изучения являются:
- определение «Нейрофизиологии» как науки;
- установление места дисциплины в системе биологических и психологических наук;
- ознакомление студентов с историей данной дисциплины;
- рассмотрение современных методов изучения функционирования мозга.
Конспект лекции 1. Введение в нейрофизиологию.
Оглавление:
История возникновения нейрофизиологии как науки.
Современный этап развития нейрофизиологии
Электрофизиологические методы исследования физиологии головного мозга.
Томографические методы исследования.
Нейробиологический подход к исследованию нервной системы человека.
Нейрофизиология - специальный раздел физиологии, изучающий деятельность нервной системы и её структурно-функциональных единиц - нейронов. Она имеет связь с другими науками, такими как нейробиология, психология, неврология и другие. Все эти науки имеют общий предмет исследования – головной мозг, только отличие нейрофизиологии в том, что она занимается теоретической разработкой всей неврологии.
История возникновения нейрофизиологии как науки. Представления о рефлекторном принципе функционирования нервной системы были выдвинуты ещё в XVII веке Р. Декартом, а в XVIII веке и Й. Прохаской, однако нейрофизиология как наука начала развиваться лишь в первой половине XIX века, когда для изучения нервной системы стали применять экспериментальные методы. Предшествием возникновения нейрофизиологии стало накопления знаний об анатомии и гистологии нервной системы, а решающим толчком – открытие структурной единицы мозга – нейрона. В начале XIX века Ч. Белл (1811) и Ф. Мажанди (1822) независимо друг от друга установили, что после перерезки задних спинномозговых корешков исчезает чувствительность, а после перерезки передних — движения (т. е. задние корешки передают нервные импульсы к мозгу, а передние — от мозга). Вслед за этим стали широко пользоваться перерезками и разрушениями различных структур мозга, а затем и искусственным их раздражением для определения локализации той или иной функции в нервной системе. До второй половины XIX века нейрофизиология развивалась как экспериментальная наука, базирующаяся на изучении животных. Действительно, «низшие» (базовые) проявления деятельности нервной системы одинаковы у животных и человека. К таким функциям нервной системы относятся проведение возбуждения(7) по нервному волокну, переход возбуждения с одной нервной клетки на другую (например, нервную, мышечную, железистую), простые рефлексы (например, сгибания или разгибания конечности), восприятие относительно простых световых, звуковых, тактильных и других раздражителей и многие другие. При проведении всех этих исследований ученые не находили существенных различий в функционировании нервной системы как в целом, так и ее частей у человека и животных, даже очень примитивных. Например, на заре современной экспериментальной физиологии излюбленным объектом была лягушка.
|
|
|
Следующим этапом развития нейрофизиологии стало открытие И.М. Сеченовым в 1863 году центрального торможения - явления, когда раздражение определённого центра нервной системы вызывает не возбуждение, а подавление деятельности. Как было показано впоследствии, взаимодействие возбуждения и торможения лежит в основе всех видов нервной активности.
С наступлением XX века были получены подробные сведения о функциональном значении различных отделов нервной системы и основных закономерностях их рефлекторной деятельности. Ф.В. Овсянников определил роль ствола головного мозга и его влияние на сердечно-сосудистую деятельность и дыхания, а Л. Лючиани – роль мозжечка. Изучать функции коры головного мозга начали несколько позднее, наиболее обширное исследование было произведено И.П. Павловым, который открыл условные рефлексы. Ему принадлежит заслуга в создании метода экспериментального исследования «высшего этажа» головного мозга - коры больших полушарий. Этот метод назван «методом условных рефлексов».
|
|
|
Позднее был изучен механизм деятельности нервных клеток, а также механизмы торможения и возбуждения. Так, российский ученый Н.Е. Введенский использовал для этого обычный телефонный аппарат, а А.Ф. Самойлов - струнный гальванометр.
Современный этап развития нейрофизиологии. Только с открытием новых методов исследования (в первую очередь электроэнцефалографии(68)) наступил новый этап в изучении функций головного мозга, когда стало возможным исследовать эти функции, не разрушая мозг, не вмешиваясь в его функционирование. Появилась возможность изучать высшие проявления деятельности мозга - восприятие сигналов, функции памяти, сознания и многие другие.
В современной нейрофизиологии одной из основных проблем является изучение интегративной деятельности нервной системы. Среди значительных достижений нейрофизиологии может быть отмечено открытие активирующих и тормозящих влияний ретикулярной формации мозгового ствола, раскрытие механизмов интеграции нервных и эндокринных регуляторных механизмов в гипоталамусе и др. Одновременно развивается детальное изучение клеточных механизмов деятельности нервной системы, при котором широко применяется микроэлектродная техника, позволяющая отводить электрические реакции от отдельных нервных клеток ЦНС. Микроэлектроды могут быть введены даже внутрь нейрона, продолжающего при этом некоторое время нормально функционировать. Такими методами получены сведения о том, как развиваются процессы возбуждения и торможения в различных типах нейронов, каковы внутриклеточные механизмы этих процессов, как осуществляется переход активности от одной клетки на другую. Указанные технические достижения позволили нейрофизиологам перейти к прямому изучению способов кодирования и передачи информации в нервной системы, а также к разработке методов активного вмешательства в деятельность нервных клеток с помощью различных физических и химических средств.
|
|
|
В последнее время активно ведутся работы по моделированию отдельных нейронов и нервных сетей, базирующиеся на сведениях, полученных в экспериментах на нервной системе. Современная нейрофизиология тесно смыкается с такими дисциплинами, такими как нейрокибернетика, нейрохимия, нейробионика и др.
Совокупность новых подходов к исследованию головного мозга человека, сфера научных интересов физиологов в области психологии привели к появлению в пограничной области этих наук новой науки - психофизиологии. Это обусловило взаимопроникновение двух областей знаний - психологии и физиологии. Физиологу, который исследует функции головного мозга человека, необходимы знания психологии и применение этих знаний в своей практической работе. Но и психолог часто не может обойтись без регистрации и исследования объективных процессов головного мозга. Психология как наука намного старше физиологии, и на протяжении многих веков психологи в своих исследованиях обходились без знаний физиологии. Конечно, это связано прежде всего с тем, что знания, которыми располагала физиология 50-100 лет тому назад, касались только процессов функционирования органов нашего тела (почек, сердца, желудка и др.), но не головного мозга. Представления ученых древности о функционировании головного мозга ограничивались только внешними наблюдениями: они считали, что в головном мозге - три желудочка, и в каждый из них древние врачи «помещали» одну из психических функций.
Рене Декарт полагал, что нервы представляют собой полые трубки, по которым от головного мозга, вместилища души, передаются животные духи к мышцам. Если обожжем ногу, то этот стимул запустит цепь реакций: вначале «животный дух» направляется к головному мозгу, отражается от него и по соответствующим нервам (трубкам) направляется к мышцам, раздувая их. Здесь без труда можно увидеть простую аналогию с гидравлическими машинами, которые во времена Р. Декарта были вершиной достижения инженерной мысли. Перелом в понимании функций головного мозга наступил в XVIII столетии, когда стали изготавливать очень сложные часовые механизмы. Например, музыкальные шкатулки исполняли музыку, куклы танцевали, играли на музыкальных инструментах. Все это приводило ученых к мысли, что наш головной мозг чем-то очень похож на такой механизм. Проведение аналогии между действием искусственных механизмов и деятельностью головного мозга - излюбленный прием при описании функций мозга. Например, наш великий соотечественник И. П. Павлов сравнивал функцию коры больших полушарий головного мозга с телефонным узлом, на котором барышня-телефонистка соединяет абонентов между собой. В наше время головной мозг и его деятельность чаще всего сравнивают с мощным компьютером. Однако любая аналогия весьма условна. Не вызывает сомнений, что головной мозг действительно выполняет огромный объем вычислений, но принцип его деятельности отличен от принципов действия компьютера.
|
|
|
Физиологические исследования в сочетании с изучением анатомии и морфологии головного мозга привели к однозначному заключению – именно головной мозг является инструментом нашего сознания, мышления, восприятия, памяти и других психических функций. Основная трудность исследования заключается в том, что психические функции чрезвычайно сложны. Психологи исследуют эти функции своими методами (например, при помощи специальных тестов изучают эмоциональную устойчивость человека, уровень умственного развития и другие свойства психики). Характеристики психики исследуются психологом без «привязки» к мозговым структурам, т. е. психолога интересуют вопросы организации самой психической функции, но не то, как работают отдельные части головного мозга при осуществлении этой функции.
Только относительно недавно, несколько десятилетий назад, с появлением технических возможности для исследования методами физиологии (регистрация биоэлектрической активности головного мозга, исследование распределения тока крови и др.) появилась возможность изучать механизмы психических функций - восприятия, внимания, памяти, сознания и др. В настоящее время психологи все чаще прибегают к регистрации и исследованию объективных процессов головного мозга с помощью электроэнцефалограмм, вызванных потенциалов, томографических исследований и пр.
|
|
|
Электрофизиологические методы исследования физиологии головного мозга. В настоящее время широко применяются следующие методы исследования функционирования головного мозга:
n электрофизиологические методы исследования: метод вызванных потенциалов; э лектроэнцефалография;
n томографические методы исследования: метод магнитно-резонансной томографии (МРТ); метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ);
n нейробиологические методы исследования;
n нейропсихологические методы исследования.
В распоряжении нейрофизиологов имеются различные электрофизиологические методы исследования. Они совершенно не опасны для мозга человека и позволяют наблюдать течение физиологических процессов в нем в диапазоне от долей миллисекунды до нескольких часов. Использование этих методов имеет глубокие исторические корни.
Основоположником экспериментальной электрофизиологии принято считать итальянского врача, анатома и физиолога Луиджи Гальвани. В XVIII столетии он заметил, что лапки лягушки сокращаются при соприкосновении с металлом. История сохранила нам красивую легенду: молодая жена Гальвани заболела чахоткой. Согласно предписаниям врача больной требовалось усиленное питание бульоном из лягушачьих лапок. Для этой цели заботливый муж заготовил много таких лапок и развесил их на веревке на балконе. Они раскачивались под легким ветром и изредка прикасались к медным перилам балкона. Каждое такое соприкосновение приводило к сокращению лапки. Гальвани обнародовал замечательное открытие, назвав его биоэлектричеством. По мнению же большинства историков науки, честь открытия принадлежит молодой жене Гальвани - Лючии Галеацци. Она крутила ручку электрофорной машины, в то время как ассистент препарировал лягушку. Лапка билась под скальпелем, и наблюдательная женщина заметила, что судороги случаются тогда, когда между шарами машины проскакивает искра. Она обратила внимание мужа на это совпадение.
Гальвани проводил опыты по животному электричеству: открыл и исследовал феномен сокращения мышц препарированной лягушки под влиянием электрического тока; обратил внимание на то, что мышца сокращается при одновременном прикосновении к ней двух разных металлов. Гальвани объяснил эти явления существованием «животного электричества». Результаты наблюдений и теорию «животного электричества» он изложил в 1791 в работе «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Новыми опытами Гальвани доказал, что мышца лягушки сокращается и без прикосновения к ней металла – в результате непосредственного её соединения с нервом. Исследования Гальвани имели большое значение для медицинской практики и разработки методов физиологического эксперимента.
В конце XIX века английский ученый, а по совместительству мэр города Манчестера, Г. Катон впервые поместил металлические электроды на затылочные доли головного мозга собаки. При этом он зарегистрировал колебания электрического потенциала, направляя свет в глаза животному. Тогда же появились первые струнные гальванометры, которые могли фиксировать слабые электрические потенциалы от биологических объектов.Колебания электрического потенциала, аналогичные наблюдаемым Катонном, сейчас называют вызванными потенциалами (ВП) и широко используют при исследовании функций мозга и сенсорных систем человека. В основе метода лежит регистрация биоэлектрических реакций мозга в ответ на внешнее раздражение (в случае сенсорных ВП) и при выполнении когнитивной задачи. Запись ВП производится при помощи электроэнцефалографических электродов, расположенных на поверхности головы. Поскольку амплитуда ВП (5-15 мкВ) гораздо меньше амплитуды ЭЭГ в состоянии бодрствования (20-70 мкВ), то для выделения ВП проводят усреднение сигнала: стимул предъявляется несколько раз, после чего компьютер суммирует отрезки ЭЭГ, которые следуют сразу после предъявления стимула. В результате постоянные компоненты ВП суммируются и выделяются, а «случайные» компоненты ЭЭГ, наложившиеся на запись во время регистрации ВП, нивелируются. Характеристиками вызванных потенциалов являются латентный период (латентность), амплитуда (или площадь), полярность (негативная/позитивная) и форма. Для диагностических целей наибольшее применение получили коротколатентные звуковые, соматосенсорные, зрительные и моторные ВП. Например, стволовые звуковые ВП используются в качестве стандартного нейрофизиологического теста для исследования поражений ствола мозга и объективной оценки нарушений слуха. ВП позволяют выявить и оценить степень нарушения функции проводящих путей спинного мозга. Зрительные ВП имеют важное значение в диагностике рассеянного склероза.
Наиболее часто для исследования работы мозга применяется электроэнцефалографический метод. Впервые в России биоэлектрические колебания от продолговатого мозга лягушки были зарегистрированы И. М. Сеченовым. Другой наш соотечественник, профессор Казанского университета И. Правдич-Неминский изучал биоэлектрические колебания мозга собаки при различных состояниях животного - в покое и при возбуждении. Собственно, это были первые электроэнцефалограммы. Однако мировое признание получили исследования, проведенные в 1928 году шведским исследователем Г. Бергером. Используя уже более совершенные приборы, он зарегистрировал биоэлектрические потенциалы головного мозга человека, которые предложил называть «электроэнцефалограммой». В этих исследованиях впервые был зарегистрирован основной ритм биотоков мозга человека - синусоидальные колебания с частотой 8 -12 Гц, который получил название альфа-ритма (Рис 1.1). Его работы положили начало современной эры исследования физиологии головного мозга человека.
В настоящее время методы электроэнцефалографии сделали значительный шаг вперед благодаря применению компьютеров. Обычно на поверхность скальпа накладывают несколько десятков электродов. Далее эти электроды соединяют с многоканальным усилителем. Достаточно мощный компьютер обрабатывает ЭЭГ по каждому каналу. Электроэнцефалография дает возможность качественного и количественного анализа функционального состояния головного мозга и его реакций при действии раздражителей. Основными характеристиками являются частота и амплитуда сигнала. На их основе выделяют несколько основных ритмов, которые соответствуют определенным состояниям мозга и связаны с определенными мозговыми механизмами (см. таблицу).
| Ритм | Частота (Гц) | Амплитуда(мкВ) | Функциональное состояние |
| альфа-ритм | 8-13 | 30-70 | Спокойное бодрствование |
| бета-ритм | 14-40 | 5-30 | Активное бодрствование |
| тета-ритм | 4-6 | 100-150 | Стресс-ритм или ритм напряжения |
| дельта-ритм | 0,5-3 | >100 | 4-я стадия медленного сна, кома |
| гамма-ритм | >40 | 30-170 | Повышенное внимание |
Томографические методы исследования. Все более широко в настоящее время как в науке, так и в клинике применяются томографические методы исследования головного мозга человека. Они позволяют увидеть строение и особенности работы головного мозга человека, не повреждая его. Один из таких методов - метод магнитно-резонансной томографии. Головной мозг облучают электромагнитным полем, применяя для этого специальный магнит. Под действием магнитного поля диполи жидкостей мозга (например, молекулы воды) принимают его направление. После снятия внешнего магнитного поля диполи возвращаются в исходное состояние, при этом возникает магнитный сигнал, который улавливается специальными датчиками. Затем это эхо обрабатывается с помощью мощного компьютера и методами компьютерной графики отображается на экране монитора. Благодаря тому, что внешнее магнитное поле, создаваемое внешним магнитом, можно сделать плоским, таким полем как своеобразным «хирургическим ножом» можно «резать» головной мозг на отдельные слои. На экране монитора ученые наблюдают серию последовательных «срезов» головного мозга, не нанося ему никакого вреда. Этот метод позволяет исследовать, например, злокачественные образования головного мозга.
Еще более высоким разрешением обладает метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Исследование основано на введении в мозговой кровоток позитрон-излучающего короткоживущего изотопа. Данные о распределении радиоактивности в мозге собираются компьютером в течение 15-30 мин сканирования и затем реконструируются в трехмерный образ. Во время регистрации исследуемого просят заняться определенной интеллектуальной деятельностью, например почитать (про себя или вслух), послушать музыку или решить математическую задачу. Метод позволяет наблюдать в головном мозге очаги возбуждения, например, при продумывании отдельных слов, при их проговаривании вслух, что свидетельствует о его высоких разрешающих возможностях. Вместе с тем многие физиологические процессы в головном мозге человека протекают значительно быстрее тех возможностей, которыми обладает томографический метод. В исследованиях ученых немаловажное значение имеет также финансовый фактор, т. е. стоимость исследования. К сожалению, томографические методы очень дороги.
Нейробиологический подход к исследованию нервной системы человека. В теоретических исследованиях физиологии головного мозга человека огромную роль играет изучение центральной нервной системы животных. Дело в том, что мозг современного человека является продуктом длительной эволюции жизни на Земле. На пути этой эволюции природой перебирались многие варианты устройства центральной нервной системы и ее элементов. Например, нейроны, их отростки, процессы, протекающие в нейронах, остаются неизменными как у примитивных животных (например, членистоногих, рыб, амфибий, рептилий и др.), так и у человека. То же касается многих структур головного мозга. Исключение представляют только большие полушария головного мозга. Они уникальны в мозге человека. Поэтому нейрофизиолог, имея в своем распоряжении огромное число объектов исследования, всегда может изучать многие вопросы физиологии головного мозга человека на более простых и доступных объектах. Такими объектами могут быть и беспозвоночные животные. Классический объектов современной нейрофизиологии - головоногий моллюск кальмар и нервное волокно (так называемый гигантский аксон - диаметром 1 мм), на котором были выполнены классические исследования по физиологии возбудимых(6) мембран. У многих моллюсков в нервных ганглиях, заменяющих у них головной мозг, есть очень большие нейроны - диаметром до 1 мм. Эти нейроны являются излюбленными объектами при изучении работы ионных каналов, открытие и закрытие которых управляется химическими веществами. Ряд вопросов передачи возбуждения от одного нейрона другому исследуется на нервно-мышечном соединении - синапсе кальмара; эти синапсы по размерам в сотни раз больше подобных синапсов в головном мозге млекопитающих.
В последние годы все шире применяют прижизненные срезы головного мозга новорожденных крысят и морских свинок и даже культуру нервной ткани, выращенную в лаборатории (Рис.1.2.). Данный метод позволяет исследовать механизмы функционирования отдельных нервных клеток и их отростков.
Для регистрации биоэлектрической активности нейронов и их отростков применяют специальные приемы, которые называются микроэлектродной техникой. Микроэлектроды могут быть введены даже внутрь нейрона, продолжающего при этом некоторое время нормально функционировать. Такими методами получены сведения о том, как развиваются процессы возбуждения и торможения в различных типах нейронов, каковы внутриклеточные механизмы этих процессов, как осуществляется переход активности от одной клетки на другую.
Обычно применяют два типа микроэлектродов - металлические и стеклянные. Металлические микроэлектроды часто изготавливают из вольфрамовой проволоки диаметром 0,3-1 мм (Рис.1.3.). На первом этапе нарезают заготовки длиной по 10 - 20 см (это определяется глубиной, на которую будет погружен микроэлектрод в мозг исследуемого животного). Один конец заготовки затачивают до диаметра 1 - 10 мкм. Затем электрод покрывают лаком для электрической изоляции. Самый кончик электрода остается неизолированным.
Для регистрации активности одиночных нейронов микроэлектрод закрепляют в специальном манипуляторе, который позволяет продвигать его в мозге животного с высокой точностью. Характер регистрируемой биоэлектрической активности определяется диаметром кончика микроэлектрода. Например, при диаметре кончика микроэлектрода не более 5 мкм можно зарегистрировать потенциалы действия одиночных нейронов (в этих случаях кончик микроэлектрода должен приблизиться к исследуемому нейрону на расстояние около 100 мкм). При диаметре кончика микроэлектрода больше 10 мкм одновременно регистрируется активность десятков, а иногда сотен нейронов.
Другой широко распространенный тип микроэлектродов изготавливают из стеклянных капилляров (трубочек). Для этой цели используются капилляры диаметром 1 - 3 мм. Далее на специальном устройстве, так называемой кузнице микроэлектродов капилляр в средней части разогревают до температуры плавления стекла и разрывают. Получают микропипетки с диаметром кончика до долей микрометра. На следующем этапе микропипетку заполняют раствором соли (например, 2М КС1) и получают микроэлектрод. Кончик такого микроэлектрода можно вводить внутрь нейрона (в тело или даже в его отростки), не сильно повреждая его мембрану и сохраняя его жизнедеятельность.
Еще одно направление исследования головного мозга человека возникло в годы Второй мировой войны - это нейропсихология. Одним из основоположников этого подхода был профессор Московского университета Александр Романович Лурия. Метод представляет собой сочетание приемов психологического обследования с физиологическим исследованием человека с поврежденным головным мозгом. Нейропсихологические исследования включают также анализ действия медикаментозных средств на работу мозга и поведение.
Контрольные вопросы для повторения и самостоятельной подготовки к экзамену:
1. Дайте определение нейрофизиологии.
2. К каким дисциплинам близка нейрофизиология?
3. Каков вклад российских ученых в развитии нейрофизиологии?
4. Зачем психологу знать физиологию головного мозга?
5. Перечислите основные группы методов нейрофизиологических исследований.
6. Что такое электроэнцефалограмма и как она регистрируется?
7. Перечислите основные ритмы ЭЭГ? Какому состоянию организма они соответствуют?
8. Что такое вызванные потенциалы?
9. Каковы основные характеристики вызванных потенциалов?
10. Что позволяют изучать томографические методы исследования?
11. В чем достоинства и недостатки томографических методов?
12. В чем заключается нейробиологический подход к исследованию нервной системы человека?
13. Что могут дать исследования на нервной системе животных?
14. Какие электроды применяются в экспериментах и зачем?
Контрольный тест по теме 1:
- Нейрофизиология – это
а) наука, изучающая закономерности процессов жизнедеятельности живого организма;
б) наука, изучающая внешнее и внутреннее строение, функциональные особенности мозга человека;
в) наука, изучающая деятельность нервной системы и её структурно-функциональных единиц - нейронов.
2. Кто первым открыл явление центрального торможения?
а) Л. Гальвани;
б) Р. Декарт;
в) И.М.Сеченов;
г) И.П. Павлов.
3. Кого считают основоположником электроэнцефалографии?
а) Й. Прохаску;
б) Г. Катона;
в) Ч. Белла;
г) Г. Бергера.
4. Кто первым зарегистрировал вызванные потенциалы (ВП)?
а) И. П. Павлов;
б) Г. Катон;
в) К. Гольджи.
5. Правильно ли утверждение, что характеристиками вызванных потенциалов являются латентный период, амплитуда, полярность и форма?
а) да;
б) нет.
6. Какой из ритмов ЭЭГ рассматривают как ритм покоя:
а) альфа-ритм;
б) бета-ритм;
в) тета-ритм;
д) дельта-ритм
7. Кого считают основоположником нейропсихологических методов исследования?
а) И.М.Сеченова;
б) И. П. Павлова
в) А.Р. Лурия.
Наглядная информация
Рис 1.1. Основные ритмы электроэнцефалограммы
1 – бета-ритм, 2 – альфа-ритм, 3 – тета-ритм, 4 – дельта-ритм
Рис.1.2. Культура нервной ткани, извлеченной из мозга крысы и высеянная на чашку Петри с впаянными в дно мультиканальными электродами
Рис.1.3. Металлический микроэлектрод приближается к нейрону.
|
|
|
