Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1 Активирующая система мозга и функциональное состояние различных отделов ЦНС 10
1.2 Мозг как система осциллирующих элементов. Ритмическая активность в ЦНС 14
1.3 Интероцептивный анализатор - важнейший источник раздражений в формировании тонической активности мозга 20
1.4 Активирующая система мозга - важнейший источник вегетативного (автономного) тонуса 24
1.5 Спектральный анализ и картирование биопотенциалов головного мозга 28
Глава 2. Материалы и методы исследования 31
Глава 3. Собственные результаты и их обсуждение 39
3.1 Осцилляторная модель активирующей системы мозга 39
3.2 Выбор времени суммации «Т» узкополосных фильтров для выделения глобального ритмического процесса 44
3.3 Исследование явления «кластеризации» частотных компонент в суммарной ЭЭГ 53
3.4 Исследование явления соматовисцеральной интеграции на когерентных модулях АС мозга 67
Заключение 88
Выводы 94
Приложение 96
Список литературы 109
- Активирующая система мозга и функциональное состояние различных отделов ЦНС
- Интероцептивный анализатор - важнейший источник раздражений в формировании тонической активности мозга
- Выбор времени суммации «Т» узкополосных фильтров для выделения глобального ритмического процесса
- Исследование явления соматовисцеральной интеграции на когерентных модулях АС мозга
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема неспецифической активирующей системы мозга как сложного комплекса взаимосвязанных нейрохимических механизмов ретикулярной формации ствола, таламуса, коры и других структур -одна из центральных в нейрофизиологии. Неспецифические системы регулируют функциональное состояние мозга, уровни бодрствования и сна, участвуют в регуляции чувствительности рецепторов и модуляции передачи сенсорной информации, оказывают мощное влияние на двигательные и вегетативные реакции, эмоциональное поведение и многое другое.
Накоплено большое количество анатомических и физиологических данных, которые показывают, что неспецифическая активирующая система мозга морфологически и функционально состоит из разнородных структур (блоков) и помимо общих регулирующих эффектов, может различать афферентные импульсы и направлять эфферентные разряды избирательно к определенным структурам периферической и центральной нервной системы. Одной из важнейших функций ретикулярных структур мозга, является аккумулирование нервной энергии с различных афферентных систем и формирование адаптированного к внешним и внутренним условиям динамического тонуса центральных и периферических аппаратов [75, 72, 13].
В этой связи, в последние десятилетия, наметился значительный прогресс с введением М.Н.Ливановым (1972) и его последователями представлений о локальной и глобальной синхронизации биопотенциалов, о частотных свойствах и резонансных явлениях в активности мозга, о когерентных структурах и пр. Через призму функциональной значимости когерентности потенциалов мозга удается обнаружить ее полезность при анализе показателя глобальных и локальных процессов изменения состояния мозга [56].
Анализ стационарных явлений и динамических характеристик центральных нервных процессов считается фундаментальным условием для понимания функций мозга [12, 74, 85, 143].
В настоящей работе представлены результаты изучения частотной организации феномена глобальной ритмической активности в суммарных биопотенциалах головного мозга. Показано, что эта активность проявляется и регистрируется практически во всех отведениях, как фон, на котором развиваются быстропротекающие специфические местные процессы [38, 44, 50, 51, 56, 57]. Глобальная ритмическая активность имеет сложную частотную, пространственно-временную и фазовую структуру. В диссертации предпринята попытка, сконструировать модель частотно-модульного строения активирующей системы мозга. Модель представлена как совокупность многочастотных осцилляторов и позволяет исследовать вероятную частотную структуру глобальной активности головного мозга, а так же предсказать ряд ее функциональных свойств.
Исследование ритмических (частотных) свойств ЦНС привели к возможности осуществлять диагностику различных заболеваний в клинике [134, 155, 100, 119, 124, 154, 165, 171], оценку действия различных психофармакологических средств [91, 160, 116, 125], управление функциональным состоянием организма и его направленной коррекции [87, 78, 128, 168]. Так, А.А. Ухтомский еще в 1940 году указывал, что для наиболее эффективного воздействия на нервную систему «требуется знать диапазон доступных к усвоению ритмов действия в ней» и что «ключ к доминированию создается через тактично подобранный и настойчиво выдержанный ритм влияний».
Полученные результаты позволяют с новых позиций оценить богатейшее наследие нейрофизиологических школ К.М.Быкова, Э.Ш.Айрапетьянц, С.С.Мусящиковой и В.Н.Черниговского, О.Г.Баклаваджян, Н.Н.Беллер, А.С.Батуева, Р.А.Дуриняна и многих др. по представительству соматического и висцерального анализаторов в ЦНС. Следует отметить, что исследования прежних лет были выполнены преимущественно с помощью метода вызванных потенциалов в острых опытах на животных и преследовали главным образом методологические цели.
В диссертации для осцилляторной модели активирующей системы мозга введена частотно-топическая система координат, что позволяет изучать механизмы отражения и интеграции разномодальных анализаторных систем доступными для практической медицины методами исследования суммарной электрической активности мозга. Актуальность работы подтверждается и тем, что предложенные принципы и полученные выводы легли в основу создания медицинской технологии и серии приборов для функционально-топической диагностики и коррекции заболеваний внутренних органов человека.
Активирующая система мозга и функциональное состояние различных отделов ЦНС
Считается, что интегративная функция мозга основана на кооперативной деятельности множества функциональных единиц. Это могут быть «колонки», «нейронные ансамбли», «нейронные модули» [45, 49, 34, 176] (Коган А.Б., 1979; Кэндел Э, 1982; Szentagothai J, 1970), работающие по вероятностно-статистическому принципу с переменным пространственно-временным распределением активности. Такие объединения существуют не только в пределах какой-либо области мозга, но охватывают также различные, даже отдаленные друг от друга центры. Одной из наиболее распространенных моделей ритмогенеза мозга является представление о циркуляции импульсов внутри таких объединений, что создает циклические контуры связи или цепи «реверберации импульсов», являющиеся источником регистрируемой ритмической активности биопотенциалов мозга. Исследуя ПОБ головного мозга, были введены представления о когерентных структурах (КС) мозга, фокусе взаимодействия, информационной и энергетической составляющей КС, полей повышенной активности мозга и т.п. Современные представления о клеточных процессах, лежащих в основе ЭЭГ, как о нейронных осцилляторах, дали стимул для мощного развития методов спектрального анализа ритмической активности биопотенциалов мозга, анализа частотно-временных и частотно-пространственных аспектов ПОБ головного мозга [38, 63, 74, 42, 139].
Обоснованы совершенно новые подходы для исследования генеза накопления (аккумулирования) нервной энергии неспецифическими структурами мозга. Прежде всего — это наличие цепей реверберации импульсов, как в пределах однородной структуры (например коры), так и охватывающих структуры разного уровня (корково-подкорковые, корково-стволовые-спинальные). Цепи реверберации импульсов являются материальной основой структурной организации и функционирования неспецифической активирующей системы мозга. Именно циклические системы, наряду с нейрохимическими, способны к наиболее длительному и стойкому поддержанию как возбудительных, так и тормозных процессов, чем обеспечивается интегративная деятельность мозга. Важнейшим признаком активности такой системы должно явиться наличие в ней достаточно длительных периодических режимов, формирующих ПОБ и функциональное состояние мозговых структур. Колебательная энергия - наиболее простая форма аккумулирования нервной энергии (Ю.Г. Кратин, 1986 и др.) [50].
В этом плане очень интересен взгляд из другой области науки - теоретической механики, где всесторонне исследуются свойства осциллирующих систем. Прежде всего, отмечается, что законы и свойства описывающие поведение осцилляторов - резонанс, синхронизация, гестерезис, самоорганизация, кооперация, устойчивость и т.п. - понятия междисциплинарные, и совершенно одинаковы для механиков, астрофизиков, биологов, химиков, антропологов и т.п. В 30-е годы один из основоположников общей теории нелинейных колебаний Л.И. Мандельштам выступил с идеей «колебательной помощи». Согласно этому принципу, опыт изучения периодических явлений в одной области науки должен существенно облегчить прогресс аналогичных исследований в других областях, где подобные явления завуалированы или вообще неизвестны [59, 6, 70]. Подчеркивается, что одним из самых распространенных и универсальных способов взаимодействия между осцилляторами являются резонансные взаимодействия, в первую очередь те влияния и связи, которые приводят к синхронизации колебаний. Они естественно и надежно выполняют интегративные функции в системах любой сложности. В настоящее время не вызывает сомнения, что все или почти все процессы регуляции в биологических объектах построены как осцилляторы. Это означает, что командные системы, системы согласования и органы управления таких объектов обеспечивают их нормальное функционирование посредством синхронизирующих воздействий на все жизненно важные процессы. Как отметил Н.Винер[21], многие методы запасания внутренней энергии и информации имеют одну и ту же важную черту. Они зависят от систем с «большим внутренним резонансом» или, иначе говоря, с многими видами собственных колебаний одной и той же частоты.
В исследовании Федотчев А.И. и А.Т.Бондарь [83] приведен обширный обзор работ по резонансным свойствам ЦНС (около ста работ). Проведенный авторами анализ позволяет выделить два аспекта. Первый аспект связан с резонансной природой регистрируемых ЭЭГ реакций на мелькающий свет. Обобщение экспериментальных данных дало возможность ряду авторов сформулировать представление о функционировании всей интегративно-анализирующей системы мозга по резонансному принципу. Более того, в последнее время существование колебательных и резонансных явлений в частотных диапазоннах, соответствующим основным ритмам ЭЭГ, изучено для периферических аппаратов нервной системы [46, 77], теоретически доказано для биомембран [60, 144], экспериментально показано для частей тела человека и вообще для любых систем организма, в которых отмечаются колебательные процессы [66, 85, 28]. Это позволяет, наряду с классической теорией линейной рефлекторной передачи, рассматривать теорию колебаний и резонанса как важный компонент колебательно-волновой природы в управляющей функции ЦНС. Второй аспект этих исследований - это данные о том, что при действии прерывистой фотостимуляции с плавно изменяющейся частотой вспышек регистрируются частотно-зависимые ЭЭГ- реакции разных зон мозга, характеризующиеся индивидуальной специфичностью и стабильностью. Воздействуя на весь основной диапазон колебаний электрической активности коры, такая фотостимуляция как бы «высвечивает» посредством резонанса тонкую структуру индивидуальных спектров ЭЭГ в разных отведениях и выявляет частоты собственных колебаний потенциальных осциллирующих систем мозга. Это открывает возможность изучения функционального значения отдельных частотных составляющих электрической активности и направленного воздействия (управления) на них с целью дистантной модуляции функционального состояния организма.
Интероцептивный анализатор - важнейший источник раздражений в формировании тонической активности мозга
И.М. Сеченов первым из физиологов высказал мысль, что для осуществления мозговой деятельности необходим определенный уровень раздражений из внешнего мира. Экспериментальное подтверждение эта мысль получила в лабораторях И.П. Павлова. Опыты B.C. Галкина и К.С. Абуладзе на собаках лишенных основных анализаторов и наблюдения в клинике над больными, показали что в этом случае организм погружается в сонное состояние, в котором и проводит значительную часть суток. Дальнейшие эксперименты уточнили это положение. Если организм поставить в такие условия, что на него в течение длительного времени будет действовать слабый, но постоянный раздражитель, то и в этом случае организм впадает в сонное (тормозное) состояние. Для того, чтобы мозг находился в бодром, деятельном состоянии, необходим приток разнообразных, меняющихся во времени раздражений.
Ныне принято считать, что нейроны мозга при отсутствии непрерывного сенсорного раздражения переходят в состояние покоя. В литературных источниках указывается на два возможных механизма поддержания тонуса мозга: 1) спонтанная аутохтонная активность периферических рецепторных приборов; 2) постоянное поступление афферентных раздражений [17].
Если относительно аутохтонной активности периферических рецепторных образований можно предполагать, что она одинакова для экстероцептив-ного и интероцептивного анализаторов и незначительна, то поступление афферентных импульсов к мозгу от этих анализаторов существенным образом различается.
Ряд авторов [172] указывают, что через зрительные каналы в мозг поступает более двух третей информации. На этом основании следовало бы ожидать, что зрительный анализатор представляет собой основной источник воздействий, формирующий фоновую активность мозга. Опыт, однако, указывает, что это далеко не так. Установлено, что слепота, закрытие глаз или же пребывание в темноте не приводят к резкому снижению тонуса ЦНС. Иными словами, количество информации, поступающего от данного органа чувств - зрительного анализатора, - не определяет его удельный вес в формировании фоновой активности мозга.
Значительно более существенным элементом является, по мнению ряда авторов [172], надежность поступающей информации. Авторы считают надежной импульсацию таких афферентных систем, которые действуют всегда, т.е. непрерывно изменяющимся потоком. По их представлению, зрительный анализатор, который действует прерывисто, не может служить надежным фактором формирования мозговой активности. Надежными системами могут являться рецепторы гравитации, рецепторы внутренних органов - медленно адаптирующиеся системы, с которых поступает непрерывный поток постоянно изменяющейся импульсации.
Выдвинутый D. и К. Stanley-Jones принцип «надежности импульсации», по нашему мнению, полностью относится ко всем поступающим от внутренних органов импульсам, в том числе и тем из них, которые вызваны постоянным воздействием гравитации на организм.
Интероцептивные сигналы связаны с изменениями давления, концентрации того или иного вещества, тонуса сосудов и гладкой мускулатуры, которые возникают во внутренней среде организма. Свойства интероцептивных сигналов отражают специфические функции внутренних органов, для которых характерно состояние длительной активности, тонического напряжения. Рецеп-торные приборы, воспринимающие интероцептивные раздражения, обычно представлены свободными нервными окончаниями, которые медленно адаптируются или вообще не адаптируются и на продолжительное стимулирование отвечают длительными ритмическими посылками. Вегетативное обеспечение целостного организма должно быть сопряжено с активностью психической деятельности.
Интероцептивные сигналы с медленноадаптирующихся рецепторов имеют ритмический характер. Разные группы рецепторов имеют различные частотные характеристики, разную скорость проведения восходящих волокон, что характерно в основном для автономной нервной системы. Таким образом восходящий поток афферентации с большинства интерорецепторов носит постоянный ритмический характер в широком спектральном диапазоне [49].
Эфферентные и афферентные волокна вегетативных нервов имеют скорость проведения от единиц до 120 м/сек, соответственно диаметр от долей до 22 мкм (подразделяются на группы и подгуппы от С до Аа), что несомненно является основной из причин богатого спектрального состава восходящих и нисходящих вляний в ВНС.
Под влиянием внешних раздражений, доля ритмической активности в вегетативных нервах может возрастать до 49%, а при накоплении большого числа интероцептивных раздражений или при длительных стрессирующих воздействиях (голод, роды) - до 85%. Близость частотного диапазона биоэлектрической активности вегетативных нервов и других структур мозга отмечается в целом ряде исследований [179]. По мере увеличения мощности интероцептивных раздражений коэффициент корреляции между биоэлектрической активностью вегетативных нервов и мозговых структур достоверно возрастает [153].
По данным, приведенным в ряде литературных источников, известно, что появление общего ритма в разных структурах, зачастую отдаленных друг от друга (пространственная синхронизация по Ливанову), приводит к улучшению взаимодействия между ними. Доминирующий в данное время общий ритмический компонент, на основе которого формируется пространственная синхронизация, не является новым ритмом для взаимодействующих структур, но лишь более четко проступающей частотой, существовавшей и ранее в фоновой активности.
Таким образом, висцеральная сигнализация, способствует повышению общей активности коры головного мозга, в особенности ее ассоциативных областей, и тем самым созданию более благоприятных условий для проявления ответов на сенсорно-специфические сигналы, а так же вызывает активацию эфферентных выходов (моторных и вегетативных), необходимых для обеспечения целостных поведенческих актов. При различных патологических процессах, резкого усиления активности интероцептивной сигнализации, последняя может восприниматься уже на уровне сознания, вызывать «висцеральные» ощущения, а так же различные двигательные и сенсорные расстройства, изменение эмоционального «фона» и др., т.е. вести к нарушению интегративной деятельности мозга [7]. Интероцептивная сигнализация, не являясь экстренной, первостепенной и специфичной для высших сенсорных систем и даже чаще всего не доходя до уровня сознания, т.е. будучи «темным» ощущением, модулирует деятельность и функциональную настройку этих систем в соответствии с меняющимся внутренним состоянием организма [65].
Выбор времени суммации «Т» узкополосных фильтров для выделения глобального ритмического процесса
Известно, что в самой природе ЭЭГ- сигнала заложена существенная особенность — сильная нестационарность [41]. Тем не менее, во всем многообразии динамических проявлений ЭЭГ, наблюдаются и противоположные явления самоорганизации, приводящие к стабильным закономерностям. К одному из таких явлений можно отнести явление «кластеризации» частотных компонент - устойчивой активности отдельных спектральных полос (компонент) в течении относительно длительного времени у конкретного испытуемого. Такое явление обнаружено как под одним электродом [12], так и для глобальных динамических процессов - для одной частоты под множеством электродов [23].
В последние годы число работ, посвященных наличию в ЭЭГ узких де-терменированных частотных полос, их большой функциональной значимости неуклонно растет [85].
Выше было отмечено, что с позиции теоретической механики, множество равных или достаточно близких по частотам осцилляторов должны организовываться в функциональные объединения - частотные системы или «кластеры». Важным свойством последних является «эффект усреднения частоты» -генерация достаточно стабильной результирующей частоты (со стабильностью выше чем любой отдельно взятый составляющий систему осциллятор) и способность таких объединений эффективно накапливать энергию колебаний [16].
Какова ширина частотной полосы (эффект «кластеризации») 2AF в центре которой формируется стабильная центральная частота Fi? Как часто на частотной оси расположены частотные полосы и по какому закону? Постараемся ответить на эти вопросы. Математическое моделирование подобных процессов наталкивается на большую сложность в связи с описанием нелинейных нейродинамических систем. Поэтому рассмотрим импирические данные, которые можно получить в эксперементе и в будущем сформулировать модельные формализованные представления.
При регистрации глобальной ритмической составляющей с временем суммации 160 сек было отмечено наличие у одного человека доминирующих одной или нескольких центральных частот Fi на протяжении длительного времени наблюдения. Каждое из таких частотных образований было исследовано во времени с высокой разрешающей способностью по часоте (дискретность 0,05Гц). Строились спектрограммы со сдвигом спектров в 3 минуты на протяжении 90 минут исследования (до 30 кадров). Результаты статистических расчетов приведены в табл. 1 (См. так же Приложение табл. 6-7).
Из представленных примеров видно, что для трех зарегистрированных центральных частот Fi - 7,86 Гц; 27,00 Гц; 11,68Гц были получены соответственно полосы частотной девиации во времени 2AF шириной 0,32Гц, 0,84Гц, 0,38Гц, что составляло 3,5%, 2,8%, 3% от их центральных частот. Сходные результаты были получены другим автором при анализе коротких спектров в полосе 9,8-10,2Гц (20 сек) со сдвигом во времени 0,32 сек — 2,8-3% [12].
Если, к примеру, на электростанции работает десяток генераторов электрического тока, каждый из которых настроен примерно на частоту 50Гц, то за счет сильной связи последних через нагрузку на выходе такого «кластера» получается достаточно стабильная частота 50 Гц с шириной полосы частотной девиации 0,1-0,2%. Понятно, чем слабее связь между осцилляторами, тем шире полоса девиации будет в результирующем сигнале относительно центральной частоты.
Наш анализ ширины частотных полос 2AF, формирующихся в спектре ЭЭГ дает примерную оценку 2,8-3% от центральных частот. Если в нейронной популяции возникнет ритмически разряжающаяся клетка, то ее колебательная энергия будет интегрирована (захвачена) в соответствующую одночастотную систему или «кластер». Такие частотные системы должны формировать дискретный ряд центральных частот, отстоящих друг от друга на расстоянии не менее 2AF = 3% между центральными частотами. Разные авторы при спектральном исследовании предлагают выделять узкие поддиапазоны (частотные полосы) с равномерным шагом 1Гц, 0,5Гц, 0,2Гц [182, 55, 25], основываясь в основном на имеющихся технических возможностях.
Свойства самоорганизации в нелинейных системах является одной из самых сложных и слабо изученных областей знаний. Примером можно считать организацию дискретного ряда центральных частот в таком нейродинамиче-ском клеточном ансамбле как ЦНС.
С целью исследования минимального интервала между частотными полосами, был проведен анализ последовательности из нескольких частотных кластеров формирующихся на частотной оси (частота квантования 0,06Гц). Фрагмент анализа одной из таких записей показан на рис.10. В результате сум-мации 20 кадров пациента «А» (один кадр - результат суммации спектра за 160 сек, время между кадрами — 3 минуты) на частотной оси выделяются две спектральных частоты, расположенных наиболее близко друг к другу.
Исследование явления соматовисцеральной интеграции на когерентных модулях АС мозга
Как было показано выше, топическая локализация представительства отдельных внутренних органов и висцеральных афферентных систем в строго определенных стволовых, подкорковых и корковых структурах головного мозга ни у кого не вызывает сомнения. Установлено, что интероцептивные афферентные сигналы в значительной мере определяют рефлекторную возбудимость и функциональную настройку многообразных сенсорных систем. В различных исследованиях показана выраженная конвергенция висцеральных сигналов и различные формы их синаптического взаимодействия с соматосенсор-ными, вестибулярными, зрительными и другими афферентными сигналами. Нейронным субстратом, на котором конвергируют висцеральные и сенсорно-специфические афферентные посылки, являются неспецифические специализированные полисенсорные нейроны. Такие нейроны типичны для неспецифической активирующей системы, найдены в различных отделах и на различных этажах центральной нервной системы [105].
Предположим, что в условиях полного покоя, тонус активирующей системы мозга преимущественно определяется восходящими ритмическими посылками с фоновоактивных медленноадаптирующихся интерорецепторов висцеральной сферы [17,49,179]. В силу разной скорости проведения афферентных волокон (0,2-120м/сек), суммарная восходящая активность представляет собой разночастотный квазиритмичекий информационный поток, который разлагается на ритмические компонеты с помощью узкополосных фильтров - «частотных модулей» (КМі) активирующей системы мозга. Каждый «частотный модуль» - распределенная система клеток, разряжающаяся в данный момент на одной или близких частотах. В результате эффекта усреднения, такая масса клеток формирует достаточно стабильную центральную частоту. Спектральная мощность одночастотной системы полностью зависит от количества вовлеченных в электрогенез клеток, которая очевидно растет с увеличением возбуждающего восходящего афферентного потока. Преобладание в восходящем потоке активности блуждающего нерва приводит к повышению спектральной мощности низкочастотных модулей «дельта» диапазона, симпатической активности - сосудистых и мышечных афферентов - «альфа» и «бета» диапазонов [77]. Таким образом, анализ спектральной мощности центральных частот частотных модулей может дать представление о распределении и доминировании в данный момент времени активности определенной группы интерорецепторов (Рис.12). В силу большой постоянной времени медленноа-даптирующихся висцеральных рецепторов, время смены состояний «частотных модулей» активирующей системы мозга определяется сотнями секунд.
Что произойдет с рельефом спектральной мощности «частотных модулей» АС мозга при локальном раздражении соматического анализатора? Сильное локальное раздражение кожного анализатора должно затормозить вставочную полисенсорную клетку и соответственно восходящий ритмический поток от висцеральных афферентов, ослабить спектральную мощность «заинтересованного» частотного модуля. Слабое раздражение кожного анализатора - усилить проведение полисенсорных клеток и повысить интегрированный на них восходящий ритмический интероцептивный поток. Это явление известно как взаимная окклюзия анализаторных систем [71]. На основании вышесказанного, нами было предсказано явление частотной соматотопии -зависимость частоты (номера) возбуждаемого «частотного модуля» от топографии нанесения локального раздражения на поверхности кожного анализатора. Это связано с тем, что каждая полисенсорная клетка, уже с уровня спинного мозга, с одной стороны проводит определенный ритм от фоновоактивных висцеральных рецепторов, с другой - получает информацию от определенной группы топографически преформированных кожных рецепторов. Проверим это положение.
Будем наносить раздражение на кожный анализатор поверхностным уколом акупунктурной иглы или мазью «Финалгон», специфически раздражающей кожные болевые рецепторы. Зоны раздражения будем располагать в области кожных сегментов (дерматомов) в проекции паравертебральных отростков как указано на рис.2. Каждому пациенту было сделано три фоновых съема (кадра) и десять кадров после нанесения раздражения и появления предусмотренных ощущений. Съем каждого кадра занимал 3 минуты.
