1.1. Общие сведения об электрической активности мозга и ее регистрации

При напряженном ритме нынешней жизни и постоянном воздействии повреждающих факторов окружающей среды на наш организм ложится колоссальная нагрузка. Особенно это касается нервной системы, которая регулирует функционирование всех систем органов. В результате мы получаем хроническую усталость, головные боли, сосудистые кризы, гипертонию, больную спину, бессонницу, депрессию и многое другое.

Функционирование всех органов и систем организма зависит от состояния головного мозга, и если его работа нарушается, то это оказывает неблаготворное влияние на весь организм. Электроэнцефалография позволяет оценить функцию головного мозга. Информативность электроэнцефалографии высока, а получаемая информация имеет высокую диагностическую и научную ценность.

Электроэнцефалография – метод исследования головного мозга, основанный на регистрации его электрических потенциалов [1, 3, 4, 47-50, 58, 70, 114-116]. ЭЭГ представляет собой сложный колебательный электрический процесс, который может быть зарегистрирован при расположении электродов на мозге или на поверхности скальпа, и является результатом электрической суммации и фильтрации элементарных процессов, протекающих в нейронах (рисунок 1.1) головного мозга [2-6].

Рисунок 1.1. Структура нейрона коры головного мозга [143, 144].

Использование электроэнцефалограммы для изучения функций мозга и целей диагностики основано на знаниях, накопленных при наблюдениях за пациентами с различными поражениями мозга, а также на результатах экспериментальных исследованиях на животных. Весь опыт развития электроэнцефалографии, начиная с первых исследований Ханса Бергера в 1933 г., свидетельствует о том, что определенным электроэнцефалографическим феноменам или паттернам соответствуют определенные состояния мозга и его отдельных систем [1, 3, 4, 47-50, 58, 70]. Суммарная биоэлектрическая активность, регистрируемая с поверхности головы, характеризует состояние коры головного мозга как в целом, так и ее отдельных областей, а также функциональное состояние глубинных структур разного уровня [5, 6, 50, 58, 70, 114-116].

ЭЭГ является одним из самых информативных показателей локальных и общих физиологических и патологических перестроек функционального состояния мозга человека. ЭЭГ применяется в современной нейрофизиологии, а также в неврологии и психиатрии.

Общие представления о происхождении ЭЭГ. В основе колебаний потенциалов, регистрируемых с поверхности головы в виде ЭЭГ, лежат изменения внутриклеточных мембранных потенциалов (МП) корковых пирамидных нейронов [1, 5, 6, 50, 58, 70, 114-116]. При изменении внутриклеточного МП нейрона во внеклеточном пространстве, где расположены глиальные клетки, возникает разность потенциалов — фокальный потенциал. Потенциалы, возникающие во внеклеточном пространстве в популяции нейронов, представляют собой сумму таких отдельных фокальных потенциалов. Суммарные фокальные потенциалы могут быть зарегистрированы с помощью электропроводных датчиков от разных структур мозга, от поверхности коры или с поверхности черепа [4-6].

Основным свойством суммарной электрической активности мозга является ее периодическое изменение во времени — ритмическая организация. Происхождение и роль ритмических электрических процессов в мозге еще окончательно не изучены. Экспериментальные исследования на животных и препаратах нервной ткани in vitro позволили обнаружить два механизма ритмических осцилляций МП нейронов, которые лежат в основе ритмических колебаний биопотенциалов, регистрируемых на ЭЭГ [7-9, 10, 18, 19, 38, 46].

Основной механизм ритмических осцилляций МП нейронов – возвратное торможение в нейронных сетях. Локальные сети нейронов включают так называемые вставочные клетки (интернейроны), оказывающие влияние на основные единицы по принципу обратной связи. Если на нейрон (основной) поступает возбуждение от предыдущего звена нейронной сети, его МП изменяется — возникает положительное отклонение в виде возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). Это изменение приводит к возникновению импульсов, которые передаются по аксону и вызывают возбуждение в следующем звене (вставочном нейроне). Вставочный нейрон образует на основном тормозный синапс, его активация вызывает развитие тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП) и прекращение импульсации основного нейрона [8, 9, 38, 49, 58]. Такая последовательность событий приводит к развитию ритмического колебания мембранного потенциала, вызывающего во внеклеточной среде соответствующие колебания фокального потенциала. Благодаря тому, что клетки сложноорганизованных структур мозга (например, пирамидные клетки коры) расположены не хаотично, а организованы в параллельные колонки, ритмические фокальные потенциалы большого количества нейронов суммируются в пространстве и регистрируются с поверхности черепа. Возникающие таким образом суммарные ритмические электрические потенциалы зависят от свойств нейронных сетей и самих нейронов [8, 9, 38, 49, 58, 70, 114-118, 121].

Другой механизм, открытый относительно недавно, – эндогенные (внутренние) колебания МП, не связанные непосредственно с афферентным притоком. Нейрон, обладающий эндогенными пейсмекерными (пейсмекер – водитель ритма) свойствами, выдает на выходе импульсы в виде ритмических пачек и распространяет их через свои отростки на другие нейроны, где возникают ритмические постсинаптические изменения МП. Если нейронов-пейсмекеров достаточно много, то и суммарный потенциал, регистрируемый от популяции таких нейронов, будет ритмическим. Такой механизм генерации ритмической электрической активности обнаружен в глубинных структурах мозга (гиппокампе, таламических и гипоталамических ядрах). Ритмогенные влияния в этом случае распространяются на кору через корково-подкорковые возвратные связи [5, 6, 8, 9, 49, 50, 58, 70, 114-118, 121].

Описанные механизмы лежат в основе всех существующих моделей нейронов.

Основные ритмы и их частотные диапазоны. Частотный диапазон ЭЭГ сигнала лежит в пределах от 0,1 до 120-170 Гц, а по данным некоторых авторов — до 500 Гц. Согласно международной классификации колебания ЭЭГ делятся на следующие частотные диапазоны [1, 50, 70, 116], обозначаемые буквами греческого алфавита:

δ - дельта — ниже 3,5 Гц (обычно 0,1-3,5 Гц);

θ - тета — 4-7,5 Гц;

α - альфа —8-13,5 Гц;

β - бета — свыше 14 Гц;

γ - гамма — свыше 35 Гц.

Альфа-ритм — основной ритм электроэнцефалограммы в состоянии относительного покоя. Его частотный диапазон у взрослых — 8-13,5 Гц, средняя амплитуда — 30-70 мкВ с характерным периодическим усилением (альфа-веретена). Ритмичность и четкая периодичность альфа-ритма определяют его возможную роль в сканировании и квантовании поступающей информации [1, 3, 6, 7]. Оценка параметров альфа-ритма и их динамических характеристик используется для диагностики функционального состояния ЦНС, при изучении мозгового обеспечения когнитивных процессов, их возрастных и индивидуальных особенностей [1, 10, 50, 70, 116].

Бета-ритм – последовательность бета-волн, следующих с частотой 14-35 Гц, причем, чем выше частота бета-ритма, тем ниже, как правило, его амплитуда. Бета-ритм рассматривается в качестве показателя высокой активированности коры больших полушарий. Бета-ритм человека является электроэнцефалографическим индикатором высокого уровня бодрствования. Различают два диапазона: 1) 14-20 Гц и 2) 20-35 Гц; иногда (для целей спектрального анализа ЭЭГ) три поддиапазона: 1) 14-18,5 Гц; 2) 18,5-21,5 Гц; 3) 21,5-35 Гц [1, 50, 70, 116].

Гамма-ритм – электроэнцефалографический сигнал в диапазоне выше 35 Гц. Амплитуда этих колебаний не превышает 15 мкВ и обратно пропорциональна частоте.

Дельта-ритм – серии периодически повторяющихся с частотой 1-4 Гц дельта-волн. Дельта-ритм — характерный элемент ЭЭГ сна. Дельта-ритм наблюдается в ЭЭГ, регистрируемой у людей после повреждения коры больших полушарий. В последнем случае максимальная его амплитуда наблюдается на границе опухоли или травматического очага. Дельта-ритм с амплитудой не более 20-30 мкВ встречается в ЭЭГ здоровых людей во время сна и при бодрствовании [1, 50, 60, 70, 116].

Тета-ритм – ритмические колебания потенциалов электроэнцефалограммы с частотой 4-7,5 Гц, амплитудой 10-200 мкВ. Низкоамплитудный (25-35 мкВ) тета-ритм в ЭЭГ человека может составлять один из компонентов нормальной ЭЭГ покоя. Пароксизмальные и асимметричные тета-волны у взрослых людей в состоянии бодрствования, а также относительно высокое содержание симметричных тета-волн следует рассматривать как признак изменения функционального состояния мозга. Эмоциональное напряжение приводит к увеличению спектральной мощности тета-волн и увеличению пространственной синхронизации между ними [1, 50, 70, 116].

Основным ритмом в ЭЭГ взрослого человека является альфа-ритм, максимально выраженный в каудальных (от лат. cauda — хвост) отделах коры больших полушарий (затылочной и теменной областях). Существует связь отдельных ритмов с определенными механизмами генерации в глубинных подкорковых структурах. В генерации альфа-ритма участвуют специфические ядра таламуса, в генерации тета-ритма — структуры гиппокампа, гамма ритм генерируется только в коре. Поэтому в ЭЭГ исследованиях важно использовать так называемые функционально-топографический подход к оценке ритмов ЭЭГ, учитывающих их локализацию в коре и реактивность к внешним воздействиям. В ЭЭГ исследованиях используются следующие основные методы: визуальная оценка нативной ЭЭГ, спектрально-корреляционный анализ с оценкой спектра мощности и функции когенертности (Ког) ритмических составляющих ЭЭГ [1, 10, 50, 70, 116, 118].

Наиболее информативной является регистрация ЭЭГ больных с эпилептическими припадками [11-14, 61, 63, 69, 71-78]. ЭЭГ является первым и часто единственным неврологическим амбулаторным исследованием, которое проводится при эпилептических приступах.

В первую очередь ЭЭГ помогает отличить эпилептические приступы от неэпилептических и классифицировать их [11].

С помощью ЭЭГ можно:

- установить участки мозга, участвующие в провоцировании приступов;

- следить за динамикой действия лекарственных препаратов;

- решить вопрос о прекращении лекарственной терапии;

- идентифицировать степень нарушения работы мозга в межприступные периоды.

Правильное интерпретирование сигналов на ЭЭГ - в какой-то мере искусство.

При эпилепсии на ЭЭГ появляются специфические изменения (эпилептическая активность) в виде разрядов острых волн и пиков более высокой амплитуды, чем обычные волны [11, 12, 14, 61, 63, 69, 71-78]. Специалист на основании данных ЭЭГ может установить, какие изменения произошли в мозге, уточнить тип приступов, и, исходя из этого, определить, какие препараты будут предпочтительны при лечении [11, 14, 61, 63, 69, 71-78].

Рассмотренные в разделе 1.1 особенности формирования ЭЭГ и ее параметры будут использованы в последующих главах при анализе теоретической модели и экспериментальных данных.