Тета ритмы что это
Ритмы при ЭЭГ — обозначение и расшифровка
Ритмы ЭЭГ – это диагностируемые электрические колебания головного мозга. Различные степени бодрствования сопровождаются изменениями частотного спектра сигналов ЭЭГ.
В зависимости от амплитуды, формы волн, топографии, частотного диапазона и типа реакции различают ритмы электроэнцефалографии.
Основные ритмы ЭЭГ обозначают греческими буквами:
Как работает электроэнцефалография?
Передача сигналов в нервной системе человека осуществляется как химическим (с помощью нейротрансмиттеров), так и электрическим (потенциалы действия) путем. Одиночный потенциал действия или мембранное напряжение одного нейрона являются слишком слабыми, чтобы их было возможно уловить не инвазивными методами диагностики. Однако электроды могут улавливать суммирование синхронно действующих потенциалов действия и сделать колебания электрической активности видимыми.
Существует определенная связь между психическим состоянием человека и волнами ЭЭГ. Отклонения или необычные мозговые волны могут указывать на патологию. Анализом и описанием таких волн занимается невролог.
Электроды измеряют активность тех частей коры головного мозга, которые имеют высокую плотность нервных клеток. Однако ЭЭГ измеряет не только электрический потенциал нервных клеток в головном мозге, но также мышцы головы и кожи. Соответственно, основные ритмы ЭЭГ не отражают точную активность нейронов. Ритмы ЭЭГ и их связь с функциональным состоянием мозга является предметом споров в научной среде.
Дельта-ритмы
Дельта-ритмы ЭЭГ имеют низкую частоту от 0,1 до
Нормы показателей ритмов на ЭЭГ
По результатам ЭЭГ врач делает заключение, исходя из которого, больному будет поставлен диагноз и определена стратегия лечения. При этом принимаются во внимание индивидуальные особенности организма – возраст, наличие хронических заболеваний и т.д. Отклонения показателей мозговой деятельности могут свидетельствовать о заболевании.
Нормы и нарушения альфа-ритма
Это колебания, частота которых в норме варьирует в пределах от 8 Гц до14 Гц, а максимум амплитуды ограничивается 100 мкВ. К признакам патологических изменений альфа-ритма относят:
Перечисленные нарушения свидетельствуют об асимметрии полушарий, которая может оказаться симптомом наличия опухоли, кровоизлияния, инсульта или другой патологии мозга, локализованной в одном полушарии. Превышение частотной нормы – признак травмы черепа или мозговой ткани.
Нормы и нарушения бета-ритма
На сегодняшний день нормальными показателями принято считать колебания от 3 мкВ до 5 мкВ, которая фиксируется в обоих полушариях мозга. Чересчур высокая амплитуда бета-ритмов может говорить о сотрясении мозга. Так называемые короткие веретена на ЭЭГ – признак заболевания энцефалитом. Если длительность и частота веретен возрастают, это является признаком воспаления тканей мозга.
Для детского возраста бета-ритмы, частота которых стабилизирована в пределах 15-16 Гц, а амплитуда лежит между 40 мкВ и 50 мкВ, считаются признаком патологии. Особенно настораживает врача локализация колебаний в передней либо центральной зоне мозга. В этом случае можно говорить о возможности задержек в умственном развитии младенца.
Нормы и нарушения дельта- и тэта-ритмов
Врачи могут заподозрить функциональное расстройство мозга, если амплитуда дельта и тэта-ритмов увеличена более чем до 45 мкВ, и это увеличение носит постоянный характер. Если такая картина наблюдается для всех долей мозга, с большой долей вероятности, можно говорить о тяжёлом поражении нервной системы.
Чрезмерно высокая амплитуда дельта-колебаний нередко служит симптомом развития опухоли. Рост показателей тэта и дельта, локализованный для затылочной части мозга, являются тревожным признаком, когда фиксируются у ребёнка: это может говорить о задержке его развития, заторможенной психике и даже о нарушениях кровообращения мозга.
Электроэнцефалография и ее клиническое значение
Биофизическим проявлением функционирования нервной системы является спонтанная электрическая активность. Благодаря процессам генерации электрических импульсов, их подавления, передачи, нервные клетки объединяются в единую систему, управляющую организмом. Данную электрическую активность можно зарегистрировать в нервной системе на любом уровне.
Электроэнцефалография — раздел электрофизиологии центральной нервной системы (ЦНС), занимающийся изучением закономерностей распространения электрической активности в головном мозге для определения функционального состояния головного мозга. В настоящее время данная методика нашла очень широкое применение в неврологии, нейрохирургии, психиатрии, эндокринологии и является ведущей при изучении функции ЦНС. Методика основана на регистрации электрической активности, являющейся основой функционирования всякой возбудимой ткани организма.
Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) — кривая, получаемая при регистрации электрической активности головного мозга через ткани черепа. Регистрация потенциалов непосредственно с коры головного мозга называется электрокортикограммой.
Электрическая активность в коре головного мозга была обнаружена физиологами еще в середине прошлого столетия (1849 г.), когда была выявлена электронегативность в месте разреза головного мозга лягушки и черепахи. Затем дли¬тельное время электрическую активность мозга никто не изучал. Только в 1875 — 1876 г. возобновили изучение потенциалов головного мозга животных при различных раздражениях (Данилевский В. Я., Caton). В 1884 г. Введенский Н. Е. приме¬нил телефон для прослушивания электрических процессов в мышцах и нервах, а в дальнейшем и в нервных центрах. В дальнейшем изучение электрофизиологии головного мозга проводилось с помощью гальванометров, которые из-за своей инертности позволяли наблюдать изменение постоянного потенциала при различных раздражениях, т. е. фиксировались медленные колебания в коре. Быстрые ритмы определялись со значительными искажениями.
Началом клинической ЭЭГ считают 1924 г., когда Ганс Бергер впервые осуществил регистрацию ЭЭГ сигналов у человека. Тогда же в его работах было да¬но описание основных ритмов. В 1936 году G.Walter при исследовании больных с опухолью головного мозга обнаружил, что изменения ритмов могут иметь диагностическое значение. В ЭЭГ больных он нашел медленные волны, которые, назвал Дельта-волнами. В США в середине 30-х годов Devis, Jasper и Gibbs обнаружили специфические проявления на ЭЭГ у больных с малыми эпилептическими припадками.
В дальнейшем ЭЭГ развивалась двумя путями: совершенствование технической базы, с созданием новых, более чувствительных и точных приборов; исследование феноменологии ЭЭГ и совершенствование диагностики. Но постоянно перед энцефалографистами вставал вопрос о локализации и механизме гене¬рации импульсов. В этом направлении были достигнуты значительные успехи, особенно после начала изучения нейрофизиологии отдельных нейронов. Это имело важное значение для понимания природы ЭЭГ.
В настоящее время установлено, что центральная нервная система на всех своих уровнях генерирует спонтанную электрическую активность. Эта ритмика сложна, особенно в коре больших полушарий, она зависит от функциональной организации и изменяется под действием различных раздражителей.
Существует много теорий объяснения природы данных ритмических процессов, основанных на изучении электрической активности отдельных нейронов, синоптических потенциалов. Установлено, что нейроны, даже находящиеся близко друг от друга, обладают различной активностью. Но если считать, что нейроны все работают независимо друг от друга, тогда каким образом из этой шумовой кривой получается ритмическая активность, наблюдаемая на ЭЭГ. Наличие ритмов на ЭЭГ сейчас считают прямым показателем того, что нейроны мозга синхронизируют свою активность сложным образом, что позволяет системе функционировать как единому целому. Т.е. нейроны работают в едином динамическом соотношении, и изменение соотношений на разных уровнях организации, межуровневых соотношений приведет к изменению ритмической активности, что будет прямым отражением изменения функционального состояния.
Оборудование
Для регистрации ЭЭГ используют приборы, называемые Электроэнцефалографами. Они состоят из электродной части, системы усилителей, регистрирующего прибора. Электроды бывают разными: чашечковые и мостиковые. Изготавливают их из электропроводного угля или из металла с хлорсеребряным покрытием. Такое покрытие необходимо, что бы на электроде не накапливался постоянный потенциал, который вызывает поляризацию электрода. Это приводит к появлению помех. Менее всего поляризуются неметаллические электроды.
Для обеспечения точной регистрации используют параллельные синфазные усилители с режекционным фильтром. Это позволяет бороться с сетевыми помехами. По своему качеству усилители сейчас позволяют проводить запись без электроизолированной камеры и без заземления.
Регистрирующий прибор. Первоначально в качестве регистратора использовались пишущие приборы с подачей бумажной ленты. Они различались на чернильные приборы, приборы с термопером. Но расходные материалы были достаточно дороги. Сейчас в качестве регистрирующего прибора используют компьютерную технику. С приходом компьютерной техники появилась возможность не только записывать ЭЭГ на небумажный носитель, но так же проводить дополнительную математическую обработку ЭЭГ. Это повысило разрешающую способность метода.
Наложение электродов проводится так же различными способами. Международной системой, принятой за эталон, является система 10 — 20. Электроды накладывают следующим образом. Измеряют расстояние по сагиттальной линии от Inion до Nasion и принимают его за 100%. В 10% этого расстояния от Inion и Nasion соответственно устанавливают нижние лобные и затылочные электроды. Остальные расставляют на равном расстоянии составляющем 20% от расстояния inion — nasion. Вторая основная линия проходит между слуховыми проходами через макушку.
Нижние височные электроды располагают соответственно в 10% этого расстояния над слуховыми проходами, а остальные электроды этой линии на расстоянии 20% длины биаурикулярной линии. Буквенные символы обозначают соответственно области мозга и ориентиры на голове: О — occipitalis, F — frontalis, A — auricularis, P — parietalis, С — centralis, Т — temporalis. Нечетные номера соответствуют электродам левого полушария, четные — правому.
По системе Юнга лобные электроды (Fd, Fs) располагают в верхней части лба на расстоянии 3 — 4 см от средней линии, затылочные (Od, Os) — на 3 см выше от inion и на 3 — 4 см от средней линии. Отрезки линий Od — Fd и Os — Fs делят на три равные части и в точках деления устанавливают центральные (Cd, Cs) и теменные (Pd, Ps) электроды. На горизонтальном уровне верхнего края ушной раковины по фронтальной линии Cd — Cs устанавливают передние височные (Tad, Tas), а по фронтальной линии Ps — Pd — задние височные (Tpd, Tps).
Преимуществом системы 10 — 20 является большое количество электродов (от 16 до 19 — 24), но эта система требует более чувствительного оборудования, т.к. межэлектродное расстояние мало и потенциал слаб. Система Юнга дает достаточное расстояние и все электроды равномерно распределены по поверхности головы, но степень локализации при отведении недостаточна.
Способ отведения потенциала так же может быть различен. Общепринятой является система монополярной записи. При этом электроды на голове являются активными и регистрируют изменение потенциала относительно индифферентно¬го электрода (чаще всего располагают на мочках ушей). Биполярная запись определяет изменение потенциала между двумя электродами, расположенными в разных точках на поверхности скальпа.
Нормальный рисунок ЭЭГ
В норме ЭЭГ снимается в состоянии спокойного бодрствования, когда пациент сидит с закрытыми глазами, расслабившись. В своей основе нормальная ЭЭГ представляет достаточно организованную кривую, состоящую преимущественно из быстрых ритмов, которые имеют определенную пространственную и временную организацию.
Параметры нормального альфа-ритма
Частота 8-13 Гц, по некоторым авторам признается частота 7-12 Гц или 8-12 Гц. Чаще всего в нормальном состоянии встречается частота 9-10 Гц, что можно назвать норморитмом. Тогда среднюю частоту 8-9 (7-9) Гц можно считать замедленным альфа ритмом, а 11-12 Гц — учащенным. Естественно замедлен¬ный и учащенный ритмы уже выходят за рамки нормы (у взрослых людей) и могут рассматриваться, как условно патологические (по Гриндель О. М.)
Амплитуда в норме составляет 20-80 мкВ. Некоторые авторы признают за норму 20 110 мкВ. Амплитуда в норме варьирует в зависимости от возраста.
Зональное распределение — в норме определяются затылочно-теменной зоной, где ритм наиболее выражен. Данное положение признается всеми одинаково.
Модулированность характеризуется волнообразным изменением амплитуды ритма.
Синусоидальность устанавливает в норме закругленность вершин. При ком-пьютерной визуализации синусоидальность не выявляется столь четко (при 8-ми битовой записи) и все ритмы кажутся заостренными. Но, как правило, истинное заострение ритма должно сочетаться с другими нарушениями нормального ритма.
Симметричность по амплитуде и частоте. Достоверность амплитудной сим¬метрии устанавливается путем хорошего наложения электродов с измерением импеданса. Частотная асимметрия так же должна быть объективизирована (критерии достоверности). При этом надо учитывать наличие физиологической асим¬метрии полушарий.
Реакция активации альфа-ритма, т. е. его угнетение при открывании глаз или вспышке света. Данный феномен является одним из основных в характери¬стике альфа-ритма. По нему можно точно отнести выявляемый ритм к альфа-ритму.
Индекс альфа-ритма, который в норме составляет 80 %. При математической обработке индекс можно вычислять, как процент мощности альфа-ритма относительно мощности остальных ритмов в затылочных и теменных отведениях.
Параметры нормального бета ритма
Амплитуда мала — 10—15 мкВ.
Зональность — в норме распределяется в передне-центральных и височных отделах. По мнению Жирмунской Е.А. Бета 1-ритм не является чисто физиологическим и для нормы не характерен. Височный бета ритм часто бывает результатом мышечного артефакта.
Ц-ритм — является вариантом нормального ритма частотой 8 — 13 Гц и выявляется в центральных отделах. Имеет следующие особенности: исчезает при контралатеральном активном сжимании кисти в кулак, узко локализован в цен¬тральных отделах.Медленные ритмы, встречающиеся в норме.
Тета-ритм — частота 4—8 Гц, амплитуда до 30—40 мкВ.
Дельта-ритм — частота 0,5—4 Гц, амплитуда до 30—40 мкВ.
Регионарные особенности ЭЭГ
Доминирующий ритм — это ритм потенциалов, преобладающий на данном участке кривой и при визуальном анализе отличается наибольшей периодичностью и регулярностью, а при частотном анализе — наибольшей амплитудой.Затылочная, теменно-затылочная и височно-затылочная область. Четко выражен доминирующий альфа-ритм, двухфазный, синусоидальный, подавляе¬мый на открывание глаз. Появление в задне-теменной и теменной области ритма частотой в 20—26 Гц, в состоянии покоя, может рассматриваться, как ирритация коры.
Передние отделы полушарий — прецентральная и лобная области. Частые ритмы усилены, альфа почти не прослеживается. Тета-ритм снижен по сравнению с центральными отделами.
Т. о. фоновый рисунок ЭЭГ представляет собой сложный организованный волновой процесс, состоящий из веретен модулированного в разной степени альфа-ритма, на фоне низкоамплитудной высокочастотной активности типа бета-ритма. Данный паттерн проявляется в задних отделах. В более оральных отделах появляются элементы медленноволновой активности с фоновым бета-ритмом.
Теоретически происхождение основного рисунка ЭЭГ выводится из биофизической предпосылки, что каждая клетка представляет собой малый генератор импульсов. Но ЦНС нельзя воспринимать, как совокупность различных центров, которые в свою очередь состоят из отдельных, элементарных (пусть даже взаимосвязанных процессами возбуждения и торможения) генераторов импульсов. Нервная система является сложной, сбалансированной, гибкой системой, функция которой определяется, в первую очередь, морфологическими и динамически¬ми связями. Это подтверждается большими компенсаторными возможностями НС.
Филогенетически оральный ганглий червя развился в обонятельный мозг, который в дальнейшем развитии дополнился зрительным мозгом и лимбической корой для организации поведенческих реакций. С увеличением сложности афферентной импульсации организуется таламическая система. С усложнением движений образуется подкорковая экстрапирамидная система. Последней формируется кора. Параллельно с возникновением новых структур усложняется и организация системы. Чтобы обеспечить все многообразие связей, их гибкость и постоянство, система должна иметь энергетическую и информационную подпитку. Организуется дополнительная, недифференцированная система — ретикулярная формация. Следовательно, основными функциональными структурами, определяющими активность мозга, являются кора, подкорковые отделы и ретикулярная формация.
Взаимосвязь ритмов, независимо от амплитудных значений, математически оценивается когерентностью, кроскорелляцией и фазностью. По волновой теории (Гриндель О. М. с соавт.), построенной на основании анализа большого количества данных, все ЭЭГ были разделены на два больших типа по характеру связей: волновой и импульсный (20%). Волновой тип, являясь более распространенным, определяет сбалансированность и постоянство циклических процессов, что согласуется с принципом активной обратной связи (по Анохину П. К.). Когерентность максимальна в лобных отделах по всем диапазонам волн и минимальна в затылочных. Учитывая, что когерентность определяет степень связи, можно считать, что в затылочных отделах происходит образование большого количества разобщенных источников, а в лобных отделах они объединяются единой организующей силой. Попробуем объяснить процессы следующим образом.
Афферентные импульсы приходят в таламус, где переключаются и после определенной обработки переходят в кору (общепринятое представление). По теории динамической локализации функций в коре (Павлов И. П.) импульсы функ¬ционально приходят в разные отделы, что приводит к возникновению многих центров по обработке разнородной информации. Совокупность центров дает сочета¬ние импульсов, проявляющегося в затылке (не удивительно т. к. основная часть информации приходит к зрительным центрам, кроме того, в височно-затылочные области приходит разнородная информация от других аффекторов) (Кроль Б. М.). Эта информация достаточно не специфична в состоянии спокойного бодрствования. Посылки идут импульсно, что согласуется с триггерной функцией таламуса (иные посылки не будут приводить к образованию центров с учетом функциональной рефрактерности последних). Импульсность выражается в модулированности альфа-ритма в затылочных отделах и несовпадении по фазе огибающей веретен в разных отведениях (видно на глаз при оценке кривой). Подобные процессы про¬исходят в центральных отделах, где стыкуются афферентный и эфферентный (двигательный) анализаторы. Благодаря этой стыковке степень рассогласования процессов меньше. Далее идет сложный процесс восприятия и анализа раздра¬жении «на местах». В лобных отделах происходит интегрирование всей информации и формирование единого действия. Это приводит к возникновению в лобных отделах единого центра, но более медленного по волновой функции. Далее информация идет в подкорковые структуры и реализуется системой в виде произвольных реакций. Волновой круг информации замыкается и начинается новый, что также определяет степень модулированности.
Картина ЭЭГ меняется при проведении функциональных проб. При функциональных пробах происходит повышение активности тех или иных структур. В качестве нагрузок используют следующие: открывание глаз, вспышка света, гипер-вентиляция, фотостимуляция, фоностимуляция.
Проба «Открывание глаз». При открывании глаз на ЭЭГ альфа-ритм исчезает и заменяется быстрыми ритмами (реакция активации). При этом оценивают скорость наступления реакции, степень угнетения альфа-ритма, стойкость активации (по нашим данным замечено, что в среднем реакция сохраняется 20 — 25 с, далее появляются элементы альфа-ритма). После закрывания глаз, в норме, наступает реакция отдачи, которая проявляется во временном усилении основного ритма. При этом оценивают латенцию восстановления основного ритма, степень и стойкость реакции отдачи. При данной пробе оценивают реактивность коры, стойкость процессов возбуждения в коре, выраженность тонуса подкорки. Данная проба более физиологична, чем реакция активации на вспышку света и несет больше информации. (Но реакцию на вспышку света можно использовать при обследовании коматозных больных). Процессы, происходящие при реакции активации, функционально можно представить следующим образом. Открывание глаз значительно усиливает поток импульсов в корковые отделы, что приводит к повышению дифференцировки коры. Это проявляется на ЭЭГ в виде реакции активации с десинхронизацией (внешняя десинхронизация) за счет быстрых ритмов. Математически происходит усиление градиента когерентности, но в целом когерентность остается на основном уровне т.к. физиологическая активация не нарушает системы связей.
Проба с гипервентиляцией. При проведении пробы больной усиленно дышит, акцентируя внимание больше на выдохе. Гипервентиляция проводится в течение 3 мин. При экспертизе, при специальных обследованиях, проводят 5 минутную гипервентиляцию. На ЭЭГ, при проведении пробы возникает усиление альфа-ритма с его незначительным замедлением и перераспределением на передние отделы. Степень модулированности уменьшается. Физиологически при гипервентиляции снижается парциальное давление С02 в крови. Это приводит к активации неспецифических подкорковых структур и усиливает поток неспецифических, синхронизирующих импульсов в кору. При перевозбуждении подкорковых отделов возникает островолновая активность на ЭЭГ (наступает в норме при гипервентиляции более пяти минут).
Фотостимуляция. Проводится в двух вариантах: ритмическая и триггерная. При ритмической фотостимуляции вспышки света подаются ритмично с определенной частотой. Используют различные частотные диапазоны. При ритмической стимуляции возникает реакция усвоения ритма. На ЭЭГ появляется ритм, соответствующий по частоте ритму стимуляции. При спектральном анализе можно выявить не только усвоение ритма по основной гармонике (частоте стимуляции), но и субгармоники, как правило, по частотам, четным основной частоте стимуляции. В норме перестройка ритма у людей выражена в разной степени. Но чаще усваиваются средние и быстрые ритмы, без выраженной асимметрии, преимущественно в задних или центральных отделах. По степени усвоения ритма, соблюдению частоты гармоник, симметричности можно оценить степень триггер-ной функции таламуса, подвижность процессов в коре. Триггерная стимуляция проводится путем подачи световых раздражении с частотой основного ритма ЭЭГ. Для этого используют специальные синхронизирующие устройства.
Дополнительные способы анализа ЭЭГ
В настоящее время основным способом анализа ЭЭГ остается визуальный анализ. Из дополнительных методов анализа используют расчет спектра мощности с применением быстрого преобразования Фурье. Спектр мощности показывает степень выраженности ритма данной частоты. Наглядно спектр мощности представляется в виде усредненных кривых, распределения спектров мощности по эпохам, спектральное картирование.
Другим дополнительным методом является расчет когерентности. Когерентность показывает степень схожести колебательных процессов в двух разных точках, независимо от их амплитудной представленности. Установлено, что среднее значение когерентности постоянно и отражает степень стабильности связей в системе.
Последнее время используется еще один способ обработки. Это локализация источников патологической активности методом Многошаговой дипольной локализации. Путем многочисленных расчетов создается математическая модель вероятного расположения источника данной волны. Данная модель сравнивается с амплитудным распределением тех же волн на скальпе. Для локализации ис¬пользуют только те срезы ЭЭГ, которые имеют заданную вероятность сходимости расчетной модели и скальповой записи. Достоверной считается вероятность 0,95 и более.
В поисках биомаркера аутизма
Мы с Татьяной договорились встретиться на даче. Дача, и это, конечно же, не случайно, соседствует со Звенигородской биостанцией и заказником биологического факультета МГУ, располагаясь на краю академического посёлка. Веранда и большой овальный стол, за которым умещается много гостей. Мы сидим за ним вдвоём и беседуем о том, как складывался её путь в нейрофизиологии — самой, пожалуй, загадочной науке, исследующей глубинные механизмы работы нашего мозга.
Татьяна Строганова
Профессор, доктор биологических наук, руководитель Центра нейрокогнитивных исследований (МЭГ-центра) Московского городского психолого-педагогического университета (МГППУ). Сама она называет себя нейрофизиологом, исследующим человеческий мозг. Сначала — с помощью электроэнцефалографа, а в последние годы — используя высокоточный магнитоэнцефалограф (МЭГ). Главный научный интерес нейрофизиолога Татьяны Строгановой — измерения и анализ ритмов коры головного мозга. В последнее время она занимается поисками биомаркера аутизма, объединив свои усилия с генетиками и нейрофизиологами, экспериментирующими с животными. Если учёные добьются успеха, диагностировать аутизм можно будет уже в младенческом возрасте.
Ирина Федотова: У тебя в роду четыре поколения биологов — непрерывная традиция. Наверное, это повлияло на твой выбор? — Пойти на биофак МГУ и стать нейрофизиологом.
Татьяна Строганова: Нейрофизиологом — это, естественно, на биофак. Этому просто нигде не учили и не учат, кроме как на кафедре высшей нервной деятельности биофака. Это — уникальное место, потому что там соединяются клеточные нейрофизиологи и нейрохимики с теми, кто занимается мозговыми структурами и с теми, кто изучает мозг человека. Обычно те люди, которые занимаются клеточной или животной нейрофизиологией, с людской нейрофизиологией не очень-то соприкасаются. Но ведь если ты не понимаешь базовые процессы, бесполезно двигаться дальше.
И.Ф.: То есть если ты не понимаешь, что происходит у крыс.
Т.С.: Да, абсолютно точно — наверху то же самое, что и внизу. И именно эта кафедра давала возможность выстроить эту последовательность — от крысы к человеку. Более того — от нейрона к человеку, от одного нейрона к ткани, и потом к крысе, потому что крыса — это уже сложнейшее существо, с мозговыми структурами.
Этим, вообще-то, и отличается настоящая наука, которая идет от простого к сложному. В ней все логично. И та закалка, которую я получила на факультете и на кафедре, осталась со мной всегда. Прививка против «натурфилософии».
И.Ф.: А ты знала, куда идешь, когда поступала на биофак?
Т.С.: Конечно не знала. Все просто удачно получилось. В 15-летнем возрасте невозможно сделать разумный выбор профессии — ты, в первую очередь, не знаешь саму себя.
И то, что я занялась мозгом после университета — тоже была в значительной мере случайность. У меня была мачеха — человек весьма харизматичный, и она как раз занималась энцефалограммами (ЭЭГ). Так часто бывает, когда человек, с которым ты общаешься, влияет на твой выбор. Биология — это точно была биология, а вот что в биологии. А мозг — это, во-первых, потому что было «модно» и, во-вторых, — потому что была мачеха.
А дальше уже началось взаимодействие этого случайного выбора под влиянием конкретного человека и моей собственной натуры, которая хочет изначальной простоты. Мне казалось, что нужно идти или в Институт нейрохирургии имени Бурденко, и тогда это вживлённые в мозг человека электроды. Другой вариант — если уж мы изучаем мозг с помощью ЭЭГ, то надо спускаться к новорожденным и младенцам.
И тут повлияла очень смешная вещь, потому что мне тогда казалось, что я ничего не умею и не знаю. И что я сама по себе, такая какая есть, не представляю собой никакого интереса. И как это я приду в институт и скажу «возьмите меня в лабораторию»? Что я могу им предъявить? И я побоялась идти в Институт Бурденко.
Т.С.: После моего красного диплома на биофаке. И уже потом я узнала, что это черта многих женщин, которые на самом деле добиваются успеха.
Я не знаю, завышенная ли это требовательность или же просто неадекватность оценки. Для меня это и потом было всегда характерно. А дальше, опять же, по стечению обстоятельств, а точнее — благодаря связям моей бабушки, я попала в Институт мозга РАМН. В лабораторию, которая занималась ранним развитием мозга животных. И там была дама — Раиса Ивановна Поликанина, которая единственная в этой лаборатории, да и вообще в СССР, занималась ЭЭГ новорожденных. А у меня тогда было сложное положение, потому что в начале 5-го курса у нас родилась Аська. денег не было, и родители нам не помогали. И тут — бабушка подсобила.
И.Ф.: И ты получила то, что хотела, чем ты считала нужным заниматься в науке.
Т.С.: Да, получила ровно то. А дальше, буквально через три месяца после начала работы отправили на пенсию мою научную руководительницу. И я оказалась один на один с новорожденными. К счастью, у меня уже был опыт обращения с ними, поскольку я сама недавно родила ребенка.
Мне был 21 год. И я оказалась без человека, который мог бы поставить мне задачу. Один на один с этой очень непростой областью, да и области по сути не было. И, как я теперь понимаю, это был полный караул.
Дальше начались хождения по мукам. Потом я задавала себе вопрос — а почему я все это не бросила? У меня ведь было неплохое образование, был красный диплом, и я могла приложить свои силы где-то еще. Почему я тупо билась в эту заколоченную гвоздями дверь? И только потом я осознала, что такова одна из образующих моей натуры. Не ищи лучшего места, не ищи лучшей жизни — я не знаю, почему. И это совсем не из-за недостатка у меня энергетики или желания сделать что-то хорошее. В итоге мне все же повезло, но года через четыре. Политика тогда в очередной раз изменилась, и я, наконец-то, обрела свою собственную базу для исследований.
Работа мозга на уровне нейронов. Что измеряет ЭЭГ
И.Ф.: Я помню, как очень давно, ты мне рассказывала о мозговых ритмах, которые ты тогда начинала измерять и анализировать. Это ведь такая интегральная штука?
Т.С.: Это как раз и плохо. Лучше бы чего попроще.
И.Ф.: Что же на самом деле измеряет ЭЭГ? И какое все это имеет отношение к тому, что происходит внутри?
Т.С.: Это, вообще-то, интересный вопрос — что же на самом деле все эти приборы (ЭЭГ и МЭГ) измеряют. Нейроны работают на электричестве, и существует два типа работы нейрона. Первый — это электрический разряд, когда в нейроне возникает достаточной быстрый ток, который бежит по нервному волокну и достигает нейрона-мишени. Второй тип связан с медленными изменениями внутренних «дендритных потенциалов». У нейрона есть множество отростков, на которые может приходить возбуждение. Нейрон разбрасывает свои «ветви» в разные стороны и принимает огромное количество приходящих импульсов от других нейронов и нейронных сетей. И у него есть только один выход — аксон.
Если суммарная сила внутренних дендритных токов недостаточна для прохождения нервного импульса, то передачи возбуждения другому нейрону не происходит. Следовательно, не возникает цепочки возбужденных нейронов, которые и являются той электрической схемой, на которой работает мозг. То есть дендритные потенциалы могут либо удалить нейрон от порога срабатывания либо, напротив, приблизить к нему.
И.Ф.: А может ли нейрон вступить во взаимодействие сразу с несколькими нейронами?
Т.С.: Конечно, потому что выход для электрического импульса один, и он либо сработал, либо нет. А дальше кончик аксона может ветвиться, так что один нейрон сможет возбудить несколько соседей.
В мозге есть масса механизмов, которые предотвращают срабатывание сразу многих нейронов — одновременной разрядке их потенциалов действия. Потому что в норме работа твоего мозга — это очень строго оркестрованное порционное возбуждение и торможение нейронных групп. Ну, и что же вы мерите, господа?
И.Ф.: Получается, что ЭЭГ не отражает деятельность мозга?
Т.С.: Она ее отражает, и вот в каком смысле. Электрод энцефалографа стоит на поверхности головы, и между генерирующей структурой (корой мозга) и электродом находится, на минуточку, кость, у которой с проводимостью совсем плохо. А еще — кожа, у которой с ней, напротив, хорошо, и все это влияет на измерения. И как мы знаем из физики, токи и диполи — это, вообще-то векторные величины, и для того, чтобы суммироваться, они должны располагаться параллельно, а не хаотично. А они располагаются по-разному. Кора мозга — это шестислойная структура. И в этих слоях нейроны организованы колонками. Представь себе, что эти слои сложены из столбиков монет разного цвета — нижний синий слой, потом идет желтый, красный. Цвет монет создает слой, а сами столбики создают нейронные колонки. Такова «колончато-слоистая» организация коры мозга. И, вот, в этих колонках есть, в том числе «пирамидальные нейроны» — большие нейроны, ориентированные ортогонально поверхности коры (в 3-м и 5-м слоях). И единственное, что мы на самом деле мерим — это активность пирамидальных нейронов.
И.Ф.: А давно это поняли?
Т.С.: Да, довольно давно. Однако из тех людей, которые занимаются ЭЭГ, мало кто это понимает. Они не понимают, что видят очень выделенную часть того, что происходит. Но я всегда считала, что «меньше — это лучше», потому что проще разобраться.
Итак, ты меришь довольно сильные, хорошо суммируемые дендритные потенциалы (суммация коротких импульсов — дело тяжелое, поскольку окно возможностей для этого очень маленькое). Именно на основании этих потенциалов нейроны принимают решение — разрядиться им или нет. И не так уж плохо это звучит.
Альфа-ритм, мю-ритм и другие
Исследования мозговых ритмов у человека начались с того, что в 1929 г. немецкий психиатр Ганс Бергер, приложив электрод к голове, обнаружил, что человеческий мозг генерирует электрическую активность. И что она имеет ритмическую природу — осциллирует. Это означает, что нейрон то приближается к порогу срабатывания возбуждения или торможения, то удаляется от него. И это почти синусоидальный процесс.
Бергер открыл с помощью ЭЭГ альфа-ритм, и до сих пор на альфа-ритме делается тысячи работ. Оказалось, что этот ритм очень чувствителен к разного рода нагрузкам. И основное, что он делает (и это довольно любопытно!), он — исчезает, когда кора мозга занята своей работой. Выяснили также, что этот ритм создается зрительной корой мозга, которая находится в затылочной доле. Это — зрительный ритм. Но, давай вернемся к началу моих собственных исследований — когда я, наконец-то, обрела свою собственную базу, и меня оттуда никто не гнал.
Первое, с чем я столкнулась, когда мы начали измерять ЭЭГ у младенцев, была очень любопытная вещь. Я начала записывать энцефалограмму, и обнаружила, что мне очень мешает детская моторная активность — она мешает что-либо зафиксировать, кроме артефактов мышц головы. А еще ребенок потеет, и это дает дополнительные артефакты. Слава богу, у меня был к тому моменту опыт матери — ну, игрушечку подвигать и т. д.
Мы начали с исследования зрительных альфа-ритмов — как этот ритм реагирует на что-то. Например, как он уходит. Это происходит как раз в тот момент, когда зрительные нейроны начинают заниматься своим делом. Когда им надо прицельно и точно обрабатывать зрительную информацию, они рассинхронизируются.
А когда они синхронно колеблются в альфа-ритме, они находятся в неактивном состоянии («инактивация»). И природа этой «инактивации» может быть двоякой. Первая «инактивация» связана с тем, что зрительная информация просто не поступает. Вторая, активная «инактивация», заставляет зрительную систему «заткнуться», поскольку обработка зрительной информации мешает в этот момент выполнить какую-то другую важную задачу.
Объясню на простом примере. Аналогичный ритм существует в сенсомоторной системе — это «мю-ритм». Когда ты движешься, он отсутствует. Но если замрешь, он начнется — в твоей сенсомоторной коре. Если кошка следит за мышью, которая должна появиться из норки, у нее регистрируется мю-ритм. Такой же ритм в слуховой системе — «тау-ритм». В каждой сенсорной системе существует свой ритм «инактивации». Когда кошка следит за норкой, у неё, конечно, есть приток сенсомоторной информации. Но его обработка давится, потому что основной приток, который ей надо обрабатывать — зрительный.
И.Ф.: Получается, что разные функции мозга как бы «уступают» друг другу активность.
Т.С.: Да. Эту, так называемую «регуляторную инактивацию», подробнейшим образом исследовали на животных. Именно она обеспечивает привилегированный канал поступления сенсорной информации. И когда я стала мерить ЭЭГ у грудных детей, первое, что я увидела, это был сенсомоторный мю-ритм, когда они чрезвычайно напряженно наблюдали за манипуляциями с игрушками. Это было совершенно потрясающе, потому что до этого его мало кто описывал. Более того, многие принимали его за альфа-ритм. Но ведь альфа-ритм как раз блокируется при активной обработке зрительной информации! Значит, они видели какой-то другой ритм и принимали его за альфа.
То, что я увидела, когда стала исследовать грудных детей, — это была полная сумятица и непонимание того, что же означают все эти ритмы. И я поняла, что надо навести порядок, и разобраться, наконец, какие виды ритмов существуют и с чем они функционально связаны. Это была моя первая настоящая научная работа. С неё начались мои зарубежные публикации, и это была первая часть моей научной биографии.
Тета-ритм и процесс обучения
Я очень люблю эти мои младенческие исследования — они были чрезвычайно интересны. Потому что еще есть ритм, который связан с памятью и эмоциями — «тета-ритм». В мозге взрослого человека он довольно слабый, потому что в экспериментальных условиях очень трудно вызвать те состояния, которые его обеспечивают. Это очень высокий уровень умственного напряжения, когда память переходит в режим извлечения информации «онлайн».
И.Ф.: Какая же функция оказывается тут незадействованной?
Т.С.: Правильный вопрос! Тета-ритм помогает сконцентрироваться только на обработке данной конкретной информации. Когда он возникает, это значит, что вся лишняя информация — отбрасывается. Мы показали, что если у взрослого человека на спектральном анализе ЭЭГ этот ритм почти не заметен, то у грудного ребенка наблюдаются мощные, почти синусоидальные тета-ритмы в течение 2–3 минут. Нам тогда говорили — «вы эпилептические судороги записываете у малыша, а не настоящий ритм — такой синхронизации просто быть не может».
И.Ф.: Младенцы пытаются так на чем-то концентрироваться.
Т.С.: Они не пытаются! Они ТАК на чем-то концентрированы, как тебе и не снилось. Потом эта способность теряется — природа от нас «отступает». Потом уже выяснилось, что это связано с нейрохимией мозга, которая фантастически меняется за период нашего развития. Они — те самые герои, которые в раннем возрасте сконцентрированы так, как способны во взрослом возрасте лишь немногие из нас. Например, когда сосут палец — у них тогда регистрируются бешеные тета-ритмы, и в это время никакая другая информация недоступна для обработки. Тета-ритм возникает и при кормлении.
И.Ф.: А медитация у взрослых?
Т.С.: Да, есть особые типы медитации у взрослых, которые вызывают тета-ритмы. А знаешь, когда бывает самый крутой тета-ритм? — Когда ты с ребенком разговариваешь. Под влиянием речевого воздействия в лобной коре, начиная примерно с 4–5 месяцев жизни, регистрируется бешеный тета-ритм. И еще когда он манипулирует чем-то, например, игрушками (ориентировочно — исследовательская деятельность) — это вообще самый эффективный способ вызвать тета-ритм.
Вообще, это основной ритм мозга грудного ребенка, в отличие от взрослого человека. И мы показали, что эта концентрация внимания может иметь у малыша и когнитивную природу. И сделали это на очень простом эксперименте — на примере «игры в ку-ку»: один человек сидел за энцефалографом, а другой играл с ребенком. Он появлялся из-за экрана, говорил «привет, ты меня ждешь?» и опять исчезал. Если это повторить несколько раз, то появление становилось предсказуемым — ребенок уже знает, что ты появишься в следующий раз. И он концентрирует свое внимание на пустом пространстве. Это — фантастика! Тетеньки нет, но он извлекает ее образ из своей памяти, и именно ожидание ее появления управляет его вниманием, а не непосредственное сенсорное окружение.
И.Ф.: Иными словами, его предшествующий опыт?
Т.С.: Опыт и его желание развлечься. А вокруг при этом масса отвлекающих вещей, и ему нужно их блокировать, организуя свое поведение на основе цели и предшествующего опыта. Цель — развлечься и получить соответствие своего прогноза и реальности. И мощнейший тета-ритм при этом.
И.Ф.: Означает ли это, что тета-ритм всегда возникает при процессах обучения?
Т.С.: Точно. Там требуется концентрация, извлечение и погружение информации в память.
И.Ф.: Способность к концентрации у нас ведь генетическая?
Т.С.: А мы не знаем. но это любопытно. Мы показали, что есть сильная корреляция между мощностью этого ритма и способностью ребенка концентрировать внимание (один может 2 сек. ждать, а потом отворачивается, а другой — 10–15 сек.), но не на внешней информации, а на содержании своей памяти. Или же насколько ребенок мотивирован — разделить это трудно.
Интересно также, что при ожидании этот ритм возникает исключительно во фронтальной коре. Это наиболее эволюционно поздняя кора, и у нас, по сравнению с нашими ближайшими родственниками — приматами, ее объем резко увеличен. Её также называют «основным тормозящим центром мозга», поскольку она способна затормозить любое поведение, которое не соответствует цели. Тета-ритм означает, что фронтальная кора вступила во взаимодействие с резервуаром памяти «онлайн».
Почему мы всем этим занимались? — Потому что у нас не было в руках никаких более тонких и точных инструментов исследования человеческого мозга. И я до сих пор считаю, что применение ЭЭГ для исследования младенцев сильно недооценено. И что с ЭЭГ можно сделать массу суперинтересных вещей, несмотря на то, что это очень простой инструмент, и — дешевый. И сейчас, когда мы стали работать на МЭГе, я хочу опять вернуться к ЭЭГ младенцев, но уже на совершенно другом уровне.
А тогда нас интересовали тета-ритмы у здоровых детей, и мы их стали исследовать на парах годовалых близнецов. У нас были моно и дизиготные близнецы, то есть генетически идентичные (близнецы) и наполовину генетически схожие (двойняшки). Идея очень простая: если некое исследуемое свойство определяется чистой генетикой, то близнецы будут похожи на 100%, а двойняшки — на 50%. Если же оно зависит только от внешней среды, то у тебя и двойняшки, и близнецы будут одинаково похожи.
И выяснилась удивительная вещь: если мы говорим о мощности сенсорных ритмов — зрительных, слуховых моторных и пр., то там — 70% генетики. Что же касается тета-ритма, то обнаружился значительный вклад систематической среды. Всё это было опубликовано, но странным образом не привлекло внимания.
И.Ф.: То есть способность к обучению — это в значительной мере результат действия среды?
Т.С.: Да, и это очень странно. Генетический вклад там все равно больше, но вклад среды был достоверен. Но какая же это может быть систематическая среда? И мы тогда открыли «эффект бабушки». Понятно, что взаимодействие человека с человеком, коммуникация — это основной источник всего, в грудном возрасте. И мы получили, что в семьях с бабушкой дети показывали более сильный тета-ритм под нагрузкой. Никакой магии: возможности младенческой фронтальной коры невелики, но есть внешний «концентратор» — бабушка. Это эффект тренировки.
И.Ф.: Означает ли это, что тета-ритм можно тренировать?
Т.С.: На первом году жизни — да.
И.Ф.: А если тренироваться всю жизнь, ну, занимаясь наукой, например?
Т.С.: А этого никто никогда не проверял. Как правило, те, кто использует ЭЭГ для анализа активности мозга грудных детишек, не понимают, что, не уравняв их поведенческие состояния, они не имеют права анализировать, информацию о ритмах. Эти ритмы чрезвычайно тонко отражают изменения в состоянии мозга. Один ребенок пришел к вам в замечательном состоянии, и ему тетя понравилась. А другой ребенок, которого вы еле успокоили — он, конечно же, не сможет сконцентрироваться. Поэтому все измерения нужно проводить под нагрузкой — это была моя идея. И гарантировать, что вовлечение внимания одинаково у обоих детей, играющих в игрушки.
И.Ф.: Удивительно, что раньше никому не приходило в голову обеспечить повторяемость условий эксперимента.
Т.С.: Это другая культура, понимаешь. Исследования мозга — да, простыми инструментами, но которые базируются на естественнонаучных подходах. И исследования, которые пришли совершенно с другой стороны — из психологии. Они принципиально разные.
И.Ф.: А психология — это вообще не естественно-научная область знания.
Т.С.: Но она сейчас очень быстро становится ею.
Гамма-ритм и поиски биомаркера аутизма
Может ли тета-ритм генерироваться, когда ребенок просто сидит, ничего не делая? Да, и такое происходит при различных генетических поломках. Кора вступает во взаимодействие с резервуаром памяти «ни для чего», просто так — и мы регистрируем спонтанный, «дармовой» тета-ритм. Возникает «эффект занятой линии», потому что ритмы — это всегда отфильтровывание ненужного. Таким детям ничего не нужно от внешней среды. И вот, когда я стала заниматься аутизмом.
И.Ф.: Аутизм — это ведь генетическое нарушение?
Т.С.: Это довольно любопытное нарушение, потому что это не болезнь в обычном смысле слова (когда известны её причины и механизмы) — такая как краснуха или панкреатит. Аутизм — это собрание болезней, врожденное нарушение развития, имеющее множество причин и множество форм. При этом каждая из этих форм характеризуется некоей общей чертой — нарушением социальной коммуникации. Всё.
Так вот, если ты честная женщина, то ты должна понять, что тебя привели в очень грязную кухню. И первым делом надо бы немного убраться — прежде чем готовить пирог. Но с какого конца приняться за уборку? Ведь за аутизм отвечает не один ген и не два, а сложное взаимодействие многих генов, и их при этом не менее тысячи.
И.Ф.: А главный ген удалось найти?
Т.С.: Хороший вопрос. А тебе не с чего потянуть. Правда, в течение последних 15 лет активнейшего исследования аутизма, от него каждый год «отщепляли» какие-то болезни, возникающие из-за аномалии какого-то одного гена. Чаще всего им сопутствовали тяжелые умственные расстройства. Однако аутист может быть и чрезвычайно одаренным человеком — тем не менее, ему все равно трудно жить в социуме.
Итак, с генетики «уборку» не начнешь. С поведения? — Прекрасно, но ведь к этому поведению могут привести абсолютно разные пути!
И.Ф.: Но тогда получается, что приведенное вначале определение аутизма вовсе не является определением.
Т.С.: Да, не является. Но нам нужно с чего-то начинать уборку. Генетики говорят — мы тут у вас делаем, что можем, извините. Например, им удалось показать, что какая-то группа генов, ассоциированная с аутизмом, экспрессируется в одно и то же время постнатального развития во фронтальной коре мозга. «Экспрессия» означает не что иное, как то, что ген заработал, т. е. на нём, как на матрице, начали синтезироваться белки
Мои исследования аутизма началось с совместной работы, которую мы сделали в 2006 г. — в Москве и в Гетеборге. Мы тогда неожиданно обнаружили, что у аутистов, в отличие от здоровых детей, были заметно увеличены очень высокочастотные ритмы ЭЭГ — так называемые «гамма-ритмы». Проблема в том, что гамма-ритмы очень трудно фиксировать, поскольку черепные мышцы генерируют свою собственную электрическую активность, но нам удалось обойти эти трудности. И наша работа вызвала огромный интерес у животных физиологов. А где-то через год то же самое было показано на животных моделях аутизма.
И.Ф.: А с чем вообще связан этот ритм?
Т.С.: Гамма-ритм — это чрезвычайно интересное свойство любой нервной ткани. Например, если ты возьмешь нервную ткань, не повредив ее внутреннюю структуру, и поместишь в чашку Петри, обеспечив ей условия для жизнедеятельности, то ты обнаружишь, что эта ткань будет выдавать, представь себе, синусоиду своих совокупных дендритных потенциалов.
И.Ф.: И это никак не связано с тем, что у нас в мозге — с мыслями, ощущениями?
Т.С.: Не связано ни с мыслями, ни с чувствами. Гамма-ритм присущ самой нервной ткани, это ритм структуры в целом. Любая нервная ткань состоит из «возбуждающих» и «тормозных» нейронов. Возбуждающий нейрон, когда он возбужден, возбуждает одновременно и тормозный нейрон. А тормозный нейрон за счет обратной связи тормозит возбуждающий нейрон.
И.Ф.: Работает система обратной связи.
Т.С.: Ну, конечно. Эта система будет генерировать, естественно, синусоиду. И уже удалось выяснить, что основную роль в нервной системе и в генерации гамма-ритма играют именно тормозные нейроны.
Если у тебя нейронная популяция под воздействием какого-то возбуждения (сигнала) вступила в режим генерации гамма-ритма, то у тебя на верхушке этого гамма-ритма возникает синхронизация между всеми нейронами популяции. В итоге начинают синхронизироваться и выдаваемые популяцией сигналы — на какую-то другую группу нейронов.
Если у тебя есть какое-то длительное возбуждение, то оно сначала раскладывается по разным группам нейронов. Но потом-то его нужно собрать, и гамма-ритм помогает им это сделать.
И.Ф.: Так это супер-полезная вещь — гамма-ритм! Но при чем тут аутисты?
Т.С.: Гамма-ритм — действительно супер-полезная вещь, если он возникает, когда нейроны начинают информацию «собирать», и, соответственно, не возникает, когда они не работают. А теперь предположим некое нарушение торможения. Если оно сильное, то никакого ритма вообще не будет. А если торможение слабее возбуждения, то гамма-ритм будет спонтанно возникать, причем тогда, когда его не должно быть.
В 2003 г. была выдвинута чрезвычайно влиятельная гипотеза — безотносительно гамма-ритма, что аутизм — это нарушение баланса возбуждения и торможения в системе в том случае, если оно возникает еще до рождения ребенка. Если это возникает в мозге новорожденного, где только начали формироваться синаптические связи между нейронами, это очень плохо.
И.Ф.: Эти связи формируются неправильно?
Т.С.: В норме у новорожденного возникает период синаптической сверхпродукции: 15 млн синаптических связей формируется каждый день. Гонка, гонка, гонка. Но одновременно с этим начинается процесс их «обрезки» — в результате взаимодействия ребенка с внешним миром. Если связь не работает, она будет обрезана. А если работает и часто что-то проводит, то будет укреплена.
И.Ф.: Получается, что процесс обучения сводится к укреплению определенных связей?
Т.С.: Да, избранных, которые соответствуют той среде, в которую попал ребенок. А если бы он попал в другую среду, то избранными, как и обрезанными, были бы другие связи. Это — в нормальной ситуации. А теперь дадим дармовое, спонтанное возбуждение в такую систему — тогда связи в такой системе будут формироваться совершенно случайно, и в большом количестве. Это ресурсное проклятие. Потому что если не будет ничего обрезаться, то не будет идти процесс обучения.
И.Ф.: Что происходит в процессе возбуждения и торможения на уровне нейронов?
Т.С.: Основную роль в этих процессах играют возбуждающие и тормозные нейромедиаторы, а также рецепторы к этим медиаторам. Итак, нервный импульс бежит по волокну, как и любой ток. Волокно кончается, а дальше происходит химическое взаимодействие.
Нейромедиаторы — это совершенно определенные молекулы, которые под действием измененного мембранного потенциала на кончике аксона выбрасываются в межклеточное пространство. И действуют они на совершенно определенные молекулы-рецепторы, встроенные в мембрану нейрона-приемника. Когда нейромедиаторы соединяются с рецепторами, изменяется химическая структура рецептора, который сидит на ионном канале. Ионный канал открывается, трансмембранный потенциал нейрона-мишени изменяется, и по нему начинает идти ток. И за всеми этими молекулярными процессами стоят разнообразные генетические механизмы.
Работа с использование МЭГ показывает, что практически у всех аутистов баланс возбуждения-торможения нарушен, их мозг перевозбужден. И этот сдвиг баланса возбуждения-торможения может быть связан с самыми разными нарушениями молекулярных процессов. У тебя есть взаимодействие тормозных и возбуждающих клеток, при этом каждая из них должна и возбуждаться, и тормозиться. Однако ты не можешь на эту систему действовать просто возбуждающими или тормозными препаратами, поскольку не знаешь, в каком именно месте кроется нарушение.
Мы подходим к критической точке нашего рассказа. Примерно тогда же, когда мы показали избыток спонтанной активности гамма-ритма у детей с аутизмом, в оптогенетических исследованиях было показано, что то же самое возникает в мозге крыс, когда у них химическим путем сдвигается баланс торможения-возбуждения. Вот почему наша работа 2006 г. вызвала такой сильный интерес!
И.Ф.: Это тот самый «индуцированный аутизм» у животных?
Т.С.: Да. Это совершенно фантастическая комбинация успехов генетики и нейрофизиологии в одном флаконе. Оптогенетики додумались сделать генетически-модифицированное животное, у которого в мембрану нервных клеток вшиты родопсиновые каналы (родопсин — это вещество, определяющее реакцию на свет глазной сетчатки). Так они получили возможность возбуждать светом только определенную небольшую зону мозга. И обнаружили, что если таким образом изменять активность цингулярной коры мозга у крысы, она начинает вести себя как аутист. И одновременно в её мозге начинает генерироваться спонтанная гамма-активность. А когда выключаешь свет, генерация прекращается, и крыса возвращается в нормальное состояние.
И.Ф.: Но если удалось выяснить, что аутизм стопроцентно сопровождается спонтанным гамма-ритмом, его теперь можно диагностировать?
Т.С.: Хорошо бы. Но мы очень плохо умеем регистрировать спонтанные гамма-ритмы и с помощью ЭЭГ, и даже с помощью МЭГ — из-за шумов, вызванных сокращениями мышц. И мы так и не знаем, чем именно вызвано нарушение баланса возбуждения-торможения в каждом конкретном случае. Что именно повреждено.
На самом деле мы должны стремиться к биомаркерам молекулярных процессов. Если есть нарушение какого-то конкретного рецептора на каком-то конкретном типе клеток, то это оказывает влияние на какой-то измеряемый нейрофизиологический процесс. И я стала искать, какой здесь должен быть биомаркер. И мне, может быть, рановато обо всем этом говорить — но, кажется, мы все-таки кое-что интересное нашли.
Идея взялась из тех же самых животных работ. Ты, наверное, уже поняла, что все идеи берутся оттуда.
И.Ф.: Потому что там можно непосредственно влезть.
Т.С.: Да, влезть в мозги. И если у тебя есть какая-то гипотеза, то, не приступая к исследованиям на человеке, ты можешь на животных посмотреть, в правильном направлении ты думаешь или нет. За последние пять лет в работах животных нейрофизиологов было показано, что частота гамма-ритма зависит только от возбудимости тормозных клеток. И если постепенно добавлять в систему возбуждение, то чем оно выше, тем выше частота гамма-ритма.
Итак, у меня есть МЭГ, который на порядок чувствительнее ЭЭГ и он позволяет уверенно регистрировать гамма-ритмы. И если я найду такую экспериментальную нагрузку, которая будет пропорционально увеличивать частоту ритма, и увижу, что у аутистов частота гамма-ритма не меняется или меняется плохо, то я смогу сказать — вот, это та часть детей с аутизмом, у которых недостаточно возбуждаются тормозные клетки.
К этому времени уже было показано, что частота зрительного гамма-ритма является устойчивой индивидуальной чертой, на 98% генетически детерминированной. Чем не биомаркер? Одна только неувязка: предыдущие авторы меняли параметры зрительной стимуляции, а частота гамма ритма не менялась — в отличие от экспериментов на животных! Возможно, это было обусловлено низкой чувствительностью измерений на поверхности (ведь у животных — вживленные электроды).
И тогда я стала искать в результатах экспериментах на животных — существует ли такая нагрузка, которая очень заметно изменяет частоту — на 20 Гц, на 30 Гц? И — да, в одной работе 97-го года было обнаружено, что частота гамма-ритма у котов значительно увеличивается при увеличении скорости движения зрительного стимула («мыши»).
Мы решили не терять времени, и запустили работу с двумя выборками детей, здоровых и аутистов, от 7 до 15 лет. И мы обнаружили, что здоровые детки, как и коты, повышают частоту гамма-ритма примерно на 30 Гц при увеличении скорости движения зрительного стимула. А вот дети-аутисты меняют частоту примерно на вдвое меньше. А что если диапазон изменений частоты гамма-ритма при увеличении скорости движения — тот самый биомаркер силы возбуждения тормозных нейронов!
И.Ф.: Он позволяет диагностировать аутиста с патологией возбуждающих рецепторов на тормозных нейронах?
Т.С.: Да. Сейчас начались работы на животных, у которых искусственно вызывают именно эту патологию, а потом разными препаратами пытаются нормализовать. И я надеюсь, что нам удастся объединить усилия.
Представь — две команды роют тоннели с двух разных концов горы, и они должны сомкнуться. С одной стороны — работы оптогенетиков и нейрофизиологов на животных моделях аутизма, которые при наличии известной патологии успешно ее ликвидируют. С другой — работы по поиску биомаркеров конкретных нарушений молекулярных процессов у человека. Это то, что можем сделать мы. И если мы окажемся на должном уровне, тоннели сойдутся.
Конечно, нам нужны более надежные доказательства того, что низкая частота гамма ритма — это биомаркер патологии возбуждения тормозных нейронов. Например, есть болезнь, которая повреждает эти возбуждающие рецепторы на тормозных клетках — особая форма энцефалита. Если я найду таких пациентов в Москве, я смогу посмотреть, как работает наша парадигма на них. Мне также надо прийти к животным нейрофизиологам и попросить их вывести генетическую линию мышей, у которых аналогичная патология. И давайте посмотрим, что там у мышей происходит с частотой гамма ритма – я могу предсказать ожидаемый результат, но совпадет ли он с реальностью!
Я пытаюсь рыть тоннель с той стороны, где твердая порода. Но это нужно, это действительно нужно. По-моему, каждый ученый к концу своего научного пути хочет сделать что-то такое.
И.Ф.: Пробить свой собственный тоннель.
Т.С.: Ну, для человечества. Хочется — спасти мир. Всю свою жизнь ты занимался наукой в свое удовольствие. Я много видела подобных историй.
Вопросы задавала Ирина Федотова.
Фото Артёма Поповича.
Мы собрали всю музыку в одном месте, оформили для удобства в разные наборы и выложили в общий доступ для проверки на публике.
Если кому интересно то эту музыку можно послушать здесь.
Как указывалось в данной статье, наши ритмы мозга выглядят как синусоидальные волны. Мы исследовали эту идею со стороны музыки и все, что Вы услышите как раз то и строиться на синусоидах.
Так же мы записывали стук сердца и с помощью разных фильтров «доставали» из сердечного ритма множество сложных ритмов и использовали их в музыке. Фактически мы пришли к выводу что и сердечные ритмы носят очень сложный характер и напрямую взаимосвязаны с ритмами мозга.
У нас возникла даже идея, что с помощью музыки можно и «возвращать назад» аутистов, а так же синхронизировать работу сердца и мозга. Вполне можно допустить что рассинхрнизация этих ритмов и является глубинной причиной многих заболеваний или расстройств. Хотелось бы обсудить эту идею со специалистами и может помочь своими наработками.
Шикарная статья. Прям хочу-хочу себе домой такую аппаратуру и заняться исследованиями. 🙂 Жаль, совсем не мой профиль.