Механизмы генерации ритмов ЭЭГ и их связь с морфофункциональными свойствами нейронных систем.

Несмотря на топографическое и частотное разнообразие различных ритмических составляющих ЭЭГ, их генерацию в различных структурах мозга и при разных функциональных состояниях, во всех случаях природа возникновения ритмических осцилляций в нервной сети имеет общие основания [2].

Многочисленные исследования ритмической электрической активности (ЭА) мозга самыми различными способами от регистрации суммарной ЭЭГ с поверхности черепа до внутриклеточной записи потенциалов in vivo и in vitro свидетельствуют о том, что осцилляции в нейронных сетях различных структур мозга возникают вследствие синхронного изменения медленных мембранных потенциалов (МП) нейронов. Эти регулярные ритмические изменения медленных МП, согласно данным современных исследований, имеют два взаимосвязанных источника – колебания МП при отсутствии взаимодействия с другими нейронами – эндогенные, и колебания МП, связанные с функционированием сети нервных клеток [6].

«Сетевой эффект» известен достаточно давно, со времен работ П. Андерсена и С.А. Андерссона. Суть его заключается в изменении МП вследствие возвратного (чаще тормозного) влияния вставочных интернейронов. Существование подобного механизма показано в различных подкорковых структурах: таламусе, обонятельной луковице, мамилярных телах, а также в нейронных системах, связывающих подкорковые структуры с корой. В последние годы появились работы, выполненные на срезах мозговой ткани in vitro, свидетельствующие об участии вставочных нейронов в генерации ритмической ЭА коры [6].

В. Фриман на основе анализа нейронной активности в обонятельной системе предложил модель нейронной сети, генерирующей ритмическую активность. Необходимым условием возникновения осцилляций, согласно модели В. Фримана, является наличие обратных связей. В такой сети динамические параметры осцилляций определяются тремя факторами: временными параметрами синаптической передачи, длиной связи между элементами и интенсивностью синаптических входов. Постулируемые моделью В. Фримана свойства осциллирующей сети были подтверждены результатами компьютерного моделирования [2].

Первый из выделенных В. Фриманом факторов (время синаптической передачи) определяется, прежде всего, биохимическими свойствами нейромедиаторов, роль которых в определении частоты нейронных осцилляций была продемонстрирована в экспериментах in vitro на срезах коры крысы. А.Флинт и Б. Коннорс обнаружили два типа осциллирующих нейронных популяций: нейроны II – III слоя генерировали колебания с частотой 1-5 Гц, тогда как нейроны V слоя – 8-12 Гц. Различия в частоте были непосредственно связаны с активацией двух типов синаптических рецепторов глютамата – «медленных» и «быстрых». Можно предположить, что помимо биохимических свойств нейромедиаторов действие фактора «время синаптической передачи» определяется скоростью проведения в нейронных коллатералях, что, в свою очередь, может быть связано со степенью их миэлинизации.

Экспериментальные исследования А. Ван Роттердама и соавт., проведенные на коре мозга собаки, подтвердили зависимость распространения альфа-колебаний от второго фактора модели Фримана – длины связей между элементами регистрируемой сети нейронов.

Косвенным свидетельством влияния третьего фактора модели - интенсивности синаптического входа - является, представленный в работе М. Стериади и Р. Линаса, факт дискретного сдвига частоты колебаний ЭА таламических нейронов от 6 к 10 Гц при увеличении уровня возбудимости. Аналогичное явление - увеличение частоты осцилляций при усилении возбуждающих влияний - было обнаружено в нейронах 4 слоя фронтальной коры guinea pig. Снижение синаптических возбуждающих влияний в структурах таламуса через усиление гиперполяризации в таламо-кортикальных нейронах, напротив, приводит к переходу от альфаверетен к синхронизированным дельта-колебаниям. В свою очередь интенсивность синаптических входов наряду с изменениями функционального состояния мозговых структур может определяться такими морфологическими свойствами сети, как разветвленность аксональных коллатералей. Подобная зависимость была продемонстрирована на компьютерной модели трехслойной корковой сети.

Таким образом, рассмотренные выше данные свидетельствуют о непосредственной зависимости «сетевого» компонента ритмогенеза биоэлектрической активности мозга от морфофункциональных свойств, как сети в целом, так и составляющих ее элементов. При этом особое значение имеет характер связей (локальный или дистантный), а также морфологические и биохимические свойства вставочных элементов.

Сходные закономерности выявляются и при анализе данных исследований эндогенных пейсмекерных механизмов.

Наличие нейронов с эндогенными пейсмекерными свойствами в различных структурах мозга позвоночных животных является в настоящее время экспериментально доказанным фактом. Так, в исследованиях на срезах нервной ткани in vitro было показано существование эндогенных пейсмекеров в таламусе, структурах лимбической системы, мамилярных телах, а также неокортексе. Значительный интерес представляет тот факт, что частота осцилляций обнаруженных эндогенных источников ритмической активности в большинстве случаев соответствует традиционно выделяемым частотным диапозонам ЭЭГ. Так, частота разрядов таламических пейсмекеров колеблется вокруг двух точек: 6 Гц и 10 Гц, что соответствует частоте тета- и альфа-колебаний. Частота эндогенных осцилляций в структуре лимбической системы близка к частоте тета-ритма. В коре (V пирамидный слой) обнаружено два вида нейронов, генерирующих собственную ритмическую активность: нейроны, колебания МП которых по частоте близки к альфа-ритму, и нейроны, осциллирующие на частоте гамма-ритма.

Способность нейронов ЦНС позвоночных к эндогенным ритмическим изменениям МП является, по мнению Р. Ллинаса, одним из механизмов синхронизации ЭА больших популяций клеток: наличие химических или электрических синапсов между эндогенными пейсмекерами приводит к возникновению осцилляций в нейронной сети. В такой сети авторитмичные нейроны могут выполнять роль водителя ритма или резонаторов, отвечая преимущественно на определенную частоту синаптического притока.

Как сам факт наличия эндогенных осцилляций, так и их частота зависит от морфофункциональных свойств нейронов. Практически во всех процитированных выше работах указывается, что изменение уровня возбудимости может привести к изменению ритма осцилляций: их исчезновению или переходу к тоническим спайковым разрядам. Существенным моментом, влияющим на ритмогенные свойства нервной клетки, является разветвленная дендритная система и плотность синаптических контактов на ней. При этом, при одинаковой плотности синаптических контактов «выходные» осцилляционные параметры определяются геометрией дендритного дерева. Б. Коннорс и В. Регер на компьютерной модели нейрона продемонстрировали роль морфологии нервной клетки в возникновении ритмогенных свойств.

Неизбежным следствием зависимости механизмов генерации суммарной ритмической электрической активности мозга от морфофункциональных свойств отдельных нервных клеток и нейронных сетей является непосредственная связь между формированием ЭА в онтогенезе и созреванием различных мозговых структур.