Предмет, задачи и методы психофизиологии

Цель: Ознакомиться со структурой дисциплины психофизиология и историей возникновения науки, усвоить методы психофизиологии.

План занятия:

Прослушать лекцию преподавателя по указанной теме.

Вместе с преподавателем разобрать наиболее сложные вопросы темы.

Лекционный материал по наиболее сложным вопросам темы:

МЕТОДЫ ПСИХОФИЗИОЛОГИИ

Электрическая активность коры головного мозга

Мембранный потенциалпирамидных клеток коры головного мозга составляет от 50 до 80 мкВ, потенциал действия -60-100 мкВ. Частота ПД - около 100 Гц. Он возникает в аксонном холмике нейронов коры, регистрируется с помощью микроэлектродной техники. При помещении электрода на поверхность нейрона можно записать его спонтанную, ритмическую активность.

Колебания потенциала, возникающие в коре и подкорковых структурах в ответ на раздражение рецепторов, периферических нервов, сенсорных трактов и ядер, называются вызванными потенциалами (ВП).

Вызванный потенциал – усредненная запись волновой активности мозга при повторных предъявлениях одного и того же стимула.

Рис. 3. Схематизированные эндогенные компоненты слуховых вызванных потенциалов

(B. Rockstroh et al., 1982):
а - в ответ на релевантные задаче стимулы; б - ответ на иррелевантный стимул

 

Вызванный потенциал состоит из последовательности отрицательных и положительных отклонений от основной линии и длится около 500 мс после окончания действия стимула.

Вызванные потенциалы могут иметь короткий латентный период (6-8 мс), первое положительное отклонение и возникать в ограниченном участке коры (фокусе максимальной активности - ФМА).Эти потенциалы называются первичными ответами (ПО).

Второй вид потенциала - вторичный вызванный потенциал (ВВП)имеет более длительный латентный период и может начинаться с отрицательного отклонения, охватывает обширную область коры.

Регистрация ВП может служить для клинической диагностики сохранности периферических сенсорных и подкорковых путей (например, слуховых, зрительных).

Электроэнцефалография

В традиционной психофизиологии широко используется метод электроэнцефалографии. Впервые данный метод был предложен в 1929 году австрийским психиатром Г.Бергером.

Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) - запись электрической активности головного мозга.

Спонтанная электрическая активность мозга характеризуется специфическими ритмами определенной частоты и амплитуды и одновременно может быть записана от многих участков черепа. Это позволяет изучать пространственные специфические паттерны ЭЭГ и их корреляцию с высшими психическими функциями.

ЭЭГ отражает колебания во времени разности потенциалов между двумя электродами. Для расположения электродов используют международную схему "10-20" (Jasper H., 1958). Отведение маркируют буквой, указывающей на область мозга, от которой оно производится, - F, О, Т, Р, С.

 

 

 

Рис. 1. Система 10-20 (Jasper, 1958). Расположение электродов на поверхности головы: F - лобная часть; C - центральная; P - теменная; T - височная; O - затылочная. Нечетные индексы - левая половина головы, четные индексы - правая, Z - средняя линия

 

С поверхности обнаженной коры между двумя электродами регистрируется суммарная электрическая активность коры и подкорковых структур, которая называется электрокортикограммой (ЭКоГ).Эту активность можно записать и с интактной кожи головы - это электроэнцефалограмма (ЭЭГ).При этом можно использовать или два активных электрода, помещенных на коже головы (биполярное отведение), или один активный, другой - индифферентный (на мочке уха) (монополярное отведение).

Ритмы электроэнцефалограммы

Альфа-ритм (рис. 1) с частотой 8-13 Гц и амплитудой 5-100 мкВ регистрируется преимущественно в затылочной и теменной областях у здорового человека в состоянии спокойного бодрствования при закрытых глазах, но не во время сна, а также при медитации и длительной монотонной деятельности.

Бета-ритм (рис. 1) имеет частоту 18-30 Гц и амплитуду колебаний около 2-20 мкВ. Его локализация - в прецентральной и фронтальной коре. Возникает при действии раздражителя или при переходе к какой-либо интенсивной деятельности при открытых глазах. Переход альфа-ритма к бета-ритму называется реакцией десинхронизации ЭЭГ. Наблюдается также во время парадоксальной фазы сна.

Гамма-волны охватывают частоты от 30 до 120-170 Гц, а по данным некоторых авторов - до 500 Гц при их амплитуде около 2 мкВ. Их можно наблюдать в прецентральной, фронтальной, височной, теменной и специфических зонах коры при решении задач, требующих максимального сосредоточения внимания и при обучении.

Тета-волны (рис. 1) имеют частоту 4-7 Гц (5-100 мкВ) и чаще наблюдаются во фронтальных зонах (лобных и височных). Возникают при переходе от бодрствования ко сну, связан с поисковым поведением, с выбором действий, усиливается при эмоциональном напряжении.

Дельта-волны (рис. 1) возникают в диапазоне 0,5-4,0 Гц (20-200 мкВ), зона их появления варьирует. Регистрируется при глубоком сне как естественном, так и наркотическом, при мозговой коме, а также наблюдается при регистрации ЭЭГ от участков коры головного мозга, граничащих с областью, пораженной опухолью.

Каппа-ритм в височной области можно видеть на частоте 8-12 Гц (5-40 мкВ). Он регистрируется в процессе умственной активности.

К-комплекс – это сочетание медленной волны с острой волной, возникает во время сна или спонтанно у бодрствующего человека. Максимальная амплитуда отмечается в вертексе и обычно не превышает 200 мВ.

Ламбда-волны (12-14 Гц, 20-50 мВ) – это монофазные положительные острые волны, связанные с движениями глаз, приходятся на вертекс.

Мю-ритм (роландический, или аркообразный) имеет частоту 7-11 Гц и амплитуду менее 50 мВ, регистрируется в области роландовой борозды, связан с тактильным и проприорецептивным раздражением и воображением движения.

Тay-ритмнаходят в височной коре, который подавляется звуковыми стимулами.

Спайк – волна, четко отличающаяся от фоновой активности, с выраженным пиком длительностью 20-70 мс.

Острая волна – четко отличающаяся от фоновой активности волна с выраженным пиком длительностью 70-200 мс.

 

 

 

Рис. 2. Основные ритмы электроэнцефалограммы

1 – бета-ритм, 2 – альфа-ритм, 3 – тета-ритм, 4 – дельта-ритм

 

С развитием компьютерной техники широкое распространение получили методы спектрального и корреляционного анализа ЭЭГ.

Метод ЭЭГ широко используется в клинике и психофизиологии для изучения механизмов обработки информации и управления поведением человека, для выявления первых признаков эпилепсии, диффузных поражений головного мозга, скрытых травм и эндогенной интоксикации, опухолей мозга. Метод электроэнцефалографии используют для констатации "клинической" смерти ("изоэлектрическая" или "плоская" ЭЭГ), а также для определения "предела реанимации" при ишемии мозга, который для коры составляет всего 3-8 мин.

Рисунок ЭЭГ меняется не только с переходом ко сну, но и с изменениями функционального состояния в бодрствовании, во время эпилептического припадка. Психотропные препараты также влияют на ЭЭГ.

Магнитоэнцефалография

Значительные успехи в локализации источников активности мозга, достигнутые в последние десятилетия, связаны с развитием магнитоэнцефалографии.

Первые электромагнитные поля (ЭМП) нервной системы были зарегистрированы у лягушки. Они были записаны с расстояния 12 мм при возбуждении седалищного нерва. Биологические поля мозга и различных органов очень малы. Магнитное поле человеческого сердца составляет около 1 миллионной доли земного магнитного поля, а человеческого тела - в 100 раз слабее. Магнитное поле сердца человека впервые было записано в 1963 г. Первые же измерения ЭМП мозга человека были сделаны Д.Коеном из Массачусетского технологического института в 1968 г. Магнитным методом он зарегистрировал спонтанный альфа-ритм у здоровых испытуемых и изменение активности мозга у эпилептиков. Первые вызванные потенциалы с помощью магнитометров были получены несколько лет спустя.

Сначала для регистрации ЭМП были использованы индукционные катушки с большим количеством витков. С увеличением их числа чувствительность системы возрастает. Число витков в первых таких катушках достигало миллиона. Однако чувствительность их оставалась не высокой и они не регистрировали постоянное ЭМП.

Создание новых магнитометров связано с открытием Б.Джозефсона, за которое он получил Нобелевскую премию. Работая в области криогенной технологии со сверхпроводящими материалами, он обнаружил, что между двумя сверхпроводниками, разделенными диэлектриком, возникает ток, если они находятся вблизи ЭМП. Эта система реагировала на переменные и постоянные ЭМП. На основе открытия Б.Джозефсона были созданы СКВИДы - сверхпроводниковые квантомеханические интерференционные датчики. Магнитометры, работающие на базе СКВИДа, очень дороги, их необходимо регулярно заполнять жидким гелием в качестве диэлектрика.

Дальнейшее совершенствование магнитометров связано с разработкой квантовых магнитометров с оптической накачкой (МОН). Созданы МОНы, в которых вместо жидкого гелия используются пары щелочного металла цезия. Это более дешевые системы, не требующие криогенной техники. В них световой сигнал поступает по световодам от общего источника и достигает фотодетекторов. Колебания ЭМП мозга человека модулируют сигнал на фотодетекторах. По его колебаниям судят об электромагнитных волнах мозга. Каждый магнитометр имеет множество датчиков, что позволяет получать пространственную картину распределения ЭМП. Современные магнитометры (СКВИДы и др.) обладают высокой временной и пространственной разрешающей способностью (до 1 мм и 1 мс).

Магнитоэнцефалограмма (МЭГ) по сравнению с ЭЭГ обладает рядом преимуществ. Прежде всего, это связано с бесконтактным методом регистрации. МЭГ не испытывает также искажений от кожи, подкожной жировой клетчатки, костей черепа, твердой мозговой оболочки, крови и др., так как магнитная проницаемость для воздуха и для тканей примерно одинакова. В МЭГ отражаются только источники активности, которые расположены тангенциально (параллельно черепу), так как МЭГ не реагирует на радиально ориентированные источники, т.е. расположенные перпендикулярно поверхности. Благодаря этим свойствам МЭГ позволяет определять локализацию только корковых диполей, тогда как в ЭЭГ суммируются сигналы от всех источников независимо от их ориентации, что затрудняет их разделение. МЭГ не требует индифферентного электрода и снимает проблему выбора места для реально неактивного отведения.

К недостаткам МЭГ, так же как и ЭЭГ, относится проблема увеличения соотношения "сигнал-шум", поэтому усреднение ответов также необходимо.

Из-за различной чувствительности ЭЭГ и МЭГ к источникам активности особенно полезно комбинированное их использование

Томография

Идея данного метода была предложена Дж.Родоном в 1927 году.

Томография – метод визуализации структур мозга, основанный на получении срезов мозга с помощью специальных техник.

Компьютерная томография

Первый компьютерный томограф был создан в 1973 году А.Кормаком и Г.Хаунсфилдом, удостоенных за его создание Нобелевской премии.

Компьютерная томография – метод визуализации особенностей строения мозга человека с помощью компьютера и рентгеновской установки. В установке, предназначенной для компьютерной томографии, источник рентгеновских лучей вращается в одной плоскости вокруг головы испытуемого, а рентгеновские детекторы постоянно регистрируют интенсивность проходящего сквозь голову излучения. Компьютерные программы преобразуют полученные данные в рисунки срезов головного мозга различной глубины. Толщина подобных срезов может не превышать 5 мм. Для улучшения качества изображения испытуемому вводят контрастное вещество, например, верографин (препарат, содержащий йод). Преимуществом данного метода является то, что полученная информация может храниться на магнитных носителях, что позволяет пересылать ее по каналам компьютерной сети на любые расстояния для консультации специалистов. Недостатком метода является малая четкость и контрастность изображений головного мозга.

Ядерно-магнитно-резонансная томография В 1974 году начал работать первый томограф, в котором для построения изображения использовалось явление ядерно-магнитного резонанса.

Ядерно-магнитно-резонансная томография (ЯМР) - метод, позволяющий визуализировать строение мозга с помощью воздействия магнитного поля.Вокруг головы испытуемого создается очень сильное магнитное поле, которое воздействует на ядра атомов водорода, имеющих внутреннее вращение. В обычных условиях оси вращения каждого ядра имеют случайное направление. В магнитном поле они меняют ориентацию в соответствие с силовыми линиями этого поля. Выключение поля ведет к тому, что атомы утрачивают единое направление осей вращения и вследствие этого начинают излучать энергию, которую фиксирует датчик, а информация передается на компьютер. Повторение циклов воздействия магнитного поля и его выключения дает достаточное количество данных для того, чтобы на компьютере было создано послойное изображение мозга. Разрешающую способность таких томографов повышают с помощью контрастных веществ, содержащих таллий и гадолиний, а в последние годы также путем использования моноклональных антител против специфического антигена.

Преимуществом данного метода является то, что он дает более четкие картины головного мозга. Недостатком метода является его высокая стоимость.