Владимир Владимирович Яковлев

Развитие во времени взаимосвязи параметров фоновой, вызванной и следовой биоэлектрической активности головного мозга

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук по специальности физиология человека и животных (узкая специализация – нейрофизиология)

Содержание (фрагменты, без иллюстраций)

1  РћР±Р·РѕСЂ литературы
    1.1 Взаимосвязь фоновой, вызванной Рё следовой активности
    1.2 Динамические процессы РІ биоэлектрической активности
2  Материалы Рё методы исследования
3  Динамическая фоновая активность
4  Вызванные Рё следовые потенциалы Р­Р­Р“
5  Фоновые Рё модулированные состояния

1        Обзор литературы

1.1 Взаимосвязь фоновой, вызванной и следовой активности

Биоэлектрическая активность головного мозга является основным предметом нейрофизиологических исследований на высших животных. Особое положение занимает фоновая активность, так как она во многих отношениях является контролем для активности, вызванной экспериментальными воздействиями. Поэтому более или менее четкие представления о фоновой активности подразумеваются или явно присутствуют практически в каждом нейрофизиологическом исследовании. Первые определения фоновой активности гласили, что "спонтанные токи или собственные токи полей – это ... те колебания, которые постоянно присутствуют в мозге даже при полном покое животного" (Kornmuller, 1935; Ливанов, 1938). Обратим внимание на "постоянство" фоновой активности, то есть её непрерывность в течение всей жизни, ибо прекращается она только со смертью (Гурвич, 1966). Под "полным покоем" разумеется как отсутствие специальных раздражителей, так и отсутствие двигательной активности подопытного животного.

В более поздних определениях появляются как существенные, предположения о причинности и генезе фоновой активности: фоновая корковая ритмика "представляет собой колебания ... постоянного потенциала" (Jung, 1958; Соколов, 1962). Однако многие другие исследователи, подобно первооткрывателю "спонтанных колебаний" – И.М.Сеченову, – считали, что фоновая активность является следствием воздействия на нервную систему большого количества трудноучитываемых факторов, как слабые интеро- и экстероцептивные влияния (Burns, 1958 и др.). Количество "трудноучитываемых факторов" могло полагаться большим или меньшим, и даже неопределенным. Так, согласно еще одному определению (Ливанов, 1965) "спонтанная", или фоновая активность – это "те биологические процессы, которые вызываются в нервной ткани различными, не учитываемыми экспериментатором причинами, например, гуморальные факторы, слабые экстеро- и интероцептивные влияния, межцентральные влияния и так далее". Затем автор дополнительно выделяет отличительную, по его мнению, особенность фоновой активности, как тех форм "деятельности неясного генеза, динамика которых обладает свойством относительной равновесности". Отметим также, что понятие фоновой активности, исходно применявшееся к ЭЭГ, стало приложимо также и к импульсной активности, в том числе отдельного нейрона (Василевский, 1966, 1968; Мещерский, 1972 и др.).

Под "относительной равновесностью" подразумевалась попеременность разнонаправленных изменений параметров: увеличение/уменьшение потенциала ЭЭГ, частоты импульсации, создающую впечатление флуктуаций около средней величины.

Шагом вперед было разделение фоновой и спонтанной активности (Василевский, 1966). При этом фоновая активность определялась как "такая импульсация в нейроне, которая имеет место вне связи с наносимыми раздражениями или в их отсутствие". В свою очередь спонтанная активность определялась как "импульсация, не связанная с информационными процессами и координированной активностью отдельных систем нейронов". Иными словами, фоновая активность рассматривалась как внешний эффект координированной деятельности нейронов в процессе обработки информации, не связанной с экспериментальным воздействием.

Представление о спонтанной активности как о составной части фоновой активности сложилось под влиянием некоторых данных о самопроизвольном выделении квантов медиатора в синапсах и эндогенных колебаний мембранного потенциала нейронов (Гранит, 1957). Было, однако оценено, что реальный вклад этих процессов в фоновую активность таков, что им можно в подавляющем большинстве случаев пренебречь (Костюк, 1965; Эйди, 1967). Так, "истинная спонтанная активность" отдельных единиц, будучи не сконцентрированной, практически не отражается в суммарной волновой активности типа ЭЭГ (Жадин, 1969). По этой причине мы не будем в дальнейшем рассматривать спонтанную активность в вышеопределенном смысле.

Наконец, наиболее полное на настоящее время определение фоновой активности утверждает, что она "главным образом отражает следовые процессы, гомеостатические механизмы, саморегуляцию, программы переработки текущего потока сенсорной информации, уровень и направленность внимания" (Василевский, 1976а,б), и таким образом представляет "наиболее характерную черту саморегулирующихся систем с памятью". Правда, это определение скорее программно, и прежде всего обращает на себя внимание сделанная в нем попытка отразить взаимосвязь фоновой активности с вызванной ("переработка текущей информации") и следовой ("следовые процессы") активностью, а отсюда и с памятью.

Рассмотрим некоторые экспериментальные данные, которые наполняют рассматриваемое определение конкретным содержанием. По крайней мере две функции: поддержание гомеостаза и саморегуляция, – обеспечиваются головным мозгом непрерывно в течение всей жизни, поэтому текущая фоновая активность прежде всего является коррелятом текущего функционального состояния, а различным функциональным состояниям животного соответствует естественная спонтанная фоновая активность различного характера ("рисунка"). Причины, вызывающие изменения фоновой активности животных, во многих случаях по существу не ясны: например, при чередовании фаз "быстрого" и "медленного" сна, спонтанных колебаниях уровня бодрствования и двигательной активности и прочее, по крайней мере такие работы нам неизвестны.

В эксперименте же фоновая активность подвержена "более или менее устойчивым" изменениям при "острых и хронических" воздействиях, вызывающих изменения функционального состояния организма (Кожевников, Мещерский, 1963 и др.).

К таким воздействиям относится, например, сама процедура острого опыта. Однако даже в хронических опытах частичное или полное ограничение сенсорной и моторной деятельности является на самом деле депривацией как воздействием, после которого экспериментальная обстановка становится фактически тормозным условным раздражителем, или приобретает другое сигнальное значение в зависимости от характера эксперимента.

Так, при исследовании фоновой активности различных областей мозга у животного, обучаемого условному рефлексу на ритмическое раздражение, во время интервалов между опытами наблюдали гиперсинхронизацию с частотой раздражителя или одной из её гармоник (Джон, 1966), причем гиперсинхронизация имела место только в условиях экспериментальной обстановки, а в виварии она отсутствовала. Однако по мере выработки условного рефлекса она ослабевает и исчезает полностью, когда условный рефлекс становится устойчивым.

Этот пример наглядно демонстрирует, что в серии опытов (эксперименте) на одном животном "действительно фоновой" мы можем назвать лишь активность, регистрировавшуюся в начале первого опыта до экспериментальных воздействий, активность же в конце эксперимента мы можем называть фоновой лишь с некоторыми оговорками.

Явления того же порядка наблюдали и другие исследователи (Ливанов, Книпст, 1970; Рабинович, 1975; Котляр, 1977), а "обусловленную" фоновую активность связали с особым, "местным условным" функциональным состоянием (Асратян, 1970).

Не менее демонстративен пример исследования, связанного с оперантным обусловливанием биоэлектрической активности (Урьяш, 1974). Перед началом систематической регистрации биопотенциалов у животного угашали ориентировочный рефлекс и беспокойство при помещении его в условия опыта. Далее начинали опыты с подкреплением сенсомоторного ритма у голодного животного молоком. В результате такого "обучения" у голодного животного стала воспроизводиться гиперсинхронизация подкреплявшегося ритма не только в режиме обучения, но и особенно в промежутках между ними, в различных функциональных состояниях, как связанных, так и не связанных с пищевым поведением, например во время "быстрого" сна сытого животного.

Таким образом в описанном эксперименте фоновую активность в его начале можно считать обусловленной привыканием к необычной обстановке, в ходе эксперимента – обусловленной характером обучения, но являющейся в то же время фоновой в каждом отдельном опыте относительно активности во время самого процесса обучения. Последняя, наконец, является фоновой по отношению к пространственно организованному паттерну, вызванному подачей молока в кормушку, и в то же время через посредство следов обучения обусловливает изменение характера фоновой активности. Подобные отношения можно было бы обозначить как свойство относительности фоновой активности.

Другого рода примером реактивности фоновой ритмики, обладающей ограниченной лабильностью, является модуляция её ритмической фотостимуляцией (Ливанов, 1934, 1940, 1944 и др.). Показательно, что при этом происходит отчетливый сдвиг постоянного потенциала (Мещерский, Смирнов, 1961), что в свою очередь является одним из существенных признаков изменения функционального состояния (Илюхина, 1977). Последнее, кстати, в общем смысле объясняет, почему еще более сильное воздействие на текущую активность оказывает триггерная фотостимуляция (Уолтер, 1965; Бундзен, 1965), ведь будучи "управляемой" ЭЭГ, она зависит тем самым и от текущего функционального состояния.

Наконец, реактивными свойствами фоновой ЭЭГ являются реакции активации (десинхронизации) и инактивации (синхронизации), а также реакции с поведенческим эффектом, как ориентировочный рефлекс, на которых мы не будем останавливаться. Зная, что существуют некоторые различия в классификациях реактивных явлений фоновых процессов (Соколов, 1962; Гусельников, 1976), заранее оговорим, что мы не будем считать "вызванной" активность, связанную с изменением функционального состояния. Импульсную активность, соответствующую фоновой волновой активности, также будем называть фоновой.

Таким образом биоэлектрическая активность мозга, актуально рассматриваемая как фоновая, является коррелятом текущего функционального состояния, подверженного воздействию градуальных и/или длительных изменений окружающей (концентрация кислорода, температура, мелькающий свет и прочее) и внутренней (концентрация глюкозы, гормонов в крови и прочее) среды организма. Собственно же вызванной (в дальнейшем – просто вызванной) будем называть (Кожевников, Мещерский, 1963 и др.) относительно кратковременные изменения потенциала, возникающие "на фоне спонтанной активности" в ответ на прямое раздражение нервной ткани или поступление импульсов по афферентным путям, и в общем случае не сопровождающиеся изменением функционального состояния.

Интерес к вызванной и тем более следовой активности обусловлен прежде всего тем, что они служат отчасти прекрасными моделями, отчасти истинными коррелятами психических процессов, имеющих прямое отношение к памяти, которая является центральной проблемой всей нейрофизиологии. Действительно, под определение памяти "в самой общей форме" как "сохранение информации о сигнале после того, как действие сигнала уже прекратилось" (Соколов, 1969) подпадают как вызванная, так и следовая активность в нашем понимании.

Как известно (Ливанов, 1938), в ответ на "мгновенное" и достаточно сильное, чтобы быть замеченным, изменение в окружающей среде (например, вспышка света) развивается так называемый вызванный потенциал (ВП). Так как скачкообразные изменения в теории информации рассматриваются как элементарные события (Голдман, 1957; Шеннон, 1963), то дискретное событие как условие возникновения ВП указывает на то, что он является коррелятом отреагирования мозга на получение порции информации. Иными словами, мы рассматриваем ВП как элементарное событие вызванной активности.

Вызванному потенциалу соответствует также реактивное изменение импульсной активности. Вызванные паттерны, как правило, обладают свойством выделяться формой и/или амплитудой на фоновой активности при суммации отдельных реализаций относительно момента нанесения раздражения.

В ответ на одиночное раздражение, как известно (Ливанов, 1938), развивается так называемый вызванный потенциал (ВП), представляющий собой похожую на ЭЭГ кривую более или менее характерной для эксперимента формы, которую, как и всякую ответную реакцию, можно оценить величинами силовых и временных параметров. Для ВП такими параметрами являются соответственно амплитуда экстремумов составляющих его волн и их латентные периоды (ЛП), а для импульсных ответов нейронной популяции или отдельных нейронов – это вероятности или моменты генерации спайков во времени после раздражения. Последние оценивают с помощью постстимульных гистограмм (ПСГ). Вызванному потенциалу соответствует также реактивное изменение импульсной активности. Вызванные паттерны, как правило, обладают свойством выделяться на фоновой активности при суммации отдельных реализаций относительно момента нанесения раздражения.

В коре мозга кошки в ответ на световое и тактильное раздражения большинство нейронов (66%) демонстрируют значимую корреляцию с ВП (Fox, O'Brien, 1966), а именно: увеличению глубинной негативности соответствует учащение импульсации, а увеличению позитивности – её урежение. На эту тему имеется достаточное количество оригинальных работ и обзоров (Кондратьева, 1967; Шуранова, Гвоздикова, 1971; Шуранова и соав., 1972; Шульгина, 1976 и др.), авторы которых приходят к следующим основным выводам.

Колебания ВП отражают суммарные изменения мембранных потенциалов нейронов, при этом гиперполяризации соответствует увеличение глубинной позитивности, а деполяризации – увеличение глубинной негативности. Большинство нейронов (тип Б) во время ВП отвечают реакцией, состоящей из нескольких затухающих фаз чередующегося возбуждения (первое возбуждение с ЛП до 17мс) и торможения, которые хорошо соответствуют быстрым составляющим колебаний ВП.

Меньшая часть нейронов отвечает фазной реакцией, начинающейся СЃ торможения Рё имеют период чередования фаз длительностью 100-200 РјСЃ. Активность этих нейронов хорошо коррелирует СЃ развитием наиболее медленной составляющей Р’Рџ.

Другими авторами при математическом анализе форм ВП показано, что его основными составляющими являются одновременно 2-4 декрементных колебательных процесса, один из которых попадает в дельта, а другой в альфа диапазон (Гнездицкий и соав., 1981; Жадин, Игнатьев, 1974), что согласуется с вышеизложенными данными и представлениями ряда других исследователей (с.124).

Имеется, однако, еще одна группа реагирующих нейронов, которые активизируются как бы в противофазе с нейронами типа Б, и наиболее вероятно являющихся тормозными интернейронами. Малые размеры сомы этих клеток объясняют редкость регистрации их активности в эксперименте с одной стороны, и незначительный их вклад в генерацию ВП с другой стороны (Кондратьева, 1967). Возможно, что именно хорошие методические условия для регистрации тормозных интернейронов позволили получить противоположные большинству описанных выше данные об усилении импульсации во время глубинно-позитивных отклонений ВП и наоборот, урежение во время глубинно-негативных отклонений (Creutzfeldt et. al., 1969).

Всеми упомянутыми авторами подчеркивается, что фазность нейронных реакций является эффектом системным, то есть опосредованным тормозными интернейронами, в частности механизмами коллатерального торможения. Поэтому "относительная равновесность" является неотъемлемым свойством не только фоновой, но и вызванной активности.

Возвратное торможение в этом случае можно рассматривать как аналог отрицательной обратной связи, которая является обязательным элементом саморегулирующихся и управляющих систем. Применительно к нервным структурам это может быть саморегуляция уровня возбуждения (возбудимости) нейронов, позволяющая на афферентную посылку отвечать характерными колебаниями частоты импульсации около среднего уровня.

Тормозные связи необходимы не только для предотвращения лавинообразного распространения возбуждения (Jung, Baumgartner, 1955), но и для более тонкой регуляции процессов возбуждения и торможения в нейронных массах. Именно вставочным нейронам иногда приписывают непропорционально большую роль в механизмах анализа сигналов, сохранения и воспроизведения информации о них (Поляков, 1965). Тормозные интернейроны наиболее многочисленны и обнаружены почти во всех структурах нервной системы (Поляков, 1965; Экклс, 1971; Костюк, 1973; Наута, 1982 и др.).

Наконец, имеются нейроны, не реагирующие изменением импульсации на раздражение, кроме как испытывающие на себе предъэксцитаторное торможение (Кондратьева, 1967).

Так как подавляющее большинство фоновоактивных нейронов участвуют в организации системного ответа на импульсную стимуляцию, то и фоновая, и вызванная активность генерируются преимущественно одними и теми же нейронами, объединенными одними и теми же связями. К аналогичному выводу приходят и исследователи волновой активности: "... целый ряд ЭЭГ феноменов на те или иные виды раздражений, являются не чем иным, как отражением активности механизмов, которые в норме генерируют спонтанную активность мозга" (Гусельников, 1976).

Таким образом, именно исследования вызванной активности проливают свет на генез активности фоновой. По современным представлениям суммарные волновые процессы типа ЭЭГ и феномены типа ВП обусловлены совокупными изменениями мембранного потенциала масс нейронов (Гусельников, 1976; Шульгина, 1976; Думенко, 1978; Труш, Кориневский, 1979; Жадин, 1982, 1984; Гутман, 1980 и др.). Причем для генерации ЭЭГ наблюдаемых в опыте амплитуд оказывается достаточно небольших (порядка +0.006) степеней пространственно-временной скоррелированности работы близлежащих нейронов (Жадин, 1967, 1969), ориентированных пространственно, как в коре (Brazier, 1949) и некоторых глубоких структурах, или функционально, то есть под влиянием афферентной импульсации (Жадин, 1984). И такая корреляция существует реально (Ливанов, 1965; Ефремова и соав., 1967 и др.). Например, были зарегистрированы изменения потенциала ЭЭГ в связи с приходом одного спайка по многочисленным ветвлениям аксона и массой почти синхронных ПСП. Кроме того, связи первичного глубинно-негативного отклонения ВП с возбудительным импульсным ответом (Fox, O'Brian, 1966 и др.) соответствует большая вероятность генерации потенциалов действия во время негативных полуволн ЭЭГ (Головачинский, 1967; Хананашвили и соав., 1968; Гусельников, Супин, 1968; Гринявичюс и соав., 1969, 1971, 1973 и др.), как если бы ЭЭГ отражала процесс балансировки возбуждения-торможения около некоторого определенного уровня.

Известно, что при широкой полосе пропускания усилителя можно наблюдать, как колебания в ритме ЭЭГ происходят около значительно более медленных изменений постоянного потенциала (Аладжалова, 1958). В связи с этим высказывалось мнение, что ЭЭГ отражает колебания постоянного потенциала (Соколов, 1962), по-видимому, связанные с процессом его саморегуляции. Если учесть, что изменения медленных электрических процессов мозга, как выяснилось позднее, коррелируют с изменением функционального состояния (Илюхина, 1974), то ЭЭГ действительно может служить "поддержанию определенного функционального состояния мозга" (Бехтерева, 1967).

Известно, что равновесность, будучи характернейшим свойством фоновой активности (Ливанов, 1965), является существенным признаком саморегулирующихся систем, и это показательно для активности головного мозга, наиболее общей функцией которого является поддержание гомеостаза систем организма.

С точки зрения взаимосвязи фоновой и вызванной активности принципиально важным следствием общности их клеточной основы является известное влияние фоновой активности на ВП. Установлены многочисленные факты существенной зависимости форм и других свойств ВП от функционального состояния, а следовательно и характера фоновой активности (Шагас, 1975 и др.). Так, амплитуда ВП от негативного до позитивного экстремума положительно коррелирует с амплитудой ЭЭГ покоя (Ciganek, 1965; Rodin et al., 1965; Shagass et al., 1968), и превышает последнюю приблизительно в 3 раза (Basar et al., 1983).

Следует обратить РѕСЃРѕР±РѕРµ внимание РЅР° то, что Р­Р­Р“ после Р’Рџ, РїРѕ крайней мере РІ течение 1-1,5 СЃ, РЅРµ идентична предстимульной РїРѕ вероятности синхронизации (называемой ритмическим последействием), амплитуде, частоте Рё реактивным свойствам альфа-ритма (Walter, 1962; Barlow, 1960; Cohn, 1964; Goldstein, 1970; Morrell, 1966; Рё РґСЂ.). Р’ СЃРІСЏР·Рё СЃ этим РјС‹ введем специальное СѓР·РєРѕРµ определение следовой активности как Р­Р­Р“, непосредственно следующей Р·Р° Р’Рџ. Это определение полностью удовлетворяет существенным признакам более широко понимаемых следовых процессов: зависимости РѕС‚ стимула (Соколов, 1969) Рё РѕС‚ предшествующих изменений нейронной активности (Забродин, Лебедев, 1977).

Однако при том, что следовая ЭЭГ заметно отличается от фоновой по рисунку, многие авторы находят, что (Dustman, Beck, 1963; Cohn, 1964; Creutzfeldt, Kugler et al., 1966 и др.) синхронизация следовой ЭЭГ лучше выражена при наличии регулярного альфа-ритма в фоновой ЭЭГ.

Таким образом, амплитуда фоновой ЭЭГ до раздражения, амплитуда вызванной активности (ВП), следовая ЭЭГ и последующая фоновая ЭЭГ положительно коррелируют между собой, и все они в конечном счете обусловлены характером текущего функционального состояния.

1.2 Динамические процессы в биоэлектрической активности

В предыдущем разделе была показана генетическая общность фоновой, вызванной и следовой активности, которая обусловливает зависимость параметров ВП (и следовой активности) от характера фоновой ЭЭГ. Однако на пути конкретизации этих зависимостей имеется большая принципиальная трудность, состоящая в том, что эта зависимость носит статистический характер, то есть формы ВП на отдельные раздражения даже на фоне одного функционального состояния не повторяют друг друга в точности.

Первоначально предполагалось, что "чистый" ВП имеет в действительности постоянную форму, характерную для данных экспериментальных условий, а видимая его вариабельность объясняется наложением на фоновую ЭЭГ, как бы алгебраической суммацией этих независимых процессов. Однако противоречие открылось прежде всего в самой генетической общности обоих процессов. Действительно, не генерацию ВП должна "отвлекаться" большая часть нейронов и синапсов, создававших до этого фоновую активность, следовательно, амплитуда фоновой ЭЭГ, на которую возможно накладывается ВП, во время его развития должна резко уменьшаться. В действительности же стабилизация формы ВП при их суммации достигается не раньше, чем сумма амплитуд фоновой ЭЭГ выродится в прямую линию.

Другое противоречие данных состоит в том, что как оказалось, параметры единичного ВП обнаруживают корреляцию с рядом кратковременных психических процессов. Непонятно также, почему в одном и том же функциональном состоянии одинаковые стимулы вызывают различные ощущения.

С помощью динамического Фурье-анализа было показано, что мощность различных ритмов ЭЭГ во время одного функционального состояния все время изменяется (Brazier, Уолтер), что можно рассматривать как "ритмы" более высокого порядка.

Динамика описанной в предыдущем разделе самой общей взаимосвязи фоновой, вызванной и следовой активности возможна лишь при изменении функционального состояния, и она действительно имеет место. Однако продолжительности функциональных состояний, как правило, несоизмеримо больше длительностей наших элементарных психических актов, как восприятие, распознавание или принятие решения, которые, в свою очередь, близки к длительностям ВП и отдельных волн ЭЭГ. Хорошо известная самопроизвольная изменчивость последних и составляет наиболее динамичные процессы биоэлектрической активности, изученные еще крайне недостаточно.

Простейшим способом оценки вариабельности тех или иных событий в биоэлектрической активности является усреднение их однородных реализаций. При этом максимально вариабельные потенциалы, напоминающие случайный шум, уменьшаются пропорционально корню квадратному из количества суммаций, а минимально вариабельные потенциалы, то есть абсолютно постоянные, при усреднении, естественно, остаются неизменными. Известно, что при усреднении отрезков ЭЭГ с ВП амплитуда ЭЭГ падает значительно быстрее, чем ВП, поэтому можно считать, что фоновая ЭЭГ наиболее вариабельна.

Целый ряд разнообразных данных подтверждает фактическую неоднородность функционального состояния. К одной группе работ относятся те, авторы которых доказывают неслучайный характер фоновой ЭЭГ.

Было показано, что распределения амплитуд ЭЭГ (ЭКоГ) далеко не всегда даже внешне напоминают нормальное, чаще же оно имеет более сложную асимметричную или двухвершинную форму, достоверно отличную от нормального распределения (Усов). Некоторыми исследователями были сделаны попытки представлять сложные формы распределений амплитуд как комбинацию нормальных распределений, предполагая, что каждому из них соответствует гипотетический физиологический процесс, или состояние. В то же время полного разложения на 2 или даже 3 процесса достигнуто не было, поэтому "остаток" приписывали гипотетическому переходному процессу переключения основных состояний с частотой ЭЭГ. Под различными "состояниями" в данном случае понимались различные степени возбуждения нейронов под электродом в отрезки времени, ограниченные отдельными фазами волн ЭЭГ (во время поверхностно-позитивных фаз волн ЭЭГ происходило учащение импульсной активности). В работах этой группы в конечном счете было продемонстрировано, что распределение амплитуд ЭЭГ не является ни нормальным само по себе, ни комбинацией двух или нескольких нормальных распределений.

Ко второй группе данных относятся уже упоминавшиеся работы с применением динамического Фурье-анализа. К сожалению, возможности этого метода для исследования динамики принципиально ограничены. Наоборот, применение методов периодометрии и комбинаторики оказалось чрезвычайно эффективным (Берч, Чилдерс, 1966; Сороко и соав., 1976). В зависимости от периода, измеренного по моментам пересечения изоэлектрической ("средней") линии можно определить принадлежность и каждой отдельной волны ЭЭГ к тому или иному ритму. Было обнаружено, что последовательности волн ЭЭГ являются разновидностью уже известных в математике так называемых марковских последовательностей, или цепей (Сороко и соав., 1977). Представление ЭЭГ марковской цепью дискретных событий опирается на трактовку единичной волны ЭЭГ как элементарного нейрофизиологического явления (Brazier, Finesinger, 1944; Русинов, 1962; Генкин, 1964, 1965а; Золотарёв и соав., 1974).

Работами группы исследователей показано, что чередование волн ЭЭГ, принадлежащих различным ритмам (что определялось по длительности их периода) неслучайно. Оказалось, что у лиц с выраженными адаптивными свойствами чаще всего (и чаще, чем просто случайно) вслед за волной любого ритма следует альфа-волна. Таким образом, альфа-ритм у этой группы лиц играет роль "функционального ядра". У лиц с меньшими адаптивными свойствами организующая роль альфа-ритма ослаблена за счет тета-ритма, а у лиц с минимальными адаптивными свойствами "организующий" ритм не выделяется (Сороко и соав., 1977; Сороко и соав., 1982). Изменения структуры временной организации ритмов ЭЭГ наступают в процессе длительной физиологической и социальной адаптации, а также при длительном действии слабых физических факторов (Василевский и соав., 1982). Таким образом, особенности вероятностного, но неслучайного чередования ритмов в фоновой ЭЭГ могут не только характеризовать качество функционального состояния, но и указывают на существование его временной структуры, то есть внутренней динамики; однако эти методы не позволяют оценить временную динамику рисунка ЭЭГ внутри этого состояния (Вадова, 1971), её связь с более медленными ритмами. С другой стороны, показано, что такая связь может существовать: так, во время экспериментально вызванной гиперсинхронизации одной из разновидностей альфа-ритма у кошек наблюдалась модуляция его амплитуды с декасекундными периодами, одновременно с альфа-ритмом изменялась частота сердцебиения. Динамика ЭЭГ была отмечена и при исследовании распределении мгновенных амплитуд ЭЭГ, но систематических наблюдений и статистической оценки наблюдаемого явления не было (Гринявичус, Гутман и соав., 1966). Динамика вероятностно-статистической структуры ЭЭГ могла бы быть оценена сравнением достоверно неслучайных элементов в непосредственно следующие друг за другом эпохи анализа во время одного состояния, однако такие работы нам неизвестны.

Подобно ЭЭГ, фоновая импульсная активность также не является случайным процессом. В ней можно выделить волнообразно изменяющуюся составляющую, но даже и без того во многих работах показано, что импульсная активность не является "шумом" с заданными параметрами, хотя исследования временной структуры или динамики импульсной активности нам неизвестны. Имеются лишь отдельные данные о корреляции активности отдельных нейронов и ЭЭГ, а также изменении этой корреляции со временем.

Уже обращалось внимание на то, что биоритмы составляют самостоятельный класс колебательных процессов. Именно поэтому в основе действительно содержательных (адекватных) методов их анализа не может быть чисто математических идей (Генкин, Медведев, 1973).

Признаки, информативные для диагностики психофизиологических состояний, характеризуют достаточно длительные реализации ЭЭГ, так как процессы координации подсистем регуляции гомеостаза внутренней среды, ВНД и психики имеют сложную иерархическую организацию, и поэтому работают со сравнительно медленной скоростью (Генкин, Медведев, 1973). Функционирование таких систем на самых высоких уровнях характеризуется, например, циклами (ритмами) сна и бодрствования, пищевого и других форм сохранительного поведения. Близко к этим уровням регуляции стоят такие биоэлектрические процессы мозга, как сверхмедленная активность (Илюхина), "адаптогенный ритм". Вообще более высокой структурной организации соответствует больший период колебаний процесса (Баевский, 1976). Другой закономерностью колебаний в живых системах является подверженность периодов колебаний медленным изменениям, скорость которых мала по сравнению с периодом (Чернышев, 1976), а так как имеются пределы таким изменениям, то они вырождаются в модулирующий более медленный процесс, представляющий более высокую степень организации.

Таким образом, каждое функциональное состояние, а следовательно, и фоновая активность, обладает внутренней неоднородностью, выражением которой, в частности, является и вариабельность ВП (Лебедев, Забродин).

Биоэлектрическая активность головного мозга является, как известно, неотъемлемым признаком жизни (Гурвич). Будучи существенным коррелятом поведения, мозговая активность, по-видимому, так же непрерывна и неповторима в точности, как и вся предыстория индивида. Научный же метод предполагает прежде всего исследования явлений, повторяющихся или воспроизводимых, и поэтому сравнительно хорошо изучены биоэлектрические феномены (так называемые паттерны), являющиеся коррелятами сходства функциональных и поведенческих проявлений жизнедеятельности и реактивности. Однако это сходство никогда не бывает полным, и в этом случае говорят о вариабельности, которую связывали первоначально со "случайным шумом", обусловленным чрезвычайной сложностью ЦНС.

Действительно, в теории математической статистики считается, что процесс приобретает свойство случайного тогда, когда он определяется большим количеством независимых факторов. По-видимому, именно такая ситуация имеет место в случае волновой биоэлектрической активности головного мозга типа ЭЭГ, так как последняя формируется активностью неопределенно больших массивов нервных клеток. С другой стороны, и активность отдельных нейронов, в том числе импульсная, определяется также очень большим количеством синаптических влияний, модулированных эндогенными процессами и сложной неповторимой геометрией каждой клетки. По этой причине естественно ожидать от клеточной и суммарной активности характера случайного процесса.

Таким образом, рисунок полиморфной ЭЭГ складывается из всей суммы синаптической и эндогенной активности, тесно связанной с физиологическим функциональным состоянием организма и активностью механизмов его поддержания.

Очевидно, активность отдельных нейронов и даже синапсов, строго говоря, нельзя назвать независимой, поэтому влияние действительно большого количества факторов, которые, будучи независимыми, привели бы к случайному процессу, в случае суммарной нейронной активности приводят к особому типу процессов, которые по ряду свойств могут быть похожи на случайные, но все же не являются таковыми. ЭЭГ и импульсная активность групп и одиночных нейронов является примером биоритмов самой сложной структуры, разумеется, если их не рассматривать как реализации случайных процессов.

Частотный спектр ЭЭГ, как известно, не однороден, а состоит из нескольких групп близких частот, которые в большинстве ситуаций изменяются сходным образом. Определяемые таким образом ритмы ЭЭГ теоретически не могут быть локализованы во времени с большей точностью, чем весь отрезок ЭЭГ, взятый для спектрального анализа. Более того, точность частотного спектра тем меньше, чем меньше временной отрезок исходной ЭЭГ. Эти ограничения не могут помешать методу спектрального анализа успешно применяться для описания ЭЭГ во время различных функциональных состояний.

Вообще, возможно говорить о появлении и исчезновении того или иного ритма в течение секунд, например, альфа-ритма во время закрывания и открывания глаз, несмотря на то, что испытуемый находится в одном и том же функциональном состоянии. К сожалению, эта динамика ритмов ЭЭГ во время однородных функциональных состояний не исследовалась до тех пор, пока не были применены методы периодометрии и комбинаторики (Сороко и соав., 1976).

Каждое кратковременное появление того или иного ритма в ЭЭГ имеет вид нескольких непосредственно следующих друг за другом волн соответствующей длительности. Было показано, что периодограммные методы оценки ритмического состава ЭЭГ дают не большую погрешность, чем частотные методы (Берч, Чилдерс, 1966), и тем более визуальные.

Вместе с тем, важным преимуществом периодограммных методов анализа по сравнению с частотными является то, что минимальная длительность эпохи анализа сокращается в несколько раз, будучи лимитируемой длительностью отдельных волн ЭЭГ. Это обстоятельство делает периодограммные методы анализа более подходящими для исследований изменчивости и динамики волнового состава ЭЭГ. Рассматривая ЭЭГ как цепочку элементов (волн), принимающих значения (периоды) из ограниченного набора, можно использовать арсенал математических методов анализа числовых последовательностей и комбинаций. Кажущееся противоречие между двумя подходами может быть полностью снято отношением, родственным принципу неопределенности Гейзенберга (Василевский, Суворов, 1983), поэтому периодограммные методы анализа в данном случае являются адекватными. Наоборот, представлению полиморфной ЭЭГ неделимым аналоговым процессом, складывающимся из колебательных процессов более простой (правильной) формы, адекватны частотные методы анализа.

Аналогично, детальное рассмотрение ЭЭГ во время любого "стабильного" функционального состояния обнаруживает значительные кратковременные флуктуации форм ЭЭГ, как то : спонтанные десинхронизации и вспышки альфа-ритма в состоянии бодрствования, сонные веретена и одиночные волны во время дремоты, сенсомоторный и постподкрепляемый ритмы (у кошек) и множество других подобных явлений. Известно, что десинхронизация альфа-ритма при закрытых глазах связана с возникновением зрительных образов, относительно же других форм флуктуаций ЭЭГ можно с большой степенью уверенности предполагать, что они также являются потенциально информативными. Так, проявления "меченых" ритмов могут быть связаны с образом безусловного раздражителя, экспериментальной обстановки; аналогичные явления имеют место и на поведенческом уровне – например, спонтанные побежки животного к кормушке в отсутствие условного раздражителя. Проявляясь в структуре единого функционального состояния, внутренние образы чередуются по законам сцепления ассоциаций (Конорски), которые, кстати, формируют марковскую цепь образов. Марковскому закону также подчиняется спонтанное поведение животных, сцены сновидений, музыкальное мышление. Нам неизвестны исследования характера чередования флуктуаций ЭЭГ в том или ином состоянии, однако чередования отдельных волн ЭЭГ (периодометрический подход) у здоровых испытуемых в стандартных условиях изучены достаточно хорошо.

Можно считать, что рисунок полиморфной ЭЭГ с чередующимися волнами разных ритмов в конечном счете обязан своим происхождением взаимодействию модулированных по амплитуде ритмов. А так как вклад альфа-ритма в амплитуду ЭЭГ наиболее велик, то исследование динамики амплитуды ЭЭГ также могло бы дать ценную информацию при минимальных затратах.

Импульсную активность нейронов можно в первом приближении условно разделить на две составляющие: случайную и волнообразно изменяющуюся.

...

2        Материалы и методы исследования

Настоящее исследование выполнено РЅР° 9 взрослых кошках СЃ хронически вживленными электродами. Всего проведено 165 опытов. (Часть работы выполнена РІ отделе экологической физиологии НИИ Р­Рњ РђРњРќ РЎРЎРЎР  РїРѕРґ руководством РїСЂРѕС„. Рќ. Рќ. Р’асилевского.)

Предварительно была разработана, апробирована и изготовлена новая модификация электродов, адаптированных для длительного и стабильного отведения одновременно волновой и импульсной суммарной активности с одних и тех же электродов.

К хронически вживляемым интрацеребральным электродам предъявляются такие требования, как большая химическая и биологическая инертность, низкое сопротивление, наличие у контактной поверхности заданных геометрических свойств и ряд других. Дополнительные ограничения на электродную технику вводятся в связи с тем, что в нейрофизиологии животных и человека в настоящее время становится все более актуальным комплексный метод физиологического исследования мозга (Бехтерева, 1980), который, в частности, предполагает регистрацию максимального количества показателей из каждой исследуемой точки мозга. Так, для регистрации постоянного электрического потенциала и его сверхмедленных колебаний требуются электроды, обладающие минимальным и стабильным собственным потенциалом. Таким повышенным требованиям удовлетворяют лишь электроды на основе благородных металлов, которые разработаны и используются специально для больных в лечебно-диагностических целях (Беляев, 1967). Применительно к животным такие электроды имеют существенные недостатки, главным из которых является высокая стоимость материала электрода. С благородными металлами может соперничать углеродное графитированное волокно (Конкин, 1974), обладающее уникальным и ценным для нейрофизиологии комплексом особенностей. Такое волокно представляет собой пучки из сотен цельных прямых нитей любой длины, по механическим свойствам напоминающих стекловолокно, а по химическому составу представляющих собой композицию волокнистой аллотропной разновидности углерода с графитом. Удельное объемное электрическое сопротивление составляет 0,003-0,600 Ом*см (Конкин, 1974), а импортного одиночного волокна стандартной толщины 7-8 мкм – 0,001±10% Ом*см (Armstrong-James, Millar, 1979; Fox et al., 1980). Это меньше, чем для графита, что по-видимому, связано с большой внутренней поверхностью волокна (Johnson, Tyson, 1969). Углерод стоит в гальваническом ряду между серебром и золотом (Качалов и соав., 1980), а постоянный потенциал углеродных нитей, погруженных в физиологический раствор, по нашим данным составляет 35 мВ.

Электрод представляет собой стеклянную микропипетку, внутри которой находится тонкий пучок из требуемого количества цельных нитей. Часть пучка, выступающая из вытянутого конца микропипетки, формирует контактную поверхность. Герметичность полости микропипетки со стороны кончика может быть обеспечена заклеиванием или тщательным запаиванием на пламени, так как волокно не плавится, не горит и не деформируется, а коэффициент его линейного расширения 1000000 1/С=2 (Конкин, 1974), что близко к таковому для пирекса – 3,0 (Качалов и соавт., 1980). Однако для большей гарантии от напряжений и трещин место спайки стекла с углем и его граница могут быть покрыты слоем эпоксидной смолы. Площадь и форма контактной поверхности зависят от количества нитей в пучке, длины его выступающей части и угла среза. С противоположной стороны в микропипетку введена проволока, контактирующая с угольным пучком непосредственно , через припой или токопроводящий клей на основе дисперсного оксидированного графита (Фиалков, 1979). Для обеспечения надежности полученного контакта эта часть электрода залита в эпоксидную смолу. Для предотвращения повреждения хрупкого кончика электрода при введении его в мозг необходимо предусмотреть его защитное покрытие, после растворения которого дополнительное продвижение вглубь мозговой мишени заставит отдельные нити пучка разойтись в стороны. Тем самым уменьшается эффективное расстояние до близлежащих нейронов, которое пропорционально диаметру проводника (Жадин, 1972), и ведет к увеличению амплитуды отводимых потенциалов действия. Уменьшению шунтирования пиковых потенциалов способствует анизотропная проводимость углеродного волокна: вдоль оси она в 3.3 раза больше, чем поперек (Fox et al., 1980). Это обстоятельство позволяет увеличить длину контактной поверхности, что способствует увеличению количества регистрируемых нейронов со спайковой активностью (Матвеев, Киселев, 1978). В связи с вышеизложенным следует особо отметить, что отведение активности по возможности всех, и особенно мелких нейронов в некотором объеме, является принципиальным для решения нейрофизиологических задач на уровне динамических констелляций нейронов.

Так, даже при соблюдении этого условия иногда наблюдавшееся нами стойкое урежение мультиклеточной активности (МКА) вплоть до нескольких единиц, по всей видимости не может не свидетельствовать о нормально длительных периодах "молчания" близлежащих и, возможно, наиболее тесно друг с другом связанных функционально, нейронов.

По сравнению с описанными в литературе микроэлектродами (Курас, Хусаиновене, 1983), описанная конструкция хронических интрацеребральных электродов более проста и в то же время обладает большими возможностями: количество нитей 10-15, длина контактной поверхности около 100 мкм, срез под острым углом, сопротивление около 20 кОм; все виды отводимой активности (МКА и ЭКоГ) не ухудшались в течение нескольких месяцев.

Для операции вживления электродов брались взрослые здоровые прирученные животные со средним весом 3 кг. Наркоз – нембутал, 35-40 мг/кг внутрибрюшинно. Координаты глубоких структур мозга: ядра ретикулярной формации среднего мозга – RF, ядра латерального гипоталамуса – HрL, срединного центра таламуса – CM, дорзального гиппокампа – Hiр, – рассчитывались по атласу (Fifkova, Marsala, 1960). Корковые электроды вводились в зрительную (OР) и сенсомоторную (Рrc) кору на глубину около 1 мм. Во время отдельных операций проводился контроль нейронной активности. Операция длилась около 6 часов. Мозговая активность стабилизировалась в течение 10-14 дней, после чего с животными начинали опыты.

Усиление и анализ активности в реальном времени производилось с помощью приборов и специализированной стойки со сменными блоками производства экспериментально – производственных мастерских (ЭПМ). Активность, отводимая с каждого электрода, разделялась на две частотные полосы, соответствующие ЭКоГ-ЭСКГ (1-30 Гц) и МКА (200-10000), МКА ограничивалась по амплитуде и формировалась в 3 мс импульсы, следующие с частотой 10-15/с (во время исходного фона) и в течение опыта порог не менялся. Э(С)КоГ (в дальнейшем – ЭЭГ) и сформированная МКА записывались на магнитную ленту с помощью широтно-импульсного модулятора УКМ-82 и магнитофона Тембр-2М. Это позволяло записывать на магнитную ленту 9 каналов информации в одном из двух вариантов:

а) 6 отведений ЭЭГ, 2 канала импульсной активности и канал отметки раздражения;

б) по 4 канала ЭЭГ и импульсной активности и канал отметки раздражения.

Проводилось несколько типов опытов:

1. Мониторинг фоновой активности в течение нескольких суток. каждые 4 часа проводилось по 3 двухминутных записи с перерывом 10 минут. В течение всей серии опытов порог амплитудной дискриминации МКА не менялся.

2. Опыты с фотостимуляцией вспышками импульсной лампы в следующих режимах:

а) случайные вспышки с интервалами 2-3 с;

б) ЭЭГ-зависимые вспышки с интервалом 2-3 с;

в) парные случайные вспышки с интервалом в паре 250 мс и между парами 2-3 с;

г) триггерная фотостимуляция в ритме ЭЭГ.

В начале каждого опыта записывалась фоновая активность длительностью 1-3 минуты, затем регистрировалась активность во время стимуляций. Режимы стимуляций длились по 4-7 минут (триггерная – 1 минуту), по два подряд (кроме триггерной) с перерывами по 1-3 минуты для записи промежуточного фона. В одном опыте обычно применялось 4 вида стимуляции, в день ставился 1 опыт.

Параметрами управления ЭЭГ-зависимой стимуляции были моменты пересечения ЭЭГ нулевой (изоэлектрической) линии в одном из двух направлений: при смене позитивности на негативность или наоборот. Изоэлектрические точки выделялись с помощью специализированного "блока переходов и периодов" (Маграчёв, Шадрин, Суворов, 1984, 1985), на выходе которого появляется логический импульс в момент пересечения ЭЭГ изоэлектрической линии. Этот импульс управлял фотостимуляцией через посредство "блока времени счета", на котором устанавливался минимально необходимый интервал между стимулами или парами стимулов по времени, количеству периодов ЭЭГ или шума с соответствующей полосой частот. Введение второго блока времени счета позволяло в одном и том же режиме стимуляции чередовать фотостимулы, управляемые различными дискретными точками ЭЭГ, помечая их на записи разнополярными отметками.

Все опыты записывались на магнитофон и частично на бумагу. Записи, восстановленные с магнитной ленты, первоначально обрабатывались на многоканальном анализаторе NOKIA. Для записей фоновых состояний вычислялись посекундно интегрировавшиеся частоты импульсации и огибающие амплитуды ЭЭГ. Для ЭЭГ в фоновых и вызванных триггерной фотостимуляцией состояниях строились гистограммы периодов, измеренных отдельно по моментам разнонаправленных смен полярности. Достоверность взаимного расхождения в парах полученных гистограмм периодов ЭЭГ определялась по критерию хи-квадрат (Рearson, 1911; Крамер, 1975; Плохинский, Маркелова, 1978).

По специальной программе исследовалась связь фоновой импульсной активности и ЭЭГ. Непрерывная запись разбивалась на бины по 6 мс длительностью, внутри каждого из которых измерялась мгновенная амплитуда ЭЭГ и одновременно отмечалось наличие спайка в импульсной активности. Затем строилось два распределения амплитуд ЭЭГ: тех, во время которых спайки отсутствовали и тех, во время которых генерировались спайки. Сравнение между собой обоих распределений по вышеупомянутому критерию хи-квадрат позволяет оценить вероятность того, что обе выборки сделаны из одной совокупности.

Суммарное распределение всех амплитуд ЭЭГ можно было сравнить с аналогичными распределениями, относящимися к непосредственно предшествовавшим или последующим отрезкам времени, а также с распределениями амплитуд процессов заведомо известного типа, как случайный и гармонический.

Деление распределения амплитуд ЭЭГ, во время которых генерировались спайки, на суммарное распределение дает совокупность вероятностей генерации спайка во время различных мгновенных амплитуд ЭЭГ Такие кривые сравнивались между собой с помощью критерия ранговой корреляции.

Опыты со стимуляцией обрабатывались по программе суммации пост- или перистимульных ЭЭГ и импульсной активности. Накапливалось по 10 или 50 вызванных потенциалов и соответствующие им постстимульные гистограммы (импульсной активности) длительностью по 800 мс до и после стимула. Контрольные накопления фоновой активности производились от соответствующих псевдостимулов.

Одним из основных методов статистического анализа было вычисление коэффициентов ранговой кросскорреляции между различными массивами данных, а также функций ранговой кросскорреляции между массивами, упорядоченными во времени. Этот метод позволил оценивать степень сходства тех или иных паттернов биоэлектрической активности в динамике: ВП и ПСГ, изменений частоты фоновой импульсации и огибающей фоновой ЭЭГ. Выбор непараметрического коэффициента корреляции был вызван тем, что распределение исходных данных (например, амплитуд ЭЭГ) принципиально отличалось от случайного.

Сравнение массивов данных, упорядоченных во времени и их фрагментов производилось с помощью следующей процедуры. Начало и последовательные элементы первого массива ставились в соответствие началу и последовательным элементам второго массива, после чего вычислялся коэффициент корреляции рангов между ними с оценкой достоверности на заданном уровне. Далее первый массив сдвигался таким образом, что его первый элемент соответствовал второму элементу второго массива и вычисление коэффициента корреляции повторялось. Последующие "сдвиги" первого массива относительно второго до заданного предела давали "функцию" зависимости коэффициента корреляции от временного сдвига между массивами. Такую функцию корреляции мы назовем полной, если оба массива имеют одинаковый размер и частичной, если размер первого массива меньше второго. В последнем случае первый массив представлен не целиком, а каким-либо фрагментом, или паттерном, так как все полные массивы, подлежавшие сравнению, имели одинаковый размер. Если оба массива идентичны, или первый массив является фрагментом второго, то мы имеем дело с функцией, которую назовем соответственно полной или частичной автокорреляционной функцией. Если же массивы различны, или первый массив не является элементом второго, то такую функцию назовем соответственно полной или частичной (кросс)корреляционной функцией.

Еще один способ был использован для оценки динамики импульсной активности, при этом каждый спайк в импульсной активности рассматривался как дискретное событие, а количество спайков, накопленных за 1с рассматривалось как выборка из В-распределения. Максимальное теоретически возможное количество импульсов в течение 1 с вычислялось исходя из величины предельной частоты ограничителя – формирователя. На основании этих двух параметров находились табличные значения (Большев, Смирнов, 1983) пределов флуктуаций частоты импульсации (на уровне достоверности 5%) при условии сохранения тех же параметров В-распределения. Если эти пределы для последовательных отрезков времени пересекались, то считалось, что средняя частота генерации спайков не изменилась, в противном случае фиксировалось достоверное изменение текущей частоты импульсации.

Оценивалось также взаимодействие мозговых структур по дискретным параметрам биоэлектрической активности, которых по каждому отведению выделялось три потока:

а)моменты негативных переходов ЭЭГ через изоэлектрическую линию;

б)моменты возникновения каждого отдельного спайка;

в)моментов начала кратковременного учащения импульсации.

Последние выделялись специализированным блоком, имеющим на входе импульсный поток, а на выходе – огибающую его мгновенной частоты, которая после удаления постоянной составляющей обрабатывалась блоком переходов и периодов. В итоге получалось до трех различных потоков дискретных событий в комплексной активности каждой структуры. Сведение в единые для всех структур последовательности однотипных дискретных событий осуществлялось с помощью анализатора NOKIA.

Вычисление эмпирических и теоретически ожидаемых (по суммарным частотам) матриц переходных частот дискретных событий, их поэлементное сравнение по критерию хи-квадрат на уровне ошибки менее 0.05 осуществлялось на ЭВМ М-7000. При этом в отличие от ранее применявшейся методики (Суворов, Василевский, 1981), учитывались не только те элементы эмпирической матрицы, которые были достоверно больше теоретически ожидаемых, но и те, которые достоверно меньше таковых. Использовался также прием разбиения предварительно совмещенной по всем структурам последовательности однотипных дискретных событий на два и более фрагментов кратной длительности.

Основные вычисления проделаны на комплексе MERA.

3        Динамическая фоновая активность

Рисунок фоновой биоэлектрической активности, как было показано выше, тесно связан с характером функционального состояния животного. Иными словами, в данном функциональном состоянии некоторые, быть может, наиболее общие параметры биоэлектрической активности остаются постоянными или колеблются в небольших пределах около среднего значения. Такими параметрами, например, являются волновой состав ЭЭГ и суммарная частота импульсации.

Рассмотрим свойства фоновой активности РІ состоянии СЃРїРѕРєРѕР№РЅРѕРіРѕ бодрствования животного, которое служило нам фоном для всех опытов. Характерные гистограммы периодов волн Р­Р­Р“ разных структур для этого состояния обладают некоторыми сходствами Рё различиями. Сходство состоит прежде всего РІ наиболее общей характеристике форм гистограмм: РѕСЃРЅРѕРІРЅСѓСЋ часть волн Р­Р­Р“ составляют колебания альфа диапазона (СЃ периодом 60-120 РјСЃ, соответствующим частотам 8-16 Р“С†), меньшую часть составляют тета-волны (период 120-300 РјСЃ, частота 3-8 Р“С†), Рё наконец, наименьшую часто составляют бета- Рё дельта-волны. Различие же состоит РІ относительных долях альфа- Рё тета-волн, Рё РІ небольшой степени бета- Рё дельта-волн. Наибольшая доля альфа-волн содержится РІ Р­Р­Р“ Р rc Рё HСЂL. Назовем волны, доминирующие РІ Р­Р­Р“, доминирующим ритмом.

ЭЭГ всех исследовавшихся структур обладает заметным сходством форм колебаний, приблизительно в той же мере, что и гистограмма их периодов. Рисунок ЭЭГ во время фонового состояния не является постоянным хотя бы уже потому, что друг друга сменяют волны различных длительностей. Такого рода временная структура ЭЭГ может быть описана с помощью статистической оценки степени неслучайности чередования тех или иных волн (Бекшаев и соавт., 1978). Однако для этого желательны большие накопления количеств волн, и поэтому оценка динамики временной структуры в небольших интервалах времени оказывается затруднительной, по крайней мере с помощью упомянутой методики.

Наряду с длительностью, другим основным параметром волн ЭЭГ является их амплитуда, которую мы усредняли за последовательные секунды. По нашим наблюдениям, именно синхронизация вносит максимальный вклад в увеличение интегральной амплитуды ЭЭГ, или её огибающей, и наоборот, уменьшение амплитуды ЭЭГ связывается с той или иной степенью десинхронизации, уменьшением выраженности доминирующего ритма. Для состояния спокойного бодрствования животного очень характерна повторяемость паттернов кратковременной синхронизации доминирующего ритма. Подобно различной степени сходства ЭЭГ различных структур и рисунки кратковременной синхронизации в соответствующих отведениях ЭЭГ бывают более одновременны и сходны. Однако такое сходство не является следствием только физического распространения, так как оно непостоянно.

Так, если наблюдается переход от десинхронизированной ЭЭГ, во время которой кратковременная синхронизация практически не наблюдается, к более синхронизированной, непременным атрибутом которой являются вспышки кратковременной синхронизации, то обычно можно проследить, как первая кратковременная синхронизация возникает в одной структуре, не сопровождаясь аналогичными паттернами в других структурах. Далее можно наблюдать поэлементное, более или менее быстрое: со второй, третьей и так далее вспышки синхронизации, – "подключение" других структур к синхронизованной активности. Аналогичные явления в обратном порядке могут наблюдаться в преддверии неожиданной по другим показателям десинхронизации ЭЭГ. Также возможны и более длительные состояния, во время которых спорадические кратковременные синхронизации наблюдаются либо только в одной структуре, либо во всех, кроме одной, либо в нескольких. Пожалуй, единственным ограничением этого разнообразия является то, что кратковременная синхронизация доминирующего ритма не наблюдается изолированно в тех структурах, которые нормально, по-видимому, не бывают пейсмекерами доминирующего ритма (RF, OР).

Пространственно-организованный паттерн ЭЭГ в промежутках между кратковременными синхронизациями, как правило, обнаруживает очевидную связь с характером её распространения в этом состоянии. Так, если кратковременные синхронизации синхронны в ряде структур, то и промежуточные ЭЭГ этих структур почти повторяют друг друга. И наоборот, если кратковременная синхронизация в одной структуре не находит никакого отклика в другой, то и промежуточные ЭЭГ этих структур оказываются непохожими. Таким образом, в ряде случаев наблюдается диссоциация ЭЭГ различных отведений не меньше, чем их сближение в ряде других случаев.

Синхронизация Р­Р­Р“ некоторых структур РєСЂРѕРјРµ доминирующего ритма может происходить Рё РЅР° меньших частотах: 6-8 Р“С† РІ OР , HiСЂ, CM Рё RF Рё РЅР° еще более медленных РІ РґРІСѓС… последних структурах. Однако такая синхронизация, как правило, локальна Рё редко образует вспышки. Р’Рѕ всех структурах, РєСЂРѕРјРµ HiСЂ, несложно наблюдать урежение импульсации РІРѕ время синхронизации Р­Р­Р“. Так, РІ РѕРґРЅРѕРј РёР· многочисленных наблюдений РІРѕ время кратковременной синхронизации волн СЃ периодом около 70 РјСЃ РІ CM импульсация РІ этой структуре урежалась приблизительно РЅР° 20%, Рё одновременно РІ RF, РіРґРµ кратковременная синхронизация была менее выражена – РЅР° 12-13%. РџСЂРё этом как начало, так Рё окончание этого урежения РІ CM опережало соответствующие вспышки доминирующего ритма. Синхронизация РІ OР  РЅР° более медленной, чем доминирующий ритм, частоте, также сопровождалось урежением импульсации, РІ то время, как РІ HiСЂ РІРѕ время медленной синхронизации импульсная активность могла РЅРµ изменяться или даже учащаться.

В подавляющем большинстве случаев амплитуда ЭЭГ и частота импульсации достоверно (с вероятностью ошибки менее 0,05) отрицательно коррелируют между собой (коэффициент ранговой корреляции до -0,50 и более). Исключение составляет Hiр: амплитуда ЭЭГ этой структуры обычно очень слабо коррелирует с частотой импульсации. Коэффициенты корреляции в разных опытах могут сильно различаться, что свидетельствует об изменчивости силы, а возможно и самого характера, связи между этими параметрами.

Непосредственные наблюдения высокоамплитудных вспышек ЭЭГ и параллельных урежений импульсации обычно демонстрирует не полную их одновременность, что может быть ответственным за ослабление такой зависимости в условиях, когда амплитуда ЭЭГ и частота импульсации интегрируются посекундно, а изменения этих показателей, возможно, происходит от волны к волне, но вследствие нечеткого временного соответствия перекрываются, накладываются или взаимодействуют.

Итак, непрерывная оценка усредненной амплитуды волн Р­Р­Р“ Р·Р° каждую секунду показывает, что даже РІРѕ время поведенчески РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕРіРѕ состояния РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ значительные флуктуации амплитуды Р­Р­Р“. Р’ частности, РёС… экстремальные значения РјРѕРіСѓС‚ достигать средней амплитуды Р­Р­Р“ РІ РґСЂСѓРіРёС… состояниях РѕС‚ таких как реакция активации РґРѕ таких как сонные веретена или медленный СЃРѕРЅ. Однако эти экстремальные значения как правило РЅРµ удерживаются сколько-РЅРёР±СѓРґСЊ длительное время, Р° сменяются противоположными изменениями РІ течение 1-2 СЃ. Р’ этих же интервалах времени интегральная частота импульсации изменяется противоположным образом.

Кроме того, флуктуации амплитуды ЭЭГ (реже – частоты импульсации) возрастают с увеличением среднего их уровня; поэтому, например, десинхронизация ЭЭГ сопровождается не только уменьшением средней амплитуды ЭЭГ и увеличением средней частоты импульсации, но также и уменьшением флуктуаций (дисперсии) амплитуд ЭЭГ и изменением дисперсии частоты импульсации. Такое отношение, по крайней мере, свидетельствует о нелинейности связи двух параметров.

В больших интервалах времени динамика частоты импульсации и амплитуды ЭЭГ носит и более разнообразный характер. Их средние значения (за несколько секунд) могут оставаться на одном уровне, затем изменяться и выходить на "плато" на другом уровне, и через некоторое время аналогичным образом возвращаться в исходное состояние. Длительности как фаз изменения, так и фаз стабилизации могут варьировать от секунд до минут (в последнем случае можно говорить об изменении функционального состояния), при этом наиболее общей закономерностью является та, что время удержания нового уровня приблизительно пропорционально скорости его изменения, предшествовавшей достижения этого уровня. В частности, проявлением этой закономерности и являются сравнительно большие флуктуации частоты импульсации и амплитуды ЭЭГ в меньшие (одно-двухсекундные) интервалы времени. С другой стороны, более медленные изменения приводят к более длительному сохранению нового уровня.

Некоторые особенности динамики амплитуды Р­Р­Р“ Рё частоты импульсации РјРѕРіСѓС‚ быть выяснены СЃ помощью корреляционных функций, описанных РІ главе 2. Полная автокорреляционная функция посекундно интегрированных амплитуд Р­Р­Р“ имеет характерный РІРёРґ: начинается СЃ коэффициента корреляции, равного единице РІ точке, соответствующей отсутствию СЃРґРІРёРіР° РІРѕ времени, затем экспоненциально уменьшается Рё приобретает более или менее выраженный колебательный характер.

Скорость экспоненциального падения кривой в её начальной части характеризует степень различия (или, наоборот, "связности") между соседними во времени значениями параметра. Чем больше сходство между ними, тем медленнее падение полной автокорреляционной функции.

Мерой связности величин амплитуд ЭЭГ в последовательные секунды может служить значение функции полной автокорреляции для временного сдвига, равного одной секунде, так как оно сильно отрицательно коррелирует (коэффициент корреляции равен -0,95) со скоростью спада функции. Оцененная таким образом связность амплитуд ЭЭГ может варьировать в некоторых пределах и одновременно иметь различную величину в разных структурах, но наиболее мала она в Hiр, так что амплитуду ЭЭГ Hiр можно назвать наиболее динамичной (в секундных интервалах времени) по сравнению с ЭЭГ других структур в большинстве случаев.

Небольшие колебания полной автокорреляционной функции имеют период 10-20 СЃ. Эти колебания отражают периодичность повторения похожих СЂРёСЃСѓРЅРєРѕРІ амплитуды Р­Р­Р“, что подтверждается РїСЂРё рассмотрении функции частичной автокорреляции 20-секундного фрагмента РёР· середины фоновой записи СЃРѕ всей записью; эта функция демонстрирует СЏСЂРєРѕ выраженные достоверные колебания СЃ периодом около 20СЃ Рё включающие как положительные, так Рё отрицательные значения коэффициента корреляции. Эти колебания РІ различных структурах похожи, если амплитуда Р­Р­Р“ этих структур изменяется сходным образом.

Обратим внимание на несколько важных обстоятельств. Во-первых, наиболее сильная корреляция наблюдается непосредственно до и после паттерна, с которым происходит сравнение. Во-вторых, в динамике амплитуды ЭЭГ повторяются не только рисунки, похожие на избранный паттерн, то есть положительно коррелирующие с ним, но и те, которые коррелируют отрицательно, то есть напоминают зеркальное отражение этого паттерна. В-третьих, фрагменты, коррелирующие положительно и отрицательно с данным паттерном, правильно чередуются друг с другом. Иными словами, в динамике амплитуды ЭЭГ после данного рисунка идет рисунок, похожий на зеркальное отражение первого, затем зеркальное отражение второго, то есть сходный с первым, и так далее. Каждый последующий рисунок в некоторой степени отличается от предыдущего и спустя некоторое время сходство с начальным рисунком может быть постепенно утрачено. Поэтому наиболее сильная корреляция наблюдается непосредственно до и после избранного фрагмента. В-четвертых, соседние фрагменты, коррелирующие положительно с предшествующим, обычно перекрываются между собой.

Другая картина выявляется при рассмотрении автокорреляционной функции частоты импульсной активности, так например свойства спада функции в начале и колебательность в дальнейшем выражены гораздо слабее. Связность, как она была определена выше, частоты импульсации в односекундные интервалы времени в большинстве случаев значительно меньше, чем связность амплитуд ЭЭГ, и это, по-видимому, означает, что частота импульсации от секунды к секунде изменяется значительно сильнее, чем амплитуда ЭЭГ. Нам не удалось обнаружить столь же ярко выраженной колебательности форм изменений частоты импульсации, как для ЭЭГ.

Любопытно отметить, что связность частоты импульсации, так же как и амплитуды ЭЭГ, минимальна в Hiр по сравнению с другими структурами. Однако метод, результаты которого применительно к анализу амплитуд ЭЭГ описаны выше, дает значительно меньшую информацию о динамике частоты импульсации, поэтому для анализа последней был применен еще один метод, основанный на свойствах B-распределения, с помощью которого можно описать посекундно интегрированную частоту импульсации. Суть метода, напомним, состоит в том, что если за 1 с было зарегистрировано определенное число потенциалов действия, то можно оценить минимальную и максимальную частоты импульсации, которые можно ожидать в следующую секунду с заданной вероятностью. Поэтому если частота импульсации в следующую секунду окажется вне этих пределов, то можно утверждать, что (с вероятностью ошибки меньше 0,05) произошло достоверное изменение средней за секунду частоты импульсации. Зная количество таких изменений и время, в течение которого они произошли, можно вычислить среднюю вероятность изменения частоты импульсации за секунду в данной записи. В различных структурах в разных опытах вероятность изменения частоты импульсации в течение 1 с колебалась в широких пределах – от величин меньше 0,006 до более чем 0,16 при случайном уровне 0,05. Наблюдалось также заметное, иногда сильное, изменение этой величины во время одной регистрации. Описанные изменения частоты импульсации мы назовем скачкообразными, в отличие от наблюдавшихся изменений иного рода.

С помощью того же метода, основанного на B-распределении, можно определить, сколько последовательных односекундных бинов могут принадлежать к одному и тому же B-распределению. Это, в свою очередь, позволяет обнаружить достоверные изменения частоты импульсации в том случае, если от секунды к секунде она изменяется незначительно, однако спустя некоторое время оказывается достоверно иной, чем в начале данного отрезка времени. Такие изменения частоты импульсации в отличие от скачкообразных мы назвали медленными. Разумеется, их локализация во времени, в отличие от первых, условна.

Обычно после скачкообразного изменения частоты импульсации происходит несколько медленных изменений, каждое из которых длится несколько секунд, после чего повторяется скачкообразное изменение. Таким образом, количество медленных изменений обычно раза в два превышает количество скачкообразных изменений, хотя иногда наблюдаются сильные отличия от такого соотношения. В некоторых случаях резко увеличивается количество скачкообразных изменений, при этом уменьшаются как интервалы между ними, так и количество медленных изменений. В других случаях, наоборот, увеличивается количество медленных изменений за счет скачкообразных. Иногда количество обоих видов изменений заметно уменьшается или увеличивается. Любопытно, что одновременно в одной структуре могут преобладать медленные изменения импульсации, в то время как в другой структуре – скачкообразные, в этом отношении мозговые структуры обнаруживают большую степень независимости.

Вообще относительная независимость поведения как различных мозговых структур, так и различных параметров их состояний является проявлением еще одного вида изменчивости биоэлектрической активности, а именно изменчивости отношений между различными её параметрами. В нашем исследовании такая изменчивость проявлялась во взаимозависимых ЭЭГ и импульсной активности, или корреляции импульсной и волновой фоновой активности. Существуют различные подходы к оценке такой корреляции в её изменчивости и динамике, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, которых мы не будем здесь касаться. Отметим лишь, что принципиальная сложность состоит в выраженной нестационарности обоих процессов. Избранный нами метод подробно описывается в главе 2. Краткая суть его состоит в оценке вероятностей генерации спайка (потенциала действия) во время различных мгновенных амплитуд ЭЭГ, абстрагируясь от конкретных рисунков ЭЭГ и импульсной активности внутри определенных отрезков времени. Основная идея состоит в том, что ЭЭГ представляется иногда более, иногда менее регулярной, но всегда непрерывно циклическим процессом своего рода "сканирования мгновенных микросостояний", соответствующих непрерывному ряду значений медленного потенциала.

Рассмотрим прежде всего распределение амплитуд фрагментов ЭЭГ длительностью 3-5 минут. Оно представляет собой неправильную эмпирическую кривую (гистограмму), ближе всего напоминающую нормальное распределение, однако никогда не бывающее полностью ему идентичным, а наоборот, всегда достоверно отличающееся от него. Отличия бывают разные, и сводятся в основном к следующему: общая асимметричность распределения, большая или меньшая волнообразность нисходящих ветвей, а также уплощенность или даже вогнутость вершинной части распределения. Три последние особенности, очевидно, связаны с преходящими явлениями синхронизаций ЭЭГ различной амплитуды. Асимметричность же распределения можно связать с известной степенью более или менее устойчивой асимметрией самих волн ЭЭГ.

Распределение амплитуд фрагментов ЭЭГ длительностью несколько минут, во время которых возникали спайки, представляет собой кривую, небольшая волнообразность нисходящих ветвей которой расходится с формой распределения всех амплитуд ЭЭГ. Так, сравнение распределения амплитуд, во время которых генерировались спайки с распределением амплитуд, во время которых, внутри того же отрезка времени, спайки не возникали, по методу хи-квадрат, демонстрирует достоверность различий между ними с вероятностью больше 0,95, а часто и много больше. Кроме того, распределение амплитуд ЭЭГ, во время которых происходят спайки, обычно немного смещено в негативную область по сравнению с амплитудами, во время которых спайки отсутствуют. Таким образом, вероятность генерации спайков на негативных полуволнах ЭЭГ обычно больше, чем на позитивных, иногда в полтора-два раза.

Распределения амплитуд ЭЭГ, во время которых происходит, или наоборот, не происходит, импульсный разряд, очевидно, зависят от двух факторов: распределения всех амплитуд ЭЭГ и вероятности генерации спайка в каждом классе амплитуд. Для того, чтобы выделить последний фактор, достаточно разделить поэлементно второе распределение на первое, получив при этом "кривую связи" вероятности генерации спайка и величины мгновенной амплитуды потенциала ЭЭГ. Из вышеизложенного ясно, почему кривые эти обычно асимметричны, демонстрируя большую вероятность генерации потенциалов действия на негативных амплитудах ЭЭГ. Эти кривые имеют также слегка волнообразную форму, отражающую существование "зон" амплитуд, соответствующих большей или меньшей вероятности генерации спайков; эти "зоны" обычно более выражены для больших значений амплитуд обоих полярностей. Изоэлектрическим точкам может соответствовать как зона повышенной, так и пониженной вероятности генерации спайка; размеры этих зон (от пика до пика) имеют величину порядка 0,5 стандартного отклонения амплитуды ЭЭГ.

Та же вариация метода хи-квадрат для оценки связи ЭЭГ и импульсной активности была применена к более коротким, 45-секундным фрагментам записей, в том числе непосредственно следующим друг за другом. Полные распределения амплитуд ЭЭГ в целом имели тот же вид, что и для более длительных фрагментов, отличаясь лишь большим разнообразием и неправильностью форм. Естественны изменения распределения, связанные с изменениями рисунка ЭЭГ, которые происходят постоянно; различия распределений амплитуд ЭЭГ разных отрезков времени, даже и непосредственно следующих друг за другом, всегда высокодостоверны.

Распределение связанных с генерацией потенциалов действия амплитуд 45-секундных фрагментов ЭЭГ по сравнению с аналогичными распределениями по более длительным записям, выглядят гораздо более неравномерными, с ярко выраженными пиками и провалами. Однако эти "неровности" нельзя объяснить недостаточными объемами выборок, которые ограничены частотой импульсации, так как в 50% случаев эти распределения амплитуд в моменты спайков достоверно (вероятность ошибки менее 5%) отличаются от распределения амплитуд в отсутствие спайков, и лишь в 6% случаев достоверно сходны.

Так как в целом тип корреляции потенциала ЭЭГ и импульсной активности может быть охарактеризован кривой связи вероятности генерации спайков и мгновенной амплитуды ЭЭГ, то именно эти кривые и сравнивались в дальнейшем (по критерию ранговой корреляции) между собой для оценки степени их изменчивости и связности в последовательные отрезки времени.

Рассмотренные примеры изменчивости импульсной активности и её координации с волновой активностью в течение нескольких минут связаны наиболее вероятно с быстрыми или кратковременными морфофункциональными изменениями импульсно-активных нейронов. Однако изменениям может быть подвержен и сам состав импульсно-активных нейронов в зоне чувствительности электрода: некоторые фоновоактивные нейроны становятся молчащими и наоборот, другие изменяют уровень своей активности. Действительно, среди экспериментаторов широко известны факты особого рода непостоянства импульсной активности, регистрируемой с одних и тех же хронических электродов в течение длительного времени, например изменение максимальных амплитуд потенциалов действия в мультиклеточной активности. При постоянном уровне амплитудной дискриминации такой активности уровень частоты сформированной активности может изменяться в более широких пределах, чем флуктуации частоты около среднего уровня. Так, при периодической регистрации импульсной активности CM и RF в течение нескольких суток с одних и тех же электродов при постоянном пороге амплитудной дискриминации мы наблюдали изменения суммарного за 2 минуты количества спайков в широких пределах: максимальные значения превышали минимальные в 20 раз и более.

Во время многосуточного мониторинга импульсной активности опыты проводились каждые 4 часа, и в каждом опыте записывались по 3 двухминутных фрагмента с интервалом 10 минут. Затем пересчитывалось количество спайков в каждом двухминутном фрагменте и полученные величины сравнивались с величинами, полученными через 10 минут, 4 часа и сутки. Результаты сравнений оценивались исходя из вышеизложенных представлений о B-распределении. Результаты сравнения: достоверное повышение частоты, достоверное понижение частоты и недостоверные изменения, – представлены в таблицах 1 и 2. Сравнения в 10-минутных интервалах учитывались отдельно для первого и второго фрагментов (начало и середина опыта соответственно) и второго и третьего фрагментов (середина и конец опыта)(см. табл. 1). При этом было обнаружено, что в первой половине опыта чаще происходило урежение импульсации, чем учащение (46% против 31% в CM и 49% против 46% в RF).

Во второй половине опыта эта тенденция сохранялась и урежение импульсации было еще более выраженным, чем в первой половине опыта (46% против 20% в CM и 60% против 17% в RF). Таким образом, в первой половине опыта урежение было сильнее в CM, а во второй половине – в RF. Урежение частоты импульсации во время опыта, по-видимому, можно связать с нарастающим успокоением животного. Действительно, к концу опыта по сравнению с его началом урежение гораздо сильнее в RF, чем в CM, а известно, что RF связана с регуляцией корковой реакции активации. Таким образом, преобладающая направленность изменений частоты импульсации во время опыта имеет ясный смысл.

Однако нельзя не учитывать и того, что хотя и в меньшей, но тем не менее в значительной части опытов наблюдались и противоположные изменения частоты импульсации. Следовательно, нарастающая успокоенность животного в этих случаях является более слабой причиной изменения частоты импульсации, чем например, её развивающаяся изменчивость рассматриваемого типа.

Далее мы сравнивали накопленные частоты импульсации в аналогичные фрагменты разных опытов, разделенные четырех- и двадцатичетырех-часовыми интервалами времени. В таблице 2 приведены результаты этих сравнений в процентах случаев, обнаруживших достоверные различия (строка "±") и недостоверных (строка "0"). Аналогично, без учета знаков изменений, в таблице представлены и изменения во время опытов (то есть в первые и вторые 10 минут опыта).

Количество достоверных изменений частоты импульсации во второй половине опыта в целом меньше, чем в первой половине. Возможные причины этого явления будут обсуждаться особо (глава 6), но в любом случае наиболее вероятно, что доля спонтанных изменений уровня частоты импульсации за 10 минут представляет собой величину промежуточную между той, которая наблюдалась в первой половине опыта и той, которая имела место во второй половине. Поэтому наиболее вероятно, что вероятность достоверного изменения уровня частоты импульсации за 10 минут в CM составляет 0,66-0,77, а в RF 0,77-0,89. При сравнении этих величин с аналогичными величинами, касающимися больших интервалов времени видно (табл. 2), что с увеличением временного интервала до четырех часов вероятность достоверного изменения уровня частоты импульсации возрастает. Так, за 4 часа в CM наблюдаются достоверные изменения уровня импульсации в 89% случаев, и в RF – в 91% случаев.

Количество достоверных изменений уровня частоты импульсации через 24 часа приблизительно равно или немного больше, чем аналогичные величины для 4-часовых интервалов (см. таблицу 2); кажущийся незначительный прирост изменений при большом увеличении временного интервала легко объясняется тем, что увеличивается также и вероятность поочередных разнонаправленных изменений. Очевидно, что максимальные изменения будут наблюдаться в том случае, когда временной интервал соответствует периоду изменений, если те обладают ритмичностью. Такой период, по-видимому, находится в интервале между 10 минутами и 24 часами.

В данной главе мы рассмотрели некоторые свойства динамической фоновой активности и попытались их оценить количественно. Однако причины изменчивости фоновой активности этим не могут быть вскрыты. Исходя из общей гипотезы о том, что вариабельность всех видов биоэлектрической активности, в том числе фоновой, вызванной и следовой, имеют в основе своей общую природу, такой "глобальной" причиной могли бы быть непрекращающееся по завершении онтогенеза, но переходящее в другое качество непрерывное развитие тонкой структуры головного мозга, проявляющееся в "тонкой структуре" биоэлектрических явлений.

4        Вызванные и следовые потенциалы ЭЭГ

В предыдущей главе были рассмотрены некоторые аспекты динамики фоновой биоэлектрической активности, которая по существу складывается из широко понимаемых вызванных и следовых явлений. Одним из самых популярных классических подходов к нейрофизиологическим исследованиям вызванных и следовых процессов является метод вызванных потенциалов. В связи с этим нас прежде всего будет интересовать отношение вызванных потенциалов к фоновой и следовой ЭЭГ, насколько их можно разграничить и наоборот, объединить.

Форма усредненных вызванных потенциалов (РЈР’Рџ), РїРѕРјРёРјРѕ всего прочего, определяется текущим функциональным состоянием Рё соответствующим ему характеру фоновой ритмики. Так как РІСЃРµ исследование выполнено РЅР° животных, находящихся РІ состоянии СЃРїРѕРєРѕР№РЅРѕРіРѕ бодрствования, РІ разных опытах РЈР’Рџ РЅР° 50 стимулов, нанесенных СЃ интервалом 2-3 СЃ имели весьма близкий РІРёРґ. Более того, РЈР’Рџ РЅР° всех, РІ том числе глубоких, отведениях имеют принципиально СЃС…РѕРґРЅСѓСЋ структуру, обобщенную ранее (Ciganek, 1961; Gastaut et al., 1963).

Рассмотрение большого количества разнообразных УВП, а также данные других авторов (Cazzullo et. al., 1967) убеждает, что адекватным подходом к их описанию является рассмотрение их как композиции по крайней мере модулированных по амплитуде, и в значительно меньшей степени по частоте, одновременно двух колебательных процессов: более быстрого, в дальнейшем именуемого просто быстрым, начинающегося с негативной полуволны, и более медленного, именуемого в дальнейшим медленным, начинающегося с позитивной полуволны.

Первым миллисекундам Р’Рџ соответствует короткая тормозная пауза РІ импульсной активности. РЎ латентностью около 20 РјСЃ быстрый процесс формирует первый низкоамплитудный негативный экстремум, который РјС‹ назовем "нулевым компонентом" РІ дополнение Рє СѓРґРѕР±РЅРѕР№ классификации Циганека (1961). Нисходящей ветви нулевого компонента соответствует начало первичной возбудительной фазы РІ РџРЎР“.

Следующий компонент соответствует первому компоненту РїРѕ Циганеку Рё представляет СЃРѕР±РѕР№ позитивное отклонение латентностью около 60 РјСЃ Рё сопровождается более или менее сильным подавлением импульсации РїРѕ сравнению СЃ фоновым уровнем. Второй компонент представляет СЃРѕР±РѕР№ негативное отклонение СЃ латентностью РїРѕСЂСЏРґРєР° 85 РјСЃ Рё РїРѕ абсолютной величине сравнимое СЃ нулевым компонентом, однако РІ импульсном ответе РІ это время усиление импульсации наблюдается РЅРµ всегда. Третий компонент, СЃ латентностью около 105 РјСЃ, РїРѕ абсолютной величине сравним СЃ первым, Р° уменьшение импульсации РІРѕ время первого Рё третьего компонентов приблизительно пропорционально РёС… амплитудам. Четвертый Рё пятый компоненты выражены слабо Рё накладываются РЅР° передний фронт более высокоамплитудного Рё медленного негативного седьмого компонента. Именно РІ это время может развиваться вторичное усиление импульсации, Р·Р° которым РІ ритме более медленной волнообразной составляющей РЈР’Рџ следует вторичное уменьшение, третичное усиление Рё так далее – каждое последующее менее выражено Рё более размыто РІРѕ времени.

Так как мы регистрировали только наиболее крупные или близко расположенные к электроду нейроны, следует отметить, что в тех случаях, когда речь идет об уменьшении импульсации, обычно наблюдается учащение низкоамплитудных спайков. В тех же случаях, когда нейроны, имеющие свойство разряжаться во время первого и третьего компонентов находятся в непосредственной близости от кончика микроэлектрода и отвечают на стимуляцию, то в суммарной импульсной активности наблюдаются усиления импульсации во время позитивных экстремумов УВП.

Первая позитивная медленная полуволна всегда сопровождается наиболее высокоамплитудным быстрым колебательным процессом, которым, собственно Рё завуалированы её амплитудно-временные характеристики. Латентный период первого "медленного" позитивного экстремума составляет около 60 РјСЃ, латентность смены позитивности РЅР° негативность – около 120 РјСЃ, следующего Р·Р° ней отрицательного экстремума – 150-210 РјСЃ, Рё момента обратной смены полярности РЅР° позитивную – 240-260 РјСЃ. Таким образом, период медленного колебательного процесса равен приблизительно 240-250 РјСЃ, Рё процесс начинается как будто одновременно СЃРѕ стимулом Рё частично замаскирован нулевым компонентом.

Быстрый колебательный процесс, собственно Рё определяющий СЃ нулевого РїРѕ четвертый компоненты РЈР’Рџ, Рё начинающийся СЃ негативизации, возможно, развивается СЃ небольшим латентным периодом, РЅРµ превышающим, однако, четырех миллисекунд. Величины экстремальных отклонений быстрых колебаний нарастают, достигая максимума РЅР° первом, втором Рё четвертом компонентах. Однако РІ некоторых случаях можно проследить переход быстрых вызванных колебаний РІ следовую Р­Р­Р“ СЃ ритмическим разрядом последействия (Р Р Рџ). Р’ этом случае наглядно РІРёРґРЅРѕ тесное единство вызванной Рё следовой Р­Р­Р“, РїРѕ крайней мере РІ течение 1-1,5 СЃ после стимула.

Кроме того, что медленный и быстрый процессы модулированы по амплитуде и имеют затухающий характер, существуют определенные отношения и между этими процессами: чем сильнее медленное позитивное отклонение, тем больше размах быстрых колебаний и чем меньше медленное негативное отклонение, тем заметнее на нем быстрые колебания (пятый и последующие компоненты). По завершении высокоамплитудного УВП, как правило, следует небольшое медленное позитивное отклонение, во время которого начинается восстановление следовой ЭЭГ и слабо выраженное урежение импульсации.

Все эти отношения более четко выступают при усреднении ВП по большому (50 и более) количеству стимулов. Наоборот, разнообразие форм индивидуальных и усредненных по небольшому количеству стимулов ВП обеспечивается некоторой степенью независимости медленной и быстрой колебательных составляющих в их изменчивости.

Замечено, что амплитудный и частотный состав ВП в значительной степени схож с частотным спектром ЭЭГ, причем уменьшение амплитуды УВП на фоне десинхронизации ЭЭГ происходит в большей степени за счет медленного, чем быстрого процесса. Кроме того, угасание быстрых компонентов происходит раньше, а максимальную величину имеют нулевой и первый компоненты, в то время как иногда уже второй компонент очень мал, а третий отсутствует. Первичный пик импульсного ответа менее выделяется на фоне повышенного среднего уровня при десинхронизации ЭЭГ, как если бы его абсолютная величина слабо или вовсе не зависела от уровня фоновой активации.

УВП различных структур на одни и те же стимулы различаются относительными амплитудами компонентов, и практически не различаются латентностями. Причем в этом случае характер амплитуды медленных и быстрых составляющих гораздо более независим, отражая амплитудно-частотные свойства фоновой ЭЭГ. период медленной составляющей УВП соответствует медленному тета- или быстрому дельта-ритму, и в фоновой ЭЭГ большинства структур такие волны встречаются редко. Эти волны имеют большую относительную амплитуду в RF, в фоновой ЭЭГ которой также наиболее часто встречаются подобные волны. Аналогично, и быстрые составляющие УВП больше по амплитуде в тех же структурах, в которых и в фоновой ЭЭГ доминирующий ритм более выражен.

Таким образом в форме ВП, вообще говоря, отражаются в некотором виде как генераторные свойства данной структуры, проявляющиеся также в фоновой ЭЭГ, так и актуальное состояние этих генераторных систем, также проявляющееся в изменчивости полиморфной ЭЭГ. В связи с этим неясно, однако, как именно "делится" участие предположительно одних и тех же мозговых колебательных систем в генерации фоновой ЭЭГ и ВП: "параллельно" или "последовательно". В первом случае легко объясняется вариабельность индивидуальных ВП наложением фоновой ЭЭГ, однако неясно за счет чего оказывается возможной генерация одновременно двух колебательных процессов. Во втором случае, последовательных фоновой ЭЭГ и ВП, наоборот, оказывается неясной причина вариабельности индивидуальных ВП. Однако в любом случае необходимо сделать выбор между двумя альтернативами. С этой целью были поставлены опыты с ЭЭГ-зависимой фотостимуляцией.

Так как Р­Р­Р“-зависимая стимуляция осуществлялась РІ моменты РјРёРЅСѓСЃ Рё плюс переходов, то имеет смысл предварительно рассмотреть кривые усредненного потенциала фоновой Р­Р­Р“ (УФП) РѕС‚ аналогичных точек. Первые несколько волн УФП РѕС‚ противоположных переходов РёРґСѓС‚ почти строго противофазно, достигая РІ экстремальных точках разницы 20 РјРєР’ Рё более. Если стимул наносится РІ момент перехода, то РїРѕ форме РЈР’Рџ можно оценить, является ли РѕРЅ алгебраической СЃСѓРјРјРѕР№ УФП Рё РЈР’Рџ РЅР° Р­Р­Р“-независимую стимуляцию, так как форма Рё того, Рё РґСЂСѓРіРѕРіРѕ нам практически известны.

Формы ВП на вспышки света, подаваемые в определенные фазы фоновой ЭЭГ (ЭЭГ-зависимая стимуляция) отличаются как от таковых при случайной (ЭЭГ-независимой) подаче стимула, так и между собой в зависимости от того, на какие именно фазы попадал стимул.

Основные различия между РЈР’Рџ РЅР° вспышки РІ моменты различных фаз Р­Р­Р“ локализуются РІ промежутке, предшествующем нулевому компоненту РЈР’Рџ. Этот участок представляет СЃРѕР±РѕР№ как Р±С‹ результат продолжения тенденции развития фоновой волны Р­Р­Р“ таким образом, чтобы спустя 30-40 РјСЃ усредненный потенциал оказался независимым РѕС‚ начальной фазы фоновой Р­Р­Р“ (Р­Р­Р“-зависимый Рё Р­Р­Р“-независимый РЈР’Рџ максимально сходятся РІ РѕРґРЅРѕР№ точке) Рё начиная СЃ этого времени разные РЈР’Рџ совпадают между СЃРѕР±РѕР№.

Рассмотрим ранние, различающиеся компоненты. В случае попадания стимула в момент смены позитивной полярности на негативную (минус переход) ранний компонент представляет собой низкоамплитудную негативную полуволну. Этот ранний компонент по сравнению с "истинным" нулевым компонентом имеет большую амплитуду, более острую форму и латентность на несколько миллисекунд меньше. Истинный нулевой компонент в этом случае сливается с ранним компонентом или отсутствует (замещается последним).

Ранний компонент при стимуляции в момент плюс перехода представляет собой участок небольшого позитивного отклонения, иногда почти плоский, который в отличие от предыдущего случая, не является нулевым компонентом или его аналогом. Действительно, в этом случае вслед за ранним компонентом наступает собственно нулевой компонент, экстремум которого обычно находится на уровне изоэлектрической линии, то есть немного позитивнее и на несколько миллисекунд позже, чем в предыдущем случае.

Таким образом, если рассматривать РЈР’Рџ РЅР° Р­Р­Р“-зависимую стимуляцию так, как это было сделано выше, то латентность РІ случае "подкрепления" РјРёРЅСѓСЃ переходов меньше таковой для РЈР’Рџ РѕС‚ плюс переходов РЅР° 20-30 РјСЃ, РїСЂРё этом латентность нулевого компонента РЅР° Р­Р­Р“-независимую стимуляцию обычно имеет промежуточное значение.

Последующие компоненты УВП от минус переходов и плюс переходов различаются латентными периодами сходным образом, однако начиная с первого компонента это различие значительно меньше и составляет единицы миллисекунд. Как правило, это различие пропорционально амплитуде быстрых колебаний и поэтому оно совершенно незначительно или отсутствует в CM и RF; различия в латентностях нулевых компонентов здесь также минимальны.

Отчетливо видно, что стимул не только "запускает" колебательные процессы, формирующие ВП в случае ЭЭГ-независимой стимуляции, но и останавливает развитие предшествовавшего стимулу колебательного процесса в случае ЭЭГ-зависимой стимуляции, то есть ВП не "накладывается" на фоновую ЭЭГ, а замещает её. Следовательно, и вариабельность индивидуальных ВП объясняется другими причинами, чем наложение фоновой ЭЭГ. Тем не менее, предшествующая стимулу волновая активность продолжает, как было показано выше, оказывать слабое модулирующее влияние на форму ВП и импульсных ответов в виде небольших изменений их амплитуд и латентностей.

Таким образом, формы вызванных потенциалов РЅР° Р­Р­Р“-зависимую стимуляцию значимо различаются РЅР° участке РґРѕ 40 РјСЃ после стимула, иными словами фаза фоновой Р­Р­Р“ РІ момент нанесения стимула оказывает модулирующее влияние РЅР° первичные компоненты ответа. Так, латентный период первого низкоамплитудного негативного отклонения вызванного потенциала всегда больше, если стимул попадает РІ момент смены негативности Р­Р­Р“ РЅР° позитивность, чем РІ противоположную фазу. Это различие наиболее велико для сенсомоторной Рё зрительной РєРѕСЂС‹, РіРґРµ РѕРЅРѕ может превышать 20 РјСЃ, Рё меньше РІ глубоких структурах (например, РІ ретикулярной формации обычно РЅРµ превышает 10 РјСЃ). Заметим, что увеличение латентности вызванного ответа связано СЃ обязательным завершением позитивной полуволны фоновой Р­Р­Р“, начало же ответа сопровождается развитием негативной полуволны вызванного потенциала. Правда, РёРЅРѕРіРґР° РІ самом начале РЈР’Рџ РѕС‚ РјРёРЅСѓСЃ перехода РЅР° фоне нарастания позитивности, непосредственно следующего Р·Р° нулевым компонентом, можно видеть кратковременное замедление этого изменения, РїРѕ времени совпадающее СЃ РїРёРєРѕРј РІ импульсном ответе.

Наоборот, амплитуды и формы вторичных компонентов ВП на фотостимулы, нанесенные в противоположные фазы фоновой ЭЭГ (плюс и минус переходы) не различаются между собой.

Аналогичные различия, но в немного меньшей степени, свойственны и первичной возбудительной фазе импульсного ответа. Так, латентность первого всплеска импульсации при стимуляции от плюс и минус переходов различаются на время порядка 10 мс; промежуточное время соответствует ЭЭГ-независимой стимуляции. Импульсные ответы на фотостимуляцию от плюс и минус переходов различаются еще по двум признакам: высоте и обособленности первого пика и медленным волнообразным колебаниям импульсации. Первый пик обычно имеет большую амплитуду в том случае, когда первому и третьему компонентам УВП на ЭЭГ-независимую стимуляцию соответствовал всплеск импульсации или наблюдался смешанный тип импульсного ответа, в этом случае при ЭЭГ-зависимой стимуляции наблюдалась другая картина: больший пик импульсного ответа наблюдался при фотостимуляции от плюс перехода.

Создается такое впечатление, что нулевой компонент УВП от минус перехода на несколько мс опережает, а от плюс перехода запаздывает по отношению к первичной возбудительной фазе импульсного ответа.

Из вышеизложенного следует, что РїРѕ крайней мере регулярная составляющая Р­Р­Р“ РЅРµ накладывается РЅР° Р’Рџ, Рё следовательно РЅРµ объясняет РїСЂРёСЂРѕРґСѓ его изменчивости. Остается тем РЅРµ менее возможность вариаций индивидуальных Р’Рџ Р·Р° счет наложения нерегулярной составляющей фоновой Р­Р­Р“. Для проверки этой гипотезы был применен метод парных Р’Рџ РЅР° Р­Р­Р“-независимые вспышки СЃ интервалом 250 РјСЃ РІ паре, Рё 2-3 СЃ между парами. "Останавливающее" действие стимула РЅР° регулярную активность позволяет РЅРµ учитывать её вклад РІ форму Р’Рџ. Вклад же нерегулярной фоновой активности РІ форму обеих Р’Рџ РІ паре должен быть различным, так как различны сами паттерны нерегулярной активности РїРѕ определению. Так как РЈР’Рџ РІ парах РЅРµ идентичны полностью, первый Р’Рџ РІ паре можно условно назвать кондиционирующим, Р° второй – соответственно тестирующим. Отличие тестирующих РЈР’Рџ РѕС‚ кондиционирующих РІ данном случае РЅРµ случайны: РѕРЅРё состоят РІ меньшей амплитуде всего тестирующего РЈР’Рџ, Рё дополнительно РІ меньшей относительной выраженности СЃ нулевого РїРѕ третий компоненты. Это, очевидно, связано СЃ неполным восстановлением возбудимости после кондиционирующего стимула, Рё тем РЅРµ менее форма тестирующего Р’Рџ обладает существенным сходством СЃ формой кондиционирующего Р’Рџ, что наглядно РІРёРґРЅРѕ РёР· сравнения пар Р’Рџ РІ разных структурах РЅР° РѕРґРЅРё Рё те же стимулы. Кстати, заметным сходством РІ парах обладают Рё соответствующие РџРЎР“ импульсных ответов, несмотря РЅР° то, что вариабельность импульсных реакций, вообще РіРѕРІРѕСЂСЏ, считается большей, чем волновых.

Для того чтобы рассмотреть вариабельность УВП, обратимся к меньшему количеству усреднений: десяти вместо пятидесяти. Вследствие уменьшения числа усредняемых реализаций во-первых, появляется разнообразие форм УВП; во-вторых, увеличивается амплитуда усредненной следовой ЭЭГ по окончании последнего в паре ВП. При этом видно, что все тестирующие ВП отличаются от кондиционирующих точно в таком же направлении, что и при усреднении большего количества реализаций. Существенно и другое, а именно практически полностью идентичная изменчивость обоих ВП в парах. Это наблюдение, очевидно, противоречит предположению о происхождении изменчивости ВП вследствие наложения нерегулярной фоновой ЭЭГ.

Таким образом, изменчивость индивидуальных и усредненных по небольшому количеству реализаций УВП в принципе не объясняется наложением фоновой ЭЭГ. Рассмотрение последовательных парных УВП по десяти реализациям каждый приводит к следующим наблюдениям. Пары ВП на последовательные 10 пар стимулов обладают большим видимым сходством между собой, чем с любыми другими. Иными словами, ВП заметно схожи по форме в тех случаях, когда они получены в непосредственно следующие друг за другом отрезки времени. Еще лучше это наблюдение подтверждается динамикой УВП, полученных по каждым десяти последовательным одиночным стимулам. Хорошо видно, что изменчивость последовательных УВП носит не случайный характер: соседние по времени УВП обладают большим сходством между собой, чем с более удаленными. Каждый УВП обладает сходством как с предыдущим, так и с последующим УВП и такого рода изменчивость обладает свойством как бы "преемственности" или "направленности" изменений (вариабельности).

Рассмотрение УВП, полученных на разное количество стимулов при последовательном их добавлении в одном и том же режиме стимуляции показывает, что по мере увеличения количества усреднений суммарная картина изменяется не только количественно, но и качественно. Так, например, непринципиальное количественное отличие УВП на десять стимулов от таковых на 50 стимулов состоит в вариабельности, промежуточной между максимальной для индивидуальных ВП и минимальной для усредненных по большому количеству стимулов. Однако качественное отличие этой вариабельности состоит в том, что для последовательных десяти суммаций возможно проследить динамику формы УВП.

Во-первых, УВП на непосредственно предшествующие и соответственно последующие 10 стимулов обладают большей схожестью форм, чем более разделенные во времени, идущие не подряд. Во-вторых, и это следует из предыдущего факта, при рассмотрении непрерывного ряда УВП удается проследить направленность (наводящую на мысль о внутренней обусловленности) этих изменений форм, которая при попарном, а тем более случайном сопоставлении имеет вид флуктуаций.

Так, например, с первого по седьмой УВП сенсомоторной коры третий компонент по абсолютной величине находится на уровне, близком к первому компоненту, а начиная с восьмого УВП он сдвигается в негативную полярность, восстанавливаясь к двенадцатому УВП. При более внимательном рассмотрении оказывается, что вообще формы УВП подвергаются градуальным, немного волнообразным изменениям. На примере срединного центра таламуса хорошо видно, что амплитуда первичного медленного негативного отклонения постепенно уменьшается от третьего к девятому УВП, одновременно на соответствующих участках УВП увеличивается амплитуда быстрых колебаний.

Вторым существенным отличием РЈР’Рџ РЅР° 10 стимулов РѕС‚ РЈР’Рџ РЅР° 50 стимулов состоит РІ сравнимости усредненной следовой Р­Р­Р“ СЃ РЈР’Рџ РїРѕ амплитуде, особенно РІ случае более синхронизированной фоновой Р­Р­Р“, РєРѕРіРґР° амплитуда усредненной же следовой Р­Р­Р“ может достигать амплитуды предшествующего РЈР’Рџ. Несложный расчет показывает, что этот эффект РЅРµ может быть простым следствием небольшого числа накоплений. Действительно, амплитуда индивидуальных Р’Рџ РІ 2-3 раза превышает амплитуду фоновой Р­Р­Р“; амплитуда же усредненных полностью независимых РѕС‚ стимула процессов должна падать РІ соответствии СЃ законом больших чисел пропорционально РєРѕСЂРЅСЋ квадратному РёР· количества суммаций, Рё следовательно после десяти суммаций амплитуда усредненной следовой Р­Р­Р“ должна была Р±С‹ составить РЅРµ более 1/6 РѕС‚ амплитуды РЈР’Рџ. Так как РЅР° самом деле амплитуда усредненной следовой Р­Р­Р“ СЏРІРЅРѕ больше, то несомненно, что этот процесс связан СЃРѕ стимулом. Впрочем, это заключение РЅРµ является совершенно новым. Ранее нами уже рассматривались данные РґСЂСѓРіРёС… авторов Рѕ том, что Р­Р­Р“ активность длительностью РїРѕ крайней мере РґРѕ 1,5 СЃ после стимула "неидентична" фоновой Р­Р­Р“, предшествующей стимулу. Такая активность часто имеет РІРёРґ "ритмического разряда последействия", если даже Рё РЅРµ является таковым, поэтому , РЅР° наш взгляд, термин "следовая Р­Р­Р“" является более общим.

При внимательном рассмотрении усредненных паттернов следовой ЭЭГ можно убедиться, что они, подобно определяющим их ВП, обладают изменчивостью "развивающегося" типа: в более коротких промежутках времени они обладают большим сходством между собой, чем при более длительном наблюдении. Имеется, однако и отличие следовых потенциалов от вызванных, заключающееся в том, что латентности компонентов ВП по третий включительно варьируют незначительно; наоборот, вариабельность следовых паттернов охватывает не только силовые, но и временные параметры. впрочем, тот же кажущийся эффект может давать и резкое увеличение вариабельности силовых параметров.

Тем РЅРµ менее усредненный следовой потенциал проявляется даже РїСЂРё 50 реализациях, хотя Рё значительно меньший РїРѕ амплитуде, чем РЈР’Рџ. Следовой потенциал является прямым следствием Р’Рџ, поэтому для его анализа был применен метод корреляционной функции вызванного Рё следовых потенциалов. Р’ качестве паттернов брались РЈР’Рџ длительностью 240-250 РјСЃ. Корреляционная функция имела высоко достоверную форму СЃ периодом волн РЅРµ менее длительности РЈР’Рџ. Корреляционная функция РѕС‚ начального значения 1,0 (автокорреляция РЈР’Рџ СЃ самим СЃРѕР±РѕР№) уменьшается, достигая РІ экстремумах больших отрицательных коэффициентов корреляции через время РїРѕСЂСЏРґРєР° 120-160 РјСЃ после стимула, затем приблизительно через такое же время функция достигает больших положительных значений, Рё эти колебания повторяются немного уменьшаясь РїРѕ амплитуде.

Действительно, это явление еще лучше прослеживается РЅР° примере РЈР’Рџ Рё следовой Р­Р­Р“ РЅР° небольшое количество стимулов, СЃ последующим применением  частичных Рё полных автокорреляционных функций. Для частичной автокорреляционной функции РІ качестве паттернов брались отрезки РЈР’Рџ длительностью 200 РјСЃ, то есть близкие Рє длительности собственно Р’Рџ.

РќР° усредненной частичной автокорреляционной РєСЂРёРІРѕР№ РІРёРґРЅРѕ, что первое отображение Р’Рџ имеет отрицательный знак Рё латентный период около 130 РјСЃ, второе отображение имеет положительный знак Рё латентность около 220 РјСЃ, третье – 320 РјСЃ Рё так далее. Соответствующие РёРј коэффициенты корреляции постепенно уменьшаются РїРѕ абсолютной величине: -0,58, +0,41, -0,32, +0,22. Таким образом, после Р’Рџ периодически повторяются паттерны, вначале близкие РїРѕ форме Рє зеркальному отражению Р’Рџ относительно изоэлектрической линии Р­Р­Р“, РЅРѕ СЃ каждым повторением РІСЃРµ менее Рё менее похожие РЅР° Р’Рџ.

Таким образом, имеет место факт периодического воспроизведения во время следовой ЭЭГ рисунка, обладающего высоко достоверным сходством с самим УВП.

Есть и другая сторона у обнаруженного явления. Речь идет о столь же периодическом появлении паттернов, отрицательно коррелирующих с формой УВП. Эти паттерны появляются строго поочередно с "положительными" следовыми паттернами. Иными словами, непосредственно вслед за ВП появляется, если можно так выразиться, "зеркальный" паттерн, отрицательно коррелирующий с ВП; далее появляется паттерн, "зеркальный" по отношению к "зеркальному", а следовательно, близкий к форме исходного ВП. Так как экстремальные значения коэффициентов корреляции не достигают значения 1,0, то новый следовой паттерн никогда не повторяет в точности форму предыдущего паттерна, а обязательно отличается от него. Так каждый последующий паттерн является как бы измененным предшествующим паттерном. Подобный процесс мы уже наблюдали на примере последовательных УВП по небольшому количеству стимулов и назвали его "развивающейся" изменчивостью.

Процесс периодического повторения паттернов ВП и следовой ЭЭГ так же четко проступает на графике усредненных по тем же 12-ти УВП полных автокорреляционных функций, как и в предыдущем случае. Отличие состоит в том, что экстремумы функции имеют приблизительно одинаковую абсолютную величину. Это связано с тем, что в качестве паттерна для вычисления автокорреляционной функции был взят не УВП, а весь комплекс усредненных ВП и следовой ЭЭГ длительностью 800 мс. Из наблюдаемой картины можно сделать вывод, что имеют сильную тенденцию повторяться не только рисунки ВП, но и рисунки следовой ЭЭГ. Возможно, этот феномен является проявлением некоторого механизма генерации ЭЭГ, в том числе в фоновых состояниях.

Напомним, что похожее явление мы наблюдали на примере огибающей ЭЭГ в декасекундном диапазоне времени (глава 3). Однако в том случае мы не могли выделить "начало" и "окончание" повторяющегося и изменяющегося паттерна, а также определить время и форму его первого появления. Наоборот, в случае фотостимуляции за образец "развивающегося" паттерна можно взять ВП или его первую половину.

ВП, как было показано выше, складывается в основном из двух составляющих: быстрой, начинающейся с негативной полуволны и медленной, начинающейся с позитивной полуволны. На примере ВП видно, что альфа- и тета- или дельта-волны могут накладываться друг на друга, образуя волну или последовательность волн более сложной формы. О такой комплексной волне ЭЭГ не имеет смысла говорить начинается ли она в момент минус- или плюс-перехода. Однако, так как альфа-волны в ЭЭГ встречаются гораздо чаще всех других волн, то можно предположить, что большинство волн начинается все-таки в момент минус-перехода.

Данные по ЭЭГ-зависимой фотостимуляции еще более укрепляют нас в мнении, что плюс- и минус-переходы ЭЭГ далеко не равноценны в плане отражения ЭЭГ информационных процессов в нейронных популяциях, или соответствуют различным фазам этих процессов. Сходство же функциональных свойств однозначных переходов и их строгое чередование в ЭЭГ хорошо согласуется с тем представлением, что каждая волна ЭЭГ отражает некий информационный цикл, универсальный по механизму и уникальный по содержанию преобразуемой информации. Такие "элементарные" информационные процессы по всей видимости происходят в тесных группах нейронов, имеющих компактно направленные афферентные и эфферентные связи, выходящие за пределы данной структуры. Поэтому временной аспект взаимодействия мозговых структур в процессе переработки информации можно оценить по закономерности чередования таких дискретных событий в активности нейронных популяций, которые предположительно связаны с цикличностью протекающих в них информационных процессов. Такими событиями в первую очередь являются изоэлектрические точки ЭЭГ, а в меньших интервалах времени – возможно, и одиночные потенциалы действия, которыми обмениваются нейронные популяции.

5        Фоновые и модулированные состояния

В предыдущих двух главах было показано существование динамики развивающегося типа в фоновой, вызванной и следовой биоэлектрической активности ряда структур головного мозга во время непрерывного функционального состояния. Так как обеспечение функционального состояния осуществляется целям мозгом в процессе взаимодействия отдельных структур, то в заключение этой нашей работы была предпринята попытка исследования динамики взаимодействия мозговых структур в течение фоновых состояний и при некоторых экспериментальных воздействиях. Применяемые нами метод матриц переходных вероятностей, отображаемых в виде ориентированных графов, описан в главе 2. При этом в качестве дискретных событий биоэлектрической активности были выбраны минус-переходы ЭЭГ и отдельные спайки мультиклеточной активности.

В предыдущих главах было показано, что фоновая активность во время одного и того же функционального состояния животного (процессы, сопровождающиеся сменой состояния, находятся вне пределов данного исследования) демонстрирует закономерную изменчивость интегральной амплитуды ЭЭГ, частоты импульсации и корреляции ЭЭГ и импульсной активности. При этом количественные выражения параметров биоэлектрической активности как бы колеблются около некоторого среднего уровня, характерного для данного состояния. Поэтому биоэлектрическую активность как коррелят функционального состояния необходимо характеризовать не только средними или накопленными (например, гистограмма периодов ЭЭГ) значениями параметров, статистической оценкой их флуктуаций, но и описанием характера и ритма их динамики.

Существует важная общая причина существования динамических свойств всех видов биоэлектрической активности, – это необходимость поддержания адекватного функционального состояния в условиях подверженных изменениям внешней и внутренней сред организма. В процессе изменяющихся во времени взаимодействий многих мозговых структур происходит многозвенная регуляция функционального состояния, при этом внутримозговые межцентральные взаимодействия поддаются описанию как вероятностно-детерминированные полициклические процессы (Суворов, Василевский, 1980). Обнаружение этих проявлений мозговой саморегуляции стало возможным благодаря предположению об особой функциональной значимости изоэлектрических точек ЭЭГ. В предыдущей главе, в частности, было показано, что ВП, будучи коррелятом цикла обработки информации, имеют сильную тенденцию начинаться с момента минус перехода. Так как информационные процессы являются основным содержанием не только вызванной, но и следовой и фоновой активности, то минус переходы можно рассматривать как условное начало волны ЭЭГ, соответствующее моменту, наиболее благоприятному для приема информации. Действительно, латентный период ответной реакции минимален, если стимул наносится в момент минус перехода ЭЭГ. Поэтому информационное взаимодействие структур в ритме ЭЭГ во время фоновых состояний оценивалось методом матриц переходных вероятностей (см. главу 2) минус переходов.

Наряду с минус переходами ЭЭГ другими дискретными событиями в биоэлектрической активности, тесно связанными с информационными процессами, являются спайки в мультиклеточной активности. Поэтому исследовались не только переходные вероятности минус переходов ЭЭГ, но и спайков мультиклеточной активности тех же структур.

Самые общие черты ориентированных графов, построенных по однотипным (то есть только минус переходам или только спайкам) дискретным параметрам мозговой активности касаются количественного баланса как внутри- и межструктурных связей, так и положительных и отрицательных среди них. Так, межструктурные связи, обнаруженные по признаку неслучайного чередования минус переходов ЭЭГ в различных структурах, в 90% случаев бывают положительными, если же анализированными дискретными событиями служили отдельные импульсные разряды, то аналогичные связи в 70% случаев были отрицательными. Наоборот, внутриструктурные связи отличаются однотипностью: по чередованию клеточных разрядов они бывают только положительными и наблюдаются в среднем в двух структурах из шести (чаще в Рrc и Hрl), а по чередованию минус переходов ЭЭГ внутриструктурные связи имеются всегда, и только отрицательные. Постоянство отрицательных внутриструктурных связей для ЭЭГ, а следовательно малая информативность с точки зрения динамики, отражает одно из самых общих свойств ЭЭГ – ритмичность даже в случае визуально достаточно "плоской" ЭЭГ. С другой стороны, постоянство отрицательных внутриструктурных связей при непременном наличии связей положительных межструктурных говорит о том, что отдельные волны ЭЭГ, во время которых ни в одной из остальных пяти структур не происходит минус переход, чрезвычайно редки.

В ориентированных графах по чередованию изоэлектрических переходов ЭЭГ находят четкое отражение тенденции к избирательной синхронизации активности вполне определенных структур. Как правило, связи более многочисленны между структурами, ЭЭГ которых и чисто визуально оцениваются как более похожие. Так, отчетливую группу образуют Рrc, Hiр, Hрl; более согласованны между собой также активность CM и RF, а OР обычно бывает изолирована от этих групп или имеет с ними слабые или нестабильные связи, как и между другими группами.

Характерные положительные внутриструктурные связи по признаку неслучайного чередования спайков системной импульсной активности свидетельствуют о тенденции спайков к группированию в активности данной структуры. Отрицательная межструктурная связь по импульсной активности означает, что возникновение спайка или группы спайков в одной структуре подавляет импульсацию в другой структуре в непосредственно следующий момент времени.

Таким образом, рассматривая ориентированные графы, построенные по шести отведениям ЭЭГ в одних опытах, и по шести отведениям импульсной активности в других опытах мы можем только предположить, что они вероятнее всего носят взаимодополнительный характер: конкретная связь, имеющаяся в одном графе, отсутствует в другом и наоборот, или связи различаются направленностью или знаком.

Непосредственно соотнести информацию, содержащуюся в ориентированных графах по ЭЭГ и импульсной активности позволит нам рассмотрение данных опытов, в которых ЭЭГ и импульсная активность четырех структур регистрировались одновременно.

Между ориентированными графами по импульсной активности и ЭЭГ нет абсолютно однозначного соответствия, однако закономерности прослеживаются следующие. Структурам с наиболее синхронно возникающими минус переходами ЭЭГ соответствует положительная связь по импульсной активности. Структурам с более слабыми, преимущественно однонаправленными, положительными связями по ЭЭГ, образующими замкнутые циклы, частично соответствуют встречные отрицательные связи по импульсной активности. CM, имеющий внутреннюю положительную связь по импульсной активности, обратимыми отрицательными связями взаимодействует с Рrc, OР и RF. Это означает, что спайки, возникающие в CM "тормозят" возникновение импульсной активности в коре и RF, и наоборот, импульсная активность Рrc, OР и RF одновременно усиливаются при торможении импульсной активности в CM, причем импульсная активность OР достоверно обусловливает таковую в Рrc.

Дополнительную информацию дает ориентированный граф, построенный по моментам начала учащения частоты импульсации. По ориентированным графам видно, что группы импульсов возникают в циклической последовательности: RF, Рrc, OР, RF, Рrc и так далее. Эти ориентированные графы являются отчетливо дополнительными по отношению к графу по одиночной импульсной активности. Наоборот, тесные группы спайков ведут себя более похоже на чередование минус переходов ЭЭГ.

Ориентированные графы переходных вероятностей дискретных событий биоэлектрической активности головного мозга в состоянии спокойного бодрствования, имея в разных опытах общими одни элементы, могут различаться в других элементах. Кроме того, переходные вероятности минус переходов ЭЭГ и тем более спайков импульсной активности, описывают пространственно-временные процессы, происходящие во временных масштабах, сравнимых с длительностью волн ЭЭГ. Для того, чтобы оценить динамику пространственно-временных структур биоэлектрической активности биоэлектрической активности в не меньших масштабах времени, необходимо раздельно оценивать переходные вероятности в последовательных фрагментах. Для этой цели мы разбивали цельные записи на несколько равных фрагментов, и по каждому из них строили матрицы и ориентированные графы переходных вероятностей. Результаты одного из таких анализов представлены на рисунке.

Рассмотрим ориентированные графы, относящиеся к первой и второй половинам описанной выше фоновой записи, полная длительность которой составляла 52 секунды. Прежде всего обращает на себя внимание меньшее количество достоверных связей как по признаку чередования минус переходов ЭЭГ, так и спайков импульсной активности по сравнению с целой записью. При дальнейшем дроблении всей записи на 4 фрагмента эта тенденция уменьшения количества связей становится еще более наглядной.

В обоих случаях (ЭЭГ и импульсной активности) все те связи, которые обнаруживаются в более коротких фрагментах, присутствуют и в более полном. Так, ориентированный граф по минус переходам ЭЭГ представляет собой как бы суммарный из элементов, характерных как для первой, так и для второй половины записи.

Анализ ряда подобных данных приводит нас к следующим наблюдениям: при делении всей эпохи анализа на несколько частей одни связи сохраняются во всех фрагментах, другие распределяются по разным фрагментам, третьи же "бесследно" исчезают (только в импульсной активности); характерно, наконец, что "новые" связи при этом не появляются.

Первые три типа связей в зависимости от условий их проявляемости можно условно обозначить соответственно как более сильные и статичные, более сильные и динамичные и как более статичные, но слабые. "Статичные" сильные связи обнаруживаются и в суммарном, и во всех дробных ориентированных графах. Динамичные сильные связи менее устойчивы: они обнаруживаются в одних коротких фрагментах, и не обнаруживаются в других, но за счет своей силы проявляются и в суммарном ориентированном графе. Оба типа связей, по нашим наблюдениям, характерны как для ЭЭГ, так и для импульсной активности. Наконец, только для импульсной активности характерны статичные слабые связи. В коротких фрагментах они не проявляются из-за своей небольшой силы, а в больших фрагментах проявляются благодаря большему числу накоплений и соответствующему возрастанию достоверности.

Сравнительное построение ориентированного графа по переходным вероятностям минус и плюс переходов ЭЭГ, не разделяемых между собой показывает, что этот метод менее точен и чувствителен: выявляется меньшее количество связей, отрицательные межструктурные среди которых вообще не выявляются.

Из вышеизложенного следует, что в рисунках неслучайного чередования дискретных параметров биоэлектрической активности нескольких нейронных популяций мозга отражаются не только элементы, наиболее характерные для данного функционального состояния, но также и элементы преходящие, кратковременные, динамичные, и тем не менее высоко достоверные. Непрерывное появление и исчезновение последних во время однородных фоновых состояний демонстрирует еще одно проявление скрытой динамики внутренней обусловленности актуально генерируемой биоэлектрической активности мозга.

Саморегуляция и динамика фоновых состояний, отражаемые в ЭЭГ, осуществляются в процессе функционирования не только локальных механизмов нейронных популяций, но и их взаимодействия в пространстве целого мозга. Вызванные потенциалы на фотостимулы, подаваемые в состоянии спокойного бодрствования животного, также регистрируются на разных уровнях головного мозга.

В условиях импульсной фотостимуляции вызванный потенциал является коррелятом элементарных процессов обработки информации, или отреагирования на возмущение фонового состояния. Поэтому известно, что фотостимуляция с интервалами, близкими к длительности волн ЭЭГ и меньшими длительности ВП вызывают такие изменения биоэлектрической активности во время стимуляции, которые свидетельствуют о сдвиге функционального состояния. наиболее мощное модулирующее действие на фоновую активность оказывает фотостимуляция, управляемая ритмом ЭЭГ (так называемая триггерная фотостимуляция), так как в этом случае она более направленно действует на мозговую регулирующую систему. Триггерная фотостимуляция в ритме биопотенциалов безотносительно к точной фазе биполярной ЭЭГ, примененная впервые Уолтером и применяемая до сих пор, как известно, вызывает увеличение амплитуды ЭЭГ ("раскачка") вплоть до эпилептиформных разрядов и усиление также медленных компонентов, а возможно и усиление межструктурной синхронизации. Однако, если волновая структура ЭЭГ есть существенное её свойство, то моменты плюс и минус переходов ЭЭГ должны соответствовать противоположным фазам цикла саморегуляции, и эффекты триггерных стимуляций, управляемых плюс или минус переходами должны различаться между собой.

Оценить влияние триггерной фотостимуляции РЅР° Р­Р­Р“ РІ самом общем РІРёРґРµ можно РїРѕ гистограммам периодов Р­Р­Р“. Р’ подавляющем большинстве случаев триггерной стимуляции альфа-, Рё РІ меньшей степени бета-волн становилось меньше, Рё РёС… средний период удлинялся РЅР° 10-20 РјСЃ. Наиболее сильное подавление альфа-ритма наблюдалось РІ CM РїСЂРё триггерной стимуляции РІ моменты РјРёРЅСѓСЃ переходов Р­Р­Р“ Рё РІ RF Рё HСЂl РїСЂРё стимуляции РІ моменты плюс переходов. Наоборот, специфическим эффектом триггерной фотостимуляции РѕС‚ РјРёРЅСѓСЃ переходов Р­Р­Р“ Р rc было резкое усиление альфа-ритма.

Тета-ритм во время триггерной фотостимуляции имеет тенденцию к небольшому усилению, иногда не изменялся. Наиболее сильное увеличение количества тета-волн наблюдается в CM и RF при триггерной фотостимуляции от плюс переходов ЭЭГ, и в меньшей степени в Hiр. Небольшое усиление тета-ритма может наблюдаться при стимуляции в моменты минус переходов ЭЭГ Рrc.

Наконец, еще одну группу данных в пользу различной значимости плюс и минус переходов ЭЭГ в условиях дифференцированной триггерной фотостимуляции составляют сравнительные гистограммы периодов волн ЭЭГ, измеренных по минус переходам с гистограммами волн той же ЭЭГ, но измеренных по плюс переходам. В случаях триггерной стимуляции такие гистограммы соответствуют гистограммам меж- и перистимульных волн. Во многих случаях различия этих гистограмм периодов невелики, но иногда бывают значительны, как, например, при триггерной стимуляции от ЭЭГ CM.

Таким образом, во всех исследовавшихся структурах мозга различные виды триггерной стимуляции оказывают различные эффекты, отражающиеся в гистограммах периодов волн ЭЭГ структуры, управляющей стимуляцией. Более того, ориентированные графы по переходным вероятностям минус переходов ЭЭГ отчетливо демонстрируют значительные различия межструктурных взаимодействий в условиях триггерных стимуляций, управляемых минус и плюс переходами ЭЭГ как одной и той же, так и разных (верхняя, средняя и нижняя пары графов) структур.

Сравнение ориентированных графов при триггерной фотостимуляции демонстрирует большие отличия от структуры связей в фоновом состоянии, хотя оно сравнительно быстро восстанавливается при выключении стимуляции. Эту модель, на наш взгляд, можно было бы использовать в дальнейших исследованиях конкретных закономерностей динамики биоэлектрической активности в процессах активного восстановления и поддержания функционального состояния.

Из вышеприведенного материала следует, что биоэлектрическая активность головного мозга во время разнообразных видов триггерной стимуляции подвержена широким изменениям периодограммного состава ЭЭГ, полярной симметричности волн и взаимодействия мозговых структур, что означает специфические сдвиги (модуляции) функционального состояния вообще и способов его регуляции в частности. Представляется, что дальнейшие исследования процессов перехода фоновых состояний в модулированные и обратно даже на феноменологическом уровне позволит связать динамические свойства функциональных состояний с их способностью эволюционируя, сменять друг друга, – способностью фундаментальной относительно всех более тонких форм поведения.

С более полным текстом диссертации вместе с иллюстрациями можно будет ознакомиться позже.

Диссертация выполнялась в Институте Экспериментальной Медицины Академии Медицинских Наук СССР (Ленинград, директор – академик Наталья Петровна Бехтерева), в отделе Экологической Физиологии (руководитель – докт. биол. наук, проф. Николай Николаевич Василевский), под научным руководством Н. Н. Василевского, канд.б.н. Николая Борисовича Суворова и к.б.н. Бориса Сергеевича Осипова (Калининградский Госуниверситет).