Текст книги "Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе"

Ампутация мозга

Если неизлечимая болезнь какой-либо части тела угрожает жизни пациента, то врачи прибегают к радикальным мерам – ампутации. Но что делать если эта часть тела – мозг?

В 1928 г. американский хирург Уолтер Эдвард Денди (Walter Edward Dandy, 1886—1946) впервые провёл радикальное удаление поражённого полушария головного мозга так называемую гемисферэктомию, в попытке излечить пациентов с неоперабельными опухолями (глиомами) которые то время считались неизлечимыми.

Из пяти пациентов, оперированных Денди, первый умер в течение 48 часов в результате кровотечения из-за смещения сосудистого зажима; 2-й скончался от пневмонии через две недели; двое умерли от рецидива опухоли; и пятый пациент был потерян по окончании 2-й послеоперационной недели.

В 1933 г. другой хирург, Уильям Джеймс Гарднер, провёл подобные операции на троих пациентах с эпилепсией. Один из них спустя два года полностью избавился от приступов, хорошо соображал, двигался и обошелся без рецидивов.

Но вскоре от процедуры отказались и не использовали в течение многих лет из-за тяжёлых последствий и высокой смертности.

Позднее, в 1950 году к ней возвратился южноафриканский нейрохирург Роланд Крынау, который применил её для лечения детской гемиплегии – полной потери возможности произвольных движений в ноге и руке с одной стороны тела.

Хирурги пробовали различные вариации гемисферэктомии, то оставляя немного ткани на месте, то лишая полушария связи с мозолистым телом – толстой полосой нервных волокон, которая соединяет левое и правое полушария.

Удаление мозолистого тела в 1960-х годах даже доказало свою эффективность в лечении тяжёлых форм эпилепсии. Это было менее экстремально, чем удаление целого полушария, и означало, что две половины мозга могут функционировать независимо друг от друга, не имея возможности взаимодействовать. При этом случайное возбуждение нервов во время эпилептических приступов не могло передаваться из одного полушария в другое.

В обычной жизни мы используем оба глаза, оба уха, обе руки и т.д., поэтому – наши полушария работают одновременно и совместно. Тем более было интересно наблюдать их несогласованную работу.

Этим и заинтересовался нейропсихолог Роджер Сперри (1913—1994). Он обнаружил, что, если какой-либо предмет сначала показать одному глазу, а затем другому, пациент с разделёнными полушариями и не вспомнит, что видел его раньше, будто каждое полушарие формирует собственные воспоминания.

При дальнейшем тестировании больных с «раздвоенным» головным мозгом было выявлено, что правое и левое полушария выполняют различные функции.

Именно благодаря работам Сперри, стало известно, что познавательные функции левого и правого полушарий во многом различаются. Левое (доминирующее) полушарие обрабатывает информацию последовательно и аналитически. Оно занято математическими расчётами, абстрактным мышлением, вербальным функциями и интерпретацией символических понятий. Напротив, правое (недоминирующее) полушарие обрабатывает информацию интуитивно и одновременно.

За работу с пациентами с расщепленным мозгом Сперри получил в 1981 Нобелевскую премию.

PS Invitro

В следующих главах я расскажу о многих хитроумных методах исследования живого мозга, основанных на наблюдении за реакцией в ответ на стимул. Но самая детально изученная модель нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans была создана скальпелем и микроскопом. На основании серии электронных микрофотографий, на которых запечатлены срезы тела червя на разных уровнях.

Способ №2. Исследования с помощью приборов
Электроэнцефалография (ЭЭГ)

4 августа 1875 года Ричард Катон впервые исследовал открытый живой мозг при помощи гальванометра и сумел зарегистрировать электрические импульсы. Им были обнаружены отчётливые вариации тока, которые становились более заметными во время сна.

Спустя несколько лет суммарную активность полушарий мозга животных зафиксировали Адольф Бек и Наполеон Цибульский в конце 1880-х годов. Правда в своих экспериментах они помещали электроды непосредственно на поверхность мозга животного, а на ритмичность изменений они не обратили внимания.

Продолжил электроэнцефалографические исследования В.В.Правдич-Неминский, опубликовав 1913 году первую электроэнцефалограмму, записанную с мозга собаки. В своих исследованиях он использовал струнный гальванометр. А также Правдич-Неминский ввёл термин электроцереброграмма.

Первая же запись ЭЭГ человека была создана немецким психиатром Гансом Бергером (1873—1941). И, хотя ЭЭГ снимается через электроды с поверхности головы, Г. Бергер сумел доказать, что часть электрической активности обусловлена деятельностью мозга, а не покрывающих его поверхностных тканей.

Бергер всерьёз увлекался идеями магнетизма и возможностью телепатии, передачи мыслей на расстояние. Не исключено, что его интерес к регистрации и записи биотоков головного мозга был продиктован именно увлечением магнетизмом.

Бергер точно зафиксировал дату первой записи биотоков мозга человека – 6 июля 1924 года. Эти записи он называл «электроэнцефалограммой», а сами электрические сигналы – «мозговыми волнами». Бергер исследовал записи ЭЭГ не только у здоровых людей, но и у пациентов с различными неврологическими патологиями, положив тем самым начало технологии клинической электроэнцефалографии.

Для работы Ганс Бергер самостоятельно изобрёл и сконструировал оригинальный прибор (первый электроэнцефалограф) и с помощью игольчатых электродов, подведённых под кожу головы, регистрировал суммарную электрическую активность мозга. Он сразу обратил внимание наличие в ЭЭГ непрерывных регулярных колебаний.

Год спустя Бергер обнаружил эффект уменьшения амплитуды активности в ответ на сенсорное стимулирование, таким образом, подтвердив результаты, полученные Беком и Правдич-Неминским на животных.

Ганс Бергер для записи ЭЭГ с поверхности скальпа применял электроды из разных металлов, а в качестве центрального электрода выступала серебряная ложечка, помещённая в рот пациента.

Первая выявленная им частота мозговых волн находилась в диапазоне от 8 до 12 Гц. Впоследствии эти ритмические колебания были названы ритмом Бергера, более известный сегодня как «альфа-ритм».

Признание пришло к Гансу Бергеру достаточно поздно, в Германии его исследования были недооценены. Бергер неоднократно подвергался нападкам и обвинениям в бессмысленности ЭЭГ для медицины. Лишь в 1937 году его метод получил признание после того, как британские учёные барон Эдгар Дуглас Эдриан и сэр Брайан Харольд Кабот Мэтьюс (Bryan Harold Cabot Matthews) смогли непосредственно продемонстрировать его на заседании Английского физиологического общества в Кембридже. Сам Эдриан выступил в качестве испытуемого. Открывая и закрывая глаза, он продемонстрировал появление альфа-ритма на ЭЭГ.

Научные работы Бергера получили значительно большее признание за рубежом, чем на родине в Германии. В 1941 году во время тяжёлой депрессии Бергер принял решение свести счёты с жизнью. Несомненно, при более благоприятных условиях, он наверняка стал бы Нобелевским лауреатом за своё эпохальное открытие.

В бытовом представлении при ЭЭГ на голову накладывают сеть датчиков, которые считывают «всё, что творится внутри черепной коробки» и передают «умному» прибору полный объём информации. На самом же деле электроды записывают изменения разности потенциалов между парами датчиков в различных отведениях. Взрослым предусмотрено симметричное прикрепление к поверхности головы 20 датчиков +1 непарный, который накладывается на теменную область.

Система «10—20%» – стандартная система размещения электродов на поверхности головы, которая рекомендована Международной федерацией электроэнцефалографии и клинической нейрофизиологии. Схему предложил в 1950-х годах канадский нейрофизиолог Герберт Генри Джаспер.

Рисунок 23. Система «10—20%»

Этот метод исследования базируется на предположении, что наблюдаемая электрическая активность – есть совокупность электрических реакций головного мозга, отражающих функции целого мозга и его отдельных образований.

Когда какой-либо участок головного мозга возбуждается, то, меняется его электрическая активность. Это местная электрическая активность мозга. Наряду с которой существует и общая электрическая активность коры головного мозга – ритмичные волны, захватывающие всю кору. Примером регистрации местной электрической активности служит метод вызванных потенциалов, а общей – электроэнцефалография.

Локальные изменения электрической активности, возникающие в каком-либо участке ЦНС в ответ на поступление возбуждения, называются вызванными потенциалами. Чаще всего их регистрируют в ответ на раздражение сенсо́рных рецепторов, например, тактильных, зрительных или слуховых. Измерение вызванных потенциалов может быть использовано как в исследовательских, так и в диагностических целях.

Потенциалы регистрируют путём наложения электродов на кожу головы. Будучи небольшим по амплитуде вызванный потенциал тонет в общей электрической активности мозга. В связи с этим применяются разнообразные методы выделения сигнала из шума, позволяющие фиксировать вызванные потенциалы не только коры, но даже подкорковых структур.

Местная электрическая активность отражает деятельность отдельных участков коры, например, восприятие и анализ раздражителя, формирование команды, направляемой к отдельным группам мышц. В состоянии бодрствования мы одновременно видим, слышим, думаем, осуществляем какие-то движения, следовательно, активны все отделы коры. Правда, если какие-либо участки коры в данный момент ничем не занимаются, то им будет сопутствовать простая ритмичная электрическая активность.

До недавнего времени ЭЭГ оставался единственным методом, позволявшим исследовать мозг в динамике. Но записи, получаемые с его помощью, по мнению самих медиков, с трудом поддаются анализу, и поэтому чаще всего ЭЭГ даёт лишь примерное представление об активности популяции нейронов, расположенных под электродом.

Парадоксально, но собственно нервные импульсы в мозге никак не проявляются в колебаниях электрического потенциала на поверхности черепа человека. Причина в том, что импульсная активность нейронов несопоставима с ЭЭГ по временны́м параметрам. Длительность импульса (потенциала действия) нейрона составляет не более 2 мс. Периоды ритмических составляющих ЭЭГ могут исчисляться десятками и даже сотнями миллисекунд. За неимением иного, принято объяснять, потенциалы, регистрируемые на поверхности открытого мозга или кожи головы, наличием некоей синаптической активности нейронов. То есть речь идёт не о потенциалах действия, а о возбуждающих и тормозных постсинаптических потенциалах.

Несколько упрощая картину, можно сказать, что положительные колебания потенциала на поверхности коры связаны либо с возбуждающими постсинаптическими потенциалами в её глубинных слоях, либо с тормозными в поверхностных.

Кроме естественных колебаний потенциала мозга, наблюдаемых на ЭЭГ при отсутствии специальных воздействий, существует ещё и другая форма активности мозга – вызванные потенциалы (ВП). ВП – биоэлектрические колебания, возникающие в нервных структурах в ответ на внешнее раздражение (вспышку света, звук и т. д.) Так как на громкий звук отвечают почти одновременно сразу много нейронов мозга, то суммарные ВП обычно имеют гораздо большую величину, чем ЭЭГ. Фактически именно они и были обнаружены первооткрывателями ЭЭГ.

С помощью ВП можно решать интересные научные задачи. Например, после яркой вспышки света вариабельный потенциал проявляется в затылочной области мозга. Отсюда следует вывод, что именно в этой области обрабатываются сигналы о свете. Раздражая разные участки кожи тела можно даже составить карту ответов на эти раздражения. Интересно, что при этом нарушаются привычнее пропорции, например, зона кисти руки на этой карте оказывается непропорционально большой (здесь уместно будет вспомнить о карикатурном «сенсо́рном гомункулусе» Пенфилда).

Вызванные потенциалы обычно смешаны с ЭЭГ, но на фоне спонтанной биоэлектрической активности одиночные ВП трудно различимы (их амплитуда в несколько раз меньше амплитуды фоновой ЭЭГ). В связи с этим их регистрация возможна техническими устройствами, позволяющими выделять полезный сигнал из шума специальными методами.

Использовать результаты ЭЭГ для точной локализации нейрофизиологических процессов в мозге почти невозможно – это как пытаться идентифицировать личности пловцов по волнам на поверхности бассейна. Зато на характерный, нездоровый плеск или наоборот, его пугающее отсутствие – можно обратить внимание. Именно поэтому в наши дни ЭЭГ уже крайне редко используется исследователями, а вот у медиков она по-прежнему популярна.

О точности выводов можно судить, например, по таким косвенным данным. «Детектор лжи», использующий те же принципы работы, что и ЭЭГ, позволяет выявить до 71% случаев обмана.

На мой взгляд, ЭЭГ является самым грубым и малоинформативным, но до недавнего времени единственным способом исследования мозговой деятельности, как совокупности работающих нейронов. (О более совершенном методе – МЭГ, поговорим ниже.) Все другие методы более современные, более точные, дают нам информацию об общей структуре мозга, о его сосудистой системе (кровоснабжении), о его активности по активности опять же кровоснабжения, но ничего не говорят нам о работе собственно нейронов.

По поводу неэффективности ЭЭГ бытует байка о том, как в 1956 году директор Государственного института мозга профессор Виктор Петрович Осипов попросил коллег-профессоров дать заключение по предложенной им энцефалограмме. После пяти совершенно разных диагнозов – рак мозга, эпилептические припадки, развёрнутая эпилепсия, тяжёлая травма мозга – профессор Осипов сознался, что снял энцефалограмму с мокрой тряпки.

Электромиография – ЭМГ

Скелетные мышцы тела тоже генерируют потенциалы, которые можно регистрировать с поверхности кожи. Для этого требуется более совершенная аппаратура, чем для регистрации ЭКГ. Отдельные мышечные волокна обычно работают асинхронно, их сигналы, накладываясь друг на друга, частично компенсируются, и в результате получаются меньшие потенциалы, чем в случае ЭКГ. Электрическая активность скелетной мышцы называется электромиограммой – ЭМГ.

Сейчас её пытаются применить в науке, спорте, а также для биоуправления – создания приборов в которых естественные потенциалы организма управляли бы теми или иными искусственными устройствами.

Нейрорентгенология

Открытые в 1895 году Рентгеном лучи совершили революцию в диагностике заболеваний различных органов. Первые рентгенограммы черепа и позвоночника вселяли надежду на получение информации о состоянии мозговых тканей.

Нейрорентгенология выделилась из общей рентгенологии как самостоятельный раздел, а в истории её развития можно выделить три этапа.

На первом этапе производилась рентгенография черепа и позвоночника. Этот метод годился для диагностики заболеваний или повреждений костей, но сам мозг на рентгеновском снимке невидим.

Этот печальный факт подтолкнул учёных к разработке методик искусственного контрастирования.

Стартовал второй этап нейрорентгенологии – исследование головного и спинного мозга методами контрастирования. Началось с того, что в 1918 году Dandy предложил для получения их изображения вводить воздух непосредственно в желудочки головного мозга. Позднее он разработал методику введения воздуха в субарахноидальное пространство спинного мозга с помощью люмбальной пункции. Так появились пневмоэнцефалография головного мозга, а для спинного мозга – пневмомиелография.

Среди российских учёных пионером был А. Н. Бакулев – основатель института нейрохирургии, носящего его имя. В 1923 году он опубликовал статью о диагностике опухолей головного мозга с помощью вентрикулографии. Воздух (кислород, закись азота) вводился через просверленные заранее отверстия в боковые желудочки мозга. Перемещение газа осуществлялось изменением положения головы больного.

Помимо газового контрастирования были предложены методики с использованием высокоатомных соединений, масляных или водорастворимых йодсодержащих контрастных веществ (йодолипол, майодил).

Несмотря на некоторый прогресс в диагностике, методики контрастирования ликворных путей таили в себе определённые опасности. Их воздействие на чрезвычайно чувствительные ткани центральной нервной системы вызывали серьёзные осложнения, такие как головная боль, рвота, потеря сознания. Случались и более тяжёлые осложнения вплоть до летального исхода.

Следующим шагом в исследованиях головного мозга с использованием контрастных веществ стала ангиография – внутривенное введение контрастного вещества на основе йода. Впервые ангиографию сосудов головного мозга произвёл Эгаш в 1927 году, он использовал для этого 25% раствор йодистого натрия. В нашей стране первую ангиографию мозга выполнили Б. Г. Егоров и М. Б. Копылов в 1930 году

Совершенствование ангиографии шло по нескольким направлениям: поиску и применению малотоксичных контрастных веществ, способов их введения, а также методов анализа результатов для целей диагностики.

Сегодня благодаря внедрению неионных контрастных веществ, обладающих минимальными побочными эффектами, ангиография стала вполне безопасным методом исследования.

В настоящее время применение ангиографии сокращается, уступая более современным методам компьютерной и магнитно-резонансной диагностики.

Третий этап истории нейрорентгенологии начался в 1972 году, когда Годфри Хаунсфилд и Аллан Кормак предложили компьютерную томографию. За эту разработку оба были удостоены Нобелевской премии. Метод основан на измерении и последующем компьютерном анализе разности затухания рентгеновского излучения в различных по плотности тканях. Сегодня компьютерная томография стало основным методом исследования внутренних органов человека с применением рентгеновского излучения.

Эта технология даёт возможность получения изображений тонкого слоя исследуемой области, позволяя увидеть детали в пределах 1—2 мм. С помощью реконструкции изображение может быть представлено в 2 плоскостях. Можно воссоздать и объёмное изображение. Нередко изображение при компьютерной томографии называется виртуальным, поскольку создаётся не прямым взаимодействием рентгеновского луча с фотоплёнкой, а генерируется компьютером. Стало удобно хранить и передавать изображения на любые расстояния для их обработки и более тонкого анализа.

Эхоэнцефалоскопия и нейросонография

Эхоэнцефалоскопия – это ультразвуковой метод диагностики головного мозга, позволяющий оценить наличие патологии в нём. Открытие обычно связывают с именем шведского нейрохирурга Ларса Лекселла (1907—1986), который ввёл этот метод в клиническую практику в 1956 году.

По сути это УЗИ головного мозга. Метод основан на том же принципе, что и эхолокатор или современный парктроник автомобиля. Есть генератор и приёмник ультразвука. Ультразвук распространяется в теле человека, но встречая неоднородности тканей отражается в обратном направлении. На основании отражённых сигналов, с использованием компьютерных технологий строится изображение на экране монитора.

У метода есть одно серьёзное ограничение – ультразвук не может эффективно проникать сквозь костную ткань, в том числе кости черепа. Но он может использоваться для исследований головного мозга у младенцев через роднички (нейросонография) и швы черепа.

Магнитно-резонансная томография МРТ

Магнитно-резонансная томография (МРТ) – метод визуализации внутренних органов человека, основанный на явлении ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).

Ткани человеческого тела содержат большое количество протонов – ядер атомов водорода: в составе воды, в каждой молекуле органического вещества – белках, жирах, углеводах, других молекулах… Протон же – это элементарная частица, обладающая собственным магнитным моментом в заданном однородном магнитном поле. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты протонов ориентированы случайным образом.

Если же поместить атомы водорода в сильное постоянное магнитное поле, магнитные моменты протонов ориентируется либо по направлению магнитного поля, либо в противоположном направлении.

Теперь воздействуя на эти протоны электромагнитным излучением резонансной частоты (к счастью, эта частота радиоволн, абсолютно безопасная для человека), мы заставляем часть протонов поменять свой магнитный момент на противоположный. А после снятия внешнего магнитного поля они возвращаются в исходное состояние, выделяя при этом квант энергии в виде электромагнитного излучения, которое и регистрируется томографом.

Эффект ЯМР можно получить не только на протонах, но и на любых изотопах, имеющих ненулевой спин (то есть вращающихся в определённом направлении), достаточно распространённых в природе. К таким изотопам можно отнести 2Н, 31Р, 23Na, 14N, 13C, 19F и некоторые другие.

История МРТ

В 1937 году Исидор Айзек Раби, профессор Колумбийского университета обнаружил явление поглощения электромагнитной энергии, ядрами атомов, помещённых в сильное магнитное поле. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1944 году.

Чуть позже две группы физиков первая под руководством Феликса Блоха, вторая – Эдварда М. Парселла, зарегистрировали обратный эффект – излучение электромагнитной энергии после отключения сильного магнитного поля. За это оба в 1952 глду также удостоились Нобелевской премии по физике.

В 1949 году Норман Фостер Рамзей (Norman Foster Ramsey, 1915– 2011) сформулировал теорию химического сдвига, суть которой в том, что ядро любого атома может быть опознано по изменению резонансной частоты, а любую молекулярную систему может описать её спектр поглощения. Эта теория стала основой магнитно-резонансной спектроскопии. С 1950 по 1970 годы ЯМР использовался именно для молекулярного анализа в спектроскопии. Спустя сорок лет, в 1989 году Рамзей получил за свою теорию Нобелевскую премию по химии.

В 1971 году физик Раймонд Дамадьян открыл возможность применения ЯМР для обнаружения опухолей. В опытах над животными он показал, что сигнал магнитного резонанса протонов водорода в злокачественных тканях сильнее, чем от здоровых. Семь лет ушло у команды Дамадьяна ушло на разработку и создание первого магнитно-резонансного сканера для медицинских целей. В 1972 году химик Пол Кристиан Лотербур сформулировал принципы отображения ЯМР, предложив использовать переменные градиенты магнитного поля для получения двумерных изображений.

В 1975 году Ричард Эрнст (Ernst Richard, 1933) предложил использовать в МРТ фазовое и частотное кодирование и Фурье-преобразования. Методы, используемые в МРТ и в настоящее время. В 1991 году Ричард Эрнст удостоился Нобелевской премии по химии за вклад в развитие методологии спектроскопии ЯМР высокого разрешения.

В 1976 году Питер Мэнсфилд (Великобритания) предложил эхо-планарное отображение (EPI) – методику, основанную на сверхбыстром переключении градиентов магнитного поля. Благодаря которой время получения изображения сократилось с нескольких часов до нескольких десятков минут.

В 2003 году Питер Мэнсфилд и Поло Лотенбур разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за изобретение метода магнитно-резонансной томографии.

Типы МРТ

Трактография или диффузионно-тензорная МРТ – метод позволяет определять направление и тензор (силу диффузии) молекул воды в тканях: клетках, сосудах, нервных волокнах. Результатом сканирования является карта диффузии. Этот метод популярен в исследованиях ЦНС, он позволяет хорошо визуализовать нейронные связи между различными отделами головного мозга и оценить целостность проводящих путей мозга.

МР-ангиография. Метод визуализации кровеносных сосудов, базируется на отличии сигналов протонов в движущейся крови от сигналов протонов в неподвижных тканях.

Функциональная МРТ. Метод основан на регистрации кровообращения активно работающих участков мозга.

МР-спектроскопия. Метод позволяет проводить молекулярный анализ с целью выявления определённых метаболитов (лактата, креатинина, N-ацетиласпартата и многих других) в тканях, на основании чего делаются выводы о наличии заболеваний и их динамике.

Высокая разрешающая способность, безвредность и безопасность делают МРТ самым популярным и перспективным методом исследования в клинической практике, несмотря на относительную дороговизну.

Применение МРТ, а особенно функциональной МРТ (фМРТ) имеет огромные перспективы в нейронауках. С помощью фМРТ можно исследовать зависимость активности участков мозга от уровня насыщения его тканей кислородом. Снова можно строить карту мозга.

Последние три метода исследования головного и спинного мозга – рентген, компьютерная томография и МРТ дают колоссальные возможности в диагностике патологий и исследовании активности мозга, но ни на шаг не приближают нас к пониманию принципов возникновения, передачи и хранения информации в нервной ткани.