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.
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.