CC BY
21
ни и селезенки и т. д. Это было подтверждено созданием импедансных хирургических систем на основе указанных результатов.
|Л и т е р а т у р а |
1. Conway I. Electrical impedance tomography for monitoring of hyperthermia // Clin. Phys. and Physiol. Meas. 1987. Vol. 8. P. 141-146.
2. Ибрагимов P. Ш. Устройство для измерения электропроводности биологических тканей и жидкостей // Новое в экспериментальной и клинической медицине: Тез. докл. ко 2-й Конф. изобретателей и рационализаторов/ Отв. ред. М. И. Лосева. Новосибирск, 1987. С. 121-122.
3. Смит К. Биология сенсорных систем / Пер. с англ. Ю. Б. Шмуклера; под ред. О. Ю. Орлова. М.: Бином; Лаборатория знаний, 2005. 583 с.
4. Тихомиров А. М. Импеданс биологических тканей и его применение в медицине. М.: Рос. гос. мед. ун-т, 2006. 12 с.
5. Плетнев С. В., Введенский В. Л., Мишин А. А. Многочастотные биоимпедансные измерения медленных релаксационных процессов в живых тканях // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2004. № 12. С. 20-26.
6. Велик Д. В. Импедансная электрохирургия. Новосибирск: Наука, 2000. 274 с.
7. Создание класса технологий и электрохирургических систем для проведения тканесберегающих и органосберега-ющих вмешательств по удалению и коагуляции биотканей, с обеспечением их высокой клинической эффективности (этап I). АВЦП: Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы) / НГТУ; руковод. Д. В. Бе-лик; отв. исп. К. Д. Белик. Новосибирск, 2009. 85 с.
8. Пат. 2354327 Российская Федерация. А61В. Электрическая система для онкохирургии / Д.В. Белик, К. Д. Белик; заявители и правообладатели Д. В. Белик, К. Д. Белик; опубл. 10.05.2009. Бюл. № 13.
9. Пат. 2387372 Российская Федерация. А61В. Система диагностики биотканей / К. Д. Белик, Д. В. Белик; заявители и правообладатели К. Д. Белик, Д. В. Белик; № 2008139364; опубл. 27.04.10. Бюл. № 12.
УДК 615.822.3+612.6.65+612.789 А. Н. Шеповальников, д-р мед. наук,
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН
Использование биотехнических систем в изучении центральных механизмов регуляции бодрствования и сна
Ключевые слова: дефолтные и зеркальные системы мозга, континуум «бодрствование — сон», позитронно-эмиссионный томограф, системная деятельность мозга, функциональная магнитно-резонансная томография, электроэнцефалограмма
В обзорной статье* рассматриваются последние достижения нейрофизиологии, перспективные для разработки более совершенных биотехнических систем и интерфейсов, которые могут быть ориентированы на эффективное управление механическими конструкциями, посредством использования информации, отражающей динамику структуры поля биопотенциалов мозга, с учетом индивидуальных особенностей организма и изменения его функционального состояния в норме и при патологии. Приводятся также новые сведения из литературы и собственные данные об особенностях организации системной деятельности мозга в различные периоды бодрствования и сна.
* Работа вышолнена при поддержке РГНФ, грант № 10 06 01000а.
Введение
В первое десятилетие нового века стали известны замечательные достижения в области изучения закономерностей в организации деятельности головного мозга, которые делают все более реальной возможность использования интерфейса для прямого взаимодействия ЭВМ и церебральных структур человека. Новые крупные открытия нейрофизиологов сделаны прежде всего благодаря использованию функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ): удалось выявить много важных деталей в механизмах обеспечения процессов, сопровождающих нервно-психическую деятельность, обнаружить локализацию ранее неизвестных церебральных систем, ответственных за определенные виды мышления, за копирование информации и за комплексную регуляцию функций. Применение позит-
биотехносфера
| № 5-Б (11-123/2010
ронно-эмиссионных томографов (ПЭТ), обеспечивающих неинвазивное исследование прижизненной биохимии мозга, также принесло много ценных данных, позволивших, в частности, более глубоко и разносторонне представить специфику центральной организации речевой функции у женщин и мужчин. Наконец, развитие магнитной энцефалографии, совершенствование приемов регистрации и анализа как традиционной электроэнцефалограммы (ЭЭГ), так и других биоэлектрических церебральных процессов на различных уровнях сложности, заметно содействовали познанию принципов системной организации работы мозга в условиях разных степеней его активации в пределах континуума «бодрствование — сон».
Эти бесспорные успехи в изучении деятельности мозга еще раз подтвердили справедливость высказывания И. П. Павлова о важнейшей роли уровня методического оснащения для прорыва в область непознанного: «...наука движется толчками, в зависимости от успехов, делаемых методикой. С каждым шагом методики вперед мы как бы поднимаемся ступенью выше, с которой открывается нам более широкий горизонт с невидимыми ранее предметами» [1]. Понятно, что современные достижения нейрофизиологии были бы невозможны без успехов физики и электроники. Мы постараемся хотя бы фрагментарно описать некоторые, наиболее значимые, успехи в сфере изучения механизмов деятельности мозга человека в таких базовых состояниях, как бодрствование и сон. Тем не менее стоит отметить, что предстоит еще многое сделать для полного познания принципиальных закономерностей организации межцентрального взаимодействия церебральных структур, на основе которых организуются мыслительные процессы. Более того, уже не кажется слишком экзотичным суждение о том, что мозг является своеобразным «интерфейсом» между материальным и идеальным.
К числу наиболее впечатляющих достижений в изучении функций головного мозга человека можно отнести новые данные о механизмах центральной организации речевой деятельности, интересные сведения о морфофункциональных особенностях женского и мужского мозга, объясняющие существенные различия в когнитивных стилях у тех и других, а также весьма перспективные для реального использования на практике неожиданные открытия, связанные с удивительной пластичностью функции мозга. Делом будущего представляются критическое осмысление и дальнейшее углубленное исследование свойств недавно обнаруженных так называемых дефолтных и зеркальных систем мозга, проявляющих свою активность как при бодрствовании, так и во время сна. Уже находят практическое применение в неврологической практике разработки генетиков, направленные на поиск корреляций между индивидуальными особенностями генетического аппарата и спецификой нервно-психической деятель-
ности. Успешно развивается перспективное направление, связанное с целенаправленной активацией компенсаторных процессов в тканях мозга за счет усиления генерации собственных стволовых клеток.
Позитронно-эмиссионная томография
Все большее признание получает новый метод радиоизотопной диагностики биохимической активности различных отделов мозга в норме и при патологии, основанный на использовании различных радиофармпрепаратов, содержащих ультракоротко-живущие изотопы (015, N^3, Сц). Слабые жесткие излучения, улавливаемые томографом, позволяют количественно оценивать изменения уровня метаболизма и визуализировать результаты наблюдений. Принцип позитронно-эмиссионной томографии основан на определении интенсивности аннигиляции, которая возникает в тот момент, когда излученный радиоизотопом позитрон встречается с электроном в соответствующих тканях мозга испытуемого.
Высокоэнергетические гамма-кванты, возникающие в результате взаимодействия позитрона с электроном, разлетаются в противоположные стороны. Это излучение регистрируется датчиками и затем с помощью компьютера преобразуется в картограмму, которая позволяет оценивать локальные изменения уровня метаболизма в глубоких структурах мозга, что отражается в различных сечениях. ПЭТ оказался весьма эффективным средством не только для ранней диагностики опухолевых поражений мозга (впрочем, как и других органов), но и для выявления первых признаков болезни Альцгейме-ра. Весьма невысокий уровень интенсивности лучевого излучения и совершенствование программного обеспечения делают возможным использование ПЭТ при обследовании здоровых добровольцев в целях изучения различных нервно-психических процессов, включая механизмы церебрального обеспечения речевой и творческой деятельности [2, 3].
Для изучения центральных механизмов реализации любых видов деятельности первостепенное значение имеет оценка фона, то есть динамика того состояния, в котором находился мозг в период относительного покоя до предъявления стимула или до начала эндогенно инициируемого процесса. Критический анализ результатов исследований (ФМРТ, ПЭТ и ЭЭГ) доказывает, что было бы грубой ошибкой рассматривать фон как состояние полного бездействия. Не только при активном бодрствовании, но и на различных стадиях сна мозг непрерывно изменяет структуру взаимодействия своих дистантно разобщенных структур. Лабильность функционального состояния мозга в состоянии относительного покоя позволяет поставить вопрос о правомерности и методологической уязвимости усреднения результатов многих электрофизиологических наблюдений, поскольку в качестве одинакового фона
мы вынуждены использовать состояния, которые нередко существенно различаются не только в разные дни, но и на протяжении одного наблюдения.
В то же время в неповрежденном мозгу, пребывающем в состоянии относительного покоя, непременно сохраняется как бы «пространственный адрес» всех корковых полей. Это находит отражение в структуре поля биопотенциалов мозга, где поддерживается почти неизменная пространственная упорядоченность, которая регистрируется при представлении корреляционной матрицы статистических связей ЭЭГ в трехмерном факторном пространстве в виде радиус-векторов [4]. Во время сна зафиксирован более высокий уровень синхронизации нейрофизиологических процессов, чем при бодрствовании. (Очевидно, это способствует более благоприятным условиям для реализации биохимических реакций, направленных на поддержание гомеостаза.) В состоянии бодрствования отдельные корковые мини-структуры работают дискретно, не только демонстрируя высокую и постоянную готовность к восприятию и анализу сенсорных сигналов и организации целенаправленного поведения, но и непрерывно поддерживая свою эндогенную активность, связанную в значительной степени с вербальным и невербальным мышлением.
Функциональная
магнитно-резонансная томография
Большинство крупных научных достижений за последние годы в области изучения организации системной деятельности мозга связаны с применением ФМРТ. При регистрации процессов на ФМРТ используется эффект резонансного поглощения атомами электромагнитных волн. С этой целью применяются мощные электромагниты или постоянные магниты (у последних моделей ФМРТ их мощность достигает 3 Тл). Воздействие электромагнитного излучения определенной частоты на изучаемую область мозга вызывает изменение магнитного момента части протонов на противоположный, а затем они возвращаются в исходное состояние. Система регистрации томографа позволяет с высокой точностью улавливать выделение энергии, которое происходит при
«релаксации» предварительно возбужденных протонов. Использование так называемых градиентных усилителей не только обеспечивает селективное возбуждение протонов в нужной области мозга, но и позволяет выбрать необходимый срез в зависимости от задач исследования. Уникальные диагностические возможности магнитно-резонансной томографии обеспечили нейрофизиологов и клиницистов великолепным инструментом для изучения деятельности мозга. Поэтому присуждение разработчикам ФМРТ трех Нобелевских премий представляется вполне заслуженной наградой.
Для нормальной деятельности мозга человека особое значение имеет речевая функция, в центральной регуляции которой в той или иной степени, очевидно, участвуют все или почти все корковые поля, а также базальные ядра, многие другие глубокие церебральные структуры и мозжечок.
Благодаря эффективному использованию возможностей ФМРТ были получены впечатляющие результаты исследования различий в церебральном обеспечении речевой функции у женщин и мужчин. Надо отметить, что в организации этой функции особая роль принадлежит дугообразному пучку, расположенному вокруг Сильвиевой борозды. Этот пучок соединяет кору лобных, теменных и височных отделов, причем в левом полушарии он в значительной степени обеспечивает морфофункциональ-ные связи, необходимые для реализации речевой деятельности, участвует в программировании целенаправленных действий, то есть в праксисе. Дугообразный пучок правого полушария необходим для визуально-пространственного анализа, он принимает участие в передаче сигналов, связанных с оценкой смысловых и просодических (интонационных) составляющих речи.
Выяснилось, что длинный сегмент дугообразного тракта, который критически важен для центрального обеспечения вербальной деятельности, у большинства мужчин наиболее часто (рис. 1, а) (в 85 % случаев) представлен четко выраженным доминированием левосторонней латарализации, тогда как у женщин такое распределение доминирует лишь в 40 % случаев. Умеренно выраженный уровень преобладания левосторонней латерализации представ-
Рис. 1 Варианты асимметрии билатерального распределения дугообразного пучка, связанного с обеспечением речевой функции, в левом и в правом полушарии мозга у женщин и у мужчин: а — четко выраженное доминирование левосторонней латерализации; б — умеренно выраженный уровень преобладания левосторонней латерализации; в — билатеральная симметрия развития дугообразного пучка
| № 5-6(11-12)
биотехносфера
лен у 10 % мужчин и у 30 % женщин (рис. 1, б), тогда как билатеральная симметрия (то есть примерно одинаковый уровень развития дугообразного тракта в обоих полушариях) был выявлен у 30 % женщин (рис. 1, в) и лишь у 5 % мужчин [5]. Таким образом, для большинства мужчин характерно преобладание дугообразного пучка в левом полушарии, тогда как у женщин чаще регистрируется вариант билатерально симметричного распределения. Очевидно, результаты этих наблюдений можно рассматривать в качестве объективного ответа на вопрос, почему у женщин речевая деятельность более интенсивна, чем у мужчин, что объясняет некоторые гендерные особенности у лиц разного пола.
Если по данным, полученным с помощью ФМРТ, было показано, что пространственная организация межрегиональных отношений корковых полей, обеспечивающих речевую деятельность, столь значительно различается у женщин и мужчин, то можно ли выявить подобные различия на основе анализа структуры поля биопотенциалов мозга посредством анализа вторичных параметров многоканальной ЭЭГ? Ответ положительный. В нашей лаборатории [6] получены данные, свидетельствующие о наличии таких различий в пространственной организации системной деятельности мозга при реализации речевых функций в группе женщин и мужчин, включая детский контингент. Выяснилось, что у мужчин уровни корреляционной связи между речевыми зонами ЭЭГ левого полушария были значительно более выражены по сравнению с аналогичными показателями у женщин, однако у последних оба полушария работают более гармонично.
О дефолтной системе мозга
Применение ФМРТ позволило получить новые данные, характеризующие деятельность мозга в зависимости от типа мышления. Дело в том, что в процессе целенаправленной деятельности (например, при классификации предъявленных объектов, чтении текста, сосредоточении внимания) наблюдается хорошо выраженная активация определенных областей мозга и одновременно постоянная дезактивация некоторых других структур. Эти другие, де-фолтные, структуры мозга, напротив, оказывались активированными, когда испытуемые расфокусировали свое внимание, то есть отвлекались от раздражителей внешнего мира и как бы погружались в себя: спокойно размышляли, строили планы на будущее и т. п. Примечательно, что деятельность этой дефолтной системы способствует возникновению спонтанных мыслей [7]. Дефолтная система связана не с первичными сенсорными полями или моторными отделами коры, а с системами хранения памятных следов, локализованных в височных отделах мозга.
а) mPFC (anterior)
q\ mPFC (ventral)
О
Q inf. temporal
parahippocampal
post. cingulate
lat. parietal
retrosplenial
О
cerebellar tonsils
Рис. 2
Созревание архитектуры дефолтной сети головного мозга [9]: а — дети; б — взрослые
Таким образом, создается впечатление, что человек использует две системы мышления: одна нацелена на извлечение сфокусированной информации из сенсорных блоков, а вторая, сопровождающаяся непременным отключением фокусировки внимания на внешних объектах, характеризуется концентрацией на воспоминаниях из прошлого. Очевидно, дефолтная система существенно эволюционирует в онтогенезе человека (рис. 2), поскольку у детей выявлены явные признаки ее незрелости [8]. Обращает на себя внимание тот факт, что наиболее существенные возрастные изменения дефолтной системы связаны со значительным усилением ее морфофункцио-нальных связей в сагиттальном направлении.
Благодаря использованию возможностей ФМРТ недавно было сделано еще одно любопытное наблюдение в Гарвардском университете. Исследуя особенности деятельности головного мозга после введения значительных доз алкоголя, обнаружили, что области мозга, контролирующие развитие событий и реальную опасность, снижают свою активность, тогда как церебральные структуры, ответственные за оценку собственных возможностей, напротив, резко повышали свою активность. В результате испытуемые переставали адекватно оценивать потенциальную угрозу, утрачивая способность различать мнимую и действительную опасности.
Сведения, полученные в результате обследования испытуемых при отклонениях от нормы в процессе прижизненного исследования особенностей развития нервных путей, соединяющих классические речевые зоны коры и гомологичные им области контрлатерального полушария, дают основание предполагать, что многие часто встречающиеся случаи нарушений речи (такие как алалия, заикание)
обусловлены не столько недоразвитием серого вещества соответствующих корковых центров, сколько недостаточностью («разрывом») белого вещества, то есть тех ассоциативных путей, которые необходимы для координированного взаимодействия комплекса корковых центров и глубоких церебральных структур, участвующих в обеспечении речевой функции [5]. Критическая оценка данных, полученных за последнее десятилетие с помощью ФМРТ, позволяет утверждать, что исследователи мозга получили не только мощный и надежный инструмент для решения важных теоретических вопросов, но и высокоэффективный способ выявлять ранние отклонения от нормы и возможность обеспечивать надежный контроль за результатами коррекции (например, медико-педагогической).
Новые сведения о нейропластичности мозга
Интересными и неожиданными оказались сведения о перераспределении сенсорных потоков в мозгу у лиц, потерявших зрение. Эти данные, полученные посредством ФМРТ, убедительно показывают, что у слепых сенсорные потоки другой модальности, тактильные и слуховые, могут переориентироваться в зрительные (!) поля коры [9]. Данное направление исследований открывает многообещающие перспективы в плане разработке новых средств и методов протезирования сенсорных функций, для которых роль биотехнических систем может оказаться решающей.
Если попытаться проанализировать современные нейрофизиологические данные об организации системной деятельности мозга у детей, подростков и взрослых и сопоставить их с результатами пока сравнительно немногочисленных, но выполненных на высоком методическом уровне наблюдений, которые посвящены особенностям функционирования коры больших полушарий у незрячих, то выявляется не только феномен стереотипного перераспределения афферентных потоков у лиц, давно утративших зрение, но и сведения, позволяющие серьезно обсуждать наличие у слепых некоторых дополнительных резервов для анализа речевой информации и высших форм вербальной памяти. Может быть, это обстоятельство таит в себе ответ на вопрос: почему же при столь драматическом снижении афферентного сенсорного потока развивающиеся в мозгу компенсаторные процессы настолько эффективны, что среди незрячих лиц так много выдающихся людей, писателей, профессоров и даже членов академий?
Феноменальная способность мозга перестраивать свои функциональные способности, используя пластичность, была показана в недавно опубликованной работе, где использовалась зрительная деприва-ция [10]. В исследовании с применением ФМРТ приняли участие 47 испытуемых. Наблюдения продол-
жались в течение 6 дней. На 5 дней испытуемым надежно завязывали глаза, эта оптическая деприва-ция поддерживалась постоянно и под строгим контролем. Ежедневно, в течение 6 ч каждого участника эксперимента интенсивно обучали чтению по Брай-лю. В остальное время испытуемые имели возможность тренировать свои тактильные навыки на других объектах. Несмотря на сравнительно небольшую продолжительность зрительной депривации и ограниченность периода тренировок, эти люди добились заметных успехов в освоении навыков чтения руками по Брайлю уже в первые дни наблюдений, а главное, уже к концу недели в первичных зрительных полях коры стали постепенно нарастать признаки усиления локальной активации.
Контрольные измерения, проведенные на пятые сутки исследования, показали четко выраженное повышение уровня активации непосредственно при проведении теста (чтения пальцами незнакомого текста по Брайлю) в районе шпорной борозды в левом и правом полушариях. Таким образом, при интенсивном использовании тактильного анализатора на фоне тотальной, но непродолжительной зрительной депривации (и с учетом интенсивных тренировок!) удалось выявить атипичное перераспределение сенсорного потока за счет пластичности мозга и поступление тактильных сигналов не только в заднюю центральную извилину (где, как известно, локализуются соматосенсорные корковые поля), но и в первичные зрительные поля коры. Примечательно, что в районе островка с двух сторон и в области левой среднетеменной борозды одновременно с усилением активности в затылочных областях было зарегистрировано не увеличение, а уменьшение активности.
Та же группа авторов обнаружила интересный феномен. Если в процессе тестирования (чтения руками по Брайлю) испытуемого облучали направленным электромагнитным полем, активность затылочных областей уменьшалась, а задание выполнялось хуже. Очевидно, этот факт может указывать на высокую чувствительность и способности мозга к перераспределению сенсорных потоков к экстерорецеп-торному воздействию. Выявленные закономерности в эволюции функциональных возможностей мозга по мере его возрастного развития позволяют предполагать, что для полноценной реализации любых достаточно сложных нервно-психических процессов, в частности для обеспечения вербально-мнестиче-ской деятельности, необходима не только достаточная сформированность корковых и подкорковых структур, непосредственно связанных с центральной регуляцией той или иной функции, но и соответствующая возрасту зрелость нервных центров, нервных путей и интегративных механизмов мозга, ответственных за пространственно-временную организацию его системной деятельности. Особое место принадлежит филогенетически самым молодым нижнетеменным и лобным отделам мозга.
биотехносфера
| № 5-Б (11-123/2010
О стволовых акустических вызванных потенциалах ствола мозга
В последние годы исследования функционального состояния глубоких структур мозга находят все более широкое применение при научных исследованиях и в клинике. Еще одним эффективным неинва-зивным методом является метод стволовых акустических вызванных потенциалов ствола (САВП). Они представляют собой электрические потенциалы, которые генерируются в нервных путях и центрах головного мозга при прохождении по ним волны возбуждения, вызванной очень короткими звуковыми сигналами различной силы (обычно порядка 60 дБ). Эти потенциалы состоят из 5-7 последовательных волн с определенной латентностью и амплитудой. Латентность и амплитуда зависят от количества и состояния нервных клеток, вовлеченных в реакцию. Каждый из семи компонентов САВП отражает мор-фофункциональный статус конкретного участка нервного пути от кортиевого органа до первичной слуховой коры (поле 41 по Бродману). Так, амплитуда и латентность 1-й волны содержат информацию о состоянии волокон слухового нерва, 2-я волна отражает способность к возбуждению нейронов кохле-арного ядра. О структурах нижнего отдела варолиева моста и верхних олив позволяет получить представление 3-я волна, следующая, 4-я волна показывает функциональное состояние структур среднего и верхнего отделов моста, а также ядер латерального лем-ниска. Латентности и амплитуды 5 и 6-й волн САВП позволяют оценить степень сохранности функций ядер среднего мозга, включая первичные слуховые центры (задние бугры четверохолмия), и наконец, последняя, 7-я волна может содержать информацию о нарушениях в области специфического слухового ядра таламуса (медиального коленчатого тела) и волокон слуховой лучистости, направленных к коре верхней височной извилины [11].
В случае нарушения метаболизма нейронов подкорковых слуховых центров или областей ствола, расположенных поблизости (например, в результате гипоксии), а также при наличии каких-либо деструктивных изменений в этих областях происходит выпадение одного или нескольких компонентов САВП, соответствующих уровню поражения, либо искажение формы волны, удлинение ее латентности и уменьшение амплитуды. Таким образом, метод САВП позволяет получить непосредственную информацию о состоянии самых глубоких структур головного мозга.
О зеркальной системе мозга
К числу крупных открытий, сделанных нейрофизиологами в последние годы, можно также причислить обнаружение в префронтальной моторной коре (вначале у макак, а затем и у человека) так
называемых зеркальных нейронов [12, 13]. Позже подобные нейроны были найдены и во многих других корковых полях. Примечательно, что нейроны зеркальной системы активируются лишь в ответ на определенные действия, совершаемые другими высокоразвитыми существами, включая человека. Очевидно, активация зеркальной системы не зависит от модальности раздражителя. Это открытие позволило подтвердить важность имитации для когнитивного развития, а также существенно дополнило наши представления о нейрофизиологических механизмах сопереживания эмоций, воспоминаний о них и даже о проявлениях экстраполяции возможных действий. Весьма вероятно (и уже появились первые авторитетные публикации по этой проблеме), что зеркальная система имеет особое значение в формировании нервно-психической деятельности ребенка и особенно в становлении у него речевой функции. Можно предполагать, что зеркальная система также играет существенную роль в инициации эндогенных процессов, активирующихся в определенные периоды сна и сопровождающихся генерацией сновидений.
Об активной природе сна
Стоит отметить, что не только использование таких уникальных и дорогостоящих приборов, как ФМРТ и ПЭТ, но и регистрация биопотенциалов мозга по-прежнему позволяют содействовать прогрессу в понимании механизмов системной деятельности мозга в различных функциональных состояниях, в частности во время сна. Это обеспечивается за счет значительного увеличения числа каналов (их более 150), благодаря совершенствованию методов математической обработки данных и более эффективной методологии исследований. В частности, получено немало новых сведений, подтверждающих активную природу сна и тесное взаимодействие многих церебральных структур, обеспечивающих деятельность мозга во время бодрствования и сна. Так, удалось получить убедительные данные о важной роли сна в транслокации и фиксации памятных следов [14].
Недавно были получены первые данные, свидетельствующие о важной роли дефолтной системы в регуляторных и метаболических процессах, происходящих при переходе от бодрствования ко сну, когда деятельность мозга перестраивается особенно интенсивно [15], а также во время глубокого сна, когда наблюдается резкое ослабление связей дефолтной системы в сагиттальном направлении [16].
Применение более совершенных приемов факторного анализа пространственно-временных отношений колебаний биопотенциалов мозга [17] позволило вычленять разные кластеры на протяжении сна в периоды с весьма сходным паттерном ЭЭГ. С одной стороны, данный факт свидетельствует о нали-
№ 5-6(11-12) 2010 |
биотехносфера
а) 14
100 150 200 250 300 Число эпох анализа ЭЭГ
400
50 100 150 200 250 300 350 400 Число эпох анализа ЭЭГ
Рис. 3
Кластеры, отражающие структуру биопотенци-алъного поля мозга человека в различные периоды сна: а — резулътаты кластерного анализа ЭЭГ, зарегистрированной во время бодрствования W и последователъных стадий сна (1-1У); б—соответствующий «а» фрагмент цикла «бодрствование — сон»
вания методических приемов непосредственного либо транскутанного воздействия на мозг в лечебных, диагностических или исследовательских целях [18]. Подчас эти приемы позволяют достигнуть эффективных результатов в восстановлении нарушенных регуляторных процессов бодрствования и сна и в некоторых случаях даже стимулировать процесс нормализации задержки умственного развития у детей. Особенно важно то, что намечаются новые перспективы для объяснения принципов воздействия слабых комбинированных магнитных и электрических полей, существенно влияющих на химические процессы, которые определяют многие составляющие в деятельности мозга [19, 20].
В целом можно было бы заключить, что теоретические успехи, достигнутые в изучении функций мозга в начале нового тысячелетия, дают достаточные основания для сдержанного оптимизма и даже позволяют надеяться на скорое практическое применение достаточно универсальных биотехнических систем прямого мыслительного управления многими механическими устройствами. Однако если мы оценим уровень наших знаний о принципах церебральной организации ментальных процессов, то обнаружим, что здесь успехи пока довольно скромны. Очевидно, необходимо выйти на принципиально новый методологический уровень, когда оптимальное взаимодействие возможностей человека, ЭВМ и математического аппарата на базе более совершенного философского подхода позволит осуществить прорыв в познании нейрофизиологических механизмов обеспечения нервно-психической деятельности.
| Л и т е р а т у р а
чии устойчивых функциональных состояний, ква-зипериодически сменяющих друг друга, в пределах каждой электроэнцефалографической стадии, а с другой — дает основание предполагать, что конфигурации межрегиональных статистических связей ЭЭГ в различных стадиях сна могут быть идентичными (рис. 3). Однотипные кластеры могут наблюдаться в разных стадиях сна, а в пределах одной фазы сна могут формироваться кластеры разных уровней, их определяют по методу «объемов» [17], на основе представления корреляционной матрицы ЭЭГ в трехмерном факторном пространстве [4].
Заключение
В своем кратком обзоре наиболее впечатляющих последних достижений, которые существенно обогатили науку о закономерностях деятельности мозга, мы рассмотрели главным образом методические подходы, учитывающие успехи регистрации и анализа тех или иных функций головного мозга. Однако несомненный прогресс есть и в области совершенство-
1. Павлов И. П. Лекции о работе пищеварительных желез. Первая лекция // Полн. собр. трудов. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1946. Т. II. С. 23.
2. Медведев C. В., Скворцова Т. Ю., Красникова P. Н. ПЭТ в России. Позитронно-эмиссионная томография в клинике и в физиологии. СПб.: Астрель, 2008. 318 с.
3. Бехтерева Н. П. Магия мозга и лабиринты жизни. М.: АСТ; СПб.: Сова, 2007. 400 с.
4. Цицерошин М. Н., Шеповальников А. Н. Становление интегративной функции мозга. СПб.: Наука, 2009. 249 с.
5. Catani М., Allin М. P. G., Husain М. et al. Symmetries in human brain language pathways correlate with verbal recall // Proc Natl Acad Sci USA. 2007. Vol. 104, N 43. Р.17163-17168.
6. Панасевич E. А. Половые особенности пространственно-временной организации взаимодействия биопотенциалов мозга у взрослых и детей: Автореф. дис. ... канд. биол. наук / ИЭФБ РАН. СПб., 2009. 27 с.
7. Fox М. D., Snyder A. Z., Vincent J. L. et al. The human brain is intrinsically organized into dynamic, anticorrela-ted functional networks // Proc Natl Acad Sci USA. 2005. Vol. 102, N 27. P. 9673-9678.
8. Fair D. A., Cohen A. L., Dosenbach W. U. et al. The maturing architecture of the brains default network // Proc Natl Acad Sci USA. 2008. Vol. 105, N 10. P. 4028-4032.
9. Merabet L. В., Swisher J. D., McMains S. A. et al. Combined activation and deactivation of visual cortex during
биотехносфера
I № 5-6 (11-12)/2010
tactile sensory processing //J. Neurophysiol. 2007. Vol. 97, 16. N 2. P. 1633-1641.
10. Merabet L. В., Hamilton R., Schlaug G. et al. Rapid and Reversible Recruitment of Early Visual Cortex for Touch
// PloS ONE. 2008. Vol. 3, Iss. 8. N 3046. P. 1-12. 17.
11. Рожков В. П. Акустические вызванные потенциалы ствола мозга. Применение в детской неврологии. СПб.: Мед-центр «Прогноз», 2001. 108 с.
12. Rizzolatti G., Graighero L. The mirror-neurons system 18. // Ann. Rev. neurosci. 2004. Vol. 27. P. 169-192.
13. Черниговская Т. В. Зеркальный мозг, концепты и язык:
цена антропогенеза // Российский физиол. журн. им. 19. И. М. Сеченова. 2006. Т. 92, № 1. С. 84-99.
14. Ковальзон В. М. Обучение и сон // Природа. 2009. № 7. С. 3-11.
15. Larson-Prior L. J., Zempel J. M., Nolan T. S. et al. Cortical 20. network functional connectivity in descent to sleep // Proc
Natl Acad Sci USA. 2009. Vol. 106, N 11. P. 4489-4494.
Horovitz S. G., Braun A. R., Carr W. S. et al. Decoupling of the brain's default mode network during deep sleep // Proc Natl Acad Sci USA. 2009. Vol. 106. N 27. Р. 1137611381.
Рожков В. П., Сороко С. И., Тихонов М. И. и др. Корково-подкорковые взаимодействия и регуляция функциональных состояний мозга при острой гипоксии у человека // Российск. физиол. журнал. 2008. Т. 94, № 5. С. 481-501. Лечебная электрическая стимуляция мозга и нервов человека / Под общ. ред. Н. П. Бехтеревой. М.: АСТ; СПб.: Сова; Владимир: ВКТ, 2008. 464 с.
Дроздов А. В., Нагорская Т. П., Масюкевич С. В. и др.
Квантово-механические аспекты эффектов слабых магнитных полей на биологические объекты // Биофизика. 2010. Т. 55, вып. 4. С. 740-749.
Линг Г. Физическая теория живой клетки. Незамеченная революция. СПб.: Наука, 2008. 376 с.
