Функциональные состояния мозга

Вам хорошо известно, что нейроны могут находиться в нескольких состояниях: поляризованы, частично или полностью деполяризованы и гиперполяризованы. От того, каков заряд мембраны нейрона относительно мембранного потенциала покоя зависит его возбудимость. В нервных центрах нейроны организованы в группы, и состояние нервного центра – его способность к возбуждению или торможению уже зависит не только от состояния отдельных нейронов, но и от взаимодействия нейронов внутри таких групп. Нам знакомо явление иррадиации – распространение возбуждения в дивергентных нейронных сетях. Явление суммации и конвергенции возбуждения в конвергентных сетях, продолжительная реверберация импульса в локальных сетях. Возможно модулирование процесса возбуждения тормозным процессом.

Центральная нервная система, и головной мозг в частности, представляют собой сложный комплекс различных нервных центров, каждый из которых во-первых, выполняет одну или несколько определенных функций, а во-вторых, объединен сложной системой восходящих и нисходящих связей с другими центрами и корой головного мозга. Понятно, что способность головного мозга осуществлять то или иное поведение, выполнять функции запоминания и извлечения памяти, мышления, концентрировать внимание изменяется и зависит и от состояния отдельных нейронов, и от состояния и взаимного влияния нервных центров.

Наиболее часто функциональное состояние мозга определяют как фоновую активность нервных центров, при которой реализуется та или иная конкретная деятельность человека.

Очень важно понять, что функциональное состояние не формируется просто так, а подстраивается под конкретное поведение, т.е. включается в функциональную систему определенного поведенческого акта. Следовательно, функциональное состояние формируется в результате: 1) выбора центров, активность которых необходима для определенного вида деятельности, 2) повышения функциональной активности этих центров (фактически частичной деполяризации нейронов, облегчении межнейронного взаимодействия с помощью медиаторов и модуляторов синаптического проведения). Например, при внимательном рассматривании объекта в «состоянии повышенной боевой готовности» находятся нервные центры, контролирующие активность мышц шеи и головы, глазодвигательных мышц, систему аккомодации, подкорковые центры, в которых происходит переключение возбуждения от нейронов сетчатки (верхние бугры четверохолмия, латеральные коленчатые тела), первичная и вторичная зрительная кора, ассоциативные зоны коры. Понятно, что изменение поведения приведет к активации совсем других центров.

Выбор центров и включение их в функциональную систему поведения можно считать качественной стороной функционального состояния мозга. Мы немного погрешим против истины в пользу ясности изложения, если скажем, что есть и количественная сторона функционального состояния. Дело в том, что в головном мозге есть и неспецифические системы, которые могут изменить активность головного мозга в целом, и его коры вне зависимости от вида деятельности, а просто по факту наличия или отсутствия какой-либо деятельности.

К таким неспецифическим системам относятся: желатинозная субстанция спинного мозга, ретикулярная формация ствола мозга, неспецифические ядра таламуса, базальные отделы переднего мозга и новая кора. Общий принцип функционирования этих неспецифических структур заключается в том что, получив возбуждающую информацию, они активируют все вышележащие структуры мозга.

Важнейшей частью общей неспецифической регуляторной системы является ретикулярная формация продолговатого мозга, моста и среднего мозга. Активирующая роль ретикулярной формации доказана экспериментально: стимуляция электрическими импульсами приводит к генерализованной активации коры, десинхронизации биопотенциалов и поведенческому возбуждению; разрушение способствует глубокому сну и блокирует пробуждение, которое вызвано соматосенсорной стимуляцией. Активация осуществляется несколькими основными группами ядер. Серотонинергические нейроны сосредоточены в ядрах шва, которые образуют непрерывную структуру от каудального отдела продолговатого мозга к покрышке моста и среднего мозга. Гигантоклеточное ядро ретикулярной формации, которое получает информацию из спинного мозга о болевом воздействии, в этом ядре обнаружено большое количество опиатных рецепторов и эндогенных пептидов, это компоненты в антиболевой системы. Ядро одиночного пучка принимает информацию от барорецепторов сосудов, рецепторов растяжения легких, осморецептрово и передает сигналы в гипоталамус. Основной медиатор здесь – норадреналин. Наиболее крупное объединение норадренергических нейронов обнаружено в голубом пятне моста. Нейроны этой области получают информацию от многих областей мозга. Вентральное поле покрышки обеспечивает дофаминергическую иннервацию структур гипоталамуса, подкорковых ядер и новой коры. Стимуляция этой области вызывает увеличение двигательной активности.

Основные медиаторные системы ретикулярной формации

ядра шва	серотонин
голубое пятно	НА
гигантоклеточное ядро	АХ
вентральное поле покрышки	дофамин

В экспериментах установлено, что ретикулярная формация оказывает активирующее влияние практически на все области коры головного мозга. Однако, есть неспецифическая система, которая работает более тонко: активирует определенные зоны коры в соответствии с потоком сенсорной информации. Кроме того, эта система обладает не только активирующим, но и тормозным влиянием на кору. Такой системой являются неспецифические ядра таламуса. Сюда приходит информация от соматической, висцеральной, слуховой, зрительной систем, а так же от ретикулярной формации ствола мозга и гипоталамуса. Удалось экспериментально доказать, что стимуляция таламуса низкой частотой в режиме пачечной активности (группа импульсов) приводит к торможению коры, а повышение частоты стимуляции одиночными импульсами возбуждает активирующую систему таламуса и передается коре головного мозга. Свойства неспецифических ядер таламуса возбуждаться в ответ на пришедший поток афферентных импульсов и передавать это активирующее влияние коре связывают с наличием в таламических ядрах специальных нейронов, которые получили название нейронов-пейсмекеров. Эти нейроны очень легко вовлекаются в ритмическую активность, буквально одного импульса возбуждения достаточно для того, чтобы такой нейрон начал генерировать ритмичные импульсы, причем длительность такой ритмичной активности весьма велика.

В коре головного мозга тоже есть неспецифические системы, которые могут активировать или тормозить работу коры. Следует отметить, что как снижение, так и увеличение функционального состояния ухудшает аналитические возможности мозга и затрудняет принятие адекватных решений. Оказалось, что раздражение поясной извилины у обезьян вызывает такую же реакцию, как и раздражение ретикулярной формации. Однако порог активации коры примерно в два раза выше, чем ретикулярной формации. Порог реакции для структур неспецифического таламуса занимает промежуточное положение.

Таким образом, любое раздражение низкопороговых нейронов ретикулярной формации потоком афферентных импульсов повышает активность всех структур головного мозга и задает их функциональное состояние. Усиление потока импульсов и анализ информации от анализаторов приводит к возбуждению более высокопороговых нейронов таламуса. Передача эстафеты активирующих влияний с уровня ретикулярной формации на таламичекий уровень означает переход от генерализованной активации коры к локальной, в соответствии с потоком информации от анализаторов готовится к работе уже определенная область коры.

 

Рисунок2 Схема активации мозга

 

Во второй половине нашего столетия прямое изучение нейронов, вовлеченных в регуляцию сна-бодрствования, показало, что нормальная работа таламо-кортикальной системы мозга, обеспечивающая сознательную деятельность человека в бодрствовании, возможна только при участии определенных подкорковых, так называемых активирующих, структур. Благодаря их действиям в бодрствовании мембрана большинства кортикальных нейронов деполяризована на 10-15 мВ по сравнению с потенциалом покоя - (65-70) мВ. Только в состоянии этой тонической деполяризации нейроны способны обрабатывать информацию и отвечать на сигналы, приходящие к ним от других нервных клеток (рецепторных и внутримозговых). Как сейчас ясно, таких систем тонической деполяризации, или активации мозга (условно "центров бодрствования"), несколько - вероятно, пять или шесть. Располагаются они на всех уровнях мозговой оси: в ретикулярной формации ствола, в области голубого пятна и дорзальных ядер шва, в заднем гипоталамусе и базальных ядрах переднего мозга. Нейроны этих отделов выделяют медиаторы - глутаминовую и аспарагиновую кислоты, ацетилхолин, норадреналин, серотонин и гистамин, активность которых регулируют многочисленные пептиды, находящиеся с ними в одних и тех же везикулах. У человека нарушение деятельности любой из этих систем не компенсируется за счет других, несовместимо с сознанием и приводит к коме.

 

Проявление функционального состояния.

Выделяют три основные группы физиологических реакций, по которым судят об изменении функционального состояния

1. Двигательная активность: интенсивность и количество различных движений, уровень мышечного тонуса, определенная поза.

2. Вегетативные показатели: частота сердечных сокращений, частота дыхания, артериальное давление, скорость кровотока, кожно-гальваническая реакция (изменение электрического сопротивления кожи).

3. Электроэнецефалография: реакции изменения основных ритмов.

 

Каждому функциональному состоянию соответствует определенный тип инстинктивного поведения. В таблице суммированы представления о соотношении функциональных состояний, инстинктивного поведения и субъективного переживания. Становится ясно, что биологическое значение изменения функционального состояния мозга заключается в настройке его работы на определенное поведение в соответствии с удовлетворением конкретной потребности. Поведение же определяется взаимодействием врожденных (инстинкты) и приобретенных форм.

 

 

Уровень ретикулярной активации	Инстинктивное поведение	Субъективное переживание
Бодрствование	Оборонительно-агрессивное поведение	Эмоции
Сексуальное инстинктивное поведение	Настороженность
Пищевое инстинктивное поведение	Спокойное бодрствование
Критический уровень для осознанного поведения	Подготовка ко сну	Дремота
	Сон	Сновидения
Кома

 

Электроэнцефалография

Электроэнцефалография (ЭЭГ) это метод исследования функционального состояния головного мозга, основанный на графической регистрации его биопотенциалов.

По современным представлениям, ЭЭГ, регистрируемая через неповрежденные покровы головы с помощью наложенных электродов, является суммарной, усредненной биоэлектрической активностью мозга. Эта активность обусловлена синхронной активностью множества нейронов. Суммарная ЭЭГ представляет собой организованный колебательный процесс, в котором визуально, а особенно четко при машинном анализе, можно выделить регулярные частотные составляющие.

ЭЭГ характеризуется такими показателями как частота, амплитуда и фаза колебаний. В ЭЭГ выделяют следующие основные ритмы:

 

Основные ритмы ЭЭГ человека

 

Ритм	Частота (Гц)	Амплитуда (микровольт)
Дельта- ритм (d)	1 – 3	40 – 70 мкв
Тета -ритм (q)	4 - 7	40 – 70 мкв
Альфа (a)	8 – 13	40 – 70 мкв
Бета- ритм (b) низкий высокий	14 – 20 20 - 30	15 – 20 мкв
Гамма –ритм (g)	Выше 30	8 – 12 мкв

 

Наиболее характерным является альфа ритм. Наибольшую выраженность альфа-ритм имеет в затылочной, затылочно-височной и затылочно-теменной областях мозга. У 75-90% здоровых людей этот ритм является доминирующим. Альфа ритм регистрируется в состоянии покоя при закрытых глазах и расслаблении мышц.

Открывание глаз во время записи ЭЭГ, воздействие света вызывают четкую реакцию десинхронизации альфа-ритма. В настоящее время эту реакцию называют реакцией активации. Наличие или отсутствия реакции активации, ее выраженность и скорость восстановления альфа-ритма используют и в диагностических целях, и в экспертной практике как критерий реактивности ЦНС.

 

Рисунок 3 Основные ритмы электроэнцефалограммы человека.

 

Бета-ритм – частота выше, а амплитуда меньше, чем у альфа-ритма. Наиболее выражен этот ритм в центральных и лобных областях коры. Бета-ритм отражает активированное состояние подкорковых образований и коры головного мозга.

Тета-ритм равен по амплитуде альфа-ритму, но частота его ниже. Тета-ритм отражает активность срединно-стволовых образований головного мозга, этот ритм изменяется по мере созревания и окончательного формирования корково-стволовых связей. Изменения проявляются в снижении амплитуды ритма. При поражении стволовых структур мозга амплитуда ритма увеличивается до 400-500 мкв, что отражает состояние чрезмерного и стойкого повышения активности структур ствола мозга и снижения активности коры.

Дельта ритм – ритм с наименьшей частотой. Появление на ЭЭГ волн дельта-ритма указывает на снижение уровня функциональной активности коры, например, при дремоте, утомлении. В норме дельта волны регистрируются кратковременно и диффузно во всех отведениях. При появлении раздражителя любой модальности дельта-ритм исчезает и сменяется альфа-ритмом.

Гамма-ритмом называют колебания с частотой от 30 до 100 Гц и амплитудой 8 -12 мкв. Закономерные изменения гамма-ритма отмечаются при различных видах умственной деятельности. При обычной, чернильной записи ЭЭГ этот ритм выявить не удается. Для этого нужна специальная обработка ЭЭГ записи.

Итак, основным ритмом у здорового человека в состоянии бодрствования, при расслабленной мускулатуре и закрытых глазах является альфа-ритм. При переходе к более активному бодрствованию – открытые глаза, поток афферентной информации любой модальности приводят к десинхронизации ритма и переходу к бета-ритму. Синхронизация ритма – снижение частоты и повышение амплитуды характеризуют переход ко сну. Однако эти соотношения между уровнем функциональной активности и ритмом ЭЭГ не должны трактоваться упрощенно. Дело в том, что вся психическая деятельность человека прямого отражения в волнах ЭЭГ не находит. Необходимы дальнейшие комплексные электрофизиологические и психофизиологические исследования для раскрытия электрофизиологической картины активного бодрствования.