История вопроса. Многие из наших современных представлений о функциях мозга восходят к Галлю — отцу френологии

Многие из наших современных представлений о функциях мозга восходят к Галлю — отцу френологии. В начале XIX столетия Галль провозгласил, что мозг человека состоит из двадцати семи отдельных органов, каждый из которых ответ­ствен за одну из наших основных способностей. Далее он утверждал, что, исследовав распределение шишек на черепе, можно видеть, насколько хорошо развит каждый из этих орга­нов, и таким образом предсказать черты личности данного человека. Можно было, например, ожидать, что обладатель шишки на левом виске будет склонен к стяжательству. В свое время Галля осудила религия. Сегодня его теорию отвергает наука. Форма черепа не соответствует форме мозга, и вся система классификации способностей не выдерживает критики.

Однако Галль заронил зерно мысли о локализации функций в мозгу. Хотя при нашем уровне знаний уже невозмож­но представлять себе, что каждая отдельная область мозга управляет определенным типом поведения, мы, бесспорно, можем говорить по крайней мере об известной степени локали­зации мозговых функций. Например, анатомические связи, идущие от глаз, образуют четко обособленный путь от сетчатки 5*

Глава 9

Головной мозг

к области в затылочной коре. Одна из главных задач современ­ных исследований мозга — попытаться выяснить, в какой сте­пени локализованы функции различных типов.

В 1875 году английский хирург Ричард Кэйтон впервые показал, что у животного можно зарегистрировать электри­ческую активность мозга. Кэйтон, так же как и Галль, стре­мился доказать, что разные отделы мозга выполняют различные функции. При помощи аппаратуры, которая по современным стандартам была чрезвычайно малочувствительной, Кэйтону удалось показать, что на поверхности сенсорной коры кролика при воздействии света на глаза возникали характерные электрические изменения. Он отметил также, что в отсутствие света у кролика можно наблюдать регулярную фоновую электрическую активность.

Прошло более пятидесяти лет, прежде чем сходные наблю­дения были сделаны на человеке. Австрийский психиатр Ханс Бергер (Berger, 1929) обнаружил, что с поверхности черепа можно зарегистрировать «мозговые волны». В серии экспериментов, проведенных во время хирургических операций на мозге, Бергер смог показать, что некоторая часть этих электрических потенциалов действительно принадлежит мозгу, а не обусловлена просто активностью мышц головы. Кроме того, он установил, что электрические характеристики этих сигналов зависят от состояния испытуемого. Наиболее заметны­ми были синхронные волны относительно большой амплитуды (около 50 микровольт) с характерной частотой около 10 цик­лов в секунду. Бергер назвал их «альфа-волнами» и противо­поставил высокочастотным «бета-волнам», которые появляют­ся, когда человек переходит в более активное состояние.

В качестве электродов Бергер использовал довольно боль­шие подушечки, пропитанные солевым раствором, которые прикреплялись ко лбу и к затылку. Он считал, что обнаружил физиологический показатель, аналогичный электрокардиограм­ме: подобно тому как ЭКГ может быть индикатором общего состояния сердечной мышцы, электроэнцефалограмма (ЭЭГ) представляет собой индикатор общей активности мозга.

Позднейшие исследователи показали, что ЭЭГ качественно отличается от открытых ранее более простых показателей активности вегетативной нервной системы. Периодические сокращения сердца и связанные с ними сдвиги потенциала — это сама простота по сравнению с ужасающей сложностью ЭЭГ. Интуитивно мы могли предполагать, что код работы „мозга бесконечно более сложен, чем законы сокращения мышц. ЭЭГ эти ожидания оправдывает, и даже с избытком. Для. интерпретации наблюдаемых волн существенно не только место их возникновения: сложность их формы как будто бросает

вызов исследователям, пытающимся найти в них хоть какой-то смысл.

Современники Бергера отнеслись к его сообщению скепти­чески, и «мозговые волны» стали общепризнанным фактом только после того, как Эдриан и Мэттьюз осуществили наглядную демонстрацию записи ЭЭГ на заседании Английско­го физиологического общества в 1935 году. К аппарату подсоединили самого д-ра Эдриана, и он показал, как при открывании глаз подавляется высокоамплитудный альфа-ритм.

Последующие годы были волнующими для исследователей мозговых потенциалов. И хотя работы сдерживались недостат­ком средств в период экономической депрессии, ученые с энтузиазмом проникали в тайны глубин мозга, пользуясь крупными успехами электронной усилительной техники и при­меняя ее с необычайной изобретательностью. В то время в статьях по электроэнцефалографии электронные схемы встречались так же часто, как и записи ЭЭГ.

Предварительные данные Бергера о четких электроэнцефа­лографических коррелятах эпилепсии были подтверждены Гиббсом и сотр. (Gibbs et al., 1935). В том же году Корнмюллер убедительно показал, что при записи с разных участков черепа регистрируются колебания разной формы. В 1936 году Уолтер обнаружил, что при опухолях мозга в окружающей их ткани обычно появляются аномальные медленные волны и что ЭЭГ можно использовать для уточнения локализации таких опухолей.

После перерыва, связанного со второй мировой войной, исследования ЭЭГ продолжали расширяться. В 1949 году вышел первый номер Electroencephalography and Clinical Neurophysiology — международного журнала, целиком посвя­щенного изучению электрической активности мозга.

В последующий период не все шло гладко. Возможность регистрировать ЭЭГ у бодрствующих людей вселила в ученых большой оптимизм: казалось, открывается путь к пониманию взаимоотношений между «душой» и телом. Некоторые даже предвидели день, когда мы сможем «читать» то, что происходит в сознании, просто рассматривая характер мозговых волн. Было начато бесчисленное множество исследований, направлен­ных на поиски электроэнцефалографических коррелятов интеллекта, особенностей личности, поведения. Результаты в большей своей части оказались разочаровывающими.

В первом обзоре англоязычной литературы по ЭЭГ Джаспер (Jasper, 1937) предсказывал: «Попытки установить соответ­ствие между особенностями ЭЭГ и столь же туманными психо­логическими процессами, такими, как „внимание", „сознание",..мышление" и разного рода сложные атрибуты „личности"...,

Глава 9

Головной мозг

могут только усугубить путаницу, существующую сейчас в психологической терминологии». С тех пор были проведены тысячи исследований, и они во многом подтвердили это мрач­ное предсказание, хотя оно не во всем оказалось верным. В мозгу человека больше 10 миллиардов нервных клеток, сплетенных в плотную сеть взаимными связями. Даже в самых тонких записях ЭЭГ неизбежно выявляется лишь слитная трескотня сотен тысяч клеток, приглушенная и искаженная черепом. «Мы подобны слепым, пытающимся понять работу фабрики, прислушиваясь снаружи к ее шуму» (Margerison et al., 1967).

Обзор показателей ЭЭГ

Некоторые из наиболее интересных современных работ в области физиологической психологии посвящены регистрации разрядов отдельных нейронов мозга. Такая регистрация оди­ночных нейронов, как ее называют, требует введения электро­дов в ткань мозга, и поэтому ее производят обычно у животных.

Изучая функции мозга у человека, психофизиолог в боль­шинстве случаев вынужден отводить электрическую актив­ность от поверхности головы. Только такое отведение мы и будем называть электроэнцефалографией, хотя этот термин часто употребляют для обозначения прямой регистрации с поверхности коры или даже записи с помощью подкорковых вживленных электродов.

Возможно, что в будущем психофизиолог сможет отводить активность от глубоких структур мозга, не прибегая к хирургии. Все электрические токи создают магнитные поля, и токи в нервной системе не составляют исключения. Сложные электрические ритмы мозга генерируют очень слабые магнит­ные поля. Коэн (Cohen, 1972) в Масса чу сетском технологи­ческом институте исследовал возможность регистрации этих полей. Располагая детекторы примерно на расстоянии 5 см от кожи в сильно экранированной комнате, он смог записы­вать магнитную активность. Это — немалое достижение. Напряженность таких полей имеет величину порядка 10~⁹ гаусс, что составляет около 1/100 000 случайного магнитного фона в условиях города. Поэтому магнитоэнцефалография требует в настоящее время очень сложного и дорогого обору­дования. Однако благодаря упразднению электродов этот метод, возможно, будет давать такую информацию об электри­ческой активности мозга, которую нельзя получить с помощью обычных методов.

Сегодня ЭЭГ остается наиболее перспективным, но пока наименее расшифрованным источником данных для психофи­зиолога. Одна из ее самых поразительных черт — это ее

спонтанный, автономный характер. Регулярные электрические осцилляции прекращаются только с наступлением смерти: даже при глубокой коме и наркозе наблюдается особая характер­ная картина мозговых волн. Большинство исследований ЭЭГ связано с анализом этих спонтанных ритмов.

В конце главы мы рассмотрим более сложные методы та­кого анализа—усреднение вызванных потенциалов (УВП) и отрицательного отклонения медленного потенциала (ООМП). Оба показателя основаны на «усреднении» спонтанных ритмов. Главный принцип состоит в том, что при многократном повторении какого-то раздражителя низкоамплитудные кратко­временные изменения ЭЭГ в ответ на него можно выделить, устранив фоновую электрическую активность.

Но вернемся к анализу спонтанных ритмов. Простейший подход состоит в просмотре записи и в формировании «клини­ческого впечатления» (об этом будет говориться позже). Подобный метод наиболее полезен в случае резких изменений при патологических состояниях, например при эпилепсии. Изучение более тонких изменений ЭЭГ в зависимости от психологического состояния начинается с рассмотрения частот и (или) амплитуд мозговых волн.

Начнем с альфа-ритма. Как вы помните, Бергер (Berger, 1929) дал это название относительно высокоамплитудным синхронным волнам с частотой около 10 Гц, появлявшимся главным образом в затылочных отведениях, когда человек бодрствовал, но находился в расслабленном состоянии. Бергер противопоставлял этот ритм колебаниям, которые он назвал бета-волнами,— низкоамплитудным асинхронным колебаниям более высокой частоты, по-видимому сопро­вождавшим состояние активного бодрствования.

Когда все эти волны были лучше изучены, альфа-волнами стали называть всю активность с частотой в полосе 8—13 Гц, а бета-волнами — все колебания с доминирующей частотой более 13 Гц. Ранние наблюдения Бергера о связи бета-волн с состоянием относительной активности были в общем под­тверждены, по крайней мере на уровне упрощенного рассмотре­ния. Волны более высокой частоты обычно считают признаком большей активации (Lindsley, 1951).

К бергеровской дихотомической классификации были добавлены две полосы частот — тета (4—8 Гц) и дельта (менее 4 Гц). Эти четыре основные категории колебаний схематически представлены на рис. 9.1. Следует подчеркнуть, что это разбиение на группы по частоте более или менее произвольно — оно не соответствует каким-то физиологическим категориям. Их связь со степенью «психической активации» представляется довольно слабой, так как есть много исклю-

Глава 9

Головной мозг

Рис. 9.1. Классификация мозговых волн по частоте.

•Указаны приблизительные поведенческие корреляты различных частотных диапазонов, обычно рассматриваемые в теории активации.

чений. Например, у взрослых людей при эмоциональных пере­живаниях обнаруживаются колебания тета-частоты. Кроме того, эта классификация не подходит одинаково для всех возрастов. Альфа-ритм появляется лишь в раннем подростко­вом возрасте.

Тем не менее это основные традиционные категории частот мозговых колебаний. В любой данный момент у любого взрослого человека может обнаружиться картина, отличная от описанных выше типов. Для определения доминантной полосы частот нередко используют анализ Фурье, о котором мы будем говорить в этой главе позже.

Другая важная характеристика спонтанных ритмов мозга — это их амплитуда, т. е. величина электрических изменений. Амплитуда и частота колебаний связаны друг с другом. Амплитуда более высокочастотных бета-волн составляет обычно только одну десятую амплитуды более медленных альфа-волн у того же человека.

При первых попытках более систематического анализа изменений ЭЭГ обычно измеряли и частоту, и амплитуду. Одна из наиболее часто используемых зависимых переменных — это «время альфа-ритма», т. е. процент времени, занимаемый альфа-ритмом. Кажущаяся точность этого термина несколько обманчива. Как мы видели, альфа-волны — это просто колеба­ния с частотой 8—13 Гц. однако фактически любые сложные колебания включают и некоторую долю активности в этом диапазоне частот. Таким образом, критерием «наличия альфа-ритма» должна быть какая-то минимальная амплитуда, отно­сительная или абсолютная, таких волн. При «абсолютном ме*тоде» устанавливают некоторую условную границу, напри­мер любые колебания с частотой 8—13 Гц и амплитудой 30 микровольт рассматривают как альфа-ритм, тогда как при

наличии колебаний той же частоты, но с амплитудой 29,9 микро­вольта и ниже считают, что альфа-активность отсутствует. При «относительном методе» эта условная граница опреде­ляется для каждого человека отдельно. Обычно перед началом эксперимента испытуемому дают пять минут отдыха. В этот период определяют среднюю амплитуду альфа-волн. Это может быть 60 микровольт у одного испытуемого и 45 у другого. Считают, что альфа-активность имеется во всех случаях, когда активность с частотой 8—13 Гц превышает некоторую, заранее условленную долю (например, 1/3) найденной средней вели­чины. Так, в нашем примере о первом испытуемом можно было бы сказать, что у него имеется альфа-активность, когда амплитуда колебаний с частотой 8—13 Гц превышает у него 20 микровольт, тогда как для второго в том же исследовании условной границей будет амплитуда 15 микровольт. Эта ме­тодика представляет собой первый шаг в компенсации инди­видуальных различий для выделения разных реакций при решении данной задачи. Ясно, что она менее пригодна для изучения различий между испытуемыми. Сейчас исследо­ватели ЭЭГ пытаются измерять несколько частотных полос одновременно и рассматривать всю электрическую активность в целом.

Еще один традиционный показатель ЭЭГ — это «блокада альфа-ритма», т. е. внезапное очень резкое уменьшение амплитуды альфа-волн, которое обычно происходит при предъявлении раздражителей. Например, если на глаза испытуемого падает свет, в затылочных отделах мозга у него обычно происходит блокада альфа-ритма. Как и в случае «времени альфа-ритма», точный критерий блокады может быть разным у разных исследователей. Следует также отметить, что при блокаде альфа-ритма спонтанные ритмы мозга не исчезают: происходит лишь замена активности с частотой 8—13 Гц более высокими или более низкими частотами.

Таким образом, хотя частотный и амплитудный анализ ЭЭГ представляет собой шаг в направлении большей точности, он еще далеко не удовлетворяет нас в этом отношении. Прежде чем рассматривать более точные (но и более дорогостоящие) методы анализа, нам нужно будет рассмотреть физиологи­ческую основу ЭЭГ.

Физиологическая основа ЭЭГ

До сих пор в электроэнцефалографии преобладает эмпири­ческое направление — занимаются в основном сравнением ЭЭГ у разных людей и при разных психологических состояниях. Огромное большинство исследователей лишь поверхностно

Глава 9

Головной мозг

интересуется физиологическими основами ЭЭГ. Главное вни­мание уделялось в этой области причинам синхронности альфа-ритма. Поскольку обычная ЭЭГ отражает суммарную активность сотен тысяч клеток, в предлагаемых объяснениях подчеркивалась роль механизмов, обеспечивающих согласован­ную активность больших клеточных масс.

Прежде чем перейти к этим гипотезам, отметим, что некото­рые скептики утверждали, будто альфа-ритм совсем или почти не связан с истинной корковой активностью, что это просто артефакт. Кеннеди (Kennedy, 1959) полагал, что альфа-ритм обусловлен механическими пульсациями геля (в данном случае мозга), которые в свою очередь вызывают пульсации электри­ческого потенциала. Иными словами, альфа-ритм возникает из-за того, что мозг в черепе дрожит. Регистрация альфа-ритма от глубинных структур мозга (Andersen, Andersson, 1968), по-видимому, опровергает эту теорию.

К такой же категории относятся представления Липпольда и Новотны (Lippold, Novotny, 1970). Эти авторы провели серию изящных экспериментов, результаты которых говорят в пользу того, что затылочный альфа-ритм — это просто отражение колебаний роговично-сетчаточного потенциала, связанных с тремором наружных мышц глаза. В ответ на это Шоу и сотр. (Shaw et al., 1970) привели пример ЭЭГ 27-летней женщины, где был виден типичный альфа-ритм, исчезавший при решении в уме арифметических задач, хотя у нее из-за осложнений двусторонней глаукомы были удалены оба глаза. Против того, что движения глаз — единственная основа альфа-ритма, говорит тот факт, что при изучении механизмов генерации альфа-ритма обычно используют кураризированных животных, у которых наружные мышцы глаз парализованы. Выдвигался также ряд более серьезных физиологических гипотез относительно центральных механизмов, которые могли бы лежать в основе альфа-активности. Линдсли (Lindsley, 1956) утверждал, что происходит синхронизация случайных изменений возбудимости отдельных нейронов. Бард (Bard, 1961) связывал альфа-ритм с метаболическими процессами в клетках. Экклс (Eccles, 1953) предполагал, что за альфа-ритм ответственны реверберирующие цепи нейронов в коре. По-видимому, наиболее обоснованным представляется мне­ние Андерсена и Андерсона (Andersen, Andersson, 1968). В результате тщательного рассмотрения нейрофизиологической литературы они пришли к выводу:

* «Эксперименты, в которых после удаления коры сохранялась ритмическая активность таламуса, опыты с деафферентацией путем изоляции коры в острых и хронических условиях, результаты поверхностного или общего охлаждения мозга, локального воздействия фармакологическими препаратами — все ука­зывает на то, что таламическая ритмическая активность служит существенно

важным генератором ритма. Это не означает, что кора сама не способна к генер-ации ритмической активности, однако в таламусе тенденция к рит­мичности настолько сильнее, что в норме эта структура выступает как водитель ритма».

Эти исследователи предполагают, что разные участки таламуса индуцируют альфа-ритм в разных областях коры. В психофизиологии намечается сейчас больший интерес к психологической интерпретации картин ЭЭГ, получаемых при отведении от того или иного участка.

Поиск по сайту: