Методы психофизиологических исследований Исследования вегетативных показателей изменений функционального

Методы психофизиологических исследований Исследования вегетативных показателей изменений функционального состояния ЦНС. Полиграфия. Чаще используется в прикладных целях. Изучение нейрофизиологических основ психической деятельности и поведения Электрофизиологические -регистрация нейронной активности, -ВП и ССП, -ЭЭГ -МЭГ Нейропсихологический метод - анализ психической деятельности при поражениях мозга Нейровизуализация -ЛМКТ -ПЭТ -МРТ -ФМРТ -ДТМРТ Инвазивные методы - анализ влияния на психическую деятельность и поведение раздражения и разрушения мозговых структур

Методы. Внутриклеточная регистрация электрической активности гигантских нейронов моллюсков

Методы. Внутриклеточная регистрация электрической активности отдельного нейрона. Изучение интеграционных процессов ЦНС на уровне нейрона Фоновая спайковая активность нейрона улитки, зарегистрированная при внутриклеточном отведении Реакция на введение кальция Реакция на гиперполяризацию (аналог тормозного ПСП)

Методы. Экстраклеточная регистрация электрической активности нейронов позвоночных. Изучение нейрофизиологических механизмов переработки информации в отдельных структурах мозга

Суммарная электрическая активность мозга – электроэнцефалограмма (ЭЭГ) Richard Caton в июле 1875 года на ЭЭГ у человека впервые заседании Британской медицинской зарегистрирована немецким ассоциации сообщил о регистрации психиатром Hans Berger (1929). Он биопотенциалов от поверхности обнаружил регулярные колебания мозга у собак и обезьян с помощью суммарной электрической чуствительного гальванометра активности мозга с частотой 8 -10 Гц

Электроэнцефалограмма здорового взрослого человека Верхняя кривая - запись ЭЭГ человека, впервые опубликованная Х. Бергером

Как возникают ритмические колебания биопотенциалов в нейронных сетях мозга?

Нейронные механизмы осцилляций суммарной электрической активности мозга Ø На уровне отдельного нейрона: 1. Эндогенные ритмические изменения мембранного потенциала 2. Ритмические изменения проницаемости мембраны дендритов нейронов Ø На уровне локальных нейронных сетей

Ритмы отдельного нейрона. Эндогенные пейсмекеры Спонтанные ритмические изменения мембранного потенциала таламокортикального нейрона – пейсмекера, регистрируемые при внутриклеточном отведении. На вершине каждой волны деполяризации возникают пачки потенциалов действия. Этот механизм функционирует в основном в глубинных структурах: в ядрах таламуса – 6 и 10 Гц (Jahnsen&Llinas, 1984), лимбической системы – 4 -6 Гц, (Alonso, Llinas, 1989), обнаружен и в коре – 8 -12 Гц и 3060 Гц (Ritz et al, 1997)

Ритмы отдельного нейрона. Отдельные нейроны могут генерировать ритмические вспышки потенциалов действия, если они постоянно подвергаются возбуждающему влиянию со стороны. Этот механизм основан на одновременном функционировании потенциал-зависимых кальциевых и кальциево-зависимых калиевых каналов, которые были обнаружены на дендритах пирамидных нейронов: Ø В ответ на деполяризующий вход медленно активирующиеся кальциевые (Ca) каналы создают длительно развивающуюся деполяризацию МП, на фоне которой возникает серия потенциалов действия; Ø В то же время вход Ca вызывает открытие Са-зависимых калиевых (К) каналов, выход ионов К реполяризует мембрану, прерывает деполяризацию, что приводит к подавлению ПД ; Ø По мере снижения концентрации ионов Са калиевые каналы закрываются, что позволяет входному возбуждению вновь активировать Са каналы и цикл повторяется Na+ Таким образом клетка может Ca+ разряжаться с периодами от 10 до 100 мс K+ Постоянный деполяризующий вход

Ритмической чередование возбудительных и тормозных постсинаптических потенциалов под влиянием возвратного торможения в локальной цепи нейронов при постоянном возбудительном притоке в пирамидный нейрон. Такой механизм обнаружен в таламусе (Andersen et al, 1967; Steriade&Llinas, 1988), обонятельной луковице (Freaman, 1975), мамилярных телах (Llinas&Alonso, 1992), корково-подкорковых сетях (Steriade, 1993) и коре (Whittinton et al. , 1995)

Таламо-кортикальная петля Нейроны, по аксонам которых идет сенсорный сигнал образуют возбуждающие синапсы на нейронах релейных ядер таламуса. Аксоны релейных таламических нейронов проходят через ретикулярное ядро (TRN) до 4 -го слоя коры. Нейроны коры посылают свои аксоны обратно в таламус и также проходят через ретикулярное ядро Клетки ретикулярного ядра имеют как прямы, так и обратные возбуждающие входы, а S. M. Sherman and R. W. Guillery. (1996). сами образуют тормозные Functional organization of thalamocortical синапсы на нейронах relays. J Neurophysiol, 76(3): 1367– 95. релейных ядер таламуса

ЧТО РЕГИСТРИРУЕТ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФ?

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЭЭГ Будем выяснять, двигаясь от отдельного нейрона к электрическому сигналу регистрируемому электроэнцефалографом:

РАЗНООБРАЗИЕ НЕЙРОНОВ звездчатые и корзинчатые нейроны обладают приблизительной сферической симметрией пирамидные нейроны вытянуты перпендикулярно поверхности коры

ПИРАМИДНЫЙ НЕЙРОН КАК ИСТОЧНИК ТОКА избыток положительного заряда покидает клетку апикальные дендриты базальные дендриты положительно зараженные ионы устремляются внутрь клетки

ПИРАМИДНЫЙ НЕЙРОН КАК ИСТОЧНИК ТОКА избыток положительного заряда покидает клетку апикальные дендриты базальные дендриты положительно зараженные ионы устремляются внутрь клетки

ВНЕКЛЕТОЧНЫЙ ТОК ОДНОГО НЕЙРОНА кости черепа и скальп цереброспинальная жидкость кора электрический ток, порожденный нейроном, распространяется во всей проводящей среде головы

ПОЧЕМУ МЫ ОБСУЖДАЕМ ПИРАМИДНЫЕ НЕЙРОНЫ И МОЛЧИМ ПРО ДРУГИЕ суммарный электрический ток за пределами такой клетки будет очень мал, так как токи взаимно уничтожатся. пирамидные нейроны вносят наибольший вклад во внеклеточный электрический ток

окрашены только пирамидные нейроны АПИКАЛЬНЫЕ ДЕНДРИТЫ ПИРАМИДНЫХ НЕЙРОНОВ ПАРАЛЛЕЛЬНЫ электрические токи пирамидных нейронов суммируются

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНОГО ПОТЕНЦИАЛА МНОГИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА Хотя потенциал в каждой точке скальпа есть сумма вкладов источников электрического тока, распределенных по всему мозгу, наибольший вклад вносят радиально ориентированные источники, расположенные в коре непосредственно под этой точкой.

РЕГИСТРАЦИЯ ЭЭГ референтный электрод активный электрод распределение потенциала по скальпу в момент времени t 0 t 0 t 0 регистрируемый сигнал есть разность потенциалов активного и референтного электродов

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЭЭГ нейрон является источником электрического тока электрический ток, порожденный каждым нейроном, распространяется во всем объеме головы электрические токи разных нейронов суммируются наибольший вклад в суммарный ток вносят параллельно ориентированные и синхронно работающие пирамидные нейроны суммарный электрический ток, протекая по поверхности головы, создает неодинаковый электрический потенциал (напряжение) на разных участках скальпа если к разным участкам скальпа присоединить два электрода – активный и референтный – то через входную цепь биоусилителя потечет электрический ток, пропорциональный разности потенциалов этих двух участков; этот ток и есть ЭЭГ , регистрируемая активным электродом ЭЭГ отражает суммарную синхронную активность нейронов

Методы. Регистрация суммарной электрической активности отдельных областей коры головного мозга Монополярное отведение – один из датчиков расположен над поверхностью полушарий (активный электрод), другой – в электрически нейтральной точке, удаленной от поверхности полушарий (индифферентный электрод) Биполярное отведение – оба датчика (активные электроды) расположены над поверхностью полушарий

ЭЭГ, записанная монополярно с большим межэлектродным расстоянием в большей степени отражает изменения ЭА глубинного происхождения В диагностических целях чаще используют монополярное отведение с отдельными ипсилатеральными ушными электродами ЭЭГ, записанная биполярно с малым межэлектродным расстоянием , может уловить изменения ЭА, возникающие от более поверхностных локальных источников в коре Для локализации корковых источников изменений ЭА используется метод «обратных фаз» . Отклонение потенциала, которое вызывает негативацию электрода В по отношению к электродам А или С будет вызывать отклонение вниз в канале А-B и одновременно вверх в канале B-C

Registration of total background electrical activity of brain from separate locations of head surface. Electroencephalogram (EEG). Scheme of standard electrode position – 10 -20% system. Location of electrode is designated by latin letters according to the name of the cortical area: O –occipital , P -parietal, C -central, F -frontal, T -temporal. Even indexes are used for the right hemisphere leads, odd indexes – for the left hemisphere ones. Index “Z” is used for sagittal leads.

Почему ритмическая ЭА мозга отражает морфофункциональное состояние нейронных сетей? Модель нейронной сети генерирующей ритмическую электрическую активность: Freeman W. J. (1975). Необходимое условие возникновения осцилляций – наличие возвратных связей. Динамические параметры осцилляций определяются тремя факторами: Ø временными параметрами синаптической передачи, что в свою очередь зависит от биохимических свойств нейромедиаторов (экспериментально подтверждено Flint, Connors, 1996 на нейронах коры при активации двух типов рецепторов глютамата) и скорости проведения в нейронных коллатералях в зависимости от степени их миэлинизации. Ø длиной связи между элементами. Частота осциляций находится в обратной зависимости от расстояния (экспериментально подтверждено Rotterdam, 1982) Ø интенсивностью синаптических возбуждающих и тормозных входов и пороговыми характеристиками. Увеличение порога при снижении возбудимости (или тормозном влиянии) ведет к снижению частоты осцилляций, снижение порога (или усиление возбуждающих входов) – к увеличению частоты осцилляций (экспериментально подтверждено Steriade&Llinas на нейронах таламуса и коры)

Увеличение скорости и интенсивности афферентного притока (миелинезация проводящих путей, сенсорная стимуляция) Усиление кровообращения и интенсивности обменных процессов Деполяризация МП нейронов – снижение порога возникновения ПД Усиление влияния возбуждающих синапсов (усиление выделения норадреналина в РФ) Увеличение частоты и снижение амплитуды ритмической электрической активности мозга Укорочение возвратных тормозных связей

Снижение скорости и интенсивности афферентного притока (патология проводящих путей, сенсорная депривация) Снижение интенсивности кровообращения и обменных процессов Гиперполяризация МП нейронов – снижение порога возникновения ПД Усиление влияния тормозных синапсов Снижение частоты и увеличение амплитуды ритмической электрической активности мозга Удлинение возвратных тормозных связей (дегенеративные процессы при патологии и старении)

Феноменология ЭЭГ

Что такое ритм ЭЭГ? Поверхностная ЭЭГ – это кривая, отражающая периодические изменения суммарной электрической активности , регистрируемой от скальпа. Формально все колебания ЭЭГ можно разделить на несколько частотных диапазонов. При описании ЭЭГ часто возникает смешивание двух понятий Ритм ЭЭГ – в это понятие в электрофизиологии обычно вкладывается функциональный смысл - ритмическая электрическая активность определенной частоты возникающая в нейронных сетях определенной структурно-функциональной системы мозга. Возникновение ритма или исчезновение ритма на ЭЭГ связывается с функционированием данной системы или изменением ее функционального состояния. Альфа-ритм, генерируется в таламокортикальных сетях, связанных с обработкой зрительной информации и регистрируется в каудальных областях коры. Есть аналогичные по частоте соматосенсорный ритм, который преобладает в соматосенсорной и моторной коре и слуховой ритм в слуховой коре. Тета-ритм – ритм лимбической системы , возникающий в нейронных сетях, связанных с обеспечением процессов эмоциональной регуляции и памяти Колебания определенной частоты – это просто указание на частоту колебаний Вместе с тем, колебания одной частоты могут иметь разное происхождение и это важно учитывать при анализе ЭЭГ

. Дельта колебания Δ - Дельта –осцилляции генерируются в большинстве дельта ядер таламуса при снижении уровня мембранного потенциала (гиперполяризации), а также при снижении интенсивности входящей импульсации, что Колебания с частотой от 0, 5 до 3, 5 кол/сек, амплитуда и локализация в значительной степени определяются уровнем бодрствования (в норме при глубоком сне максимальная амплитуда дельта-активности может достигать более 300 мк. В), функциональным состоянием мозга и возрастом. На ЭЭГ здорового взрослого человека регулярные колебания с частотой 0, 1 - 3, 5 Гц регистрируются только в состоянии глубокого сна. При этом они отмечаются во всех отведениях. Дельтаколебания генерируются в коре головного мозга при отсутствии афферентного притока, что может быть связано с незрелостью проводящих путей или их разрушением при различных формах патологии мозга.

Группы генерализованных билатеральносинхронных дельта – колебаний при гипервентиляции у ребенка 6 лет

ЭЭГ картина стадий сна. Стадия 3. Генерализованные диффузные дельта колебания

Тета колебания θ - тета Имеют частоту 4— 7, 5 кол/сек, их амплитуда варьирует от 30 до 300 мк. В. Появление регулярных тета-колебаний на ЭЭГ взрослого человека может быть связано с активностью глубинных структур среднего и промежуточного мозга при дреме и засыпании, а также при повышении внутричерепного давления. В этом случае регулярные тета-колебания преобладают в теменных и/или в центральных отделах мозга или регистрируются генерализованно по всем отведениям. Регулярные тета-колебания в передних отделах мозга могут наблюдаться при сильном волнении и стрессе. При этом их источником являются влияния со стороны струткур, входящих в лимбическую систему. У младенцев тета-колебания являются доминирующей формой ЭЭГ, они также значительно представлены у детей до 3— 4 лет. Наиболее изучен, так называемый, гиппокампальный тета -ритм, который связан с мотивационными процессами и генерируется в септуме. Вместе с тем, колебания с частотой этого диапазона при определенных условиях могут генерироваться и таламическими структурами.

Группы билатеральносинхронных тетаколебаний в теменных и центральных отделах – признак повышенной синхронизации активности неспецифических ядер таламуса

Стадии сна. Стадия 1. Засыпание. Генерализованные диффузные тета-колебания Stage I. Появление острых волн в центральном отведении

Регулярные колебания тетадиапазона в каудальных отделах у ребенка 5 лет, но это не тета- а альфа-ритм сниженной частоты

Альфа колебания α – альфа Затылочный альфа-ритм является основным ритмом ЭЭГ здорового взрослого человека. Он имеет частоту от 8 до 13 кол/сек, амплитуду 50— 100 мк. В; по направлению к лобным отделам его амплитуда постепенно снижается. Наибольшая амплитуда наблюдается в состоянии спокойного бодрствования при закрытых глазах. При повышении функциональной активности мозга (открывании глаз, раздражении светом, внезапном звуковом раздражении, при общем беспокойстве) амплитуда альфаритма снижается, часто до полного его исчезновения. Характеристики альфа-ритма (частота, амплитуда и форма) и его реактивность меняются с возрастом

Колебания альфа-диапазона могут генерироваться в корковых, таламокорковых и таламических нейронных сетях. Существует несколько функционально разнородных ритмов на этой частоте. Существуют компонты альфаритма, связанные с определенными сенсорными модальностями. Тот альфаритм, который регистрируется на ЭЭГ в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами и обнаруживается при визуальном анализе, связан со зрительной функцией. Другой сенсорный ритм в альфадиапазоне, который также может быть выделен при визуальном анализе, - мю-ритм. Этот ритм регистрируется в центральных отведениях, он связан с соматосенсорным анализом. Слуховой альфа-ритм также существует, но его обнаружение на ЭЭГ затруднено в связи с анатомическими особенностями слуховой коры.

Билатеральносинхронные веретенообразные генерализованные группы альфаколебаний – признак изменения функционального состояния синхронизирующих систем гипоталамуса

Альфа-веретана в передних отделах мозга связаны с изменением функционального состояния лимбических структур (миндалины)

Бета - колебания Частота свыше 13 кол/сек, амплитуда в норме не превышающей 15 мк. В. Преобладание бета-колебаний по всем отделам мозга свидетельствует об изменении функционального состояния коры, а именно увеличении уровне возбудимости. В двух случаях можно говорить о бета-ритме: -если это ритм в виде регулярных колебаний или веретен, которые регистрируются в лобных или лобно-височных отделах. Источником генерации такого бета-ритма являются базальные ганглии (15 -30 Гц) или лимбические ядра (13 -15 Гц). β - бета Синхронизированная бета активность обнаружена при дефиците дофамина в субталамическом ядре и бледном шаре, у обезьян – в стриатуме - если это высокочастотный ритм, который генерируется в коре и таламусе. Корковый бета-ритм обнаружен в зрительной и моторной областях и функционально связан с актом опознания объекта. Этот бета-ритм (его высокочастотный компонент свыше 30 кол/с называется часто гамма-ритмом) не может быть обнаружен при визуальном анализе и его выделение требует специальных условий регистрации и обработки ЭЭГ.

Отдельные отклоняющиеся паттерны ЭЭГ (Abnormal EEG pattern) Пароксизмальная или эпилептиформная активность Пик- волна, часто регистрируется на ЭЭГ у пациентов с эпилепсией или кратковременными отключениями сознания. Такие паттерны могут быть генерализованными или локальными. Они возникают при аномальном функционировании нейронных сетей в глубинных структурах или корковых зонах. Пароксизмальная активность на ЭЭГ может наблюдаться и при отсутствии клинической судорожной симптоматики. Острые пики или спайки на ЭЭГ правой теменной области

Неэпилептиформные отклоняющиеся ЭЭГ паттерны – отдельные волны, разряды или группы острых волн различной частоты

Влияния морфофункциональных изменений в мозговых структурах на параметры ЭЭГ Изменения в коре и белом веществе больших полушарий - диффузная незрелость или дегенерация кортикальных нейронных сетей приводит к снижению частоты основного ритма (альфа-ритма) или появлению диффузных медленных колебаний - локальные изменения (структурные или функциональные) в коре или белом веществе приводят к возникновению отклоняющихся ЭЭГ паттернов в отдельных корковых зонах Изменения в глубинных структурах -Дефицит активации со стороны РФ ствола приводит к снижению частоты и увеличению амплитуды альфа-ритма и/или к появлению высокоамплитудных колебаний тета- диапазона. Усиление активирующих влияний от РФ – к снижению амплитуды и увеличению частоты, появлению более быстрых колебаний (реакция десинхронизации альфа-ритма) -- Дисфункция или морфо-функциональная незрелость различных глубинных структур мозга (ствола, промежуточного мозга, базальных ганглиев, лимбических ядер) проявляется на ЭЭГ в виде билатеральносинхронных отклоняющихся паттернов разной формы и локализации

ЭЭГ представляет из себя сумму локальных потенциалов, генерируемых в нейронных сетях и зависит от морфофункциональных свойств этих сетей. Ø ЭЭГ отражает функциональное состояние мозга и может быть использована для выявления биологических причин когнитивных дефицитов у детей и взрослых Ø ЭЭГ отражает морфо-функциональное созревание структур мозга и может быть использована для оценки его индивидуальных особенностей у детей Ø Ритмические осцилляции ЭЭГ в состоянии спокойного бодрствования формируют состояние «оперативного покоя» , создавая оптимальные условия для обработки информации. Анализируя ЭЭГ покоя можно выявить параметры оптимального функционального состояния и его изменений с возрастом. Ø Ритмические осцилляции ЭЭГ создают условия для функционального объединения различных кортикальных и глубинных образований мозга в функциональные системы при реализации познавательной деятельности. Мы можем исследовать нейрофизиологические механизмы познавательных процессов, анализируя пространственно-временную организацию ритмов ЭЭГ

Фоновая ритмическая электрическая активность мозга – электроэнцефалограмма (ЭЭГ). Основные способы анализа и их задачи ЭЭГ Визуальный анализ – зрительная оценка специалистом формы и локализации волн суммарной электрической активности мозга (ЭЭГ -паттернов), регистрируемой в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами Диагностика функционального состояния мозга и его отдельных структур (глубинные стволовые и подкорковые системы и области коры) при различных заболевания ЦНС и функциональных расстройствах, исследование функциональной зрелости мозга у детей. Численные методы анализа электрической активности мозга: спектрально-корреляционный анализ, анализ ВП, ССП, метод локализации дипольных источников ЭА - при различных формах познавательной деятельности в экспериментальных условиях Изучение функциональных систем мозга, обеспечивающих реализацию различных сложных форм поведения и психических процессов

Почему большинство врачей, психологов и специалистов в области обучения проблемных детей не заинтересованы в проведении ЭЭГ обследований? Обычно ЭЭГ феномены описываются в терминах амплитудных и частотных характеристиках осцилляций без их соотнесения с функциональным состоянием структур мозга. Описания такого типа просто непонятны Не существует определенной однозначной связи между паттернами ЭЭГ и определенными формами отклонений развития у детей или клиническими синдромами, т. е. ЭЭГ паттерны не являются нозологически специфичными НО Существуют вполне определенные связи между ЭЭГ паттернами и активностью (функциональным состоянием) различных структур, как корковых, так и подкорковых. И такая информация может быть важной для выявления «слабых» звеньев в функциональной организации мозга конкретного ребенка и выборе оптимальной стратегии коррекции или лечения.

Как извлечь полезную информацию из ЭЭГ? Схема структурирования ЭЭГ информации Ключевые вопросы ЭЭГ диагностики Функциональное Общемозговые состояние коры изменения Локальные Функциональное изменения состояние глубинных функционального регуляторных состояния коры структур ЭЭГ феномены, соответствующие ключевым вопросам Блок 1 Блок 2 Блок 3 характеристики Диффузная Локальная альфа-ритма отклоняющаяся электрическая активность мозга Блок 4 Биллатеральносинхронная отклоняющаяся электрическая активность мозга

Методы. Фоновая ритмическая электрическая активность мозга – электроэнцефалограмма (ЭЭГ). Спектрально-корреляционный анализ. График оценки спектральной плотности ритмических составляющих ЭЭГ. Отражает выраженность различных ритмов в данной области коры головного мозга График оценки функции когерентности– меры степени синхронизации ЭА в двух областях мозга. Рост когерентности свидетельствует о возрастании степени функционального взаимодействия между областями Карта (топоргамма) распределения ритмов ЭЭГ Зрительновербальная задача пространственная задача Схематическое изображение функциональной организации мозга при различных видах познавательной деятельности. Линиями соединены пары отведений, где был выявлен рост КОГЕРЕНТНОСТИ

Вызванные потенциалы. Изучение процессов обработки информации на разных уровнях ЦНС. Компоненты ВП Вызванные потенциалы – суммарная электрическая активность мозга, возникающая в ответ на внешний стимул. Этот метод используется для объективной диагностики сенсорных функций Компоненты слухового ВП, зарегистрированного в области вертекс на щелчок (60 Дб)

Связанные с событиями потенциалы (ССП). Исследование мозговых механизмов, обеспечивающих различные когнитивные операции.

Event related potentials Станд Неожид. ССП – суммарная электрическая активность мозга, отражающая определенные операции когнитивной деятельности

Cвязанные с событием потенциалы (ССП). Исследование системной мозговой организации восприятия ССП разных областей коры при предъявлении предметных изображений. Пунктирная линия -ответ на засвет экрана, сплошная - на предметное изображение. Начало ответа совпадает с моментом предъявления стимула.

Методы. Регистрация магнитоэнцефалограммы (МЭГ) Основные отличия МЭГ от ЭЭГ: 1. Магнитные поля не испытывают искажений от окружающих мозг тканей; 2. МЭГ обладает более высокой пространственной (до 1 мм) и временной (до 1 мс) разрешающей способностью. Источники электрических полей в мозге – диполи образуют также магнитные поля, направление которых перпендикулярно направлению диполей. Эти поля могут быть зарегистрированы с помощью специальных датчиков на расстоянии от поверхности головы. 3. Регистрация магнитных полей не требует индифферентного электрода, от положения которого зависит характер ЭЭГ; 4. На МЭГ регистрируются только источники, расположенные параллельно черепу (тангециально) в коре головного мозга. На характер ЭЭГ большое влияние оказывает электрическая активность подкорковых структур

Методы. Регистрация магнитоэнцефалограммы (МЭГ) Первые измерения электромагнитных полей мозга человека были сделаны Д. Коэном из Массачусетского технологического института в 1968 г. Для их регистрации он использовал индукционные катушки. Современные магнитометры основаны на свойствах сверхпроводников, открытых Б. Джеферсоном: если сверхпроводники разделены диэлектриком (жидким гелием), то в магнитном поле между ними возникает ток. На основе открытия Б. Джозефсона были созданы СКВИДы — сверхпроводниковые квантомеханические интерференционные датчики.

Magnetoencephalography (MEG) MEG is the measurement of tiny magnetic fields outside the head produced by electrical activity in the brain. There is no contact with the subject or patient making it an ideal non-invasive method to monitor brain activity for research and clinical purposes MEG measurements with superconducting sensors were started in 1968 , but investigations of spontaneous brain activity and cognitive functions, as well as efficient clinical studies have become feasible only during the last 10 -15 with the advent of multichannel sensor arrays, the most extended of which use over 100 SQUIDs (superconducting quantum interference devices), covering the whole scalp. Modern registration of magnetic field by SQUIDs is based on properties of the superconductors discovered by B. Jefferson : if superconductors are divided by dielectric (liquid helium) there is a current between them in a magnetic field.

Reactivity of spontaneous rhythmic activity over the left somatomotor hand region in association with voluntary right index finger movements. The time dependencies of the 10 -Hz and 20 -Hz activities are indicated by the two traces MEG registration is used for: Somatosensory magnetic signals evoked by electric stimuli to the subject’s left thumb Østudy of evoked brain activity source for investigation of sensory and cognitive information processing. ØCharacterization of cortical rhythms and their reactivity during complex form of cognitive activity ØIdentification of epileptic foci and other forms of brain activity anomaly

Методы нейровизуализации (neuroimaging) Структурные: Компьютерная томография (КТ, CT scan) – рентгенологическая диагностика различных поражений мозга. Локализация поражения с помощью специальных компьютерных программ на последовательных «срезах» , Магнитно-резонансная томография (МРТ, MRI) – локализация опухолей, индивидуальная объемная анатомия мозга, используется для сопоставления с электрофизиологическими методами Функциональные: Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ, PET) – изображение на срезах структур мозга, которые активируются при различных видах деятельности, Функциональная магнитно-резонансная томография (ф. МРТ, f. MRI) - изображение в объеме мозга областей, которые активируются при сенсорных процессах и различных видах деятельности

CT - roentgen-ray computed tomography ØКомпьютерная томография (КТ) основана на том же принципе, что рентгенография. Рентгеновское излучение проецируется от нескольких датчиков, расположенных под разными углами по отношению к голове и улавливается датчиками, расположенными на сферической поверхности вокруг головы. Интенсивность излучения, которое улавливается датчиками зависит от плотности ткани мозга, через которую оно проходит. С помощью специальных программ на основе показателей датчиков строится 3 -х мерное изображение мозга, где оттенками черного и серого кодируется плотность тканей, затем строятся виртуальные «срезы» с разными пространственными. Более темные участки соответствуют тканям с низкой плотностью

Structural MRI. Main concepts Спин – движение заряженной частицы (протона в ядре атома водорода) вокруг своей оси Магнитный диполь – при вращении заряженной частицы возникает магнитное поле (миниатюрный магнит) с северным и южным полюсом. Обычно такие магнитные диполи ориентированы случайным образом.

Когда вращающаяся частица попадает в сильное магнитное поле направление ее магнитного диполя изменяется, оно стремится стать параллельным направлению внешнего магнитного поля. При этом возможны 2 стабильных энергетических состояния диполя: совпадение с внешним (параллельно) и противоположно внешнему (антипараллельно). Параллельное положение требует меньших затрат энергии. Большинство частиц выстраивается параллельно внешнему магнитному полю, происходит магнетизация вещества. Энергетическая разница между двумя направлениями спинов тем больше, чем больше напряжение внешнего магнитного поля. Прецессия При помещении в магнитное поле вращающиеся частицы не могут полностью изменить свое направление в соответствии ним, они начинают качаться (как юла) с определенной частотой (Larmor frequency), которая зависит от мощности внешнего http: //www. cardiff. ac. uk/biosi/researchsites/emric/basics. htm магнитного поля

Если в дополнении к постоянному магнитному полю на вращающиеся частицы действует дополнительное слабое магнитное поле (радио волны, RF), направленное перпендикулярно и его частота соответствует частоте прецессии, наблюдается явление резонанса. Этот ядерномагнитный резонанс вызывает изменение направления магнитного диполя (flip) в плоскости XY Этот процесс сопровождается поглощением энергии, а прекращение действия дополнительного поля (RF) выделением энергии (фаза релаксации). Это и есть This process accompanies of absorption (during excitation ЯМР сигнал, который регистрируется при МРТ. Длительность дополнительного радио импульса, необходимого для регистрации ЯМР сигнала – несколько мс

Разные участки мозга обладают своей уникальной резонансной частотой и соответственно частотой ЯМР сигнала. Для того, чтобы ее поймать используют дополнительные радиоволны градуально нарастающей частоты. На основе регистрируемого радиоизлучения строят изображения разных участков Мощность выделяемой энергии зависит от количества протонов в ткани, что зависит от ее плотности

Два типа релаксации (возвращения к исходному состоянию) после действия радио-импульса: более быстрая -возвращение спина с исходному направлению магнитного поля (транверсивная релаксация – T 2; более медленная – возвращение к устойчивому энергетическому уровню (равновесная или лонгитюдинальная релаксация) – T 1 – время, необходимое вращающейся частице для возвращения в равновесное энергетическое состояние (from blue to red). T 2 - время возвращения в исходному направлению магнитного поля (from blue to red). http: //mrsrl. stanford. edu/~brian/bloch/

How are T 1 and T 2 used for NMR imaging? Different tissues have different T 1 and T 2 relaxation rates. By editing the pulse parameters of an MRI scanner it is possible to weight an image towards T 1 relaxation or. T 2 relaxation

T 1 -weighted Images The time interval between RF pulses is called the Repetition Time (TR) So TR directly determines how much the longitudinal magnetization can recover in between pulses. Thus TR directly determines the T 1 contrast. For a T 1 weighted image, they use a TR long enough so that some tissue (more solid) can fully recover in between pulses and show up bright but some tissue (more liquid) will not fully recover and appear darker. Fluids are very dark, water-based tissues are mid-grey and fat-based tissues are very bright. Clear boundaries between the different tissues are seen, so they are known as the ‘anatomy scans’. We can predict that pathology which has edema or a lot of capillaries will be darker than the surrounding normal tissue, while fatty lesions will have higher signal intensities.

T 2 -weighted Images TE is the echo time, that is, the time between giving the RF pulse and the peak of the echo signal. During this time interval, the transverse magnetization decays, eg, signal decays, due to the T 2 relaxation effects. So TE directly determines how much the transverse signal decays. For a T 2 weighted image, they use a TE that is longer than the T 2 of some tissues but shorter than the T 2 of other tissues. Fluids have the highest intensity, and water- and fat-based tissues are mid-grey. Abnormal collections of fluid are bright against the darker normal tissue, so they are known as ‘pathology scans’. Твердые ткани дают меньше сигнала, поскольку успевают за время T 2 отдать «все, что могут» , время T 2, длиннее для жидких тканей, и суммарный эхо-сигнал при увеличении этого интервала больше от жидких тканей

T 1, T 2 weighted images reveal multiple long-T 1, long-T 2 signals in the left cerebellar, occipital lobes, and bilateral thalamus, a, b, c: T 1 weighted images, d, e, f: T 2 -weighted images http: //www. neurologyindia. com/article. asp? issn=00283886; year=2010; volume=58; issue=6; spage=869; epage= 874; aulast=Gui

Essential components of an MR imaging system include: (1) a large magnet which generates a uniform magnetic field, (2) smaller electromagnetic coils to generate magnetic field gradients for imaging, and (3) a radio transmitter and receiver and its associated transmitting and receiving antennae or coils. (4) In addition to these fundamental components, a computer is necessary to coordinate signal generation and acquisition and image formation and display

Structural MRI (magnetic resonance imaging) Advantages: Ø No X-rays or radioactive material is used. Ø Provides detailed view of the brain in different dimensions. Ø Safe, painless, non-invasive. Ø No special preparation (except the removal of all metal objects) is required from the patient. Patients Revealing brain tumours can eat or drink anything before the procedure. Disadvantages: Ø Expensive to use. Ø Cannot be used in patients with metallic devices, like pacemakers. Ø Cannot be used with uncooperative patients because the patient must lie still. Ø Cannot be used with patients who are Projection of the electrophysiological data (dipole sources localization) on claustrophobic (afraid of small individual MRI image of a brain places).

Diffusion MRI quantitative maps of microscopic, natural displacements of water molecules that occur in brain tissues (diffusion). Water molecules are thus used as a probe that can reveal microscopic details about tissue architecture MRI signals can be made sensitive to diffusion through the use of a pair of sharp magnetic field gradient pulses, the duration and the separation of which can be adjusted The result is a signal (echo) attenuation which is precisely and quantitatively linked to the amplitude of the molecular displacement distribution: fast (slow) diffusion results in a large (small) distribution and a large (small) signal attenuation The resulting images are maps of the diffusion process and can be visualized using a quantitative scale Denis Le Bihan "Bridging the gap between brain anatomy and function with diffusion MRI", ENSR 03, Istanbul, Turkey, September 12, 2003 (conference article)

. A major clinical application of diffusion MRI has been acute brain ischemia. Images (left: conventional T 2 w-MRI) and (right: diffusion-weighted image) were obtained a few hours after the onset of aphasia in patient. The diffusion image clearly shows the infarcted tissue with an intense signal corresponding to reduced water diffusion in the ischemic territory Denis Le Bihan "Bridging the gap between brain anatomy and function with diffusion MRI", ENSR 03, Istanbul, Turkey, September 12, 2003 (conference article)

Diffuse tensor imaging (DTI) Main concepts Water molecular mobility in tissues is not necessarily the same in all directions. . This diffusion anisotropy may result from the presence of obstacles that limit molecular movement in some directions Diffusion anisotropy in white matter originates from its specific organization in bundles of myelinated axonal fibers running in parallel: Diffusion in the direction of the fibers is about 3 -6 times faster than in the perpendicular direction With Diffusion Tensor diffusion is not described by a single diffusion coefficient, but by an array of several coefficients which fully characterize how diffusion in space varies according to direction Denis Le Bihan "Bridging the gap between brain anatomy and function with diffusion MRI", ENSR 03, Istanbul, Turkey, September 12, 2003 (conference article)

Diffuse tensor imaging (DTI) DTI data can be analyzed in three ways to provide information on tissue microstructure and architecture for each voxel: the mean diffusivity, which characterizes the overall meansquared displacement of molecules and the overall presence of obstacles to diffusion; the degree of anisotropy, which describes how much molecular displacements vary in space and is related to the presence and coherence of oriented structures; the main direction of diffusivities, which is linked to the space orientation of the structures. Denis Le Bihan "Bridging the gap between brain anatomy and function with diffusion MRI", ENSR 03, Istanbul, Turkey, September 12, 2003 (conference article)

Brain connectivity Basic DTI provides a means to determine three-dimensional vector field maps representing fiber orientation in each voxel It is used for: Computation of orthogonal directions coinciding with the main diffusion directions for each voxel “Connecting” subsequent voxels on the basis of their respective fibre orientation to infer some continuity in the fibers Line propagation algorithms reconstruct tracts from voxel to voxel from a seed point Only white matter bundles made of somewhat large number of axons are visible (and not intracortical connections) Denis Le Bihan "Bridging the gap between brain anatomy and function with diffusion MRI", ENSR 03, Istanbul, Turkey, September 12, 2003 (conference article)

The Principle of DTI and Contrast Generation Diffusion measurements along multiple axes (A), the shape and the orientation of a ‘‘diffusion ellipsoid’’ for each voxel (B). An anisotropy map (D), in which dark regions are isotropic (spherical) and bright regions are anisotropic (elongated). From the estimated ellipsoid (B), the orientation of the longest axis can be found (C), which is assumed to represent the local fiber orientation. This orientation information is converted to a color (F) at each pixel. By combining the intensity of the anisotropy map (D) and color (F), a color-coded orientation map is created (E). Mori et al. , Neuron 51, 527– 539, September 7, 2006

Application for diagnostics of traumatic brain Injury Left hemisphere connection between thalamus and Brodmann area 10 is affected by DTI. Arrows indicate regions with reduced FA (fractional anisotropy) compared to controls J. T. Duda, B. B. Avants, J. Kim, H. Zhang, S. Patel, J. Whyte, and J. C. Gee, "Multivariate Analysis of Thalamo-Cortical Connectivity Loss in TBI, " in Proc. Computer Vision and Pattern Recognition, Los Alamitos, 2008, pp. 1– 8.

Functional imaging of the brain: Positron Emission Tomography (PET) Visualization of active zone on consecutive “cuts” of a brain during various types of activity Functional magnetic resonance imaging f. MRI) is a technique to image local activity related to a specific cognitive task or sensory process in brain space

Functional Positron Emission Tomography (PET) Ø A scanner detects short-lived radioactive material that is injected or inhaled to produce an image of the brain. Ø Commonly used radioactively-labeled material includes oxygen, fluorine, carbon and nitrogen. Ø When this material gets into the bloodstream, it goes to areas of the brain that use it. So, oxygen and glucose accumulate in brain areas that are metabolically active. Ø When the radioactive material breaks down, it gives off a neutron and a positron. When a positron hits an electron, both are destroyed and two gamma rays are released. Gamma ray detectors record the brain area where the gamma rays are emitted. Advantages: Ø Ø Ø Provides an image of brain activity. Rather high spatial resolution (3 – 8 mm) Disadvantages: Expensive to use. Radioactive material is used. Low temporal resolution (40 s- 15 min)

Physiology basis of f. MRI. Hemodynamic response ØLocal neuron activation increases of membrane transport of ions that needs additional energy produced from glucose ØNeuron firing increases of glutamate release. This glutamate affects nearby cells, astrocytes, causing a change in calcium ion concentration in intracell space ØThe increase in calcium ion concentration courses the release of nitric oxide at the contact point of astrocytes and arterioles. ØThe release of nitric oxide courses expanding of arterioles and draw in more blood with glucose and more oxygen in the form of oxygenated hemoglobin molecules ØUsually the brought-in oxygen is more than the oxygen consumed in burning glucose, and relative ration Hb/d. Hb increases.

Functional magnetic resonance imaging f. MRI ØHemoglobin differs in how it responds to magnetic fields, depending on whether it has a bound oxygen molecule. ØThe d. Hb molecule is more attracted to magnetic fields. ØIt distorts the surrounding magnetic field induced by an MRI scanner (RF pulses), causing the nuclei there to return to main MF faster (less T 2) ØMR pulse sequences sensitive to T 2 show more MR signal where blood is highly oxygenated and less where it is not ØThe change in blood oxygenation gives rise to a change in MR signal, and it is this Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) effect that forms the basis of f. MRI. ØIt lags the neuronal events triggering it by 1 to 2 seconds, since it takes that long for the vascular system to respond to the brain's need for glucose. From this point it typically rises to a peak at about 5 seconds after the stimulus. If the neurons keep firing, say from a continuous stimulus, the peak spreads to a flat plateau while the neurons stay active

f. MRI advantages Øhigh spatial resolution (1– 4 mm in-plane resolution) Ømoderately high temporal resolution (0. 1– 1 s ) Ønoninvasive, easily repeatable technique with minimal preparation for the patient Øcan obtain both functional and anatomical images in the same study session

Functional neuroimaging f. MRI. Brain activation during visual stimulation f. MRI. Right hemisphere central area activation at left hand touch (horizontal plane, bottom view) PET. Brain activation during auditory (left) and visual (right) word recognition

Оптическая функциональная томография Основывается на инфракрасной спектроскопии. Всякий раз, когда тот или участок мозга активизируется, к нему поступает большее количество кислорода. Свет, излучаемый инфракрасными диодами, проникает в мозг, где он частично поглощается и рассеивается. Характер этого отражения зависит от концентрации гемоглобина и оксигемоглобина в капиллярах мозга. Аппаратура улавливает отраженные от мозга лучи, и предает данные об их интенсивности в компьютер, где происходит оценка степени их поглощения и рассеивания. Новая техника может использоваться для поиска гематом у детей или для изучения асфиксии во время сна. Техника в состоянии улавливать даже такие изменения в деятельности мозга, которые возникают, например, когда человек просто шевелит пальцем руки.

Near-infrared spectroscopy (NIRS) Ø Near-infrared spectroscopy (NIRS ) is used to measure changes in cerebral oxygenation Ø In addition to possessing unique magnetic properties, which make it traceable by MRI, hemoglobin is a chromophore with useful optical properties. Ø The absorption spectra of oxyhemoglobin (Hb. O) and deoxyhemoglobin (Hb) differ significantly for near-infrared light between 750 and 1000 nm (Villringer and Chance, 1997)

Invasive method. Electrical stimulation of different cortical areas

Spatial and temporal resolution of different psychophysiological methods

Регистрация вегетативных показателей при анализе функционального состояния в процессе деятельности и эмоциональных реакциях. Полиграфия

The Components of the Polygraph Instrument The word polygraph means many recordings. The polygraph instrument records the physiological changes that occur within the human body. The polygraph is comprised of at least three components The first component of the polygraph instrument is the cardio sphygmograph component. This section records the examinee’s pulse wave amplitude, pulse rate, relative blood pressure, and changes in each of these variables through the use of a blood pressure cuff and bladder. The examiner determines the examinee’s normal cardiovascular activity, and monitors the changes that occur in investigated situation The second section of the polygraph is the pneumograph. This component is made up of two corrugated rubber tubes that wrap around the examinee’s lower and upper chest area. This section of the instrument records respiratory movements, the examinee’s breathing rate and inhalation / exhalation pattern. The third section of the polygraph instrument is the galvanograph The body’s response to electricity was found to be an indicator of deception due to changes that occur within the body when a person is deceptive. The human body’s resistance to and conductance of electrical current fluctuates, and these fluctuations that occur during investigated event are recorded by the polygraph instrument through the use of two components that attach to the pointer and index fingers of the examinee.

Домашнее задание: таблица по методам Метод Дополнитель- Регистрируе- ное мые процессы воздействие на организм Изучаемые структуры мозга Простра нственн ое разрешение Вре менн ое разр еше ние Область применения