Тема 2. Методы психофизиологии

Современные психофизиологические данные получены при помощи трёх основных методик: разрушения, раздражения и регистрации. При исследовании экспериментальных животных удаление коры производится при непосредственном визуальном контроле. Разрушение подкорковых структур обычно проводится с помощью электролиза или коагуляции высокими частотами. Координаты изучаемого участка мозга определяются по специальным атласам, которые созданы для мозга экспериментальных животных. Электрод вводится в разрушаемый участок с помощью стереотаксического прибора, который фиксирует голову в стандартном положении и позволяет ввести электрод в любой участок мозга. В этом методе также используется электрозвук, радиоактивные изотопы, замораживание. Обратимые повреждения с помощью охлаждающих зондов можно вызывать, если не понижать температуру до точки замерзания. У человека такие данные получены при изучении больных с локальными поражениями мозга. Успехи нейрохирургии позволили найти взаимосвязи между локальными поражениями мозга и нарушениями функциональных систем.

Раздражение ткани мозга экспериментальных животных производится электрическими или химическими воздействиями. С помощью стереоскопического прибора вводится электрод и через ткань мозга пропускается небольшой ток в несколько миллиампер. Обычно используются прямоугольные электрические импульсы, у которых меняют амплитуду, длительность и частоту. Наиболее эффективные параметры прямоугольных импульсов по длительности равны 0.1 миллисекунд с частотой 50-300 в секунду. Химические вещества для стимуляции мозга вводятся через полую иглу или канюлю, которые можно вживлять в мозг.

Регистрация биоэлектрических потенциалов осуществляется с помощью электродов, которые используются для стимуляции у экспериментальных животных. У человека запись биоэлектрических потенциалов осуществляется с помощью специальной системы электродов, наложенных на поверхность головы. Для усиления слабых биоэлектрических потенциалов используются дифференциальные усилители. Они усиливают разность потенциалов между двумя электродами и не реагируют на потенциалы, которые есть между каждым из них и землёй. Усиленные сигналы подаются на записывающее или аналитическое устройство. При анализе биоэлектрических потенциалов применяют вычислительную технику.

Возможность регистрации с поверхности черепа «мозговых волн» впервые обнаружил австрийский психиатр Бергер (1929). Наиболее заметные синхронные волны с относительно большой амплитудой (50 микровольт) с частотой около 10 гц появлялись главным образом в затылочных отведениях, когда человек бодрствовал, но находился в расслабленном состоянии. Бергер выделил этот ритм относительно других низкоамплитудных асинхронных колебаний более высокой частоты, проявляющихся в состоянии активного бодрствования, и которые он назвал бета-волнами. В настоящее время альфа-волнами называют колебания с частотой 8-13 гц (расслабление), бета-волнами - колебания с частотой более 13 гц (активность). Затем к этой классификации были добавлены ещё тета-волны с частотой 4-8 гц (дремота) и дельта-волны с частотой менее 4 гц (сон). Разделение волн на группы в значительной степени произвольно и не соответствует каким-то определенным физиологическим состояниям. Связь этих ритмов с указанной в скобках степенью «психической активации» выражена не очень сильно, поскольку имеется много исключений. Например, альфа-ритм появляется лишь в подростковом возрасте, а у взрослых людей при эмоциональных переживаниях появляется тета-ритм. Другая важная характеристика спонтанных ритмов мозга - величина электрических изменений, т. е. амплитуда. Амплитуда и частота колебаний связаны между собой. Так амплитуда более высокочастотного бета-ритма составляет примерно 0.1 амплитуды более медленного альфа-ритма. Одним из традиционных показателей ЭЭГ является «блокада альфа-ритма», которая представляет собой резкое уменьшение амплитуды альфа-волн при предъявлении раздражителей. Происходит замена активности с частотой 8-13 гц на активность с другими частотами. Считается, что разные участки таламуса индуцируют альфа-ритм в разных областях коры.

В настоящее время считается, что мозг организован как система функциональных единиц, координирующих сложные психические процессы. Во внутренней организации каждой единицы может существовать значительная пластичность, однако сами единицы связаны с определенными участками коры. По-видимому, внутримозговая специализация связана не просто с каким-то анатомическим распределением нейронов, а со специфическими паттернами их разрядов. Именно в этой области уникальный вклад могут внести исследования ЭЭГ, поскольку регистрация электрической активности мозга дает информацию, которая отражает функционирование мозга человека. Кору обычно подразделяют на четыре главные отдела и разные сенсорные модальности представлены в этих долях по-разному. –Затылочная кора участвует в обработке зрительных стимулов. В этой области альфа-ритм имеет наибольшую амплитуду. Височная кора больше связана со слуховой системой. Соматосенсорная кора занимает небольшую область вокруг центральной борозды, разделяющей лобную и теменную доли. Сюда поступает осязательная информация всего тела и отсюда посылаются двигательные команды к мышцам. Изменения ЭЭГ, регистрируемые с различных участков головы, отражают активность соответствующих областей мозга. Хотя механизм генерирования ритмов ЭЭГ на клеточном уровне не установлен, ритмы, отводимые от разных участков головы, характеризуются различной реактивностью. Принципиальная схема генерации ЭЭГ представляет собой следующее. Волны ЭЭГ, особенно альфа-ритм, образуются вследствие взаимодействия нейрофизиологических процессов на нескольких уровнях. Источник ЭЭГ размещён в коре больших полушарий. Расположенные здесь группы нейронов разряжаются в определенном ритме. Их активность координируется группой связанных между собой водителей ритмов, расположенных в таламусе. Активность таламуса определяется структурами более низкого уровня. Это восходящая ретикулярная активирующая система, находящаяся в ретикулярной формации в области варолиева моста и продолговатого мозга. Эта система вовлечена в организацию сна, поддерживает определенный уровень активации, на который влияют входы от специфических афферентных путей, возбуждаемых сенсорной стимуляцией. На ЭЭГ оказывают влияние также входы от лимбической системы - функциональной единицы, включающей гиппокамп, миндалину, мамилярные тела и связанные с ними структуры. Лимбическая система вовлечена в организацию жизнедеятельности, эмоциональных реакций и мотивации.

Поскольку активность, регистрируемая одновременно из разных точек головы, может сильно различаться, то для ЭЭГ важно расположение электродов. Для образования замкнутой цепи на голове необходимо размещать два электрода. При биополярной записи оба электрода размещаются на скальпе. В этом случае каждый из них улавливает электрическую активность мозга, А ЭЭГ отражает разность потенциалов между двумя электрическими сигналами и дает информацию о локальных явлениях. При монополярной записи один электрод помещают на скальпе, а другой – на электрически нейтральной точке – мочке уха. В этом случае регистрируется активность одной точки мозга.

Существует общее соглашение относительно системы точного расположения электродов. Международная федерация обществ электроэнцефалографии и клинической нейрофизиологии приняла систему «10-20», позволяющая точно указывать расположение электродов. В соответствии с этой системой у каждого испытуемого точно измеряют назион (углубление на переносице в точке перехода лба в нос) и инионом – наиболее выступающая точка затылка, а также между углублениями перед ушами над мочками ушей. Возможные точки расположения электродов разделены интервалами, составляющими 10% или 20% этих расстояний на голове. Буква в обозначении точки размещения электрода на голове обозначает соответствующую долю мозга:F – лобная область, C – центральная, P – теменная, T – височная, O – затылочная. Буквой Z обозначается отведение от средней линии черепа. Нечетные номера точек отведения относятся к левому полушарию, четные – к правому. При записи ЭЭГ применяют стандартное расположение электродов и кроме записи фоновой ЭЭГ (спокойное, расслабленное состояние), также используют набор стимулов. В их число входят гипервентиляция и навязывание светового ритма.

Существуют достаточно точные методы, которые позволяют учитывать амплитуду активности в широком спектре частотных полос, основанные на математическом принципе рядов Фурье. С помощью рядов Фурье волна любой сложной формы математически идентична сумме синусоидальных волн разной амплитуды и величины. Анализ спектра мощности ЭЭГ дает картину относительной мощности разных частот, которая зависит от амплитуд синусоидальных составляющих. Использование современной вычислительной техники позволяет получить итоговую картину распределения активности в широком диапазоне частот. В анализе ЭЭГ также широко используется метод автокорреляции и периодический анализ.

Кроме изучения спонтанной ЭЭГ изучаются и более тонкие реакции на отдельные стимулы. Особый интерес представляют вызванные потенциалы (ВП), которые представляют собой электрические колебания, возникающие в любом отделе ЦНС под влиянием внешнего воздействия и находящиеся в определенном временном соответствии с ним. При интерпретации параметров ВП все полученные реакции рассматриваются как отражение процессов приема и переработки сенсорной информации. Компоненты ВП соотносятся с определенными этапами –обработки сигнала: сенсорным анализом, сравнением с имеющимися в памяти образцами, принятием решения и т. д. Латентный период рассматривается как показатель скорости протекания процессов переработки сенсорной информации, а изменение амплитуд – как показатель интенсивности функционирования этих процессов. Ранние компоненты ВП сопоставляются с относительно простыми перцептивными операциями, например восприятие контраста, контура. Поздние компоненты ВП сопоставляют с более сложными когнитивными операциями. Компоненты ВП разделяют на отрицательно(N) и положительно (Р) направленные волны. Как и в большинстве ЭЭГ записей, при монополярном отведении отрицательному сдвигу обычно соответствует отклонение вверх, а положительному сдвигу соответствует отклонение вниз. Число, которое стоит при компоненте ВП, указывает среднюю продолжительность в миллисекундах, проходящих от момента стимуляции до появления пика. Первый отрицательный пик (направленный вверх) волны (N100) связывают с кодированием стимула, а первый положительный пик (направленный вниз) волны (Р200) – с решением вопроса о сохранении информации о стимуле. Эти два компонента называются экзогенными. Второй отрицательный пик волны (N200) связывают с процессом сравнения с хранящимися в памяти образцами, а второй положительный пик (Р300) – сохранение информации и коррекция хранящейся модели. Эти два компонента называются эндогенными и их связывают с когнитивными операциями. В целом считается, что ВП отражают в большей степени общие информационные операции, чем специфическое содержание перерабатываемой информации.

У человека имеется 2-3 миллиона потовых желез, расположенных по всему телу. На ладонях и подошвах примерно 400 желез на квадратный сантиметр, на лбу – 200, на спине – 60, Существуют два типа потовых желез. Апокринные железы развиваются на волосяных фолликулов и находятся в обволошенных участках тела, определяя запах тела. Второй тип потовых желез называется эккринным. Такие железы распространены по всему телу и выделяют раствор NaCl. Их главная функция –0 терморегуляция для поддержания постоянной температуры тела. Они хорошо развиты только у человека и человекообразных обезьян. Среди эккринных желез имеются такие, которые преимущественно реагируют на внешние раздражители и стресс. Эти железы расположены на ладонях и подошвах. Подразделение желез имеет не абсолютный, а относительный характер. Электрическая активность кожи обычно является показателем такого «эмоционального потоотделения. Явление проводимости кожи рассматривается как работа ряда параллельно включенных проводников. Поэтому увеличение проводимости прямо пропорционально числу включающихся в работу потовых желез. Хотя для потовых желез нейромедиатором служит ацетилхолин – медиатор, характерный для парасимпатической нервной системы, они находятся под контролем симпатической нервной системы. Анатомически от мозга к потовым железам идут два пути: один от коры больших полушарий, а другой от гипоталамуса и ретикулярной формации. Одним из первых исследователей кожно-гальванической реакции был Карл Юнг, который рассматривал её как объективное физиологическое «окно» в бессознательные процессы. Им впервые было показано, что кожно-гальваническая реакция отражает степень эмоционального переживания. Разные показатели электрической активности кожи дают разные реакции в зависимости от характера раздражителя или внутреннего состояния человека, а их величина пропорциональна интенсивности внутреннего переживания.