Психогенетические исследования биоэлектрической активности мозга человека

          Основными направлениями психогенетического исследования психофизиологических функций являются: изучение отдельных параметров психофизиологических функций, изучение целостных системных реакций.

         Функционирование мозга. Помимо морфологического разнообразия наблюдается значительная вариативность и в функционировании мозга человека, что проявляется в специфике биоэлектрической активности. Методами исследования биоэлектрической активности мозга являются регистрация электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и связанных с событиями потенциалов мозга, или вызванных потенциалов (слуховых, зрительных, соматосенсорных и связанных с движениями).

          Психогенетические исследования биоэлектрической активности мозга человека. Индивидуальные паттерны ЭЭГ являются высоко наследственно обусловленными, что было показано в работах как отечественных, так и зарубежных авторов. Фенотипические различия в объеме мозга связаны с генотипической вариативностью. Об этом свидетельствует исследование, выполненное в Нидерландах (Baare W.F.C. et al., 2001). Исследовались близнецы и их сибсы - 54 пары МЗ и 58 пар ДЗ близнецов, а также их 34 сибса. Был применен метод магнитно-резонансного сканирования мозга (MRI) с высокой разрешающей способностью. Для количественной оценки вклада наследственных и средовых компонентов в вариативность таких показателей, как общий объем мозга, объем серого и белого вещества были применены методы структурного моделирования. Результаты показали, что вклад аддитивного генетического компонента в вариативность характеристик объема и размеров мозга очень высок и составляет от 82 до 90%. Остальная вариативность возникает за счет индивидуальной среды. Роль общей среды оказалась незначимой.

          Наиболее распространенными методами исследования биоэлектрической активности мозга являются регистрация электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и связанных с событиями потенциалов мозга, или вызванных потенциалов (слуховых, зрительных, соматосенсорных и связанных с движениями). Как ЭЭГ, так и вызванные потенциалы (ВП) характеризуются своеобразным рисунком, отличающимся у разных индивидов, но имеющим индивидуальную специфику, что выявляется при повторной регистрации этих видов активности у одних и тех же людей. Такие особенности биоэлектрических паттернов мозга позволили предположить, что в индивидуальных особенностях функционирования мозга проявляются наследственные черты.

          Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) - есть результат регистрации разности электрических потенциалов между различными точками кожного покрова головы. Она представляет собой сумму ритмических колебаний различной частоты. В зависимости от частоты выделяют различные ритмические составляющие ЭЭГ: дельта-волны с частотой до 4 Гц, тета-волны с частотой 4-8 Гц, альфа-волны с частотой 8-13-14 Гц, бета-волны с частотой 15-50 Гц. В состоянии покоя в темноте с закрытыми глазами в ЭЭГ человека, как правило, преобладают альфа-волны. Общий рисунок (паттерн) ЭЭГ каждого человека индивидуально специфичен. Его индивидуально-специфический характер, сложившись к 15-18 годам, сохраняется на протяжении длительного периода жизни, почти не меняясь.

          В работах Vogel F. и др. было выявлено 6 своеобразных паттернов ЭЭГ, которые встречаются в популяции с частотой до 5 %. При исследовании более 200 семей носителей этих вариантов ЭЭГ, оказалось, что почти все эти ЭЭГ-паттерны наследуются по аутосомно-доминантному типу (таблица 3).

 Проводилось и психологическое обследование пробандов, которое включало тесты на интеллект, концентрацию внимания, особенности сенсорной и моторной сферы, личностные опросники. В последующих исследованиях пробандов, обладающих выявленными вариантами ЭЭГ были получены доказательства существования и биохимических различий. Изучалась активность фермента допамин-бета-гидроксилазы (ДБГ), причастного к синтезу одного из переносчиков нервного возбуждения в нервной системе. Средняя активность ДБГ у обладателей монотонных альфа-волн была почти вдвое выше, чем у обладателей противоположного типа (низковольтной ЭЭГ). Наследственные различия в ЭЭГ оказались связанными и с психологическими различиями, и с различиями в биохимических процессах. В настоящее время уже удалось локализовать ген, ответственный за низкоамплитудный вариант ЭЭГ. Он оказался связан с маркером дистальной части длинного плеча хромосомы 20.

Таблица 3

Наследуемые ЭЭГ-варианты по Фогелю (Vogel F. и др., 1986)

Варианты ЭЭГ	Количество сибсов	Частота встречаемости в популяции (%)	Типы наследования
Низковольтная Низковольтная (пограничный вариант)	117	4,2-4,6	Аутосомно-доминантный
Затылочные медленные бета-волны	94	0,4-0,6	В основном аутосомно-доминантный
Монотонные альфа волны	87	3,8-4,3	В основном аутосомно-доминантный.
Фронто-прецентальные бета-группы	65	0,4-1,5	Аутосомно-доминантный.
Диффузные бета-волны	103	3,3-4,0	Полигенный (с пороговым эффектом); у женщин более обычен, чем у мужчин; частота встречаемости увеличивается с возрастом

              

          Согласно работам Beijsterveldt van C.E.M., Boomsma D.I. (1994) значение показателя наследуемости спектральной мощности альфа-ритма составляет 79%, наследуемость частоты альфа-ритма - 81%. Помимо данных по ЭЭГ, авторы обобщили результаты генетических исследований вызванных потенциалов. Наследуемость Р300 (по результатам пяти близнецовых исследований) оказалась равной в среднем 60% для амплитуды и 51% - для латентности.

          В исследовании ЭЭГ у близнецов, проведенном Т.А. Мешковой, были обнаружены межполушарные различия в коэффициентах наследуемости, особенно выраженные в височных зонах коры. Коэффициенты наследуемости количественных параметров ЭЭГ оказались заметно более низкими в левом височном отведении по сравнению с правым. Интерпретация полученных фактов связывается с тем, что речевые функции и моторика ведущей руки, локализация которых у большинства людей связана с левым полушарием, являются филогенетически молодыми функциями, а значит, меньше наследственно обусловлены, чем, например, зрительная функция. Средовые воздействия, испытываемые в онтогенезе, могут оказывать большее влияние на структуры левого полушария, поскольку в процессе развития ребенка происходит интенсивное становление речи и праворукости (цит. по Равич-Щербо И.В. и др., 1999).

          В современной электроэнцефалографии общепризнанным показателем функционального взаимодействия корковых областей является рост степени синхронизации ритмических составляющих ЭЭГ, оцениваемый с помощью по­казателей функции когерентности. Анализ показателей функции когерентности используется для изучения морфофункциональной организации коры, как в со­стоянии покоя, так и в процессе когнитивной деятельности. Применение анализа когерентности для изучения кортикальных связей основано на предположении, что когерентность между двумя сигналами ЭЭГ отражает функциональные отношения между лежащими в основе кортикаль­ными областями. Так как значения когерентности зависят от стабильности, мощности и фазовых связей между сигналами, любые факторы, воздействую­щие на ковариацию пространственно-распределенных сигналов ЭЭГ должны влиять и на значения когерентности (Л.Р. Зенков, 2002).

          В работе Gmehlin D. и соавторов (2011) было показано, что степень синхронизации электрической активности мозга растет на протяжении школьного возраста, достигая наибольших значений в альфа-диапазоне и в левом полушарии.

          В последние годы наблюдается рост интереса к оценке генотип-средовых влияний на степень синхронизации электрической активности мозга, оцениваемой с помощью функции когерентности, что рассматривается в качестве возможного эндофенотипа когнитивных функций (Smit D.J.A. et al. 2007).

          Проведенные исследования G.C.M.Van Baal и др. (1998) по нахожде­нию генетических и средовых влияний на кортико-кортикальные связи показа­ли, что в группе 5-летних близнецов значительная часть изменений была объяснена генетическими влияниями. Оценки наследуемости когерентности всех кортико-кортикальных связей (без выделения частотных поддиапазонов) различались от 30 до 71%, при этом среднее значение наследуемости составило 49%. В другом исследовании 5-летних и 7-летних близнецов, выполненном Van Baal G.C.M. и соавторами (2011), было обнаружено, что в возрасте пяти лет среднее значение на­следуемости ко­герентности ЭЭГ (частотный диапазон от 0,5 до 30 ГЦ) составляет в среднем 61% для левого полушария и 49% для правого; в возрасте семи лет – в среднем 59% для левого и 62% для правого полушария. Данные результаты авторы интерпретировали в связи с тем, что генетические воздействия на когерентность могут принимать различные формы. Так, генетические факторы могут влиять посредством бел­ков (например, через олигодендроцит - специфический белок, клетка глии, об­разующая миелиновые оболочки нервных волокон в ЦНС), воздействующих на диаметр аксона, плотность ионного канала и миелинизацию, или посредством белков (например, факторы роста), влияющих на различные аспекты синаптических связей, таких как синаптогенез, отросток аксона, увеличение существующих синаптических терминалов.

          В нашей работе (Е.В. Воробьева, 2012) ставилась задача выявления особенностей пространственной синхронизации электрической активности мозга в состоянии покоя, а также оценки вклада факторов генотипа и среды в их фенотипическую вариативность. Усредненные значения показателя наследуемости когерентности электрической активности для окципитальных, париетальных, центральных, темпоральных и передне-фронтальных областей для каждого из шести выделяемых частотных диапазонов представлены в таблице 4.

 

Таблица 4