Биоэлектрическая активность головного мозга

Какие бывают ритмы

Генерируемые мозгом ритмы различаются на пять видов в зависимости от амплитуды и частоты колебаний:

• Альфа-ритм регистрируется у 95% здоровых пациентов в момент расслабления, когда те закрывают глаза. Лучше всего выражены в затылочных отделах. Частота α-волн 8-12 Гц. При зрительных раздражителях отмечается дефицит этого излучения. В то же время у людей с врожденной слепотой или атрофией зрительного нерва α-ритм отсутствует.
• Бета-ритмы — наиболее быстрые колебания мозга диапазоном от 12-40 Гц. Они связаны с процессами обучения и концентрации внимания. Поэтому формируются у ребенка в период развития логического мышления. В норме этот процесс заканчивается к пяти годам. В состоянии бодрствования бета-волны генерируются естественным образом. При стрессе их уровень повышается, а вот дефицит наоборот связан с синдромом рассеянного внимания, депрессиями и эмоциональными расстройствами. Без β-активности невозможна никакая осмысленная деятельность человека.
• Гамма-ритм хорошо прослеживается в момент решения сложных задач. Это самые высокочастотные ритмы, генерируемые в момент активного мыслительного процесса. Полностью исчезает в фазе глубокого сна.
• Дельта-ритм характерен для восстановительного периода и естественного сна. Это самые медленные волны. Они формируются еще во внутриутробном периоде. Асинхронные дельта-волны появляются во время комы или наркотического опьянения.
• Тета-активность проявляется у плода уже на 2-3 месяце и преобладает у детей до трех лет. Она представляют собой паттерны электрической активности в диапазоне 4-8 Гц. В норме тета-волны взрослого человека проявляются в сумеречном состоянии, во время перехода от сна к бодрствованию. Значительное количество их может отмечаться в спутанном состоянии, при психических расстройствах. Большое количество θ-ритм может сигнализировать о состоянии хронического стресса.

Виды биоэлектрической активности

Биоэлектрическая активность в зависимости от масштаба (от одного нейрона до скоординированной деятельности крупных нейронных ансамблей) проявляется в разных формах.

➥ Основная статья: Функциональные системы, структура и организация мозга

Ритмическая активность

Регулярные подпороговые колебания мембранного потенциала
➥ Основная статья: Ритмическая активность головного мозга

Ритмическая или регулярная биоэлектрическая активность – это повторяющиеся частотные паттерны в центральной нервной системе. Иными словами, это однотипные или самоподобные колебательные события, которые повторяются с одинаковыми интервалами.

Нейронные колебания, порождаемые биоэлектрической активностью головного мозга, наблюдаются во всей центральной нервной системе на всех уровнях ее организации и включают в себя пачки спайков (spike trains/bursting), регулярный паттерн подпороговых колебаний мембранного потенциала, высокоамплитудные колебания потенциала локального поля и крупномасштабные колебания (мозговые волны).

ЭЭГ является одним из самых доступных электрофизиологических методов регистрации ритмической активности. Так как электрическое поле, создаваемое одиночным нейроном или совокупностью близкорасположенных нейронов, настолько мало, что не может быть зарегистрировано с поверхности головы, ЭЭГ – это метод, который отражает суммарную активность большого пула нейронов, величина которого достаточна для формирования разницы потенциала на поверхности скальпа. Следует подчеркнуть, что электрическая активность должна быть настолько большой мощности, насколько это потребуется для прохождения сигнала через кости черепа и кожные покровы, обладающие заметным сопротивлением электрическому току. Опять-таки, исходя из приведенных необходимых и достаточных условий: активность, регистрируемая со скальпа, обусловлена относительно мощной суммарной активностью нейронального пула, — логично вытекает положение о том, что суммарная ЭЭГ в первую очередь обусловлена активностью нейронов коры как самых близко расположенных к поверхности кожи головы — месту регистрации.

Ритмические процессы играют ключевую роль в функциональной активности головного мозга.

Неритмическая активность

К неритмической или нерегулярной активности относятся хаотические или стохастические изменения в биоэлектрической активности мозга.

На микроуровне

нерегулярную мозговую активность по механизмами можно подразделить на молекулярный, синаптический и 1/f шум,3 и спайковую активность.

Спайки

(англ. spikes) также могут быть крайне нерегулярными как во время постоянной, спонтанной активности, так и при вызванной активности при высокой частоте испускания импульсов. Существует неопределенность относительно источника этой нерегулярности, начиная от собственных источников шума в нейронах до коллективных эффектов в крупномасштабных кортикальных сетях. Корковые интернейроны показывают очень нерегулярное время спайка в ответ на введение постоянного тока in vitro. Это резко контрастирует с кортикальными пирамидными клетками, которые проявляют нерегулярную биоэлектрическую активность in vivo, но регулярную in vitro. На записях и вычислительных моделях in vitro показано, что это связано с быстрой кинетикой активации межнейрональных токов ионов К. При этом аритмичный спайк может способствовать нерегулярной активности всей кортикальной сети.45

Сверху показана нормальная ЭЭГ, снизу ЭЭГ пациента с гипсаритмией
На более высших уровнях организации неритмическая активность может проявляться в виде дезорганизации биоэлектрической активности мозга. Виды дезорганизации:

• Дезорганизация биоэлектрической активности с преобладанием альфа-активности. На ЭЭГ главной является альфа-активность, но она недостаточно регулярная или совсем нерегулярная по частоте. Такой более или менее дезорганизованный альфа-ритм имеет недостаточно высокую амплитуду и может даже доминировать во всех областях мозга. Бета-активность также нередко усилена, часто представлена колебаниями низкой частоты, увеличенной амплитуды. Наряду с этим в ЭЭГ могут присутствовать тета- и дельта-волны с достаточно высокой амплитудой.
• Дезорганизация биоэлектрической активности с преобладанием тета- и дельта-активности. Структуру данного типа характеризует слабая представленность альфа-активности. Колебания биопотенциалов альфа-, бета-, тета- и дельта-диапазонов регистрируются без какой-либо четкой последовательности. Такой бездоминантный тип кривой может иметь как средний, так и высокий амплитудный уровень.
• Гипсаритмия – проявляется как дезорганизация фоновой биоэлектрической активности мозга с нерегулярными медленными волнами высокого напряжения, во время сна могут накладываться мультифокальные пики и полиспайки.6

Пароксизмальная активность

➥ Основная статья: Пароксизмальная активность

Пароксизмы или транзиенты – это короткие интервалы (от 10 до 1000 мс),7 в течение которых сигнал резко изменяется и принимает нетипичный или относительно непредсказуемый характер.

(A) Веретенообразные подпороговые колебания мембранного потенциала; (B) Нерегулярные подпороговые колебания мембранного потенциала

Транзиентная активность отражает функциональную интеграцию структур мозга и является фундаментальным элементом нервного взаимодействия. Транзиенты, порождаемые совместно разными нейронными популяциями говорят о связи этих популяций. Эта связь может быть синхронной или асинхронной.8

Примерами такой активности могут служить спонтанные синхронные синаптические транзиенты, создаваемые токами ионов Са²+между соседними нейронами коры головного мозга.9 Спайки и острые волны, составляющие судорожную или интериктальную активность у лиц с эпилепсией или предрасположенностью к ней, либо транзиенты в виде вертексов и веретена сна, являющиеся нормой. Также с использованием внутриклеточной записи in vivo можно зарегистрировать нерегулярные подпороговые колебания мембранного потенциала и веретенообразные подпороговые колебания мембранного потенциала.

Потенциал, связанный с событием

➥ Основная статья:ERP

Потенциалы, связанные с событием

(ПСС, англ.
event-related potential
— ERP) представляют собой записанные с кожи головы колебания электрического напряжения, генерируемые в структурах мозга в ответ на определенные события или стимулы. Также относятся к транзиентной мозговой активности. Это изменения ЭЭГ, привязанные ко времени сенсорных, моторных или когнитивных событий, которые обеспечивают безопасный и неинвазивный подход к изучению психофизиологических коррелятов психических процессов. Считается, что они отражают суммарную биоэлектрическую активность постсинаптических потенциалов, возникающих, когда большое количество одинаково ориентированных кортикальных нейронов (порядка тысяч или миллионов) синхронно срабатывают при обработке информации. ERP измеряют при помощи электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (MEG) . Магнитоэнцефалографическим (MEG) эквивалентом ERP является ERF или поле, связанное с событием (
event-related field
). 10 К подтипам ERP относятся вызванные и индуцированные потенциалы.

Вызванные потенциалы

➥ Основная статья: Вызванные потенциалы

Когнитивные вызванные потенциалы (ВП, EP)

представляют собой связанную с событием активность, которая возникает в виде электрического ответа от мозга на различные типы сенсорной стимуляции нервных тканей; чаще всего используется слуховая и зрительная стимуляция. Регистрация таких электрических потенциалов представляет собой неинвазивный объективный тест, который предоставляет информацию, например, о нарушениях сенсорных путей, локализации поражений, влияющих на сенсорные пути, и расстройств, связанных с языком и речью. Вызванные потенциалы записываются с кожи головы с использованием ЭЭГ. Потенциалы, как правило, проявляют себя как переходная форма волны, морфология которой зависит от типа и силы стимула и расположения электродов на коже головы. Психическое состояние субъекта, например, внимание, бодрствование и ожидание, также влияет на морфологию формы волны.

Индуцированная активность

Наряду с вызванной активностью, нейронная активность, связанная со стимулом, может приводить к индуцированной активности

. Индуцированный ответ связан с процессами в головном мозге, которые не связаны напрямую со стимулом, а вызваны косвенно нелинейным взаимодействия нейронов после стимула. Функционально компонент индуцированного ответа, вероятно, представляет собой процессы обратной кортико-таламической (top-down) связи, связывающие внешние стимулы с внутренней корковой моделью среды, т. е. объединяющую управляемую извне сенсорную информацию с внутренней мозговой активностью.1112 Индуцированный ответ может быть связан с когнитивными функциями мозга, такими как восприятие, внимание и обучение, которые можно рассматривать как процессы более высокого порядка. Хорошо изученным видом индуцированной активности является изменение амплитуды колебательной активности. Например, гамма-активность часто возрастает во время повышенной умственной активности, как во время представления объекта. Поскольку индуцированные ответы не связаны с фазой, следовательно, будут исключаться при усреднении, то они могут быть получены только с помощью частотно-временного анализа. Индуцированная активность обычно отражает активность многочисленных нейронов: считается, что амплитудные изменения в колебательной активности возникают в результате синхронизации нейронной активности, например, синхронизации времени спайков или флуктуаций мембранного потенциала отдельных нейронов.

Терапевтическое влияние

Терапия при помощи волнового влияния на мозг продолжает изучаться. По уже имеющимся данным:

• Альфа-ритмы помогают снизить тревожность, напряжение и беспокойство, улучшает память. Она ускоряет кровоснабжение в мозговых структурах, усиливая насыщения организма кислородом и полезными микроэлементами. Облегчает восстановительный период после болезней. Снижает негативное воздействие психотравмирующих ситуаций. Определяет высвобождение нейротрансмиттера серотонина, повышая его уровень в организме.
• Стимуляция бета-ритмами помогает улучшать обучаемость, коммуникативные навыки и усидчивость пациентов. Кроме того, такое облучение помогает снижать усталость.
• Хорошо себя зарекомендовало воздействие гамма-ритмами для усиления скорости обработки информация, стимуляции кратковременной памяти. Также обнаружено благотворное воздействие этих частот на мозг при хронической мигрени. Примерно у половины испытуемых снижается частота и интенсивность приступов.
• Стимуляция δ-ритма помогает снижать уровень стресса, снимать приступы хронической боли, в том числе цефалгии.
• Воздействие θ-волн способно усиливать творческие способности, улучшает память, контроль над эмоциональной сферой, усиливают интуицию. Оно способствует уменьшению тревожности и стресса, укреплению иммунитета, усилению долгосрочной памяти, поскольку ритм тета-волн характерен для гиппокампа, отдела мозга отвечающего за сохранение информации и воспоминаний.

Основные ритмы мозга

В норме, в состоянии бодрствования в мозге генерируются лишь два ритма: альфа и бета волновой, занимающих в совокупности 70-100% всех ритмов.

Альфа волны имеют следующие характеристики: частота волн от 8 до 13 в секунду, амплитуда волны не более 50 мкВ. При этом комплексы альфа волн в идеальной норме должны комбинироваться в модуляции – комплексы волн с постепенно возрастающей амплитудой и постепенным дальнейшем угасанием, называемые веретенами.

Бета ритм имеет следующие характеристики: частота волны выше, достигает 14-30 герц, тогда как амплитуда не превышает 25-30 мкВ.

Патологические ритмы мозга представляются в основном дельта и тета волнами. Дельта волны имеют самую низкую частоту: 1-4 герца. Тогда как амплитуда этих волн варьирует очень широко, достигая сотен микровольт. В норме такие волны могут встречаться (но не занимать большую часть времени!) у человека во сне, детей до 6 лет. Превалирование данного ритма характерно для пациентов с черепно-мозговой травмой.

Тета-ритм имеет частоту от 4 до 8 колебаний в секунду. Амплитуда также варьирует широко и может достигать сотен микровольт. Характерен для детей младшего возраста. Мозг в этом состоянии способен к наилучшему усвоению поступающей информации, однако несимметричные тета-волны все же говорят в пользу патологии головного мозга.

Отдельно в ЭЭГ рассматриваются патологические комплексы и феномены. Так, к таким комплексам относятся вспышки альфа волн (высокоамплитудные колебания, имеющие все характеристики альфа-ритма), комплексы пик-волна и острая волна-медленная волна. Данные феномены нередко характерны для пациентов с ЭЭГ.

Генерализованные приступы ЭЭГ на записи оставляют очень характерные комплексы волн, так называемый паттерн ЭЭГ. Он представлен повторяющимися волнами определенной частоты, амплитуды, а также формы и зависит от типа приступа. Некоторые паттерны приступов представлены на рисунках.

Все ритмы и феномены мозга следует отличать от так называемых артефактов – помехах при съемке ЭЭГ. К таким помехам может приводить наводка электрической сети, движения электродов во время исследования, неполный контакт электрода с кожей, а также многие другие причины.

Стимуляция альфа-волнами

Стимулировать волновую деятельность организма можно несколькими способами:

• Дыхательная гимнастика, позволяющая поддерживать глубокое дыхание, насыщает мозговые клетки кислородом. Систематические занятия дыхательной гимнастикой способствует возникновению альфа-волн.
• Прослушивание стереозвуков с альфа-волнами — доступная для всех методика.
• Мощным активатором α-ритма являются йога и медитация.
• Помочь расслабиться и перейти в режим выработки альфа-волн могут горячие ванны.

Патологические отклонения

Нарушения волновой активности мозга отмечается при:

• Олигофрении. При ней суммарная активность альфа-ритмов ненормально повышена.
• Эпилепсии, которая вызывает нарушения частоты и амплитуды волновой активности Это связано с развитием прямой или межполушарной асимметрии в полушариях мозга.
• Гипертонии, ослабляющей частоту альфа-ритмов и усиливающей бета-активность. Нарушения кровообращения и работы сердечно-сосудистой системы всегда отражаются на волновой активности мозга. Аналогичная картина может наблюдаться при бета-лактамазной активности бактерий.
• Параноидальной шизофрении, при которой мозг генерирует повышенное количество бета-ритмов.
• Кистах и воспалительных процессах мозолистого тела. Они вызывают тяжелую достигающую 30% асимметричность между полушариями.
• Патологическая картина может возникать при черепно-мозговых травмах, врожденном или приобретенном слабоумии, задержке психомоторного развития у детей.

Для оценки альфа-ритмов необходимо время от времени проходить ЭЭГ. Узнать адреса клиник, которые делают эту диагностическую процедуру можно на сайте .

Изменения биоэлектрической активности мозга

➥ Похожая статья: Изменения ЭЭГ

Частота биоэлектрической активности может указывать на различные функциональные состояния головного мозга: сон, сознание, познание и некоторые психические расстройства. Снижение биоэлектрической активности может проявляться на ЭЭГ в виде медленных волн, которые чаще всего наблюдаются состояниях, таких как сон, кома,13 смерть мозга, депрессия,14 аутизм,15 опухоли головного мозга, обсессивно-компульсивное расстройство (ОКР),16 синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ),17 энцефалит.18

Напротив при повышенной биоэлектрической активности мозга на ЭЭГ отмечаются быстрые волны, при таких состояниях, как эпилепсия,19 беспокойство, посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР) и употребление наркотических средств.20

При этом необходимо отметить, что употребление терминов “снижение” и “повышение” биоэлектрической активности является некорректным, так как биоэлектрическая активность мозга на разных уровнях организации проявляет себя по-разному, и в контексте всего мозга можно лишь оценивать параметры (амплитуду, мощность, индекс) сигналов, полученных при записи ЭЭГ. Затем, опираясь на многочисленные экспериментальные данные можно уже интерпретировать изменения того или иного параметра и говорить о каких-либо изменениях в функциональной активности мозга.

Классификация изменений БЭА

По локализации изменения биоэлектрической активности могут быть:21

• Фокальные – ограниченная зона (до 3-х отведений);
• Региональные – зона доли мозга (3 и более отведений);
• Латерализованные – патологическая активность выявляемая над полушарием;
• Генерализованные – общая патологическая активность, захватывающая весь мозг, регистрирующаяся по всем отведениям по механизмам первичной и вторичной генерализации;
• Диффузные (неуточненные) – невозможно отнести к вышеперечисленным группам. По степени выраженности диффузные изменения биоэлектрической активности можно условно разделить на легкие, умеренные и выраженные.

Диффузные изменения ЭЭГ

A. Плоская ЭЭГ с подавлением вспышек с интервалом 5–10 с. B. Непрерывные генерализованные острые и медленные комплексы. C. Диффузная дельта-активность с пиками в лобно-височных областях, распространяющихся и преобладающих в левом полушарии
Характерной особенностью патологической активности при диффузных изменениях биоэлектрической активности являются отсутствие локальности, непостоянство пространственного распределения (мозаичность), нарушение билатеральной синхронии.

Диффузное поражение мозга часто связано с развитием энцефалопатии, то есть, распространенного мелкоочагового поражения. Вследствие полиморфизма мелкоочаговых изменений и их распространенности патологические изменения весьма разнообразны и не образуют какой-либо организованной активности, что проявляется мозаичными изменениями биоэлектрической активности головного мозга.

Дезорганизация ЭЭГ

При поражении мозга патологические диффузные изменения биоэлектрической активности характеризуются дезорганизацией и отсутствием регулярной доминирующей активности (альфа-ритма). Диффузная патологическая активность может проявляться по-разному (например, в форме медленноволновой ритмики или выявляется эпилептиформная активность), а также иметь различную амплитуду (низкоамплитудная, среднеамплитудная или высокоамплитудная).

Запись видео-ЭЭГ с одноканальной ЭКГ

ЭЭГ демонстрирует «медленную» и «плоскую» фазы во время сердечной асистолии, за которыми следует вторая «медленная» фаза после возобновления сердечного синусового ритма. Миоклонические судороги (МД) возникают при асистолии и после возобновления синусового ритма. Тоническая поза (тонус) возникает во время асистолии. Обратите внимание на артефакт тонического сокращения мышцы, зафиксированный на канале ЭКГ

Дезорганизация биоэлектрической активности, как правило, сопряжена со снижением амплитуды ЭЭГ и отсутствием альфа-ритма, что подробнее описано в статье депрессия альфа-ритма. Дизритмичная активность мозга может проявляться в виде плоской ЭЭГ (III десинхронный тип, рассматривается как пограничная норма), а также с преобладанием альфа-активности (IV дезорганизованный тип) и с преобладанием θ- и δ-активности (V дезорганизованный тип ЭЭГ). Подробнее: классификация нарушений ЭЭГ по типам.

Замедление мозговой активности

Замедление биоэлектрической активности мозга (когда преобладают низкие частоты) не всегда свидетельствует о патологических изменениях и может быть связано с сонливостью. Замедление фоновой ритмики у детей констатируется в зависимости от возрастной группы:

• 1 год – основная частота менее 5 Гц
• 4 года – основная частота менее 6 Гц
• 5 лет – основная частота менее 7 Гц
• старше 8 лет – основная частота менее 8 Гц

Замедление корковой ритмики часто протекает на фоне диффузной дисфункции корковых и подкорковых структур, вследствие сосудистых, метаболических или токсические поражений головного мозга, а у детей может быть следствием перинатальной патологии.

Генерализованное замедление

Паттерн FIRDA с незначительно замедленным фоном тета-ЭЭГ у пожилого мужчины с метаболической энцефалопатией. Также заметны периоды хорошо сформированной затылочной альфа-активности

Недостатки метода

Излишняя волновая стимуляция может вызывать негативные реакции организма. Так при переизбытке альфа-активности развивается снижение концентрации, формирование дефицита внимания, депрессии, снижение визуальной четкости. Человек начинает нуждаться в дневном сне, быстрее устает. Кроме того под воздействием альфа-волн увеличивается внушаемость.

Обратной стороной стимуляции бета-волнами становится усиление тревожности, перевозбуждения и развитие обсессивно-компульсивного расстройства. Отмечаются признаки стресса, паранойи. Также под воздействием такой стимуляции усиливается мышечное напряжение, возникает бессонница. Воздействие на мозжечковую миндалину и гипоталамус провоцирует повышение артериального давления.

При воздействии тета-волн можно заработать расстройства концентрации внимания, депрессивные состояния, гипереактивность или наоборот апатию. Под влиянием такой стимуляции возникает сонливость, равнодушие к жизни, повышение внушаемости.

Поэтому прежде чем прибегать к любым методикам стимуляции волновой активности мозга лучше проконсультироваться со специалистами.