Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование метода нефармакологической стимуляции медленноволнового сна



Список сокращений

БДГ- сон (REM-сон, от англ. rapid eye movement) - парадоксальный сон (сон с быстрыми движениями глаз)

ВЛПЯ - вентролатеральное преоптическое ядро ВП - вызванный потенциал

ВПСП - возбуждающие постсинаптические потенциалы ГАМК - гамма-аминомасляная кислота

ППГ - преоптическая передняя область гипоталамуса ПСП - постсинаптические потенциалы

СРГ - соматотропин-рилизинг-гормон

ТМС - транскраниальная магнитная стимуляция ТПСП - тормозные постсинаптические потенциалы ФВЧ (high-pass filter) - фильтр верхних частот

ФНО - фактор некроза опухолей

ФНЧ (low-pass filter) - фильтр нижних частот ЭКГ - электрокардиограмма

ЭМГ - электромиограмма ЭОГ - электроокулограмма

ЭЭГ - электроэнцефалограмма

NREM-сон (от англ. non rapid eye movement) - ортодоксальный сон

SREM (от англ. «slow rolling eye movements») - медленные качающиеся движения глаз



Введение

Сон - одно из загадочных явлений нашей жизни, при этом он имеет огромное значение. Вопреки распространенному представлению, сон не есть неактивное состояние мозга - это лишь особая форма функционирования организма. Активность мозга во время бодрствования зависит от выполняемой в этот момент деятельности, поведения и различных психических факторов, таких как восприятие, мотивация, эмоции, познавательные процессы. В фазе же сна мозг переходит в определенный автономный режим, при котором мы не контролируем его активность, и осуществляет необходимые для дальнейшей работы организма процессы. Как бы человеку ни хотелось, он не может произвольно отказаться от сна; это крайне необходимый для дальнейшей жизнедеятельности процесс: во время сна происходит репарация внутренних систем организма, восстановление гормонального баланса, структурирование нейронных сетей и синапсов и т.д.

Считается, что современный человек живет в чрезвычайно стрессогенных условиях. Ускоренный ритм жизни, неблагоприятная экологическая обстановка в мегаполисах, ужесточающиеся социальные требования сказываются на его физическом и психическом здоровье, о котором многим некогда задумываться. Требования к человеку увеличиваются, а время, отведенное на отдых, уменьшается, поэтому в последние годы лаборатории по всему миру изучают потенциальные методики улучшения качества сна посредством неинвазивной стимуляции мозга.

От качества сна зависит не только удовлетворенность жизнью, но и производительность труда человека.

Если человек плохо спал ночью, то днем он будет чувствовать последствия этого недосыпа. Постоянные проблемы со сном могут привести в конечном итоге к различным заболеваниям из-за изменений в нервных и нейроэндокринных функциях организма. Человек может ощущать тревогу, усталость и неудовлетворенность жизнью.

Неправильный сон негативно влияет на когнитивные и обменные процессы человека. У невыспавшегося человека ухудшается память, притупляется внимание, замедляются скорость и качество восприятия и обработки информации.

Нездоровый сон оказывает губительное влияние на иммунитет, увеличивая риск возникновения онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний.

В наше быстроменяющееся время с привычной уже с вечера до утра подсветкой в городах и популярной ночной жизнью у людей увеличиваются проблемы со сном, что может представлять серьезную опасность для общества.

Треть жизни человек проводит во сне и эта треть серьезным образом влияет на оставшиеся две трети человеческой жизни.

На сегодняшний день проблемы со сном в основном решают с помощью лекарственных препаратов, либо посещением психотерапевта.

Если удастся найти эффективный, удобный и экономичный способ нефармакологического воздействия на качество и продолжительность сна человека, то это положительно скажется как на качестве жизни каждого человека, так и на эффективности национальных экономик и увеличении производительности труда в различных отраслях народного хозяйства.

Первым шагом на пути достижения этого будет являться исследование метода нефармакологической стимуляции медленноволновой стадии сна с целью воздействия на структуру сна испытуемых.

Объектом исследования являются здоровые добровольцы без неврологических нарушений в возрасте от 18 до 40 лет. Испытуемый должен испытывать острую частичную депривацию сна (длительность предшествующего ночного сна 50% от привычной или 4 часа при коротком ночном сне).

Предмет исследования: ЭЭГ активность во время медленного сна.

Гипотеза: электрокожная стимуляция во время медленноволновой стадии дневного сна может повлиять на параметры ЭЭГ и структуру сна (стадии, их количество и скорость наступления).

Целью является исследование влияния подпороговой электрокожной стимуляции срединного нерва руки на частоте 1 Гц (частота дельта-ритма ЭЭГ) во время медленноволновой стадии дневного сна на структуру сна.

В соответствии с целью, нами поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние подпороговой электрокожной стимуляции на характеристики стадий дневного сна.

2. Исследовать характеристики ритмов ЭЭГ во время стимуляции в сравнении с периодами без стимуляции.

3. Исследовать вызванные потенциалы на электрокожную ритмическую стимуляцию.

4. Исследовать влияние подпороговой электрокожной стимуляции на субъективное самочувствие человека.

сон мозг электрокожный стимуляция



Глава 1. Обзор литературы

1.1 Физиология сна

1.1.1 Фазы и стадии сна

Практически у всех живых существ от простейших до человека состояние различных систем и их функции ритмично изменяются.

Рис.1. Архитектура сна и гипнограмма, отражающая цикличность ночного сна

Это связано с суточными ритмами. Наиболее важным является суточный цикл бодрствование-сон. Сон - это генетически детерминированное состояние организма, которое характеризуется последовательной сменой фаз и стадий (рис. 1). Сон здорового человека состоит из двух фаз - ортодоксальной (медленной, медленноволновый сон) и парадоксальной (быстрой, сон с быстрыми движениями глаз). Вместе они составляют цикл, длящийся в норме 1,5-2 часа. Эти фазы строго различаются по ЭЭГ-активности и вовлеченности в работу разных медиаторных систем.

Когда человек находится в спокойном бодрствовании, на ЭЭГ в затылочных областях детектируется альфа-ритм. При переходе от бодрствования ко сну возникает 1 стадия, называемая дремотой. Для этой стадии характерно появление тета-ритма в ЭЭГ, который замещает альфа-активность. Стадия 2 (легкий сон) занимает больше половины всей протяженности сна. В эту стадию на фоне тета- ритма появляются характерные паттерны активности: сонные веретена (сигма- ритм) и К-комплексы. Для стадий 3 (умеренно глубокий) и 4 (глубокий сон) маркером является дельта-ритм. Если доля дельта-волн в ЭЭГ меньше 50%, то стадия классифицируется как 3, если больше - как 4. Эти стадии составляют медленный сон, характеризующийся уменьшением частоты и увеличением амплитуды волн в ЭЭГ с течением времени. После завершения ортодоксального сна наступает фаза парадоксального сна, которая характеризуется десинхронизацией ЭЭГ, амплитуда волн уменьшается, а частота увеличивается. Полный цикл сна начинается с дремоты, через стадию легкого сна осуществляется переход в дельта-сон, который сменяется легким сном, после которого наступает сон с быстрыми движениями глаз. По завершении быстрого сна может начаться новый цикл сна (стадия 2), или возникает пробуждение. За ночь человек проходит 4-6 циклов, имеющих разную структуру. В первую половину ночи большую часть занимает дельта-сон, под утро увеличивается количество легкого и парадоксального сна. Кроме отличий в ЭЭГ-активности, сон и бодрствование различаются по состоянию мышечного тонуса, регистрируемого с помощью электромиограммы (ЭМГ), и состоянию глазных яблок, которое оценивается посредством электроокулограммы (ЭОГ). Во время бодрствования регистрируется высокая активность ЭМГ и ЭОГ, при медленном сне - амплитуды ЭМГ и ЭОГ уменьшаются, что отражает снижение мышечного тонуса и медленные движения глаз. Во время парадоксального сна ЭМГ отражает практически полное отсутствие мышечного тонуса (атония), а ЭОГ сокращения глазных мышц, связанные с быстрыми движениями глаз.

У здорового взрослого человека начальная стадия сна (дремота, засыпание) длятся около 5-10 минут. В течение этого времени начинает снижаться мышечная активность, могут совершаться медленные движения глаз, которые обозначаются SREM (от англ. «slow rolling eye movements» - медленные качающиеся движения глаз). При этом человек может переживать абсурдные мысли и гипнагогические галлюцинации. Альфа-ритм (8-12 Гц, амплитуда менее 50 мкВ), являющийся основным ритмом при спокойном бодрствовании с закрытыми глазами, начинает замещаться тета-ритмом (4-7 Гц, амплитуда 50-100 мкВ). На ЭЭГ могут регистрироваться острые вертексные волны (острые потенциалы с амплитудой до

250 мВ). Они возникают спонтанно или в ответ на сенсорный стимул. Периодически наблюдается гипнагогическая гиперсинхрония, которая выражается во внезапно появляющихся вспышках высокоамплитудных ритмических тета- или дельта-волн, длительностью 2-8 с. Вторая стадия (легкий сон) характеризуется дальнейшим уменьшением мышечного тонуса, снижением температуры тела (у женщин она достигает 35,7 °С, а у мужчин 34,9 °С), замедлением сердечного ритма. Глаза в это время в основном неподвижны, редко возникают SREM. Эта стадия занимает 45-55% общего времени сна. При этом пороги восприятия повышаются, слуховой анализатор становится самым чувствительным (человек просыпается при произношении его имени, мать просыпается на крик ребенка). На фоне доминирующего тета-ритма возникают характерные для второй стадии сна паттерны ЭЭГ-активности - сонные веретена (c англ. spindle - веретена, или сигма- ритм; волны с частотой 12-14 Гц, амплитуда которых сначала увеличивается, достигая пика в 100 мкВ и более, а затем снижается, длительность веретена составляет 0,5-1 с) и К-комплексы (негативные острые волны, следующие непосредственно за медленным позитивным компонентом, единичные циклы дельта-волн). Сонные веретена появляются на ЭЭГ примерно 2-5 раз в минуту. В паузы между ними человека легко разбудить. Сигма-ритм может включаться эпизодически в структуру третьей и четвертой стадии. Сонные веретена обеспечивают механизм функциональной деафферентации (невосприимчивости) коры полушарий. Это облегчает углубление сна и обеспечивает возможность для налаживания внутрикорковых взаимодействий без вмешательств извне. Генерация сонных веретен происходит в таламусе. Это связано с тем, что ГАМКэргические нейроны таламического ретикулярного ядра, обладающего пейсмейкерной активностью, изменили свою работу. По глутаматэргическим таламокортикальным проекциям этот ритм распространяется по коре больших полушарий, вызывая появление сигма-ритма в ЭЭГ.

Третья (сон умеренно глубокий) и четвертая (глубокий) стадии сна характеризуются как периоды наиболее глубокого сна, который может длиться 30-40 минут в первую половину ночи. Чаще эти стадии объединяют в одну - «медленноволновой» (от англ. slow wave sleep - медленноволновой сон), или дельта-сон. В это время температура тела достигает минимального значения, тонус мышц уменьшается еще больше, а глаза становятся неподвижными. В стадию дельта-сна человека очень сложно разбудить. В этот период искажается счет времени, могут возникать сноговорение и снохождение, энурез у детей. На ЭЭГ доминируют низкочастотные высокоамплитудные дельта-волны (0,5-4 Гц, амплитуда 150-250 мкВ). В неокортексе человека медленные осцилляции с частотой около 0,8 Гц возникают благодаря синхронной активности корковых нейронов. Дельта-ритм появляется в результате пространственно-временной суммации электрических постсинаптических сигналов. Эти волны состоят из двух фаз - восходящей (от англ. «up-state») и нисходящей (от англ. «down-state»). Во время нисходящей фазы возникает процесс гиперполяризации, который связан с работой Са2+-зависимых К+-каналов и инактивацией Na+-каналов, когда не регистрируются потенциалы действия. Следующая за ней восходящая фаза запускается за счет суммации миниатюрных возбуждающих постсинаптических потенциалов. Она сопряжена с деполяризацией, которая вызывается токами через Na+-каналы и Са2+-каналы T-типа (от англ. «transient» - кратковременный). Частота потенциалов действия в этот момент соответствует состоянию бодрствования. В ГАМКергических нейронах ретикулярного ядра таламуса, в глутаматэргических таламокортикальных нейронах и неокортикальных нейронах регистрируются также синхронные дельта-ритму ЭЭГ медленные осцилляции мембранного потенциала. В стадии 3 дельта-волн меньше 50%, в стадии 4 - больше. У здорового человека третья стадия занимает 5-8% и четвертая стадия около 10-15% общего времени сна. Также в обширных регионах коры регистрируются веретена и остроконечные пульсирующие волны (в англ. терминологии «sharp wave-ripples»), возникающие в гиппокампе, сокращенно обозначаемые как «рябь». Они представляют собой быстрые эпизоды деполяризации, которые вызывают в аксонах высокочастотную активность от 100 до 300 Гц. Феномен ряби происходит из-за реактивации ансамблей нейронов, которые были активны в предшествующий сну период бодрствования, когда человек получал определенный опыт. Рябь возникает в гиппокампе не только в фазу медленного сна, но и при бодрствовании, хотя существенно реже. Фаза быстрого сна характеризуется быстрыми движениями глаз, поэтому ее называют сон с быстрыми движениями глаз, или REM-сон, от англ. «rapid eye movement», повышением артериального давления, нерегулярной частотой сердечного ритма дыхания, флуктуацией температуры тела, общей мышечной атонией (возможны отдельные сокращения мышц конечностей или лица). Эта фаза ассоциируется с наиболее яркими и запоминающимися сновидениями (сны могут возникать и в других стадиях, но менее яркие). В этот момент на ЭЭГ возникает десинхронизация (как при бодрствовании), появляются альфа- и бета-волны, пилообразные волны маленькой амплитуды, характерные для REM-сна. На протяжении быстрого сна в гиппокампе регистрируется тета- активность (волны с частотой 4-8 Гц). В это время детектируются также понто- геникуло-окципитальные волны (PGO-волны - от англ. ponto-geniculo-occipital waves), возникающие вследствие интенсивной синхронной вспышечной активности в стволе мозга, мосту. Эта активность затем проникает в латеральные коленчатые тела и в зрительную кору.

Данную фазу сна называют парадоксальной, так как происходит практически полное расслабление мышц и повышенные пороги восприятия сопровождаются реакцией десинхронизации на ЭЭГ. Первый эпизод быстрого сна наступает через 70-90 минут от начала засыпания и длится 5-10 минут. Длительность быстрой фазы увеличивается с течением сна и под утро достигает нескольких десятков минут. Для REM-сна характерна переоценка временных интервалов (человек проспал 10 минут, а ему показалось, что он спал час). У здорового взрослого человека REM- сон составляет 20-25% общего времени, проведенного во сне. Средняя продолжительность сна составляет 6-9 часов. В зависимости от физиологического состояния организма и при нарушениях сна возможны изменения в довольно широких границах (4-10 часов). Также структура сна может изменяться в зависимости от факторов среды и возраста. У новорожденных продолжительность сна составляет 12-16 часов в сутки, у взрослых здоровых людей - 6-9 часов, а у пожилых - 4-6 часов в сутки. Причем у младенцев доля REM-сна занимает большую часть времени, а у пожилых людей доля быстрого сна минимальна. Грудные дети получают гораздо меньше информации об окружающем мире и, возможно, их более выраженная мозговая активность во время сна обеспечивает внутреннюю стимуляцию, компенсирующую недостаток внешней.

1.1.2 Механизмы сна

Поскольку сон является частью суточного цикла, его процессы частично регулируются центрами циркадного ритма и связаны с процессами бодрствования, происходящими в головном мозге и всем организме. В связи с расхождением мнений относительно вовлеченности структур бодрствования в регуляцию сна и спорами, имеет ли сон собственную регуляцию или является лишь обратным эффектом бодрствования, на данный момент существует несколько теорий относительно механизмов сна.

Ранние теории предполагали, что в начало сна вовлечен весь организм и сам сон регулируется центральными механизмами. Теперь имеются свидетельства того, что сон, возможно, вызывается активизацией собственных локальных структур мозга: это является основой нейронных сетей и зависит от типа активности, за который отвечает конкретная сеть. Такая «сонная» нейронная сеть может активироваться под действием метаболических изменений в секреции клеток, вовлеченных в эту систему. Данная теория подтверждается тем, что во время сна разные структуры мозга находятся в разном состоянии активации (Pigarev, Pigareva, 2014).

Теория нейронных групп основана на идее о том, что в регуляции цикла сон- бодрствование значительную роль играют вещества, продуцируемые нейронами ЦНС: например, на длительность и интенсивность медленного сна влияют аденозин, оксид азота (NO), фактор некроза опухолей (ФНО), простагландин D2, интерлейкин-1 и соматотропин-рилизинг-гормон (СРГ), причем эти соединения опосредуют синтез друг друга и регулируют сон в разных структурах ЦНС. Так, аденозин индуцирует запуск сна в базальных отделах переднего мозга, ФНО и интерлейкин-1 воздействуют непосредственно на преоптические нейроны гипоталамуса, инициируя медленный сон: микроинъекция ингибиторов СРГ и ФНО в преоптическую область гипоталамуса подавляет медленноволновую фазу. Интерлейкин-1 влияет на секрецию в нейронах голубого пятна вместе с ФНО и секрецию серотонинергических нейронов шва, а также на ГАМКергические нейроны в гипоталамусе.

Безусловно, сон является частью суточного цикла жизни любого организма, и частично регулируется центрами циркадного ритма, благодаря чему процессы сна связаны с центрами бодрствования. Согласно классическим представлениям, переключение мозга из бодрствующего в спящий режим связано лишь с дезактивацией центров бодрствования, и потому важно рассмотреть центры бодрствования при обсуждении процессов сна.

Более 60 лет назад началась идентификация систем бодрствования (wake- promoting system). Восходящая импульсация из ретикулярной формации ствола мозга в головной мозг, необходимая для поддержания состояния бодрствования была исследована в ранних работах Магуна (Magoun) и Маруцци (Moruzzi). Позже были найдены активирующие системы ретикулярной формации, способствующие поддержанию бодрствования: норадренергические нейроны голубого пятна, ацетилхолинергические нейроны покрышки (педункуло-понтийный и латеродорсальный регионы), серотонинергические ядра Шва, дофаминергические нейроны черной субстанции и вентрального тегментального пространства, а также скопление глутаматэргических нейронов среднего мозга (рис. 2).

Рис. 2. Система регуляции циркадных ритмов: центры и медиаторы бодрствования

Подкорковые структуры, которые являются активирующей системой мозга, возбуждают кору больших полушарий для поддержания состояния бодрствования. В это время происходит выделение нейромедиаторов, отвечающих за поддержание бодрствования. Таким образом, мозг обеспечивает формирование сознания. Проекции этих нейронов активируют таламокортикальную и гипоталамокортикальную системы, а также систему базальных ядер - кора больших полушарий. Позднее были изучены скопления нейронов за пределами восходящей активирующей ретикулярной формации, которые локализованы в переднем мозге: гистаминергические клетки бугорково-мамилярных ядер в заднем гипоталамусе, гипокретин-содержащие клетки в латеральном гипоталамусе (центральная система поддержания бодрствования), освобождающие нейро-пептид Y клетки супрахиазматических ядер, нейроны базального ядра переднего мозга (часть ацетилхолинергические), глумататэргические нейроны вентро-медиальной префронтальной коры больших полушарий.

В результате пассивного накопления «нейрональных метаболитов» происходит снижение тонической активности возбуждающих активирующих систем, что приводит к инициации сна, то есть начинается переход из состояния бодрствования к первой стадии ортодоксального сна. Увеличение концентрации метаболитов и некоторых медиаторов (интерлейкин-1в, фактор некроза опухолей б, простагландин-D2, ГАМК, глицин, аденозин) в межклеточном пространстве в результате интенсивной активности нейронных систем во время бодрствования вызывают сонливость, подавляя работу возбуждающих систем. Чем дольше мозг находится в состоянии бодрствования и чем интенсивнее его работа, тем выше скорость метаболизма и больше количество образующихся метаболитов. При этом процессы выведения метаболитов не успевают за процессами их продукции активными нейронами. Когда количество метаболитов превышает критический уровень, происходит торможение систем, поддерживающих бодрствование, что приводит к снижению обмена веществ и, соответственно, уменьшению продукции метаболитов до тех пор, пока содержание их в мозге не придет в норму. Таким образом, поддержание гомеостаза на клеточном уровне приводит к изменению свойств на системном уровне и, возможно, является определяющим фактором при переходе от бодрствования к первой стадии ортодоксального сна.

При накоплении метаболитов в межклеточном пространстве происходит не только инициация сна, но и запускается комплекс двигательных реакций, проявляющихся в изменении поведения животного, «готовящегося» ко сну (например, поиск безопасного места для сна). После того, как произошла инициация сна, включается активный механизм, поддерживающий и углубляющий его. Таким образом, начинается переход ко второй фазе ортодоксального сна, которая характеризуется появлением сонных веретен и К-комплексов. Генератором сонных веретен являются неспецифические ретикулярные ядра таламуса (содержат ГАМКергические нейроны), которые передают импульс на вставочные ГАМКергические нейроны и тормозятся с частотой сигма-ритма. В таламус поступает много сенсорной информации из ствола мозга, которая затем передается в кору больших полушарий. В таламусе содержится два типа нейронов: таламокортикальные релейные нейроны и таламические ретикулярные нейроны. При активации таламических ретикулярных нейронов сенсорная информация через релейные клетки блокируется на пути в кору больших полушарий. Во время бодрствования таламокортикальные нейроны находятся в активированном состоянии. Этому способствуют норадреналин-, серотонин-, ацетилхолинергических нейроны ствола мозга, поддерживающие состояние бодрствования. Эти клетки подавляют влияние ретикулярных таламических нейронов. При пассивной инициации сна активность систем, поддерживающих бодрствование, снижается, следовательно, уменьшается активность релейных таламокортикальных нейронов и активируются ретикулярные таламические клетки. Последние начинают ингибировать релейные нейроны таламуса путем стимуляции их постсинаптических ГАМК-рецепторов. Таким образом, кора больших полушарий перестает получать сенсорную информацию из таламуса. Наступает состояние функциональной деафферентации.

Рис. 3. Система регуляции циркадных ритмов: центры и медиаторы медленного сна

Можно видеть, что нейромедиаторы, регулирующие медленный сон, воздействуют на центры бодрствования (рис. 3).

Во время медленного сна ретикулярные нейроны таламуса генерируют потенциалы действия, которые вызывают тормозные постсинаптические потенциалы на релейных нейронах, то есть их гиперполяризацию. При гиперполяризации -75 мВ происходит активация низко-пороговых Са2+-каналов.

Ионы Са2+, поступающие в релейные нейроны, вызывают их деполяризацию, они начинают генерировать потенциалы действия, которые называются postinhibitory rebound spike bursts (постингибиторные рикошетные взрывы потенциалов действия). Эти сигналы передаются в кору больших полушарий, где вызывают активацию кортикальных нейронов, которые генерируют корковые сонные веретена. Вторая стадия медленного сна развивается при активации преоптической передней области гипоталамуса (ППГ), включающей нейроны вентро-латерального преоптического ядра (ВЛПЯ), а также ГАМКергические нейроны базального региона и медианного преоптического ядра. Они иннервируют многие способствующие бодрствованию участки мозга: голубое пятно, бугорково- мамилярные ядра, латеральный гипоталамус, ацетилхолинергические нейроны покрышки и дорсальное ядро шва. Медиатором этих нейронов является ГАМК.

Так, нейроны ВЛПЯ иннервируют гипокретиновые нейроны и сильно угнетают их (через ГАМК-А и ГАМК-В рецепторы), то есть выступают в роли выключателей гипокретин-секретирующих клеток. Таким образом, активация ППГ ведет к торможению поддерживающих бодрствование систем мозга как за счет опосредованного ГАМК постсинаптического торможения способствующих бодрствованию нейронов, так и пресинаптического торможения входов, которые в норме стимулируют эти нейроны. В свою очередь нейроны, освобождающие медиаторы бодрствования, ингибируют клетки ППГ, в частности ВЛПЯ (Петров А.М. и др., 2012). В условиях, когда основные возбуждающие системы мозга отключены, сенсорный вход в кору полушарий практически полностью блокируется (деафферентация мозга). Также в фазу медленного сна регистрируется повышенная активность ГАМКергических нейронов коры больших полушарий.

Во время медленного сна ансамбли нейронов начинают работать синхронно, что отражается на ЭЭГ как высокоамплитудный низкочастотный ритм, который показывает одновременную гиперполяризацию и молчание кортикальных нейронов, которые сменяются деполяризацией и вспышкой активности. В это время происходит восстановление гомеостатического равновесия клеток мозга.



1.2 Стимуляция мозга во время сна

Стимуляция различного рода уже несколько лет широко используется для воздействия на работу мозга, и в 20 веке эта область физиологии стала активно развиваться. Современные методы стимуляции принято подразделять на инвазивные и неинвазивные. Под инвазивными методами стимуляции, как правило, понимают электрическую стимуляцию: электроды имплантируются в определенные участки мозга и воздействуют локально. Для проведения такой стимуляции необходимо участие квалифицированного специалиста и серьезные показания к лечению, поскольку имплантирование электродов, естественно, имеет опасные побочные эффекты, поэтому при неорганических расстройствах сна и нормальном сне предпочтение отдается неинвазивным методам стимуляции: магнитной, электрической (периферической и транскраниальной) и звуковой. Известны также опыты, подтверждающие влияние условных стимулов (мелодий, запахов), сопутствовавших процессу обучения, на успешность запоминания информации при условии повторного воздействия этих стимулов во время медленоволновой фазы сна (Rihm et al., 2014).

1.2.1 Транскраниальная магнитная стимуляция

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) - неинвазивный метод стимуляции головного мозга посредством магнитного поля. Впервые была проведена в 1896 году Жаком Арсеном Д'Арсонвалем: ему удалось индуцировать фосфены без воздействия света на глаза. Принцип методики состоит в том, что под воздействием переменных магнитных полей на ткани головного мозга, происходит индукция слабых электрических токов, которые стимулируют нервные клетки. Сама суть методики заключается в наложении на определенные точки головы, шеи или по ходу нервных стволов электрического импульса, индуцирующего переменное магнитное поле, генерирующее на определенной глубине в нервной ткани электрическое поле, которое вызывает деполяризацию мембран нейронов.

ТМС часто используется в психиатрии. Началось это с того момента, когда в 1902 году Поллачек и Беер запатентовали в Вене метод лечения «депрессий и неврозов» с помощью электромагнитного прибора. Вероятно, они полагали, что электромагнит способен оказать благоприятное воздействие путем механического сдвига головного мозга. Гипотеза о том, что стимуляция может индуцировать ток в нейронах, не выдвигалась. Беер, располагая соленоид над головой, также индуцировал эффект фосфенеза. Сегодня ТМС используется для диагностики и лечения различных психических заболеваний, включая болезнь Паркинсона и болезнь Альгцеймера, и неорганических нарушений психики (депрессия, моторные нарушения, обсессивно-компульсивные расстройства).

Имеется опыт применения ТМС во время сна для воздействия на дельта- активность (Massimini et al., 2006). В результате исследования обнаружили, что при стимуляции частотой менее 1 Гц в мозге соответственно расположению магнитных катушек возникают единичные высокоамплитудные медленные колебания (по одной волне на магнитный импульс) и распространяются по коре, причем наибольший эффект достигался при стимулировании во время 2 стадии сна. Вызванные медленные колебания способствовали углублению сна и росту медленноволновой активности, что должно влиять на восстановление синаптической пластичности и консолидации памяти.

1.2.2 Транскраниальная стимуляция постоянным током

Транскраниальная стимуляция постоянным током (transcranial direct-current stimulation, tDCS; транскраниальная микрополяризация) - стимуляция нейронов мозга слабым постоянным током через кожу головы с целью воздействия на область различных структур.

Электрическое поле в тканях мозга создается постоянный током. Это поле воздействует на клеточные мембраны, создавая между ними разность потенциалов и увеличивая производство NMDA-рецептора в области контактов синапсов. Нейронная реакция на внешнее воздействие проявляется в повышении пластичности клеток нервной системы. На короткий промежуток времени клетки нервной ткани могут перестроить свои соединения.

Так называемая «анодная» стимуляция, при которой ток направлен к электроду, приводит к деполяризации нейронов, в результате чего повышается их готовность ответить спайком на поступивший сигнал от других клеток. Соответственно, «катодная» стимуляция, при которой ток течет от электрода, вызывает противоположный эффект, увеличивая разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембран и тем самым снижая возбудимость нейронов. Транскраниальную микрополяризацию и ТМС используют для улучшения способностей - как когнитивных, так и художественных (Clark, Parasuraman, 2014). Влияние транскраниальной микрополяризации на когнитивные способности при стимуляции во время сна было изучено в университете Любека в Германии (Marshall et al., 2004). Индукция медленноволновой активности сопровождается сдвигом потенциалов отрицательной поляризации в переднекортикальных зонах. В исследовании проводилась анодная транскраниальная стимуляция постоянным током через переднекортикальные электроды во время медленного сна. Сопоставляя данные опыта с результатами, полученными при стимуляции во время бодрствования, ученые обнаружили, что консолидация ни декларативной, ни процедурной памяти не изменилась. Однако, при сравнении результатов тестирования после сна со стимуляцией и сна с «псевдостимуляцией» (электроды закреплялись как в опытном эксперименте, но стимуляция не проводилась, для нивелирования эффекта плацебо) было замечено улучшение декларативной памяти (рис.4). Также наблюдалось улучшение настроения после стимуляции независимо от того, проводилась она во время сна или бодрствования.

Рис.4. Улучшение выполнения заданий на декларативную (диаграммы А,Б) и процедурную (диаграммы В,Г) память в опытах со стимуляцией (tDCS) и псевдостимуляцией (placebo) во время сна (диаг. А,В) и во время бодрствования (диаг. Б,Г). Заметно улучшение декларативной памяти после стимуляции во время сна (p<0,01)

1.2.3 Периферическая электрическая стимуляция

Периферическая электрическая стимуляция не так широко распространена, как транскраниальные методы стимуляции. Во время периферической стимуляции раздражение от периферических нервов, вызываемое слабыми электрическими импульсами локализованных электродов, по восходящим нервным путям доходит до головного мозга и также изменяет активность его нейронов. Периферическая стимуляция более удобна, так как освобождает череп от дополнительных электродов и воздействия током, но, с другой стороны, ее эффективность меньше, так как воздействие на нейроны ЦНС еще более опосредованно по сравнению с транскраниальной стимуляцией. Метод основан на способности локально возникающих медленных колебаний распространяться по коре, и потому вызванные потенциалы регистрируются не только в соматосенсорных отделах, а во всем кортексе.

Пока что имеется мало исследований в области воздействия на сон и обучение периферической электрической стимуляцией. Одно из таких исследований было проведено в Москве на базе ЗАО «Нейроком» совместно с Институтом высшей нервной деятельности и нейрофизиологии (Индурский и др., 2013). Целью исследования было изучение эффективности воздействия на дельта- сон низкочастотной электрокожной стимуляции во время медленноволновой стадии ночного сна и возможности улучшения сна по физиологическим показателям. На внутренней стороне ладони правой руки были установлены электроды, через которые при регистрации дельта-ритма подавались электрические импульсы подпороговой силы с частотой 0,8-1,2 Гц (подбиралась индивидуально во время адаптационной ночи). Стимуляция проводилась сериями по 30 сек с паузами между сериями 30 сек.

Без стимуляции Со стимуляцией

Рис.5. Гипнограммы сна без и со стимуляцией. Сверху отображена длительность стадий сна, внизу мощность дельта-волн

При анализе ЭЭГ выявили, что стимуляция способствовала удлинению медленноволновой стадии в первых двух циклах ночного сна, а затем способствовала ее укорочению, что соответствует нормализации сна. Также было замечено увеличение мощности ЭЭГ в дельта-диапазоне в медленноволновой стадии сна (рис. 5). Наблюдалось также улучшение цикличности сна. По окончанию экспериментов оценивали терапевтические эффекты стимуляции по изменению субъективного состояния испытуемых: у 56% испытуемых после сна со стимуляцией улучшалось самочувствие, улучшение настроения было зафиксировано у 74%, изменение активности в контрольном и основном опытах одинаково (табл. 1).

Таблица 1. Субъективная оценка сна в ночах без и со стимуляцией. Усредненные результаты по опроснику САН и общее количество позитивных субъективных утренних оценок состояния по сравнению с оценками до начала сна в ночах без и со стимуляцией, выраженное в процентах

1.2.4 Акустическая стимуляция

Акустическая стимуляция во время сна широко используется для исследования возможностей неинвазивного воздействия на мозговую активность. Преимущества акустической стимуляции очевидны: она проста в применении и настройке, в высшей степени неинвазивна, но при этом эффективно влияет на ритмику мозга. На сегодняшний день проведено несколько исследований возможности использования акустической стимуляции в целях улучшения качества сна. В одном из исследований (Ngo et al., 2013) сравнивались эффекты ритмической стимуляции с частотой, соответствующей частоте медленных колебаний - 0,8 Гц, стимуляции случайной частоты (межстимульный интервал от 0,125 до 5 сек, исключая интервалы длиной 0,5-2 сек для исключения синхронизации с дельта активностью) и псевдостимуляции во время всего ночного сна. Согласно результатам, при ритмической стимуляции начало сна наступает позже, чем при неритмической или отсутствии стимуляции, а дельта активность изменяется в отношении мощности волн, но не количества такой активности и общей структуры сна.

Новый подход в акустической стимуляции - замкнутая по принципу обратной связи звуковая стимуляция- был предложен в 2013 году (Ngo et al., 2013). После регистрации устойчивого медленного сна несколько дельта волн проходили без стимуляции, после чего в восходящую фазу начиналась стимуляция звуковыми стимулами (розовый шум - звуковой сигнал, содержащий все доступные человеческому уху частоты, мощность которого уменьшается при увеличении частоты, и наоборот) с интервалом в 1,075 мс; повторная синхронизация с собственным дельта-ритмом производилась через 2,5 сек после второго стимула, благодаря этому каждый импульс совпадал с восходящей фазой волны и не давал угасать медленноволновым колебаниям (рис. 6). Для выявления значимости синхронной стимуляции использовали 2 схемы с участием разных испытуемых. В первом контроле начало стимуляции сдвигалось на нисходящую фазу волны, что создавало чуть более слабый эффект «раскачивания» дельта волн, чем при стимуляции в восходящую фазу. Во втором контроле межстимульный интервал не совпадал с длиной волны, и наблюдалось угасание медленных колебаний.



Рис. 6. А- схема синхронной стимуляции в восходящую фазу волны; В- «раскачивание» медленных колебаний при наличии (красным) и отсутствии (черным) синхронной стимуляции; С- количество правильных ответов в тестировании после сна со стимуляцией (синхронной) и псевдостимуляцией.

После сна проводилось тестирование пар слов, заученных перед сном. И в контрольном, и в основном опытах правильность выполнения задания коррелировала с количеством медленноволновой активности во сне, при этом после стимулированного сна успешность выполнения задания была значительно выше по сравнению с контрольным экспериментом. Кроме того, было замечено подстраивание частоты медленных колебаний к стимуляции.

1.3 Электроэнцефалография

1.3.1 Основные принципы электроэнцефалографии

Электроэнцефалография (ЭЭГ) - неинвазивный метод исследования функционального состояния головного мозга путем регистрации суммарной электрической активности мозга, отводимой с поверхности кожи (Варламов А.А., Пучкова А.Н. и др. , 2015).

Сам термин «электроэнцефалограмма» ввёл в научное употребление немецкий психиатр Ганс Бергер. Свои исследования он начал на пациенте с трепанированным черепом, вводя иголки из драгоценных металлов ему в кожу над костными дефектами. В 1924 году Бергер разработал свой энцефалограф и снял первую электроэнцефалограмму человека с головы своего пятнадцатилетнего сына. Конечно, по нынешним меркам игольчатые электроды Бергера кажутся пыточным приспособлением, но по сравнению с записью непосредственно с поверхности головного мозга это был огромный шаг вперёд в удобстве метода для исследователя и испытуемого. После нескольких лет кропотливой работы, Ганс Бергер опубликовал результаты своих исследований в работе

«Электроэнцефалограмма человека» (Berger, 1929), в которой описал существование двух ритмов активности мозга: медленного «ритма Бергера» (сейчас известного как альфа-ритм), и более быстрого ритма (бета-ритм), характерного для активной работы мозга. Помимо повторения исследований пятидесятилетней давности на человеке, Бергер впервые выявил влияние некоторых нервнопсихических заболеваний на энцефалограмму, в частности, эпилепсии.

Сигнал ЭЭГ является результатом суммации множества элементарных электрических событий, происходящих в нейронах головного мозга. Рассмотрим сначала природу этих событий.

Элементарной единицей нервной ткани является нейрон. В покое отдельный нейрон отрицательно поляризован: разность потенциалов между внутриклеточным и внеклеточным пространством составляет 60-70 мВ. Эта величина называется потенциалом покоя. Поляризация нейрона обеспечивается ионными каналами в мембране нейрона. Увеличение разности потенциалов на мембране называется гиперполяризацией, а уменьшение -- деполяризацией.

Место соединения нейронов (или нейрона с эффекторной клеткой) называется синапсом. В нервной системе человека синапсы в основном являются химическими: передача сигнала происходит за счёт выброса химического вещества (нейротрансмиттера) в синаптическую щель пресинаптической клеткой. Нейротрансмиттеры разделяются на медиаторы (вещества, передающие возбуждение) и модуляторы (вещества, которые изменяют состояние постсинаптической клетки, однако не участвуют в передаче возбуждения).

Внутри нейрона электрический сигнал распространяется за счёт того, что ионы, имеющие одинаковый заряд, отталкиваются друг от друга. Это явление называется объёмной проводимостью. Когда деполяризационная волна достигает окончания аксона, это приводит к открытию натриевых и кальциевых каналов на пресинаптической мембране. Поступление в аксон ионов кальция приводит к тому, что везикулы с медиатором сливаются с мембраной и медиатор высвобождается в межсинаптическую щель. После этого медиатор связывается с рецепторами, расположенными на мембране постсинаптической клетки, что приводит к открытию ионных каналов и, соответственно, изменению внутриклеточного потенциала клетки.

В зависимости от того, какие ионные каналы открываются посредством медиатора, синапсы подразделяют на возбуждающие и тормозные. В случае возбуждающего синапса пресинаптическая клетка высвобождает медиатор (например, глутамат), который открывает натриевые каналы на постсинаптической клетке, тем самым способствуя её деполяризации. Тормозные синапсы работают на медиаторах, которые открывают хлорные каналы постсинаптической клетки, приводя к её гиперполяризации (например, гамма-аминомасляная кислота, или ГАМК).

Электрическая активность нейрона может быть разделена на два типа: спайковая активность и более медленные градуальные изменения потенциала мембраны. Когда мембрана нейрона достигает порогового уровня деполяризации, начинается самоподдерживающееся распространение возбуждения в нервном воловне, которое называется спайковой активностью. Спайк характеризуется высокой амплитудой (50-125 мВ), малой длительностью (1-2 мс) и стабильностью амплитуды: при достижении критического уровня деполяризации разряд происходит по принципу «всё или ничего».

В ответ на афферентные сигналы, поступившие от других нервных клеток, в нейроне возникают постсинаптические потенциалы (ПСП). Различают тормозные (ТПСП) и возбуждающие (ВПСП) постсинаптические потенциалы. ТПСП характеризуются отрицательным отклонением потенциала (гиперполяризацией), а ВПСП -- положительным (деполяризацией). Длительность ПСП составляет порядка 20-50 мс, амплитуда -- до 20-40 мкв. Амплитуда ПСП может значительно варьироваться, в отличие от амплитуды спайка. Изменение поляризации мембраны нейрона определяет вероятность генерации им спайка и, соответственно, передачи информации другим нейронам.

Таким образом, спайковая активность и ПСП не являются независимыми. Исследования с одновременной регистрацией ЭЭГ и спайковой активности, в частности, показали, что от спайковой активности зависят амплитуда ЭЭГ в гамма- диапазоне и фазовая компонента дельта-диапазона (Whittingstall, Logothetis, 2009). Тем не менее, в настоящее время считается, что основной вклад в сигнал ЭЭГ вносит изменение ПСП.

Электрические токи, создаваемые одним нейроном, слишком малы для регистрации с поверхности скальпа. ЭЭГ является результатом суммации множества ПСП от огромного количества нейронов (Nunez, Srinivasan, 2006). Как будет подробно описано в следующих главах, в ЭЭГ выделяются паттерны ритмической активности на различных частотах, с различной пространственной локализацией. Многие из этих ритмов изменяются при изменении функционального состояния мозга.

Поскольку электрическое поле в точке регистрации убывает пропорционально квадрату расстояния до источника, регистрация активности глубоких структур мозга посредством ЭЭГ затруднена. В настоящее время считается, что основной вклад в ЭЭГ вносит электрическая активность пирамидальных нейронов коры головного мозга, поскольку большие популяции близко расположенных пирамидальных нейронов имеют одинаковую пространственную ориентацию и разряжаются синхронно. Однако важно помнить, что осцилляторная активность этих источников зачастую зависит от генераторов, расположенных в более глубоких отделах мозга, в частности, в таламусе.

Обратной задачей ЭЭГ называется локализация источников электрической активности в головном мозге по паттернам ЭЭГ-активности. Важно понимать, что решение обратной задачи ЭЭГ в общем случае не является однозначным: существует множество совокупностей источников, которые могут давать один и тот же паттерн электрической активности на поверхности скальпа.

В свое время ЭЭГ стала первым неинвазивным инструментальным методом исследования, способным оценить активность живого мозга.

Высокое временное разрешение ЭЭГ позволяет ученым исследовать особенности ритмической электрической активности мозга и реакций мозга на внешние стимулы и изменение состояния человека.

Амплитуда сигнала ЭЭГ определяется разницей потенциалов между электродами, находящимися на коже головы. Электрическая активность ансамблей нейронов обуславливает формирование ЭЭГ, но сигнал с поверхности мозга значительно ослабляется слоями мозговых оболочек, кости, сухожилий и кожи. В результате, типичная амплитуда ЭЭГ находится в диапазоне 10-100 мкВ (для взрослых ЭЭГ в основном имеет амплитуду 10-60 мкВ. Амплитуда ЭЭГ измеряется между пиками, и обычно рассматриваются не конкретные значения амплитуды отдельных колебаний, а средняя амплитуда на определенном временном промежутке (например, «высокоамплитудный альфа-ритм» или «средне- и низкоамплитудная активность»). В целом, для низкочастотных ритмов (напр., дельта ритм) характерна более высокая амплитуда, в то время как более высокочастотные (бета и гамма) ритмы обычно демонстрируют более низкую амплитуду в силу меньшей синхронизации формирующей их нейрональной активности. Значительно повышенная амплитуда

ЭЭГ в каком-либо частотном диапазоне (особенно в высокочастотном) может быть индикатором отклонения от нормы (Niedermeyer, Lopes da Silva, 1999).

ЭЭГ в любой момент времени отражает суммарную активность различных нейрональных комплексов в достаточно широком диапазоне частот, но не является хаотичной. Во многих случаях можно говорить о преобладании активности в том или ином частотном диапазоне; зачастую эта доминирующая активность легко обнаружима при визуальной оценке ЭЭГ. Частотный диапазон ритмов ЭЭГ достаточно размыт: отмечаются сверхмедленные колебания, длящиеся секунды (Vanhatalo, Palva et al. 2004), и сверхбыстрая активность с частотой в десятки герц. Однако наибольший интерес и основная масса исследований сосредоточены на наиболее ярко выраженных ритмах ЭЭГ, находящихся в диапазоне от 1 до 90 Гц. Первичное разделение ритмов ЭЭГ в ранних работах проводилось по частотным характеристикам, а дальнейшие исследования показали различия в топологии и функциональном значении различных ритмов. В различных публикациях встречаются несколько различающиеся границы разделения ритмов, не имеющие, однако, принципиальных отличий. В данной главе основное разделение на частотные диапазоны приведено согласно рекомендациям Международной федерации клинической нейрофизиологии (Beniczky, Aurlien et al., 2013).

1.3.2 Обработка ЭЭГ

Предварительная обработка данных ЭЭГ (рис. 7).

Как бы чётко ни был спланирован эксперимент, и какими бы хорошими ни были условия его проведения, сырая запись ЭЭГ, полученная с усилителя, будет мало похожа на те красивые и аккуратные графики, которые мы видим в статьях и учебниках. Если же в процессе записи не всё было идеально, и, например, испытуемый много двигался, или же в помещении было слишком жарко или слишком холодно, то полученная запись вообще будет мало похожа на ЭЭГ.

Рис. 7. Сырая запись ЭЭГ

Для того, чтобы привести запись в порядок и улучшить отношение сигнал/шум, полученную запись следует обработать. Первые этапы обработки достаточно универсальны и должны применяться практически всегда, вне зависимости от цели эксперимента и выбранной парадигмы (Cacioppo, Tassinary et al., 2007).

Изменение частоты дискретизации (рис. 8).

Современные усилители могут иметь частоту записи 1000 Гц и более, однако для большинства исследований подобная частота является избыточной, поэтому если регистрация ЭЭГ велась с избыточной частотой, на первом этапе обработки данных частота дискретизации искусственно понижается. Строго говоря, этот этап не обязателен, так как он не способствует улучшению качества записи, однако понижение частоты дискретизации уменьшает занимаемое записью дисковое пространство и упрощает дальнейшие вычисления, тем самым сокращая время обработки. Как уже говорилось выше, для большинства задач достаточно частоты 500 или 516 Гц, для анализа ВП и ритмов ниже 50 Гц достаточно частоты дискретизации 256 Гц.



Рис. 8. Запись после изменения частоты дискретизации: изменения минимальны

Выбор референта (рис. 9).

В случае, если запись осуществлялась относительно физического референтного электрода, расположенного на коже головы (для многих систем регистрации ЭЭГ такой электрод фиксирован), то уже на этапе обработки данные можно программным образом перереферировать на другой, стандартный референтный электрод, улучшив качество сигнала и, иногда, избавившись от артефактов, связанных с работой усилителя. Чаще всего в качестве референта выбираются объединённые ушные электроды, A1 и A2.

Рис. 9. Запись после изменения референта



Частотная фильтрация (рис. 10).

Одним из самых важных этапов предварительной обработки данных является частотная фильтрация записи. Обработка заключается в применении к сигналу фильтров верхних и нижних частот (ФВЧ и ФНЧ, high-pass filter и low-pass filter). Эти фильтры являются пропускающими, то есть ФВЧ пропускает верхние частоты, отсекая нижние, а ФНЧ пропускает нижние частоты, отсекая верхние. Это часто приводит к некоторой путанице, так как русские названия фильтров не содержат в явном виде указания на то, что указанные частоты пропускаются и остаются в сигнале, а не отсекаются (Кропотов, 2010). Конкретные параметры фильтрации зависят от задачи эксперимента, однако для анализа вызванных потенциалов и типичных частотных полос ЭЭГ (дельта, тета, альфа, бета, нижний гамма- диапазон) достаточно установить ФНЧ на уровне 45 Гц, а ФВЧ на уровне 0.1-0.3 Гц.

Фильтр высокой частоты позволяет отсечь артефакты, связанные с кожно- гальваническими реакциями и движениями испытуемого, тогда как ФНЧ подавляет высокочастотные осцилляции, связанные с электрической активностью мышц.

В случае, если планируется исследовать высокочастотную ЭЭГ, ФНЧ может устанавливаться на уровне 70, или даже 100 Гц, однако в этом случае требуется предпринять дополнительный шаг и применить к записи полосно-заграждающий фильтр частотой 50 Гц. Это необходимо для избавления от наводки электрической сети, питающей усилитель переменным током как раз с частотой 50 Гц. Стоит отметить, что частота переменного тока 50 Гц является стандартной для России, но в других странах может отличаться, например, в Северной Америке стандартом является переменный ток с частотой 60 Гц, о чём важно помнить при обработке данных, полученных из зарубежных лабораторий.



Рис. 10. Запись после фильтрации в диапазоне 0.3-45 Гц.

Очистка сигнала от глазодвигательных артефактов (рис. 11).

...