Синхронная активность нейронов в коре головного мозга генерирует слабые электрические поля, которые обычно фиксируются на моделях человека и животных с помощью электроэнцефалографии и локальных записей вызванных потенциалов. Традиционно, эти эндогенные электрические поля считаются эпифеноменом активности мозга. Нейронные сети коры восприимчивы к слабым колебаниям мембранного потенциала , то есть на большое число нейронов оказывают влияния электрические поля. Неинвазивная стимуляция мозга слабыми экзогенными электрическими полями (транскраниальная стимуляция тока - TCS) сегодня переживает ренессанс из-за широкого спектра возможного модулирования активности мозга с целью когнитивного улучшения и лечения нейропсихиатрических расстройств головного мозга.
Мозг, как и любая сложная система, может быть изучен и смоделирован на разных уровнях, определяемых интересующей исследователя пространственно - временной шкалой. Например, функция мозга может быть исследована на микроскопическом или молекулярном масштабе (клеточной биологии), чтобы понять функцию конкретной сигнальной молекулы, участвующей в функциональной активности нейронов. Альтернативно, мозг можно исследовать на уровне целых областей мозга путем проведения неинвазивной функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ) с целью измерения изменений уровня кислорода в крови в качестве косвенного маркера активности нейронов. Эти два примера, один микроскопический и один макроскопический, иллюстрируют не только различия в научных методах, но также различия в пространственном масштабе, которые отличают эти (не менее важные) уровни исследования. Только интеграция исследований во всех пространственных масштабах, вероятно, позволит нам фундаментально понять, как работает мозг (т. е. «вертикальная интеграция»).
Неинвазивная стимуляция головного мозга предлагает удобный инструмент прямого воздействия на уровне нейонной сети с целью изменения пространственно - временной активности нейронов. За исключением нескольких новых и довольно слабо понятых подходов к стимуляции мозга, например, таких как ультразвук или лазер , подавляющее большинство неинвазивных стимулов мозга основано на применении электрических и магнитных полей для модуляции активности нейронов , однако, электротерапия требует рационального дизайна для разработки нового поколения нейротерапевтических средств лечения психических заболеваний. Запись биоэлектрической активности мозга ( электроэнцефалограмма) представляет собой инструмент для прямого нацеливания ( навигации) на уровень сети нейронов. С момента развития электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в начале 20-го века мы знаем, что сетевая активность мозга также генерирует собственные, эндогенные электрические поля.
Нейронная сигнализация основана на генерации и передаче электрических импульсов, которые можно себе представить как основную информационную единицу оценки активности головного мозга. Каноническая модель обработки нейронной информации основана на представлении о том, что изменения электрического потенциала внутри нейронов относительно постоянного электрического потенциала вне нейрона определяют напряжение мембраны и, следовательно, функциональное состояние отдельных нейронов. Тем не менее, подавляющее большинство исследований в области нейрофизиологии основано на измерениях изменений внеклеточного напряжения, таких как классическая ЭЭГ, широко используемая как в клинических, так и в фундаментальных научных исследованиях, и локальном полевом потенциале (LFP) (инвазивная регистрация внеклеточного напряжения обычно выполняется в исследованиях на животных в области нейробиологии). Эти флуктуации внеклеточного напряжения представляют собой эндогенное электрическое поле и отражают активность большого числа (синхронизированных) нейронов; они послужили основой для многочисленных открытий о физиологических и патологических состояниях головного мозга. Электрические сигналы обычно считаются эпифеноменом в нейронауке в том смысле, что эндогенное электрическое поле не играет никакой функциональной («активной») роли как таковой, а скорее представляет собой удобный для измерения побочный продукт активности нейронной сети в пользу исследователя или клинициста, которые измеряют деятельность мозга. Эндогенные электрические поля сравнительно малы по величине (около 1 В / м) и поэтому вряд ли обладают достаточной мощностью, чтобы напрямую модулировать сигналы нейронных сетей, чем то, что было бы необходимо для активации нейрона (т. е. эти поля неспособны довести нейрон до порога ответа от состояния покоя, обычно, около 20 мВ).
В истории электротерапии эффекты экзогенных электрических полей («поляризация») оценивались in vivo. Используемые амплитуды поля обычно составляли порядка 10-100 В / м, при которых были обнаружены заметные эффекты на уровне одной сети нейронов. Важно отметить, что эффекты , обнаруженные для этих амплитуд высокой стимуляции не исключает возникновение более тонких изменений , функционально соответствующих изменений корковой активности сети в ответ на более слабую стимуляцию, как недавно показано , на моделях животных. Возможность создания препаратов среза, анализ in vitro активности клеточной и локальной сети, значительно расширило понимание механизмов, с помощью которых клеточные и синаптические свойства взаимодействуют с целью формирования функциональных схемактивности в головном мозге. Тонкие срезы живой мозговой ткани поддерживаются in vitro для целенаправленных записей биоэлектрической активности с использованием стеклянных электродов для внутриклеточных исследований и металлических электродов для внеклеточных измерений активности нейронов. Использование этого метода с целью изучения роли электрических полей оказалось плодотворным и привело к серии исследований, которые показали, что слабые электрические поля модулируют активность нейронов. В частности, подготовка среза позволила провести : (i) относительно точную дозиметрию для измерения стойкости приложенного электрического поля; (ii) надежная регистрация небольших изменений напряжения мембраны отдельных нейронов; и (iii) возможно, самое главное, относительная изоляция влияния электрических полей от других смешающих факторов, присущих интактному препарату.
Интересно отметить, что эти исследования в основном были сосредоточены на гиппокампе грызунов, популярной области мозга для исследований электрофизиологии среза из-за относительной простоты схемы. Основная проблема выбора этой модельной системы в контексте электрических полей - очень высокая плотность клеток в гиппокампе грызунов, в результате чего внеклеточная "объемная доля" исключительно мала. Поэтому внеклеточное удельное сопротивление и эффекты внеклеточного тока / напряжения потенциально уникальны. Адаптация этих данных к неокортексу других высшие млекопитающие, таких как хорьки, кошки, приматы и люди с более низкой плотностью клеток в гиппокампе и неокортексе, остаются достаточно сложными для исследователя. Тем не менее, эти работы представили важные доказательства того, что слабые электрические поля могут оказывать выраженное влияние на нейронную активность, особенно тогда , когда нейроны близки к порогу ответа (либо путем воздействия тока, либо с помощью собственной сетевой активности). В частности, была сформулирована важная концепция, согласно которой возмущения напряжения мембраны электрическими полями модулируют синхронизацию импульсов вместо изменения общих уровней активности (для которых необходимы более сильные воздействия ). Эти исследования также способствовали «возрождению» современной транскраниальной стимуляции током (TCS, в основном транскраниальная стимуляция постоянным током, tDCS). В tDCS, слабое электрическое поле генерируется экзогенно приложением тока для изменения модуляции нейронной активности. Тем не менее, наиболее сложный аспект вопроса о возможной роли эндогенных электрических полей за пределы простого эпифеномена остается без внимания. отсюда возникают вопросы : каковы эффекты слабых, зависящих от эндогенной или экзогенной активности электрических полей (т. е. «обратная связь»), таких как те, которые происходят in vivo во время модулирования синхронной активности?
Обратная связь относится к любой системе, получающей сигнал на входе, который не является предопределенным , но скорее зависит от поведения самой системы.Технология управления - высокоэффективная отрасль техники, которая разрабатывает алгоритмы управления обратной связью сложных систем, таких как самолеты и химические заводы. В сущности, эти алгоритмы обрабатывают измерения в реальном времени, такие как скорость или температура, и определяют, какой лучший вход («управляющий сигнал») должен достичь определенного поведения системы, например, плавая посадка самолета или индуцирование конкретной химической реакции. Такие системы управления с обратной связью также отмечаются и в биологии, поскольку обратная связь представляет собой фундаментальный подход к поддержанию гомеостаза, в широком смысле этого слова. Так, регулировка выделения инсулина для контроля сахара в крови является одним из многочисленных примеров такого регулирования обратной связи в биологических системах.
Возвращаясь к электрическим полям, генерируемым нейронной активностью, можно поставить вопрос, обладают ли электрические поля «обратной связью» . Другими словами, усиливется ли это динамическое эндогенное электрическое поле, которое отслеживает активность эндогенной сети (т. е. происходит in vivo в интактном мозге)? Изучение систем обратной связи представляет собой экспериментально сложную задачу, которая часто достигается путем так называемого подхода «разделение временных масштабов», когда система по существу изучается без сигнала обратной связи, и диапазон сигналов прямого доступа оценивается индивидуально. Поведение системы обратной связи затем восстанавливается путем формирования составной части ответных реакций системы. Например, концентрация внеклеточного калия во внеклеточном пространстве колеблется в зависимости от активности нейронов. Однако, в случае эндогенных электрических полей этот подход не подходит, поскольку электрическое поле изменяется в том же масштабе времени, что и активность нейронов. В результате этих технических и концептуальных трудностей возможная роль эндогенных электрических полей в формировании активности нейронной сети остается неясной.
Недавно разработанное техническое решение для преодоления этих препятствий позволило провести прямую оценку роли обратной связи эндогенных электрических полей в зависимости от динамики кортикальной сети. В частности, гибридный подход, который комбинировал подготовку биологического среза и аналоговую электронику, использовался для обеспечения зависящих от активности (обратной связи) электрических полей посредством экзогенной стимуляции.
В общем, деятельность по удалению была обработана в режиме реального времени, чтобы сформировать низкочастотную отфильтрованную форму сигнала, которая отслеживала бы "пикирующую активность" («имитированное эндогенное электрическое поле»).
Добавить комментарий