Нейрофизиологические исследования мозга и влияние препаратов на его активность

Для пациента и его родственников

Что из себя представляют электроэнцефалография и магнитоэнцефалография?

Активность мозга включает изменения в электрических и магнитных полях, от которых зависит состояние психической сферы и поведение человека.  Эти изменяющиеся во времени поля могут быть зарегистрированы на коже черепа человека, что сегодня предоставляет нам электроэнцефалограмма (ЭЭГ) и магнитоэнцефалограмма (МЭГ). Несколько датчиков, покрывающих большую часть головы, формируют основу для построения изменяющихся во времени распределений сигналов (по всей голове) или топографий для ЭЭГ, МЭГ, вызванных потенциалов или полей. В свою очередь, эти топографии служат основой для вывода внутричерепных генераторов (или «источников») сигналов, зарегистрированных на коже черепа.

Почему ЭЭГ и МЭГ в сочетании с функциональной магнитно-резонасной томографии более информативны чем каждый из этих методов в отдельности? 

Для ЭЭГ вызванные сигналы это обременительное предприятие из-за ограниченного пространственного разрешения, а также из-за недоопределенности проблемы. На практике относительная локализация осуществима; абсолютная локализация должна быть добавлена ​​другими методами, такими как функциональная магнитно-резонасная томографии (что было успешно доказано в некоторых случаях, например, «негативность, связанная с ошибками)

Какие преимущества недостатки ЭЭГ по сравнению с другими нейрофизиологическими метода исследования?

В случае ЭЭГ регистрируемый сигнал является результатом объемной проводимости электрического компонента активности нейронов, а именно постепенного увеличения и уменьшения постсинаптических потенциалов по всей коре головного мозга (за очень редкими исключениями, информация о подкорковых структурах мозга в ЭЭГ или МЭГ отсутствует).  При объемной проводимости существует лишь микроскопическая задержка между активностью мозга и ее отражением в сигнале, записанном электродом. Величина этой задержки намного ниже уровня миллисекунд, который характеризует временную шкалу большей части нейрофизиологической активности. Таким образом, по сравнению с другими измерениями активности человеческого мозга, ЭЭГ и МЭГ имеют высокое временное разрешение: изменения активности можно отслеживать на основе миллисекунд. Однако, по сравнению с некоторыми другими методами, ЭЭГ имеет более плохое пространственное разрешение:  менее точно указывает, где в мозге локализуется активность. Это в основном происходит из-за слабой проводящей способности черепа, что существенно размывает электрические сигналы от мозга, когда они регистрируются с кожи головы.

Какие модификации ЭЭГ расширяют диагностические возможности этого метода исследования активности мозга?

Электроэнцефалография и магнитоэнцефалография отражают спонтанную активность мозга, но могут также исследователь реакцию мозга на определенные события: потенциалы, связанные с событиями ( когнитивные, сенсорные, звуковые и слуховые стимулы) и поля, связанные с событиями. Кроме того , различные функциональные пробы, например, стимуляция светом и звуком. гипервентиляция ( гиперкапния мозга) и реакция мозга на значимые стимулы ( например, стресса), суточный мониторинг ЭЭГ  расширяет диагностические возможности этих нейрофизиологических методов исследования. 

Каким образом сети нейронов генерируют магнитные поля и как их можно обнаружить? 

Магнитоэнцефалография основана на принципе, что любое изменение электрической активности влечет за собой изменение магнитного поля. Нервные клетки также генерируют внутриклеточный ток от дендритов к телу клетки, что приводит к возникновению магнитного поля, которое можно обнаружить на коже головы с помощью датчиков SQUID (сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство).

Какие плюсы и минусы магнитоэнцефалографии?

Уникальной особенностью метода МЭГ является относительная прозрачность черепа, кожи головы и мозговой ткани для магнитных полей. Магнитные сигналы не страдают от слабой объемной проводимости, и поэтому МЭГ обеспечивает гораздо более высокое пространственное разрешение. Кроме того, МЭГ не имеет опорного значения, тогда как ЭЭГ зависит от местоположения опорного участка. МЭГ также является комплементарной ЭЭГ, поскольку она чувствительна только к току, который параллелен черепу (как в большинстве кортикальных борозд, но не на гребнях извилин). 

Каким образом современные модификации магнитоэнцефалограммы способствуют лучшей диагностике психических и неврологических расстройств? 

В последние годы была разработана аппаратура для устройств МЭГ и построено более 300 канальных устройств для всей головы. В частности, эти устройства могут использоваться для точного вычисления распределения мозговой активности как функции времени. Уникальное сочетание характеристик МЭГ включает ее неинвазивность, простые и быстрые процедуры, хорошую точность в определении источников и превосходное временное разрешение. Моделирование источника МЭГ с ограничениями МРТ помогает локализовать активацию определенных корковых структур.

Можно ли по данным ЭЭГ и МЭГ оценить влияние на мозг пациента однократного приема психотропного препарата?

Прием однократной дозой психотропного препарата, может не раскрыть весь спектр возможных эффектов как самого препарат, так и его метаболитов.Один из способов учесть возможный ограниченный диапазон эффектов-  использовать однократные дозировки, для которых эффекты на когнитивные способности или функцию мозга были уже установлены в предыдущих исследованиях. 

Почему на ЭЭГ и МЭГ мы видим в первую очередьизменения в таких системах нейромедиаторов как гамма-аминомаслянная килсота и глутамат? 

Эффекты лекарств могут отражать глобальную седацию или активацию, а не конкретную модуляцию нейротрансмиттерной функции, на которую они были направлены. Например, антихолинергические препараты снижают функцию памяти и потенциалы мозга, связанные с событиями, связанными с памятью, но это также может быть косвенным эффектом их седативного качества. Один из подходов к этой проблеме заключается в том, чтобы включить дополнительное контрольное условие с другим седативным веществом, которое, однако, нацелено на другую нейротрансмиттерную систему, которая не участвует в функции памяти (Curran, H.. et.al., 1998). 

Для врача

Почему использование вызванных потенциалов и полей позволяет оценить когнитивные, аффективные функции и поведение пациента в терминах активности мозга?

Использование потенциалов, связанные с событиями и полей позволяет перефразировать вопросы о предполагаемых когнитивных функциях в терминах мозговой активности, что обеспечивает более объективную основу для выявления механизмов, лежащих в основе психического расстройства и эффектов психотропных препаратов. Извлечение информации из относительно небольших вызванных потенциалов и полей из ЭЭГ использует тот факт, что они привязаны по времени к дискретным событиям, таким как стимулы. Это исследование включает в себя достаточное количество повторных измерений и применение метода усреднения сигнала и основано на гипотезе, согласно которой фоновая запись ЭЭГ и МЭГ не имеет фиксированной временной связи с моментом времени, в который был представлен стимул; с другой стороны, вызванные потенциал ыи поля имеет гораздо более постоянный временной ход относительно стимула (Kenemans J., Kähkönen S., 2011). 

Почему ЭЭГ и МЭГ лучше характеризуют эффекты антогонистов, чем агонистов различных систем нейротрансмиттеров? 

Оценить влияние психотропные препаратов на мозг пациента довольно сложно. Влияние различных факторов могут скрывать эффекты лекарств. Так, назначение агонистов (например, дофамина) здоровым добровольцам может не дать ожидаемого эффекта, поскольку функция нейротрансмиттера уже оптимальна в условиях плацебо. В этом случае для установления связи между системой нейротрансмиттера и функцией мозга лучше подходят антагонисты. Напротив, для людей с субоптимальной функцией мозга (например, пациентов или лишенных возможности курить) агонисты иногда могут быть подходящим выбором.  Кроме того, существуют многочисленные сообщения о здоровых людях с низким исходным баллом для определенной функции, которые реагируют благоприятно на агонистическую манипуляцию, тогда как люди с высокими исходными баллами этого не делают (De Wit, H.,et.al., 2002). 

Что характеризует P50 слухового вызванного потенциала? 

Подавление P50 относится к простому контекстуальному эффекту: повторение через 500 мс одного слухового стимула приводит к меньшему вызванному слуховому потенциалу для этого стимула; это ослабление видно уже через 50 мс после стимула, как уменьшенное положительное отклонение по слуховой коре. Отчеты о подавлении P50 подчеркивают нисходящие влияния, но нельзя исключать и восходящий, внутренний слуховой корковый механизм.  Исследование Knight, R., et.al. (1999) показало, что P50 на самом деле больше у пациентов с латеральными префронтальными поражениями, не отличается для теменных поражений и меньше для височных поражений.  Это можно понять, только предположив ингибирующие сигналы от фронтальной к слуховой коре, которые подавляют P50, особенно при многократном повторении одного и того же, совершенно нейтрального слухового стимула. Исследования локализации электрического источника выявили верхнюю фронтальную реакцию на первый (обусловливающий) стимул, в дополнение к активации слуховой коры (Oranje, B., et.al., 2006). Эта верхняя фронтальная активация может воплощать тормозной сигнал для слуховой коры, который может подавлять реакцию слуховой коры на второй (тестовый) стимул. 

Для исследователя

Как записываются вызванные потенциалы мозга и его поля? 

Электроэнцефалограммы или магнитоэнцефалограммы , записанные во время и после каждого предъявления стимула, впоследствии подвергаются (сигнальному) усреднению. Например, один и тот же стимул предъявляется в нескольких попытках. В одной попытке фоновый сигнал может находиться в восходящей фазе в момент предъявления стимула, переходя от отрицательного к положительному; во второй попытке он может находиться в нисходящей фазе. Если собрано достаточное количество попыток и амплитуды ЭЭГ и МЭГ в момент предъявления стимула усредняются по всем попыткам, то результат будет приближаться к нулю. Тот же принцип будет справедлив для всех моментов времени после начала стимула. С другой стороны, та часть ЭЭЭГ и /МЭГ, которая конкретно связана с предъявлением стимула имеет фиксированную временную связь с ним. Если в каждом испытании стимул вызывает увеличение негативности, достигающее пика примерно через 100 мс после его предъявления, то усреднение амплитуд по испытаниям через 100 мс после стимула все равно приведет к тому же отрицательному пику. Для полного усреднения фоновой активности достаточно всего двух испытаний. На практике фазовые соотношения изменяются гораздо более случайным образом от испытания к испытанию, и для достаточного снижения фоновой активности требуется гораздо больше испытаний (как правило, n испытаний снижают фоновую активность на √ n ).

Почему исследования вызванных потенциалов и полей позволяет нам оценить сенсорные, когнитивные процессы и нейротрансмиссию на уровне коры мозга?

Исследования вызванных потенциалов и полей позволяют оценить широкий спектр компонентов обработки информации с точки зрения субстратов коры и эффектов влияния психотропных препаратов на различные системы нейротрансмиттеров. В частности, можно рассмотреть регулирующие тормозные механизмы, присущие сенсорной коре; контекстно-зависимые корковые реакции на новые или иным образом потенциально значимые события; электрокортикальные отражения распределения внимания на значимые события, которые играют важную роль в обновлении памяти; и ряд механизмов коры, которые участвуют в переводе перцептивной информации в тенденции действия, а также в регулировании и мониторинге выбора адекватных ответов на относительно сложные требования окружающей среды 

В каком плане исследования в области «электропсихофармакологии» не отличается от психофармакологии?

Психофармакологические исследования часто используют внутрисубъектные перекрестные планы. В зависимости от количества веществ и дозировок количество повторных измерений (сеансы лекарственного/дозировочного состояния) может существенно возрасти. Это может привести к эффектам, которые могут запутать интересующие нас эффекты психотропных препаратов. А. Shelley et.al. (1991) показали, что в течение 6 еженедельных повторных сеансов связанный со вниманием потенциал мозга снижался, особенно от первого ко второму сеансу. Следовательно, последующая оценка влияния препаратов на мозга включало начальное, дополнительное условие плацебо, которое предшествовало всем условиям психофармакологического эксперимента (включая «истинное» условие плацебо). Следовательно, начальное условие плацебо служило просто для вымывания эффекта практики и не было включено в анализ данных. 

Какую информацию предоставляют исследователю мозга коротколатентные и длиннолатентные вызванные потенциалы? 

Коротколатентные вызванные потенциалы могутвыявить ошибки предсказания, так подавление P50 является результатом повышенной точности, основанной на непосредственно предшествующем опыте. MMN является типичным сигналом ошибки предсказания, способствующим повышению точности (Garrido, M., et.al., 2009). Когнитивные потенциалы , в свою очередь, позволяют нам оценить процесс ( скорость, латетный период ) включения коры мозга в обработку внешней информации и интегрально - состояние когнитиных функций ( амплитуда)/  Потенциалы отбора являются результатом повышенной точности в смысле избирательной регулировки синаптического усиления в некоторых путях по сравнению с другими. Наконец, потенциалы мониторинга конфликта можно рассматривать как преимущественно отражающие неожиданность или отрицательное значение, возникающие из-за недостаточной точности (конфликтные тенденции реагирования) или из-за ошибок предсказания (ошибки производительности или отрицательная обратная связь).

Почему подавление P50 и удлиннение латентного периода P350 компонентов вызванного потенциалы дает нам возможность выявить эффекты дофамина и больных шизофренией?

Дефицит подавления P50, как полагают, представляет собой дефицит пропускания или отфильтровывания стимулов, которые лишены новизны, угрозы или другой значимости. Такой дефицит может вызывать перегрузку и может быть центральным для симптомов шизофрении. Действительно, у пациентов с шизофренией наблюдается сниженное подавление P50 (как и у заядлых потребителей марихуаны (Patrick G., et.al., 1999). 

Как антипсихотики влияют на P50?

Прием антипсихотиков в течение 2–4 недель не изменяет этого , что свидетельствует против прямого дофаминергического механизма сниженного подавления P50 у пациентов. Назначение 2 мг галоперидола здоровым добровольцам, получавших кетамин (0,3 мг, внутривенно), привело к нарушению подавления P50. Снижение подавления P50 также было обнаружено для амфетамина, который стимулирует синаптический дофамин и норадреналин. В отличие от отсутствующих эффектов классических антипсихотиков, месячное лечение атипичным антипсихотиком клозапином действительно восстанавливает подавление P50 у большинства пациентов с шизофренией до нормальных значений

Выводы

Активность мозга включает изменения в электрических и магнитных полях, от которых зависит состояние психической сферы и поведение человека. 

ЭЭГ и МЭГ позволяют выявить лишь относительную локализацию очага поражения; абсолютная локализация достигается с помощью функциональной магнитно-резонасной томографии

Электроэнцефалограифя и магнитоэнцефалография отражают спонтанную активность мозга, но могут также исследователь реакцию мозга на определенные события ( вызванные потенциалы и поля)

Исследования вызванных потенциалов и полей позволяют оценить широкий спектр компонентов обработки информации корой мозга и эффектов влияния психотропных препаратов на различные системы нейротрансмиттеров.

Эффекты препаратов могут отражать глобальную седацию или активацию, а не конкретную модуляцию нейротрансмиттерной функции, на которую они были направлены.

Литература 

Curran, H. V., Pooviboonsuk, P., Dalton, J. A., & Lader, M. H. (1998). Differentiating the effects of centrally acting drugs on arousal and memory: an event-related potential study of scopolamine, lorazepam and diphenhydramine. Psychopharmacology, 135, 27-36.

De Wit, H., Enggasser, J. L., & Richards, J. B. (2002). Acute administration of d-amphetamine decreases impulsivity in healthy volunteers. Neuropsychopharmacology, 27(5), 813-825.

Garrido, M. I., Kilner, J. M., Stephan, K. E., & Friston, K. J. (2009). The mismatch negativity: a review of underlying mechanisms. Clinical neurophysiology, 120(3), 453-463.

Kenemans J., Kähkönen S. How Human Electrophysiology Informs Psychopharmacology: from Bottom-up Driven Processing to Top-Down Control. Neuropsychopharmacology. 2011 Jan; 36(1): 26–51. 

Knight, R. T., Staines, W. R., Swick, D., & Chao, L. L. (1999). Prefrontal cortex regulates inhibition and excitation in distributed neural networks. Acta psychologica, 101(2-3), 159-178.

Oranje, B., Geyer, M. A., Bocker, K. B., Kenemans, J. L., & Verbaten, M. N. (2006). Prepulse inhibition and P50 suppression: commonalities and dissociations. Psychiatry research, 143(2-3), 147-158.

Patrick, G., Straumanis, J. J., Struve, F. A., Fitz-Gerald, M. J., Leavitt, J., & Manno, J. E. (1999). Reduced P50 auditory gating response in psychiatrically normal chronic marihuana users: a pilot study. Biological psychiatry, 45(10), 1307-1312.

Shelley, A. M., Ward, P. B., Michie, P. T., Andrews, S., Mitchell, P. F., Catts, S. V., & McConaghy, N. (1991). The effect of repeated testing on ERP components during auditory selective attention. Psychophysiology, 28(5), 496-510.