УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2015, том 46, № 2, с. 24-45
УДК 612.65 + 612.82+ 612.821
ДВОЙСТВЕННОСТЬ ПРИРОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
ГОЛОВНОГО МОЗГА (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ), ОТВЕДЕННЫХ ПОЛЯРИЗУЕМЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ИЗ ИНЕРТНЫХ МЕТАЛЛОВ
© 2015 г. А. Г. Дубинин1, В. П. Реутов2, М. М. Свинов2, Г. И. Трошин3,
Т. Б. Швец-Тэнэта-Гурий2
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва;
2Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва;
3ОАО "Научно-производственный центр "ВИГСТАР", Москва
В современной нейрофизиологии утвердилось мнение о том, что электрические сигналы головного мозга в полосе частот от постоянного тока до электроэнцефалограммы, отведенные металлическими проводниками из инертных металлов, вживленными в головной мозг, формируются исключительно за счет изменений в электрическом поле мозга. В данной работе представлен обзор литературы и собственных данных, согласно которым в формировании этих сигналов принимают участие два фактора. Один фактор - это изменения в заряде двойного электрического слоя электрода, имеющего свойство конденсатора и изменяющего величину своего заряда при изменениях в электрическом поле объемного проводника - головного мозга. Другой фактор - это электрохимический сигнал, определяемый локальными изменениями в окислительно-восстановительном потенциале (Е) нейронно-глиальных популяций, окружающих электрод. В работе приведен обзор электрических и электрохимических свойств электродов из инертных металлов, используемых в электрофизиологии. Показано, что каждый из этих факторов имеет свои характерные параметры по времени и амплитуде. Приведены данные собственных исследований локальных изменений Е коры головного мозга, сопровождающих реакцию головного мозга на вживление электродов в кору мозга, естественное поведение животных в циклах бодрствования - сна, интегративную работу мозга и действие фармакологических препаратов. Эти результаты позволяют судить о высокой информативности исследования локальных изменений Е головного мозга в целях изучения энергетического метаболизма мозга бодрствующих животных и закладывают основы для изучения локальных изменений энергетического метаболизма мозга в условиях свободного поведения животных.
Ключевые слова: головной мозг, поляризуемые электроды, инертный металл, электрическая активность, окислительно-восстановительный потенциал, поведение
ВВЕДЕНИЕ
Изучение электрической активности головного мозга было начато с исследования тока покоя и отрицательного колебания тока покоя коры головного мозга [66], т.е. с электрических сигналов, которые согласно их длительности относят к "медленным изменениям" потенциала головного мозга [79], к изменениям в поле "постоянного тока" мозга [78, 107] и к изменениям "уровня постоянного потенциала" мозга [26, 29]. Еще на заре развития электрофизиологии исследователям было известно, что использование металлического проводника, находящегося в прямом контакте с тканью живого объекта, не дает возможности
зарегистрировать длительный электрический сигнал объекта. Это связано с тем, что при прохождении тока в цепи отведения происходит накопление зарядов на границе металл - электролит отводящих электродов. Электроды поляризуются, и движение зарядов в цепи регистрации электрической активности мозга прекращается. Однако разность потенциала между точками мозга расположения электродов остается. За это свойство металлический проводник в прямом контакте с объектом и был назван "поляризуемым электродом". В целях преодоления этого препятствия в середине XIX в. известный немецкий физиолог Дюбуа-Раймон [66] разработал для электрофизиологических исследований электрод, кото-
рый был назван "неполяризуемым электродом". У электродов такого рода металл отделен от электролита ткани прослойкой водного раствора соли или прослойкой плохо растворимой соли данного металла. В условиях отведения электрического сигнала от живого объекта парой таких электродов накопление зарядов на границе металл-электролит электрода отсутствует, поскольку происходит прямой ионно-электронный обмен между металлом и электролитом электрода. Со времени открытия изменений в поле постоянного тока головного мозга [78, 79, 107], эти изменения широко признаны с одной стороны как индикатор уровня активности мозга, а с другой стороны как регулятор активности нейрон-но-глиальных комплексов мозга. Естественно, что нейрофизиологов чрезвычайно интересовал вопрос о возможности регистрации постоянных потенциалов головного мозга непосредственно от ткани мозга в хронических исследованиях. Для этой цели экспериментаторами был разработан целый ряд неполяризуемых электродов разных типов [34], позволяющих работать на животных в хронических условиях эксперимента. Однако применение неполяризуемых электродов в хронических исследованиях постоянных потенциалов головного мозга человека пока остается невозможным, поскольку неполяризуемые электроды нельзя стерилизовать согласно медицинскому стандарту, а само длительное присутствие вживленных неполяризуемых электродов в ткани мозга сопровождается воспалительным процессом [126].
В целях преодоления этих трудностей ряд исследователей, пренебрегая накопленным примерно за 200 лет опытом электрофизиологии, начал использовать серебряные, золотые, платиновые и карбоновые электроды для изучения изменений в поле постоянного тока мозга человека и животных при прямом контакте проводника с головным мозгом. В этих исследованиях были обнаружены электрические сигналы с амплитудой до нескольких милливольт, десятков и сотен милливольт и длительностью от секунд до минут и более, которые были рассмотрены ими как медленная или сверхмедленная электрическая активность мозга [1, 4, 5, 7, 12, 13, 24, 27, 28, 30, 51], хотя, согласно стандартам обширной области электродных процессов [6] эти факты в условиях отведения поляризуемыми электродами не могли быть рассмотрены как результат электрической активности мозга. Однако и до настоящего времени металлические проводники в прямом контакте с головным мозгом ошибочно, по нашему мнению,
используют для отведения изменений в поле постоянного тока мозга или сверхмедленных процессов головного мозга как у животных [14, 25, 71, 72], так и в исследованиях с человеком, при изучении медленных электрических процессов в мозге, сопровождающих интегративную деятельность человека и патологические процессы, имеющие место в мозговой ткани [3, 54, 59, 62, 65, 89, 91, 97, 103, 106, 111-113, 118].
Причиной подобного подхода к объяснению приведенных выше фактов было то обстоятельство, что из поля зрения группы этих исследователей полностью ушел тот факт, что в биохимии электроды из инертных металлов, погруженные в исследуемый образец или в живую ткань, уже давно используются для потенциометрической оценки окислительно-восстановительного потенциала (Е) самых различных объектов. Этот потенциал рассматривается как показатель изменений в энергетическом метаболизме данного объекта [20, 55, 76, 109]. Более детально история применения потенциометрического измерения Е как индикатора изменений в энергетическом метаболизме, сопровождающих физиологические процессы в самых разнообразных объектах приведена в работе [35].
Полагается хорошо установленным, что для головного мозга основным субстратом энергетического метаболизма является глюкоза, а источником формирования окислительно-восстановительного состояния Е головного мозга служит обратимая окислительно-восстановительная пара пируват/ лактат, которая является центральным звеном в цепи энергетического метаболизма мозга, поскольку представляет собой конечный продукт гликолиза и субстрат оксидативного метаболизма [104, 122]. Таким образом, Е служит индикатором баланса между двумя энергетическими компарт-ментами: гликолиза и оксидативного метаболизма. По сравнению со сложной в интерпретации картиной электрической активности объемного проводника - мозга Е, отведенный электродом из инертного металла, отражает локальные события в энергетическом метаболизме нейронно-глиаль-ных популяций, окружающих электрод.
Мониторинг окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) головного мозга, отведенного вживленными электродами из инертного металла, у человека (золото) [8, 15] и Е коры мозга животных (платина) [32, 33, 44, 45, 47, 49, 74, 87] дал возможность обнаружить, что интегративная работа головного мозга, циклы бодрствования и сна, и патологические процессы сопровождаются длительными (от нескольких секунд до нескольких минут
и более) локальными сдвигами Е головного мозга с амплитудой, достигающей 100 мВ и более, которые позволяют судить об интенсивности и характере изменений в энергетическом метаболизме мозга, сопровождающих эти формы работы мозга.
Таким образом, в нейрофизиологии возникла критическая ситуация, которая состоит в том, что длительные (свыше трех секунд) электрические сигналы одними исследователями рассматриваются как изменения в поле постоянного потенциала мозга, а другими как локальные изменения в Е мозга, т.е. в его энергетическом метаболизме. Особую остроту вопрос о происхождении медленного потенциала, отведенного от мозга металлическим проводником, приобрел за последнее десятилетие. Дело в том, что в нейрофизиологии появился метод (метод функциональной магни-торезонансной томографии - фМРТ), который дал возможность в реальном масштабе времени отслеживать изменения в уровне оксигенации локального кровотока головного мозга. Применение этого метода позволило обнаружить, что во время оперативного покоя (функционального состояния головного мозга между применяемыми тестами) в локальных уровнях оксигенации кровотока в коре мозга человека возникают медленные осцилляции с частотой <0,1 Гц, синхронные в тех фокусах коры, в которых наблюдались локальные синхронные изменения уровня оксигенации кровотока во время выполнения теста [56]. В настоящее время широко распространена гипотеза о том, что эти синхронные сверхмедленные осцилляции в энергетическом метаболизме являются индикатором функциональных связей в нервной сети головного мозга [94].
Естестве
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.