ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2007, том 57, № 5, с. 636-640
ИЗ ИСТОРИИ НАУКИ =
Посвящается 100-летию со дня рождения М.Н. Ливанова
РАЗГАДЫВАЯ ТАЙНЫ РИТМОВ МОЗГА
© 2007 г. А. М. Иваницкий, А. Н. Лебедев
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН
Еще во времена Исаака Ньютона англичанин Дэвид Гартли утверждал, что материальной основой внутреннего мира человека служат некие периодические телесные процессы. Тайну ритмов мозга, их связь с психикой раскрыли выдающийся русский ученый академик Михаил Николаевич Ливанов (1907-1986), его ученики и последователи.
На старте. М.Н. Ливанов родился 20 октября 1907 г. в Казани в семье крупного ученого-биолога. Его отец, Николай Александрович Ливанов, опубликовал в 1840 г. капитальный труд "Пути эволюции животного мира". Мать, Наталья Александровна, была профессиональным художником, учителем в средней школе. Михаил Николаевич учился в знаменитом Казанском университете, где получил не только биологическое образование, но и параллельно техническое. Его учителем был А.Ф. Самойлов, один из основоположников мировой электрофизиологии.
Михаил Николаевич одним из первых, вслед за немецким психиатром Гансом Бергером, своими руками создал отечественный электроэнцефалограф - прибор для записи электрических потенциалов мозга, так называемой электроэнцефалограммы (ЭЭГ). До открытия ЭЭГ мозг представлял собой как бы "черный ящик": изучать его можно было, только сравнивая действующие сигналы и ответ организма. ЭЭГ позволила заглянуть внутрь этого ящика, узнать, как действует мозг. Работу по созданию отечественного электроэнцефалографа Ливанов начал еще студентом, а завершил в Москве, где по окончании университета работал в Боткинской больнице сначала практикантом, а затем физиком-механиком. В 1933 г. он стал заведующим лабораторией электрофизиологии в Институте мозга [1]. Снимал жилье в поселке Жаворонки под Москвой. Вставать приходилось в четыре часа утра, ехать на работу в пригородном поезде, чтобы успеть к первым московским трамваям.
Дискретность волновых нейронных процессов. Первые записи ЭЭГ были сделаны в Институте мозга. Поскольку ЭЭГ отражает суммарную активность большого числа нервных клеток, можно было ожидать, что она будет выглядеть как неупорядоченная кривая, напоминающая кривую белого шума. Но еще Бергер понял, что это не так. На ЭЭГ можно было четко различить некоторые основные ритмы. Изучению этих ритмов и посвятил свою жизнь Ливанов. Так, в середине 30-х годов прошлого века были впервые построены спектры мощности фоновых колебаний биопотенциалов в коре мозга кроликов. Молодой ученый сделал важное наблюдение. Оказалось, что одна из частот (у кроликов около 5 Гц, а у человека около 10 Гц) имела наибольшую мощность. По бокам этого пика были впадины, а частоты следующих пиков менялись скачкообразно, причем частота предыдущего отличалась от частоты последующего на определенную величину, равную 5-15% от частоты главного, доминирующего пика. Михаил Николаевич перепроверил свое открытие в опытах с вызванными потенциалами - электрическими колебаниями, возникающими в ответ на внешний сигнал. Стимулами служили световые вспышки, звуковые щелчки, удары слабым электрическим током.
Использовал Ливанов и более сложные сигналы - постепенно нарастающие по частоте световые вспышки. Интервалы между вспышками соответствовали вначале периодам самых медленных колебаний ЭЭГ, около 1-3 Гц (дельта-ритм), затем частота плавно повышалась до 8-13 Гц (альфа-ритм) вплоть до 30 Гц и выше (бета-ритм, гамма-ритм). Был обнаружен феномен так называемого усвоения ритма: частота волн ЭЭГ следовала за частотой стимуляции. Однако такое усвоение ритма не было простым повторением плавно нарастающей частоты стимуляции. Оказалось, что определенный период колебаний ЭЭГ скачкообразно сменялся другим периодом, как только длительность ин-
тервалов между стимулами становилась отличной от длительности предыдущих на 10% [2].
Все эти находки поставили вопрос: чем же вызваны скачкообразные изменения частоты ЭЭГ? Ответ надо было искать в более тщательном изучении спектров электрической активности мозга. Был использован метод, незадолго до того разработанный русским физиологом H.A. Бернштейном. Это был тяжелый ручной труд, но он привел к очень важным результатам. Оказалось, что ЭЭГ состоит из четко различающихся частотных составляющих, которые, как можно было предположить, отражают активность отдельных нервных ансамблей. При постепенном повышении частоты стимуляции нервные ансамбли как бы передают эстафету от одной группы клеток к другой.
Это открытие связало электрическую активность мозга с другим фундаментальным положением, сформулированным основоположниками российской нейрофизиологии H.E. Введенским и A.A. Ухтомским. Исходя из данных о ритмической природе нервного возбуждения, они ввели понятие функциональной лабильности. Было показано, что каждая нервная структура имеет свою частоту, на которой она работает, причем совпадение ритмов двух различных структур является основой для образования связей, обмена информацией между ними. Все это, однако, было изучено преимущественно на сравнительно простых нервных препаратах. Открытие Ливанова заключалось в том, что он установил: эта же закономерность применима к работе и головного мозга, и его наиболее совершенного образования - мозговой коры. Он показал, что частота ритмов ЭЭГ как раз и отражает этот важный параметр работы нервных структур [3].
Таким образом, было установлено, что информация в мозге кодируется в виде ритмической активности нервных ансамблей. "Музыку мозга" исполняет оркестр, состоящий из большого числа групп нервных клеток, каждая из которых ведет свою партию, вливающуюся в общий поток гармоничной (а при болезни и дисгармоничной) работы мозга. Используем и такое сравнение. На скрипке в пределах диапазона ее звучания можно взять звук любой высоты, все зависит от того, где палец исполнителя прижмет струну к грифу. Напротив, на рояле звук дискретен, промежуточного между двумя клавишами звука извлечь невозможно. Ливанов показал, что мозг работает по принципу рояля, а не скрипки. (Заметим в скобках, что Ми-
хаил Николаевич сам был неплохим пианистом.)
Результаты этих исследований легли в основу докторской диссертации Ливанова "Биоэлектрические явления в центральной нервной системе". Она была защищена накануне войны, в 1941 г. Работая в Москве во время войны и в послевоенные годы, Михаил Николаевич много сил отдал решению практически важных задач, в частности, создал метод функциональной диагностики при черепно-мозговых ранениях ("кривые реактивности" по Ливанову). Другим важным направлением его научной деятельности было изучение действия ионизирующей радиации на нервную систему. Эта тематика в то время была очень актуальной: в стране зарождалась атомная промышленность и энергетика, создавался ядерный щит страны. И здесь Ливанов сделал важное открытие. В то время считалось, что нервные клетки, в принципе, мало уязвимы для рентгеновских лучей. Ведь эти лучи действуют преимущественно на молодые клетки, на чем основано и применение радиации для лечения онкологических заболеваний. Нервные же клетки, наоборот, высоко дифференцированы. Оказалось, что все не так просто. Ливанов установил, что нервная система действительно достаточно резистентна к повреждающему действию излучений, но в то же время она высоко чувствительна к ним, отвечает даже на малые дозы излучений изменениями функционального состояния [4]. Эта работа была выполнена в стенах Института биофизики АМН СССР.
Электроэнцефалоскоп. Работая в Институте биофизики, М.Н. Ливанов вместе с инженером В.М. Ананьевым создал методику множественной регистрации биопотенциалов мозга. Ананьев вспоминал, что первоначально Михаил Николаевич обратился к нему с предложением сделать не одно- и не двухканальный электроэнцефалограф, а хотя бы восьмика-нальный. Во время беседы М.Н. Ливанова и В.М. Ананьева с А.В. Лебединским, директором Института биофизики, последний спросил, сможет ли поступающий на работу инженер создать действительно многоканальную установку, например из 50 каналов (это была мечта Михаила Николаевича). Что нужно для этого сделать? Ананьев ответил, что сможет, если на оборудование и материалы выделят дополнительно около 3 тыс. руб. (стоимость легковой машины в 1950-е послевоенные годы). Согласие руководства было получено, и первый 50-канальный электроэнцефалоскоп (иногда его
называли короче - топоскоп) конструкции Ливанова-Ананьева был создан [5].
Это был фантастический для того времени прибор, ибо электроэнцефалографы лучших зарубежных фирм имели до 16 каналов. Как всегда у Ливанова, решение было нестандартным. При изобретении электроэнцефалоскопа использовался совершенно новый принцип: сканирующее устройство последовательно снимало значения потенциалов в 50 точках поверхности кожи головы (или с поверхности мозга через вживленные электроды животного). Поскольку скорость сканирования была выше частот ЭЭГ, оно не вносило искажений в регистрируемую активность мозга. Наблюдать за работой электроэнцефалоскопа было завораживающим зрелищем. На экране осциллографа мелькали, как звезды на ночном небе, точки, отражающие активность мозга. На одной из первых демонстраций прибора особый восторг у присутствующих вызвала картинка, показывающая выработку условного рефлекса. На ней было видно, как светящаяся дорожка пробегала от зрительной коры к двигательным центрам кролика.
В 1957 г. на Международной выставке в Брюсселе, когда впервые Запад был широко ознакомлен с важными разработками, ведущимися в СССР, топоскоп конструкции Ливанова-Ананьева получил самую высокую награду -большую золотую медаль. Отечественный топоскоп оказался лучше другого, известного в мире топоскопа конструкции англичанина Г. Уолтера.
Вскоре один из авторов этих строк (А.Н. Лебедев) стал аспирантом Михаила Николаевича. Это произошло осенью 1960 г. Однажды у себя дома Ливанов показал ему, казалось бы, идентичные золотые медали, полученные за топо-скоп, размером примерно с ладонь. Однако одна из них была лишь позолоченной к
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.