Физиология высшей нервной деятельности Методы

Методы изучения нервной системы (мозга): морфологические – изучение строения нервной системы биохимические – изучение биохимических процессов в нервной системе физиологические – разрушение, стимуляция, регистрация процессов в работающей нервной системе

Методы изучения поведения: этологические – наблюдение за поведением в естественной среде обитания (либо имитируется естественная среда в лабораторных условиях) условнорефлекторные – изучение обучения животного в строго контролируемых воспроизводимых лабораторных условиях, при воздействии очень ограниченного количества повторяющихся стимулов и изоляции от всех остальных внешних воздействий когнитивные – исследуется поведение в сложных искусственно создаваемых ситуациях в лабораторных условиях; методы ориентированы на изучение способности сразу находить выход из новой ситуации

На практике как правило сочетают несколько методов в одном эксперименте – например, вырабатывают у животного условный рефлекс и при этом регистрируют активность нейронов головного мозга или ЭЭГ, или же ставят перед испытуемым какую-либо когнитивную задачу и при этом получают томографическое изображение его мозга.

Поведенческие методы

Установка для исследования условных слюнных рефлексов по И.П.Павлову (по Э.А.Асратяну, 1974): А внутренняя часть экспериментальной камеры; Б внешняя часть

Схемы экспериментальных установок для изучения условных пищедобывательных рефлексов у животных разных видов (по Л. Г. Воронину, 1965)

Экспериментальная камера («камера Скиннера») с двумя рычагами, двумя лампочками, верхней подсветкой, электропроводным полом и автоматической кормушкой (TSE Systems)

8-лучевой радиальный лабиринт (TSE Systems)

Беговое колесо

Челночная камера

Водный лабиринт, или лабиринт Морриса (слева: до обучения, справа – после обучения)

Водный лабиринт, или лабиринт Морриса (TSE Systems) : компьютерная система видеорегистрации

Исследование рассудочной деятельности животных: установка для определения способности к экстраполяции (работы Л.В. Крушинского). А общий вид установки для опытов с хищными млекопитающими, кроликами и птицами; Б камера для экспериментов с мышами

Эксперимент по оперированию эмпирической размерностью фигур (животное должно догадаться, что пища может быть спрятана внутри объемной фигуры, но не внутри плоской)

Некоторые другие поведенческие методы: Открытое поле Челночная камера Y-образные лабиринты Многоальтернативные лабиринты … и др.

Микроэлектродные исследования

Металлический микроэлектрод в зрительной коре обезьяны.

Выразительный рисунок Куффлера, сделанный в первые годы современного этапа развития нейробиологии. Вооруженный надежным микроэлектродом, Дон Кихот хочет раскрыть секреты нейрона (А), однако оказывается, что нейрон активно защищается (Б). (Kuffler, 1958.)

Матрица микроэлектродов

Стеклянный внутриклеточный электрод

Эксперимент на переживающем срезе мозга

Регистрация одиночных нейронов у человека и сознательное восприятие: испытуемый видит одновременно два изображения, подаваемые в разные глаза (лицо и мяч), однако в каждый момент времени осознает лишь восприятие лишь одного из них. Это четко отражается в активности нейронов.

Электроэнцефалография и магнитоэнцефалография. Вызванные потенциалы.

Электроэнцефалография (ЭЭГ): Метод основан на регистрации электрических потенциалов от кожи головы человека, возникающих как результат электрической активности нейронов мозга, совершенно безвреден, относительно не дорог, дает очень хорошее временное разрешение (порядка миллисекунд), однако не всегда позволяет однозначно связать наблюдаемые явления с анатомическим образованиями мозга. Существует также магнитоэнцефалография (МЭГ), основанная на регистрации магнитного поля, возникающего как следствие переменных электрических токов в мозге; череп и кожа головы вносят меньшие искажения в МЭГ, чем ЭЭГ, поэтому МЭГ позволяет более точно локализовать источники активности в мозге.

В энцефалограмме суммируется активность множества клеток мозга (нейронов) таким же образом, как в шуме стадиона суммируются крики отдельных болельщиков.

Иллюстрация из первой статьи Бергера «Об электроэнцефалограмме человека» (Berger, 1929). Верхняя линия представляет собой запись ЭЭГ от обритой кожи головы его сына Клауса - от электродов, приложенных к лбу и затылку. В следующей своей статье Бергер (Berger, 1930) описал эти колебания как «альфа»-волны. Нижняя линия – отметки времени 1/10 сек.

Электроды для энцефалографии на голове испытуемого

Ритмы ЭЭГ человека

Портативный 8-канальный энцефалограф 80-х гг.

Современный электроэнцефалограф

Магнитоэнцефалограф

Энцефалограмма

Обработка энцефалограммы

Вызванные потенциалы (ВП) – это колебания потенциала ЭЭГ, возникающие в ответ на сенсорные стимулы. Поскольку на одиночных записях ВП обычно слабо выделяются на фоне спонтанных колебаний ЭЭГ, их выделяют методом синхронного (когерентного) усреднения нескольких десятков записей ЭЭГ. На рисунке показано усреднение относительно момента включения стимула, справа – относительно случайных моментов времени. Цифры – число усредненных записей. Видно, что по мере усреднения ВП проявляется все более отчетливо, а спонтанные колебания ЭЭГ взаимоуничтожаются.

Еще одно понятие, родственное вызванным потенциалам - это потенциалы, связанные с событиями (ПСП). При исследовании ПСП применяют когерентное усреднение не только относительно стимула, но и относительно других событий (например, относительно нажатия испытуемым на кнопку, перемещения направления его взора и т.п.)

Вызванные потенциалы при распознавании зрительных образов

Вызванные потенциалы часто представляют в виде карт, показывающих цветом значение потенциала (в микровольтах) в заданные моменты времени

Окулография

Видеокулография: глаз снимают на видеокамеру в инфракрасном свете, и на изображении определяют координаты более темного зрачка. (В обычной окулографии для регистрации движений глаз накладывают электроды на кожу вокруг глаз).

Пример окулографической регистрации при разглядывания человеком изображения

Свободное рассматривание Оценить материальное положение семьи Определить возраст Чем занималась семья до прихода… Запомнить одежду Запомнить предметы и людей в комнате Сколько времени отсутствовал… Окулографическая регистрация рассматривания испытуемым картины при выполнении различных заданий (по Ярбусу)

Полиграфические методы

Полиграфия включает в себя одновременную регистрацию от испытуемого нескольких физиологических параметров, в том числе: ЭЭГ – электроэнцефалограмма КГР – кожно-гальваническая реакция (проводимость кожи, зависящая от ее влажности – очень чувствительный параметр, демонстрирующий эмоциональное напряжение) ЭКГ – электрокардиограмма (электрическая активность сердца) ЭМГ – электромиограмма (электрическая активность мышц) Окулограмма (движения глаз) Пневмограмма (дыхание) Полиграфическая методика лежит в основе «детектора лжи»

Образец многоканальной полиграфической записи физиологических функций испытуемого при прослушивании (а) и воспроизведении (б) списка слов. 1, 2 – ЭЭГ, отведения О1 и О2 левого и правого полушария соответственно, 3, 4 – КГР левой и правой руки; 5 – фонограмма, 6 – ЭКГ, 7 – отметка программы опыта

Томографические методы

Основные методы трехмерной визуализации мозга: Компьютерная томография – реконструкция трехмерной анатомической структуры на основе серии рентгеновских снимков. Не позволяет наблюдать активность мозга. ЯМР-томография (магниторезонансная томография, МРТ) – основана на явлении ядерного магнитного резонанса. Ее разновидность – так называемая функциональная ЯМР (фЯМР или фМРТ) – позволяет наблюдать активность мозга ПЭТ-томография (позитрон-эмисионная томография) – основана на регистрации излучения от слаборадиоактивного вещества, которое вводится в кровь. Позволяет увидеть скорость потребления глюкозы и соответственно обнаружить наиболее активные участки мозга Все три метода дают трехмерное изображение живого мозга и относительно безвредны, но они не позволяют наблюдать быстрые процессы (сканирование занимает не меньше нескольких минут) и очень дороги.

ЯМР томография

ПЭТ томография

В фЯМР и ПЭТ томографии применяется вычитание уровня активности в контрольной ситуации из уровня активности в экспериментальной ситуации. Далее полученный результат усредняется по реализациям эксперимента и по испытуемым.

Трехмерная реконструкция участков активности в мозге по данным ЯМР-томографии

На изображении среза мозга, полученном с помощью фЯМР, выделены два участка, активность которых повышается, когда человек отрицает, что на руках у него пятерка треф

Соотношение пространственного и временного разрешения для основных методов изучения активности человеческого мозга.