CC BY
110
ОБЗОРЫ И ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ / REVIEWS AND PROBLEMATIC ARTICLES
DOI: 10.24411/1815-3917-2019-10001
ОБЗОРЫ И ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ
DOI: 10.24411/1815-3917-2019-10001
Современное представление о нейрофизиологических механизмах электроэнцефалографии
А.Г.Гусейнов1, Х.Б.Мамедов1, Г.Г.Гусейнов2
1Институт физиологии им. А.И.Караева НАН Азербайджана, г. Баку, Азербайджан 2Азербайджанская Государственная Академия физической культуры и спорта, г. Баку, Азербайджан
Резюме: Генерация импульсной активности корковых нейронов в норме и в условиях гипоксии регулируется группой модулирующих и пейсмекерных нейронов и внутриклеточными механизмами. Нейроны, принадлежащие к этой совокупности, расположены во всех отделах нервной системы, но главным образом собраны в филогенетически древних подкорковых структурах. В условиях дефицита кислорода, ослабление пульсовой активности корковых нейронов под поздействи-ем вышеперечисленных факторов, отражается на ЭЭГ в усилении проявления медленных волн спектра и генерации медленных ритмов. Нарушение деятельности функциональной нейронной группы, регулирующей уровень возбуждения корковых нейронов, представляет один из механизмов развития патологической активности на ЭЭГ. Такое регулирование генерации ЭЭГ происходит как при патологических, так и при нормальных условиях. Следовательно, генерация ЭЭГ не является эпизодическим процессом, и частично или полностью регулируется самим мозгом.
Ключевые слова: электроэнцефалография, пейсмекерные нейроны, импульсная активность корковых нейронов
Для цитирования: Гусейнов А.Г., Мамедов Х.Б., Гусейнова Г.Г. Современное представление о нейрофизиологических
механизмах электроэнцефалографии. Биомедицина (Баку). 2019;17(1):4-8. DOI: 10.24411/1815-3917-2019-10001
Поступила в редакцию: 04.09.2018. Принята в печать: 14.02.2019.
Modern concept concerning neurophysiological mechanisms of electroencephalography
Huseynov A.H.1, Mamedov Kh.B.1, Huseynova G.H.2
1A.I.Karayev's Institute of Physiology NAS of Azerbaijan, Baku, Azerbaijan 2Azerbaijan State Academy of Physical Education and Sport, Baku, Azerbaijan
Abstract: Under normal and hypoxia conditions generation of pulse activity of cortical neurons are regulated by the group of modulating and pace-making neurons and intra-cellular mechanisms of the neurons themselves. The neurons belonging this constellation, are located throughout all compartments of neural system, but mostly collected in phylogenetically ancient subcortical structures. Under oxygen deficiency weakening of pulse activity of cortical neurons under effect of above mentioned factors is reflected on EEG by strengthening of manifestation slow waves of the specter and generation of slow rhythms. Impairment of the activity functional neuronal group, regulating the level of excitation of the cortical neurons, presents one of the mechanisms of development of pathological activity on EEG. Such regulation of generation of EEG occurs both under pathological and normal conditions. Consequently, generation of the EEG is not an incidental process, and partially or completely is regulated by the brain itself. Key words: electroencephalography, pace-making neurons, pulse activity of cortical neurons
For citation: Huseynov A.H., Mamedov Kh.B., Huseynova G.H. Modern concept concerning neurophysiological mechanisms of electroencephalography. Biomedicine (Baku). 2019;17(1):4-8. DOI: 10.24411/1815-3917-2019-10001
Received: 04.09.2018. Accepted: 14.02.2019.
Для корреспонденции: А.Г. Гусейнов
Доктор философии по биологии, ведущий научный сотрудник лаборатории формирования факторов окружающей среды и анализаторов, Институт физиологии им. А.И. Караева НАН Азербайджана, г. Баку, Азербайджан E-mail: [email protected]
Corresponding author: Huseynov A.H.
PhD in biology, Leading Researcher of Environmental Factors Formation and Analyzers Laboratory, A.I.Karayev's Institute of Physiology of National Academy of Sciences, Baku, Azerbaijan E-mail: [email protected]
ОБЗОРЫ И ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ / REVIEWS AND PROBLEMATIC ARTICLES
DOI: 10.24411/1815-3917-2019-10001
Выявление механизмов генерации суммарной активности коры мозга, является одной из основных проблем нейрофизиологии. Подобные исследования имеют не только теоретическое, но и практическое значение. Можно предположить, что раскрытие механизмов генерации ЭЭГ, расширит ее диагностическую и прогностическую значимость.
В данной статье рассматриваются механизмы генерации стандартных волн спектра и ритмической активности на ЭЭГ.
В настоящее время абсолютное большинство авторов считают, что таламус играет решающую роль в генерации ЭЭГ таламокортикальными структурами и является источником всех [1] или же большинства ее волн и ритмов [2]. Предполагается, что ретикулярные ядра таламуса (РЯТ), по сравнению с другими ядрами таламуса, имеют большее значение в определении характера как нормальной, так и патологической суммарной активности коры мозга. По мнению некоторых авторов, ретикуло-таламо-корковые коммуникации играют более важную роль в генерации суммарной активности коры мозга, чем корково-корковые пути [3].
Изолированная кора мозга в целом и ее отдельные слои способны генерировать почти все волны и ритмы ЭЭГ, в том числе патологические [2, 4]. Некоторые авторы на основании подобных данных предлагают пересмотреть общепринятую точку зрения о том, что таламус является генератором ритмической активности в коре мозга [4]. Таким образом, можно считать, что роль в отдельности как таламокортикальных, а точнее ретикуло-тала-мо-корковых, так и корково-корковых связей в ге-незе ЭЭГ окончательно не выяснена.
Давно известно, что в нервной системе имеются структуры, которые активируют или ослабляют суммарную активность коры мозга. В последние годы обнаружено много подобных структур. На спектр, ритмическую активность и другие показатели ЭЭГ могут влиять базальные ганглии, верхнее двухолмие, сенсорные пути, подкорковое белое вещество, синее пятно, а также нервы [5, 6].
По мнению одних авторов, как медленные, так и быстрые волны ЭЭГ генерируются единой тала-мокортикальной системой [1]. Другие же считают, что только быстрые волны ЭЭГ отражают активацию коры мозга таламусом [7]. Генез медленных дельта- и тета-волн связывается с активацией коры мозга глубинными подкорковыми структурами и лимбической системой, соответственно. Не исключено, что дельта-волны формируются благодаря синхронной активности коры мозга и подкорковых
структур [8].
Предполагается, что синхронизация разрядной деятельности корковых нейронов, благодаря которым формируются волны и ритмы ЭЭГ, осуществляется ГАМК-эргическими нейронами [9], афферентами коры мозга [10], а также щелевыми контактами [11]. Исследования последних лет дают основание многим авторам считать, что тормозные нейроны играют исключительную роль в формировании волн и ритмов ЭЭГ. Они, регулируя уровень возбудимости корковых нейронов и синхронизируя их импульсацию, тем самым определяют длительность и амплитуду волн, и характер ритмики активности ЭЭГ [9, 12, 13]. Считают, что разные виды тормозных нейронов обеспечивают наличие определенного ритма в ЭЭГ [13]. В свою очередь, активность самих корковых тормозных нейронов синхронизируется путем взаимодействия внутри ГАМК-эргических сетей, а также посредством возбуждающих нейронов, тормозных нейронов I слоя и щелевых контактов. В координации функционирования тормозных нейронов, возможно, также участвуют дофаминергические и се-ротонинергические афференты коры мозга [13,
14].
При рассмотрении механизмов генерации суммарной активности коры головного мозга ЭЭГ, одним из ключевых вопросов является выявление связей между активностью корковых нейронов и характером ЭЭГ. В настоящее время очень мало известно о нейрональных механизмах ЭЭГ и не во всех случаях по характеру ЭЭГ можно судить об активности корковых нейронов. Предполагается, что альфа-ритм или же ритмы в альфа-диапазоне может генерировать как активированная, так и заторможенная кора мозга [15]. Тем не менее, некоторые авторы считают, что ослабление разрядной деятельности корковых нейронов приводит к усилению выраженности медленных волн в ЭЭГ [9, 12]. Это мнение подтверждают результаты многих исследований. У крыс при гипоксии начальная активация ЭЭГ по времени совпадает с усилением фоновой импульсации корковых нейронов и по мере ее подавления увеличивается выраженность медленных волн. Постсинаптическая депрессия импульсной активности корковых нейронов отражается в ЭЭГ редукцией высоких частот спектра
[16]. Обнаружено, что при активации таламокорти-кальных нейронов в результате деполяризации их мембраны в ЭЭГ генерируются более высокие частоты [15]. У плодов овцы, исчезновение высокочастотных волн в ЭЭГ при асфиксии ассоциируется с острым повреждением корковых нейронов
[17]. На основании этих данных можно предполо-
ОБЗОРЫ И ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ / REVIEWS AND PROBLEMATIC ARTICLES DOI: 10.24411/1815-3917-2019-10001
жить, что усиление выраженности медленных волн в ЭЭГ при гипоксии связано с ослаблением импульсной активности корковых нейронов и наоборот.
Анализируя влияние гипоксии на ЭЭГ, можно внести некоторую ясность о ее механизмах в нормальных условиях. Известно, что под влиянием кислородного голодания ЭЭГ-активность ослабляется, в частности, усиливается выраженность медленных волн спектра [18]. Анализ механизмов влияния гипоксии на суммарную активность коры мозга наводит на мысль о том, что эти изменения носят не случайный, а целенаправленный характер, осуществляемый внутриклеточными механизмами самих нейронов и, возможно под воздействием определенных структур мозга. Известно, что при гипоксии, морфофункциональные изменения в нервной системе посредством изменения мембранного потенциала коркового нейрона, могут активировать или подавлять ее импульсную активность. В свою очередь, это может привести к усилению или ослаблению ЭЭГ-активности. Однако, при кислородном голодании, как обычно, в суммарной активности коры мозга усиливается выраженность медленных волн, что предположительно связано с подавлением разрядной деятельности корковых нейронов.
Известно, что внутриклеточные механизмы могут контролировать генерацию нервного импульса нейрона [19], также ритмическую активность нейронов [4] посредством регуляции синап-тической активности и несинаптических сигналов. Показано, что внутриклеточные несинаптические сигналы осуществляют фазную синхронизацию удаленно расположенных нейронов. Тем самым, они могут играть значительную роль в генерации разных волн и ритмов ЭЭГ [19]. Имеются данные, которые указывают на роль внутриклеточных механизмов в изменении электрической активности как у подкорковых [20], так и центральных нейронов при нехватке кислорода [21]. Обнаружено, что при аноксии у нейронов блуждающего нерва, активация К+-каналов мембраны не зависит от уровня АТФ [20]. На основании выше приведенных данных нельзя исключить, что при кислородном голодании гиперполяризация или сильная деполяризация мембраны нейронов, которые ведут к ослаблению или прекращению их импульсной активности, также может наступать под влиянием внутриклеточных механизмов.
Некоторые авторы считают, что отдельные корковые нейроны играют более значительную роль в генезе как нормальной, так и патологической ЭЭГ [22, 23]. В коре мозга крысы совместная
деятельность относительно небольшого количества нейронов, посредством модуляции активности остальных нейронов, может обеспечить появление тета-ритма, веретен и волн arousal и сильно влияют на остроту ЭЭГ [22]. Предполагается, что активность принципиальных нейронов коры мозга, объединенных посредством аксональных щелевых контактов, лежит в основе генерации очень быстрых осцилляций ЭЭГ [23].
По мнению ряда авторов, в подкорковых структурах имеются гипотетические пейсмекер-ные нейроны, способные воздействовать на активность корковых нейронов [1,8]. Обнаружено, что ослабление пейсмекерных влияний на нейроны коры мозга при гипоксии является одной из причин дезорганизации стандартного медленного комплекса ЭЭГ [8]. Считают, что корковые и подкорковые нейроны, функционирование которых регулируются эндогенными механизмами, формируют нисходящие пути, модулирующие активность сенсорных путей и рецепторов [24].
На основании вышеизложенного, можно предположить, что модулирующие и пейсмекерные нейроны, функционирование которых в основном управляется внутриклеточными механизмами, формируют функциональную группу, способную воздействовать на активность нейронов коры и других структур мозга при гипоксии. Нейроны, как возбуждающие, так и тормозные, формирующие систему, расположены во всех отделах нервной системы, но в основном сосредоточены в филогенетически древних подкорковых структурах. Восходящими и нисходящими прямыми или опосредованными путями они имеют связи со всеми структурами нервной системы, начиная от центра до периферии.
В условиях гипоксии, группа модулирующих и пейсмекерных нейронов совместно с внутриклеточными механизмами корковых нейронов способна регулировать их активность, тем самым определить характер ЭЭГ. Регуляция активности корковых нейронов может осуществляться посредством синаптических контактов и несинаптических сигналов, а также активацией эндогенных механизмов самих нейронов. Контроль возбудимости корковых нейронов может осуществляться опосредованно, регуляцией функционирования тех структур нервной системы, которые способны влиять на корковую активность.
Сигналы для включения системы могут исходить из ее нейронов. Они как некоторые нейроны продолговатого мозга, могут непосредственно реагировать на начало гипоксии [25]. Возможно, часть нейронов активируются нехваткой кислорода. По
DOI: 10.24411/1815-3917-2019-10001 ОБЗОРЫ И ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ / REVIEWS AND PROBLEMATIC ARTICLES
мере развития гипоксии благодаря воздействию нейронов системы и эндогенных механизмов, разрядная деятельность нейронов угнетается, тем самым, предотвращается их повреждение или гибель. Этот процесс отражается на ЭЭГ усилением выраженности медленных волн и генерацией медленных ритмов.
Предположительно кандидатами на составные элементы системы являются ГАМК-эргические нейроны РЯТ, нейроны Кахаля-Ретциуса и принципиальные нейроны коры мозга.
Функциональное объединение модулирующих и пейсмекерных нейронов подкорковых структур играют роль в регуляции возбудимости
корковых нейронов. Нарушение работы функциональной группы нейронов в результате сильного повреждения нервной системы является одним из механизмов развития патологической активности на ЭЭГ.
Можно предположить, что функциональная группа модулирующих и пейсмекерных нейронов и внутриклеточные механизмы корковых нейронов способны регулировать генерацию ЭЭГ как при патологических, так и нормальных условиях. Если это мнение соответствует действительности, то можно считать, что генерация ЭЭГ не является случайным процессом, а частично или полностью контролируются самим мозгом.
Литература / References
1. Steriade M. Sleep, epilepsy and thalamic reticular inhibitory neurons. Trends Neurosci. 2005 Jun;28(6):317-24. DOI: 10.1016/j.tins.2005.03.007.
2. McCormick D.A. Cortical and subcortical generators of normal and abnormal rhythmicity. Int Rev Neurobiol. 2002;49:99-114. DOI: 10.1016/S0074-7742(02)49009-5.
3. Frasch M.G., Walter B., Friedrich H. et al. Detecting the signature of reticulothalamocortical communication in cerebro-cortical electrical activity. Clinical Neurophysiology. 2007;118(9):1969-1979. DOI: 10.1016/j.clinph.2007.05.071.
4. Karameh F.N., Dahleh M.A., Brown E.N. et al. Modeling the contribution of lamina 5 neuronal and network dynamics to low frequency EEG phenomena. Biol Cybern. 2006;95:289-310. DOI: 10.1007/s00422-006-0090-8.
5. Allers K.A., Ruskin D.N., Bergstrom D.A. et al. Multisecond periodicities in basal ganglia firing rates correlate with theta bursts in transcortical and hippocampal EEG. J Neurophysiol. 2002 Feb;87(2):1118-22. DOI: 10.1152/jn00234.2001.
6. Balzamo E., Gayan-Ramirez G., Jammes Y. Pulmonary vagal sensory afferents and spontaneous EEG rhythms in the cat sensorimotor cortex. J Auton Nerv Syst. 1990 Jun;30(2):149-57. DOI: 10.1016/0165-1838(90)90139-A.
7. Robinson D.L. The technical, neurological and psychological significance of 'alpha', 'delta' and 'theta' waves confounded in EEG evoked potentials: a study of peak latencies. Clin Neurophysiol. 1999 Aug;110(8):1427-34. DOI: 10.1016/S1388-2457(99)00078-4.
8. Ginsburg D.A., Pasternak E.B., Gurvitch A.M. Correlation analysis of delta activity generated in cerebral hypoxia. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1977;42:445-455. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/66128.
9. Cobb S.R., Buhl E.H., Halasy K., Paulsen O., Somogyi P. Synchronization of neuronal activity in hippocampus by individual GABA-ergic interneurons. Nature. 1995;Nov 2;378(6552):75-8. DOI: 10.1038/378075a0.
10. Bennett M.V, Zukin R.S. Electrical coupling and neuronal synchronization in the mammalian brain. Neuron. 2004 Feb 19;41(4):495-511. DOI: 10.1016/S0896-6273(04)00043-1.
11. de Pina-Benabou M.H., Szostak V, Kyrozis A. et al. Blockade of gap junctions in vivo provides neuroprotection after perinatal global ischemia. Stroke. 2005;36(10):2232-2237. DOI: 10.1161/01.STR.0000182239.75969.d8.
12. Miller R. Theory of the normal waking EEG: from single neurones to waveforms in the alpha, beta and gamma frequency ranges. Int J Psychophysiol. 2007;Apr;64(1):18-23 https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2006.07.009.
13. Whittington M.A., Traub R.D. Interneuron diversity series: inhibitory interneurons and network oscillations in vitro. Trends Neurosci. 2003 Dec;26(12):676-82. DOI: 10.1016/j.tins.2003.09.016.
14. Keverne E.B. GABA-ergic neurons and the neurobiology of schizophrenia and other psychoses. Brain Res Bull. 1999 Mar 15;48(5):467-73. DOI: 10.1016/S0361-9230(99)00025-8.
15. Hughes S.W., Crunelli V Just a phase they're going through: The complex interaction of intrinsic high-threshold bursting and gap junctions in the generation of thalamic a and 8 rhythms. Int J Psychophysiol. 2007 Apr;64(1):3-17. DOI: 10.1016/j.ijpsycho.2006.08.004.
16. Urrestarazu E., Jirsch J.D., LeVan P. et al. High-frequency intracerebral EEG activity (100-500 Hz) following interictal spikes. Epilepsia. 2006 Sep;47(9):1465-76. DOI: 10.1111/j.1528-1167.2006.00618.x.
17. Keogh M.J., Drury P.P., Bennet L., et al. Limited predictive value of early changes in EEG spectral power for neural injury after asphyxia in preterm fetal sheep. Pediatr Res. 2012 Apr;71(4 Pt 1):345-53. DOI: 10.1038/pr.2011.80.
18. Гусейнов А.Г., Мамедов Х.Б. Влияние гипоксии в разные периоды пренатального онтогенеза на электрокорти-кограмму плодов кролика. Росс физиол журн. 2012;98:1250-1257. Режим доступа: http://www.fesmu.ru/elib/Article. aspx?id=272614.
ОБЗОРЫ И ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ / REVIEWS AND PROBLEMATIC ARTICLES DOI: 10.24411/1815-3917-2019-10001
Guseinov A.G., Mamedov Kh.B. Influence of hypoxia during the different periods of prenatal ontogenesis on electro-cortikogram of rabbit's fetus. Russian Journal of Physiology. 2012;98:1250-1257. Available at: http://www.fesmu.ru/elib/Article.aspx?id=272614. (In Russian).
19. Lytton W.W., Destexhe A., Sejnowski T.J. Control of slow oscillations in the thalamocortical neuron: a computer model. Neurosci. 1996;70:673-684. DOI: 10.1016/S0306-4522(96)83006-5.
20. Muller M., Brockhaus J., Ballanyi K. ATP-independent anoxic activation of ATP-sensitive K+ channels in dorsal vagal neurons of juvenile mice in situ. Neuroscience. 2002;109:313-328. DOI: 10.1016/S0306-4522(01)00498-5
21. Kun Zhang, Biwen Peng, Sanchez R.M. Decreased IH in hippocampal area CA1pyramidal neurons after perinatal seizure-inducing hypoxia. Epilepsia. 2006;47:1023-1028. DOI: 10.1111/j.1528-1167.2006.00574.x.
22. Kitazoe Y., Hiraoka N., Ueta H., et al. Theoretical analysis on relationship between the neural activity and the EEG. J Theor Biol. 1983 Oct 21;104(4):667-83. DOI: 10.1016/0022-5193(83)90254-0.
23. Traub R.D., Whittington M.A., Buhl E.H., et al. A possible role for gap junctions in generation of very fast EEG oscillations preceding the onset of, and perhaps initiating, seizures. Epilepsia. 2001 Feb;42(2):153-70. DOI: 10.1046/j.1528-1157.2001.26900.x.
24. Dubner R., Ren K. Endogenous mechanisms of sensory modulation. Pain. 1999 Aug;Suppl 6:S45-53. DOI: 10.1016/S0304-3959(99)00137-2.
25. Nolan P.C., Waldrop T.G. Ventrolateral medullary neurons show age-dependent depolarizations to hypoxia in vitro. Brain Res Dev Brain Res. 1996 Jan 22;91(1):111-20. DOI: 10.1016/0165-3806(95)00166-2.
Информация о соавторах:
Х.Б.Мамедов
Доктор философии по биологии, ведущий научный сотрудник лаборатории формирования факторов окружающей среды и анализаторов Институт физиологии им. А.И. Караева НАН Азербайджана, г. Баку, Азербайджан Г.ГГусейнова
Доктор философии по биологии, кафедра медицинской биологии, Азербайджанская Государственная Академия физической культуры и спорта, г. Баку, Азербайджан
Information about co-authors: Mamedov Kh.B.
PhD in biology, Leading Researcher of Environmental Factors Formation and Analyzers Laboratory, A.I.Karayev's Institute of Physiology of National Academy of Sciences, Baku, Azerbaijan
Huseynova G.H.
PhD in biology, Medical Biology Chair, Azerbaijan State Academy of Physical Education and Sport, Baku, Azerbaijan
