Магистратура: Учебное пособие для успешной сдачи экзамена. Психофизиология и когнитивная реабилитация

Генерация постсинаптического потенциала: запуск каскада событий, приводящих к изменению мембранного потенциала постсинаптической клетки.

Рецепторы

Типы:

Ионотропные рецепторы: являются одновременно и рецептором, и ионным каналом. При связывании с медиатором изменяют свою конформацию и открывают канал для определенных ионов (например, Na+, K+, Cl-, Ca2+).

Метаботропные рецепторы: сопряжены с G-белками. При связывании с медиатором активируют G-белок, который может:

Открывать или закрывать ионные каналы через прямой контакт.

Активировать вторичные мессенджеры.

Функции:

Распознавание нейромедиатора: специфично связываются с определенными нейромедиаторами.

Преобразование химического сигнала в электрический: Открывают ионные каналы или запускают каскад внутриклеточных сигнальных путей.

Вторые мессенджеры

Примеры: цАМФ, цГМФ, инозитолтрифосфат (IP3), диацилглицерол (DAG), ионы кальция (Ca2+).

Функции:

Усиление сигнала: одна молекула медиатора, связавшаяся с метаботропным рецептором, может активировать множество молекул вторичных мессенджеров, что приводит к усилению исходного сигнала.

Регуляция ионных каналов: некоторые вторичные мессенджеры могут напрямую или опосредованно (через протеинкиназы) влиять на открытие или закрытие ионных каналов.

Модуляция метаболизма клетки: влияют на различные клеточные процессы, такие как синтез белков, активность ферментов и др.

Ионные каналы и постсинаптические потенциалы

Ионные каналы: белковые комплексы в постсинаптической мембране, которые позволяют определенным ионам проходить через мембрану.

Постсинаптические потенциалы (ПСП): изменения мембранного потенциала постсинаптической клетки, вызванные активацией рецепторов нейромедиаторами.

Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП): деполяризация постсинаптической мембраны, увеличивающая вероятность генерации потенциала действия. Обычно связан с открытием каналов для Na+ или Ca2+.

Тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП): гиперполяризация постсинаптической мембраны, уменьшающая вероятность генерации потенциала действия. Обычно связан с открытием каналов для Cl- или K+.

Интеграция ПСП: постсинаптический нейрон интегрирует все ВПСП и ТПСП, пришедшие к нему в определенный момент времени. Если суммарная деполяризация достигает порога возбуждения, генерируется потенциал действия.

Заключение:

Синапс представляет собой сложную и динамичную структуру, обеспечивающую передачу информации между нейронами. Понимание строения и функций различных компонентов синапса необходимо для понимания работы нервной системы в целом, а также для разработки лекарственных препаратов, влияющих на синаптическую передачу.

Медиаторы

Медиаторы (нейромедиаторы) – это химические вещества, которые обеспечивают передачу сигнала между нервными клетками (нейронами) или между нейронами и эффекторными клетками (мышечными, железистыми). Они выделяются в синаптическую щель и взаимодействуют с рецепторами на постсинаптической мембране, вызывая возбуждение или торможение.

Классификация медиаторов

Все медиаторы можно условно разделить на два основных семейства:

Классические (малые) медиаторы

Пептидные медиаторы (нейропептиды)

Классические медиаторы

Представляют собой небольшие молекулы.

Синтезируются в синаптическом терминале из предшественников.

Быстро высвобождаются и быстро разрушаются или захватываются обратно.

Основные группы классических медиаторов:

Ацетилхолин (АХ)

Участвует в передаче нервных импульсов в периферической и центральной нервной системе, особенно в нейромышечных синапсах.

Моноамины:

Адреналин и норадреналин – участвуют в регуляции функций симпатической нервной системы.

Дофамин – важен для моторики, регуляции настроения, системы вознаграждения.

Серотонин (5-HT) – регулирует настроение, сон, аппетит.

Гистамин – действует в участках мозга как нейромедиатор.

Аминокислоты:

Глутамат – основной возбуждающий медиатор ЦНС.

ГАМК (гамма-аминомасляная кислота) – основной тормозной медиатор ЦНС.

Глицин – тормозной медиатор в спинном мозге.

2. Пептидные медиаторы (нейропептиды)

Представляют собой короткие цепочки аминокислот (пептиды).

Синтезируются в теле нейрона, транспортируются к синапсу.

Время действия дольше, чем у классических медиаторов.

Часто модулируют эффекты классических медиаторов (усиливают или ослабляют).

Основные пептидные медиаторы:

Эндорфины и энкефалины – опиоидные пептиды, обладают обезболивающим и эйфоризирующим действием.

Субстанция P – участвует в передаче болевых сигналов.

Вазопрессин, окситоцин – регулируют социальное поведение, водно-солевой обмен, сокращение матки.

ССА (холецистокинин), нейротензин, соматостатин – участвуют в регуляции еды, обмена веществ, гормональной активности.

Нейропептид Y – влияет на аппетит и стресс.

Заключение

Медиаторы – ключевые регуляторы функционирования нервной системы. Классические медиаторы обеспечивают быструю и точную передачу нервного импульса, тогда как пептидные медиаторы играют роль модуляторов и медиаторных систем длительного действия, влияя на более сложные процессы регуляции и адаптации организма.

Психофизиологические методы

Психофизиологические методы представляют собой совокупность различных техник и подходов, используемых для изучения взаимосвязи между физиологическими процессами в организме и психическими явлениями. Они позволяют исследовать работу мозга и другие физиологические параметры в ответ на когнитивные, эмоциональные и поведенческие стимулы.

Классификация психофизиологических методов

Методы электрофизиологии

Эти методы основаны на регистрации электрической активности нервной системы и других биоэлектрических процессов.

Электроэнцефалография (ЭЭГ): регистрация электрической активности коры головного мозга с помощью электродов, расположенных на коже головы. Позволяет измерять ритмы мозга, выявлять стадии сна, эпилептическую активность и т.д.

Электромиография (ЭМГ): регистрация электрической активности мышц, используется для изучения моторной функции и двигательных реакций.

Электрокардиография (ЭКГ): измерение биоэлектрических процессов в сердце, используется для оценки влияния психоэмоциональных состояний на сердечнососудистую систему.

Регистрация вызванных потенциалов (ВП): измерение электрических ответов мозга на специфические сенсорные стимулы (зрительные, слуховые, тактильные).

Методы визуализации мозга

Позволяют получить структурные и функциональные изображения мозга.

Магнитно-резонансная томография (МРТ): высокоточное получение анатомического изображения мозга.

Функциональная МРТ (фМРТ): выявление зон мозга, активных во время определённых когнитивных или сенсорных процессов, за счёт измерения гемодинамических реакций.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ): исследование метаболической активности мозга с помощью введения радиоактивных изотопов.

Компьютерная томография (КТ): получение изображений мозга на основе рентгеновского излучения, используется преимущественно для выявления структурных изменений.

Биохимические методы

Исследуют химические процессы в организме, связанные с психофизиологическими функциями.

Определение уровня нейромедиаторов (дофамин, серотонин, норадреналин) в крови и других биологических жидкостях.

Исследование гормонального фона (кортизол, адреналин) для оценки стрессовой реакции.

Анализ биохимических маркеров воспаления и окислительного стресса.

Молекулярно-биологические методы

Позволяют выявлять генетические и молекулярные основы психических функций и заболеваний.

Генная экспрессия и секвенирование ДНК.

Полиморфизмы генов, ассоциированные с психическими расстройствами.

Изучение эпигенетических изменений, влияющих на активность генов.

Исследование молекулярных механизмов нейропластичности.

Когнитивные тесты

Это психологические методики, направленные на оценку когнитивных функций, таких как память, внимание, мышление и речь.

Тесты на внимание (например, Stroop-тест).

Задачи на рабочую память (например, n-back тест).

Тесты на исполнительные функции (например, тест Таукинга).

Память и обучение (вербальные и невербальные задания).

Когнитивные тесты часто используются в сочетании с физиологическими методами для комплексной оценки психофизиологических процессов.

Заключение

Психофизиологические методы являются важным инструментом для понимания взаимосвязей между мозговыми процессами и поведением. Их классификация позволяет выбрать наиболее адекватный метод для решения конкретных исследовательских и клинических задач. Электрофизиологические методы дают данные о динамике электрической активности мозга, методы визуализации – структурную и функциональную информацию, биохимические и молекулярно-биологические методы – о молекулярных механизмах, а когнитивные тесты – о проявлениях когнитивной деятельности.

Методы регистрации импульсной активности нейронов

Регистрация импульсной активности нейронов – это фундаментальный подход в нейрофизиологии, позволяющий изучать функционирование отдельных нейронов и нейронных сетей. Основные методы включают:

Внутриклеточная регистрация (Intracellular recording):

Принцип: Тонкий электрод (микропипетка), заполненный электролитом, вводится непосредственно внутрь нейрона. Измеряется трансмембранный потенциал нейрона.

Преимущества:

Самый точный метод для измерения потенциала покоя, амплитуды и формы потенциала действия (ПД).

Возможность изучения субпороговых колебаний мембранного потенциала (EPSP, IPSP).

Возможность введения веществ (лекарств, красителей) внутрь клетки.

Недостатки:

Технически сложная процедура, требующая высокой точности и опыта.

Повреждение клетки при введении электрода.

Ограниченное время регистрации из-за постепенного повреждения клетки.

Обычно, регистрация только от одного нейрона за раз.

Внеклеточная регистрация (Extracellular recording):

Принцип: электрод располагается вблизи нейрона, но не проникает внутрь клетки. Регистрируется изменение электрического потенциала во внеклеточном пространстве, вызванное прохождением ПД.

Преимущества:

Менее инвазивный метод, чем внутриклеточная регистрация.

Возможность длительной регистрации активности.

Возможность регистрации активности нескольких нейронов одновременно (многоканальная внеклеточная регистрация, Multi-Electrode Array – MEA).

Недостатки:

Менее точная регистрация формы ПД и потенциала покоя.

Сложность идентификации конкретного нейрона, генерирующего ПД (особенно при многоканальной регистрации).

Запись только достаточно больших ПД, не видны субпороговые изменения.

Patch-clamp:

Принцип: микропипетка плотно прижимается к мембране нейрона, образуя "patch" (заплатку). Можно регистрировать активность ионных каналов в этой "заплатке" мембраны. Существуют различные конфигурации:

Cell-attached: пипетка прижимается к мембране, образуя высокоомный контакт. Регистрируется активность ионных каналов в "заплатке".

Inside-out: после формирования cell-attached patch пипетка отрывается от клетки, выворачивая "заплатку" наизнанку. Позволяет контролировать состав среды с обеих сторон мембраны.

Outside-out: после формирования cell-attached patch мембрана под пипеткой разрывается, а затем пипетка отрывается, образуя "заплатку" с внешней стороной мембраны наружу. Позволяет изучать действие лигандов на ионные каналы.

Whole-cell: после формирования cell-attached patch мембрана под пипеткой разрывается, обеспечивая электрический доступ к цитоплазме клетки. Позволяет регистрировать мембранный потенциал и ток целой клетки, как при внутриклеточной регистрации, но с лучшим контролем внутренней среды.

Преимущества:

Исключительно высокий уровень контроля над условиями эксперимента.

Возможность изучения отдельных ионных каналов.

Возможность изучения влияния различных веществ на активность ионных каналов.

Недостатки:

Технически сложный метод.

Обычно, регистрация только от одного нейрона или даже одной "заплатки" мембраны за раз.

Оптогенетика в сочетании с электрофизиологией:

Принцип: генетическая модификация нейронов для экспрессии светочувствительных белков (опсинов). Стимуляция светом вызывает активацию или ингибирование этих нейронов. Регистрируется электрическая активность этих и соседних нейронов.

Преимущества:

Высокая специфичность – возможность активации или ингибирования конкретных типов нейронов.

Высокая временная точность стимуляции.

Возможность изучения причинно-следственных связей между активностью конкретных нейронов и поведением.

Недостатки:

Требует генетической модификации, что ограничивает применение на людях.

Может вызывать нежелательные эффекты, связанные с экспрессией опсинов.

ЭЭГ, МЭГ и ССП и их особенности

ЭЭГ (Электроэнцефалография):

Принцип: неинвазивный метод регистрации электрической активности головного мозга посредством электродов, расположенных на поверхности скальпа. Регистрирует суммарную электрическую активность больших популяций нейронов, в основном пирамидальных нейронов коры головного мозга.

Происхождение сигнала: в основном, отражает постсинаптические потенциалы (EPSP и IPSP) пирамидальных нейронов, расположенных перпендикулярно поверхности коры. Суммация этих потенциалов создает электрическое поле, которое может быть зарегистрировано электродами на скальпе.

Преимущества:

Высокая временная разрешающая способность (миллисекунды).

Неинвазивность и безопасность.

Относительно низкая стоимость оборудования.

Широкая доступность.

Недостатки:

Низкая пространственная разрешающая способность (сантиметры).

Чувствительность к артефактам (движения глаз, мышц, электромагнитные помехи).

Сложность локализации источников сигнала (проблема обратной задачи).

Сигнал сильно искажается при прохождении через череп и другие ткани.

Клиническое применение:

Диагностика эпилепсии.

Оценка функционального состояния мозга при нарушениях сознания (кома, вегетативное состояние).

Диагностика нарушений сна.

Исследование когнитивных процессов.

Мониторинг глубины анестезии.

Ритмы ЭЭГ:

Дельта (δ) (0.5-4 Гц): Доминирует во время глубокого сна, а также при патологических состояниях (кома, повреждения мозга). Связана с медленными колебаниями мембранного потенциала нейронов.

Тета (θ) (4-8 Гц): Наблюдается во время дремоты, медитации, а также при некоторых когнитивных задачах (например, навигация). Связана с активностью гиппокампа.

Альфа (α) (8-13 Гц): Доминирует в состоянии расслабленного бодрствования с закрытыми глазами. Блокируется при открытии глаз или при выполнении когнитивной задачи ("альфа-блокада"). Связана с синхронизированной активностью нейронов зрительной коры.

Бета (β) (13-30 Гц): Доминирует в состоянии активного бодрствования, при концентрации внимания, при выполнении когнитивных задач. Связана с десинхронизацией нейронной активности.

Гамма (γ) (30-100 Гц): Связана с когнитивными процессами, такими как восприятие, внимание, память. Предположительно участвует в связывании информации от разных областей мозга.

Мю (μ) (8-13 Гц): Вариант альфа-ритма, регистрируется в сенсомоторной коре. Блокируется при выполнении движений или при наблюдении за движениями других людей ("зеркальные нейроны").

МЭГ (Магнитоэнцефалография):

Принцип: Неинвазивный метод регистрации магнитных полей, генерируемых электрической активностью мозга. Используются сверхчувствительные датчики магнитного поля (сквиды – SQUIDs).

Происхождение сигнала: Магнитные поля генерируются внутриклеточными токами, возникающими при прохождении ионных токов через мембраны нейронов. Наибольший вклад вносят токи, генерируемые пирамидальными нейронами коры, расположенными перпендикулярно поверхности коры.

Преимущества:

Высокая временная разрешающая способность (миллисекунды).

Лучшая пространственная разрешающая способность, чем у ЭЭГ (из-за меньшего искажения сигнала при прохождении через ткани).

Менее чувствительна к артефактам от мышц и движений глаз, чем ЭЭГ.

Недостатки:

Очень высокая стоимость оборудования и обслуживания (требуется криогенное охлаждение датчиков).

Чувствительность к внешним магнитным помехам (требуется экранированная комната).

Ограниченная доступность.

Не регистрирует радиальные источники (токи, направленные радиально к поверхности скальпа).

Клиническое применение:

Локализация эпилептогенных зон.

Исследование когнитивных процессов.

Предоперационное планирование при нейрохирургических вмешательствах.

ССП (Связанные с Событием Потенциалы/ССП, Event-Related Potentials/ERPs):

Принцип: Извлечение из ЭЭГ или МЭГ сигналов, связанных с определенными событиями (стимулами или реакциями). Многократно предъявляется стимул, и ЭЭГ/МЭГ записывается. Затем сигналы усредняются по всем предъявлениям стимула, чтобы выделить компоненты, связанные с этим стимулом.

Происхождение сигнала: ССП отражают электрическую активность нейронных сетей, участвующих в обработке стимула или подготовке к реакции. Различные компоненты ССП связаны с различными стадиями обработки информации (например, восприятие, внимание, принятие решений).

Преимущества:

Высокая временная разрешающая способность.

Возможность изучения когнитивных процессов, связанных с конкретными стимулами или реакциями.

Относительно недорогой и неинвазивный метод (если используется ЭЭГ).

Недостатки:

Низкая пространственная разрешающая способность (особенно при использовании ЭЭГ).

Необходимость многократного предъявления стимула.

Чувствительность к артефактам.

Сложность интерпретации компонентов ССП.

Примеры компонентов ССП:

P300: Положительный компонент, возникающий примерно через 300 мс после предъявления стимула. Связан с вниманием, принятием решений и обновлением рабочей памяти.

N400: Отрицательный компонент, возникающий примерно через 400 мс после предъявления лингвистического стимула, не соответствующего контексту. Связан с обработкой семантической информации.

Mismatch Negativity (MMN): Отрицательный компонент, возникающий примерно через 150-250 мс после предъявления стимула, отличающегося от предыдущих стимулов. Связан с автоматической обработкой изменений в окружающей среде.

Электрофизиологические методы: ЭНМГ, ЭАК (КГР), ЭОГ, ЭКГ и кардиоритмография

Электронейромиография (ЭНМГ)

Определение: ЭНМГ – это метод исследования функционального состояния периферической нервной системы и мышц. Он включает в себя два основных компонента:

Электронейрография (ЭНГ): изучение скорости проведения нервного импульса по нервным волокнам.

Электромиография (ЭМГ): исследование электрической активности мышц в состоянии покоя и при произвольном сокращении.

Принцип работы:

ЭНГ: стимулируют нерв электрическим импульсом и регистрируют ответ в дистальной точке. Измеряют время проведения импульса и амплитуду ответа.

ЭМГ: В мышцу вводят игольчатый электрод или используют накожные электроды для регистрации биоэлектрической активности.

Показания:

Диагностика заболеваний периферических нервов (например, полинейропатии, туннельные синдромы).

Диагностика заболеваний мышц (например, миопатии, миозиты).

Диагностика нервно-мышечных соединений (например, миастения).

Оценка степени повреждения нерва после травмы.

Диагностика бокового амиотрофического склероза (БАС).

Типы электродов:

Поверхностные электроды: для ЭНГ и регистрации суммарной активности больших групп мышц (ЭМГ).

Игольчатые электроды: для более точной регистрации активности отдельных двигательных единиц (ЭМГ).

Кольцевые электроды: для исследования нервов пальцев.

Основные параметры, оцениваемые при ЭНМГ:

Скорость проведения нервного импульса (СПИ): отражает функциональное состояние миелиновой оболочки нерва. Снижение СПИ указывает на демиелинизацию.

Амплитуда М-ответа: отражает количество функционально активных мышечных волокон.

F-волна: Позволяет оценить состояние проксимальных отделов нерва.

Потенциалы двигательных единиц (ПДЕ): амплитуда, длительность, форма, частота разрядов. Изменения ПДЕ указывают на патологию мышц или нервов.

Спонтанная активность: наличие фибрилляций, фасцикуляций в покое говорит о патологии.

Электроактивность кожи (ЭАК) / Кожно-гальваническая реакция (КГР)

Определение: ЭАК (или КГР) – это изменение электрических свойств кожи (проводимости) в ответ на различные стимулы (эмоциональные, когнитивные, сенсорные).

Принцип работы: активность потовых желез, иннервируемых симпатической нервной системой, влияет на проводимость кожи. Усиление потоотделения снижает сопротивление кожи и увеличивает ее проводимость.

Показатели КГР:

Уровень кожного сопротивления (УКС): базовый уровень электрического сопротивления кожи.

Амплитуда КГР: величина изменения кожного сопротивления в ответ на стимул.

Латентный период КГР: время от начала стимула до начала изменения кожного сопротивления.

Время нарастания КГР: время от начала изменения кожного сопротивления до достижения максимального значения.

Время полувосстановления КГР: время, за которое кожное сопротивление возвращается к половине от максимального значения.

Частота спонтанных КГР: количество не вызванных стимулом изменений кожного сопротивления за определенный период времени.

Применение:

Психология и нейронаука: изучение эмоциональных реакций, стресса, внимания, памяти.

Полиграфия (детектор лжи): оценка правдивости ответов.

Маркетинг: оценка эффективности рекламы.

Диагностика вегетативных расстройств: нарушения регуляции потоотделения.

Электроокулография (ЭОГ)

Определение: ЭОГ – это метод регистрации движений глаз путем измерения разницы электрических потенциалов между роговицей и сетчаткой.

Принцип работы: роговица глаза имеет положительный заряд по отношению к сетчатке. При движении глаз меняется положение этого диполя, что приводит к изменению электрического потенциала, регистрируемого электродами, расположенными вокруг глаз.

Методы ЭОГ:

Прямая ЭОГ: электроды располагаются непосредственно на коже вокруг глаз.

Непрямая ЭОГ: электроды располагаются на некотором расстоянии от глаз.

Применение:

Диагностика заболеваний глаз: нистагм, нарушения глазодвигательных функций, пигментный ретинит.

Исследование фаз сна: регистрация быстрых движений глаз (БДГ) во время REM-фазы сна.

Нейрофизиология: изучение когнитивных процессов, связанных с движением глаз (например, саккады, фиксации).

Разработка интерфейсов "мозг-компьютер": управление устройствами с помощью движений глаз.

Основные параметры, оцениваемые при ЭОГ:

Амплитуда движений глаз: величина смещения глазного яблока.

Скорость движений глаз: скорость перемещения глазного яблока.

Латентный период: время от предъявления стимула до начала движения глаз.

Тип движений глаз: саккады (быстрые скачкообразные движения), плавное слежение, вергенции (схождение и расхождение глаз).

Электрокардиография (ЭКГ)

Определение: ЭКГ – это метод регистрации электрической активности сердца.

Принцип работы: деполяризация и реполяризация кардиомиоцитов генерируют электрические поля, которые распространяются по телу и могут быть зарегистрированы электродами, расположенными на поверхности кожи.

Основные элементы ЭКГ:

Зубец P: Деполяризация предсердий.

Комплекс QRS: Деполяризация желудочков.

Зубец T: Реполяризация желудочков.

Интервалы PR, QT, ST: Временные интервалы между различными элементами ЭКГ.

Показания:

Диагностика нарушений ритма сердца (аритмии).

Диагностика ишемической болезни сердца (ИБС), инфаркта миокарда.

Диагностика гипертрофии миокарда.

Диагностика электролитных нарушений.

Оценка эффективности лечения сердечно-сосудистых заболеваний.

Оценка общего состояния сердечно-сосудистой системы.

Отведения ЭКГ: Стандартные отведения (I, II, III), усиленные отведения от конечностей (aVR, aVL, aVF), грудные отведения (V1-V6).

Кардиоритмография (Вариабельность сердечного ритма, ВСР)

Определение: кардиоритмография (или анализ вариабельности сердечного ритма, ВСР) – это метод оценки изменений интервалов RR на ЭКГ, отражающих активность вегетативной нервной системы.