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

Принцип работы: сердечный ритм не является строго регулярным. Изменения интервалов RR (расстояние между двумя последовательными зубцами R на ЭКГ) отражают влияние симпатической и парасимпатической нервной системы на синусовый узел, главный водитель ритма сердца. Высокая ВСР считается признаком хорошей адаптации организма к стрессу и общего здоровья, в то время как низкая ВСР может указывать на различные заболевания и повышенный риск внезапной сердечной смерти.

Методы анализа ВСР:

Временной анализ (Time-domain analysis): оценка статистических параметров интервалов RR (например, стандартное отклонение RR-интервалов (SDNN), корень квадратного из средней суммы квадратов разностей последовательных RR-интервалов (RMSSD)).

Частотный анализ (Frequency-domain analysis): разложение вариабельности сердечного ритма на частотные компоненты (например, VLF – очень низкие частоты, LF – низкие частоты, HF – высокие частоты).

Нелинейный анализ: оценка сложных, нелинейных характеристик сердечного ритма.

Показатели ВСР:

SDNN (Standard Deviation of NN intervals): стандартное отклонение нормальных (NN) интервалов между сердечными сокращениями. Отражает общую вариабельность сердечного ритма.

RMSSD (Root Mean Square of Successive Differences): квадратный корень из среднего квадрата разностей последовательных RR-интервалов. Отражает активность парасимпатической нервной системы.

HF (High Frequency): мощность спектра в диапазоне высоких частот (0.15-0.4 Hz). Отражает активность парасимпатической нервной системы (дыхательные колебания).

LF (Low Frequency): мощность спектра в диапазоне низких частот (0.04-0.15 Hz). Отражает активность как симпатической, так и парасимпатической нервной системы.

VLF (Very Low Frequency): мощность спектра в диапазоне очень низких частот (0.0033-0.04 Hz). Отражает влияние гуморальных факторов и терморегуляции.

LF/HF ratio: отношение мощностей в диапазоне низких и высоких частот. Отражает баланс между симпатической и парасимпатической нервной системой.

Применение:

Кардиология: прогнозирование риска сердечно-сосудистых заболеваний, оценка эффективности лечения.

Неврология: оценка вегетативной регуляции при неврологических заболеваниях (например, диабетическая нейропатия, болезнь Паркинсона).

Психология и психофизиология: оценка стресса, эмоционального состояния, когнитивной нагрузки.

Спорт: оценка функционального состояния спортсменов, мониторинг тренировочной нагрузки.

Мониторинг состояния пациентов в реанимации.

Заключение:

Перечисленные электрофизиологические методы являются важными инструментами в диагностике и мониторинге различных заболеваний. Понимание принципов работы, показаний и интерпретации результатов этих методов необходимо для специалистов в области медицины и физиологии. Каждый метод имеет свои ограничения и преимущества, и их применение должно быть основано на клинической необходимости и квалификации специалиста.

Методы визуализации мозга: ПЭТ, ЯМРТ, фМРТ – и их физическая основа

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

Физическая основа: ПЭТ основана на обнаружении гамма-квантов, образующихся при аннигиляции позитронов. Радиоактивный изотоп с избытком протонов (позитрон-излучатель) вводится в организм, чаще всего внутривенно, в составе биологически активного вещества (радиофармпрепарата, РФП). Этот РФП накапливается в целевом органе или ткани, в зависимости от его специфических свойств. При распаде изотопа испускается позитрон. После непродолжительного пробега в ткани позитрон аннигилирует при столкновении с электроном, в результате чего образуются два гамма-кванта, разлетающиеся почти в противоположных направлениях (угол между ними составляет примерно 180 градусов). Детекторы, расположенные вокруг пациента, регистрируют эти гамма-кванты. Используя сложные алгоритмы, компьютер реконструирует местоположение аннигиляции, создавая трехмерное изображение распределения радиоактивного вещества в мозге.

Процедура:

Введение радиофармпрепарата (РФП). Примеры РФП:

ФДГ (фтордезоксиглюкоза) – аналог глюкозы, используется для оценки метаболизма глюкозы.

Различные лиганды, связывающиеся с определенными рецепторами (дофаминовыми, серотониновыми и т.д.), используются для изучения нейротрансмиссии.

Ожидание накопления РФП в мозге (обычно от 30 минут до 1 часа).

Сканирование ПЭТ-томографом.

Реконструкция изображения и анализ данных.

Преимущества:

Высокая чувствительность (обнаружение очень малых концентраций РФП).

Возможность изучения метаболических процессов, нейротрансмиссии и других биохимических функций в мозге.

Возможность использования различных РФП, специфичных для разных процессов.

Недостатки:

Низкое пространственное разрешение (по сравнению с ЯМРТ).

Использование ионизирующего излучения.

Ограниченное время сканирования из-за распада изотопа.

Необходимость наличия циклотрона для производства короткоживущих изотопов, что делает технологию дорогостоящей.

Применение:

Диагностика болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний.

Изучение активности мозга при психических расстройствах (депрессия, шизофрения).

Онкология (выявление метастазов в мозге).

Исследования нейрофизиологических механизмов.

Ядерно-магнитная резонансная томография (ЯМРТ)

Физическая основа: ЯМРТ использует свойства атомных ядер, обладающих магнитным моментом (спином), например, ядра атома водорода (протоны). При помещении в сильное внешнее магнитное поле (B0), протоны выстраиваются вдоль этого поля, как стрелки компаса. Затем на протоны воздействуют радиочастотным (РЧ) импульсом, который переводит их в возбужденное состояние. После прекращения РЧ-импульса протоны возвращаются в исходное состояние, испуская РЧ-сигнал (резонанс). Этот сигнал регистрируется катушками-приемниками. Частота и амплитуда сигнала зависят от химического окружения протонов (т.е., от типа ткани). Используя градиенты магнитного поля, можно локализовать источник сигнала и создать изображение. Важнейшие параметры, влияющие на контрастность изображения, – это времена релаксации T1 и T2.

T1-релаксация (продольная релаксация): Время, необходимое для возвращения протонов в исходное состояние вдоль магнитного поля B0. Жидкости обычно имеют более длинное T1, чем твердые ткани.

T2-релаксация (поперечная релаксация): Время, необходимое для потери когерентности спинов протонов в плоскости, перпендикулярной B0. Жидкости обычно имеют более длинное T2, чем твердые ткани.

Процедура:

Пациент помещается в сильное магнитное поле ЯМРТ-сканера.

Посылаются РЧ-импульсы и регистрируются ответные сигналы.

Изменяются параметры сканирования (например, времена повторения TR и времени эхо TE) для получения изображений с разной контрастностью (T1-взвешенные, T2-взвешенные, и др.).

Изображение реконструируется с помощью компьютерных алгоритмов.

Преимущества:

Высокое пространственное разрешение.

Отсутствие ионизирующего излучения.

Возможность получения изображений в различных плоскостях.

Широкий спектр методов контрастирования (в том числе с использованием контрастных веществ).

Недостатки:

Высокая стоимость оборудования и обслуживания.

Длительное время сканирования.

Противопоказания (наличие металлических имплантатов, кардиостимуляторов).

Ограничения для пациентов с клаустрофобией.

Применение:

Диагностика опухолей мозга, инсультов, рассеянного склероза, и других заболеваний ЦНС.

Оценка структуры мозга.

Планирование хирургических вмешательств.

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ)

Физическая основа: фМРТ является вариантом ЯМРТ, который позволяет визуализировать активность мозга, регистрируя изменения кровотока и оксигенации крови (гемодинамический ответ). Нейрональная активность увеличивает потребление кислорода, что приводит к локальному увеличению притока крови, богатой кислородом (оксигемоглобин). Оксигемоглобин обладает другими магнитными свойствами, чем дезоксигемоглобин. Это различие в магнитных свойствах влияет на сигнал ЯМРТ, что позволяет регистрировать изменения в концентрации оксигемоглобина. Этот эффект называется BOLD (blood-oxygen-level dependent) контраст. Таким образом, фМРТ косвенно отражает нейрональную активность, измеряя изменения кровотока, вызванные этой активностью.

Процедура:

Пациент помещается в ЯМРТ-сканер.

Предъявляются различные стимулы или даются задания (например, решение математических задач, просмотр изображений).

Во время выполнения задания сканируется мозг и регистрируются BOLD-сигналы.

Данные анализируются для выявления областей мозга, которые активируются в ответ на стимулы или задания.

Преимущества:

Неинвазивность.

Хорошее пространственное разрешение (лучше, чем у ПЭТ, хотя и хуже, чем у структурной ЯМРТ).

Возможность изучения активности мозга в реальном времени.

Недостатки:

Относительно низкое временное разрешение (из-за гемодинамического ответа, который происходит с задержкой в несколько секунд после нейрональной активности).

Чувствительность к движениям пациента.

Сложность интерпретации данных.

Применение:

Изучение когнитивных процессов (внимание, память, язык).

Определение локализации функций мозга перед хирургическими вмешательствами.

Исследование психических расстройств.

Нейромаркетинг.

Brain-computer interfaces (BCI)

В заключение, ПЭТ, ЯМРТ и фМРТ являются мощными методами визуализации мозга, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Выбор метода зависит от конкретной клинической или исследовательской задачи. ПЭТ незаменим для изучения метаболизма и нейротрансмиссии, ЯМРТ предоставляет детальную структурную информацию, а фМРТ позволяет исследовать активность мозга в реальном времени.

Биохимические и молекулярно-биологические методы играют ключевую роль в изучении динамических процессов, происходящих в живых организмах. Они позволяют количественно определять и анализировать изменения в уровнях различных биологически активных молекул, таких как медиаторы, гормоны, ферменты, а также проводить генетические исследования. Эти методы используются для диагностики заболеваний, мониторинга эффективности лечения, выявления генетических предрасположенностей и в фундаментальных научных исследованиях.

Определение динамики уровня медиаторов

Медиаторы (нейротрансмиттеры) – это химические вещества, передающие сигналы между нервными клетками (нейронами) и между нейронами и другими клетками (например, мышечными). Изучение их динамики важно для понимания работы нервной системы, патогенеза нейродегенеративных заболеваний, психических расстройств и разработки лекарств.