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

Строение, функции и развитие нервной системы. Общее описание

Нервная система – это сложнейшая интегрированная система организма, обеспечивающая:

Восприятие информации: от внешней и внутренней среды.

Обработку информации: анализ, интеграция и хранение полученных данных.

Регуляцию функций: координация деятельности всех органов и систем.

Адаптацию: приспособление организма к меняющимся условиям среды.

Нервная система обеспечивает нашу способность мыслить, чувствовать, двигаться и выживать.

Строение нервной системы

Нервная система подразделяется на:

Центральную нервную систему (ЦНС): включает головной и спинной мозг. Является центром обработки информации и принятия решений.

Периферическую нервную систему (ПНС): состоит из нервов и ганглиев, расположенных за пределами ЦНС. Обеспечивает связь между ЦНС и органами, тканями.

Центральная нервная система (ЦНС)

Головной мозг:

Большие полушария: отвечают за высшие психические функции (мышление, речь, память, сознание), а также за произвольные движения и сенсорное восприятие.

Промежуточный мозг: включает таламус (релейный центр для сенсорной информации), гипоталамус (регуляция вегетативных функций, эндокринной системы, поведения).

Ствол мозга: включает средний мозг, мост и продолговатый мозг. Регулирует жизненно важные функции (дыхание, сердцебиение, глотание), а также участвует в передаче информации между головным и спинным мозгом.

Мозжечок: координация движений, поддержание равновесия и мышечного тонуса.

Спинной мозг:

Проводит нервные импульсы от головного мозга к периферии и обратно.

Содержит центры некоторых рефлексов (например, коленный рефлекс).

ЦНС защищена костями черепа и позвоночника, а также мозговыми оболочками (твердая, паутинная и мягкая). Между оболочками циркулирует цереброспинальная жидкость (ликвор), которая обеспечивает амортизацию и питание нервной ткани.

Периферическая нервная система (ПНС)

Соматическая нервная система: контролирует произвольные движения скелетных мышц.

Автономная (вегетативная) нервная система: регулирует деятельность внутренних органов, желез и гладкой мускулатуры. Подразделяется на:

Симпатическую нервную систему: активизирует организм в стрессовых ситуациях (реакция "бей или беги").

Парасимпатическую нервную систему: обеспечивает восстановление и сохранение энергии организма (реакция "отдых и переваривание").

Энтеральную нервную систему: регулирует функции желудочно-кишечного тракта.

ПНС состоит из нервов (черепных и спинномозговых) и ганглиев (скоплений нервных клеток).

Функции нервной системы

Нервная система выполняет следующие основные функции:

Сенсорная функция: получение информации от рецепторов, расположенных по всему телу, и передача ее в ЦНС.

Интегративная функция: обработка полученной информации в ЦНС, анализ, сравнение с прошлым опытом и формирование ответной реакции.

Моторная функция: передача сигналов от ЦНС к мышцам и железам, вызывая их сокращение или секрецию.

Регуляторная функция: координация деятельности всех органов и систем организма для поддержания гомеостаза.

Высшая нервная деятельность (ВНД): обеспечение сложных форм поведения, мышления, речи, памяти, обучения и сознания. ВНД осуществляется корой больших полушарий головного мозга.

Развитие нервной системы

Развитие нервной системы начинается на ранних стадиях эмбриогенеза.

Нейруляция: образование нервной трубки из эктодермы. Нервная трубка дает начало ЦНС.

Дифференцировка нервной трубки: образование различных отделов головного и спинного мозга.

Развитие нервных клеток (нейронов и глиальных клеток): пролиферация, миграция, дифференцировка и образование синапсов.

Миелинизация нервных волокон: образование миелиновой оболочки, обеспечивающей быструю передачу нервных импульсов.

Формирование нервных связей: образование сложных нейронных сетей.

Развитие нервной системы продолжается и после рождения, особенно в детском и подростковом возрасте. Окружающая среда и опыт играют важную роль в формировании нервных связей и развитии высших психических функций.

Клеточные элементы нервной системы

Нейроны: основные функциональные единицы нервной системы. Обеспечивают передачу нервных импульсов. Состоят из тела клетки (сомы), дендритов (воспринимающих отростков) и аксона (передающего отростка).

Глиальные клетки (глия): вспомогательные клетки нервной системы. Выполняют различные функции: поддерживают нейроны, обеспечивают их питание, изолируют аксоны, участвуют в защите от повреждений и регуляции синаптической передачи.

Нервный импульс и синаптическая передача

Нервный импульс (потенциал действия): электрический сигнал, распространяющийся по нервному волокну. Возникает в результате изменения ионной проницаемости мембраны нейрона.

Синаптическая передача: передача нервного импульса от одного нейрона к другому (или к эффекторной клетке) через синапс. Синапс состоит из пресинаптической мембраны, синаптической щели и постсинаптической мембраны. Передача осуществляется с помощью нейромедиаторов (химических веществ), которые высвобождаются из пресинаптического нейрона и связываются с рецепторами на постсинаптическом нейроне.

Заключение

Нервная система – это сложная и многофункциональная система, играющая ключевую роль в регуляции всех процессов в организме и обеспечении адаптации к окружающей среде. Понимание строения, функций и развития нервной системы необходимо для изучения физиологии, психологии и медицины.

Тонкое строение мозга определяется сложной архитектурой и взаимодействием трех основных компонентов: нейронов, глиальных клеток и межклеточного матрикса. Каждый из этих компонентов играет уникальную и важную роль в функционировании мозга.

Нейроны

Определение: Нейроны – это основные функциональные единицы нервной системы, ответственные за прием, обработку и передачу информации в виде электрических и химических сигналов.

Структура: типичный нейрон состоит из:

Тела клетки (сома): содержит ядро и основные органеллы, необходимые для поддержания жизни клетки.

Дендритов: разветвленные структуры, принимающие сигналы от других нейронов.

Аксона: длинный отросток, проводящий нервный импульс (потенциал действия) от тела клетки к другим нейронам или эффекторным клеткам.

Аксонного холмика: специализированная область, где генерируется потенциал действия.

Миелиновой оболочки: изолирующий слой, образуемый глиальными клетками (олигодендроцитами в ЦНС и шванновскими клетками в ПНС), который ускоряет проведение нервного импульса.

Перехватов Ранвье: немиелинизированные участки аксона, где происходит регенерация потенциала действия (сальтаторное проведение).

Пресинаптических терминалей (нервных окончаний): специализированные структуры на конце аксона, через которые происходит передача сигнала другому нейрону или клетке-мишени.

Функции:

Прием информации: получение сигналов от других нейронов через дендриты и тело клетки.

Обработка информации: интеграция полученных сигналов и генерация потенциала действия, если порог возбуждения достигнут.

Проведение информации: передача потенциала действия по аксону к пресинаптическим терминалям.

Передача информации: высвобождение нейромедиаторов в синаптическую щель для передачи сигнала следующему нейрону или клетке-мишени.

Разнообразие нейронов: существует большое разнообразие нейронов по форме, размеру, типу нейромедиаторов и функциям (например, сенсорные, моторные, вставочные нейроны).

Глиальные клетки (глия)

Определение: глиальные клетки – это нейрональные клетки нервной системы, которые выполняют поддерживающие и защитные функции для нейронов. Их значительно больше, чем нейронов.

Типы глиальных клеток:

Астроциты: самые многочисленные глиальные клетки в ЦНС.

Функции: поддержка нейронов, регуляция ионного состава внеклеточной среды, образование гематоэнцефалического барьера, удаление нейромедиаторов из синаптической щели, участие в синаптической передаче.

Олигодендроциты: образуют миелиновую оболочку вокруг аксонов нейронов в ЦНС.

Функции: ускорение проведения нервного импульса (сальтаторное проведение), трофическая поддержка аксонов.

Микроглия: иммунные клетки мозга, макрофаги нервной системы.

Функции: фагоцитоз клеточного мусора и патогенов, регуляция воспалительных процессов, синаптический прунинг (удаление лишних синапсов).

Эпендимальные клетки: выстилают желудочки мозга и центральный канал спинного мозга.

Функции: участие в образовании спинномозговой жидкости (ликвора), регуляция состава ликвора, обеспечение барьерной функции.

Шванновские клетки: образуют миелиновую оболочку вокруг аксонов нейронов в периферической нервной системе (ПНС).

Функции: миелинизация аксонов, трофическая поддержка аксонов, регенерация нервных волокон после повреждения.

Функции глии (обобщенно):

Поддержка: обеспечение структурной поддержки нейронов.

Защита: защита нейронов от повреждений и инфекций.

Питание: обеспечение нейронов питательными веществами.

Изоляция: изоляция аксонов с помощью миелиновой оболочки.

Регуляция: регуляция состава внеклеточной среды.

Синоптическая передача: участие в синаптической передаче.

Межклеточный матрикс (МКМ)

Межклеточный матрикс – это сложная сеть внеклеточных молекул, окружающих клетки в тканях. В мозге МКМ играет важную роль в поддержании структуры, регуляции клеточной активности и синаптической пластичности.

Компоненты МКМ мозга:

Протеогликаны: гиалуронан, аггрекан, версикан, бревикан, нейрокан.

Гликопротеины: Тенасцин, ламинин, фибронектин.

Факторы роста и цитокины: TGF-β, PDGF, BDNF.

Ферменты: Матриксные металлопротеиназы (MMP).

Функции МКМ мозга:

Структурная поддержка: Обеспечение физической поддержки клеток и тканей.

Регуляция клеточной миграции и адгезии: влияние на перемещение и прикрепление клеток.

Синаптическая пластичность: регуляция образования и стабильности синапсов. Перинейрональные сети (PNN) – специализированные структуры МКМ, окружающие некоторые нейроны, участвуют в стабилизации синапсов и ограничении пластичности.

Регуляция диффузии молекул: влияние на транспорт молекул в межклеточном пространстве.

Защитная функция: защита нейронов от токсинов и повреждений.

Взаимодействие компонентов:

Нейроны, глия и МКМ тесно взаимодействуют друг с другом, обеспечивая нормальное функционирование мозга. Глия поддерживает нейроны, регулирует их активность и защищает от повреждений. МКМ обеспечивает структурную поддержку, регулирует клеточную миграцию и синаптическую пластичность. Нарушение взаимодействия между этими компонентами может приводить к различным нейродегенеративным заболеваниям и психическим расстройствам.

Заключение:

Тонкое строение мозга представляет собой сложную и динамичную систему, в которой нейроны, глиальные клетки и межклеточный матрикс тесно взаимодействуют, обеспечивая прием, обработку, передачу и хранение информации. Изучение этой сложной системы является ключом к пониманию нормального функционирования мозга и разработке новых методов лечения неврологических и психиатрических заболеваний.

Общая характеристика мембраны нейрона

Мембрана нейрона – это тонкая оболочка, которая отделяет внутреннее содержимое клетки от внешней среды и обеспечивает избирательный транспорт веществ, поддержание электрического потенциала, а также передачу сигналов.

Мембрана относится к биологическим мембранам и построена по принципу липидного бислоя с включениями белков. Ее толщина составляет около 7–10 нм.

Фосфолипиды

Основу мембраны составляет двойной слой фосфолипидов (фосфолипидный бислой). Каждый фосфолипид имеет полярную гидрофильную головку и два неполярных гидрофобных хвоста.

– Головки ориентированы наружу, контактируя с водной средой с обеих сторон мембраны (цитозоль и внеклеточная жидкость).

– Хвосты направлены внутрь, образуя гидрофобный слой, препятствующий свободному прохождению полярных молекул и ионов.

Фосфолипидный бислой обеспечивает мембране полупроницаемость, текучесть и барьерную функцию.

Мембранные белки

Белки встроены в липидный бислой или прикреплены к его поверхности. Они обеспечивают множество функций мембраны и классифицируются на:

а) Интегральные белки

Проходят через всю мембрану или ее часть. К ним относятся:

– Ионные каналы (например, натриевые, калиевые, кальциевые каналы) – обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации, что необходимо для генерации и проведения нервного импульса.

– Насосы (например, натрий-калиевый насос, Na⁺/K⁺-АТФаза) – обеспечивают активный транспорт ионов против концентрационного градиента за счёт энергии АТФ, поддерживая мембранный потенциал.

– Транспортёры – ферменты или белки переноса, обеспечивающие специфический перенос веществ через мембрану.

б) Периферические белки

Связаны с поверхностью мембраны и участвуют в регуляции, поддержании структуры мембраны и внутриклеточных сигнальных путях.

в) Рецепторы

Белки, воспринимающие сигналы извне (нейротрансмиттеры, гормоны), и запускающие внутриклеточные изменения. К ним относятся:

– лиганд-зависимые ионные каналы (например, рецепторы ацетилхолина).

– метаботропные рецепторы, связанные с G-белками.

Функции мембраны нейрона, обусловленные её строением

– обеспечение электрического потенциала покоя за счёт активной работы ионных насосов.

– генерация и проведение нервного импульса через изменение проницаемости мембраны для ионов.

– восприятие и передача химических сигналов через работу рецепторов.

– поддержание внутреннего гомеостаза клетки.

Заключение

Мембрана нейрона – это динамическая структура, построенная из двойного слоя фосфолипидов и мембранных белков, которые обеспечивают селективный транспорт ионов и молекул, рецепцию внешних сигналов, поддержание электрофизиологических свойств клетки, что жизненно важно для функционирования нервной системы.

Этапы развития мозга

Развитие мозга – это сложный и многоступенчатый процесс, начинающийся на ранних стадиях эмбрионального развития. Он включает в себя несколько ключевых этапов:

Дифференцирование нервной трубки

– Формирование нервной пластинки: Нервная система начинает развиваться из эктодермы (наружного зародышевого листка) в виде нервной пластинки.

– Образование нервной бороздки и нервных валиков: Нервная пластинка углубляется, формируя нервную бороздку, края которой утолщаются, образуя нервные валики.

– Замыкание нервной трубки: Нервные валики сближаются и смыкаются, образуя нервную трубку. Этот процесс начинается в средней части и распространяется к концам. Нарушение замыкания нервной трубки приводит к серьезным порокам развития (например, spina bifida).

– Образование нервного гребня: Клетки, расположенные на краях нервных валиков, не включаются в нервную трубку и образуют нервный гребень. Клетки нервного гребня мигрируют и дают начало различным типам клеток, включая нейроны и глиальные клетки периферической нервной системы, клетки мозгового вещества надпочечников и пигментные клетки.

Разделение нервной трубки на первичные мозговые пузыри

На переднем конце нервной трубки образуются три первичных мозговых пузыря:

– Передний мозг (prosencephalon)

– Средний мозг (mesencephalon)

– Задний мозг (rhombencephalon)

Дальнейшее разделение мозговых пузырей

В дальнейшем первичные мозговые пузыри разделяются на вторичные:

– Передний мозг (prosencephalon) делится на:

– Конечный мозг (telencephalon): Дает начало большим полушариям головного мозга (кора, базальные ганглии, обонятельный мозг).

– Промежуточный мозг (diencephalon): Развивается в таламус, гипоталамус, эпифиз и другие структуры.

– Средний мозг (mesencephalon) не делится: Он остается в виде среднего мозга.

– Задний мозг (rhombencephalon) делится на:

– Задний мозг (metencephalon): Развивается в мост и мозжечок.

– Продолговатый мозг (myelencephalon): Переходит в спинной мозг.

Развитие конкретных структур мозга

– Задний мозг:

– Мост: Содержит ядра черепных нервов, проводящие пути, связывающие полушария мозга с мозжечком и спинным мозгом.

– Мозжечок: Отвечает за координацию движений, поддержание равновесия и мышечного тонуса.

– Средний мозг:

– Содержит четверохолмие (верхние бугорки отвечают за зрительные рефлексы, нижние – за слуховые), ножки мозга (проводящие пути), черную субстанцию (участвует в контроле движений).

– Передний мозг:

– Промежуточный мозг:

– Таламус: релейный центр для сенсорной информации, поступающей в кору больших полушарий.

– Гипоталамус: регулирует вегетативные функции, эндокринную систему, участвует в формировании эмоций и мотиваций.

– Конечный мозг:

– Кора больших полушарий: центр высших психических функций (мышление, речь, память, сознание).

– Базальные ганглии: участвуют в контроле движений, планировании и обучении.

– Обонятельный мозг: отвечает за восприятие запахов.

В заключение, развитие мозга – это динамичный и сложный процесс, включающий последовательное дифференцирование нервной трубки и формирование различных отделов и структур мозга. Нарушения на любом из этих этапов могут приводить к серьезным неврологическим расстройствам.

Электрохимические механизмы формирования потенциала покоя и потенциала действия

Электрические потенциалы покоя и действия играют ключевую роль в функционировании нервных и мышечных клеток, обеспечивая передачу сигналов и выполнение различных физиологических функций. Эти потенциалы возникают благодаря избирательной проницаемости клеточной мембраны для различных ионов и созданию ионных градиентов между внутри- и внеклеточной средой.

Потенциал покоя

Определение: потенциал покоя – это разность электрических потенциалов между внутренней и внешней сторонами клеточной мембраны в состоянии покоя (отсутствие стимуляции). Обычно имеет отрицательное значение (например, -70 мВ для нейронов).

Механизмы формирования:

Ионные градиенты: поддерживаются работой ионных насосов, таких как Na+/K+-АТФаза, которая активно переносит ионы Na+ из клетки и ионы K+ внутрь клетки, создавая градиенты концентрации.

Внутри клетки концентрация K+ высокая, а концентрация Na+ низкая. Снаружи клетки – наоборот.

Избирательная проницаемость мембраны:

В состоянии покоя мембрана наиболее проницаема для ионов K+ благодаря наличию "утечковых" калиевых каналов, которые всегда открыты.

Ионы K+ выходят из клетки по градиенту концентрации, унося с собой положительный заряд.

Это приводит к накоплению отрицательного заряда внутри клетки и формированию отрицательного потенциала покоя.

Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца (GHK):

Описывает потенциал покоя, учитывая вклад всех проницаемых ионов и их относительную проницаемость мембраны.

Формула:

где:

– потенциал мембраны

– универсальная газовая постоянная

– абсолютная температура

– постоянная Фарадея

– проницаемость для иона i

– внеклеточная концентрация иона i

– внутриклеточная концентрация иона i

Роль отдельных ионов:

Калий (K+): основной вклад в формирование потенциала покоя благодаря высокой проницаемости мембраны для K+.

Натрий (Na+): вносит небольшой положительный вклад из-за низкой, но не нулевой проницаемости.

Хлор (Cl-): вклад зависит от типа клетки и градиента концентрации Cl-.

Потенциал действия

Определение: потенциал действия (ПД) – это кратковременное, быстрое изменение потенциала мембраны, распространяющееся по нервным и мышечным волокнам. Он является основой передачи нервных импульсов.

Фазы потенциала действия:

Деполяризация:

Под действием стимула потенциал мембраны становится более положительным.

Открываются потенциал-зависимые натриевые каналы, проницаемость мембраны для Na+ резко возрастает.

Ионы Na+ входят в клетку по электрохимическому градиенту, вызывая дальнейшую деполяризацию.

Натриевый ток усиливается по принципу положительной обратной связи.

Реполяризация

Натриевые каналы инактивируются (закрываются), прекращая вход Na+ в клетку.

Открываются потенциал-зависимые калиевые каналы, проницаемость мембраны для K+ увеличивается.

Ионы K+ выходят из клетки по градиенту концентрации, восстанавливая отрицательный потенциал мембраны.

Гиперполяризация (послеследовая гиперполяризация)

Калиевые каналы остаются открытыми некоторое время после достижения потенциала покоя, что приводит к временному увеличению отрицательного потенциала мембраны.

Затем калиевые каналы закрываются, и потенциал мембраны возвращается к уровню потенциала покоя.

Механизмы ионных токов:

Натриевые каналы:

Потенциал-зависимые каналы, открывающиеся в ответ на деполяризацию мембраны.

Обладают быстрой активацией и инактивацией.

Обеспечивают входящий натриевый ток, вызывающий деполяризацию.

Калиевые каналы:

Потенциал-зависимые каналы, открывающиеся в ответ на деполяризацию мембраны.

Открываются медленнее натриевых каналов.

Обеспечивают выходящий калиевый ток, вызывающий реполяризацию.

Порог возбуждения:

Критический уровень деполяризации, при котором возникает потенциал действия.

Определяется соотношением входящего натриевого тока и выходящего калиевого тока.

Закон "все или ничего":

Если стимул достигает порога возбуждения, то возникает потенциал действия максимальной амплитуды.

Если стимул не достигает порога возбуждения, то потенциал действия не возникает.

Заключение

Потенциал покоя и потенциал действия являются фундаментальными электрофизиологическими явлениями, обеспечивающими функционирование нервной и мышечной систем. Понимание механизмов их формирования необходимо для изучения нормальной физиологии и патогенеза различных заболеваний.

Синапс: строение и функции

Синапс – это специализированная структура, обеспечивающая передачу сигнала между нейронами или между нейроном и эффекторной клеткой (например, мышечной). Он состоит из пресинаптической части, синаптической щели и постсинаптической части.

Пресинапс

Строение: пресинаптическая часть представляет собой окончание аксона нейрона, передающего сигнал. Она содержит множество митохондрий, обеспечивающих энергией процессы передачи, а также специализированные структуры, играющие ключевую роль в высвобождении нейромедиаторов.

Функции: синтез и хранение нейромедиаторов: Пресинаптическое окончание содержит ферменты, необходимые для синтеза нейромедиаторов. Синтезированные медиаторы запасаются в синаптических везикулах.

Высвобождение нейромедиаторов: Основная функция пресинапса – высвобождение нейромедиатора в синаптическую щель в ответ на пришедший нервный импульс.

Везикулы с медиаторами

Строение: синаптические везикулы – это небольшие мембранные пузырьки, содержащие нейромедиаторы.

Функции:

Хранение: везикулы защищают нейромедиаторы от разрушения ферментами в цитоплазме пресинаптического окончания.

Транспорт: везикулы перемещаются к пресинаптической мембране с помощью сократительных белков.

Высвобождение медиатора (экзоцитоз): при деполяризации пресинаптической мембраны (в результате прихода потенциала действия) открываются потенциал-зависимые кальциевые каналы. Входящий в клетку кальций запускает слияние везикул с пресинаптической мембраной, и медиатор высвобождается в синаптическую щель.

Сократительные белки

Примеры: актин, миозин, синапсин и другие.

Функции:

Транспорт везикул: Обеспечивают перемещение везикул с нейромедиаторами от места синтеза к пресинаптической мембране.

Слияние везикул: Участвуют в процессе слияния везикул с пресинаптической мембраной и высвобождении медиатора (экзоцитозе).

Эндоцитоз: Участвуют в процессе возврата мембраны везикул в пресинаптическое окончание после высвобождения медиатора.

Постсинаптическая мембрана

Строение: мембрана клетки, принимающей сигнал (нейрона или эффекторной клетки). Содержит рецепторы к нейромедиаторам.

Функции:

Прием сигнала: связывание нейромедиатора с рецепторами.

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.

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.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.