Электрический голос лобной коры, электрофизиология

Однажды английские исследователи Кроу и Филиппе регистрировали электрическую активность через электроды, вживленные в мозг пациента. Это происходило в исследовательском центре Бердена в лаборатории выдающегося нейрофизиолога Грея Уолтера. Считали, что, разрушая электрическим током участки лобных долей, удается избавить больных от беспричинного страха или мучительных навязчивых мыслей.

"Техника операции введения множественных глубинных электродов не сложна. Она хорошо разработана и может считаться почти стандартным вмешательством, - сообщает академик Наталья Петровна Бехтерева, директор Института экспериментальной медицины, один из исследователей, почти одновременно с зарубежными коллегами приступивший к изучению нейронной активности глубоких структур мозга человека. В качестве электродов пользуются тонкими золотыми проволочками, склеенными в пучок. На экране рентгеновской установки можно видеть, куда погружается электрод.

Самый длинный из электродов, - а их вживляют одновременно до 60 и более, - опускают с помощью жесткой иглы-проводника, которую после оживления извлекают из мозга. Операцию проводят без наркоза. Врач наблюдает больного, беседуя с ним, просит выполнить то или другое движение. Если электроды вживлены для длительного лечения, их прикрепляют к пластинке из органического стекла, которая специальным винтом прикрепляется к костям черепа. На поверхности кожи остается только пучок изолированных проводников, концы которых можно соединить с приборами"...

Итак, больному, который находился в состоянии постоянной тревоги, Кроу и Филиппе вживили в лобную кору пучок электродов. Перед тем как было произведено разрушение, пациента обследовал Грей Уолтер. Пользуясь вживленными электродами, он записывал электрическую активность лобной коры.

Однажды во время регистрации Уолтер уронил на пол металлическую линейку.

"К моему удивлению, - писал он, - через долю секунды после вызванного падением шума на всех записях от лобной коры появилось быстрое колебание. Сначала я подумал, что это какой-то артефакт, связанный с внезапным движением, однако внутримозговые электроды дают артефакты относительно редко. Я бросил линейку вновь - вновь получил короткий ответ. Я повторил раздражение много раз - и ответ постепенно уменьшился. Я хлопнул в ладоши, - новый шум вызвал такой же сильный ответ".

Удивление ученого легко объяснить - ведь лобные доли, как уже говорилось, считали "немыми зонами". Ответы мозга на зрительные стимулы, так называемые вызванные потенциалы - отчетливые, сравнительно стабильные по форме колебания электрической активности, получали с затылочной коры, потенциалы в ответ на раздражение кожи электрическим током - с сенсомоторной коры, а потенциалы, полученные в ответ на падение линейки, надо было получить, прикладывая электрод к височной, слуховой коре, но отнюдь не к лобной области.

"Эта часть мозга, - продолжал Грей Уолтер...- молчит только потому, что она должна слишком внимательно прислушиваться ко всему происходящему. Oт всех органов чувств... информация стекается к коре лобных долей... Если бы этот поток фактов и фантазий мог бесконтрольно попадать в извилины серого вещества мозга, лежащего позади глаз, мы сошли бы с ума - и некоторые люди впадают в безумие именно по этой причине. Однако лобные доли проявляют большую избирательность в приеме поступающей информации".

Уолтер и его сотрудники сконструировали ЭВМ, которая накапливала и усредняла ответы лобной коры на повторные зрительные, слуховые и другие стимулы.

Отклики на разные стимулы были одинаковые. Это косвенно подтвердило, что лоб непосредственно не обрабатывает информацию от рецепторов.

Интересно было другое: примерно через 100 повторений раздражителя ответ лба сливался с фоновым уровнем электроэнцефалограммы. Однако если стимул хотя бы незначительно отличался по частоте или интенсивности от предыдущих, лоб немедленно отвечал снова, будто восклицая: "А! Это что-то новое!"

В то же время зрительные или слуховые зоны коры добросовестно реагировали на каждый стимул, и никем еще не разгаданные волны, которые свет или звук вздымали над лабиринтами извилин, уменьшались лишь при утомлении студентов-добровольцев. Значит, лоб привыкает к раздражителю, но при этом сохраняет его в памяти, непрерывно сличает с каждым новым сигналом и реагирует мощным всплеском электрической активности, если свойства сигнала изменились.

Далее сотрудники Уолтера стали применять два следующих друг за другом стимула: щелчок, а затем вспышка. Сначала лоб отвечал на тот и другой раздражитель. Потом реакция исчезла.

Но вот методику усложнили.

Испытуемых, когда они видят вспышки, Уолтер просил нажимать на кнопку. Таким образом, щелчок превращался в предупредительный сигнал, словно желтый свет светофора, а вспышки - в императивный, приказывающий сигнал.

Почти сразу же после щелчка с помощью электродов, расположенных вблизи фронтальной коры, была зарегистрирована негативная (направленная вверх от нулевой линии) волна амплитудой примерно 30 микровольт. Она длилась до появления вспышек, что обычно совпадало с нажатием на кнопку. Эту волну Уолтер назвал волной ожидания (expectancy wave, или Е-волна). Ничего подобного не сообщали электроды, установленные на темени, виске и затылке.

Исследователь считает, что Е-волна может действовать как "корковый запал", как "заряд взрывчатки", вызывающий синхронную детонацию или разряд корковых нейронов, отвечающих за движение. Действительно, движения руки, которой нажимали кнопку, происходили тем быстрее и точнее, чем более крупной была Е-волна.

Регистрировали ее и тогда, когда надо было выполнить умственную работу, и у велосипедиста, который по радио получил приказ "стой", и у баскетболиста, когда он видел летящий на него мяч. Но как только мяч был пойман, Е-волна исчезла.

У собак и обезьян Е-волна тоже бывает. Замечательная особенность волны ожидания состоит в том, что она поразительно точно отражает значение для испытуемого приказа. Амплитуда Е-волны прямо пропорциональна двум свойствам приказа: его социальному и мотивационному значению и вероятности его появления вслед за предупредительным сигналом.

У ребенка до 3-4 лет Е-волну получить невозможно. У детей старшего возраста она возникает только тогда, когда приказывает взрослый человек, пользующийся их доверием. Но если тот же приказ они слышат от молодой лаборантки, никакой Е-волны не появится.

У некоторых взрослых волна ожидания возникала только в ситуации эмоционального напряжения: например, во время соревнований.

Другая ситуация: человек сидит в кресле и смотрит на экран. На голове сидящего укреплены электроды соединенные с входами энцефалографа. Проследим за активностью лобных долей. В проектор заряжают диапозитивы, и на экране появляется что-нибудь неинтересное: скажем, геометрические фигуры. Е-волны нет. Но вот кадры становятся занимательнее - скажем, карикатуры или увлекательная история в картинках.

Что же происходит на ленте энцефалографа?

Е-волна возникает в ответ на каждый щелчок вставляемого диапозитива. Это волна ожидания, которой ученый мир присвоил имя Грея Уолтера...

Когда частота подачи императивного сигнала вслед за предупредительным снижалась до 20-30% случаев, некоторые испытуемые, не знавшие заранее об условиях опыта теряли доверие к сигналу. Одновременно и Е-волна снижалась пропорционально уменьшению вероятности подкрепления.

Уолтер считает, что Е-волна указывает на тип индивидуальности испытуемого. У некоторых она появлялась даже тогда, когда из каждых четырех предупредительных сигналов подкреплялся только один, то есть при малой вероятности шансов.

"Все эти люди обладали высоким интеллектом, но... были крайне эксцентричны".

У больных с психическими заболеваниями, с повышенной тревожностью и мнительностью Е-волна исчезала даже при очень хороших, но не абсолютных шансах на успех. Но если их ободряли и успокаивали, волна ожидания появлялась вновь. По-видимому, ее можно назвать и "волною оптимизма".

Едва ли какой-либо другой из современных электрофизиологических показателей работы человеческого мозга так много рассказывает нам о личности испытуемого, как этот феномен. Ведь Е-волна открывает нам "качественные" стороны деятельности мозга, а не "количественные", о чем говорят многие другие электрофизиологические показатели, связанные с низким или более высоким уровнем активности мозга.

Исследование Е-волны продолжается во многих лабораториях по сей день. И по праву!

Уолтер полагает, что Е-волна - это показатель работы лба как электронно-вычислительной машины, рассчитывающей вероятность появления стимула и программирующей в зависимости от этого поведение. Поскольку социальные контакты оказывают значительное влияние на Е-волну, ученый считает ее отражением вычислений, необходимых человеку как члену общества.

Но какие же нейрофизиологические явления, какие изменения глубинных течений океана мозга доносит до нас пробегающая по его поверхности волна Грея Уолтера? Что делает фронтальная кора в тот момент, когда линия энцефалограммы поднимается на несколько миллиметров вверх и на 5-10 секунд остается в таком положении?

Ученый полагал, что Е-волна отражает активацию механизмов кратковременной памяти. И действительно, перед принятием любого решения мозг обращается к памяти. "Безлобные" животные не умеют вспоминать "впопад" - в этом одна из причин их ошибок в отсроченном выборе. Волны ожидания у них тоже не возникают.

Но разве Е-волна не похожа на электрические отголоски сборки целых функциональных систем, где из сплава памяти, желания, пусковых и обстановочных сигналов мозг выковывает решение? Разве это сходство не подтверждает зависимость Е-волны и от мотивации, и от условий, в которых появляются вспышки и щелчки, и от вероятности появления императивного стимула, который есть не что иное, как главный пусковой сигнал?

Известно, что Е-волна возникает за счет электрической активности клеток коры мозга. Это доказали, опуская электрод с поверхности коры в глубокие ее слои. При этом волна Грея Уолтера как бы перевертывалась и становилась из негативной позитивной, направленной вниз. Полагают, будто она связана с разрядом пирамидных клеток фронтальной коры. Этот разряд снижает электрический потенциал на оболочках нервных отростков, расположенных в поверхностном слое коры. Иначе говоря, Е-волну считают "волной торможения", что соблазнительно связать с тем же торможением поведения человека или животного в момент ожидания императивного стимула после предупредительного.

Но если Е-волна - "голос" пирамидных клеток, то почему этот "голос" молчит над двигательной зоной коры, где пирамид особенно много? Видимо, дело не в пирамидах или по крайней мере далеко не в них одних.

Вот и все, что нам пока известно о происходящем в мозге во время появления Е-волны.

Но электрофизиологам удалось добыть и другие сведения о лобной коре.