ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Источники нейромагнитных полей из "Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм" Имея в виду это вступление, рассмотрим свойства нервной ткани головного мозга как источника магнитных полей. Для биомагнитных исследований голова, в большей своей части, хорошо описывается сферической моделью объемного проводника, имеющего лишь концентрические неоднородности электропроводности вблизи поверхности (череп, скальп). Внутримозговая электрическая активность такова, что во многих случаях можно выделить процессы, происходящие в сравнительно небольшой части мозга. Многим из этих процессов можно соотнести токовый диполь (см. 4.1) как первичный источник магнитного поля. Другие виды активности, захватывающие большие участки нервной ткани, а может быть, и весь объем мозга, иногда удается представить как сумму определенного числа токовых диполей. Если некоторый токовый диполь помещен в проводящую среду, то его тангенциальная компонента создает индукцию магнитного поля В, значение которой сильно зависит от глубины залегания диполя. [c.124] Маловероятно, что величину магнитных сигналов от источников, лежащих вблизи центра головы, можно рассчитать, скорее всего здесь поможет точное моделирование, аналогичное применяемому при решении кардиографических [139] или энцефалографических [140] задач. Примеры такого моделирования, даже на живом объекте - обезьяньем мозге, уже имеются [226], оно применялось для анализа источников, дающих сигналы ЭЭГ. [c.125] Тем не менее очевидно, и тому уже много экспериментальных свидетельств, что источником наиболее сильных нейромагнитных сигналов служат полушария головного мозга человека. Если учесть, что именно за большими полушариями предполагается ведущая роль в осуществлении высшей нервной деятельности человека разумного, становится очевидной важность магнитометрической методики. [c.125] Значительную часть нервной ткани составляют нейроны — клетки, обла дающие способностью к импульсной электрической активности, а именно к генерации потенциала действия (см. 4.1). В них возможны также плавные, градуальные изменения мембранного потенциала. Нейроны окру жены так называемыми глиальными клетками, которые тоже способнь изменять свой мембранный потенциал, но очень медленно, обычно реаги руя на изменение ионного состава межклеточной среды. Эта межклеточная среда — электролит, она и образует объемный проводни.., по которому текут внеклеточные токи у. Мембраны клеток обладают сравнительно плохой электропроводностью, поэтому для токов / среда представляет собой как бы проводящую губку с непроводящими пустотами. Более подробное описание проводящих свойств мозга дано в книге Мозг как объемный проводник [229]. Отношения объемов, занятых нейронами, глией и межклеточной средой, составляют приблизительно 45 45 10 с заметными вариациями [218,229]. [c.126] Нейроны и глиальные клетки тесно переплетены между собою, образуя нейропиль (нервную сеть) с много исленными контактами (синапсами) между нейронами. Число нейронов в коре около десяти миллиардов (10 ). Отдельный нейрон обладает своеобразным строением тело клетки имеет в поперечнике десятки микрометров, из него выходят многочисленные тонкие и длинные отростки диаметром в несколько микрометров. Один из них резко выделен по своей функции - это аксон, длина которого может достигать одного метра. По нему от тела нейрона может распространяться нервный имп тс и передаваться на большие расстояния. Пучки аксонов, каждый из которых окружен изолирующей миелиновой оболочкой, и образуют белое вещество мозга. Миелиновая изоляция на аксонах не сплошная, а похожа на ряд удлиненных бусин, образованных специальной разновидностью глиальных клеток. Трансмембранные токи могут течь только в зазорах между этими бусинами. Белое вещество мозга осуществляет коммуникационные функции в мозге, передавая в виде импульсов (аналог цифрового кода) информацию в нервной системе. Самый большой пучок таких аксонных проводов - это мозолистое тело, соединяющее полушария мозга и содержащее около 2 10 волокон, а общее число аксонов, составляющих белое вещество, примерно равно числу нейронов в коре, т.е. 10 [218]. [c.126] Даже наиболее удачно (с точки зрения эффективности генерации магнитного поля) расположенный аксон, т.е. параллельный поверхности сферы (головы), когда каждый из диполей, соответствующий спайку в аксоне, дает поле, такое как на рис. 21, порождает очень небольшое магнитное поле. Происходит это потому, что поля двух противоположных диполей спайка практически компенсируют друг друга в достаточно удаленном месте измерения. [c.129] Существует и другое, присущее самому процессу распространения спайка в аксоне нарушение симметрии потенциала действия, а значит, и тока, и поля. Оно происходит в момент, когда.спайк начинает движение от тела клетки или подходит к концу аксона, т.е. к месту синаптического окончания [233]. Тогда, хотя и на очень короткое время, около 1 мс, действует лишь один из двух токовых диполей. Конец волокна просто обрезает один из них [126]. В этот момент магнитное поле нервного импульса имеет дипольную структуру типа показанной на рис. 21. Представляет интерес оценить, каково магнитное поле, создаваемое токовым диполем в этой фазе потенциала действия. Конечные станции аксонов белого вещества мозга лежат с одной стороны в центральных отделах мозга, с другой — в коре мозга ). Характерные диаметры аксонов, входящих в кору мозга человека, имеют разброс 0,5 — 4 мкм [218]. Подставив в формулу (5.1) Кпд = 0,12 В, = 1 Ом-м [229] и г =0,8 мкм, получим Рпд = 2,5.10 А-м. [c.130] Однако длительность рассматриваемой фазы потенциала действия в аксоне очень кратковременна, около 1 мс. Кроме того, подавляющая часть аксонов уходит на сравнительно небольшое расстояние от тела клетки, осуществляя связи внутри коры или между непосредственно прилегающими ее участками, и лишь 1 % волокон уходит к центральным отделам мозга (таламусу - см. рис. 33). Значит, для подцержания нейромагнитной активности, имеющей длительность, существенно превышающую продолжительность спайка, надо, чтобы эти далеко уходящие волокна непрерывно посылали потоки афферентных (в кору) и эфферентных (из коры) импульсов с полной пропускной способностью. Нужно учесть, что по одному аксону импульсы могут идти лишь с определенными промежутками между ними - из-за так называемого рефрактерного периода аксона. [c.130] На время этого периода после прохождения спайка участок аксона теряет способность к импульсному изменению проводимости мембраны и в течение времени, в несколько раз превышающего длительность спайка, не может пропускать нервные импульсы. [c.131] Вероятным источником могут оказаться глиальные клетки, которые могут быть связаны между собой прямыми электрическими связями (электрическими синапсами [122]) и образовывать электрически упорядоченную структуру цепочек из нескольких клеток. Такие образования могут быть ответственны за появление медленно меняющихся, за времена порядка секунд, нейромагнитных полей. Правда, наблюдать таковые с помощью имеющихся магнитометрических методик пока не удается. Прямых нейро-анатомических доказательств существования подобных глиальных структур тоже пока не получено. [c.131] Математически ситуация не отличается от рассмотренного выше случая аксона. Магнитное поле, соответствующее постсинаптическому потенциалу на среднем участке дендрита, длинного по сравнению с X, также может быть представлено в виде результата активности пары равных по величине и противоположно направленных токовых диполей, разделенных расстоянием 2Х [136]. Величины диполей могут быть рассчитаны с использованием того же уравнения (5.1). Тогда, подставляя радиус дендрита = 2 мкм, для характерного ПСП амплитудой 10 мВ получим псп = 1,2-10 А-м, т.е. значение того же порядка, что и для токового диполя, соответствующего потенциалу действия. Так же, как и для спайка, эти диполи в средней части дендрита компенсируют друг друга и не дают вклада в наиболее сильное (дипольное по структуре) магнитное поле. Важнейшее различие между потенциалом действия и ПСП заключается в том, что последний не перемещается и в течение всего времени своего существования, длительность которого иногда достигает сотен миллисекунд, локализован на одном из концов дендрита, В этом случае возникает только один из токовых диполей (см. рис. 37), дающий магнитное поле, такое как на рис. 21. Под концом дендрита можно понимать то место в верхней его части, где он ветвится, посылая отростки в направлении, параллельном поверхности коры. [c.133] Необходимо отдавать себе отчет в том, что для представления дендрита в виде токово-дипольного источника существенно только положение активного синапса по длине дендрита, тогда как положение самого нейрона в глубине коры никакой роли не играет. Любой набор параллельных друг другу клеточных токовых диполей, расположенных в данном участке нервной ткани, произведет нейромагнитное поле, являющееся суммой вкладов отдельных клеток. [c.133] Результаты расчетов, представленные в виде привычных для специалистов полей отведения (см. 4.1), показали, что приповерхностные неоднородности проводимости размазывают электрический сигнал, т.е. на ЭЭГ в любом отведении оказывает влияние активность примерно втрое большего участка поверхности коры, чем для соответствующего МЭГ-отведения. [c.135] В дальнейшем Каффин и Коэн провели экспериментальное сравнение электрических и магнитных полей от определенного источника в коре -так называемого N 20-отклика на тактильное (вызываемое электрическими импульсами) раздражение кисти руки ) [235]. Источник этого сигнала хорошо изучен. Бьши сняты карты распределения полей. Магнитное поле оказалось подобным полю, производимому токовым диполем, как на рис. 21 а. Электрическое поле от токового диполя имеет более сложную структуру. Для чисто тангенциального диполя (перпендикулярного радиусу сферы) картина изопотенциальных линий имеет вид, очень похожий на картину линий равной напряженности магнитного поля (рис. 21а), но повернутую на 90 относительно диполя, и расстояние между экстремумами несколько больше. Это напоминает соседство горы и впадины на географической карте. Если диполь наклонять, то картина меняется следующим образом гора растет за счет впадины и смещается к точке над диполем, так что для радиального диполя остается одна гора, симметричная относительно оси диполя. В описываемых экспериментах обнаружился промежуточный случай. Вывод этой работы состоит в том, что размазанность картины электрических потенциалов лишь на 30% больше, чем для магнитных полей. Вероятно, столь небольшое различие объясняется конкретным выбором источника, потому что ряд других исследований, например [239], указывают на большие различия. [c.135] В электроэнцефалографии для точного измерения распределения потенциалов важно правильно выбрать положение так называемого нейтрального электрода. ЭЭГ потенциалы измеряются не иначе, как разность потенциалов между двумя электродами, и в идеальном случае нейтральный электрод должен быть строго на линии нулевого потенциала, а она для каждого источника, вообще говоря, своя. При измерении магнитного поля такой проблемы нет. Распределение магнитного поля токового диполя симметрично, в то время как вид картины электрических потенциалов более сложен и зависит от наклона диполя по отношению к поверхности. Это вводит дополнительную переменную и, если учесть малость ЭЭГ-сигналов, сопровождаемых шумами, затрудняет установление положения токового диполя. Картина же магнитного поля сравнительно проста и даже при довольно высоком уровне шумов позволяет неплохо определять положение диполя-источника. Он находится точно посредине между горой и впадиной интенсивности радиальной, т.е. перпендикулярной скальпу. [c.135] Вернуться к основной статье