Магнитные проявления биологической активности свойственны многим органам живых организмов. Установлено, что постоянные или колеблющиеся с периодом в несколько минут магнитные поля характерны для желудка человека, причем вид сигнала явно определяется функциональным состоянием желудка. Сигналы различны до и после приема пищи, изменяются при приеме воды (натощак) или лекарства.. Этот факт может в дальнейшем найти применение в диагностике желудочных заболеваний.
Были обнаружены магнитные поля постоянных электрических токов в коже появляющихся при прикосновении к покрывающему ее волосяному покрову.
Обнаружение таких токов электрографически предельно затруднено из-за паразитных потенциалов, возникающих в местах крепления электродов и, кроме того, самим их закреплением — они давят на ножу.
Измерены магнитные поля при сокращении скелетных мышц человека. 3aпись, этих полей как функции времени называют магнитомиограммой (ММГ). В дополнение к высокочастотным компонентам (10—150 Гц), регистрируемым также и электромиографически, наблюдалась медленно меняющаяся составляющая ММГ, возникавшая при сокращении мышцы или при ее легком массаже. Такое магнитное поле свойственно мышцам ног и способно существовать около часа. Высказывалось мнение, что токи, вызывающие эти поля, играют важную роль в росте и регенерации конечностей, например в залечивании переломов кости.
Известно, что глаз — источник довольно сильного электрического поля, так как работа сетчатки сопровождается возникновением потенциала до 0,01 В между передней и задней ее поверхностями. Это вызывает в окружающих тканях электрический ток, магнитное поле которого можно регистрировать в виде магнитоокулограммы (МОГ) при движении глаз и в виде магниторетинограммы (МРГ) при изменении освещенности сетчатки. Наблюдение и изучение магнитных полей глаза представляют собой интересную самостоятельную задачу. Вместе с тем оказалось, что индукция магнитного поля глаз существенно выше, чем магнитного поля мозга (см. рис. 1). Поэтому конфигурацию и другие характеристики этих полей необходимо знать, приступая к магнитографическим исследованиям мозга, особенно при изучении зрительного восприятия.
|
|
Нейромагнитные поля
При работе мозга, основы которой пока еще во многом загадочны, возникают как электрические так и магнитные поля. Наиболее сильные сигналы порождаются спонтанной ритмической активностью мозга. С помощью энцефалографии проведена классификация этих ритмов и установлено соответствие между ними и функциональным состоянием мозга (бодрствованием, разными фазами сна) или патологическими проявлениями (например, эпилептическим припадком).
Исследования показали, что электро- и магнитоэнцефалограммы (ЭЭГ и МЭГ) могут сильно отличаться: некоторые ритмы проявляются лишь в электрических исследованиях, а некоторые — только в магнитных. В кардиографии же сигналы ЭКГ и МКГ очень похожи. Поэтому применение сквид-магнитометров особенно перспективно при исследовании мозга. С их помощью уже получено много важных результатов.
Однако различие в ЭЭГ и МЭГ отнюдь не обязательно. Так, в альфа-ритме, т.е. колебаниях с частотой 8—12Гц, характерном для бодрствующего человека с закрытыми глазами в спокойном состоянии, магнитные и электрические поля появляются синхронно (рис. 3), причем их амплитуды пропорциональны, т.е. субъект с большим электрическим сигналом альфа-ритма вырабатывает и больший магнитный сигнал. Правда, подобная четкая связь отсутствовала у пациентов с нарушениями ритмической активности.
|
|
|
Рис.3
При сравнении электро- и магнитоэнцефалограмм следует учитывать, что и отлично от других органов, мозг практически целиком окружен костной тканью черепа, а ее электропроводность много меньше, чем кожи и самого вещества мозга. Кроме того, естественные отверстия черепа усложняют пути электрического тока, в результате чего картина потенциалов на поверхности головы человека представляет собой сложное наложение пространственных распределений сигналов от довольно удаленных источников внутри мозга. Магнитный же датчик реагирует главным образом на более сильные токи в самой области биоэлектрической активности и, что также очень важно, определенным образом ориентированные относительно приемной катушки сквид-магнитометра. Это делает магнитографические методы предпочтительными, поскольку наибольший исследовательский и диагностический интерес представляет изучение сигналов от конкретного источника внутри мозга - без помех, создаваемых другими видами активности. Так, исследования мозга у лиц, страдающих эпилептическими припадками, показали, что магнитографически удается точно обнаружить очаг патологической активности, в то время как на ЭЭГ у отдельных пациентов не регистрировался спектр, характерный для эпилепсии.
|
|
Но наиболее ярко преимущества магнитной регистрации проявляются при исследованиях откликов мозга на различные воздействия через органы чувств.
В ряде лабораторий мира проводятся исследования магнитных сигналов, сопровождающих отклики мозга на осязательное, звуковое и зрительное раздражение. Уже первые результаты показали, что эти так называемые вызванные магнитные поля (ВМП) мозга обладают сравнительно простой структурой и по ним можно установить расположение источника биоэлектрической активности в коре головного мозга. Некоторые источники ВМП могут быть достаточно хорошо представлены в виде токового диполя, то есть как бы миниатюрной батарейки с близко расположенными полюсами. Положение токового диполя, глубину его залегания в мозге, направление и значение (произведение плотности тока на объем области активности) можно определить магнитографически. В ответ на зрительное раздражение возникает токовый диполь в затылочной части головы, на слуховое — в височной части. В ответ на раздражение мизинца правой руки возникает диполь, перпендикулярный центральной борозде левого полушария (рис. 4). Этот диполь расположен в проекционной зоне чувствительных рецепторов различных частей тела, и именно в том месте, где, как показали нейрохирургические исследования, находится «представительство» мизинца.
| Токовый диполь и его магнитное поле (концентрические стрелки), возникающие при электрическом раздражении правого мизинца: Проекционные зоны чувствительных рецепторов некоторых других частей тела: 1 - нога; 2 - туловище; 3 - рука; 4 - запястье; 5 - кисть; 6 - мизинец; 7 - большой палец; 8 - лицо; 9 - губы; 10 - язык |
Рис. 4
С помощью магнитографии становится возможным без хирургического вмешательства весьма точно выявить то место в коре мозга, куда приходит в где обрабатывается информация от органов чувств. Так, токовый диполь от мизинца находится на 2 см выше диполя, возникающего при раздражении большого пальца. Можно надеяться, что магнитная регистрация позволит подтвердить или определить положение и других функциональных центров в головном мозге. Столь точно устанавливать положение источника биоэлектрической активности мозга ЭЭГ не позволяет.
Сравнительная простота ряда ВМП дает возможность проводить с ними надежные нейрофизиологические эксперименты. Например, исследовались магнитные поля мозга, вызванные реакцией на решетку из темных и светлых полос, периодически появляющуюся на экране осциллографа. Такой вид стимулирования в исследованиях зрительного восприятия весьма распространен, и его применение связано с современными теоретическими представлениями о восприятии образов. Оказалось, что амплитуда магнитного сигнала в этом случае больше, чем, например, при использовании простой вспышки. Периодически (от восьми до двадцати раз в секунду) предъявляя такую решетку, можно по фазовому отставанию магнитного отклика установить время прохождения сигнала по нервным путям от глаза до определенной области коры головного мозга.
Как установлено, прохождение сигнала — не пассивный процесс. При этом осуществляется последовательная обработка информации в различных отделах мозга, и по времени этого «активного» запаздывания (t) можно в той или иной мере судить о характере этой обработки. Запаздывание тем больше, чем гуще решетка, т.е. чем выше ее «волновое число» N, измеряемое числом штрихов на градус поля зрения (рис. 5). Значит, мозг быстрее реагирует па стимул с более крупными деталями. Но это справедливо лишь для частот появления решетки на экране осциллографа, меньших 20 Гц, на больших же частотах механизм обработки сигнала резко меняется и запаздывание уже не зависит от волнового числа решетки. Подобная граничная частота (тоже 20 Гц) была обнаружена и при прохождении сигналов от осязательного раздражения.
|
Рис. 5. Зависимость временной задержки магнитного отклика мозга (левая шкала, дискретные значки) и полного времени реакции человека (правая шкала, сплошные кривые) от густоты предъявляемого зрительного стимула, выражаемой числом штрихов на один градус поля зрения
Интересно отметить, что измерение магнитного отклика на зрительный стимул и сравнение характеристик этого отклика с данными традиционного хронометрического опыта по измерению общей реакции человека на разовое предъявление решетки позволили разделить время реакции (tр) на две части—для анализа сигнала (зависит от периодичности решетки) и для передачи исполнительного импульса. Как следует из сравнения npавой и левой вертикальных шкал на рис. 5, последнее составляет примерно 110 мс независимо от сложности предъявляемого стимула.
Возможность измерения активного запаздывания ВМП позволила сравнить время реакции различных полушарий мозга на зрительный стимул. Система связи мозга с зрительными органами организована иначе, чем для других органов чувств: в левое полушарие идет сигнал от правой половины поля зрения обоих глаз, в правое — от левой половины. У большинства испытуемых время запаздывания для обоих полушарий мозга одинаковое, но у некоторых людей разница во времени реакции правого и левого полушарий достигала 0,1с. Этот факт, по-видимому, может иметь клиническую ценность, например, для ранней диагностики склероза.
Развивающаяся техника магнитных измерений позволяет со все большей точностью определять местоположение токового диполя, соответствующего тому или иному виду нервной активности головного мозга, и тонко разделять разные сигналы. Удалось проследить изменение положения возбужденного участка коры головного мозга при повышении высоты звука с 200 до 5000 Гц: область активности сдвигалась вглубь так называемой сильвиевой борозды на 1см, причем была видна постепенность этого перемещения при плавном изменении частоты.
Точное измерение положения области нервной активности, сопровождающей раздражение того или иного органа чувств, позволяет строить карты активности коры головного мозга: «соматотопическую» для осязания, «тонотопическую» для слуха, «ретинотопическую» для зрения.
Такие карты могут служить основой для понимания процессов переработки поступающей в головной мозг информации и постановки более сложных нейрофизиологических экспериментов на базе полученных результатов. Причем исследования можно проводить на вполне здоровых людях без какого-либо оперативного вмешательства и существенных неудобств для испытуемого.
Если же учесть, что пока мы рассматриваем лишь простейшие проявления нервной активности и что более сложные процессы и мозге, которые тоже картируются магнитографически, будут иметь, скорее всего, ярко выраженные индивидуальные черты, то подобное применение бесконтактных методов магнитометрии представляется чрезвычайно перспективным.
Магнитография позволяет исследовать процессы не только в коре больших полушарий, но и в глубоких структурах мозга и не только отклики на возбуждение органов чувств, но и более сложные процессы. Так, уже измерены магнитные поля, которые возникают, когда человек намерен произвести какое-либо действие. Источник этого поля возникает за секунду (!) до того, как человек реально произведет, например, движение ногой. Как оказалось, источник опять-таки имеет вид, близкий к диполю, и залегает в районе гиппокампа*, причем при желании двинуть правой ногой диполь повернут на 45° влево, а при движении левой ногой — вправо.
Дипольный (обусловленный токовым диполем) характер большинства обнаруженных проявлений нейромагнитной активности объясняется двумя причинами. С одной стороны, такой вид возбуждения, видимо, действительно характерен для тех сравнительно простых нервных процессов, которые исследовались в первых работах по биомагнетизму. Более сложные нейрофизиологические явления связаны, очевидно, и с более сложной системой источников магнитного поля. С другой стороны, при использовании существующих сквид-магнитометров детектирование даже дипольного источника — весьма кропотливая работа, а исследование более сложных процессов представляет серьезные технические трудности. К счастью, прогресс в развитии сверхчувствительной магнитометрии отнюдь не исчерпал себя. Развитие новых технологических процессов производства сквидов на базе микроэлектронной промышленности, разработка компактного криогенного оборудования, перспективы использования мощного вычислительного обеспечения для обработки получаемых магнитных сигналов — все это позволяет предвидеть дальнейшее плодотворное внедрение методов сквид-магнитометрии в исследование человеческого мозга.
Вполне реально создание набора, скажем, из ста чувствительных элементов, одновременно регистрирующих магнитные поля в разных точках вокруг головы человека. Обработка этих данных на ЭВМ даст картину распределения источников поля по всему объему мозга. Такая система во многом схожа с уже существующими системами компьютерной рентгеновской томографии и ЯМР-интроскопии, из которых первая дает полную картину распределения плотности вещества и мозге на основании данных о поглощении рентгеновских лучей, а вторая— картину распределения определенных химических веществ, полученную методом ядерного магнитного резонанса.
Магнитные методы обещают в перспективе построение трехмерной картины электрической активности мозга.
Магнитные исследования мозга реально ведутся всего лишь несколько лет, но уже первые результаты показали большую перспективность метода. Биомагнетизм оказался не только важной частью биологической науки, но и обеспечил базу для развития других применений сверхчувствительной магнитометрии.
Наряду с транзистором и лазером детище квантовой механики сквид лишний раз демонстрирует, насколько практичной стала эта удивительная наука, казавшаяся в прошлом столь абстрактной.
* Гиппокамп — один из участков головного мозга, расположенный под большими полушариями,