История электроэнцефалографии

Основная статья: Электроэнцефалография (ЭЭГ)

Ганс Бергер и запись ЭЭГ в 1926 г.
Ганс Бергер и запись ЭЭГ в 1926 г.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) является одним из основных методов объективного тестирования функций центральной нервной системы (ЦНС). О наличии электрических процессов в мозге животных упоминалось еще в 1849 г. в исследованиях Du Bois-Reymond1, а развитие ЭЭГ как самостоятельного раздела электрофизиологии началось в 1875-1876 гг. после работ В.Я. Данилевского2 и Caton R.3, описавших колебательный характер электрических потенциалов мозга. Началом развития клинической электроэнцефалографии стало открытие Гансом Бергером ритмической биоэлектрической активности, записанной у человека через неповрежденные покровы головы. Кривая, получаемая при регистрации колебаний электрических потенциалов головного мозга через покровы черепа, была названа электроэнцефалограммой, в отличие от электрокортикограммы или субкортикограммы, зарегистрированных соответственно с коры или субкортикальных структур. Работы Г. Бергера, а также сам метод ЭЭГ получили широкое признание лишь после того, как в мае 1934 г. Адриан и Мэттьюс впервые убедительно продемонстрировали ритм Бергера на собрании Физиологического общества в Кембридже4.

Отечественный исследователь В.В. Правдич-Неминский5 в 1925 г. впервые предложил классификацию биопотенциалов мозга по частотным диапазонам, которая является основой современной классификации частот ЭЭГ. Электроэнцефалография человека представляет собой запись потенциалов с частотой от 0,5 до 45 колебаний в секунду. ЭЭГ здорового человека характеризуется наличием регулярного ритма с частотой 8-10 колебаний в секунду, преобладающего в затылочно-теменных отделах, который называется α-ритмом. На ЭЭГ регистрируются также другие ритмы: как более низкие δ- и θ- (2-4, 5-7 колебаний/с), так и более высокие ß-ритмы (13-30 колебаний/с), однако в норме амплитуда их невысока.

При различных патологических состояниях организма компоненты электроэнцефалографии изменяются по частоте и выраженности. В 1934 г. Фишер и Ловенбэк впервые охарактеризовали эпилептиформную активность в виде спайков, зарегистрированных в межприступный период6, а в 1935 г. Гиббс, Дэвис и Леннокс описали разряды «пик-волна» с частотой 3 колебаний/с как характерный паттерн ЭЭГ-абсанса7. В 1936 г. английский нейрофизиолог Г. Уолтер8 обнаружил аномальную δ-активность при опухолях головного мозга. Это позволило предположить, что электроэнцефалография можно использовать для уточнения локализации опухолей. Открытие Г. Уолтером δ- и ß-активности и их связи с патологическими нарушениями в головном мозге положило начало клинической ЭЭГ. В том же 1936 г. в Массачусетском госпитале была открыта первая лаборатория по изучению ЭЭГ, а в 1947 г. прошел первый Международный конгресс по вопросам ЭЭГ. Клиникоэлектроэнцефалографические исследования больных эпилепсией, больных при органических поражениях мозга и воспалительных заболеваниях позволили выделить различные паттерны электроэнцефалографии, свойственные различным формам поражения мозга, различным функциональным состояниям (активное бодрствование, сон, комы и пр.). Расцвет ЭЭГ начался одновременно с разработкой новых электронных усилителей, что привело к накоплению громадного количества фактов, значительно расширивших и углубивших представления о деятельности мозга.

Спор Гальвани и Вольта

Луиджи Гальвани
Луиджи Гальвани

(1737—1798)

Первые систематические работы по изучению электрических процессов в живых организмах стали выполняться во второй половине XVIII столетия. В этот период наблюдался своеобразный взрыв увлечения поисками лечебных эффектов электричества. Теоретические воззрения на электрофизиологию этого периода заключались в наивных и путаных теориях. Однако итогом работ начала XVIII в. является идея «животного электричества»: гипотеза о тесной связи электрических процессов и жизнедеятельности живого организма. Это была увертюра. Отправной датой в истории научной электрофизиологии принято считать 1791 г., а ее основоположником — Луиджи Гальвани.

В 1791 г. итальянский врач, анатом и физиолог Луиджи Гальвани опубликовал «Трактат о силах электричества при мышечном движении». В этом трактате были описаны его опыты, ставшие в общей физиологии возбудимых тканей классическими. Первый, или так называемый «балконный», опыт Гальвани провел случайно. Гальвани готовил нервно-мышечный препарат из задних лапок лягушки, подвесив лапки медным крючком к горизонтальным перилам балкона. Ученый заметил, что лапки вздрагивали (мышцы сокращались) всякий раз, когда они, раскачавшись от ветра, соприкасались с решеткой. Сокращение мышц лапок происходило от замыкания цепи, состоящей из мышцы, нерва, медного крючка и вертикальной железной стойки балконной решетки. Повторив этот опыт с прикладыванием биметаллических дуг к нервно-мышечному препарату, Гальвани всегда получал мышечное сокращение (рис. 1).

опыт Луиджи Гальвани:
Рис. 1. Первый («балконный») опыт Луиджи Гальвани:

сокращение мышц лапки лягушки при приложении биметаллической пластины (медь — железо) к нерву и мышцам

После долгих размышлений Гальвани предложил теорию «животного электричества». В основу этой теории был положен механизм работы самого современного на тот период электротехнического устройства — «лейденской банки» (рис. 2). Лейденская банка — первый электрический конденсатор, был изобретен голландским ученым Питером ван Мушенбруком в 1745 г. в Лейдене. Конденсатор имел форму банки, то есть цилиндра с более или менее широким горлом, обыкновенно стеклянного. Банка оклеена внутри и снаружи листовым оловом (наружная и внутренняя обкладки) и прикрыта деревянной крышкой. Сквозь крышку в банку был воткнут металлический стержень — кондуктор. Лейденская банка позволяла накапливать и хранить сравнительно большие заряды (порядка микрокулона). При соединении наружной обкладки и кондуктора заряженной банки возникал электрический разряд.

Лейденская банка
Рис.2. Лейденская банка:

электрический разряд при замыкании внешней и внутренней обкладок

Согласно гипотезе Гальвани мышца является своеобразной лейденской банкой: наружная и внутренняя поверхности мышцы несут заряд противоположного знака. По мнению Гальвани, «заряд электричества», непрерывно вырабатываясь в мозге, передается к мышце нервом, который, будучи продолжением внутренней поверхности мышцы, является аналогом кондуктора лейденской банки — мышцы. Понятно, что при таких условиях прикладывание металлической дуги к нерву и мышце вызывает разряд, который и возбуждает мышцу, — наблюдается сокращение.

Открытие Гальвани произвело научную сенсацию. Тот факт, что в живом организме нервы побуждают мышцы к сокращению, был доказан еще Клавдием Галеном (131 — 200 гг. н. э.) — врачом римского императора Марка Аврелия. Опыт Гальвани впервые показал, что «неживая» мышца способна сокращаться. Из этого был сделан вывод о наличии собственных электрических свойств у мышечной ткани. Говоря современным языком, мышечная ткань, как и нервная были отнесены к возбудимым тканям.

Алессандро Вольта
Алессандро Вольта

(1745-1827)

Среди активных последователей основоположника электрофизиологии был Алессандро Вольта — профессор физики университета в Павии.

Педантичный физик Алессандро Вольта, проверив опыты физиолога Гальвани, счел его гипотезу абсолютно несостоятельной. Вольта полностью отрицал существование всякого животного электричества. Наблюдаемое в опыте сокращение мышц Вольта объяснял как результат воздействия электрического заряда, возникающего в биметаллической паре: вспомним, что лапки лягушки висели на медном крючке, а касались железных прутьев решетки балкона. Касанием только железа или меди нервно-мышечного препарата сокращение не вызывалось.

Гальвани в ответ на справедливую критику проделал свой второй опыт: при накидывании нерва одной лягушки на мышцу другой происходило сокращение этой мышцы. Этим Гальвани подтвердил истинность своей теории о том, что живая ткань может быть источником электричества.

Так возник известный в электрофизиологии «спор Гальвани и Вольта», результатом которого, следует признать, стало развитие и электрофизиологии, и учения об электричестве. Продолжая эти опыты, Вольта впервые создал химический источник тока: пластины из цинка и меди, помещенные в кислоту, создавали постоянный электрический ток. Назывался этот источник «Вольтов столб», а состоит он, как мы знаем, из галъванигеских элементов. В электротехнике один из первых приборов для измерения количества электричества был назван гальванометром, а напряжение измеряется в Вольтах. История по-своему примирила Гальвани и Вольта.

В спор физика и физиолога вмешалась политика. Луиджи Гальвани отказался присягнуть Цизальпинской республике, основанной Наполеоном в 1797 г. В 1798 г. Гальвани умер в нищете в родной Болонье. Алессандро Вольта, наоборот, был обласкан новой властью: Наполеон присвоил ему титул графа и статус сенатора. Столь драматический поворот в судьбе Гальвани отчасти определил последующее отношение к его теории: в первой четверти XIX в. она считалась несостоятельной.

Лишь спустя 30 лет физиология вернулась к теории «животного электричества» Гальвани, или, говоря современным языком, — к теории биоэлектрической активности. Благодаря работам Карло Маттеуччи в 1830—1840 гг. было показано, что неповрежденная поверхность мышцы и ее поперечный разрез имеют разные заряды. Он также показал, что при сокращении мышца генерирует электрический ток, который может вызвать возбуждение другого нервно-мышечного препарата.

Дюбуа-Реймон — основоположник современной электрофизиологии

Эмиль Дюбуа-Реймон
Эмиль Дюбуа-Реймон

(1818-1896)

Основы современной электрофизиологии и нейрофизиологии были заложены классическими работами немецкого физиолога Эмиля Генриха Дюбуа-Реймона (Du Bois-Reymond).

Дюбуа-Реймон получил естественнонаучное и философское образование в Берлинском университете. Еще студентом второго курса он оказался в лаборатории профессора Иоганна Петера Мюллера (1801 — 1858) — всемирно известного физиолога, одного из основоположников психофизиологии. Основатель большой школы физиологов, неутомимый экспериментатор Мюллер поручил своему ассистенту Дюбуа-Реймону проверить данные «о лягушках, дергавшихся при раздражении нервов металлическими пластинами», опубликованные в трудах Болонской академии за подписью Луиджи Гальвани.

К этому времени — к середине XIX в. — появился прибор для количественного исследования электричества, который получил название гальванометр (так была отдана дань заслугам Гальвани). Скрупулезная разработка методических условий, а главное, применение гальванометра и не-поляризующихся электродов позволили Дюбуа-Реймону установить основные формы биоэлектрических явлений в мышцах и нервах. Так, была зарегистрирована разность потенциалов между продольной неповрежденной поверхностью и поперечным разрезом мышцы или нерва. Эта разность потенциалов была названа «ток (потенциал) покоя». При сокращении мышцы «ток покоя» уменьшался. Такое «отрицательное колебание тока покоя» было названо «током (потенциалом) действия». На основании своих наблюдений Дюбуа-Реймон сформулировал «закон возбуждения», согласно которому действие электрического тока на возбудимую ткань (нерв, мышцу) определяется не абсолютной величиной тока, а скоростью изменения тока во времени. Долгое время это положение считалось всеобщим законом возбуждения, но в современной электрофизиологии доказано, что не только скорость изменения тока, но и сила, и направление тока определяют его действие на нерв и мышцу.

Результаты своих трудов Дюбуа-Реймон изложил в двухтомном труде «Исследования по животному электричеству» (1848—1849 гг.), в котором заложил фундамент современной электрофизиологии. Мы до сих пор пользуемся терминами, введенными Дюбуа-Реймоном: потенциал покоя, потенциал действия. Дюбуа-Реймон предпринял попытку объяснить электрофизиологические процессы на основе существовавших в то время законов химии и физики в сформулированной им «молекулярной теории токов (потенциалов)». По мнению Дюбуа-Реймона, потенциал покоя создается в тканях за счет строго ориентированных электрических диполей. При возбуждении ткани диполи меняют свою ориентацию, что генерирует «ток действия». Эти представления были умозрительны и механистичны, но вполне допустимы для своего времени.

Эмиль Дюбуа-Реймон был не чужд философии. Во многом его мировоззрение опиралось на результаты проведенных научных изысканий, что позволило ему стать одним из ярких представителей механистического материализма. Свою физико-химическую теорию Дюбуа-Реймон абсолютизировал и экстраполировал для объяснения закономерностей функционирования головного мозга. Это привело его к заключению, что лежащие в основе деятельности мозга процессы не могут быть познаны.

Русская увертюра мировой симфонии

Иван Михайлович Сеченов
Иван Михайлович Сеченов

(1829-1905)

В 1856—1859 гг. в Берлине в лаборатории Дюбуа-Реймона работал Иван Михайлович Сеченов — «основоположник отечественной физиологии», как назвал его Иван Петрович Павлов. Во время своей заграничной стажировки И. М. Сеченов изучил передовые достижения электрофизиологии того времени. При возвращении в Россию И. М. Сеченов с 1860 по 1870 г. возглавляет кафедру физиологии в Императорской Медико-хирургической академии (ныне — Военно-медицинская академия). Свои взгляды И. М. Сеченов излагает в книге «О животном электричестве» (1862), а также в цикле лекций, прочитанных по материалам книги. За свои труды по электрофизиологии он был в 1863 г. удостоен Демидовской премии Петербургской АН — самой престижной научной премии в царской России (к слову, ее размер составлял 5000 рублей).

В 1882 г. И. М. Сеченов опубликовал работу «Гальванические явления на продолговатом мозге лягушки», в которой был установлен принципиальный для всей нейрофизиологии факт: наличие ритмигеской электрической активности в стволе мозга. И. М. Сеченов такую активность назвал «спонтанной», имея в виду, что наличие этой активности не вызвано действием каких-либо раздражителей. Описывая свойства спонтанной биоэлектрической активности головного мозга, И. М. Сеченов доказал, что при раздражении периферических нервов эта активность ослабевает до полного угнетения. Эти и другие результаты позволили сформулировать одно из ключевых понятий в нейрофизиологии — концепцию центрального торможения. Рассуждая о механизмах биоэлектрогенеза, И. М. Сеченов выдвигает возражения против общепринятой в то время физико-химической теории Дюбуа-Реймона. «Электрические явления в мышцах и нервах суть продукты их жизни», — этой максимой И. М. Сеченов утверждал, что в основе генерации биоэлектрической активности лежит метаболизм клетки, а не только элементарные физические процессы.

Ричард Кэтон
Ричард Кэтон

(1842-1926)

Приоритет в регистрации электрической активности головного мозга делят английский хирург и физиолог Ричард Кэтон и русский физиолог Василий Яковлевич Данилевский. В 1875 г. независимо друг от друга Кэтон и Данилевский смогли зарегистрировать суммарную биоэлектрическую активность на открытом мозге собаки в остром эксперименте. Было также показано, что электрическая активность головного мозга полностью зависит от протекающих нейрофизиологических процессов: уровня бодрствования, наличия сенсорной стимуляции, интенсивности кровоснабжения мозга и др. Считается также, что Кэтон впервые зарегистрировал корковые вызванные потенциалы, проводя электрическую стимуляцию седалищного нерва и зрительную стимуляцию вспышкой света.

Василий Яковлевич Данилевский
Василий Яковлевич Данилевский

(1852-1939)

Таким образом, 1875 г. можно достаточно обоснованно считать одной из ключевых точек в истории нейрофизиологии: у животного на открытом мозге была зарегистрирована суммарная электрическая активность коры. Дальнейшее развитие электрофизиологии стало прочно связано с нейрофизиологией.

После ухода из Медико-хирургической академии И. М. Сеченова работы по нейрофизиологии были продолжены под руководством его ученика — выдающегося физиолога Ивана Романовича Тарханова (1846—1908), заведовавшего кафедрой физиологии академии с 1877 по 1895 г. Для непрерывной регистрации электрического сигнала мозга И. Р. Тарханов предложил и успешно использовал телефон («телефонический метод»). Другой ученик И. М. Сеченова — Николай Евгеньевич Веденский (1852—1922) — первым зарегистрировал электрическую активность поперечно-полосатой мышцы, применив «телефонический метод». Полученные результаты вошли в диссертацию Н. Е. Веденского «Телефонические исследования над электрическими явлениями в мышечных и нервных аппаратах» (1884). В последующих своих работах, изучая биоэлектрическую активность мышц и нервно-мышечную передачу, Н. Е. Введенский доказал закономерности фазовых изменений возбудимости.

И. Р. Тарханов
Физиолог И. Р. Тарханов.

Художник И. Е. Репин (1908)

На рубеже XIX и XX вв. естественные науки захлестнула волна эмпириокритицизма. Кредо этого философского направления составляла «критика с позиций опыта». Не обошла эта критика и нейрофизиологию. В начале XX в. появилась череда работ, в которых ставились под сомнение результаты изучения биоэлектрической активности мозга. Регистрируемые электрические явления рассматривались как артефакты, возникающие вследствие повреждения мозговой ткани, движения крови по сосудам, ликвородинамики и т. д. Кризис удалось преодолеть благодаря очередному прорыву в технологиях: в электротехнике появился струнный гальванометр, который сочетал высокую чувствительность и низкую инерционность при регистрации. Так, благодаря струнному гальванометру, голландскому физиологу Виллему Эйнтховену удалось в 1903 г. зарегистрировать электрокардиограмму, за что в 1924 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

Владимир Владимирович Правдич-Неминский
Владимир Владимирович Правдич-Неминский

(1879-1952)

Новый этап в развитии нейрофизиологии связан с именем русского физиолога Владимира Владимировича Правдич-Неминского. В 1912 г. были выполнены, а в 1913 г. опубликованы работы, в которых доказывалась возможность регистрации электрической активности мозга с поверхности головы через мозговую оболочку, кости черепа и неповрежденную кожу. В работах, проведенных в острых опытах на курарезированных собаках, Правдич-Неминский регистрирует с помощью струнного гальванометра спонтанную активность коры больших полушарий с неповрежденного скальпа. Он вводит специальный термин для записи электрической активности мозга, называя ее «электроцереброграммой». Следует признать, что семантически термин «электроцереброграмма» более точен, чем предложенный позже и используемый сейчас термин «электроэнцефалограмма», поскольку в этом термине сочетаются латинские и греческий корни.

К сожалению, Первая мировая война, череда революций и последовавшая за ними гражданская война не способствовали занятиям нейрофизиологией. В. В. Правдич-Неминский вернулся к своим изысканиям уже в Академии наук Украинской ССР. В 1925 г. им опубликована работа, в которой впервые была систематизирована биоэлектрическая активность головного мозга. Регистрируемая над различными участками коры активность была разделена на семь самостоятельных видов, среди которых были выделены волны первого порядка частотой 10—15 Гц, второго порядка частотой 20—30 Гц, а также медленные волны — 0,2—1,2 Гц. В. В. Правдич-Неминский впервые описал реакцию десинхронизации электрической активности при электрическом раздражении седалищного нерва.

Таким образом, русский физиолог В. В. Правдич-Неминский — один из основоположников современной электроэнцефалографии. Датой рождения экспериментальной электроэнцефалографии можно смело признать 1912— 1913 гг., когда впервые была зарегистрирована электрическая активность мозга у животного через кости черепа и неповрежденную кожу.

Исследования с использованием новых для начала XX в. технологических приемов позволили убедительно доказать, что регистрируемые электрические процессы в мозге вызваны нейрофизиологическими процессами, а не являются артефактами. Одним из фундаментальных исследований того времени была обширная работа, выполненная под руководством Владимира Михайловича Бехтерева (1857—1927) его сотрудником Павлом Юрьевичем Кауфманом (1877—1951). В тщательно спланированных опытах на собаках в 1912 г. была показана связь биоэлектрической активности мозга с функциональным состоянием ЦНС: с уровнем бодрствования и глубиной наркоза, с изменениями метаболизма мозга, с воздействием внешних раздражений и даже с экспериментальным судорожным припадком при прямой электростимуляции мозга.

Ганс Бергер — «отец электроэнцефалографии»

Культовой датой в истории электроэнцефалографии является 1929 г. — немецкий психиатр Ганс Бергер опубликовывает статью «Об электроэнцефалограмме человека» в журнале «Архив психиатрии и нервных болезней» (Uberdas Elektroenzephalogramm des Menschen // Arch, f. Psychiat. u. Nervenkrankh. — 1929,87. — S. 527— 570). Но это теперь 1929 г. принимается всеми как дата рождения нового нейрофизиологического метода, а Г. Бергер вошел в историю медицины как «отец» клинической электроэнцефалографии. Произошло это не сразу.

Ганс Бергер родился в 1873 г. в Баварии в деревне Нойез близ города Кобург. С 1901 г. и практически до своей смерти он работал в университете города Йена в Германии. В разные годы в Йенском университете профессорами были Георг Гегель — основоположник немецкой классической философии; Эрнест Геккель — естествоиспытатель; Матиас Шлейден — один из создателей клеточной теории, а среди выпускников университета — философ Артур Шопенгауэр и социолог-экономист Карл Маркс.

В 1919—1938 гг. Г. Бергер руководил психиатрической клиникой медицинского факультета Йенского университета. В настоящее время эта клиника носит его имя. В начале 1920-х гг. Бергер стал упорно заниматься разработкой метода регистрации электрической активности головного мозга человека. Для работы он самостоятельно сконструировал оригинальный прибор. Первая «машина Бергера» представляла собой одноканальный регистратор биоэлектрической активности мозга. Регистрация проводилась осциллографом на фотобумаге, которая потом проявлялась. Первоначально суммарная электрическая активность головного мозга регистрировалась между затылочным и лобным игольчатыми электродами, которые вводились под кожу головы. Затем для регистрации «мозговых волн» с поверхности скальпа были применены свинцовые, цинковые и платиновые электроды, а в качестве референта использовалась серебряная ложечка, помещавшаяся в рот пациента.

В своих работах Бергер называет точную дату, когда ему удалось добиться устойчивой записи электроэнцефалограммы — 6 июля 1924 г. Но он продолжал работать еще несколько лет, прежде чем опубликовать результаты. Бергер проводил разносторонние исследования электрической активности: в спокойном состоянии, при умственной нагрузке, при наркозе. Он регистрировал ЭЭГ у больных с различными психическими заболеваниями. Итогом работ Бергера стала статья «Об электроэнцефалограмме человека» (1929), где была описана основная ЭЭГ-семиотика здорового человека. Бергер предложил не только сам термин «электроэнцефалограмма», но и аббревиатуру «EEG». Бергер выделил два вида активности: частотой около 10 Гц, которую он обозначил как альфа-ритм, и более высокой частоты, обозначенная как бета-ритм. Была впервые дана характеристика альфа-ритма: он возникает при закрытых глазах, при открывании глаз или при сенсорной стимуляции, альфа-ритм замещается бета-активностью. Также сообщалось, что характер «мозговых волн» изменяется в зависимости от функционального состояния головного мозга, в частности, во сне, при общей анестезии и гипоксии. Было показано, что характер активности у здорового человека и у больного эпилепсией существенно различается.

Сам Г. Бергер изначально основным предназначением метода ЭЭГ видел изучение психической деятельности. Практически всю свою активную научную деятельность он посвятил поискам физиологических коррелятов телепатии. Но уже в своей книге «Душа» («Psyche», Jena, 1940) он первым совершенно обоснованно указал на недостаточность электроволновой модели в решении психофизической проблемы.

Всего Г. Бергером было опубликовано 23 работы по электроэнцефалографии. Но его работы встретили среди коллег активное неприятие и не были приняты медицинским сообществом Германии. Принципиальность и настойчивость Бергера привела к конфликту с коллегами, и в 1938 г. Г. Бергер получил отставку с поста руководителя клиники психиатрии, которую возглавлял без малого 20 лет. Бергер оказался в изоляции. Не последнюю роль в этом сыграли и политические взгляды ученого: он не симпатизировал нацистам. После отставки с поста директора клиники Бергер впал в тяжелую депрессию. Г. Бергер покончил жизнь самоубийством 1 июня 1941 г.

Метод энцефалографии стал получать признание лишь после того, как работы Бергера поддержал мэтр электрофизиологии лорд Эдгар Дуглас Адриан — лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1932), которую он получил вместе с Чарльзом Шеррингтоном за исследования функциональной активности нейронов. На собрании Физиологического общества в Кембридже в мае 1934 г. Эдриан и Мэттьюс своей демонстрацией доказали связь «ритма Бергера», как они назвали альфа-ритм, с биоэлектрической активностью головного мозга.

«Золотой век» электроэнцефалографии

Уильям Грей Уолтер
Уильям Грей Уолтер

(1910-1977)

Вторая половина 1930-х гг. ознаменовала начало периода бурного развития электроэнцефалографии, началось широкое внедрение метода в клиническую практику. «Пионеры электроэнцефалографии» — Грей Уолтер. Герберт Джаспер и Уайлдер Пенфилд, супруги Фредерик и Эрна Гиббс, Натаниел Клейтман — заложили фундаментальные основы классической нейрофизиологии.

Пожалуй, после Ганса Бергера следующей по значимости фигурой в истории электроэнцефалографии является английский нейрофизиолог Уильям Грей Уолтер (Walter). Сразу по окончании Кембриджского университета Уолтер занялся популярной в 1930-е гг. физиологией ЦНС. В середине 1930-х гг. Уолтер посещает Г. Бергера, знакомится с его «ЭЭГ-машиной». В 1939 г. (в возрасте 29 лет) Уолтер возглавил исследовательский отдел Бёрденовского неврологического института в Бристоле, которым руководил до 1970 г.

В 1935—1936 гг. для нейрофизиологических исследований по заказу Уолтера конструируют мощный по тем временам многоканальный электроэнцефалограф. Это позволило стремительно развить электроэнцефалографические исследования. Так, уже в 1936 г., проведя обследования больных с опухолями мозга, Уолтер описывает медленноволновую активность частотой 1—6 Гц, которую он называет дельта-волнами. Уолтер исследует изменения ЭЭГ во время сна, доказывая, что дельта-активность характерна и для физиологического сна. В 1946 г. Уолтер сообщил о том, что ритмическая фотостимуляция может провоцировать эпилептическую активность на ЭЭГ. С этих пор фотостимуляция прочно вошла в протокол рутинного ЭЭГ-исследования. Однако не следует считать, что именно Уолтер придумал применять ритмическую фотостимуляцию для диагностики эпилепсии. Для провокации судорожных приступов еще в Римской империи применяли «фотостимуляцию» от вращающегося щита. Уолтер лишь соединил известную в эпилептологии функциональную пробу с регистрацией ЭЭГ.

Занимаясь проблемой локализации источников патологической активности, Уолтер разработал метод триангуляции. При выполнении ЭЭГ-исследования этот метод до сих пор используется для локализации источника патологической активности. В 1950-е гг. Грей Уолтер разработал прибор, названный им «топоскоп», который, по сути, является первым нейрокартографом — прибором, графически представляющим распределение электрической активности по конвекситальной поверхности.

Практически большинство наших современных знаний по феноменологии альфа-ритма обосновал Грей Уолтер. Им были доказаны зональные различия в локализации альфа-ритма: максимальная выраженность в затылочно-теменной области и убывание по направлению к передним отделам мозга. Уолтер показал, что источником генерации альфа-ритма является таламус. Во время Второй мировой войны Уолтер участвовал в разработке методов радиолокации. Полученный опыт он перенес в нейрофизиологию и сформулировал гипотезу функционального значения альфа-ритма. Согласно гипотезе Уолтера в условиях покоя альфа-ритм отражает процесс «сканирования» мозгом своих нервных центров, проверяя их готовность к действию.

По собственному признанию Уолтера, на его мировоззрение огромное влияние оказали работы Ивана Петровича Павлова. В методе электроэнцефалографии Уолтер видел возможность найти корреляты условной и безусловной рефлекторной деятельности. Отчасти эта задача была им решена: в 1964 г. было сообщено о разработке методики регистрации «условного негативного отклонения» (CNV). Этот феномен также известен как Е-волна, или волна ожидания.

Г. Уолтер обобщил результаты своих изысканий по физиологии ЦНС и поведения в книге «Живой мозг» {The Living Brain), вышедшей в 1953 г. Эта книга, несколько раз переиздававшаяся, остается интересной и востребованной. Уолтер вошел в историю не только как один из основателей электроэнцефалографии, но и как пионер кибернетики. Он изобрел первые простейшие кибернетические самообучающиеся модели — так называемые «черепахи Уолтера».

Уайлдер Грейвс Пенфилд
Уайлдер Грейвс Пенфилд

(1891-1976)

Уайлдер Грейвс Пенфилд получил разностороннее медицинское образование. В Оксфордском университете он изучал невропатологию под руководством Шеррингтона. Во время своей поездки в Испанию обучился нейрогистологии у Рамон-и-Кахаля, в Германии стажировался у основоположника нейрохирургии Отфрида Фёрстера в Бреслау. По возвращении в Америку проходил стажировку у Кушинга. С 1921 г. Пенфилд работал хирургом в Нью-Йоркском госпитале, выбрав основным направлением своей деятельности хирургическое лечение эпилепсии. В конце 1920-х гг. Пенфилд познакомился с Дэвидом Рокфеллером и смог убедить его профинансировать создание специального нейрохирургического института для лечения эпилепсии. Идеи хирургического лечения эпилепсии вызвали скепсис и препятствия со стороны коллег-неврологов в Нью-Йорке. На деньги семьи Рокфеллеров в 1934 г. Пенфилд создает неврологический институт в канадском Монреале в Университете МакГила.

Герберт Генри Джаспер
Герберт Генри Джаспер

(1906-1999)

Метод нейрохирургического лечения эпилепсии, разработанный Пенфилдом, состоял в деструкции тех отделов коры головного мозга, которые представляли собой очаг судорожной активности. В 1940-х гг. уже было совершенно очевидно, что ЭЭГ — основной патофизиологический метод визуализации эпилептических очагов, своеобразное «окно» в мозг, страдающий эпилепсией. В 1946 г. Пенфилд приглашает в свой неврологический институт нейрофизиолога Герберта Генри Джаспера (Jasper), известного к тому времени своими исследованиями нейрональной активности. Пенфилд и Джаспер разработали методику интраоперационной электрокортикографии (ЭКоГ). Во время операции на открытом мозге производилась регистрация нативной электрической активности коры и электрическая стимуляция различных отделов мозга, что позволяло точно локализовать эпилептический очаг. С середины 1950-х гг. ЭКоГ-мониторинг стал «золотым стандартом» в хирургическом лечении эпилепсии.

Джаспер и Пенфилд использовали информацию, полученную в ходе операций на мозге, для создания функциональных карт коры мозга. Во время некоторых операций при соответствующем виде анестезии больные находились в сознании и описывали свои ощущения, которые возникали при электростимуляции различных отделов коры. Обобщение результатов картографии установило точное представительство в коре головного мозга различных мышц и органов тела человека. Так появился «гомункулюс Пенфилда» — схематичное изображение частей тела над проекционными зонами коры мозга, в которых они представлены.

Полученные Джаспером и Пенфилдом данные о функциональной организации коры головного мозга человека были изложены в фундаментальном труде «Эпилепсия и функциональная анатомия головного мозга» (1954).

В современной нейрофизиологии во всем мире принята единая «система координат» для размещения электродов при различных электрофизиологических исследованиях: ЭЭГ, регистрация вызванных потенциалов различной модальности. Эта система известна как «международная система 10—20 %». Разработал и предложил эту систему Герберт Генри Джаспер в 1958 г.

Натаниел Клейтман
Натаниел Клейтман

(1895—1999)

«Отец сомнологии» («The Father of Sleep Research») Натаниел Клейтман прожил 104 года: он родился в 1895 г. в Российской империи в Кишиневе, умер в Лос-Анджелесе в 1999 г. В 1912 г. его семья перебралась в Америку. В Колумбийском университете он получил образование в области физиологии и психологии. Клейтман — первый нейрофизиолог, целиком посвятивший свою жизнь изучению феноменологии и механизмам сна. С 1925 по 1960 г. он работал в Чикагском университете, в основанной им лаборатории по изучению сна. В 1939 г. Клейтман опубликовал первый учебник по нейрофизиологии сна «Сон и бодрствование» («Sleep and Wakefulness»). В 1950-х гг. сконцентрировался на полиграфическом исследовании сна, которое в первую очередь включало электроэнцефалографию. В 1953 г. совместно со своим аспирантом Юджином Асеринским впервые описал фазу быстрого сна (REM-sleep) и доказал связь быстрого сна со сновидениями. Таким образом, результатом работы Клейтмана явились подробное описание фаз сна, ставшее ныне классическим, и разработка основ метода полисомнографии.

Пионерами электроэнцефалографии были супруги Гиббс. Фредерик Гиббс в 1930-х гг. в Гарвардской медицинской школе изучал патофизиологию и клинику эпилепсии под руководством самого Леннокса. Там он познакомился с его ассистенткой Эрной Леонгардт, которая вскоре стала его женой. В 1935 г. по просьбе Ф. Гиббса был создан многоканальный электроэнцефалограф: запись велась по трем каналам сразу. Супруги Гиббс накопили обширную ЭЭГ-семиотику при различных психических и неврологических заболеваниях, и прежде всего — при эпилепсии. Это позволило уже в 1941 г. выпустить первый «Атлас электроэнцефалографии».

Заключение

К середине 1950-х гг. практически вся известная нам сейчас ЭЭГ-семиотика была накоплена и систематизирована. Были сформулированы основные гипотезы генерации суммарной биоэлектрической активности мозга. Период 1950—1970-х гг. считается «золотым веком» в истории электроэнцефалографии. ЭЭГ применялась широко и практически во всех разделах нейробиологии. Перечислить всех ученых, которые занимались ЭЭГ, трудно, да и, выделив одних, можно оскорбить забвением других. Однако следует признать, что за этот период существенного развития прорыва в электрофизиологии не произошло. Не принес желаемых результатов и бесконечный поиск новых методов статистического анализа амплитудно-частотных характеристик спонтанной и вызванной биоэлектрической активности. К концу 1970 — середине 1980-х гг. в электроэнцефалографии наметился кризис исчерпания предыдущего пути развития. Стало очевидно, что нейрофизиологи не смогли проникнуть в тонкие закономерности функционирования мозга человека. Интерес к ЭЭГ заметно охладел, чему отчасти способствовали успехи нейровизуализации. Внедрение компьютерных технологий создало принципиально новый метод — компьютерную томографию. В электрофизиологии, к сожалению, внедрение электронно-вычислительной техники не привело к созданию нового метода. Так называемая современная «компьютерная ЭЭГ» отличается от ЭЭГ, выполненной на бумажнопишущих аппаратах, так же как цифровая фотография от классической аналоговой, как работа в текстовом редакторе от стрекотания на пишущей машинке. Новые возможности для работы появились, но новых форм художественного отображения действительности не возникло. Да и мастеров — художников и писателей — не прибавилось.

К середине 1990-х гг. методы нейровизуализации существенно потеснили в клинике электрофизиологические методы исследования. Процесс познания, как известно, подчиняясь общим законам диалектики, развивается «по спирали». Последние 10—15 лет нейрофизиология, несомненно, переживает ренессанс. Во-первых, надежды, которые возлагались на рентгенологические методы нейровизуализации, оправдываются пока только в части, касающейся оценки структуры. Регистрация электрической активности по-прежнему остается единственным способом прямой оценки функционального состояния нервной системы. Во-вторых, использование компьютерной обработки ЭЭГ-сигнала существенно повысило потребительские свойства метода: появилась возможность достаточно просто получать результаты статистической обработки амплитудно-частотных параметров практически в реальном масштабе времени. В-третьих, достигнут существенный прогресс в технике регистрации. ЭЭГ-исследование больше не требует специальных экранированных камер, а может выполняться даже «у постели больного».

Исследование истории электроэнцефалографии доказывает гениальную мудрость Ивана Петровича Павлова: «Метод — отец науки». Революционные успехи в нейрофизиологии были связаны с приходом новых методических приемов. Возможность измерять количество электричества позволила Дю-буа-Реймону обосновать эвристическую теорию биоэлектрогенеза Гальвани. Капиллярный гальванометр позволил Кэтону и Данилевскому зарегистрировать (записать) динамику постоянно меняющейся суммарной активности головного мозга. Появился малоинерционный струнный гальванометр — Прав-дич-Неминский смог зарегистрировать электроэнцефалограмму у животного. Вакуумные усилители и осциллограф были технической основой «ЭЭГ-машины» Бергера.

Диалектически оценивая перспективы электрофизиологических методов, следует, вероятно, рассмотреть два возможных сценария. Либо возникнет новый технологический подход, который обеспечит очередной революционный шаг в нейрофизиологии. Либо надо ждать, пока количество накопленной фактологии и наших представлений о механизмах генерации биоэлектрической активности переведет нейрофизиологический метод в новое качество.

Footnotes

  1. Du Bois Reymond E. Untersuchungen über thierische // Elektikstät. – 1849. – Vol. 2. – P. 425-430.G. – Reimer, Berlin.
  2. Danilevsky W.Y. Zur Frage über die elektromotorischen Vorgänge im Gehirn als Ausdruck seines Thätigkeitszustandes [On the question of the electro-motoric acts in the brain as an expression of its activity state] // Centralblatt für Physiologie. – 1891. – Vol. 4. – P. 473-476.
  3. Caton R. Die Ströme des Centralnervensystems [The currents of the central nervous system] // Centralblatt für Physiologie. – 1891. – Vol. 4. – P. 785-786.
  4. Adrian E.D.Matthews B.H.C. (From the Physiological Laboratory, Cambridge) // Brain – 1934. – Vol. 57. – P. 355-385.
  5. Práwdicz-Neminski W.W. Zur Kenntnis der elektrischen und der Innervationsvorgänge in den funktionellen Elementen und Geweben des tierischen Organismus. Elektrocerebrogramm der Säugetiere // Pflügers Archiv für die Gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere. – 1925. – Vol. 209, N. 1. – P. 362-382. doi: 10.1007 / BF01730925. ISSN 0031-6768.
  6. Fischer M.H., Lowenbach H. Aktionsstrome des Zentralnervensystems unter der Einwirkung von Krampfgiften. I Mitteilung. Strychnin und Pikrotoxin // Arch. exper Path Pharmak. – 1934. – Vol. 174. – P. 357-382.
  7. Gibbs F.A., Davis H., Lennox W.G. The electro-encephalogram in epilepsy and in conditions of impaired consciousness // Arch. Neurol. Psychiatry. – 1935. – Vol. 34. – P. 1133-1135.
  8. Уолтер Г. Живой мозг. – М.: Мир, 1966. – 290 с.