Исследование отражения работы сердца в активности корковых

Исследование отражения работы сердца в активности
корковых сенсорных зон в цикле сон-бодрствование
Лаврова Виктория Дмитриевна
Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН
pilotfish@bk.ru
Abstract. Согласно висцеральной теории сна (Пигарев, 2013), сенсорные
зоны коры головного мозга, участвующие в анализе экстероцептивной
информации в бодрствовании, во сне переключаются на анализ интероцептивной информации. В данной работе проверяли гипотезу согласно
которой сердечная деятельность также отражается в активности сенсорных зон коры головного мозга в цикле сон-бодрствование, и пытались локализовать корковые отделы обработки информации, поступающей от
сердца. Работу проводили на двух взрослых кошках, у которых записывали ЭЭГ лобной и затылочной областей коры головного мозга. Параллельно регистрировали электрокардиограмму, движения глаз и ритм дыхания .
Были проанализированы записи длительностью 4-6 часов, включающие
периоды бодрствования, медленноволнового и быстрого сна. Было обнаружено, что сердечная деятельность действительно отражается в электрической активности лобных отделов мозга. При этом связь между сердцем
и корковыми областями проявляется во сне и отсутствует в периоды бодрствования. Это наблюдение служит еще одним аргументом в пользу висцеральной теории сна.
Keywords: сон, бодрствование, электрокардиограмма, висцеральные системы, кора
мозга
Введение
На сегодняшний день существует достаточно много теорий сна, касающихся
разных аспектов этого состояния. Однако ни одна из них не объясняет всей
феноменологии этого физиологического процесса и не проясняет его
функционального назначения.
Понять назначение сна были призваны эксперименты по депривации сна, в
ходе которых подопытных животных лишали возможности спать (Манасеина,
1894; Быков с соавт., 1954; Rechtschaffen and Bergmann, 1995). В этих работах было
показано, что в результате лишения сна у животных возникали многочисленные
патологические изменения во внутренних органах, а это при продолжении
депривации сна в течение нескольких суток приводило к смерти. Таким образом, было установлено, что сон прежде всего необходим для нормальной работы органов брюшной и грудной полости (висцеральных органов), в которых
710
находится множество интерорецепторов и нервных окончаний (Черниговский,
1960).
В то же время из результатов электрофизиологических исследований было
хорошо известно, что при переходе от бодрствования ко сну активность мозга
не только не снижалась, но в ряде случаев даже усиливалась. Чем была
обусловлена высокая активность нейронов коры мозга в периоды сна, когда
проведение в мозг информации из окружающей среды блокировано,
представляло основную загадку этого состояния организмов.
Совокупность данных фактов в своё время привела к появлению
висцеральной теории сна (Пигарев, 2013). Центральный тезис её можно
представить так: корковые сенсорные зоны, вовлечённые в состоянии бодрствования в анализ экстероцептивной информации (от органов чувств), во время
сна переключаются на анализ интероцептивной информации (от висцеральных
органов). Это означает, что мозг никогда не отдыхает, а сон по своему назначению – это состояние организмов, при котором отделы центральной нервной
системы переключаются с обработки сигналов из внешнего мира на обработку
сигналов от внутренних органов. Предполагалось, что медленные волны,
появляющиеся в энцефалограмме в периоды сна – это, возможно, отражение
периодических процессов висцеральных органов: перистальтики желудка и
кишечника, дыхания, сердцебиения.
Экспериментальная проверка висцеральной теории сна была начата с
исследований желудочно-кишечного тракта. Обнаружилось, что у кошек и
обезьян в периоды медленного сна в ответ на слабую электрическую
стимуляцию кишечника следует активация нейронов зрительной коры (то есть
тех нейронов, которые в бодрствующем состоянии обрабатывают зрительную
информацию). Во время бодрствования эти нейроны на стимуляцию кишечника
не реагировали. (Pigarev, 1994; Pigarev et al., 2006). В других экспериментах было
показано, что естественная перистальтическая активность кишечника во время
сна отражается в активности нейронов ряда зон как зрительной, так и соматосенсорной коры (Pigarev et al., 2013) , а смена состава внутрижелудочной среды,
проведенная во время сна, меняет характер фоновой активности корковых нейронов (Pigarev, 2014).
После того, как отражение активности пищеварительной системы в
сенсорных корковых областях во время сна было выявлено экспериментально,
можно было ожидать, что и другие висцеральные системы будут иметь свое
отражение в активности нейронов коры во время сна. Для следующего этапа
исследований мы остановились на активности сердца. Регистрация сердечного
ритма технически осуществляется довольно просто, а большое количество
сердечных сокращений позволяет в процессе усреднения выделять из-под шума
даже очень слабые сигналы. Это открывало потенциальную возможность
увидеть отражение работы сердца в электрической активности коры мозга, и
прежде всего в вызванных ответах суммарной электроэнцефалограммы.
Исследования связи сердечной деятельности с электроэнцефалограммой
проводили и раньше. Обзор этих работ можно найти, например, в работах
А.Я. Каплана (Каплан, Шишкин, 1992; Каплан, 1999). Эти исследования проводили
711
на людях в состоянии бодрствования. Полученные ответы отличались сильной
нестабильностью, и далее эти работы не получили активного развития. В
рамках висцеральной теории сна можно было предположить, что корковая
активация, связанная с сердечным ритмом, могла возникать при развитии у
испытуемых локального сна в лобных отделах коры. Поскольку развитие
локального сна в значительной степени зависит от состояния испытуемого и
условий эксперимента, регистрируемые ответы могли быть нестабильными.
В настоящей работе мы ставили целью проверить гипотезу согласно которой
в состоянии сна информация о работе сердца доходит до сенсорных зон коры
мозга.
Методика
Эксперименты проводили на двух взрослых кошках при использовании
модифицированного метода безболезненной фиксации головы, (Noda et al.,
1971). Техника процедуры была детально описана ранее (Pigarev and Rodionova,
1998; Pigarev et al., 2009). Все действия в ходе экспериментов соответствовали
международным стандартам по обращению с лабораторными животными
Guidelines for the Care and Use of Animals (Zimmermann, 1987) .
Под общим наркозом (пентобарбитал, 35 мг/кг) кошку помещали в
стереотаксическую установку. С дорзальной поверхности головы были удалены
мягкие ткани, и в череп было установлено 8 винтиков из нержавеющей стали,
на расстоянии 15 мм, справа и слева от центральной оси. Затем на эти винтики
была закреплена проволочная рамка. Вся конструкция рамки была покрыта
самозатвердевающей стоматологической акриловой пластмассой. Тонким слоем
этой же пластмассы была покрыта и поверхность черепа внутри рамки. Такое
устройство предоставляло лёгкий доступ к большей части поверхности черепа
для установки электродов, а также позволяло безболезненно и прочно
фиксировать голову животного во время опыта. К моменту проведения
экспериментов, описанных в данной работе, прошло более года после операции.
Электроды для регистрации ЭЭГ погружали до поверхности твердой
мозговой оболочки через конические пластиковые направляющие трубочки,
зафиксированные на платформе ( Pigarev et al., 2009).
Для данного исследования одну пару электродов располагали в лобном
отделе, в правом и левом полушариях, симметрично относительно центральной
оси, над моторной корой, в точки с координатами АР +19.5 и латеральностью
7.5 мм . Аналогичную пару электродов помещали симметрично в затылочном
отделе, над зрительной зоной V1 в точки с координатами АР (–5) и
латеральностью 2 мм. Места для установки электродов в лобных отделах были
выбраны согласно имевшимся ранее предположениям о местонахождении
возможных участков коры, связанных с деятельностью сердца (Мусящикова и
Черниговский, 1973).
В большинстве экспериментов эти пары электродов использовали для
биполярного отведения ЭЭГ от лобной и затылочной областей мозга
712
соответственно. В одном эксперименте проводили монополярные отведения
отдельно от правого и левого полушарий лобных отделов коры, при этом
референтный электрод располагался в затылочной части черепа.
Записи, взятые для анализа из архива, содержали также информацию об
активности инсулярной коры.
Электрокардиография проводилась с помощью отведения от двух
электродов: одного желудочного, вводимого на время эксперимента через
фистулу во внутреннюю полость желудка, и от одного из двух электродов,
имплантированных в череп для заземления животного. Дополнительно
регистрировали дыхание животного (движение грудной клетки и величину
воздушного потока) и движения глаз. Эти параметры были использованы в
данной работе для идентификации фаз сна животного.
После усиления (четырехканальный усилитель компании NeuroBioLab
DL304PN) сигналы записывали на жесткий диск для последующего анализа.
Были проанализированы результаты 12 экспериментов длительностью от 4 до
6 часов, включающих участки бодрствования, медленного и быстрого сна.
Обработка и статистический анализ записей проводили в программе Spike2
ver.6.16, созданной Кембриджским центром информационных технологий, с
использованием скриптов, написанных сотрудником лаборатории Г.Федоровым
непосредственно для целей этой работы.
Объектом поиска являлся гипотетический нервный ответ, регистрируемый в
коре мозга и связанный с ритмом биения сердца.
В ходе анализа для каждой из записей были проведены следующие этапы обработки:
1. а) Автоматическое выделение на ЭКГ так называемых вейвмаркеров (wavemark): графоэлементов, каждый из которых отражает одно сокращение сердца и содержит полный PQRST-комплекс зубцов, а также небольшой участок
перед ними.
б) Трансформация вейвмаркеров в простые маркеры, несущие информацию
только о моменте времени появления R зубца ЭКГ.
713
Fig. 1. Вид записи после выделения маркеров. Каналы сверху вниз: ЭЭГ затылочная,
ЭКГ, ЭЭГ лобная, вейвмаркеры, маркеры
2. Совместное усреднение (averaging) ЭКГ и двух каналов ЭЭГ с использованием маркеров моментов зубца R как триггера для усреднения.
Fig. 2. Усреднение по всей записи. Каналы сверху вниз: ЭКГ, затылочная ЭЭГ, лобная
ЭЭГ.
3. При получении на усредненных записях вызванного ответа третьего типа, по
нашему предположению отражающего нейронную активность коры мозга
(детали представлены ниже, в разделе результатов), усреднение ЭКГ и ЭЭГ
проводили по отдельности на участках сна и бодрствования.
Результаты и их обсуждение
На приводимых иллюстрациях проведенных усреднений мы всегда
представляли результат как среднее, заключенное между линиями,
714
соответствующими двум стандартным ошибкам в ту и другую сторону. При
таком представлении 95% результатов по статистике должно быть заключено
между этими двумя линиями. Если средняя величина нашего отклонения
превышали уровень среднего шума на четыре стандартных ошибки, такое
отклонение могло появиться случайно не более, чем в 5% случаев, т.е. p < 0.05.
В большинстве экспериментов вероятность случайного появления наших
отклонений была существенно ниже 5%. Поскольку на участке анализа обычно
бывало по 40-80 тысяч сердечных сокращений, в результате процедуры
суммации и последующего деления значительно возрастало соотношение
амплитуды коррелированных с сердечными сокращениями процессов по
отношению к случайному шуму.
В результате операции усреднения в ЭЭГ были действительно обнаружены
волны, коррелированные с моментами сердечных сокращений. Эти волны
можно было разбить на три группы.
В первую группу входили короткие высокочастотные отклонения,
повторяющие в значительной степени форму зубца R в кардиограмме и
появляющиеся одновременно с этими зубцами. Пример такого ответа приведён
на рис.3.
Fig. 3. Отклонение первого типа. Каналы сверху вниз: ЭКГ, лобная ЭЭГ. Пунктирной
линией показано совпадение пика на ЭЭГ с зубцом R на ЭКГ.
Обращает на себя внимание отсутствие задержки во времени между пиками R в
ЭКГ и усредненной ЭЭГ (на рисунке показано вертикальной пунктирной
линией). Отсутствие латентности определенно свидетельствовало о том, что эти
отклонения являются следствием прямого электрического распространения тока
от сердца. Это так называемые артефакты ЭКГ в электроэнцефалограмме. Они
715
были видны не на всех записях. Появление этих артефактов в значительной
степени определялось расположением референтного электрода и электрическим
сопротивлением ткани мозга. Расположение наших отводящих электродов
перпендикулярно продольной оси тела животного способствовало проявлению
этого артефакта. Отклонения этого типа были хорошо известны в
электроэнцефалографии и не представляли интереса для нашего исследования.
Второй тип активности представлял собой медленные периодические колебания, напоминающие синусоиды с частотой сердечных сокращений (Рис.4).
Fig. 4. Отклонение второго типа. Усреднение по всей записи. Каналы сверху вниз: ЭКГ,
затылочная ЭЭГ, лобная ЭЭГ. Видны медленноволновые колебания на обоих каналах
ЭЭГ.
Эти отклонения можно было наблюдать в отведениях как от лобной, так и от
затылочной коры во сне и бодрствовании. В отдельных опытах они могли быть
видны хорошо, а в других могли полностью отсутствовать. Мы полагаем, что
эти волны являются артефактами пульсовой активности в зоне расположения
отводящих электродов. Их природа может быть связана как с чисто
механическими микросдвигами ткани в зоне кончиков электродов, так и с
периодическими изменениями концентрации кислорода в результате
пульсирующего тока крови в сосудах черепа или твердой мозговой оболочки.
Природу этих отклонений мы также не стремились исследовать в нашей работе.
Для нас основной интерес представляли отклонения третьего типа. Это были
высокочастотные отклонения, по форме напоминающие типичные корковые
вызванные ответы на сенсорную стимуляцию и появляющиеся со значительным
латентным периодом после момента сокращения сердца. Пример этого типа
ответа приведен на рис.5, а также на рис.7.
716
Fig. 5. Отклонение третьего типа. Усреднение по участку медленноволнового сна. Каналы сверху вниз: ЭКГ, затылочная ЭЭГ, лобная ЭЭГ. На втором и третьем каналах видны
медленные волны второго типа, на третьем – вызванный потенциал третьего типа, латентность относительно R-зубца ЭКГ – 85 мс.
Латентный период таких отклонений третьего типа, измеренный между
максимумом зубца R и максимумом вызванного ответа (пиковая латентность)
составлял 40-120 мс (показан двумя вертикальными линиями на рис.6) .
Величина латентного периода хорошо согласовывалась с вероятным временем
проведения нервного сигнала от сердца до исследуемой зоны коры.
Проверяемая нами гипотеза предполагала, что функциональная связь
активности сердца и активности корковых зон коры будет устанавливаться в
периоды сна и должна существенно уменьшаться или полностью исчезать в
периоды бодрствования. Можно было ожидать, что представляющие для нас
интерес отклонения третьего типа будут появляться при усреднении
исследуемых сигналов в периоды сна, и будут исчезать в периоды
бодрствования. Проведение таких раздельных усреднений действительно
подтверждало наше ожидание. На рис.6 приведен пример усредненной по сердечным маркерам ЭЭГ в период медленного сна и в период активного бодрствования. Видно, что во время бодрствования усредняемого ответа не
наблюдается, в то время как в период сна мы видим выраженный ответ третьего
типа.
717
а) для бодрости
718
б) для сна
Fig. 6. Усреднения отдельно по участкам бодрости и сна. Каналы сверху вниз: ЭКГ,
лобная ЭЭГ.
Что касается сравнения величины вызванных потенциалов на сердечную
деятельность в лобной и затылочной областях, то было выявлено, что волны
второго типа (предположительно, являющиеся артефактами пульсовой
активности) наблюдались одинаково хорошо как в лобных, так и в затылочных
областях. Во последнем случае их амплитуда была обычно выше
приблизительно в 2-4 раза, вероятно, из-за близости венозного синуса в районе
медиального шва.
Интересующие нас волны третьего типа, представляющие собой скорее всего
вызванные ответы, связанные с сердечной активностью, проявлялись почти
исключительно в лобных областях. Это позволяет заключить, что
интересующие нас зоны сенсорной коры, ассоциированные с работой сердца,
скорее всего расположены в лобных областях коры мозга.
719
При монополярном отведении от правого и левого полушарий по
отдельности показано, что искомые ответы проявляются в коре обоих
полушарий (Рис.7).
Fig. 7. Каналы сверху вниз: ЭКГ, ЭЭГ правого полушария, ЭЭГ левого полушария.
В ходе нашего исследования было показано, что работа сердца действительно
имеет своё отражение в активности нейронов коры мозга. Связь активности
сердца и работы корковых зон устанавливается в период сна и отсутствует в
период бодрствования. Это подтверждает выдвинутый в данной работе тезис и
может служить дополнительным аргументом в пользу висцеральной теории сна
в целом.
Проведённые эксперименты указывали на то, что вызванные ответы на сердечные сокращения регистрируются в передних отделах мозга. В работах шестидесятых годов прошлого века в Институте физиологии им. И.П. Павлова в
Ленинграде, в лаборатории акад. В.Н. Черниговского в острых экспериментах
на кошках под наркозом также были показаны корковые ответы на сердечные
сокращения, а также изменение характера работы сердца при электрической
стимуляции этих корковых зон (Мусящикова и Черниговский, 1973). Эти точки
коры были названы фокусами сердечной активности и располагались также в
передних отделах мозга. Однако позже, при попытках воспроизвести эти
результаты на бодрствующих животных в хронических опытах таких эффектов
обнаружить не удалось. Корковые ответы на висцеральные раздражение и сам
факт существования корковых висцеральных представительств был признан
артефактом наркоза.
720
Теперь же становится понятно, что такие представительства действительно
существуют, но становятся активны только в состоянии сна. То, что в наших
экспериментах корковые вызванные ответы на сердечные сокращения также
проявлялись в лобных отведениях свидетельствует о том, что огромный
экспериментальный материал, собранный в лаборатории В.Н. Черниговского,
может быть использован при планировании дальнейших исследований
представительства висцеральных систем в коре в период сна.
При описании наших результатов мы осторожно говорили о локализации
вызванных ответов на сердечные сокращения в лобных (передних) отделах
мозга. Это связано с тем, что в этих пилотных экспериментах, имевших целью
выяснить наличие таких ответов, мы использовали регистрирующие электроды
и такое их расположения, которые позволяли достичь максимальной
чувствительности метода за счет снижения точности локализации источника
сигналов. Теперь, когда зона вероятного расположения источников этой
активности сужена, при дальнейшей разработке этого направления
исследований планируется перейти к регистрации импульсной активности
нейронов коры и локальных медленных потенциалов с использование
биполярных отведений.
Работа поддержана грантом РФФИ 13-04-00941.
Список литературы
1. Manacéïne M.de. Quelques observations experimentales sur l’influence de l’insomnie absolue // Archives Italiennes de Biologie. 1894. V.21. P.322—325.
2. Быков К.М. Кора головного мозга и внутренние органы. // М.: Гос. изд-во мед. литературы. 1954. 384с.
3. Rechtschaffen, A., Bergmann, B.M., 1995 Sleep deprivation in the rat by the disc-overwater method. // Behavioural Brain Research 69 (1995), 55-63
4. Черниговский В.Н. Интерорецепторы. // М.: Медгиз. 1960. 659 с.
5. Пигарёв И.Н., 2013. Висцеральная теория сна. // Журнал высшей нервной
деятельности. 2013. Том 63. №1, Стр. 86-104.
6. Pigarev I.N. Neurons of visual cortex respond to visceral stimulation during slow wave
sleep. // Neuroscience. 1994. 62(4): 1237–1243.
7. Pigarev I. N. et al. Visceral signals reach visual cortex during slow wave sleep: Study in
monkeys. // Acta Neurobiol.Exp. 2006, 66: 69-73
8. Pigarev I. N., Bagaev V. A., Levichkina E. V., Fedorov G. O., Busigina I. I Cortical visual
areas process intestinal information during slow-wave sleep. // Neurogastroenterology and
motility. 2013. 25. 268- 275.
9. Pigarev I. N. The Visceral Theory of Sleep Pigarev I. N. The Visceral Theory of Sleep //
Neuroscience and Behavioral Physiology, Vol. 44, No. 4, May, 2014, 421-434
10. Каплан А.Я., Шишкин С.Л., 1992. Кардиосинхронные феномены работы мозга:
Психофизиологические аспекты // Научные доклады высшей школы. Сер.
Биологические науки. 10: 5-24
11. Каплан А.Я., 1999. Вариабельность ритма сердца и характер обратной связи по
результату операторской деятельности у человека // Журнал высшей нервной
деятельности Т.48, (6) 345-350
721
12. Noda H, Freeman RB, Gies B, Creutzfeldt OD (1971) Neural responses in the visual cortex of awake cats to stationary and moving targets. // Exp Brain Res 12: 389 - 405
13. Pigarev I. N., Rodionova E. I. Two visual areas located in the middle suprasylvian gyrus
(cytoarchitectonic field 7) of the cat's cortex // Neuroscience. 1998. V. 85, №3, p. 717-732.
14. Pigarev I.N., Saalmann Y.B., Vidyasagar T.R. A minimally invasive and reversible system
for chronic recordings from multiple brain sites in macaque monkeys. // J Neurosci Me-
thods. 2009. 181(2):151-8.
15. Zimmermann, M. Ethical Principles for maintenance and use of animals in neuroscience
research. // Neurosci. Lett., 73, 1, 1987.
16. Мусящикова С.С., Черниговский В.Н. Кортикальное и субкортикальное представительство висцеральных систем. // Л.: Наука, 1973. 286с.
722