XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Поиск электрического диполя по ЭЭГ и нейронные связи

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Литвинова Т.А. 1

---

1МАОУ "СОШ №19 им. Л. А. Попугаевой"

Карунина В.А. 1

---

1МАОУ "СОШ №19 им. Л. А. Попугаевой"

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность

Нейронные связи — это основа нашего мышления, памяти, внимания, творчества и других когнитивных способностей. Поэтому важно поддерживать и развивать их, чтобы повысить свой интеллектуальный потенциал и качество жизни.

Существует много способов, но самые эффективные из них — это обучение и тренировка мозга. 

Обучение и тренировка мозга стимулируют связи нейронов, делая их более многочисленными, прочными и эффективными. Это происходит благодаря механизму нейропластичности, позволяющему мозгу адаптироваться к новым условиям и задачам, формируя новые связи или усиливая существующие. Чем больше мы учимся и тренируемся, тем больше мы активируем разные области мозга и улучшаем связи нейронов.

Данная работа по физиологии знакомит с современными методами исследования в жизни. Одним из самых распространенных методов регистрации активности нейронов является электроэнцефалография. Предполагается, что ЭЭГ является результатом сложной суммации электрических потенциалов целостного нейронного ансамбля. Расчетным путем установлено, что активность, регистрируемая под одним электродом на поверхности головы, отражает суммацию потенциалов нейронов коры на площади 100—200 мм²

Цель работы:

- изучить формы сигнала электроэнцефалограммы при ее регистрации источников электрической активности;

- выяснить механизмы стимуляции связей между нейронами для активации разных областей мозга.

Задачи исследования:

- собрать и проанализировать информационные источники;

- получить изменения ЭЭГ у человека в ответ на моргательные движения и на закрытие глаз в разных отведениях;

- сравнить полученные записи ЭЭГ и сделать вывод о расположении диполей, отвечающих за выявленные изменения;

- сделать выводы о том есть ли связь между физической активностью и нейропластичностью.

Гипотеза:

Возникновение разницы потенциалов между внешними и внутренними слоями коры головного мозга не зависит от мышечной активности.

Объект исследования:

- головной мозг человека.

Предмет исследования:

- сигналы электроэнцефалограммы при ее регистрации источников электрической активности.

Методы исследования:

1. Теоретический: изучение литературы.

2. Метод регистрации: регистрация электрической активности головного мозга при помощи компьютера и цифровой лаборатории BiTroniks Lab.

Теоретическая значимость:

- объяснять методику ЭЭГ и механизмы возникновения ритмов головного мозга.

Практическая значимость:

- в рамках данной работы было рассмотрено, что мышечная активность может оказывать влияние на развитие нейронных связей, которые способствуют оптимальному развитию человека в разных областях и разном возрасте.

Новизна работы:

- использование подходов и методов исследования, которые не применяются в школьной программе при изучении физиологии на уроках биологии. А так же установить, как физическая активность способствует развитию нейронных связей.

Глава 1. Теоретическая часть.

1. 1. Нейронные связи и их формирование.

Нейронные связи — это особые контакты между нервными клетками, обеспечивающие передачу информации в нашем мозге. Благодаря им мы можем мыслить, запоминать, говорить, двигаться и многое другое. Но как формируются эти удивительные структуры? И как они влияют на нашу жизнь? Расскажем об этом в нашей статье.

Связи нейронов состоят из трех основных элементов: пресинаптического нейрона, синаптической щели и постсинаптического нейрона. Пресинаптические нейроны — это нервные клетки, которые посылают сигналы. Синаптическая щель — это маленькое пространство между нейронами, через которое проходят сигналы. Постсинаптические нейроны — это нервные клетки, которые принимают сигналы. Сигнал передается в виде электрического импульса, который достигает конца пресинаптического нейрона, называемого аксоном. Здесь он вызывает выделение специальных химических веществ — нейромедиаторов, пересекающих синаптическую щель и связывающихся с рецепторами на поверхности постсинаптического нейрона, называемого дендритом. Это приводит к изменению электрического потенциала постсинаптического нейрона, что может спровоцировать импульсы или, наоборот, подавить их.

Нейронные связи регулируют поток информации в зависимости от типа и количества нейромедиаторов и рецепторов, а также от силы и частоты импульсов. Они не являются статичными, они постоянно меняются под воздействием различных факторов: опыта, обучения, стресса, возраста и т.д. Это называется пластичностью нейронных связей.

Связи нейронов начинают формироваться еще в утробе матери, когда из стволовых клеток развиваются нейроны и начинают соединяться друг с другом. В этот период происходит интенсивное образование новых связей клеток, которое продолжается и после рождения ребенка. На ранних стадиях мозгового развития связи нейронов формируются в основном под влиянием генетических факторов, определяющих общую мозговую архитектуру и его функциональные зоны.

Однако с ростом и развитием ребенка связи нейронов становятся все более зависимы от внешних стимулов: звуков, запахов, вкусов, ощущений, образов и т.д. Эти стимулы активируют определенные нейроны и усиливают связи между ними, в то время как неактивные нейроны и связи ослабевают и отмирают. Это называется обрезкой нейронных связей, и она необходима для оптимизации работы мозга, удаления избыточной и ненужной информации и укрепления полезной и важной.

Таким образом, связи нейронов формируются в результате взаимодействия генетических и окружающих факторов, определяющих индивидуальные особенности мозга каждого человека. Они постоянно модифицируются в течение всей жизни человека, в зависимости от его опыта, обучения, эмоций, здоровья и т.д.

1.2 Нейрофизиологические основы ЭЭГ.

С момента своего изобретения электроэнцефалография остается уникальным методом, позволяющим оценивать состояние коры больших полушарий. Она служит важным дополнением к данным анамнеза, осмотра и лучевых методов диагностики. После установки небольших дисковых электродов на волосистую часть головы становится возможной регистрация электрических колебаний мощностью 20-100 мкВ. Результат записи этих колебаний называют электроэнцефалограммой (ЭЭГ). Данные электрические колебания — результат совместной активности пирамидных нейронов коры головного мозга, которые расположены в виде радиальных скоплений, ориентированных кнаружи. Для регистрации ЭЭГ имеют значение нейроны, расположенные под поверхностью извилин коры. По мере изменения мембранного потенциала возникает электрический диполь (расположенные рядом друг с другом области с противоположным зарядом). Возникновение диполя ведет к тому, что электрический потенциал поля в виде тока распространяется и через внеклеточное пространство, и через сами нейроны. В ходе записи ЭЭГ регистрируют часть тока, которая проходит через внеклеточное пространство. Изменения силы и плотности этих электрических сигналов и приводит к появлению характерных синусоидальных волн. Колебания ЭЭГ, измеряемые в микровольтах (мкВ), предположительно становятся следствием реципрокного возбуждающего и тормозящего взаимодействия соседних групп нейронов коры больших полушарий.

1.3 Методика ЭЭГ.

После тщательной подготовки кожи волосистой части головы, что необходимо для плотного прилегания электродов, последние размещают на голове в соответствии с Международной системой размещения электродов «10-20» (с модифицированной комбинаторной номенклатурой), согласно которой поверхность головы подразделяют на несколько участков. За счет того, что электроды устанавливают на строго определенные участки, становится возможным непосредственно отслеживать изменения на ЭЭГ в динамике. Это также позволяет делать поправки на разницу в размерах головы у разных людей. Каждый электрод избирательно регистрирует активность участка коры головного мозга площадью около 6 см2. Для описания положения каждого электрода используют комбинацию из буквы и цифры (Приложение 1).

Запись ЭЭГ выполняют со всех точек одновременно. Измеряют разницу потенциалов между парами электродов (в большинстве случаев), которую затем записывают в виде отдельного канала или кривой. Часто одномоментно с ЭЭГ выполняют другие электрофизиологические исследования [например, электрокардиограмму (ЭКГ) и/или поверхностную электромиографию (ЭМГ)]. Если при записи используют различные пары электродов, монтаж (результат) называют биполярным. Если в парах один из электродов устанавливают на определенную референтную область (ушная раковина, сосцевидный отросток), такой монтаж называют референциальным.

1. 4. Что такое диполь

Электрический диполь- это система, состоящая из двух одинаковых по значению, но разных по знаку точечных заряда (+q,- q), расстояние ℓ между которыми (плечо диполя) значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Основной характеристикой диполя является его электрический, или дипольный момент.

Дипольный момент –это вектор, направленный по оси диполя (прямой, проходящей через оба заряда) от отрицательного заряда к положительному и равный произведению

С появлением и широким внедрением нейровизуализационных методов диагностики, таких как рентгеновская компьютерная томография, магнитно-резонансная томография и др., с электроэнцефалографии была снята задача локализации очага поражения. Однако вопросы, где и как возникают потенциалы мозга, были и остаются актуальными проблемами как теоретических разработок, так и конкретных клинических задач. Более того, на электроэнцефалографию возложены новые диагностические задачи нейрохирургического плана. Не все оказалось под силу КТ и МРТ. Они не в состоянии, например, ответить на вопрос: откуда, из каких структур мозга генерируются элементы патологической активности (например, эпи-разряды), если на КТ и МРТ органического поражения мозга не оказалось.

Записанная со скальпа электроэнцефалограмма формально является проявлением поверхностной разности потенциалов между конвекситально расположенными электродами. Однако усилиями целой плеяды нейрофизиологов с достаточной степенью доказательности определились признаки на ЭЭГ, которые уже без элементов сомнения признаются или корковыми компонентами, или глубинными. Это относится как к физиологическим, так и патологическим элементам. Более того, поверхностно регистрируемые графические компоненты ЭЭГ имеют сложный генез возникновения, и сам корковый уровень в значительной мере является больше проекционной зоной максимального проявления электрических явлений, нежели местом их генерации.

Одним из методических приемов, позволяющих локализовать генератор активности, стал метод трехмерной локализации эквивалентного диполя.

Сущность метода заключается в том, что за источник электрического сигнала принимается наличие некой дипольной единицы, т. е. объекта, включающего в себя как минусовой, так и плюсовой заряд, полностью описывающей распределение потенциалов на скальповой ЭЭГ за выбранный промежуток времени. В зависимости от направленности диполя в конкретный момент времени, на поверхность скальпа проецируются максимумы распределения потенциалов соответственно его полюсам. Наличие вектора направленности диполя позволяет в трехмерном пространстве вычислить его местоположение в декартовой системе координат (X, Y, Z) с привязкой к анатомическим ориентирам мозга. Другими словами, решается обратная задача ЭЭГ: вычисление положения диполя по им же сгенерированным электрическим потенциалам на скальпе (Приложение 2).

Метод трехмерной локализации источника электрической активности является не самостоятельным, а лишь дополняющим компьютерную электроэнцефалографию. Для его осуществления необходимы специальные программы анализа дипольных источников.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Ход эксперимента.

1. Подключила сенсор ЭЭГ к порту А, сенсор «Кнопка» к порту В центрального модуля, а центральный модуль к компьютеру.

2. Запустила ПО BiTronics Studio.

3. Надела на голову ободок ЭЭГ. Электроды расположила на затылке чуть выше уровня ушей. (Приложение 3.)

4. Перешла во вкладку «ЭЭГ» и запустила запись сигнала.

5. Для всех сигналов выставила одинаковые значения по оси X,Y.

6. Отключила все фильтры, включила показ значения dY.

7. Открыла необходимые записи с помощью кнопки «Запустить проигрыватель».

8. Измерила амплитуду сигнала и занесла значения в таблицу.

9. Нашла наиболее показательный участок сигнала с хорошо различимым волнообразным ритмом. Подсчитала число больших волн-колебаний в секунду в секунду и занесла значение в таблицу.

10. Проделала все выше перечисленное, меняя положение электродов в разных долях головного мозга:

- лобные доли (Приложение 4,5,6,7);

- височные доли (Приложение 8,9,10,11);

- теменные доли (Приложение 12,13,14,15);

- затылочные доли (Приложение 16,17,18,19).

2.2 Анализ результатов

На полученных графиках нашла моменты моргания глаз и с помощью маркеров выделила данные участки. Измерила амплитуду сигнала и занесла значение в таблицу.

Таблица 1. Амплитуда ответов в ЭЭГ на моргание глаз.

На графиках с закрытыми глазами с помощью маркеров выделила произвольно пять участков по 1-2 с с наибольшей амплитудой сигнала измерила и занесли результаты в таблицу.

Таблица 2. Амплитуда ответов в ЭЭГ на закрывание глаз.

Сравнила значение амплитуды в разных отведениях и пришла к выводу о том, что артефакт от моргания глаз выражен больше чем при закрытых глазах. Форма сигнала при перемещении электродов спереди назад становится более выраженной. Источник активности в головном мозге ярче выражен в теменной зоне.

Моргание глаз - это работа мышц, которая отражается в виде изменения значения амплитуды. Данные эксперимента дают возможность установить связь между физическими движениями и связями между нейронами.

Заключение

В ходе работы изучила формы сигнала электроэнцефалограммы при ее регистрации в разных отведениях и на основе полученных записей выявила расположение источников электрической активности.

Получила изменения ЭЭГ у человека в ответ на моргательные движения и на закрытие глаз в разных отведениях. Благодаря большому количеству отведений определила расположение диполя. На электродах, находящихся близко к источнику активности, регистрировалось значительное изменение потенциала, а на отдалённых практически незаметно. Например, активность в зрительных областях коры – затылочной доле – лучше всего выражена в теменных и затылочных отведениях. В тоже время в лобных отведениях лучше выражена активность от лобных долей, но лучше видны и артефакты от движения глаз и напряжения мимических мышц.

Убедилась в том, что возникновение разницы потенциалов между внешними и внутренними слоями коры головного мозга зависит от мышечной активности. А это опровергает гипотезу, выдвинутую перед началом выполнения работы.

Так же выяснила, что физическая активность является механизмом стимуляции связей между нейронами для активации разных областей мозга.

Аэробные упражнения, такие как бег, гимнастика, йога, способствуют нейропластичности и улучшению обучаемости, из-за усиления притока крови к мозгу. Исследование, опубликованное в журнале болезни Альцгеймера, показало, что регулярные аэробные упражнения могут увеличить объем мозга в областях, связанных с памятью и когнитивными функциями.

Список литературы

1. Авакян Г.Н., Гроппа С.А. Нейрофизиологические методы исследования в неврологии: монография. - Кишинев, 2008. - 376 с.

2. Гнездицкий В. В. Обратная задача ЭЭГ и клиническая электроэнцефалография. - Изда­тельство Таганрогского радиотехнического университета. 2000.

3. Жирмунская Е.А. Клиническая электроэнцефалография. Обзор литературы и перспективы использования метода. - М., "Мэйби", 1991. - 77 с

4. Звездочкина Н. В. «Исследование электрической активности головного мозга»

5. Интернет источник-https://cmi.to/ээг/

6. Интернет источник -https://studfile.net/preview/7721295/page:22/

7. Интернет источник-https://studfile.net/preview/7721295/page:34/

8. Интернет источник -https://www.j-alz.com

9. Методическое пособие BiTronicsLAB.

Приложение 1. Расположение электродов для снятия ЭЭГ.

Приложение 2. Трехмерная локализация эквивалентного дипольного источника (справа) разрядной активности на ЭЭГ (слева).

Приложение 3. Расположение электродов во время эксперимента.

Приложение 4. Лобные доли. Моргательные движения.

Приложение 5. Лобные доли. Моргательные движения, «кнопка»

Приложение 6. Лобные доли. Закрытие глаз на 10 с

Приложение 7. Лобные доли. Закрытие глаз на 10 с, «кнопка»

Приложение 8. Височные доли. Моргательные движения.

П
риложение 9. Височные доли. Моргательные движения, «кнопка»

Приложение 10. Височные доли. Закрытие глаз на 10 с .

Приложение 11. Височные доли. Закрытие глаз на 10 с, «кнопка»

Приложение 12. Теменные доли. Моргательные движения.

Приложение 13. Теменные доли. Моргательные движения, «кнопка»

Приложение 14. Теменные доли. Закрытие глаз на 10 с .

Приложение 15. Теменные доли. Закрытие глаз на 10 с , «кнопка»

Приложение 16. Затылочные доли. Моргательные движения.

Приложение 17. Затылочные доли. Моргательные движения, «кнопка»

Приложение 18. Затылочные доли. Закрытие глаз на 10 с.

Приложение 19. Затылочные доли. Закрытие глаз на 10 с, «кнопка»