Инвазивные методы регистрации биопотенциалов головного мозга

1.

Инвазивные методы
регистрации биопотенциалов
головного мозга

2.

Уровни организации ГМ
1. Микроуровень (англ. microscale) – самый низший уровень
организации головного мозга, отражающий активность
одиночных нейронов за счет синаптических и молекулярных
механизмов.
2. Мезоуровень (англ. mesoscale) – уровень, находящийся между
микро- и макроуровнем, на котором происходит взаимодействия
между крупными нейронными ансамблями.
3. Макроуровень (англ. macroscale) – используется для
определения областей мозга и крупномасштабных связей между
ними.
2

3.

3

4.

4

5.

Электрокортикография
Электрокортикография (англ. electrocorticography; ЭКоГ, ECoG) –
это инвазивный способ электрофизиологического
мониторинга биоэлектрической активности головного мозга, в
основе которого лежит регистрация электрических потенциалов с
помощью субкортикально (эпидурально или субдурально),
расположенных электродов.
5

6.

Плюсы и минусы
• высокое пространственное и
временное разрешение;
• устойчивость к шуму;
• позволяет проводить прямую
электростимуляцию
головного мозга, выявляя
критические участки коры,
которых следует избегать во
время операции.
• инвазивность;
• ограниченное время выборки –
пароксизмы (иктальные события) могут не
записываться в течение периода записи
ЭКоГ;
• ограниченное поля обзора – размещение
электрода ограничено областью
обнаженной коры и временем операции,
возможны ошибки выборки;
• запись зависит от влияния анестетиков,
наркотических анальгетиков и самой
6
операции.

7.

Области
применения
• Экстраоперационная и
интраоперационная
регистрация эпилептических
очагов;
• Электростимуляция (болезнь
Паркинсона, эссенциальный
тремор);
• Исследования коннективности
ГМ;
• ИМК;
• Индукция кортикальной
пластичности.
7

8.

Потенциал локального поля
Потенциал локального
поля (англ. local field potential, LFP) –
низкочастотная составляющая
(⁠
≲500Гц⁠
) внеклеточного потенциала,
зарегистрированного в головном
мозге внеклеточным электродом.
Потенциал локального поля – не
локален.
В основном применяется для
исследований функциональной
коннективности.
8

9.

Регистрация
Потенциалы локального
поля регистрируется во внеклеточном
пространстве в ткани мозга с
помощью микроэлектродов,
помещенного в мозг
анестезированного животного или в
тонкий срез мозга in vitro. Для этого
могут использоваться металлические
(платино-иридиевые или
вольфрамовые), кремниевые.
Длязаписей LFP можно использовать
микроэлектроды размером >16 мкм ×
16 мкм.
9

10.

Плюсы и минусы
• простота метода;
• Инвазивность (при in vivo);
• высокое временное
разрешение;
• сложность интерпретации;
• возможность применения
метода in vitro;
• низкое пространственное разрешение в
сравнении с MUR и SUR
10

11.

MUR и SUR
Мультиюнитная регистрация (multiunit recording, MUR) – метод регистрации
биопотенциалов мозга, основанный на использовании электродов с большой площадью
контакта, что позволяет наблюдать за целыми популяциями нейронов. Используется при
невозможности регистрации активности отдельных нейронов или для исследования
отдельных нейронных ансамблей.
Регистрация активности одиночных нейронов (singleunit recording, SUR) – метод
исследования, основанный на регистрации биопотенциалов отдельного нейрона системой
микроэлектродов.
Может проводится как in vivo, так и in vitro.
11

12.

Регистрация
12

13.

Регистрация
13

14.

Регистрация (HDMEA)
14

15.

Плюсы и минусы
• высокое пространственное
разрешение;
• Высокая сложность исполнения;
• Дороговизна оборудования.
• высокое временное разрешение;
• низкая степень травмирования за
счет малых размеров;
• возможность стимуляции;
• широкий потенциал для
практического применения.
15

16.

Области применения
На уровне нейронной популяции:
• Изучение функциональной коннективности
• Изучение спайковой активности группы нейронов (частота, интервал между спайками,
продолжительность и т. д.)
• Получить полную карту активности
• Изучение индекса синхронности активности
• % активной площади
На уровне одиночного нейрона:
• Изучение спайковой активности отдельного нейрона (частота, амплитуда и т.д.)
• Исследование возбудимости
• Отслеживание распространения потенциала действия аксонов
• Проводить измерение невритов/аксонов их длины и ветвлений
Помимо этого:
• в изучении действия различных лекарственных препаратов;
• скрининге нейрональной токсичности;
• в создании функциональных моделей заболеваний показали себя не хуже, чем исследования на
животных;
16
• анализе стволовых клеток и многое другое.

17.

Patch clamp
Метод позволяет регистрировать на
изолированных клетках их потенциалы, токи или
одиночные ионные каналы посредством
специальной стеклянной пипетки (patch-пипетки),
напоминающей микроэлектрод.
Кроме того, метод позволяет регистрировать
ионные каналы с изолированного кусочка
мембраны, который может быть расположен по
отношению к отверстию пипетки либо внешней,
либо внутренней стороной.
17

18.

Регистрация
18

19.

Регистрация
Конфигурации:
а, б – cell-attached
в – inside-out patch
г – whole-cell
д – outside-out patch
19

20.

Плюсы и минусы
• Очень высокая чувствительность;
• Дороговизна оборудования;
• Возможность изучения свойств
каналов в широком диапазоне условий;
• Трудоемкий и время затратный метод.
• Возможность исследования процессов
на молекулярном уровне;
• Высокое временное разрешение;
• Высокое пространственное
разрешение – производится
исследование отдельной клетки.
20

21.

Области применения
• Изучение спайковой активности отдельного нейрона
(частота, амплитуда и т.д.);
• Изучение ионных токов под электрическим и химическим
воздействием.
21