Телеметрия при изучении нейрофизиологических процессов у животных (Л. Бах)

Сотрудниками Тулэнского университета (Новый Орлеан, штат Луизиана) начаты рассчитанные на длительной период исследования по изучению регулирования сенсомоторных взаимосвязей в центральной нервной системе различных хордовых и протохордовых.

Мы рассматриваем центральную нервную систему каждого животного как систему, в которой закодированы все возможные отношения между организмом и средой. Часть из этих отношений может не проявиться за время жизни животного, хотя все они имеются в потенции. Стремясь изучить путь эволюции, который привел к появлению человеческого мозга, мы, однако, не ставим себе целью исследование всего мозга всех эволюционных предшественников человека. Мы выделили 16 видов, наименее специализированных и вместе с тем обладающих одной общей для всех и легко поддающейся исследованию постоянной сенсомоторной связью - глоточным рефлексом. Афферентный путь этого рефлекса заканчивается в nucleus sol itarius, а источником двигательных импульсов является nucleus ambiguous.

Описанная далее телеметрическая система предназначена для исследования электрической активности нервных центров сенсомоторных рефлексов у всех подлежащих изучению животных при их питании в естественных условиях. Мы ставим себе целью проследить развитие контроля, осуществляемого мозгом над этой определенной частью поведения, при эволюции от протохордовых до человека.

Конечно, это очень обширная программа. Для того чтобы дать представление о трудностях этой работы, я перечислю те виды, которые мы надеемся изучить при помощи нашей телеметрической системы. Мы начнем с Cephalodiscus densus, обитающего в антарктических водах, на глубинах около 500 м. Затем последует Rhabdopleura normani, встречающаяся у побережья Норвегии, личиночная форма одного морского оболочника и ланцетник, минога (Petromyzori) и австралийская двоякодышащая рыба (Neocerodatus forsteri). Этот список продолжают утконос или ехидна, оппосум, землеройка и тупайя из Малайи, лемур (Microcebus), долгопят, краснозадая мартышка из Северной Африки, орангутан и шимпанзе. Каждому из этих видов присущ глоточный рефлекс.

В настоящее время мы проводим работу с кошками, которые не имеют ничего общего ни с одним из перечисленных видов. Кошка - излюбленный объект нейрофизиологов, наиболее удобный для всех видов нейрофизиологических исследований. Проверяя наши методы на кошках, мы стремимся приспособить их и для других перечисленных выше животных. Мы знаем, что одни из них обитают в иле, в океане или в пресной воде, другие живут на деревьях, а третьи летают. Наша аппаратура должна быть приспособлена для различных видов, значительно отличающихся по формам, размерам и окружающей их среде. Во всех случаях мы будем стремиться наблюдать за животными, питающимися в естественных условиях и регистрировать состояние активных нейронов, регулирующих чувствительность глоточного рефлекса.

Необходимость телеметрии

В настоящее время все исследования электрической деятельности мозга требуют ограничения подвижности животного для установки электродов, сигналы которых поступают на самописец (например, электроэнцефалограф). Хотя провода, идущие от электродов, довольно длинны, поведение животного стеснено аппаратурой или экспериментальной камерой, в которой оно живет, возможно, большую часть своей жизни. Некоторые из нас видели обезьян, прикрепленных к специальному креслу для изучения процессов обучения. Вряд ли можно считать, что они находились в естественных условиях, особенно потому, что было исключено общение с другими обезьянами.

На фиг. 1 показана схема, которую мы первоначально использовали для записи электрических сигналов мозга. В схеме используются батареи фирмы "Мэллори" и два транзистора, один из которых работает как выпрямитель, модулятор и усилитель, а другой служит для необходимого согласования сопротивлений.

Фиг. 1. Схема передатчика электрических сигналов мозга

Следует указать, что мы сообщили инженерам основные электрические характеристики мозга, и они затем уточняли эти данные на кошках. Наши требования к схеме состояли в следующем. Прежде всего, она не должна мешать естественному поведению животного. Входное сопротивление схемы должно в несколько раз превышать сопротивление источника, что позволяло бы в пределе записывать напряжение при разомкнутой цепи. Требовалось также, чтобы частотная характеристика обеспечивала точное воспроизведение сигналов от 1 до 1000 гц, а пиковая амплитуда сигналов передатчика составляла по крайней мере 50 мкв; при этом их можно будет принимать хорошим приемником с антенной, расположенным на расстоянии порядка 100 м от животного. Наконец, следовало предусмотреть возможность миниатюризации и подкожной имплантации.

Характеристики нашего первого прибора, а также некоторые данные нового прибора, который еще проходит проверку в нашей лаборатории, приводятся в таблице.

Имплантация таких приборов, помещенных в оболочку из силастика, была проведена вполне успешно. Провода припаивались к электродам, введенным в определенные участки мозга. На фиг. 2 показан наш первый прибор, который применялся для усиления и передачи ЭЭГ поверхностных участков коры. На фиг. 3 показаны импульсы, принятые при помощи обычной антенны с лепестковой диаграммой излучения, высококачественного блока настройки частотно-модулированных сигналов и усилителя с хорошим воспроизведением сигналов ЭЭГ, осциллоскопа или громкоговорителя. Принятые сигналы сравнивались с ЭЭГ, полученными одновременно при помощи передачи сигналов непосредственно по проводам на самописец. Интересно отметить, что непосредственная запись оказалась хуже из-за плохого пера. На фиг. 4 приведена ЭЭГ, зарегистрированная в области ядра слухового нерва кошки, характеризующая реакции первой инстанции слуховой системы на хлопок руками.

Фиг. 2. Прибор для усиления и передачи ЭЭГ от поверхностных участков коры

Фиг. 3. ЭЭГ, зарегистрированные с помощью прибора, изображенного на фиг. 2 (I), и при непосредственной передаче по проводам (II)

Фиг. 4. ЭЭГ, зарегистрированная в области ядра слухового нерва кошки, характеризующая реакцию на хлопок руками

Наш передатчик оказался весьма удовлетворительным, и мы надеемся в конечном счете использовать его для указанных выше различных млекопитающих. В дальнейшем мы хотели бы приспособить эту схему для работы с такими организмами, как личиночные формы оболочников. Конечно, это необычайно трудная задача. Однако уверенные и оптимистические высказывания участников этой конференции позволяют мне утверждать, что даже такие сложные задачи будут решены, и сейчас я в этом не сомневаюсь.

Обсуждение доклада

Хаан. Я хотел бы сделать несколько замечаний по поводу выступления д-ра Баха. Прежде всего, я многократно отмечал, что если присоединить выход телеметрической системы к ткани животного, то тело его будет играть роль антенны, что увеличит радиус действия. Затем я хотел бы знать, почему вы, имея целью запись ЭЭГ, расширяли полосу пропускания до 15 кгц. Расширение диапазона в другую сторону до 0,1 гц, конечно, вполне оправдано. Отмечу также, что, работая с усилителями для ЭЭГ, я не находил никаких улучшений при изменении входного сопротивления от 150 ом до 1 Мом или выше. Наконец, последнее: я тоже много раз наблюдал, что при использовании телеметрии записи получаются более четкими, чем при непосредственном измерении.

Бах. Отвечая на ваше первое замечание, я хочу еще раз подчеркнуть, что мы в настоящее время вводим всю систему под кожу. Передатчик в оболочке из силастика помещается под кожей на затылке и провода проходят по черепу к электродам, введенным в определенные участки мозга, от которых мы записываем ЭЭГ.

Отвечая на ваше второе замечание, я соглашусь с тем, что частотный диапазон усилителя превышал наши требования. При передаче ЭЭГ не нужен такой диапазон частот, но мы просто получили прибор с такими характеристиками. Прибор работал вполне удовлетворительно.

Хаан. Можно значительно уменьшить шум на входе усилителя, сужая полосу пропускания до 40 или даже 200 гц.

Бах. Шум в нашей системе составляет 5 мкв. Нам никогда не удавалось получить более низкое значение.

Хаан. В наших усилителях шум составляет 0,2 мкв. Мы добились этого, уменьшая полосу пропускания.

Шмитт. Вы сужали полосу пропускания на входе?

Хаан. Самый легкий способ уменьшения шумов состоит в сужении полосы пропускания всей системы, а не обязательно на ее входе. Более интересен следующий вопрос: в каких случаях используется дифференциальный усилитель и в каких - обычный, недифференциальный?

Шмитт. Я хочу попросить м-ра Хаана объяснить разницу между этими случаями.

Хаан. Когда свободное животное находится в нормальной среде, то весьма вероятно, что вы подойдете к линиям передачи энергии частотой 60 гц. Возможны и другие источники помех. Разница состоит в том, что при дифференциальном усилителе вы можете устранить эти помехи, а при обычном - нет.

Бах. Я хотел бы ответить на замечание м-ра Хаана о том, что телеметрические записи оказываются более ясными. Я предполагаю, что это можно объяснить недостаточной фильтрацией сигнала при непосредственной записи (не хватало конденсатора).

Хаан. Мне кажется, что это лишь частичное объяснение. Я думаю, что использование коротких проводов, как это было у вас, в значительной степени устраняет проблему шумов.

Я хотел бы еще коснуться вопроса об обычном и дифференциальном усилителях. В последнее время я сравнивал их, стараясь определить лучшую характеристику. Мы работали при промышленных помехах и убедились, что дифференциальный усилитель явно лучше.

Бассер. Какую антенну вы использовали с вашим прибором?

Бах. Небольшую проволочную рамку.

Бассер. И вы получили с ней диапазон 300 м - 1,2 км?

Бах. На расстоянии 1,2 км мы имели входной сигнал 5 мкв.

Бассер. От какого источника?

Бах. От нашего передатчика в оболочке из силастика. Когда мы вводили его в кошку, то получили диапазон в 300 м. Стандартные элементы приемника становятся все меньше, и мы надеемся собрать приемник в игле для подкожных инъекций и поместить его в мозг.

Вопрос с места. Какова потребляемая мощность? Вы говорили о 2,6 в и токе 100 мка, не так ли?

Бах. Нет, потребляемый ток был 100 мка при напряжении 1,3 в.