Біофізика і біомеханіка - В. С. Антонюк - 2012

Розділ 3. МОЛЕКУЛЯРНА БІОФІЗИКА

3.6.Біофізика нервового імпульсу

3.6.4. Біопотенціали зорової системи людини

Зір - це біологічний процес, який забезпечує сприйняття форми, розмірів, кольорів предметів, які оточують людину, орієнтування серед них [11]. Він можливий завдяки функції зорового аналізатора, до складу якого входить сприймальний апарат - очна куля. Найдальша складова очної кулі - сітківка - найважливіша для утворення електричної реакції на світло. З неї виходять аксони, які переносять інформацію до мозку.

За сучасними уявленнями [28], якщо фоторецептори поглинають світло, у їхніх клітинах виникають потенціали дії. У стані спокою від’ємний потенціал становить близько 40 мВ відносно зовнішнього до клітини середовища. Після освітлення максимальна різниця потенціалів досягає 80 мВ. Збільшення різниці потенціалів (залежить від інтенсивності стимулу та освітленості), яке називають гіперполяризацією, є наслідком зменшення прозорості мембрани для іонів натрію.

Базова інформація про зовнішній світ для зору репрезентована наявністю або відсутністю потенціалів дії [76], їх взаємною часовою залежністю (для пов’язаних ділянок сітківки) та часовим запізненням першої потенціальної хвилі (від початку стимуляції).

Електрична реакція фоторецепторів на світловий імпульс складається з реакцій двох видів. Первинний рецепторний потенціал утворюється з малою латенцією (часто коротшою за 1 мс) і є наслідком перетворення молекул пігменту зору. Зазвичай він складається з декількох складових, які можна відділити одну від одної, знизивши температуру.

Для діагностичної практики більш значущим є вторинний (пізній) рецепторний потенціал, який виникає внаслідок гіперполяризації клітинної мембрани палички або колбочки. Амплітуда гіперполяризації збільшується з підвищенням інтенсивності збудження (стимулу). Часові залежності вторинних потенціалів для колбочок відрізняються від паличок тим, що у паличках вони виникають повільніше, ніж у колбочках. Унаслідок цього розрізняються граничні частоти.

Палички та колбочки трансформують сприйнятий оптичний образ у послідовність імпульсів. При цьому функції зору полягають не лише в сприйнятті світлового випромінювання. Ним користуються для визначення відстані, об’ємності предметів, наочного сприйняття навколишнього середовища.

Значущість зору людини підтверджується кількістю нервових волокон, які від органів зору надходять до мозку (з 2,6 млн нервових волокон приблизно 2 млн відповідають за зір). З мозку виходить 40 тис. нервових волокон, з яких приблизно половина передають накази м’язам очей і керують точними, швидкими і дуже складними рухами очей.

Оброблення інформації, яка надходить через органи зору. Світло з будь-якої малої площини проходить роговицею ока та його зіницею, зосереджується у лінзі, проходить склоподібним тілом і потрапляє

на сітківку. Зі зростанням освітленості діаметр зіниці зменшується від 7,4 до 1,8 мм. Залежність діаметра зіниці від освітленості та прозорість лінзи від довжини світлової хвилі показано на рис. 3.23.

Рис. 3.23. Залежність діаметра зіниці від освітленості (а) та прозорість лінзи від довжини світлової хвилі (б)

Світлова прозорість лінзи змінюється з віком; на коротких хвилях (до 400 нм) зменшується кількість світла, яка досягає сітківки. У віці 25 років прозорість лінзи зменшується на 50 % , у віці 50 років - ще на 40 % .

Подальший вплив на світло, яке досягає сітківки залежить від діаметра зіниці, що зменшується з віком. Прогресивне зменшення зіниць призводить до зменшення біоенергетичної активності зору. Однакове вхідне випромінювання у мозку старих людей спричиняє значно слабші біосигнали, ніж у мозку молодих людей.

Над вивченням зору, його механізму працюють сотні дослідників у багатьох лабораторіях світу. Нагромаджені сучасною наукою дані настільки численні, різноманітні, а деколи - суперечливі. Зір всебічно вивчають фахівці, які аналізують феномени зору, рухи очей, виводять константи його норми, показники патології. Залишки зору досліджують навіть у майже сліпих людей. Таке багатогранне і складне явище, як зір, потребує для його вивчення використання всього арсеналу методів і апаратури сучасної науки.

Один з найсучасніших напрямів фізіології ока людини - електрофізіологія, об’єктом якої є біоструми сітківки. Біоелектричні процеси відіграють найважливішу роль у зорових механізмах вищих тварин і людини. Фіксуючи їх, необхідно не тільки отримувати непряму інформацію, але й спостерігати безпосередньо сам процес зору, а також застосувати їх для діагностики очних захворювань.

Розглянемо найбільш вживані біомеханічні методи вивчення функціонального стану нервової системи під час зорового сприйнятя інформації, а саме: методи електроретинографії та електроокулографії.

Принцип і типи електроретинографії. Наклавши два електроди, сполучені з гальванометром, на око тварини або людини і подавши світловий подразник, можна зареєструвати електрореакцію сітківки, тобто біоелектричний потенціал, який отримав назву електроретинограми (ЕРГ). Таким чином, нову галузь досліджень стали називати електроретинографією (запис, реєстрація та вивчення біострумів сітківки ока).

За допомогою мікроелектродів в очній кулі можна виміряти сталий потенціал між роговицею і більш від’ємно зарядженою сітківкою. Цей потенціал утворений передусім унаслідок регуляції переходу іонів від судинної оболонки до фоторецепторів. Унаслідок руху іонів між судинною оболонкою та сітківкою виникає сталий електричний потенціал, який не залежить від руху ока. Проте він змінюється у разі зміни рівня адаптації ока.

В офтальмології знімання сумарних електричних потенціалів ретини має більш ніж столітню історію.

Для знімання ЕРГ вимірювальний електрод розміщують на внутрішній поверхні сітківки, або на роговиці. Опорний електрод розміщують на щоці, чолі, мочці вуха. Розміщення цього електрода поблизу ока менш зручне, оскільки сигнал електроретинограми спотворюється арте- фактним сигналом електроокулограми.

Спалахова електроретинограма. Електроретинограма відображає просторово розподілену електричну реакцію на сітківці на біоелектричне збудження.

Типову ЕРГ ока, адаптовану до темряви, за двосекундного світлового збудження показано на рис. 3.24. Щоб одержати відгук сітківки, застосовують винятково неструктуровані стимули зі значною яскравістю.

Рис. 3.24. Типова ЕРГ ока, адаптованого до темряви

Оскільки такий світловий стимул збуджує чималу площу сітківки, рецепторні потенціали додаються. Чотири складові ЕРГ сигналу, які найчастіше ідентифікують, визначають як хвилі a, b, c, d.

В ЕРГ хвиля а відповідає вторинному рецепторному потенціалу. Варто брати до уваги, що первинний рецепторний потенціал має велику нелінійну залежність від рівня стимулу (приблизно це логарифмічна залежність від інтенсивності).

Головна хвиля b утворюється активністю біполярних клітин, хоча багато авторів зазначають, що під час хвилі b також активізуються гангліозні клітини. Але їх набагато менше, ніж біполярних. Усі клітини сітківки (за винятком гангліозних) відповідають на стимуляцію зростаючими потенціалами, поки деполяризація гангліозних клітин не створить потенціалу дії, який поширюється до мозку.

В ЕРГ людини хвилі a і b мають паличкові та колбочкові складові. Ці хвилі виникають за перші 100 мс після початку світлового імпульсу. Вони мають зменшену амплітуду. Хвиля с є наслідком змін мембранних потенціалів клітин пігментного епітелію на початку світлового імпульсу. Амплітуда хвиль а, b, c пропорційна логарифму інтенсивності спалаху і залежить від інтервалу між світловими імпульсами.

Хвиля d утворюється внаслідок змін мембранних потенціалів фоторецепторів і біполярних клітин по закінченні освітлення. Амплітуда хвилі d залежить від тривалості світлового стимулу.

Під час детального аналізу ЕРГ можна на спадному боці хвилі b знайти серії з 4-6 ритмічних хвиль - це осциляційні потенціали.

У клініці осциляційні потенціали використовують для кількісної оцінки ішемії по всій внутрішній площині сітківки у випадку судинних захворювань.

Суттєві зміни осицилятивних потенціалів відбуваються у разі глаукоми, конгеніальної нічної сліпоти, токсичної ретинопатії, яка викликана деякими металами.

Щоб правильно оцінити функціональну поведінку сітківки, доцільно отримати сукупність ЕРГ для різної інтенсивності світлового стимулу.

На сучасному етапі розвитку ЕРГ використовують для діагностики захворювань сітківки та нерва зору, а також для оцінювання властивостей світлопередавального середовища (наприклад, забруднення очної лінзи в разі катаракти).

Відгуки сітківки на структуровані світлові стимули (Р-ЕРГ).

У 1964-1966 рр. П. Є. Джонсон та Л. А. Ріггс описали, як отримати локальну ЕРГ з різних місць сітківки. За їх методом на сітківці створювали образ просторово структурованого світлового стимулу (поле із чорних та білих смуг). У регулярних часових інтервалах темні місця стають світлими і навпаки. Стимулом є саме така інверсія. Цей тип ЕРГ, який називають Р-ЕРГ (терн-електроретинограма), - прояв фотографічної активності. Максимальна амплітуда становить лише декілька мікровольтів. Фотостимуляція, як і спалахова ЕРГ, є монокулярною.

Відгуки мозку на структуровані світлові стимули (Р-ВЕП). Уже понад 30 років у деяких клінічних установах знімають наведений (евау- кований) потенціал зорових ділянок кори на відповідний світловий стимул, оскільки добре повторювані відгуки забезпечує реверсійна стимуляція. Евауковані потенціали знімають за допомогою поверхневих електродів Ag/AgCl, які розміщують так, як і для ЕЕГ. Сигнали можуть бути як уніполярними, так і біполярними.

Амплітуда Р-ВЕП мала і залежить від кутового розміру збудження, розмірів квадратів шахівниці, їх контрасту та середньої яскравості стимулу.

Зі збільшенням яскравості збудження зменшується запізнення та підвищується амплітуда Р-ВЕП. Оскільки окремі Р-ВЕП мають порівняно з базовими ЕЕГ (на які їх накладають) дуже малу амплітуду, необхідно забезпечити багатократне повторення стимулів, щоб стало можливим відділяти Р-ВЕП від нативної ЕЕГ. Динаміку сигналу можна суттєво поліпшити розміщенням зчитувального електрода у відповідній ділянці мозкової тканини.

Для клінічної практики певне значення мають величини ретинокортикальних кривих Р-ЕРГ та Р-ВЕП реакцій на шахівнично-структурований стимул (рис. 3.25, а).

Рис. 3.25. Зчитування Р-ЕРГ та Р-ВЕП за шахівничного стимулу (а) та головні параметри (ретинокортикальні часи) цих відгуків мозку (б)

Порівняння діагностичного використання спалахових ЕРГ, Р-ЕРГ, Р-ВЕП. Оскільки звичайна ЕРГ виникає як відповідь на спалахи у периферійних відділах зорового шляху (у фоторецепторах, біполярних і мюлерових клітинах): Р-ЕРГ - у ганглієвих клітинах, а Р-ВЕП - у нейронах зорової ділянки кори мозку, то на їх базі можна об’єктивно оцінити ймовірність патологічних процесів.

Патологічні зміни проявляються як у зменшенні амплітуди відповідного біосигналу, так і в зростанні латенції вершини окремих хвиль. У деяких випадках збільшуються також ретинокортикальні проміжки

часу, хоча за адекватного затримання обох зчитання вершин відповідний ретинокортикальний час залишається без змін.

Вивчення біострумів ока необхідне для медицини. Знаючи біоструми нормальної сітківки, їх залежність від умов дії світла, стану організму, обміну речовин та інших процесів, можна діагностувати різні захворювання очей.

Співробітники Фізіологічного інституту Лейпцизького університету створили новий метод вивчення сітківки. Ізольовану, виділену з ока жаби сітківку, поміщають у спеціальну камеру і омивають живильним розчином. Завдяки цьому тканина зберігає свої функції протягом багатьох годин і майже не гине. Коли ж сітківку освітлюють в темноті, в ній виникає електричний потенціал - електроретинограма. Потім у живильну рідину, яка омиває сітківку, вводять невелику кількість препарату «Ураган», що містить у малих кількостях ртуть.

Остання, як відомо, загальмовує обмін речовин і руйнує білкові молекули. Це тут же позначається на біострумах сітківки - вони зникають. Таким чином, виникає питання: чи не можна відновити цю сітківку, чи загинула вона остаточно або в ній лише тимчасово відбулося загасання обмінного процесу. Були випробувані різні речовини. Єдиною речовиною, яка повністю відновила загиблу сітківку та її біоструми, виявився цистеїн, що містить саме ті групи молекул, які були блоковані «Ураганом». Ця група молекул називається сульфгідрильною. Отже, цистеїн і сульфгідрильні групи відіграють одну з вирішальних ролей у функції сітківки, визначають її чутливість до світла.

Експеримент, проведений німецькими фізіологами, полягав у видаленні сітчастої оболонки з ока, видаленого у хворого, що страждав запущеною глаукомою, тобто з абсолютною втратою зору. Далі сітківку прикріпляли до спеціальної підставки, яку поміщали в живильний розчин. При цьому протягом декількох годин сітківка відповідала на світло біострумами, тобто реагувала на світло, попри те, що око вважалося абсолютно сліпим.

Виявилося, що з відведенням біострумів спеціальним мікроелектродом від центральних ділянок сітківки, на яких містяться колбочки, можна отримати слабку реакцію у відповідь на спалах світла, а якщо відвести біоструми з периферичних ділянок сітківки, - сильнішу. Біоструми сітківки послужили основою для ряду експериментів, пов’язаних з проблемою протезування зорового нерва.

Принцип і типи електроокулографії. Електроокулографія (ЕОГ) призначена для вимірювання положення ока (та часових змін положення) за допомогою електричних потенціалів, які знімають за допомогою поверхневих електродів. Для вимірювання горизонтальної складової ЕОГ електроди розміщують зліва та справа від кутків ока. Для вимірювання вертикальної складової ЕОГ електроди розміщують над і під оком. Принципове розміщення зчитувальних електродів та їх підключення до операційних підсилювачів показано на рис. 3.26.

Рис. 3.26. Розташування зчитувальних електродів та їх підключення до осциляційних потенціалів для зчитування ЕОГ:

1-7 - зчитувальні електроди; 8 - підсилювачі потужності

Потенціал диполя «роговиця-сітківка» залежить від положення осі ока. Коли погляд скерований просто перед собою, диполь розміщується симетрично між електродами, а результуючий сигнал - нульовий. Якщо погляд напрямлений ліворуч, роговиця стає позитивно зарядженою біля лівого електрода, який також стає позитивним. Майже лінійна залежність між горизонтальним кутом оптичної осі ока та сигналом ЕОГ спостерігається в діапазоні ±30°.

Електроокулографія, на відміну від інших біопотенціалів, потребує застосування підсилювача сталого струму. Оскільки в ЕОГ необхідно розрізняти значення напруги близько одиниць мікровольтів, необхідно використовувати електроди Ag/AgCl (щоб запобігти дрейфу).

Щоб зменшити короткочасні зміни електричного потенціалу, які не пов’язані з положенням очного яблука, необхідно ретельно очистити шкіру. Артефакти з ЕЕГ та ЕМГ на практиці для цього методу становлять приблизно 1° повороту ока і разом з власним шумом біопідсилювача обмежують роздільну здатність електроокулографії. Важлива також адаптація особи, яку досліджують, до базової освітленості (швидкий перехід зумовлює малі осциляції електричного потенціалу з часом установлення до 25 хв).

Стимули для спостережуваних рухів бувають або оптичними, або акустичними. Вимірювання повторюються циклічно з інтервалом 1...2 хв. За оптичної стимуляції рівень яскравості темних площин становить менше ніж 0,1 кд/м, світлі площини мають яскравість понад 800 кд/м.

Приклади ЕОГ горизонтальних рухів, зумовлених спалахами праворуч або ліворуч, для трьох різних амплітуд показано на рис. 3.27 для правого (R) та лівого (L) очей.

Рис. 3.27. Приклади електроокулографічних горизонтальних рухів, викликаних спалахами праворуч (R) та ліворуч (L)

Горизонтальні вільні рухи очей (сакади) під час спостереження навколишнього середовища ілюструють ЕОГ, які показано на рис. 3.28.

Рис. 3.28. Горизонтальні вільні рухи очей (сакади) під час спостереження навколишнього середовища

Електроокулограми можна використовувати для об’єктивних досліджень, наприклад, для оцінювання функціонального стану окорухли- вих м’язів, асиметрії, прогресу екофтальму. Дуже поширена реєстрація руху очей увісні та у немовлят і дітей дошкільного віку. Патологічними є ЕОГ також у разі деяких порушень судин та в ретинопатії.

Результати аналізу бокових рухів очей застосовують у психофізіологічних методах, наприклад, у логопедії. У психіатрії ЕОГ-метод можна використати для оцінювання емоцій, успішності лікування психофармаками. Електроокулограму застосовують за кордоном у криміналістиці.