Тета-волны генерируют тета-ритм — нейронное колебание в мозге , которое лежит в основе различных аспектов познания и поведения, включая обучение, память и пространственную навигацию у многих животных. [1] [2] Его можно записать с помощью различных электрофизиологических методов, таких как электроэнцефалограмма (ЭЭГ), записанная либо изнутри мозга, либо с помощью электродов, прикрепленных к коже черепа.
Описано по крайней мере два типа тета-ритма. Тета-ритм гиппокампа — это сильное колебание, которое можно наблюдать в гиппокампе и других структурах мозга у многочисленных видов млекопитающих , включая грызунов, кроликов, собак, кошек и сумчатых. «Кортикальные тета-ритмы» — это низкочастотные компоненты ЭЭГ кожи головы, обычно регистрируемые у людей. Тета-ритмы можно количественно оценить с помощью количественной электроэнцефалографии (qEEG) с использованием свободно доступных наборов инструментов, таких как EEGLAB или Neurophysiological Biomarker Toolbox (NBT).
У крыс ритмичность тета-волн легко наблюдается в гиппокампе, но также может быть обнаружена во многих других корковых и подкорковых структурах мозга. Тета-волны гиппокампа с диапазоном частот 6–10 Гц появляются, когда крыса занимается активным двигательным поведением, таким как ходьба или исследовательское обнюхивание, а также во время быстрого сна . [3] Тета-волны с более низким диапазоном частот, обычно около 6–7 Гц, иногда наблюдаются, когда крыса неподвижна, но насторожена. Когда крыса ест, ухаживает за собой или спит, ЭЭГ гиппокампа обычно показывает неритмичный паттерн, известный как большая нерегулярная активность или LIA . Тета-ритм гиппокампа критически зависит от проекций из медиальной септальной области , которая, в свою очередь, получает входные данные от гипоталамуса и нескольких областей ствола мозга. Тета-ритмы гиппокампа у других видов в некоторых отношениях отличаются от таковых у крыс. У кошек и кроликов диапазон частот ниже (около 4–6 Гц), а тета менее тесно связана с движением, чем у крыс. У летучих мышей тета появляется короткими всплесками, связанными с эхолокацией.
У людей наблюдался гиппокампальный тета-ритм, связанный с формированием памяти [4] [5] и навигацией. [6] Как и у крыс, у людей наблюдается активность гиппокампальных тета-волн во время быстрого сна. [7] У людей также наблюдается преимущественно кортикальная тета-волновая активность во время быстрого сна. [8] Повышенная сонливость связана с уменьшением мощности альфа-волн и увеличением мощности тета-волн. [8] Было показано, что медитация увеличивает мощность тета-волн. [9]
Функция гиппокампального тета-ритма до конца не изучена. Грин и Ардуини в первом крупном исследовании этого явления отметили, что гиппокампальная тета обычно возникает вместе с десинхронизированной ЭЭГ в неокортексе , и предположили, что она связана с возбуждением. Вандервольф и его коллеги, отметив тесную связь между тета и двигательным поведением, утверждали, что она связана с сенсомоторной обработкой. Другая школа, возглавляемая Джоном О'Кифом, предположила, что тета является частью механизма, который животные используют для отслеживания своего местоположения в окружающей среде. Другая теория связывает тета-ритм с механизмами обучения и памяти (Хассельмо, 2005). Эта теория утверждает, что тета-волны могут действовать как переключатель между механизмами кодирования и вспоминания, и экспериментальные данные на грызунах [10] и людях [11] подтверждают эту идею. Другое исследование на людях показало, что тета-колебания определяют функцию памяти (кодирование или вспоминание) при взаимодействии с высокочастотной гамма-активностью в гиппокампе. [12] Эти результаты подтверждают идею о том, что тета-колебания поддерживают формирование и извлечение памяти во взаимодействии с другими колебательными ритмами. Эти различные теории с тех пор были объединены, поскольку было показано, что паттерны активации могут поддерживать как навигацию, так и память. [13]
В исследованиях ЭЭГ человека термин тета относится к частотным компонентам в диапазоне 4–7 Гц, независимо от их источника. Кортикальная тета часто наблюдается у маленьких детей. [14] У детей старшего возраста и взрослых она, как правило, появляется во время медитативных, сонливых, гипнотических или спящих состояний, но не во время самых глубоких стадий сна . Тета из средней лобной коры конкретно связана с когнитивным контролем, и изменения в этих тета-сигналах обнаруживаются при множественных психиатрических и нейроразвивающих расстройствах. [15]
Хотя было несколько более ранних намеков, первое четкое описание регулярных медленных колебаний в гиппокампальной ЭЭГ было получено из статьи, написанной на немецком языке Юнгом и Корнмюллером (1938). Они не смогли продолжить эти первоначальные наблюдения, и только в 1954 году появилась дополнительная информация в очень тщательном исследовании Джона Д. Грина и Арнальдо Ардуини, которые описали основные свойства гиппокампальных колебаний у кошек, кроликов и обезьян (Грин и Ардуини, 1954). Их выводы вызвали широкий интерес, отчасти потому, что они связали гиппокампальную активность с возбуждением, что в то время было самой горячей темой в нейронауке. Грин и Ардуини описали обратную связь между паттернами гиппокампальной и корковой активности, при этом ритмичность гиппокампа возникала наряду с десинхронизированной активностью в коре, тогда как нерегулярный паттерн гиппокампальной активности коррелировал с появлением больших медленных волн в корковой ЭЭГ.
В течение следующего десятилетия произошел поток экспериментов, изучающих фармакологию и физиологию тета. К 1965 году Чарльз Штумпф смог написать длинный обзор «Влияние лекарств на электрическую активность гиппокампа», ссылаясь на сотни публикаций (Штумпф, 1965), а в 1964 году Джон Грин, который был лидером в этой области в этот период, смог написать обширный и подробный обзор электрофизиологии гиппокампа (Грин, 1964). Основной вклад внесла группа исследователей, работавших в Вене, включая Штумпфа и Вольфганга Петше, которые установили решающую роль медиальной перегородки в контроле электрической активности гиппокампа и разработали некоторые пути, по которым она оказывает свое влияние.
Из-за исторической случайности термин «тета-ритм» используется для обозначения двух различных явлений: «гиппокампальной тета» и «человеческой корковой тета» . Оба они являются колебательными паттернами ЭЭГ, но у них может быть мало общего, кроме названия «тета».
В старейшей литературе по ЭЭГ , датируемой 1920-ми годами, греческие буквы, такие как альфа, бета, тета и гамма, использовались для классификации волн ЭЭГ, попадающих в определенные частотные диапазоны, при этом «тета» обычно означает диапазон около 4–7 циклов в секунду (Гц). В 1930–1950-х годах в гиппокампе кошек и кроликов был обнаружен очень сильный ритмический паттерн колебаний (Грин и Ардуини, 1954). У этих видов колебания гиппокампа в основном попадали в диапазон частот 4–6 Гц, поэтому их называли «тета»-колебаниями. Позднее колебания гиппокампа того же типа наблюдались у крыс; однако частота колебаний гиппокампа ЭЭГ крыс в среднем составляла около 8 Гц и редко опускалась ниже 6 Гц. Таким образом, колебания гиппокампа ЭЭГ крысы, строго говоря, не следовало бы называть «тета-ритмом». Однако термин «тета» уже настолько прочно ассоциировался с колебаниями гиппокампа, что продолжал использоваться даже для крыс. С годами эта ассоциация стала сильнее, чем первоначальная ассоциация с определенным диапазоном частот, но первоначальное значение также сохранилось.
Таким образом, «тета» может означать одно из двух:
Первое значение обычно подразумевается в литературе, посвященной крысам или мышам, тогда как второе значение обычно подразумевается в исследованиях ЭЭГ человека, записанных с помощью электродов, приклеенных к коже головы. В целом, небезопасно предполагать, что наблюдения «тета» в ЭЭГ человека имеют какое-либо отношение к «ритму тета гиппокампа». ЭЭГ кожи головы генерируется почти полностью корой головного мозга , и даже если она попадает в определенный диапазон частот, это не может быть воспринято как указание на то, что она имеет какую-либо функциональную зависимость от гиппокампа.
Благодаря плотности нейронных слоев гиппокамп генерирует некоторые из самых больших сигналов ЭЭГ среди всех структур мозга. В некоторых ситуациях в ЭЭГ доминируют регулярные волны частотой 4–10 Гц, часто длящиеся в течение многих секунд. Этот паттерн ЭЭГ известен как гиппокампальный тета-ритм . Его также называют ритмической медленной активностью (RSA), чтобы противопоставить его большой нерегулярной активности (LIA), которая обычно доминирует в гиппокампальной ЭЭГ, когда тета отсутствует.
У крыс гиппокампальная тета наблюдается в основном в двух условиях: во-первых, когда животное бежит, ходит или каким-либо другим образом активно взаимодействует с окружающей средой; во-вторых, во время быстрого сна . [16] Частота тета-волн увеличивается в зависимости от скорости бега, начиная примерно с 6,5 Гц на нижнем пределе и увеличиваясь примерно до 9 Гц на самых быстрых скоростях бега, хотя более высокие частоты иногда наблюдаются для кратковременных высокоскоростных движений, таких как прыжки через широкие промежутки. У более крупных видов животных частоты тета, как правило, ниже. Поведенческая зависимость также, по-видимому, варьируется в зависимости от вида: у кошек и кроликов тета часто наблюдается во время состояний неподвижной бдительности. Это было отмечено и для крыс, но только когда они испытывают страх (Sainsbury et al., 1987).
Тета не ограничивается только гиппокампом. У крыс ее можно наблюдать во многих частях мозга, включая почти все, которые тесно взаимодействуют с гиппокампом. Генерация ритма зависит от медиальной септальной области: эта область проецируется на все регионы, которые показывают тета-ритмичность, и ее разрушение устраняет тета во всем мозге (Stewart & Fox, 1990).
В 1975 году Крамис, Бланд и Вандервольф предположили, что у крыс существует два различных типа гиппокампального тета-ритма с различными поведенческими и фармакологическими свойствами (Kramis et al., 1975). Тип 1 («устойчивый к атропину») тета, по их мнению, появляется во время локомоции и других типов «произвольного» поведения, а также во время быстрого сна, имеет частоту обычно около 8 Гц и не подвержен влиянию антихолинергического препарата атропина . Тип 2 («чувствительный к атропину») тета появляется во время неподвижности и во время анестезии, вызванной уретаном , имеет частоту в диапазоне 4–7 Гц и устраняется введением атропина. Многие более поздние исследования подтвердили общую концепцию о том, что гиппокампальный тета можно разделить на два типа, хотя были споры о точных свойствах каждого типа. Тип 2 тета сравнительно редко встречается у неанестезированных крыс: он может кратковременно наблюдаться, когда животное готовится совершить движение, но еще не совершило его, но в течение длительных периодов времени он наблюдался только у животных, находящихся в состоянии замороженной неподвижности из-за близкого присутствия хищника, например кошки или хорька (Sainsbury et al., 1987).
Вандервольф (1969) привел весомый аргумент, что наличие тета в гиппокампальной ЭЭГ можно предсказать на основе того, что делает животное, а не того, почему оно это делает. Активные движения, такие как бег, прыжки, нажатие на рычаг или исследовательское обнюхивание, надежно связаны с тета; неактивные состояния, такие как прием пищи или уход за собой, связаны с LIA. Более поздние исследования показали, что тета часто начинается за несколько сотен миллисекунд до начала движения и что она связана с намерением двигаться, а не с обратной связью, производимой движением (Whishaw & Vanderwolf, 1973). Чем быстрее бежит животное, тем выше частота тета. У крыс самые медленные движения вызывают частоты около 6,5 Гц, самые быстрые — около 9 Гц, хотя более быстрые колебания можно кратковременно наблюдать во время очень энергичных движений, таких как большие прыжки.
Многочисленные исследования показали, что медиальная септальная область играет центральную роль в генерации гиппокампальной тета-волны (Stewart & Fox, 1990). Повреждение медиальной септальной области или ее инактивация с помощью лекарств устраняет как тета-волны типа 1, так и тета-волны типа 2. При определенных условиях тета-подобные колебания могут быть вызваны в гиппокампальных или энторинальных клетках при отсутствии септального входа, но этого не происходит у здоровых взрослых крыс без лекарств. Критическая септальная область включает медиальное септальное ядро и вертикальную часть диагональной полосы Брока . Латеральное септальное ядро, основной получатель гиппокампального выхода, вероятно, не играет существенной роли в генерации тета-волны.
Медиальная септальная область проецируется в большое количество областей мозга, которые показывают тета-модуляцию, включая все части гиппокампа, а также энторинальную кору, периринальную кору, ретроспленальную кору , медиальные мамиллярные и супрамамиллярные ядра гипоталамуса, передние ядра таламуса, миндалевидное тело, нижние холмики и несколько ядер ствола мозга (Buzsáki, 2002). Некоторые из проекций из медиальной септальной области являются холинергическими; остальные являются ГАМКергическими или глутаматергическими. Обычно утверждается, что холинергические рецепторы не реагируют достаточно быстро, чтобы участвовать в генерации тета-волн, и поэтому ГАМКергические и/или глутаматергические сигналы (Ujfalussy and Kiss, 2006) должны играть центральную роль.
Основная исследовательская проблема заключалась в обнаружении «пейсмекера» для тета-ритма, то есть механизма, который определяет частоту колебаний. Ответ пока не совсем ясен, но есть некоторые свидетельства того, что тета-тип 1 и тета-тип 2 зависят от разных пейсмейкеров. Для тета-типа 2, по-видимому, контроль осуществляет супрамамиллярное ядро гипоталамуса (Кирк, 1998). Для тета-типа 1 картина пока неясна, но наиболее широко принятая гипотеза предполагает, что частота определяется петлей обратной связи, включающей медиальную септальную область и гиппокамп (Ван, 2002).
Несколько типов нейронов гиппокампа и энторинальной области способны генерировать колебания мембранного потенциала тета-частоты при стимуляции. Обычно это натрий-зависимые, чувствительные к напряжению колебания мембранного потенциала при напряжениях, близких к потенциалу действия (Alonso & Llinás, 1989). В частности, похоже, что в нейронах CA1 и зубчатой извилины эти колебания являются результатом взаимодействия дендритного возбуждения через постоянный натриевый ток ( I NaP ) с перисоматическим торможением (Buzsáki, 2002) .
Как правило, сигналы ЭЭГ генерируются синхронизированным синаптическим входом в дендриты нейронов, расположенных в слое. Гиппокамп содержит несколько слоев очень плотно упакованных нейронов — зубчатую извилину и CA3/CA1 / субикулярный слой — и поэтому имеет потенциал для генерации сильных сигналов ЭЭГ. Базовая теория ЭЭГ гласит, что когда слой нейронов генерирует сигнал ЭЭГ, сигнал всегда меняет фазу на каком-то уровне. Таким образом, тета-волны, записанные с участков выше и ниже генерирующего слоя, имеют противоположные знаки. Есть и другие осложнения: слои гиппокампа сильно изогнуты, и тета-модулированные входы попадают на них с нескольких путей с различными фазовыми соотношениями. Результатом всех этих факторов является то, что фаза и амплитуда тета-колебаний изменяются очень сложным образом в зависимости от положения внутри гиппокампа. Однако самые большие тета-волны обычно регистрируются вблизи щели, которая отделяет молекулярный слой CA1 от молекулярного слоя зубчатой извилины. У крыс эти сигналы часто превышают 1 милливольт по амплитуде. Тета-волны, регистрируемые выше гиппокампа, меньше и имеют обратную полярность по отношению к сигналам щели.
Самые сильные тета-волны генерируются слоем CA1, и наиболее значимый вход, управляющий ими, поступает из энторинальной коры через прямой путь EC→CA1. Другая важная движущая сила исходит из проекции CA3→CA1, которая не совпадает по фазе с энторинальным входом, что приводит к постепенному сдвигу фазы в зависимости от глубины в пределах CA1 (Brankack et al. 1993). Зубчатая извилина также генерирует тета-волны, которые трудно отделить от волн CA1, поскольку они значительно меньше по амплитуде, но есть некоторые свидетельства того, что тета зубчатой извилины обычно примерно на 90 градусов не совпадает по фазе с тета-волнами CA1. Прямые проекции из септальной области на гиппокампальные интернейроны также играют роль в генерации тета-волн, но их влияние намного меньше, чем у энторинальных входов (которые, однако, сами контролируются перегородкой).
Тета-частотная активность, возникающая в гиппокампе, проявляется во время некоторых задач на кратковременную память (Vertes, 2005). Исследования показывают, что эти ритмы отражают «онлайн» состояние гиппокампа; готовность обрабатывать входящие сигналы (Buzsáki, 2002). И наоборот, тета-колебания были связаны с различными произвольными формами поведения (исследование, пространственная навигация и т. д.) и состояниями бдительности (гусиная кожа и т. д.) у крыс (Vanderwolf, 1969), что позволяет предположить, что они могут отражать интеграцию сенсорной информации с двигательным выводом (для обзора см. Bland & Oddie, 2001). Большое количество доказательств указывает на то, что тета-ритм, вероятно, участвует в пространственном обучении и навигации (Buzsáki, 2005).
Тета-ритмы очень сильны в гиппокампе и энторинальной коре грызунов во время обучения и извлечения памяти и считаются жизненно важными для индукции долговременной потенциации , потенциального клеточного механизма обучения и памяти. Фазовая прецессия вдоль тета-волны в гиппокампе позволяет нейронным сигналам, представляющим события, которые только ожидаются или которые произошли в недавнем прошлом, располагаться рядом с фактически происходящими событиями вдоль одного тета-цикла и повторяться в течение нескольких тета-циклов. Предполагается, что этот механизм позволяет долговременной потенциации (LTP) усиливать связи между нейронами гиппокампа, представляющими последующие элементы последовательности памяти. [17] Действительно, было высказано предположение, что стимуляция на частоте тета является оптимальной для индукции гиппокампа LTP. [18] На основании данных электрофизиологических исследований, показывающих, что как синаптическая пластичность, так и сила входов в область гиппокампа CA1 систематически изменяются с текущими тета-колебаниями (Hyman et al., 2003; Brankack et al., 1993), было высказано предположение, что тета-ритм функционирует для разделения периодов кодирования текущих сенсорных стимулов и извлечения эпизодической памяти, вызванной текущими стимулами, чтобы избежать помех, которые возникли бы, если бы кодирование и извлечение были одновременными.
У животных, не являющихся людьми, сигналы ЭЭГ обычно регистрируются с помощью электродов, имплантированных в мозг; большинство исследований тета включали электроды, имплантированные в гиппокамп. У людей, поскольку инвазивные исследования недопустимы с этической точки зрения, за исключением некоторых неврологических пациентов, наибольшее количество исследований ЭЭГ проводилось с использованием электродов, приклеенных к коже головы. Сигналы, улавливаемые электродами кожи головы, сравнительно малы и рассеяны и возникают почти полностью из коры головного мозга, поскольку гиппокамп слишком мал и слишком глубоко зарыт, чтобы генерировать распознаваемые сигналы ЭЭГ кожи головы. Записи ЭЭГ человека показывают четкую ритмичность тета в некоторых ситуациях, но из-за технических трудностей было трудно сказать, имеют ли эти сигналы какую-либо связь с сигналами тета гиппокампа, зарегистрированными у других видов.
В отличие от ситуации с крысами, где длительные периоды тета-колебаний легко наблюдаются с помощью электродов, имплантированных во многие места, тета было трудно зафиксировать у приматов, даже когда были доступны внутрикортикальные электроды. Грин и Ардуини (1954) в своем пионерском исследовании тета-ритмов сообщили только о кратковременных всплесках нерегулярного тета у обезьян. Другие исследователи сообщили о схожих результатах, хотя Стюарт и Фокс (1991) описали четкий тета-ритм 7–9 Гц в гиппокампе анестезированных уретаном макак и беличьих обезьян, напоминающий тета-ритм 2-го типа, наблюдаемый у анестезированных уретаном крыс.
Большая часть доступной информации о человеческом гиппокампе тета получена из нескольких небольших исследований эпилептических пациентов с внутричерепными имплантированными электродами, используемыми в качестве части плана лечения. В самом крупном и наиболее систематическом из этих исследований Кантеро и др. (2003) обнаружили, что колебания в диапазоне частот 4–7 Гц могут быть зарегистрированы как из гиппокампа, так и из неокортекса. Колебания гиппокампа были связаны с быстрым сном и переходом от сна к бодрствованию и происходили короткими всплесками, обычно менее секунды. Колебания кортикального тета наблюдались во время перехода от сна и во время спокойного бодрствования; однако авторы не смогли найти никакой корреляции между гиппокампальными и кортикальными тета-волнами и пришли к выводу, что эти два процесса, вероятно, контролируются независимыми механизмами.
Исследования показали связь гипноза с более сильной активностью тета-частоты, а также с изменениями в активности гамма-частоты (Jensen et al., 2015). Кроме того, повышенные тета-волны были замечены у людей в медитации «без мыслей» . [19] [20]