Нейронные колебания: ритм тета-волн и его функции.

Введение

Нейронный осцилляционный паттерн

Тета-волны генерируют тета-ритм, нейронную осцилляцию в мозге, лежащую в основе различных аспектов познания и поведения, включая обучение, память и пространственную навигацию у многих животных. Его можно регистрировать с помощью различных электрофизиологических методов, таких как электроэнцефалограмма (ЭЭГ), записываемая либо изнутри мозга, либо с помощью электродов, прикрепленных к коже головы. Описано по крайней мере два типа тета-ритма. Гиппокампальный тета-ритм – сильное колебание, которое можно наблюдать в гиппокампе и других структурах мозга у многих видов млекопитающих, включая грызунов, кроликов, собак, кошек и сумчатых. "Кортикальные тета-ритмы" – низкочастотные компоненты ЭЭГ кожи головы, обычно регистрируемые у людей. Тета-ритмы могут быть количественно оценены с помощью количественной электроэнцефалографии (qEEG) с использованием свободно доступных инструментов, таких как EEGLAB или Нейрофизиологический биомаркерный инструментарий (NBT). У крыс ритмичность тета-волн легко наблюдается в гиппокампе, но также может быть обнаружена во многих других корковых и подкорковых структурах мозга. Гиппокампальные тета-волны с частотой 6–10 Гц появляются, когда крыса занята активным двигательным поведением, таким как ходьба или исследовательское обнюхивание, а также во время фазы быстрого сна. Тета-волны с более низким диапазоном частот, обычно около 6–7 Гц, иногда наблюдаются, когда крыса неподвижна, но бодрствует. Когда крыса ест, ухаживает за собой или спит, гиппокампальная ЭЭГ обычно демонстрирует неритмичную картину, известную как большая нерегулярная активность или LIA. Гиппокампальный тета-ритм критически зависит от проекций из медиальной септальной области, которая, в свою очередь, получает вход от гипоталамуса и нескольких областей ствола мозга. Гиппокампальные тета-ритмы у других видов в некоторых аспектах отличаются от ритмов у крыс. У кошек и кроликов диапазон частот ниже (около 4–6 Гц), и тета менее тесно связана с движением, чем у крыс. У летучих мышей тета появляется в коротких всплесках, связанных с эхолокацией. У людей был наблюдаем гиппокампальный тета-ритм, связанный с формированием памяти и навигацией. Как и у крыс, у людей наблюдается активность тета-волн гиппокампа во время фазы быстрого сна. У людей также наблюдается преимущественно кортикальная тета-волновая активность во время фазы быстрого сна. Повышенная сонливость связана с уменьшением мощности альфа-волн и увеличением мощности тета-волн. Функция гиппокампального тета-ритма до конца не ясна. Грин и Ардуини, в первом крупном исследовании этого явления, отметили, что гиппокампальная тета обычно возникает одновременно с десинхронизированной ЭЭГ в неокортексе и предположили, что она связана с возбуждением. Вандервольф и его коллеги, отмечая тесную связь между тетой и двигательным поведением, утверждают, 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 (Hasselmo, 2005). Эта теория утверждает, что тета-волны могут выступать в качестве переключателя между механизмами кодирования и воспроизведения, и экспериментальные данные, полученные на грызунах и людях, подтверждают эту идею. Другое исследование на людях показало, что тета-осцилляции определяют функцию памяти (кодирование или воспроизведение) при взаимодействии с высокочастотной гамма-активностью в гиппокампе. Эти результаты подтверждают идею о том, что тета-осцилляции поддерживают формирование и извлечение памяти во взаимодействии с другими осцилляционными ритмами. Эти различные теории с тех пор были объединены, поскольку было показано, что паттерны возбуждения могут поддерживать как навигацию, так и память. В исследованиях ЭЭГ на людях термин "тета" относится к частотным компонентам в диапазоне 4–7 Гц, независимо от их источника. Кортикальная тета часто наблюдается у маленьких детей. У детей старшего возраста и взрослых она имеет тенденцию появляться во время медитативного состояния, сонливости, гипнотического или спящего состояния, но не во время самых глубоких стадий сна. Тета из средней лобной коры особенно связана с когнитивным контролем, и изменения в этих тета-сигналах обнаруживаются при множестве психических и нейроразвивающих расстройствах.

Theta waves generate the theta rhythm, a neural oscillation in the brain that underlies various aspects of cognition and behavior, including learning, memory, and spatial navigation in many animals. It can be recorded using various electrophysiological methods, such as electroencephalogram (EEG), recorded either from inside the brain or from electrodes attached to the scalp. At least two types of theta rhythm have been described. The hippocampal theta rhythm is a strong oscillation that can be observed in the hippocampus and other brain structures in numerous species of mammals including rodents, rabbits, dogs, cats, and marsupials. "Cortical theta rhythms" are low frequency components of scalp EEG, usually recorded from humans. Theta rhythms can be quantified using quantitative electroencephalography (qEEG) using freely available toolboxes, such as, EEGLAB or the Neurophysiological Biomarker Toolbox (NBT). In rats, theta wave rhythmicity is easily observed in the hippocampus, but can also be detected in numerous other cortical and subcortical brain structures. Hippocampal theta waves, with a frequency range of 6–10 Hz, appear when a rat is engaged in active motor behavior such as walking or exploratory sniffing, and also during REM sleep. Theta waves with a lower frequency range, usually around 6–7 Hz, are sometimes observed when a rat is motionless but alert. When a rat is eating, grooming, or sleeping, the hippocampal EEG usually shows a non rhythmic pattern known as large irregular activity or LIA. The hippocampal theta rhythm depends critically on projections from the medial septal area, which in turn receives input from the hypothalamus and several brainstem areas. Hippocampal theta rhythms in other species differ in some respects from those in rats. In cats and rabbits, the frequency range is lower (around 4–6 Hz), and theta is less strongly associated with movement than in rats. In bats, theta appears in short bursts associated with echolocation. In humans, hippocampal theta rhythm has been observed and linked to memory formation and navigation. As with rats, humans exhibit hippocampal theta wave activity during REM sleep. Humans also exhibit predominantly cortical theta wave activity during REM sleep. Increased sleepiness is associated with decreased alpha wave power and increased theta wave power. The function of the hippocampal theta rhythm is not clearly understood. Green and Arduini, in the first major study of this phenomenon, noted that hippocampal theta usually occurs together with desynchronized EEG in the neocortex, and proposed that it is related to arousal. Vanderwolf and his colleagues, noting the strong relationship between theta and motor behavior, have argued that it is related to sensorimotor processing. Another school, led by John O'Keefe, have suggested that theta is part of the mechanism animals use to keep track of their location within the environment. Another theory links the theta rhythm to mechanisms of learning and memory (Hasselmo, 2005). This theory states that theta waves may act as a switch between encoding and recall mechanisms, and experimental data on rodents and humans support this idea. Another study on humans has showed that theta oscillations determine memory function (encoding or recall) when interacting with high frequency gamma activity in the hippocampus. These findings support the idea that theta oscillations support memory formation and retrieval in interaction with other oscillatory rhythms. These different theories have since been combined, as it has been shown that the firing patterns can support both navigation and memory. In human EEG studies, the term theta refers to frequency components in the 4–7 Hz range, regardless of their source. Cortical theta is observed frequently in young children. In older children and adults, it tends to appear during meditative, drowsy, hypnotic or sleeping states, but not during the deepest stages of sleep. Theta from the midfrontal cortex is specifically related to cognitive control and alterations in these theta signals are found in multiple psychiatric and neurodevelopmental disorders.

История

Хотя было несколько более ранних намеков, первое ясное описание регулярных медленных колебаний в гиппокампальном ЭЭГ появилось в статье, написанной на немецком языке Юнгом и Корнмюллером (1938). Они не смогли продолжить эти первоначальные наблюдения, и лишь в 1954 году стали доступны дополнительные сведения в очень подробном исследовании Джона Д. Грина и Арнальдо Ардуини, которое позволило установить основные характеристики колебаний гиппокампа у кошек, кроликов и обезьян (Грин и Ардуини, 1954). Их открытия вызвали широкий интерес, отчасти потому, что они связали активность гиппокампа с уровнем бодрствования, который в то время был наиболее актуальной темой в нейробиологии. Грин и Ардуини описали обратную зависимость между паттернами активности гиппокампа и коры головного мозга: гиппокамповая ритмичность наблюдалась одновременно с десинхронизированной активностью в коре, тогда как нерегулярная активность гиппокампа коррелировала с появлением крупных медленных волн в кортикальной ЭЭГ. В течение следующего десятилетия было проведено множество экспериментов, посвященных изучению фармакологии и физиологии тета-ритма. К 1965 году Чарльз Стампф смог написать обширный обзор "Влияние лекарственных препаратов на электрическую активность гиппокампа", сославшись на сотни публикаций (Стампф, 1965), а в 1964 году Джон Грин, который являлся лидером в этой области в тот период, смог опубликовать развернутый и детальный обзор электрофизиологии гиппокампа (Грин, 1964). Значительный вклад внесла группа исследователей, работавших в Вене, включая Штумпфа и Вольфганга Петше, которые установили критическую роль медиальной септума в контроле электрической активности гиппокампа и выяснили некоторые пути, посредством которых он оказывает свое влияние.

Гиппокамп

Благодаря плотности нейронных слоев, гиппокамп генерирует одни из самых мощных сигналов ЭЭГ среди всех структур мозга. В некоторых ситуациях ЭЭГ доминируют регулярные волны с частотой 4–10 Гц, часто продолжающиеся в течение многих секунд. Этот паттерн ЭЭГ известен как гиппокампальный тета-ритм. Его также называют ритмической медленной активностью (RSA) в отличие от большой нерегулярной активности (LIA), которая обычно преобладает в гиппокампальной ЭЭГ, когда тета отсутствует. У крыс гиппокампальная тета наблюдается главным образом в двух состояниях: во-первых, когда животное бегает, ходит или иным образом активно взаимодействует с окружающей средой; во-вторых, во время фазы быстрого сна. Частота тета-волн увеличивается по мере увеличения скорости бега, начиная примерно с 6,5 Гц в нижнем диапазоне и достигая около 9 Гц при самых высоких скоростях, хотя иногда наблюдаются более высокие частоты при кратковременных высокоскоростных движениях, таких как прыжки через большие расстояния. У более крупных видов животных частоты тета обычно ниже. Поведенческая зависимость также, по-видимому, варьируется в зависимости от вида: у кошек и кроликов тета часто наблюдается в состояниях неподвижной бодрствования. Это также отмечалось и у крыс, но только когда они испытывают страх (Sainsbury et al., 1987). Тета не ограничивается только гиппокампом. У крыс ее можно наблюдать во многих областях мозга, включая почти все, которые тесно взаимодействуют с гиппокампом. Генерация этого ритма зависит от области медиальной септум: эта область проецируется во все области, демонстрирующие тета-ритмичность, и ее разрушение устраняет тета-ритм по всему мозгу (Stewart & Fox, 1990).

Тип 1 и тип 2

В 1975 году Крамис, Бланд и Вандервулф предположили, что у крыс существуют два различных типа гиппокампального тета-ритма, обладающих различными поведенческими и фармакологическими свойствами (Крамис и др., 1975). По их мнению, тета-ритм типа 1 ("устойчивый к атропину") проявляется во время передвижения и других видов "произвольного" поведения, а также во время фазы быстрого сна, обычно имеет частоту около 8 Гц и не подвергается воздействию антихолинергического препарата атропин. Тета-ритм типа 2 ("чувствительный к атропину") проявляется во время неподвижности и во время анестезии, вызванной уретаном, имеет частоту в диапазоне 4–7 Гц и подавляется при введении атропина. Многие последующие исследования подтвердили общую концепцию о том, что гиппокампальный тета-ритм можно разделить на два типа, хотя точные характеристики каждого типа остаются предметом споров. Тета-ритм типа 2 относительно редко встречается у крыс, находящихся в сознании: его можно наблюдать кратковременно, когда животное готовится к движению, но еще не совершило его, однако длительные периоды его проявления зарегистрированы только у животных, находящихся в состоянии полной неподвижности из-за присутствия поблизости хищника, такого как кошка или хорек (Sainsbury et al., 1987).

Связь с поведением

Вандервольф (1969) убедительно утверждал, что наличие тета-ритма в гиппокампальной ЭЭГ можно предсказать, исходя из того, *что* делает животное, а не из того, *почему* оно это делает. Активные движения, такие как бег, прыжки, нажатие на рычаг или исследовательское обнюхивание, надежно ассоциируются с тета-ритмом; неактивные состояния, такие как прием пищи или уход за собой, – с LIA. Последующие исследования показали, что тета-ритм часто начинается за несколько сотен миллисекунд до начала движения и связан с намерением двигаться, а не с обратной связью, возникающей в результате движения (Whishaw & Vanderwolf, 1973). Чем быстрее бежит животное, тем выше частота тета-ритма. У крыс самые медленные движения вызывают частоты около 6,5 Гц, самые быстрые – около 9 Гц, хотя более быстрые колебания могут наблюдаться кратковременно во время очень интенсивных движений, таких как большие прыжки.

Механизмы

Многочисленные исследования показали, что область медиальной перегородки играет центральную роль в генерации гиппокампальных тета-ритмов (Stewart & Fox, 1990). Повреждение медиальной области перегородки или ее инактивация лекарственными препаратами устраняет как тета-ритмы типа 1, так и типа 2. При определенных условиях тета-подобные колебания могут индуцироваться в гиппокампальных или энторинальных клетках при отсутствии септального входа, но это не происходит у неповрежденных, не подвергавшихся медикаментозному воздействию взрослых крыс. Критическая область перегородки включает медиальное ядро перегородки и вертикальную ветвь диагональной полосы Брока. Латеральное септальное ядро, являющееся основным получателем выхода из гиппокампа, вероятно, не играет существенной роли в генерации тета-ритмов. Медиальная область перегородки проецируется в большое количество областей мозга, демонстрирующих тета-модуляцию, включая все части гиппокампа, а также энторинальную кору, периринтальную кору, ретросплениальную кору, медиальные млечные и супрамлечные ядра гипоталамуса, передние ядра таламуса, миндалевидное тело, нижний бугорок и несколько ядер ствола мозга (Buzsáki, 2002). Некоторые из проекций из медиальной области перегородки являются холинергическими, остальные – ГАМК-ергическими или глутаматергическими. Обычно утверждается, что холинергические рецепторы не реагируют достаточно быстро, чтобы участвовать в генерации тета-волн, и, следовательно, центральную роль должны играть ГАМК-ергические и/или глутаматергические сигналы (Ujfalussy and Kiss, 2006). Важной исследовательской задачей является обнаружение "пейсмекера" тета-ритма, то есть механизма, определяющего частоту колебаний. Ответ пока не полностью ясен, но есть данные, свидетельствующие о том, что тета-ритмы типа 1 и типа 2 зависят от разных пейсмекеров. Для тета-ритма типа 2, супрамлечное ядро гипоталамуса, по-видимому, осуществляет контроль (Kirk, 1998). Для тета-ритма типа 1 картина все еще неясна, но наиболее распространенная гипотеза предполагает, что частота определяется петлей обратной связи, включающей область медиальной перегородки и гиппокамп (Wang, 2002). Несколько типов гиппокампальных и энторинальных нейронов способны генерировать колебания мембранного потенциала с тета-частотой при стимуляции. Как правило, это натрий-зависимые колебания мембранного потенциала при напряжениях, близких к потенциалу действия (Alonso & Llinás, 1989). В частности, представляется, что в нейронах CA1 и зубчатой извилины эти колебания являются результатом взаимодействия дендритного возбуждения посредством постоянного натриевого тока (INaP) с перисоматическим торможением (Buzsáki, 2002).

Numerous studies have shown that the medial septal area plays a central role in generating hippocampal theta (Stewart & Fox, 1990). Lesioning the medial septal area, or inactivating it with drugs, eliminates both type 1 and type 2 theta. Under certain conditions, theta like oscillations can be induced in hippocampal or entorhinal cells in the absence of septal input, but this does not occur in intact, undrugged adult rats. The critical septal region includes the medial septal nucleus and the vertical limb of the diagonal band of Broca. The lateral septal nucleus, a major recipient of hippocampal output, probably does not play an essential role in generating theta. The medial septal area projects to a large number of brain regions that show theta modulation, including all parts of the hippocampus as well as the entorhinal cortex, perirhinal cortex, retrosplenial cortex, medial mamillary and supramammillary nuclei of the hypothalamus, anterior nuclei of the thalamus, amygdala, inferior colliculus, and several brainstem nuclei (Buzsáki, 2002). Some of the projections from the medial septal area are cholinergic; the rest are GABAergic or glutamatergic. It is commonly argued that cholinergic receptors do not respond rapidly enough to be involved in generating theta waves, and therefore that GABAergic and/or glutamatergic signals (Ujfalussy and Kiss, 2006) must play the central role. A major research problem has been to discover the "pacemaker" for the theta rhythm, that is, the mechanism that determines the oscillation frequency. The answer is not yet entirely clear, but there is some evidence that type 1 and type 2 theta depend on different pacemakers. For type 2 theta, the supramammillary nucleus of the hypothalamus appears to exert control (Kirk, 1998). For type 1 theta, the picture is still unclear, but the most widely accepted hypothesis proposes that the frequency is determined by a feedback loop involving the medial septal area and hippocampus (Wang, 2002). Several types of hippocampal and entorhinal neurons are capable of generating theta frequency membrane potential oscillations when stimulated. Typically these are sodium dependent voltage sensitive oscillations in membrane potential at near action potential voltages (Alonso & Llinás, 1989). Specifically, it appears that in neurons of the CA1 and dentate gyrus, these oscillations result from an interplay of dendritic excitation via a persistent sodium current (INaP) with perisomatic inhibition (Buzsáki, 2002).

Генераторы

Как правило, сигналы ЭЭГ генерируются синхронизированным синаптическим входом в дендриты нейронов, расположенных в слое. Гиппокамп содержит несколько слоев очень плотно упакованных нейронов – зубчатую гирусу и слои CA3/CA1/субикулума – и поэтому обладает потенциалом для генерации сильных сигналов ЭЭГ. Основная теория ЭЭГ утверждает, что когда слой нейронов генерирует сигнал ЭЭГ, сигнал всегда испытывает фазовый сдвиг на каком-то уровне. Таким образом, тета-волны, зарегистрированные с точек выше и ниже генерирующего слоя, имеют противоположные знаки. Существуют и другие осложнения: слои гиппокампа сильно изогнуты, и тета-модулированные входные сигналы поступают к ним по нескольким путям с различными фазовыми соотношениями. В результате всех этих факторов фаза и амплитуда тета-колебаний изменяются очень сложным образом в зависимости от положения внутри гиппокампа. Однако самые большие тета-волны обычно регистрируются вблизи щели, разделяющей молекулярный слой CA1 и молекулярный слой зубчатой гирусы. У крыс амплитуда этих сигналов часто превышает 1 милливольт. Тета-волны, зарегистрированные над гиппокампом, меньше и имеют обратную полярность по отношению к сигналам из щели. Самые сильные тета-волны генерируются слоем CA1, и наиболее значимый вход, управляющий ими, поступает из энторинальной коры по прямому пути EC→CA1. Другой важный фактор – проекция CA3→CA1, которая сдвинута по фазе относительно энторинального входа, что приводит к постепенному сдвигу фазы в зависимости от глубины в CA1 (Brankack и др., 1993 г.). Зубчатая гируса также генерирует тета-волны, которые трудно отделить от волн CA1 из-за их значительно меньшей амплитуды, но есть данные, свидетельствующие о том, что тета-волны зубчатой гирусы обычно сдвинуты по фазе примерно на 90 градусов относительно тета-волн CA1. Прямые проекции из септальной области к интернейронам гиппокампа также участвуют в генерации тета-волн, но их влияние намного меньше, чем влияние энторинальных входов (которые, впрочем, сами контролируются септумом).

As a rule, EEG signals are generated by synchronized synaptic input to the dendrites of neurons arranged in a layer. The hippocampus contains multiple layers of very densely packed neurons—the dentate gyrus and the CA3/CA1/subicular layer—and therefore has the potential to generate strong EEG signals. Basic EEG theory says that when a layer of neurons generates an EEG signal, the signal always phase reverses at some level. Thus, theta waves recorded from sites above and below a generating layer have opposite signs. There are other complications as well: the hippocampal layers are strongly curved, and theta modulated inputs impinge on them from multiple pathways, with varying phase relationships. The outcome of all these factors is that the phase and amplitude of theta oscillations change in a very complex way as a function of position within the hippocampus. The largest theta waves, however, are generally recorded from the vicinity of the fissure that separates the CA1 molecular layer from the dentate gyrus molecular layer. In rats, these signals frequently exceed 1 millivolt in amplitude. Theta waves recorded from above the hippocampus are smaller, and polarity reversed with respect to the fissure signals. The strongest theta waves are generated by the CA1 layer, and the most significant input driving them comes from the entorhinal cortex, via the direct EC→CA1 pathway. Another important driving force comes from the CA3→CA1 projection, which is out of phase with the entorhinal input, leading to a gradual phase shift as a function of depth within CA1 (Brankack, et al. 1993). The dentate gyrus also generates theta waves, which are difficult to separate from the CA1 waves because they are considerably smaller in amplitude, but there is some evidence that dentate gyrus theta is usually about 90 degrees out of phase from CA1 theta. Direct projections from the septal area to hippocampal interneurons also play a role in generating theta waves, but their influence is much smaller than that of the entorhinal inputs (which are, however, themselves controlled by the septum).

Результаты исследований

Активность тета-частоты, возникающая в гиппокампе, проявляется при выполнении некоторых задач кратковременной памяти (Vertes, 2005). Исследования показывают, что эти ритмы отражают состояние "включенности" гиппокампа, его готовность к обработке поступающих сигналов (Buzsáki, 2002). Напротив, тета-колебания коррелируют с различными произвольными поведениями (исследование, пространственная навигация и т.д.) и состояниями возбуждения (например, "гусиная кожа") у крыс (Vanderwolf, 1969), что позволяет предположить, что они могут отражать интеграцию сенсорной информации и моторной активности (для обзора см. Bland & Oddie, 2001). Значительное количество данных свидетельствует о вероятной роли тета-ритма в пространственном обучении и навигации (Buzsáki, 2005). Тета-ритмы особенно выражены в гиппокампе грызунов и энторинальной коре во время обучения и воспроизведения памяти и считаются важными для индукции долговременной потенциации – потенциального клеточного механизма обучения и памяти. Фазовая прецессия вдоль тета-волны в гиппокампе позволяет нейронным сигналам, представляющим ожидаемые события или события из недавнего прошлого, располагаться рядом с сигналами, отражающими текущие события, в пределах одного тета-цикла и повторяться на протяжении нескольких тета-циклов. Считается, что этот механизм позволяет долговременной потенциации (LTP) усиливать связи между нейронами гиппокампа, представляющими последовательные элементы последовательности памяти. Действительно, было предложено, что стимуляция с тета-частотой является оптимальной для индукции гиппокампальной ЛТП. Основываясь на данных электрофизиологических исследований, показывающих, что как синаптическая пластичность, так и сила входящих сигналов в область CA1 гиппокампа систематически меняются в соответствии с текущими тета-колебаниями (Hyman et al., 2003; Brankack et al., 1993), было предположено, что тета-ритм выполняет функцию разделения периодов кодирования текущих сенсорных стимулов и извлечения эпизодической памяти, вызванной текущими стимулами, чтобы избежать интерференции, которая возникла бы при одновременном кодировании и извлечении.

Theta frequency activity arising from the hippocampus is manifested during some short term memory tasks (Vertes, 2005). Studies suggest that these rhythms reflect the "on line" state of the hippocampus; one of readiness to process incoming signals (Buzsáki, 2002). Conversely, theta oscillations have been correlated to various voluntary behaviors (exploration, spatial navigation, etc.) and alert states (goose bumps, etc.) in rats (Vanderwolf, 1969), suggesting that it may reflect the integration of sensory information with motor output (for review, see Bland & Oddie, 2001). A large body of evidence indicates that theta rhythm is likely involved in spatial learning and navigation (Buzsáki, 2005). Theta rhythms are very strong in rodent hippocampi and entorhinal cortex during learning and memory retrieval, and are believed to be vital to the induction of long term potentiation, a potential cellular mechanism of learning and memory. Phase precession along the theta wave in the hippocampus permits neural signals representing events that are only expected or those from the recent past to be placed next to the actually ongoing ones along a single theta cycle, and to be repeated over several theta cycles. This mechanism is supposed to allow long term potentiation (LTP) to reinforce the connections between neurons of the hippocampus representing subsequent elements of a memory sequence. Indeed, it has been suggested that stimulation at the theta frequency is optimal for the induction of hippocampal LTP. Based on evidence from electrophysiological studies showing that both synaptic plasticity and strength of inputs to hippocampal region CA1 vary systematically with ongoing theta oscillations (Hyman et al., 2003; Brankack et al., 1993), it has been suggested that the theta rhythm functions to separate periods of encoding of current sensory stimuli and retrieval of episodic memory cued by current stimuli so as to avoid interference that would occur if encoding and retrieval were simultaneous.

Люди и другие приматы

У нечеловеческих животных сигналы ЭЭГ обычно регистрируются с помощью электродов, имплантированных в мозг; большинство исследований тета-ритмов проводились с использованием электродов, имплантированных в гиппокамп. У людей, поскольку инвазивные исследования неэтичны, за исключением отдельных случаев у неврологических пациентов, наибольшее количество исследований ЭЭГ было проведено с использованием электродов, прикрепленных к коже головы. Сигналы, регистрируемые электродами на коже головы, относительно слабы и рассеянны и возникают почти исключительно из коры головного мозга, поскольку гиппокамп слишком мал и слишком глубоко расположен, чтобы генерировать различимые сигналы ЭЭГ, регистрируемые с поверхности головы. Записи ЭЭГ человека демонстрируют четкую тета-ритмичность в определенных ситуациях, однако из-за технических сложностей было трудно установить, связаны ли эти сигналы с тета-сигналами гиппокампа, регистрируемыми у других видов. В отличие от ситуации у крыс, где длительные периоды тета-колебаний легко наблюдаются с помощью электродов, имплантированных в нескольких точках, тета-ритм трудно выявить у приматов, даже при наличии внутрикорковых электродов. Грин и Ардуини (1954) в своем пионерском исследовании тета-ритмов сообщили лишь о кратковременных всплесках нерегулярной теты у обезьян. Другие исследователи сообщали о сходных результатах, хотя Стюарт и Фокс (1991) описали четкий тета-ритм с частотой 7–9 Гц в гиппокампе макак и белок, анестезированных уретаном, напоминающий тета-ритм 2 типа, наблюдаемый у крыс, анестезированных уретаном. Большая часть доступной информации о тета-ритме гиппокампа человека получена из нескольких небольших исследований эпилептических пациентов с внутричерепно имплантированными электродами, используемыми в рамках плана лечения. В крупнейшем и наиболее систематическом из этих исследований Cantero et al. (2003) обнаружили, что колебания в диапазоне частот 4–7 Гц могут быть зарегистрированы как в гиппокампе, так и в неокортексе. Гиппокамповые колебания были связаны с фазой быстрого сна и переходом от сна к бодрствованию и проявлялись в виде кратковременных всплесков, обычно продолжительностью менее секунды. Кортикальные тета-колебания наблюдались во время перехода от сна и в состоянии спокойного бодрствования; однако авторам не удалось выявить корреляции между гиппокампальными и кортикальными тета-волнами и они заключили, что эти два процесса, вероятно, контролируются независимыми механизмами. Исследования показали связь гипноза с усилением активности тета-частоты, а также с изменениями в гамма-частотной активности (Jensen et al., 2015). Кроме того, увеличение тета-волн наблюдалось у людей во время медитации "без мыслей".

In non human animals, EEG signals are usually recorded using electrodes implanted in the brain; the majority of theta studies have involved electrodes implanted in the hippocampus. In humans, because invasive studies are not ethically permissible except in some neurological patients, the largest number of EEG studies have been conducted using electrodes glued to the scalp. The signals picked up by scalp electrodes are comparatively small and diffuse and arise almost entirely from the cerebral cortex for the hippocampus is too small and too deeply buried to generate recognizable scalp EEG signals. Human EEG recordings show clear theta rhythmicity in some situations, but because of the technical difficulties, it has been difficult to tell whether these signals have any relationship with the hippocampal theta signals recorded from other species. In contrast to the situation in rats, where long periods of theta oscillations are easily observed using electrodes implanted at many sites, theta has been difficult to pin down in primates, even when intracortical electrodes have been available. Green and Arduini (1954), in their pioneering study of theta rhythms, reported only brief bursts of irregular theta in monkeys. Other investigators have reported similar results, although Stewart and Fox (1991) described a clear 7–9 Hz theta rhythm in the hippocampus of urethane anesthetized macaques and squirrel monkeys, resembling the type 2 theta observed in urethane anesthetized rats. Most of the available information on human hippocampal theta comes from a few small studies of epileptic patients with intracranially implanted electrodes used as part of a treatment plan. In the largest and most systematic of these studies, Cantero et al. (2003) found that oscillations in the 4–7 Hz frequency range could be recorded from both the hippocampus and neocortex. The hippocampal oscillations were associated with REM sleep and the transition from sleep to waking, and came in brief bursts, usually less than a second long. Cortical theta oscillations were observed during the transition from sleep and during quiet wakefulness; however, the authors were unable to find any correlation between hippocampal and cortical theta waves, and concluded that the two processes are probably controlled by independent mechanisms. Studies have shown an association of hypnosis with stronger theta frequency activity as well as with changes to the gamma frequency activity (Jensen et al., 2015). Also, increased theta waves have been seen in humans in 'no thought' meditation.