5 th Lecture. Msc Bioinformatics and Neuroinformatics Brain signal recording and analysis

Transcript

1 5 th Lecture Msc Bioinformatics and Neuroinformatics Brain signal recording and analysis

2 Ανατομία Νευρώνων Η βασική μονάδα του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος είναι το νευρικό κύτταρο ή αλλιώς νευρώνας. Όλα τα κύτταρα του οργανισμού έχουν διαφορά δυναμικού στη μεμβράνη τους ωστόσο μόνο οι νευρώνες και τα μυϊκά κύτταρα είναι διεγέρσιμα, δηλαδή έχουν την ικανότητα να παράγουν ηλεκτρικό σήμα που μεταφέρεται κατά μήκος της μεμβράνης. Έτσι οι νευρώνες είναι κύτταρα ευερέθιστα στον ηλεκτρισμό τα οποία λειτουργούν για να επεξεργαστούν και να διαβιβάσουν τις πληροφορίες.

3 Ανατομία Νευρώνων O νευρώνας αποτελείται από τέσσερα κύρια μέρη : Το σώμα (cell body) με διάμετρο 10-80μm που συνιστά το κυρίως μέρος του νευρώνα Το νευράξονα (axon) που προχωρεί από το σώμα προς το περιφερικό νεύρο (έξοδος του νευρώνα) Τους δενδρίτες (dendrites), λεπτές προεκβολές του σώματος του νευρώνα (είσοδοι του νευρώνα) οι οποίοι σχηματίζουν δομές που διακλαδίζονται από το κυρίως σώμα του κυττάρου προς τα έξω. Τις απολήξεις του άξονα. Αυτές οι απολήξεις είναι υπεύθυνες για τη μεταβίβαση χημικών σημάτων από τους νευρώνες.

4

5 Βιοσήματα Σήμα είναι το σύνολο των τιμών που λαμβάνει μια φυσική ποσότητα όταν αυτή μεταβάλλεται με το χρόνο, το χώρο ή με κάποια άλλη ανεξάρτητη μεταβλητή ή μεταβλητές. Το σήμα μας προσφέρει πληροφορίες για την κατάσταση ή συμπεριφορά ενός συστήματος. Το σήμα είναι το αποτέλεσμα μέτρησης ενός φυσικού μεγέθους το οποίο μεταφέρει πληροφορία. Βιολογικά σήματα ή βιοσήματα είναι τα σήματα που χρησιμοποιούνται στον τομέα της βιοϊατρικής τεχνολογίας και προκύπτουν ως έξοδοι διεργασιών από βιολογικά συστήματα.

6 Βιοσήματα Τα σήματα αυτά δίνουν χρήσιμες πληροφορίες για την κατανόηση της λειτουργίας αλλά και των παθοφυσιολογικών μηχανισμών ενός φυσιολογικού συστήματος. Ως προς την φύση τους, τα σήματα αυτά μπορούν να χωριστούν σε Ηλεκτρικά Μηχανικά Χημικά

7 Ηλεκτρικά σήματα Τα ηλεκτρικά σήματα προκύπτουν από την ηλεκτρική δραστηριότητα νευρικών ή μυϊκών κυττάρων όπως η εκπόλωση μίας νευρικής ή μυϊκής μεμβράνης. Τα μηχανικά προκύπτουν από την μηχανική λειτουργία κυττάρων όπως είναι η πίεση του αίματος στο κυκλοφοριακό σύστημα Τα χημικά προκύπτουν από χημικές διεργασίες όπως είναι οι πιέσεις των αερίων αίματος PO2 και PCO2. Πέρα από αυτό, τα βιοσήματα μπορούν να διαχωριστούν σε συνεχή και διακριτά όταν η κυματομορφή είναι συνεχής ή διακριτή συνάρτηση του χρόνου.

8 Ηλεκτρικά σήματα Τα βιοσήματα χωρίζονται σε περιοδικά και μη περιοδικά σήματα. Ένα περιοδικό σήμα είναι της μορφής: x(t) = x(t+nt) όπου Τ η περίοδος του σήματος.

9 Συνήθη Βιοσήματα Το Ηλεκτρονευρογράφημα (ENG) Το Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) Το Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Το Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EΕG).

10 Ηλεκτρονευρογράφημα (ENG) Το Ηλεκτρονευρογράφημα (ENG) το οποίο αντιστοιχεί στα ηλεκτρικά σήματα που παρατηρούνται κατά την διάδοση του δυναμικού δράσης (action potential) κατά μήκος μίας νευρικής ίνας ως απόκριση σε κάποιο ερέθισμα. Χρησιμοποιείται κυρίως για την μέτρηση της ταχύτητας διάδοσης κατά μήκος της ίνας.

11 Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) Το Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) το οποίο καταγράφει το ηλεκτρικό δυναμικό ενός μυός όταν διεγείρεται για συστολή. Χρησιμοποιείται για την μελέτη της μυϊκής λειτουργίας και συναρμογής, για την εξακρίβωση του τρόπου εκτέλεσης κινήσεων των διαφόρων μερών του σώματος καθώς και για την μελέτη προκλητών παραμορφώσεων ή τη μεταβολή του όγκου μυών όπως το στομάχι.

12 Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Το Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) το οποίο αποτελεί καταγραφή των ηλεκτρικών δυναμικών που παράγονται από την λειτουργία της καρδιάς. Το ΗΚΓ μπορεί να καταγραφεί με την βοήθεια επιφανειακών ηλεκτροδίων που τοποθετούνται στο στήθος και στα άκρα. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση και την πρόληψη καρδιακών συμβάντων όπως είναι η ισχαιμία, το έμφραγμα κλπ.

13 Το Ηλεκτρογαστρογράφημα (EGG) Το Ηλεκτρογαστρογράφημα (EGG) το οποίο αντανακλά την ηλεκτρική δραστηριότητα του στομαχιού και περιέχει τα ρυθμικά κύματα αποπόλωσης και επαναπόλωσης των μυϊκών του κυττάρων.

14 Το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EΕG) Το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EΕG) και τα Προκλητά Δυναμικά (ERPs)

15 Διαδικασία καταγραφής βιολογικών σημάτων Η καταγραφή βιολογικών σημάτων είναι μία διαδικασία που χρειάζεται ιδιαίτερη ακρίβεια και προσοχή καθώς είναι πολύ σημαντική η αξιοπιστία των μετρήσεων. Σύστημα καταγραφής σήματος

16 Καταγραφή EEG Αρχικά το βιολογικό σήμα συλλέγεται από ειδικούς αισθητήρες ή ηλεκτρόδια όταν πρόκειται για ηλεκτρικά σήματα ή μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα μέσω ειδικών μετατροπέων (όπως π.χ. ο υπερηχητικός μετατροπέας όταν πρόκειται για υπερηχογράφημα). Το σύστημα συλλογής για την περίπτωση του ΗΕΓ ξεκινάει από τα ηλεκτρόδια τα οποία τοποθετούνται στο ανθρώπινο κεφάλι. Τα ηλεκτρόδια είναι ειδικοί αισθητήρες οι οποίοι μετατρέπουν το ρεύμα ιόντων στο εσωτερικό του κεφαλιού του εξεταζόμενου σε ρεύμα ηλεκτρονίων.

17 Καταγραφή EEG Το λαμβανόμενο ρεύμα, που αποτελεί και το αρχικό ηλεκτρικό σήμα για το σύστημα, προωθείται προς τα επόμενα στάδια επεξεργασίας. Στα σημεία στα οποία θα τοποθετηθούν τα ηλεκτρόδια, χρησιμοποιείται ειδικό υγρό που έχει τον ρόλο ηλεκτρολύτη. Το ηλεκτρόδιο λοιπόν έρχεται σε απ' ευθείας επαφή με τον υποκείμενο ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται. Έτσι είναι δυνατή η κίνηση ιόντων μέσω του «συνόρου» ηλεκτροδίου ηλεκτρολύτη μέχρι να επέλθει ισορροπία.

18 Καταγραφή EEG Η ισορροπία αυτή είναι συνάρτηση της ιοντικής συγκέντρωσης που υπάρχει στις δύο πλευρές του συνόρου. Δημιουργούνται τελικά δύο φορτισμένα στρώματα στις δύο πλευρές του συνόρου, ένα στη μεταλλική επιφάνεια και ένα πάνω στις υγρές ουσίες γύρω από το ηλεκτρόδιο, εμφανίζοντας έτσι μια διαφορά δυναμικού η οποία εμποδίζει τη συνέχιση της κίνησης των ιόντων, αλλά είναι ταυτοχρόνως ευαίσθητη στις μεταβολές των συγκεντρώσεων των ιόντων. Όταν μέσα στον εγκέφαλο υπάρξει σήμα, δηλαδή ροή ιόντων, αυτό θα προκαλέσει μεταβολή της ιοντικής συγκέντρωσης και αυτόματα μεταβολή της διαφοράς δυναμικού των στρωμάτων, άρα και ροή ηλεκτρονίων από την πλευρά του αγώγιμου ηλεκτροδίου.

19 Καταγραφή EEG Ο ενισχυτής διαφέρει από σύστημα σε σύστημα ανάλογα με το σήμα που χρειάζεται να ενισχυθεί. Ο ενισχυτής χρησιμοποιείται για να ενισχύσει το σήμα που ειδικά στην περίπτωση του ΗΕΓ είναι πολύ ασθενές. Το κάθε σήμα το οποίο ενισχύεται στο ΗΕΓ είναι η διαφορά μεταξύ των δυναμικών που ανά πάσα στιγμή παρουσιάζουν δύο ηλεκτρόδια μεταξύ τους. Το φίλτρο έχει ως στόχο να αφαιρέσει τον θόρυβο έτσι ώστε το σήμα να μην έχει παραμορφώσεις.

20 Καταγραφή EEG Μία τυπική περίπτωση θορύβου που θα πρέπει να αφαιρεθεί είναι ο θόρυβος λόγω παρεμβολών τροφοδοσίας που τις περισσότερες φορές είναι στα 50Hz. Αν δεν γίνει κάτι τέτοιο τότε είναι δυνατόν να αλλοιωθεί τελείως το σήμα αργότερα κατά την διαδικασία της δειγματοληψίας. Ένα τυπικό παράδειγμα φαίνεται στο σχήμα όπου φαίνεται ο θόρυβος στα 50 Hz και ο οποίος αναδιπλώνεται στα 30Hz αν γίνει δειγματοληψία στα 80Hz.

21

22 Καταγραφή EEG Μετά το φίλτρο, το σήμα οδηγείται στη διαδικασία ψηφιοποίησες και δειγματοληψίας του. Η δειγματοληψία έγκειται στην καταγραφή τιμών σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές. Αν αυτές οι χρονικές στιγμές είναι ισαπέχουσες πρόκειται για ομοιόμορφη δειγματοληψία. Έστω, λοιπόν, ένα συνεχές σήμα x(t) που είναι ορισμένο για κάθε χρονική στιγμή όπως φαίνεται στο σχήμα. Από το σήμα αυτό λαμβάνονται στιγμιαίες τιμές με βήμα Τ οπότε προκύπτει το σήμα x(n) το οποίο δίνεται από την σχέση: Τ η περίοδος δειγματοληψίας, και δ η συνάρτηση Dirac.

23

24 Καταγραφή EEG Προκειμένου να μην χαθεί πληροφορία και το συνεχές σήμα να μπορεί να ανακατασκευαστεί από το σήμα της δειγματοληψίας, θα πρέπει η δειγματοληψία να υπακούει στο θεώρημα του Shannon. Σύμφωνα με το θεώρημα αυτό η συχνότητα δειγματοληψίας πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση με την διπλάσια της μέγιστης συχνότητας του σήματος, δηλαδή Μετά από την διαδικασία αυτή το σήμα κβαντοποιείται και τότε από αναλογικό έχει μετατραπεί σε ψηφιακό οπότε είναι δυνατή η ψηφιακή επεξεργασία του μέσω Η/Υ.

25

26 Δυναμικά της μεμβράνης Τα ηλεκτρικά σήματα που άγονται μεταξύ των νευρώνων προκαλούνται από τη διαφορά δυναμικού που υπάρχει στην εξωτερική μεμβράνη αυτών των κυττάρων. Τα δυναμικά αυτά κατατάσσονται στις παρακάτω κατηγορίες τα βαθμωτά δυναμικά τα δυναμικά δράσης Τα βαθμωτά δυναμικά μεταφέρουν ερεθίσματα σε μικρές αποστάσεις. Πρόκειται για μικρές μεταβολές στο δυναμικό της μεμβράνης που περιορίζονται σε μια μικρή περιοχή αυτής και εξασθενούν μετά από 1-2mm από το σημείο διέγερσης. Τα δυναμικά δράσης αντίθετα μπορούν να μεταβάλλουν το δυναμικό της μεμβράνης μέχρι και κατά 100mV, από -70mV έως 40mV και μετά να επαναπολωθεί στο δυναμικό ηρεμίας. Η μεταβολή αυτή γίνεται σε πολύ μικρό χρόνο, κοντά στο 1ms, και μόνο οι νευρώνες και ορισμένα κύτταρα αδένων έχουν μεμβράνες ικανές να παράγουν δυναμικά δράσης.

27 Δυναμικό ηρεμίας Σε συνθήκες ηρεμίας όλα τα κύτταρα έχουν μια διαφορά δυναμικού κατά μήκος των μεμβρανών, με το εσωτερικό του κυττάρου αρνητικά φορτισμένο ως προς το εξωτερικό. Το δυναμικό αυτό λέγεται δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης κι εξαρτάται από τη διαφορά στη συγκέντρωση ιόντων μεταξύ ενδοκυττάριου κι εξωκυττάριου υγρού και από τη διαπερατότητα της μεμβράνης στα διάφορα ιόντα. Η τιμή του κυμαίνεται από δυναμικό -5mV έως 10mV, ανάλογα με τον τύπο του κυττάρου (για τους νευρώνες, η τιμή κυμαίνεται από κάποια εξωτερική διέγερση. Η δυνατότητα αυτή των κυττάρων έχει μεγάλη σημασία για τη λειτουργία τους.

28 Δυναμικό ηρεμίας Το δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης οφείλεται στο γεγονός ότι στο εσωτερικό του κυττάρου υπάρχει περίσσεια αρνητικών φορτίων (ιόντων), ενώ στο εξωτερικό, περίσσεια θετικών φορτίων. Η περίσσεια αρνητικών ιόντων στο εσωτερικό, έλκεται ηλεκτρικά από τα θετικά ιόντα στο εξωτερικό και αντιστρόφως. Με τον τρόπο αυτό, η περίσσεια των ιόντων συγκεντρώνεται σε ένα λεπτό φλοιό στην εσωτερική και εξωτερική επιφάνεια της μεμβράνης, ενώ ο κύριος όγκος του εξωκυττάριου υγρού παραμένει ηλεκτρικά ουδέτερος.

29 Δυναμικό ηρεμίας Η συγκέντρωση ιόντων Na+ και Cl- είναι υψηλότερη στο εξωκυττάριο υγρό ενός νευρικού κυττάρου, ενώ η συγκέντρωση ιόντων K+ είναι υψηλότερη στο ενδοκυττάριο υγρό. Η αντλία Na+- K+ μεταφέρει 3 ιόντα νατρίου έξω από το κύτταρο και 2 ιόντα καλίου μέσα στο κύτταρο. Η αντλία Na+-K+ ενισχύει το αποτέλεσμα της παρουσίας των ανιόντων στο εσωτερικό των κυττάρων. Τα ανιόντα αυτά δεν μπορούν, λόγω μεγέθους, να εγκαταλείψουν το κύτταρο, αλλά ελκύουν κατιόντα από το εξωτερικό περιβάλλον. Η πλασματική μεμβράνη δεν παρουσιάζει την ίδια διαπερατότητα στα κατιόντα.

30 Δυναμικό ηρεμίας Η πλασματική μεμβράνη ενός νευρώνα που βρίσκεται σε ηρεμία είναι κατά πολύ πιο διαπερατή στα K+ παρά σε οποιαδήποτε άλλα κατιόντα και το αποτέλεσα αυτής της προτίμησης της μεμβράνης προς τα ιόντα καλίου είναι να παρατηρείται ισχυρή έλξη των ιόντων αυτών προς το εσωτερικό των κυττάρων. Έτσι η συγκέντρωση των ιόντων καλίου στο εσωτερικό είναι κατά 30 φορές μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση των ιόντων αυτών στο εξωτερικό των κυττάρων. Το αποτέλεσμα είναι να γίνεται άνιση κατανομή αυτών των ιόντων και το εσωτερικό των κυττάρων να διαθέτει λιγότερα θετικά φορτία από το εξωτερικό των κυττάρων. Τυπική τιμή ενός δυναμικού ηρεμίας νευρώνα είναι -70mV.

31

32 Δυναμικό ηρεμίας Συνεπώς το δυναμικό ηρεμίας οφείλεται σε άνιση κατανομή ιόντων, η οποία διατηρείται από τη μεταβολική δραστηριότητα του κυττάρου, μέχρι κάποιο είδος αναταραχής να διαταράξει αυτή την ισορροπία. Η ισορροπία αυτή διαταράζεται από παροδικές μεταβολές στο δυναμικό της μεμβράνης που προκαλούν ηλεκτρικά σήματα και μπορούν να αλλάξουν την κατάσταση της μεμβράνης και τις λειτουργίες του κυττάρου. Ανάλογα με τα σήματα αυτά μια μεμβράνη μπορεί να χαρακτηριστεί ως αποπολωμένη ή υπερπολωμένη.

33 Δυναμικό ηρεμίας Αποπολωμένη ονομάζεται μια μεμβράνη που το δυναμικό της είναι λιγότερο αρνητικό (δηλαδή πλησιέστερα στο 0) από το δυναμικό ισορροπίας της. Η μεμβράνη ονομάζεται υπερπολωμένη όταν το δυναμικό της είναι περισσότερο αρνητικό από το δυναμικό ισορροπίας. Η διαδικασία κατά την οποία το δυναμικό ισορροπίας μιας μεμβράνης που έχει είτε αποπολωθεί είτε υπερπολωθεί επιστρέφει προς την τιμή ηρεμίας, ονομάζεται επαναπόλωση.

34 Βαθμωτά δυναμικά και δυναμικά δράσης Οι παροδικές μεταβολές στο δυναμικό της μεμβράνης προκαλούν ηλεκτρικά σήματα που μπορούν να αλλάξουν τις λειτουργίες του κυττάρου. Οι αλλαγές αυτές αποτελούν τον πιο σημαντικό τρόπο διαχείρισης και μεταφοράς ερεθισμάτων από τα νευρικά κύτταρα. Τα προαναφερθέντα ηλεκτρικά σήματα μπορούν να εμφανιστούν με δύο μορφές: τα βαθμωτά δυναμικά και τα δυναμικά δράσης.

35 Βαθμωτά δυναμικά Τα βαθμωτά δυναμικά μεταφέρουν ερεθίσματα σε μικρές αποστάσεις. Πρόκειται για μικρές μεταβολές στο δυναμικό της μεμβράνης που περιορίζονται σε μια μικρή περιοχή αυτής και εξασθενούν μετά από 1-2mm από το σημείο διέγερσης. Τα δυναμικά αυτά παράγονται συνήθως από κάποιο ερέθισμα είτε προς την κατεύθυνση της αποπόλωσης είτε προς την κατεύθυνση της υπερπόλωσης. Ονομάζονται βαθμωτά γιατί το εύρος της αλλαγής του δυναμικού μεταβάλλεται και σχετίζεται με το μέγεθος του ερεθίσματος.

36 Δυναμικά δράσης Τα δυναμικά δράσης παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές ως προς τα βαθμωτά δυναμικά. Είναι ταχείες μεταβολές του δυναμικού της μεμβράνης, οι οποίες μπορεί να διαρκέσουν μόνο 1ms, κατά τη διάρκεια του οποίου όμως, το δυναμικό της μεμβράνης μπορεί να μεταβληθεί μέχρι και κατά 100mV, από 70mV έως και - 40mV και μετά να επαναπολωθεί στην τιμή του δυναμικού ηρεμίας. Μόνο οι νευρώνες, οι μύες και ορισμένα κύτταρα των αδένων, έχουν μεμβράνες και η ικανότητά τους να παράγουν δυναμικά δράσης χρησιμοποιείται από το νευρικό σύστημα για επικοινωνία σε μεγάλες αποστάσεις.

37 Δυναμικό δράσης Αφότου δημιουργηθεί ένα συγκεκριμένο δυναμικό δράσης δε διαδίδεται από μόνο του κατά μήκος της μεμβράνης. Αντίθετα, κάθε ενεργό δυναμικό ενεργοποιεί, μέσω δημιουργίας ενός τοπικού ρεύματος, ένα άλλο σε γειτονική περιοχή της μεμβράνης. Το νέο ενεργό δυναμικό είναι θεωρητικά ταυτόσημο με αυτό που προξένησε και παράγει τοπικά ρεύματα από μόνο του, τα οποία αποπολώνουν την περιοχή γύρω από αυτό και δημιουργούν ένα ακόμα ενεργό δυναμικό στη γειτονική περιοχή και αυτό συνεχίζεται κατά μήκος της μεμβράνης και το δυναμικό δράσης που φτάνει στο άκρο της μεμβράνης είναι σε ίδιο σχήμα με το αρχικό. Τα δυναμικά δράσης δεν εξασθενούν κατά τη διάδοση, όπως τα βαθμωτά δυναμικά.

38 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία Το σύνολο των ηλεκτροχημικών επιδράσεων από νευρώνα σε νευρώνα αθροιζόμενο για όλες τις περιοχές του εγκεφάλου, μέσα από ένα δίκτυο ανεξερεύνητης ακόμη πολυπλοκότητας, δημιουργεί αυτό που ονομάζουμε εγκεφαλική λειτουργία, της οποίας μόνο μερικώς μπορούμε να ανιχνεύσουμε και να μελετήσουμε τις διάφορες διαδικασίες και εκδηλώσεις. Ένα από τα εργαλεία για τη μελέτη αυτή αποτελεί η Ηλεκτροεγκεφαλογραφία.

39 Συναπτική αλληλεπίδραση Η συναπτική αλληλεπίδραση σε μια περιοχή του εγκεφάλου ισοδυναμεί με την ενεργοποίηση μιας κύριας πηγής ρεύματος, η οποία προέρχεται από κίνηση (είσοδο ή έξοδο) ιόντων διαμέσου μεμβρανικών διαύλων στις συνάψεις. Η κίνηση αυτή των ιόντων στις συνάψεις προκαλεί αντίστοιχη μετακίνηση ιόντων μέσα στους εμπλεκόμενους νευρώνες η οποία έχει ως αποτέλεσμα την παθητική εμφάνιση χωρικών ρευμάτων στον περιβάλλοντα του νευρώνα χώρο. Η κίνηση των ιόντων στον εσωτερικό και η επαγόμενη κίνηση στον εξωτερικό του νευρώνα χώρο, συμπληρώνουν ένα βρόχο ιοντικής ροής, εξασφαλίζοντας έτσι πως δεν υπάρχει σε κανένα σημείο συσσώρευση φορτίου, με αποτέλεσμα, τοπικά, η μέση πυκνότητα φορτίου να είναι μηδενική

40 Το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο Το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο που παράγονται από το κύριο και το επαγόμενο χωρικό ρεύμα μαζί, μπορούν να καταγραφούν με τις μη επεμβατικές μεθόδους της Ηλεκτροεγκεφαλογραφίας και της Μαγνητοεγκεφαλογραφίας, Τα αποτελέσματα της καταγραφής αποτελούν το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ) και το Μαγνητοεγκεφαλογράφημα (ΜΕΓ).

41 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία και Μαγνητοεγκεφαλογραφία Η Ηλεκτροεγκεφαλογραφία και Μαγνητοεγκεφαλογραφία είναι δυο μη παρεμβατικές μέθοδοι οι οποίες μελετούν το παραγόμενο ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο αντίστοιχα. Η καταγραφή των πεδίων αυτών αποτελούν το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) και Μαγνητοεγκεφαλογράφημα (MEG) αντίστοιχα. Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που καταγράφεται εξωτερικά με τις μεθόδους αυτές προέρχεται από τη συνολική εγκεφαλική λειτουργία, δηλαδή των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων από νευρώνα σε νευρώνα, αθροιζόμενο για όλες τις περιοχές του εγκεφάλου.

42 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία Η τεχνική του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος χρησιμοποιείται για κλινικό έλεγχο τόσο σε υγιή όσο και σε κλινικά υποκείμενα. Η λειτουργία του στηρίζεται στην καταγραφή της διαφοράς δυναμικού που προκαλείται από τους προσυναπτικούς δενδρίτες, μέσω ηλεκτροδίων, τοποθετημένων στην επιφάνεια του κρανίου. Τα ηλεκτρόδια αυτά μετατρέπουν το ρεύμα ιόντων που ρέει μέσα στους νευρώνες σε ρεύμα ηλεκτρονίων μέσα σε κυκλώματα.

43 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία Τα δυναμικά αυτά είναι πολύ ασθενή (της τάξης περίπου mv), με αποτέλεσμα η δυνατότητα καταγραφής τους να καθίσταται δυσκολότερη αφού μπορούν να καταγράφονται ταυτόχρονα και εξωτερικά ηλεκτρικά ή μυϊκά σήματα. Το σήμα μπορεί να αλλοιωθεί και η δυνατότητα εντοπισμού της λειτουργίας να μειωθεί ή να παρερμηνευτεί. Μια πιο πρόσφατη ηλεκτροφυσιολογική τεχνική για την καταγραφή του μαγνητικού πεδίου που συνοδεύει την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου είναι το Μαγνητοεγκεφαλογράφημα (MEG).

44 Μαγνητικό πεδίο Το μαγνητικό πεδίο καταγράφεται στο MEG μέσω μιας ειδικής συσκευής που ονομάζεται συσκευή μετάδοσης κβαντικής παρεμβολής (SQUID). Το SQUID είναι μια σφαιρική κάσκα η οποία αποτελείται από αισθητήρες και τοποθετείται μερικά cm μακριά από το κεφάλι. Η λειτουργία της στηρίζεται στη μετατροπή των μικρών μεταβολών της μαγνητικής ροής των εφαπτομενικών συνιστωσών του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου σε ηλεκτρικές διαφορές δυναμικού. Το μαγνητικό πεδίο είναι εξαιρετικά ασθενές, της τάξεως περίπου Tesla, είναι περίπου 109 φορές ασθενέστερο από το μαγνητικό πεδίο της γης και συνεπώς η αποφυγή οποιουδήποτε θορύβου είναι ιδιαίτερα σημαντική.

45 Πηγές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου Ενας νευρώνας ενεργοποιείται από την κίνηση ιόντων στους δενδρίτες και στον άξονα. Το ρεύμα ιόντων που διαρρέεται μέσα στους δενδρίτες θεωρείται η κύρια πηγή του μετρούμενου εξωτερικά ηλεκτρικού δυναμικού και μαγνητικού πεδίου ενώ η επαγόμενη ροή των ιόντων που δημιουργείται στον εξωκυττάριο χώρο θεωρείται χωρικό ρεύμα αγωγιμότητας. Ειδικά, το ενδοκυττάριο σκέλος του ρεύματος αποτελεί την κύρια πηγή του Μαγνητοεγκεφαλογραφήματος και το εξωκυττάριο του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος.

46 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία και Μαγνητοεγκεφαλογραφία Παρά τους περιορισμούς τους, τόσο η Ηλεκτροεγκεφαλογραφία όσο και η Μαγνητοεγκεφαλογραφία είναι δύο μέθοδοι υψίστης σημασίας για την κατανόηση της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου και κατ επέκταση τη διάγνωση και θεραπεία διάφορων εγκεφαλικών παθήσεων. Η χρήση της Ηλεκτροεγκεφαλογραφίας στον κλάδο της Νευρολογίας είναι ευρύτατη, καθώς αποτελεί μια μη επεμβατικη, φθηνή και απλή στην εφαρμογή της μέθοδο. Από τη μελέτη της Ηλεκτροεγκεφαλογραφίας μπορούν να εξαχθούν εξαιρετικά και χρήσιμα συμπεράσματα για τη σωστή εξέλιξη του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος του ανθρώπου αλλά και στοιχεία υποβοήθησης της διάγνωσης και πρόγνωσης εγκεφαλοπαθειών και επιληψίας.

47 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία και Μαγνητοεγκεφαλογραφία Πλεονεκτήματά των μεθόδων αυτών αποτελούν η μη επεμβατικότητα, η κοινή προέλευση των σημάτων τους από την ίδια συγχρονισμένη νευρωνική δραστηριότητα εντός του εγκεφάλου και η δυνατότητά τους να παρακολουθούν τις ταχύτατες μεταβολές της ηλεκτρικής δραστηριότητας στο φλοιό, καθώς η χρονική ανάλυσή τους είναι της τάξης χιλιοστών του δευτερολέπτου. Τα δεδομένα των δύο μεθόδων λειτουργούν συμπληρωματικά, στη σύνθεση της εικόνας της εγκεφαλικής λειτουργίας καθώς, το EEG παρέχει μεγαλύτερη χωρική ακρίβεια για πηγές κοντά στην επιφάνεια του κρανίου, ενώ οι καταγραφές ενός MEG οφείλονται κυρίως σε πηγές που ανήκουν στον μακροσκοπικά ομογενή ενδοκρανιακό χώρο.

48 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία και Μαγνητοεγκεφαλογραφία Τα ηλεκτρικά δυναμικά, που μετρώνται στην επιφάνεια του κρανίου, επηρεάζονται σημαντικά από την ανομοιογένεια που δημιουργούν οι στοιβάδες διαφορετικής αγωγιμότητας στο εσωτερικό του κρανίου, με αποτέλεσμα οι μετρήσεις να οδηγούν, σε ακριβή προσδιορισμό κυρίως επιφανειακών πηγών. Αντίθετα, η συνεισφορά των επιφανειακών ρευμάτων στις στοιβάδες αυτές, στο εξωτερικά μετρούμενο μαγνητικό πεδίο, είναι τόσο μικρή ώστε δε λαμβάνεται υπ όψη στην ερμηνεία των δεδομένων του MEG, με αποτέλεσμα το MEG να οδηγεί σε ακριβή προσδιορισμό και όταν η πηγή του πεδίου είναι σε περισσότερο βάθος στο εσωτερικό του εγκεφάλου.

49 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία Η πρώτη καταγραφή του ηλεκτρικού πεδίου του ανθρώπινου εγκεφάλου έγινε από το Γερμανό ψυχίατρο H.Berger το 1924, ο οποίος έδωσε στην καταγραφή αυτή το όνομα Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ). Το ΗΕΓ στηρίζεται στην καταγραφή των διαφορών δυναμικού, οι οποίες παρουσιάζονται σε σημεία της εξωτερικής δερματικής επιφάνειας του ανθρώπινου κεφαλιού. Τα δυναμικά τα οποία μετράμε μεταξύ δύο ηλεκτροδίων στην εξωτερική δερματική επιφάνεια του κεφαλιού, οφείλονται σε ρεύματα ιόντων, διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης των νευρώνων που συμμετέχουν στην εκάστοτε εγκεφαλική διεργασία.

50 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία Τα ρεύματα αυτά διαχέονται στην περιοχή από τα σημεία δημιουργίας τους έως την εξωτερική δερματική επιφάνεια, διότι ο εγκεφαλικός ιστός, οι μήνιγγες, το κρανίο και το δέρμα, άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα. Η παρεμβολή μεταξύ του ηλεκτροδίου και του εγκεφάλου ενός στρώματος πάχους 2-3 cm (δέρμα, κρανίο, σκληρά μήνιγγα) εξασθενεί το σήμα κατά 10 τουλάχιστον φορές.

51 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία Είναι απαραιτητη η ενίσχυση των σημάτων αυτών (για καλύτερη απεικόνιση) καθώς και της πυκνότερης κάλυψης του κεφαλιού με απαγωγά ηλεκτρόδια (για μεγαλύτερη ακρίβεια και εποπτεία της εγκεφαλικής λειτουργίας). Η ενίσχυση και η καταγραφή αυτών των κυμάτων, που αντιπροσωπεύουν ένα άθροισμα ταυτόχρονων ηλεκτρικών αλλαγών πολλών εγκεφαλικών κυττάρων, αποτελεί το «Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα» (ΗΕΓ).

52 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία Το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, επιγραμματικά, περιλαμβάνει Τη λήψη του βιοδυναμικού, με επιφανειακά ηλεκτρόδια Επεξεργασία του σήματος του ΗΕΓ, δηλαδή μετατροπή, ενίσχυση και φιλτράρισμα (0,1-100 Hz) Καταγραφή του σήματος του ΗΕΓ, δηλαδή απεικόνιση σε οθόνη και αποθήκευση σε κάποιο μέσο (δίσκο, ταινία, χαρτί) Ανάλυση του σήματος που λαμβάνουμε από τον ηλεκτροεγκεφαλογράφο, με οπτική ή υπολογιστική ανάλυση καταγεγραμμένου ΗΕΓ.

53 Ηλεκτροεγκεφαλογραφία Το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα χρησιμοποιείται για διάγνωση και ειδικότερα Βοηθά στην ανίχνευση και στον εντοπισμό εγκεφαλικών αλλοιώσεων (ασυμμετρίες, ανωμαλίες στον ΗΕΓ) Βοηθά στη μελέτη της επιληψίας Βοηθά στη διάγνωση νοητικών διαταραχών Βοηθά στη μελέτη των διαφόρων προτύπων ύπνου Επιτρέπει την παρατήρηση και ανάλυση του εγκεφάλου σε αισθητηριακά ερεθίσματα.

54 Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Το ΗΕΓ είναι το άθροισμα πεδιακών δυνάμεων ενός πολύ μεγάλου αριθμού διπόλων, που δημιουργούνται από τα ρεύματα που διαρρέουν τα νευρικά κύτταρα του εγκεφάλου. Η επικρατέστερη άποψη υποστηρίζει ότι τα ηλεκτρικά σήματα που μετράμε είναι αποτέλεσμα της ηλεκτρικής δραστηριότητας των πυραμοειδών νευρικών κυττάρων και αυτό διότι είναι πιο κοντά στον φλοιό.

55 Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Η καταγραφή του ΗΕΓ γίνεται με ηλεκτρόδια που τοποθετούνται σε αποστάσεις τάξεων μεγέθους μεγαλύτερες των διαστάσεων των νευρώνων. Άνιχνεύουν συνιστάμενες ηλεκτρικές δραστηριότητες ενός μεγάλου πλήθους νευρώνων, που αποτελούν ηλεκτρικά δίπολα. Αυτό προϋποθέτει ομοιόμορφο προσανατολισμό πολλών τέτοιων κυττάρων, ώστε τα ισοδύναμα ηλεκτρικά δίπολα που θα δημιουργηθούν να δίνουν μετρήσιμα ηλεκτρικά πεδία. Τα πυραμοειδή κύτταρα του φλοιού και μάλιστα εκείνα του γαγγλιονικού στρώματος, είναι τα μόνα που και ομοιόμορφα προσανατολισμένα και έχουν μεγάλους δενδίτες, ώστε να σχηματίζουν ενεργά ηλεκτρικά δίπολα.

56 Διακυμάνσεις του δυναμικού της μεμβράνης Τα περισσότερα από τα νευρικά κύτταρα έχουν πολλούς δενδρίτες και δέχονται πληροφορίες από πολλά άλλα νευρικά κύτταρα (για παράδειγμα το κύτταρο Purkinje της παρεγκεφαλίδας δέχεται περίπου συνάψεις). Όλες οι πληροφορίες στο νευρικό σύστημα μεταδίδονται µε διακυμάνσεις του δυναμικού της μεμβράνης του νευρικού κυττάρου. Οι διακυμάνσεις αυτές μπορεί να είναι δυναμικά ενεργείας ή συναπτικά δυναμικά.

57 Διακυμάνσεις δυναμικού της μεμβράνης και ΗΕΓ Σε κατάσταση ηρεμίας το δυναμικό της μεμβράνης του νευρικού κυττάρου είναι -40 έως -90 mv. Όταν το αρνητικό φορτίο στο εσωτερικό του νευρικού κυττάρου αυξάνεται τότε μιλάμε για υπερπόλωση, ενώ όταν ελαττώνεται για εκπόλωση. Οι νευρώνες επικοινωνούν μεταξύ τους µε την δημιουργία δυναμικών ενεργείας που μεταδίδονται κατά μήκος του νευράξονα

58 Ιστορική Αναδρομή Το 1791 ο Galvani δημοσίευσε την ιδέα ότι τα «νεύρα» περιέχουν μία εγγενή μορφή ηλεκτρισμού. Το 1848 ο Du Bois - Reymond ανακάλυψε ότι η δραστηριότητα των περιφερειακών νεύρων συνοδευόταν από μετρήσιμες μεταβολές του ηλεκτρικού δυναμικού. Αυτό έδωσε ώθηση στην επιστημονική κοινότητα να ερευνήσει για μεταβολές της ηλεκτρικής δραστηριότητας οι οποίες θα οφείλονταν στο νευρικό σύστημα και θα ήταν ενδεικτικές της λειτουργίας του. Το 1875, ο Richard Caton ( ), ένας φυσικός ο οποίος έκανε πρακτική στο Liverpool, παρουσίασε τα ευρήματά του για τα ηλεκτρικά φαινόμενα που παρουσιάζονται στα εκτεθειμένα εγκεφαλικά ημισφαίρια των κουνελιών και των μαϊμούδων στο British Medical Journal.

59 Ιστορική Αναδρομή Το 1890, ο Πολωνός φυσιολόγος Adolf Beck, δημοσίευσε μία μελέτη για την ηλεκτρική εγκεφαλική δραστηριότητα των λαγών και των σκυλιών η οποία περιείχε ρυθμική ταλάντωση μεταβαλλόμενη ανάλογα με το φως. Ο Beck ξεκίνησε πειράματα για την ηλεκτρική εγκεφαλική δραστηριότητα των ζώων τοποθετώντας τα ηλεκτρόδια κατευθείαν στην επιφάνεια του εγκεφάλου τους για να δοκιμάσει την αισθητήρια διέγερση. Οι παρατηρήσεις του για την κυμαινόμενη εγκεφαλική δραστηριότητα οδήγησε σε σημαντικά συμπεράσματα για τα εγκεφαλικά κύματα.

60 Ιστορική Αναδρομή Το 1912, ο Ρώσος φυσιολόγος Vladimir Vladimirovich Pravdich-Neminsky, δημοσίευσε το πρώτο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) ζώου και το προκλητό δυναμικό (evoked potential) του. Ο Γερμανός φυσιολόγος και ψυχίατρος Hans Berger κατέγραψε το πρώτο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα το Ο Berger στηρίχθηκε πάνω στα ευρήματα του Richard Canton σε ζώα και ήταν εκείνος που εφηύρε τον ηλεκτροεγκεφαλογράφο.

61 Ιστορική Αναδρομή Το 1935, οι Gibbs, Davis και Lennox περιέγραψαν τις κυματομορφές με έντονες κορυφές και τους τρεις κύκλους των επιληπτικών κρίσεων, που στη συνέχεια αποτέλεσαν την αρχή του κλάδου του κλινικού ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος. Την επόμενη χρονιά οι Gibbs και Jasper παρατήρησαν έντονες κορυφές στις κυματομορφές ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος γεγονός που αποτέλεσε χαρακτηριστικό διάγνωσης της επιληψίας. Ο Franklin Offner ( ) καθηγητής στο Norwestern University ανέπτυξε ένα καινοτόμο είδος EEG στο οποίο υπήρχε ενσωματωμένη μια πιεζοηλεκτρική πένα που ονομάστηκε Crystograph.

62 Ιστορική Αναδρομή Το 1947, ιδρύθηκε το αμερικανική κοινότητα EEG και διοργανώθηκε το πρώτο Διεθνές Συνέδριο EEG. Το 1953 οι Aserinsky και Kleitman περιέγραψαν το πέμπτο στάδιο του ύπνου, γνωστό ως REM. Μέσα στη δεκαετία του 1950, ο William Grey Walter ανέπτυξε μία προσθήκη του EEG ονομαζόμενη EEG topography, η οποία επέτρεπε την χαρτογράφηση της ηλεκτρικής δραστηριότητας πάνω στην επιφάνεια του εγκεφάλου. Αυτό οδήγησε σε ένα σύντομο διάστημα δημοσιότητας και στη δεκαετία του 1980 φαινόταν ιδιαίτερα υποσχόμενο για τη Φυσιατρική. Δεν έγινε ποτέ αποδεκτό από τους νευρολόγους και παραμένει κυρίως ερευνητικό εργαλείο.

63 Ιστορική Αναδρομή Η συσκευή του ηλεκτροεγκεφαλογράφου χαρακτηρίστηκε ως μια από τις πιο σημαντικές και αξιοσημείωτες ανακαλύψεις στην ιστορία της κλινικής νευρολογίας.

64 Ηλεκτρόδια Το πρώτο στάδιο στην εξαγωγή των σημάτων του ΗΕΓ αποτελούν τα ηλεκτρόδια, οι αισθητήρες του συστήματος, οι οποίοι μετατρέπουν το ρεύμα ιόντων μέσα στο ανθρώπινο σώμα σε ρεύμα ηλεκτρονίων μέσα στα καλώδια, τα οποία μετά οδηγούν αυτό το ρεύμα σε επόμενα στάδια επεξεργασίας. Η επαφή τους με το δέρμα γίνεται μέσω μιας κολλώδους ουσίας και μέσω ενός μικρού δακτυλιδιού, που από τη μια μεριά προσκολλάται στο δέρμα και από την άλλη στο κυρίως ηλεκτρόδιο..

65

66 Ηλεκτροδία Στα σημεία στα οποία θα τοποθετηθούν τα ηλεκτρόδια, το δέρμα πρέπει να καθαριστεί καλά με οινόπνευμα για να επιτύχουμε χαμηλή αντίσταση επαφής, μέχρι και 5kΩ. Το ηλεκτρόδιο λοιπόν έρχεται σε απ ευθείας επαφή με τον υποκείμενο ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται. Όταν μέσα στον εγκέφαλο υπάρξει σήμα, δηλαδή ροή ιόντων, αυτό θα προκαλέσει μεταβολή της ιοντικής συγκέντρωσης και αυτόματα μεταβολή της διαφοράς δυναμικού των στρωμάτων, άρα και ροή ηλεκτρονίων από την πλευρά του αγώγιμου ηλεκτροδίου.

67

68 Ηλεκτρόδια Τα ηλεκτρόδια του ΗΕΓ μετατρέπουν το ρεύμα ιόντων των εγκεφαλικών ιστών σε ηλεκτρικό ρεύμα που οδηγείται στους προενισχυτές του συστήματος ΗΕΓ. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους καθορίζονται από το είδος του μετάλλου που χρησιμοποιείται. Ο τύπος που χρησιμοποιείται πιο συχνά, είναι αυτά του αργύρου και χλωριούχου αργύρου. (Ag AgCl). Είναι επαναχρησιμοποιούμενα επιφανειακά ηλεκτρόδια (δίσκοι ή κύπελλα) που τοποθετούνται στο κεφάλι με μια αγώγιμη κρέμα παρόμοιας σύστασης με τα σωματικά υγρά (ηλεκτρολύτες).

69

70 Τοποθέτηση ηλεκτροδίων Το πλάτος, η φάση και η συχνότητα του σήματος του ΗΕΓ εξαρτώνται από την τοποθέτηση των ηλεκτροδίων. Η τοποθέτηση αυτή βασίζεται στις μετωπικές, πλευρικές, κροταφικές και ινιακές περιοχές. Το πιο διαδεδομένο σύστημα τοποθέτησης είναι το που καθιερώθηκε από τη διεθνή ομοσπονδία των ενώσεων ΗΕΓ.

71 Σύστημα τοποθέτησης ηλεκτρόδιων Οι θέσεις τοποθέτησής τους είναι τυποποιημένες βάσει του διεθνούς συστήματος γνωστούς ως ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση ανάμεσα σε δύο διαφορετικές καταγραφές. Η ονομασία του συστήματος οφείλεται στην επιλογή του 20% της αποστάσεως μεταξύ των δύο αυτιών ως την απόσταση ανάμεσα σε δύο οποιαδήποτε ηλεκτρόδια και επίσης στην επιλογή του 10% της αποστάσεως μεταξύ των δύο αυτιών ως την απόσταση από το αυτί στο κοντινότερο προς αυτό ηλεκτρόδιων. Οι θέσεις των ηλεκτροδίων προσαρμόζονται ανάλογα με τις διαστάσεις του κρανίου του εξεταζόμενου. Σπανιότατα, τα ηλεκτρόδια εισάγονται μέσα στο κρανίο (ενδοκρανιακά ηλεκτρόδια) έπειτα από κρανιοανάρτηση.

72 Διεθνές σύστημα τοποθέτησης ηλεκτροδίων 10-20

73 A = Ear lobe, C = central, Pg = nasopharyngeal, P = parietal, F = frontal, Fp = frontal polar, O = occipital.

74

75 A = Ear lobe, C = central, Pg = nasopharyngeal, P = parietal, F = frontal, Fp = frontal polar, O = occipital.

76 Ηλεκτρόδια αναφοράς Τα ηλεκτρόδια (Α1 ή Α2) που τοποθετούνται στους λοβούς ή πίσω από το αυτί είναι τα ηλεκτρόδια αναφοράς, υπολογίζονται ως η διαφορά δυναμικού μεταξύ του σημείου αυτού και των λοβών, οι οποίοι εξαιτίας του γεγονότος ότι διαπερνιούνται από μικρό αριθμό νεύρων και έχουν χαμηλή αιμάτωση, εμφανίζουν ιδιαίτερα σταθερό και χαμηλό δυναμικό.

77 Τοποθέτηση ηλεκτροδίων Η ευρεία χρησιμοποίηση του συστήματος ή αλλιώς διάταξη κατά Jaspers, οφείλεται στο γεγονός ότι προσαρμόζεται σε διάφορες επεκτάσεις του μοντέλου αυτού, όπως το μοντέλο 10-5 στις οποίες παρεμβάλλονται ηλεκτρόδια ανάμεσα στις θέσεις του συστήματος Οι προεκτάσεις αυτές γίνονται με σκοπό να αυξηθεί ο αριθμός των παρεχόμενων καναλιών. Το μοντέλο που έχει γίνει αποδεκτό και έχει τεκμηριωθεί από την Αμερικανική Ηλεκτροεγκεφαλογραφική Κοινότητα (American Electroencephalographic Society) είναι το 10-10, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα. Το μοντέλο 10-5 αν και είναι πολλά υποσχόμενο, βρίσκεται ακόμα σε πειραματικά στάδια.

78 Συστήματα τοποθέτησης ηλεκτροδίων Εκτός όμως από το Διεθνές σύστημα υπάρχουν και άλλα συστήματα τοποθέτησης ηλεκτροδίων που προορίζονται κυρίως για εξειδικευμένες εφαρμογές Χαρακτηριστικά μπορούµε να παραθέσουμε μερικές εναλλακτικές τοποθετήσεις ηλεκτροδίων. Ένα ακόμη σύστημα τοποθέτησης ηλεκτροδίων που χρησιμοποιείται ειδικά για την μελέτη της επιληψίας είναι το BESA 32-Ch-Arrengamentτο οποίο έχει εισαχθεί από τους καθηγητές Scherg και Heidelberg.

79 Σύστηµα Besa 32-ch-Arrangement

80 Συστήματα τοποθέτησης ηλεκτροδίων Ένα άλλο σύστημα τοποθέτησης των ηλεκτροδίων είναι το Left- TemporoParietal/Right-Temporo-Parietal Electrode Placement (LTP-RTP) (ή αλλιώς Wernicke-Left/Wernicke-Right-Electrode Placement (WL/WR) 29- Channel Arrangement το οποίο χρησιμοποιείται για εφαρμογές που έχουν να κάνουν µε τη μελέτη της γλώσσας.

81 Σύστηµα (WL/WR) 29-Channel Arrangement

82 Kombi-Montage

83 Τεχνικές καταγραφής Για την καταγραφή ενός ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος υπάρχουν δύο τεχνικές καταγραφής που εφαρμόζονται, η μονοπολική και η διπολική που αναλύονται στη συνέχεια. Και στις δύο αυτές τεχνικές ο μισός αριθμός των καναλιών (ενισχυτών) συνδέεται σε ηλεκτρόδια της μιας πλευράς του κεφαλιού και ο άλλος μισός στα αντίστοιχα ηλεκτρόδια της άλλης πλευράς. Κατ' αυτόν τον τρόπο είναι δυνατόν η ηλεκτρική δραστηριότητα των ομόλογων περιοχών του εγκεφάλου να συγκριθεί πολύ εύκολα.

84 Τεχνικές καταγραφής Κατά τη διάρκεια της καταγραφής είναι δυνατό να υπάρξουν δραστηριότητες εξωγενούς ή και ενδογενούς προέλευσης, που μπορεί να προκαλέσουν ακόμη και διαγνωστικά λάθη, λόγω παραμόρφωσης της καταγραφόμενης κυματομορφής. Τα φαινόμενα αυτά μπορεί να οφείλονται είτε σε εξωτερικά αίτια (παράσιτα, κακές επαφές) είτε σε φυσιολογικά αίτια (καρδιακή λειτουργία, ιδρώτας, κίνηση του στόματος).

85 Τεχνικές καταγραφής Για τη σωστή λειτουργία κάθε συσκευής μέτρησης βιοσημάτων, ειδικά για την περίπτωση του ΗΕΓ όπου τα μετρούμενα σήματα είναι της τάξεως των μv, η γείωση όλων των τμημάτων του συστήματος θα πρέπει να είναι κοινή. Σε σύγχρονα συστήματα πολλές φορές οι λειτουργίες της αναλογικοψηφιακής μετατροπής και μέτρησης εκτελούνται από ειδικές κάρτες ανάκτησης σήματος (Data Acquisition) εγκατεστημένες στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, σε συνδυασμό με το αντίστοιχο λογισμικό ελέγχου της κάρτας και ψηφιακής επεξεργασίας του σήματος.

86 Ρυθμική δραστηριότητα του εγκεφάλου Η μελέτη του ΗΕΓ βασίζεται στη διάκριση, στις καταγραφές δυναμικού ως συνάρτηση του χρόνου, της ύπαρξης ή μη συγκεκριμένων κυματομορφών, των λεγόμενων ρυθμών, κύριο χαρακτηριστικό των οποίων είναι οι συχνότητες των αρμονικών από τις οποίες αποτελούνται, δηλ. το φασματικό τους περιεχόμενο. Καθώς η τεχνολογία επιτρέπει ακριβέστερη διερεύνηση των σημάτων, οι κατηγορίες καθορίζονται σαφέστερα.

87 Εγκεφαλικά κύματα Στην νευροεπιστήμη, υπάρχουν πέντε διαφορετικές συχνότητες εγκεφαλικών κυμάτων, δηλαδή οι Beta, οι Alpha, οι Theta, οι Delta και οι λιγότερο γνωστές Gamma. Η διάκριση μεταξύ τους γίνεται με βάση το τμήμα του φάσματος συχνοτήτων στο οποίο αυτοί εμφανίζονται, χωρίς όμως να υπάρχει απόλυτη συμφωνία για τα όρια και το εύρος κάθε περιοχής. Κάθε συχνότητα, μετράται σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο (Hz), έχει το δικό του σύνολο των χαρακτηριστικών της, αντιπροσωπεύει ένα συγκεκριμένο επίπεδο της δραστηριότητας του εγκεφάλου και ως εκ τούτου μια μοναδική κατάσταση της συνείδησης.

88 Εγκεφαλικοί Ρυθμοί Η μελέτη του ΗΕΓ βασίζεται στη διάκριση, στις καταγραφές δυναμικού ως συνάρτηση του χρόνου, της ύπαρξης ή μη συγκεκριμένων κυματομορφών, των λεγόμενων ρυθμών, κύριο χαρακτηριστικό των οποίων είναι οι συχνότητες των αρμονικών από τις οποίες αποτελούνται, δηλ. το φασματικό τους περιεχόμενο. Η κατηγοριοποίηση με βάση τη συχνότητα είναι προσεγγιστική.

89 Οι κυριότεροι ρυθμοί και τα συνήθη πλάτη

90 Συχνότητες Το εύρος των συχνοτήτων που περιέχεται σε ένα ΗΕΓ εκτείνεται από 0,1 Ηz μέχρι 100 Ηz. Οι συχνότητες αυτές οι οποίες χωρίζονται σε ομάδες, ονομάζονται ρυθμοί και είναι οι εξής: Συχνότητες <4Ηz (ρυθμός δέλτα) Συχνότητες από 4 μέχρι 8 Ηz (ρυθμός θήτα) Συχνότητες από 8 μέχρι 12 Ηz (ρυθμός άλφα) Συχνότητες από 12 μέχρι 30 Ηz (ρυθμός βήτα) Συχνότητες από 30 μέχρι 100 Ηz (ταχείς ρυθμοί)

91 Οι διαφορές των ρυθμών

92

93 Κύματα Δέλτα (0.5-4Hz) Τα εγκεφαλικά κύματα Δέλτα αφορούν το βαθύτερο επίπεδο του ύπνου χωρίς όνειρα, κατά το οποίο το σώμα ελαττώνει πολύ τις λειτουργίες του. Ο ρυθμός Δέλτα συσχετίζεται με τον ύπνο στον φυσιολογικό άνθρωπο και είναι επίσης κύριος ρυθμός στα νεογέννητα έως το δεύτερο έτος της ηλικίας Είναι παρούσα στον υπερβατικό διαλογισμό, κατά τον οποίο η συναίσθηση έχει πλήρως αποσπαστεί. Η συχνότητα Δέλτα είναι η πιο αργή

94 Κύματα Δέλτα Η κατάσταση αυτή βιώνεται στα βαθύτερα στάδια του ύπνου, μια κατάσταση χωρίς συνείδηση, χωρίς αισθήσεις ή συναισθήματα. Είναι η κατάσταση όπου γίνονται επανορθωτικές διαδικασίες και αναζωογόνηση του οργανισμού. Τα εγκεφαλικά κύματα Δέλτα συναντώνται συχνά σε κάποιον που βρίσκεται σε κώμα.

95

96 Κύματα Δέλτα Αναφέρεται σε μεγάλου πλάτους ( 75μV) και χαμηλής συχνότητας ( 4Hz) ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις, που φυσιολογικά καταγράφονται στους ενήλικες κατά τα στάδια ΙΙΙ και ΙV του ύπνου, ενώ σε κατάσταση εγρήγορσης, μόνο σε παιδιά ηλικίας κάτω των 13 ετών. Ο Δέλτα ρυθμός συνιστά ένα ποσοτικό κριτήριο για τη διάκριση μεταξύ των σταδίων του ύπνου. Η ύπαρξη Δέλτα ρυθμού για ένα ποσοστό της τάξης του 20% - 50% του συνολικού χρόνου, ορίζει το στάδιο ΙΙΙ, ενώ η ύπαρξη του δ-ρυθμού για περισσότερο από 50% του χρόνου, δείχνει πως βρισκόμαστε στο στάδιο ΙV. Οι κυτταρικοί μηχανισμοί που προκαλούν τη δημιουργία του φλοιικού Δέλτα ρυθμού παραμένουν άγνωστοι.

97 Κύματα Δέλτα Η θαλαμική δραστηριότητα μπορεί να προέρχεται από έντονα φλοιικά ερεθίσματα, ικανά να προκαλέσουν το συγχρονισμό ανεξάρτητων ταλαντευόμενων θαλαμικών κυττάρων. Ο ρυθμός Δέλτα αυτός δεν προέρχεται από το θάλαμο. Οι χαμηλής συχνότητας ηλεκτρικές ταλαντώσεις, που εκδηλώνονται κατά τα στάδια του ύπνου, φέρονται ως σημαντικά εμπλεκόμενες στο μηχανισμό σχηματισμού και εδραίωσης της μνήμης..

98 Κύματα Δέλτα Ο ρυθμός δέλτα περιλαμβάνει τις συχνότητες από 0.1-4Ηz και έχουν ύψος από µV. Η μορφολογία του δεν είναι συγκεκριμένη και ποικίλλει ανάλογα µε το ύψος του. Στον ευρισκόμενο σε εγρήγορση ενήλικα υποδηλώνει βαριά εγκεφαλική βλάβη. Ωστόσο κύματα δέλτα καταγράφονται στις οπίσθιες περιοχές σε ποσοστό που κυμαίνεται περί το 10% των υγιών ατόμων που διανύουν τη δεύτερη ή μερικές φορές την τρίτη δεκαετία της ζωής τους.

99 Κύματα Δέλτα Συνήθως τα βραδέα αυτά κύματα έχουν το ίδιο ύψος µε τα κύµατα άλφα, τα οποία ορισμένες φορές επικάθονται σ αυτά και αντιδρούν στη διάνοιξη των οφθαλμών µε μείωση του δυναμικού τους. Φυσιολογικά επίσης θεωρούνται τα κύματα δέλτα που καταγράφονται στα μικρά παιδιά στον ύπνο και κατά την υπέρπνοια. Στις περιπτώσεις αυτές εάν μεταξύ των δύο ημισφαιρίων παρατηρείται ασυμμετρία, είτε ως προς τη συχνότητα, είτε ως προς το ύψος, τα βραδέα αυτά κύματα θεωρούνται παθολογικά.

100 Κύματα Δέλτα Τα δέλτα κύματα βοηθάνε τους χρήστες να φτάσουν στην βαθύτερη κατάσταση κατά τη διάρκεια του διαλογισμού (αρχαία ινδική γιόγκα). Τα Δέλτα κύματα βοηθάνε στο διαλογισμό με πρακτικές στα βαθύτερα όρια της συνείδησης και για το λόγο αυτό είναι συχνά βάζουν το άτομο σε εξαιρετικά βαθύ ύπνο. Είναι πολύ σπάνιο να παραμείνει κάποιος συνειδητά ξύπνιος, όταν χρησιμοποιεί Δέλτα κύματα για να διαλογίζεται. Ειδικά για αυτόν τον λόγο, τα Δέλτα κύματα χρησιμοποιούνται συνήθως από έμπειρους διαλογιστές και όχι από αρχάριους.

101 Κύματα Theta (4 8 Hz) Προκαλείται από τη συγχρονισμένη πυροδότηση πολλών νευρώνων στην περιοχή του ιππόκαμπου. Παρατηρείται σε κάποια στάδια του ύπνου, (ελαφρύς ύπνος ή βαθιά χαλάρωση) στους ενήλικες, ενώ πιθανή είναι η εμφάνισή του σε περιπτώσεις εγκεφαλικών βλαβών και παθολογικών καταστάσεων (π.χ. επιληψία). Οι ταλαντώσεις θήτα σχετίζονται με τη διανοητική συγκέντρωση, τη μνήμη και διαδικασία της μάθησης Τα εγκεφαλικά κύματα θύτα είναι παρόντα κατά την διάρκεια του βαθύ διαλογισμού και του ελαφρύ ύπνου, συμπεριλαμβανομένης κατάστασης ονείρων REM. Τα κύματα Θήτα επίσης είναι μία πολύ δεκτική κατάσταση του νου και έχουν αποδειχθεί χρήσιμα στην υπνοθεραπεία καθώς και στην αυτο-ύπνωση.

102 Κύματα Theta Αποτελεί τη συνηθέστερη παθολογική ΗΕΓ δραστηριότητα. Στα παιδιά ηλικίας 5-6 ετών αποτελεί τη βασική ΗΕΓ δραστηριότητα και θεωρείται φυσιολογικός. Έχει ημιτονοειδή μορφολογία και το ύψος του κυμαίνεται από µV. Η εστιακή καταγραφή αιχμηρού ρυθμού θήτα σε ενήλικα είναι δυνατόν να αποτελεί εκδήλωση ερεθιστικής βλάβης η οποία μπορεί να οφείλεται σε οργανική βλάβη ή υποφλοιώδη επιληπτική εκφόρτιση.

103

104 Κύματα Theta Ο ρυθμός θήτα φαίνεται να συνδέεται με μηχανισμούς καταστολής, είτε στην είσοδο σε φάση χαλάρωσης, είτε σε συνδυασμό με τον β ρυθμό σε φάσεις αυξημένης προσοχής. Συνήθως αυτή η κατάσταση της συνείδησης, επιτυγχάνεται μόνο κατά την διάρκεια του ύπνου και όπως γνωρίζουμε όλοι, είναι συχνά δύσκολο να θυμόμαστε τα όνειρά μας όταν είμαστε ξύπνιοι. Όταν αυτό συμβαίνει, λαμβάνει χώρα στη δεξιά πλευρά του εγκεφάλου μας, με μία συμβολική, εικονική γλώσσα και όχι στη λογική, γραμμικά διαδοχική γλώσσα της αριστερής πλευράς του εγκεφάλου μας.

105 Κύματα Alpha ( Hz) Η εμφάνιση των ρυθμών έχει συνδυαστεί με διάφορα επίπεδα εγρήγορσης, χαλάρωσης, ύπνου κ.λπ. Για παράδειγμα, ο α ρυθμός εμφανίζεται σε περίπου 75% των ενηλίκων. Το κλείσιμο (αντίστοιχα άνοιγμα) των ματιών προκαλεί αύξηση (αντίστοιχα μείωση) του α ρυθμού. Αντίθετα, μείωση της δραστηριότητας α έχει συσχετισθεί με αισθητηριακό ερεθισμό ή πνευματική δραστηριότητα. Ο ρυθμός αυτός πήρε το όνομα α γιατί ήταν ο πρώτος ο οποίος μελετήθηκε, ήδη από τον Berger.

106 Κύματα Alpha Όταν κλείνουμε τα μάτια μας, το μυαλό μας αρχίζει να παράγει περισσότερο άλφα κύματα. Η Άλφα δραστηριότητα έχει συνδεθεί με την ικανότητα ανάκλησης μνήμης, τη μείωση δυσφορίας και πόνου, καθώς και τη μείωση του άγχους. Η συχνότητα κυμάτων Άλφα συνδυάζεται με μια πολύ χαλαρή και διαλογιστική κατάσταση του νου. Πολλές μελέτες παρακολούθησης της ηλεκτροεγκεφαλικής δραστηριότητας ατόμων έμπειρων στον διαλογισμό, έχουν αποκαλύψει μεγάλες αυξήσεις στην άλφα δραστηριότητα.

107

108 Κύματα Alpha Επιβράδυνση του ρυθμού άλφα μπορεί να οφείλεται σε λήψη φαρμάκων, κατάχρηση ουσιών ή σε ποικίλης αιτιολογίας εγκεφαλοπάθειες. Παρατηρείται ακόμη στα περισσότερα άτοκά της τρίτης ηλικίας. Αύξηση του ρυθμού άλφα από την άλλη, παρατηρείται στα άτομα µε υπερθυρεοειδισµό. Το ύψος του ρυθμού άλφα μπορεί να φτάσει μέχρι και τα 150µV. Συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 20-60µV.

109 Κύματα Alpha Η συχνότητα του ρυθμού άλφα στο διάγραμμα του ίδιου ατόμου δεν είναι πάντοτε σταθερή. Όταν όμως η διακύμανση της συχνότητας είναι μεγάλη και φθάνει ή ξεπερνάει το 1/10 της μέσης της τιμής, ο ρυθμός άλφα λέγεται ασταθής. Ανάμεσα στα δύο ημισφαίρια η συχνότητα του ρυθμού άλφα είναι περίπου ίδια. Αν παρατηρηθεί διαφορά μεγαλύτερη από 1Ηz μεταξύ τους, τότε είναι παθολογική. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η µη καταγραφή ή η περιορισμένη εμφάνιση του ρυθμού άλφα σε ένα διάγραμμα, δεν είναι κατ ανάγκην παθολογική.

110 Κύματα Alpha Τα κύματα άλφα προκαλούνται από τη συγχρονισμένη ηλεκτρική δραστηριότητα των κυττάρων του θαλάμου. Αναφέρονται και ως κύματα Berger, προς τιμήν του θεμελιωτή του ΗΕΓ. Ο α-ρυθμός εντοπίζεται κυρίως στον ινιακό λοβό ενώ είμαστε ξύπνιοι, σε κατάσταση χαλάρωσης και με τα μάτια κλειστά, αντιπροσωπεύοντας, κατά κάποιο τρόπο, τη δραστηριότητα του οπτικού φλοιού απουσία εξωτερικών ερεθισμάτων.

111 Κύματα Alpha Η εγκεφαλική δραστηριότητα που έχει παρατηρηθεί στην ίδια περιοχή συχνοτητων με τον α-ρυθμό αλλά εστιάζεται στο σωματοκινητικό φλοιό, αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως μ- ρυθμός. Ο μ-ρυθμός εξασθενεί όταν υπάρχει κίνηση (ή πρόθεση για κίνηση), σηματοδοτώντας έτσι τις περιόδους του σωματοκινητικού φλοιού.

112 Κύματα Beta (12 30 Hz) Ο β ρυθμός, ο δεύτερος ο οποίος μελετήθηκε, είναι ο κυρίαρχος ρυθμός που εμφανίζεται κατά τη φάση πλήρους εγρήγορσης ενός φυσιολογικού ατόμου Τα βήτα κύματα του εγκεφάλου σχετίζονται με την κατάσταση αυξημένης εγρήγορσης, της λογικής και της κριτικής σκέψης. Τα Βήτα κύματα μπορούν να βοηθήσουν στο να βρίσκεται ο εγκέφαλός τους σε υψηλή κατάσταση λειτουργίας.

113 Κύματα Beta Εμφανίζεται όταν είμαστε ξύπνιοι και σε κατάσταση φυσιολογικής εγρήγορσης. Στην κατάσταση πλήρους εγρήγορσης οι νευρώνες πυροδοτούν συνέχεια. Ο ρυθμός αυτός σχετίζεται με λειτουργίες όπως η νοητική συγκέντρωση και η σκέψη σε καταστάσεις άγχους. Η εμφάνιση του β-ρυθμού επηρεάζεται από παράγοντες όπως η χρήση φαρμάκων (ηρεμιστικών, υπνωτικών κλπ), ενώ τα βαρβιτουρικά είναι πιθανό να επιτείνουν την έκφρασή του..

114

115 Κύματα Beta Οι μελέτες που έχουν γίνει επάνω σε αυτό το θέμα δείχνουν ότι οι άνθρωποι με υψηλότερα Βήτα εγκεφαλικά κύματα στην περιοχή του εγκεφάλου, έχουν πραγματικά υψηλότερο I.Q. του από το μέσο όρο του πληθυσμού Στους περισσότερους ανθρώπους, η αύξηση των κυμάτων βήτα, προκαλεί έντονη δραστηριότητα. Όταν αυξάνονται τα κύματα βήτα η εστίαση ενός ατόμου, αυξάνονται και οι επιδόσεις του.

116

117 Κύματα Beta Πολλοί άνθρωποι στερούνται της επαρκούς δραστηριότητας Βήτα, κάτι το οποίο μπορεί να προκαλέσει διανοητικές ή συναισθηματικές διαταραχές όπως η κατάθλιψη, η διαταραχή έλλειψης προσοχής (ADD/ADHD) και η αϋπνία. H χαμηλή παραγωγή SMR (μία υπο-περιοχή των βήτα κυμάτων στα Hz) μπορεί να σχετίζεται με αϋπνία. H τόνωση της δραστηριότητας των Βήτα κυμάτων μπορεί να βελτιώσει τα επίπεδα προσοχής και συγκέντρωσης.

118

119 Κύματα Beta Ο ρυθμός βήτα συναντάται λίγο ως πολύ σε όλους τους ενήλικες και περισσότερο στις γυναίκες. Οι βήτα ρυθμοί συμβαίνουν σε άτομα που είναι σε εγρήγορση και έχουν την προσοχή τους στραμμένη σε εξωτερικά ερεθίσματα ή καταβάλλουν συγκεκριμένη πνευματική προσπάθεια. Επίσης συμβαίνουν και κατά τη διάρκεια βαθύ ύπνου και ύπνου REM, όταν δηλαδή τα µάτια παίζουν µπρος πίσω. Είναι συνήθως ρυθμικός και στους περισσότερους ανθρώπους το ύψος του είναι της τάξεως των 5-20µV.

120 Κύματα Gamma ( Hz) Το εύρος που ανακαλύφθηκε πιο πρόσφατα είναι το Γάμμα, το οποίο περιλαμβάνει τις πιο γρήγορες συχνότητες σε κλίμακα πάνω από 30 Hz Παρόλο που λίγα είναι γνωστά για αυτήν την νοητική κατάσταση, η βασική έρευνα δείχνει ότι τα κύματα Γάμμα σχετίζονται με ξεσπάσματα διορατικότητας και την υψηλού επιπέδου επεξεργασία πληροφοριών. Τα Gamma κύματα του εγκεφάλου είναι τα ταχύτερα εγκεφαλικών συχνότητα με το μικρότερο πλάτος.

121 Κύματα Gamma Οι ταλαντώσεις τύπου γ ( Hz) κυριαρχούν στον εγκέφαλο όταν αυτός βρίσκεται σε κατάσταση εγρήγορσης. Ωστόσο, έχει παρατηρηθεί η εμφάνισή τους ακόμα και σε φάσεις φυσιολογικού βαθύ και REM ύπνου. Η δραστηριότητα τύπου γ σχετίζεται με την εστιασμένη εγρήγορση, την κίνηση καθώς και στη σωματοαισθητική αντίληψη και πρόβλεψη.

122

123 Κύματα Gamma Οι συχνότητες Γάμμα σχετίζονται με τον σχηματισμό των ιδεών, γλώσσας και επεξεργασίας της μνήμης, και διάφορα είδη μαθήσεως. Τα κύματα γ σχετίζονται με τη συνείδηση (consciousness) μια λειτουργία που ακόμη δεν είναι κατανοητή και η οποία κεντρίζει το ενδιαφέρον πολλών επιστημόνων από πολλούς επιστημονικούς κλάδους..

124 Κύματα Gamma Τα κύματα Γάμμα είναι η κατάσταση στην οποία βρισκόμαστε όταν μαθαίνουμε κι επεξεργαζόμαστε πληροφορίες. Διεγείρουν την απελευθέρωση της βήτα-ενδορφίνης η οποία δημιουργεί απανωτά κύματα ευφορίας. Τα κύματα Γάμμα εμπλέκονται στην ανώτερη πνευματική δραστηριότητα, συμπεριλαμβανομένης της αντίληψης και της συνείδησης.

125 Κύματα Gamma Νευροεπιστήμονες πιστεύουν ότι όταν λειτουργούμε στα κύματα Γάμμα, ο εγκέφαλος είναι σε θέση να συνδέσει πληροφορίες από όλα τα μέρη του το κύμα γάμμα προέρχεται από το θάλαμο και κινείται από το πίσω μέρος του εγκεφάλου προς τα εμπρός και πίσω πάλι φορές- ανά δευτερόλεπτο και όχι μόνο αυτό, αλλά το σύνολο εγκεφάλου επηρεάζεται από το κύμα γάμμα. Χαμηλές ποσότητες της δραστηριότητας των εγκεφαλικών κυμάτων Γάμμα έχουν συνδεθεί με μαθησιακές δυσκολίες, κακή μνήμη και μειωμένη νοητική επεξεργασία.

126 Κύματα Gamma Tο 1964 χρησιμοποιώντας καταγραφές της ηλεκτρικής δραστηριότητας από ηλεκτρόδια που είχαν εμφυτευτεί στο οπτικό κέντρο πιθήκων που ήταν ξυπνητοί. Έρευνες έχουν δείξει ότι τα κύματα γ είναι συνεχώς παρόντα κατά τη διάρκεια της χαμηλής τάσεως γρήγορης νεοφλοιικής δραστηριότητας (low voltage fast neocortical activity (LVFA)), που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας του ξυπνήματος και κατά τη διάρκεια του ύπνου REM. Πρόσφατα πειράματα έχουν δείξει ότι τα κύματα γ είναι συνεχώς παρόντα σε αρουραίους κατά την διάρκεια της LVFA που εμφανίζεται στη διάρκεια της χειρουργικής αναισθησίας.

127 Άλλοι ρυθμοί Εκτός από τους 5 βασικούς ρυθμούς που παρατηρούμε σε ένα εγκεφαλογράφημα ένας ακόμη ρυθμός που παρατηρείται είναι ο ρυθμός µ (Μι) ο οποίος είναι ένα φυσιολογικό εύρημα και καταγράφεται από τα ηλεκτρόδια C3, C4 του Συστήματος τα οποία βρίσκονται στο κεντρικό τμήμα του κεφαλιού. Το όνομα του απορρέει από τη μορφή των κυμάτων, που μοιάζουν στο ελληνικό γράμμα µ (Μι) Το εύρος των συχνοτήτων του κυμαίνεται μεταξύ 7 και 11Hz. Ο ρυθμός αυτός είναι πιο ευδιάκριτος όταν ο ασθενής νυστάζει και όταν έχει ανοιχτά τα µάτια.

128 Άλλοι ρυθμοί Σε εγκεφαλογράφημα έχουν ανιχνευτεί κύματα τα οποία ονομάστηκαν (λ) Λάμδα τα οποία είναι συνήθως συμμετρικά και καταγράφονται από τα ινιακά ηλεκτρόδια. Μερικές φορές λόγω της μορφής τους μπορεί να θεωρηθούν δυναμικά επιληψίας. Εμφανίζονται όταν ο άνθρωπος του οποίου παρακολουθούμε την εγκεφαλική δραστηριότητα στρέφει την προσοχή του σε μια εικόνα µε ενδιαφέρον περιεχόμενο ή λεπτομέρειες

129

130 Τεχνικά σφάλματα (Artifacts) Τα ηλεκτρικά σήματα που ανιχνεύονται στην επιφάνεια του κρανίου από ένα ηλεκτροεγκεφαλογράφημα αλλά δεν προέρχονται από εγκεφαλική δραστηριότητα, ονομάζονται artifacts. Το πλάτος των κυμάτων που αντιπροσωπεύουν τα artifacts μπορεί να είναι αρκετά μεγάλο, σε σύγκριση με τα πλάτη των σημάτων του εγκεφαλικού φλοιού, που είναι χρήσιμα για τη μελέτη ενός ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο η εμπειρία μπορεί να αποδειχθεί σημαντική για τη σωστή ερμηνεία ενός ΗΕΓ σε κλινικό περιβάλλον.

131 Τεχνικά σφάλματα (Artifacts) Οι πιο κοινοί τύποι βιολογικών artifacts είναι: Artifacts που προκαλούνται από κινήσεις των ματιών Ηλεκτροκαρδιογραφικά (ΗΚΓ) artifacts Ηλεκτρομυογραφικά (ΗΜΓ) artifacts, που προκαλούνται από την ενεργοποίηση διαφόρων μυών του σώματος Γλωσσοκινητικά artifacts

132 Artifacts που προκαλούνται από κινήσεις ματιών Τα artifacts που οφείλονται στα μάτια προκαλούνται από τη διαφορά δυναμικού μεταξύ του αμφιβληστροειδούς χιτώνα και του κερατοειδούς χιτώνα. Αυτή η διαφορά δυναμικού είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τα εγκεφαλικά δυναμικά. Όταν το μάτι είναι τελείως ακίνητο, το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα δεν επηρεάζεται. Ωστόσο, η απόλυτη ακινησία είναι δεν είναι δυνατή για το ανθρώπινο μάτι, μιας και πάντα υπάρχει μια μικρή ή μεγάλη αντανακλαστική κίνηση, η οποία ανιχνεύεται από τα ηλεκτρόδια Fp1 και Fp2, που βρίσκονται ακριβώς πάνω από τα μάτια και καλύπτουν τους εμπρόσθιους εγκεφαλικούς λοβούς.

133 Artifacts που προκαλούνται από κινήσεις ματιών Ασυνείδητες κινήσεις των ματιών, γνωστές ως saccades, προκαλούνται από τους μύες των ματιών και συνεπώς συγκαταλέγονται στα ηλεκτρομυογραφικά δυναμικά. Τα δυναμικά αναμιγνύονται και καταγράφονται στο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα. Η αντανακλαστική κίνηση του βολβού του ματιού, που προκαλεί το χαρακτηριστικό artifact σε ένα ηλεκτροεγκεφαλογράφημα. Το συνειδητό ή αντανακλαστικό «πετάρισμα» των ματιών παράγει επίσης ηλεκτρομυογραφικά δυναμικά.

134 Ηλεκτροκαρδιογραφικά (ΗΚΓ) artifacts Τα ηλεκτροκαρδιογραφικά (ΗΚΓ) artifacts είναι αρκετά συνηθισμένα και μπορούν εύκολα να εκληφθούν από τον παρατηρητή ως spikes φυσιολογικής εγκεφαλικής δραστηριότητας. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο, στα κλινικά ηλεκτροεγκεφαλογραφήματα, χρησιμοποιείται πλέον και ένα κανάλι για ηλεκτροκαρδιογράφημα. Με αυτόν τον τρόπο, το ΗΕΓ μπορεί να ανιχνεύσει καρδιακές αρρυθμίες, γεγονός πολύ σημαντικό για τη διαφορική διάγνωση.

135 Τα γλωσσοκινητικά artifacts Τα γλωσσοκινητικά artifacts προκαλούνται από τη διαφορά δυναμικού μεταξύ της βάσης και της άκρης της γλώσσας. Οι παραμικρές κινήσεις της γλώσσας διαφοροποιούν την εμπέδηση του οργάνου αυτού, με συνέπεια να παράγονται δυναμικά, που δεν αποτελούν εγκεφαλική δραστηριότητα. Αυτό συμβαίνει ιδιαίτερα σε διαταραχές, όπως η νόσος του Parkinson.

136 Γενικά τεχνικά σφάλματα Εκτός από τα artifacts που παράγονται από το ίδιο το ανθρώπινο σώμα, πολλοί είναι οι εξωτερικοί παράγοντες που είναι ικανοί να επηρεάσουν ένα ΗΕΓ, εισάγοντας σε αυτό ανεπιθύμητα σήματα. Η κίνηση του αντικειμένου ή ακόμα και η παραμικρή μετακίνηση των ηλεκτροδίων, μπορούν να προκαλέσουν στιγμιαία μεταβολή της εμπέδησης ενός συγκεκριμένου ηλεκτροδίου. Η κακή γείωση των ηλεκτροδίων μπορεί να προκαλέσει σημαντικά artifacts στη συχνότητα του δικτύου.

137

138

139 Event Related Potentials ERP Τα ERP είναι οι διαφορές δυναμικού που καταγράφονται, συνήθως, στη δερματική επιφάνεια του εγκεφάλου, οι οποίες προκαλούνται ως προετοιμασία ή ως απόκριση σε συγκεκριμένο γεγονός, το οποίο συμβαίνει είτε στον εξωτερικό φυσικό κόσμο, είτε λαμβάνει χώρα ως ψυχολογική διαδικασία. Το πλάτος των προς μέτρηση δυναμικών είναι μικρό (0,1 ως 20 μv) σε σχέση με τα σήματα τα οποία μετρώνται κατά τη διάρκεια μιας κοινής ηλεκτροεγκεφαλογραφικής μέτρησης, τα οποία έχουν ένα μέσο όρο της τάξης των 50μV. Η μέτρηση των ERP γίνεται με την ίδια αρχική διάταξη που χρησιμοποιείται στον EEG

140 Event Related Potentials ERP Χωρίζονται σε: Evoked Potentials - EP όταν το ερέθισμα, το γεγονός, προέρχεται απ τον εξωτερικό κόσμο Emitted Potentials όταν σχετίζονται με μία ψυχολογική διαδικασία

141

142 ΗΕΓ στη Νευρολογία Η χρήση του ΗΕΓ στη Νευρολογία είναι ευρύτατη, καθώς αποτελεί μια μέθοδο φθηνή, ανώδυνη και απλή στην εφαρμογή της. Από τη μελέτη του ΗΕΓ μπορούν να εξαχθούν εξαιρετικά χρήσιμα συμπεράσματα για τη σωστή εξέλιξη του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος ενός ανθρώπου από τη γέννησή του έως την ενηλικίωση. Η εντόπιση ανωμαλιών στο καταγραφόμενο σήμα διευκολύνεται σήμερα πολύ με τη χρήση ψηφιακών τεχνικών επεξεργασίας.

143 ΗΕΓ στη Νευρολογία Το ΗΕΓ μπορεί να δώσει χρήσιμα στοιχεία σε μελέτες σχετικές με: Εγκεφαλοπαθειών (π.χ. νόσο Jacobs - Kreutzfeldt, Alzheimer) Κρανιοεγκεφαλικών κακώσεων Επιληψίας Υπνου Κώματος

144 Σημειολογία του ΗΕΓ Η ερμηνεία ενός ΗΕΓ βασίζεται σε ορισμένους κανόνες και κριτήρια. Το κυριότερο κριτήριο είναι η συχνότητα των δυναμικών που περιέχονται στο διάγραμμα. Όμως αν και υπάρχουν σαφή κριτήρια, ένα διάγραμμα μπορεί να ευρίσκεται στα όρια ανάμεσα στο φυσιολογικό και στο παθολογικό. Ως φυσιολογικό θεωρείται το ΗΕΓ ενήλικα που βρίσκεται σε εγρήγορση και δεν εμφανίζει οργανική ή λειτουργική διαταραχή του εγκεφάλου. Η οποιαδήποτε φύσεως ΗΕΓ δραστηριότητα, η οποία συνίσταται από μια σειρά ημιτονοειδών κυμάτων µε περίπου σταθερή συχνότητα μέσα στο φάσμα, ονομάζεται ρυθμική. Όταν η περίοδος δεν είναι σταθερή η ΗΕΓ δραστηριότητα ονομάζεται άρρυθμη.

145

146 Μη Φυσιολογικό ΗΕΓ Η ανάγνωση και ερμηνεία ενός ΗΕΓ είναι μια συστηματική και εμπειρική διαδικασία, ενώ πάντοτε στην ερμηνεία του ΗΕΓ πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ηλικία του εξεταζόμενου και η κατάσταση συνειδήσεως στην οποία βρίσκεται (αν είναι σε ύπνο, εγρήγορση, καταστολή κτλ.). Με την εμπειρία του ο ειδικός, μπορεί να αντιληφθεί την παρουσία παρασίτων από άλλες εκτός του εγκεφάλου πηγές. Ένα ΗΕΓ μπορεί να χαρακτηρισθεί ως φυσιολογικό, οριακό (όταν δεν αποκλίνει καθαρά από τα όρια του φυσιολογικού) και ανώμαλο. Ένα ΗΕΓ χαρακτηρίζεται ως ανώμαλο όταν απουσιάζουν οι φυσιολογικοί οι ρυθμοί, καθώς επίσης όταν στο διάγραμμα παρουσιάζονται εκτός των φυσιολογικών ρυθμών και µη φυσιολογικά στοιχεία ή ρυθμοί. Στην περιγραφή του µη φυσιολογικού ΗΕΓ, πρέπει να καθορίζονται και η έκταση που λαμβάνουν οι ΗΕΓ ανωμαλίες (δηλ. αν είναι τοπικές ή διάχυτες κτλ.).

147 Μη Φυσιολογικό ΗΕΓ ΗΕΓ Χαµηλού υναµικού θεωρείται αυτό του οποίου η δραστηριότητα συνίσταται από ένα µείγµα κυµατοµορφών που έχουν συχνότητα από 2 έως 30 Ηz και της οποίας το ύψος δεν ξεπερνά τα 20 µv. Σε κυτταρικό επίπεδο πιστεύεται ότι υποδεικνύει πως η ηλεκτρική δραστηριότητα βρίσκεται σε χαµηλό συγχρονισµό. Η ακραία περίπτωση είναι αυτή του ασθενούς σε κωµατώδη κατάσταση, του οποίου το ΗΕΓ δείχνει έκπτωση κάθε εγκεφαλικής δραστηριότητας. Επίσης µπορεί να υποδεικνύει απώλεια εγκεφαλικής ουσίας.

148

149 Επιληψία και ηλεκτροεγκεφαλογράφημα Μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές του ΗΕΓ είναι η διάγνωση της επιληψίας. Η επιληψία δεν είναι ασθένεια, είναι σύμπτωμα, όπως η υψηλή αρτηριακή πίεση, και την παρουσιάζει περίπου το 90% των ανθρώπων που πάσχει από Οζώδη σκλήρυνση (Ο.Σ). Είναι µία διαταραχή του νευρικού συστήματος που προκαλεί έντονη µη φυσιολογική ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου, η οποία μπορεί να προκαλέσει αιφνίδιες κρίσεις. Η επιληψία μπορεί να οφείλεται σε εγκεφαλική βλάβη, εγκεφαλικό όγκο ή μόλυνση, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις τα αίτια είναι άγνωστα. Στην επιληψία, συστοιχίες νευρικών κυττάρων ή νευρώνων του εγκεφάλου, εκπέμπουν σήματα τα οποία αποκλίνουν του φυσιολογικού.

150 Επιληψία και ηλεκτροεγκεφαλογράφημα Η φυσιολογική λειτουργία της νευρικής δραστηριότητας διαταράσσεται, προκαλώντας περίεργες αισθήσεις, συναισθήματα και συμπεριφορά, ή μερικές φορές συσπάσεις, μυϊκούς σπασμούς και απώλεια των αισθήσεων. Η επιληψία είναι µία διαταραχή µε πολλά πιθανά αίτια. Οτιδήποτε διαταράσσει την φυσιολογική εικόνα της εγκεφαλικής δραστηριότητας (από κάποια ασθένεια μέχρι εγκεφαλική βλάβη και µη φυσιολογική ανάπτυξη του εγκεφάλου) μπορεί να οδηγήσει σε κρίσεις. Επιληψία μπορεί να δημιουργηθεί ακόμα εξαιτίας ανωμαλιών και αστάθειας της χημικής ισορροπίας του εγκεφάλου και των νευροδιαβιβαστών. Το να εμφανίσει κανείς µία κρίση δεν σημαίνει ότι είναι απαραίτητα επιληπτικός. Μόνο ένα άτομο µε ιστορικό παραπάνω των δύο κρίσεων μπορεί να θεωρηθεί επιληπτικό

151

152 Στοιχεία ΗΕΓ ύπνου Κατά το πρώτο (νύστα) και κατά το δεύτερο (ύπνος) στάδιο του ύπνου εμφανίζονται εστιακές αιχμές καθώς και μυτερές εκφορτίσεις. Πιο συγκεκριμένα το πρώτο στάδιο του ύπνου χαρακτηρίζεται από καθυστερήσεις, και σχεδόν απόλυτη εξαφάνιση του ρυθμού άλφα Το δεύτερο στάδιο του ύπνου γίνεται αντιληπτό µε την εμφάνιση καλά ορισμένων, συγχρονισμένων κυµατοµορφών οι οποίες είναι ρυθμικές γύρω από τα Hz και εμφανίζουν μέγιστο δυναμικό στις κεντρικές περιοχές του εγκεφάλου. Το πλάτος τους είναι μεταβαλλόμενο

153 Μηχανισμοί Ύπνου Οι μηχανισμοί που ρυθμίζουν την εγρήγορση και τον ύπνο είναι τμήματα των διάχυτων νευροδιαβιβαστών συστημάτων. Κατά την εγρήγορση δραστηριοποιούνται οι αδρενεργικοί και σεροτονινεργικοί νευρώνες του στελέχους που προάγουν την εγρήγορση.

154