ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΜΕΘΟΔΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ ΚΑΙ ΥΠΟΣΥΝΕΙΔΗΤΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΜΕΘΟΔΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ ΚΑΙ ΥΠΟΣΥΝΕΙΔΗΤΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ ΚΟΡΙΝΗ Επιβλέπων : Νικόλαος Ουζούνογλου Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Μάιος 2012

2

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΜΕΘΟΔΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΕΓΚΑΦΑΛΟΥ ΚΑΙ ΥΠΟΣΥΝΕΙΔΗΤΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ ΚΟΡΙΝΗ Επιβλέπων : Νικόλαος Ουζούνογλου Καθηγητής ΕΜΠ Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την. Μαΐου 2012... Ν. Ουζούνογλου Καθηγητής ΕΜΠ... Κ. Νικήτα Καθηγήτρια ΕΜΠ... Γ.Ματσόπουλος Επ. Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Μάιος 2012 3

... Παναγιώτα Κορίνη Διπλωματούχος Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Εφαρμογών, Ε.Μ.Π. Copyright Παναγιώτα Κορίνη, 2009. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. 4

Περίληψη H προβολή υποσυνείδητων μηνυμάτων είναι η διαδικασία έκθεσης ερεθισμάτων κάτω από το κατώφλι της συνειδητοποίησης. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να επηρεαστούν οι σκέψεις, τα συναισθήματα και ενέργειες του ανθρώπου. Η υποσυνείδητη αντίληψη συμβαίνει όταν οι πληροφορίες αποθηκεύονται στο ανθρώπινο μυαλό, χωρίς ο δέκτης να έχει συνειδητά επίγνωση του προβλήματος. Οι πληροφορίες φτάνουν στο μυαλό, γιατί ενώ δεν είναι συνειδητά αντιληπτές, γίνονται αντιληπτές από το υποσυνείδητο κομμάτι του εγκεφάλου. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αποτίμηση των πιθανών διαφορών στις καταγραφές ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΕΕG) και προκλητών δυναμικών (ERPs) κατά την υποβολή ενός ατόμου σε οπτικά υποσυνείδητα ερεθίσματα σε σύγκριση με καταγραφές χωρίς ερέθισμα. Στην εργασία χρησιμοποιήθηκε ένα ερευνητικό πρωτόκολλο το οποίο εξετάζει το πώς επηρεάζουν τα υποσυνείδητα ερεθίσματα τη λήψη αποφάσεων και την εγκεφαλική λειτουργία. Στο πρώτο μέρος της εργασίας (κεφάλαια 1 και 2) γίνεται μια συνοπτική αναφορά στις κυριότερες μεθόδους απεικόνισης εγκεφάλου, όπως το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα και την λειτουργική απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού καθώς και στον συνδυασμό τους για πιο ικανοποιητικά αποτελέσματα. Το κεφάλαιο 3 αναφέρεται κυρίως σε θέματα σχετικά τα προκλητά δυναμικά, καθώς και την υποσυνείδητη αντίληψη. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται η πειραματική διαδικασία και η μετρητική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε καθώς και η παρουσίαση της επεξεργασίας των μετρήσεων μέσω του eeglab. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επεξεργασίας σε διαγράμματα προκλητών δυναμικών και φασματικής ισχύος καθώς επίσης και τα συμπεράσματα της εργασίας αυτής. Λέξεις Κλειδιά: Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG), λειτουργική απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (fmri), Εγκεφαλικά Προκλητά Δυναμικά(ERPs), EEGLAB, Υποσυνείδητη Αντίληψη. 5

Abstract The display of subliminal messages is the process of stimuli exposure below the threshold of awareness. Through this procedure the thoughts, feelings and actions of a human can be influenced. The subliminal perception occurs when information stored in the human mind without the receiver being consciously aware of it. The information reaching the brain is perceived by the subconscious part of the brain. The object of this diploma thesis is to assess the possible differences in electroencephalogram (EEG) and event - related potentials (ERPs) recordings during the presentation of visual subliminal stimuli compared to non subliminal conditions. A protocol that examines how subliminal stimuli influence the decision making and the cerebral operation is used. In the first part of the thesis (chapters 1 and 2) there is a brief review of the main brain imaging methods such as EEG and fmri as well as the combination of them. Chapter 3 reveals issues about event - related potentials and mostly about subliminal perception. In chapter 4, the experiment and the measuring devices used are described, and there is also a presentation of the analysis by using the eeglab. Finally, chapter 5 includes the results of analysis on event - related potential and spectral power graphs, as well as the conclusions of this work. Keywords: Electroencephalogram (EEG),functional Magnetic Resonance Imaging (fmri), Event related Potentials (ERPs), EEGLAB, Subliminal Perception. 6

Ευχαριστίες Ολοκληρώνοντας τις μεταπτυχιακές σπουδές μου με τη συγγραφή της παρούσας διπλωματικής, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υπεύθυνο καθηγητή της διπλωματικής μου, Καθηγητή κ. Νικόλαο Ουζούνογλου, για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον και με προοπτικές θέμα. Ευχαριστώ, επίσης, την Δρ. Ερευνήτρια ΕΠΙΣΕΥ/ΕΜΠ Ειρήνη Καρανάσιου για την βοήθεια και την επιστημονική της καθοδήγηση, καθώς και τη συνεχή υποστήριξη της και τις πολύτιμες συμβουλές που μου προσέφερε συνεχώς, όλο το χρονικό διάστημα εκπόνησης της διπλωματικής μου, χωρίς τις οποίες δε θα μπορούσα να ολοκληρώσω την παρούσα εργασία. 7

8

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ 1.1 Εισαγωγή.... 13 1.2 Οι κυριότερες μέθοδοι απεικόνισης...14 1.3 Φασματοσκοπία εγγύς Υπερύθρου (NIRS).......15 1.3.1 Θεωρία διάχυσης......15 1.3.2 Ο τροποποιημένος νόμος Beer-Lambert......17 1.4 Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΕΕG)....19 1.4.1 Ενίσχυση σήματος εγκεφαλογραφήματος.....21 1.4.2 Χαρακτηριστικά ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος...21 1.4.3 Προκλητά Δυναμικά (ERP)......24 1.4.4 Διαφορά μεταξύ EEG και ERPs. 27 Βιβλιογραφία... 29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΜΕΘΟΔΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ 2.1 Εισαγωγή......31 2.2 Συνδυασμός ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και Φασματοσκοπίας εγγύς υπερύθρου 32 2.3 Συνδυασμός απεικόνισης Φασματοσκοπίας εγγύς υπερύθρου και Μαγνητικού Συντονισμού........... 35 2.4 Συνδυασμός ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και Μαγνητικού Συντονισμού...40 2.5 Συνδυασμός άλλων μεθόδων.....41 2.6 Συνδυασμός λειτουργικής απεικόνισης εγκεφάλου και υποσυνείδητη αντίληψη 42 Βιβλιογραφία....46 9

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΥΠΟΣΥΝΕΙΔΗΤΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ 3.1 Εισαγωγή........55 3.2 Υποσυνείδητα ερεθίσματα.......59 3.2.1 Οπτικά υποσυνείδητα ερεθίσματα........59 3.2.2 Ακουστικά υποσυνείδητα ερεθίσματα..........60 3.3 Υποκειμενικό και αντικειμενικό κατώφλι..... 61 3.3.1 Υποκειμενικό κατώφλι...61 3.3.2 Αντικειμενικό κατώφλι. 61 3.4 Χρήση «μασκών»...62 3.5 Προβολή υποσυνείδητου ερεθίσματος...63 3.6 Χρονική διάρκεια υποσυνείδητων ερεθισμάτων....64 3.7 Επίδραση υποσυνειδήτων ερεθισμάτων στο νευρικό σύστημα.65 Βιβλιογραφία.... 66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 4.1 Περιγραφή πειραματικής διαδικασίας....67 4.2 Μετρητική διάταξη σύστημα καταγραφής ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος...70 4.2.1 Ηλεκτρόδια.70 4.2.2 Επίπεδα ενεργά ηλεκτρόδια 71 4.2.3 Ακιδωτά ενεργά ηλεκτρόδια.. 71 4.2.4 Σκούφοι.....72 4.2.5 Κουτί AD Α/Ψ (Αναλογικό / Ψηφιακό)...72 4.2.6 Δέκτης USB2...73 4.2.7 Κουτί μπαταρίας.....74 4.2.8 Φορτιστής........74 10

4.2.9 Κουτί αναλογικής εισόδου...75 4.3 Επεξεργασία μετρήσεων 76 4.3.1 Πρόγραμμα καταγραφής ActiView..76 4.3.2 EEGLAΒ........77 Βιβλιογραφία 78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο : ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ- ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5.1 Αποτελέσματα........ 79 5.1.1 Διαγράμματα φασματικής ισχύος......79 5.1.2 Διαγράμματα προκλητών δυναμικών......82 5.2 Συμπεράσματα Μελλοντική εργασία......102 Βιβλιογραφία..104 11

12

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο ανθρώπινος εγκέφαλος θεωρείται ως η πιο πολύπλοκη δομή που υπάρχει στο γνωστό μέχρι σήμερα σύμπαν[1]. Η πολυπλοκότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου μπορεί να συγκριθεί με την πολυπλοκότητα των γαλαξιών. Αυτό βασίζεται στο γεγονός ότι ο αριθμός των νευρώνων στον εγκέφαλο, ο οποίος είναι περίπου 100 δισεκατομμύρια, είναι σχεδόν ίδιος με τον αριθμό των αστεριών στον γαλαξία μας. Εξαιτίας αυτής της πολυπλοκότητας του εγκεφάλου είναι που πολλές πτυχές της λειτουργίας του παραμένουν ανεξερεύνητες. Για να μπορέσει να μελετηθεί η λειτουργία του εγκεφάλου πρέπει να ληφθεί υπόψη η ανατομία του καθώς και η πολυπλοκότητα κυκλωματικών σχηματισμών κάτω από αυτή. Η ανατομία του εγκεφάλου μελετάτε περισσότερο από έναν αιώνα [2] ωστόσο οι περισσότερες μελέτες βασίζονται σε μεταθανάτιους εγκεφαλικούς ιστούς[3]. Η Νευροαπεικόνιση και η Υπολογιστική Νευροεπιστήμη προσφέρουν μια εντελώς καινούργια προοπτική στη μελέτη της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου. Επιπροσθέτως, οι βιολογικές και οι ιατρικές έρευνες έχουν εξελιχθεί πολύ τις τελευταίες δεκαετίες και ο συνδυασμός τους με την επιστημονική και τεχνολογική ανάπτυξη οδηγεί στην επαναστατική εξέλιξη των επιστημών υγείας. Ένα σπουδαίο αποτέλεσμα, μεταξύ άλλων, είναι η δυνατότητα να λαμβάνονται λεπτομερείς πληροφορίες δομής και λειτουργικότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου μέσω ανεπτυγμένων μεθόδων βιοϊατρικής απεικόνισης. Η ανάπτυξη τεχνικών απεικόνισης, και ειδικά της λειτουργικής νευροαπεικόνισης, επιτρέπει τη μελέτη της δομής και της λειτουργίας του εγκεφάλου σε ζωντανούς οργανισμούς. Με άλλα λόγια, η χαρτογράφηση της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου είναι ευρέως γνωστή ως οι τεχνικές απεικόνισης που παρέχουν μετρήσεις της εγκεφαλικής λειτουργίας χαρτογραφώντας τοπικές γνωστικές διαδικασίες [4]. Για να επιτευχθεί αυτό, πρέπει να συνδεθεί η νευρολογική δραστηριότητα συγκεκριμένων περιοχών του εγκεφάλου με συγκεκριμένες νοητικές λειτουργίες μέσω μετρήσεων συσχέτισης της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Η εγκεφαλική δραστηριότητα σχετίζεται με την αυξημένη τοπική νευρωνική δραστηριότητα και/ή την αυξημένη τοπική εγκεφαλική ροή αίματος, τον όγκο του αίματος, την περιεκτικότητα του αίματος σε οξυγόνο και τις αλλαγές στις συγκεντρώσεις των μεταβολιτών του ιστού[5]. 13

Οι πιο διαδεδομένες τεχνικές που χρησιμοποιούνται σήμερα για τη μελέτη της εγκεφαλικής λειτουργίας και ανατομίας παρατίθενται στην επόμενη παράγραφο. 1.2 ΟΙ ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ Η έρευνα για τον προσδιορισμό των παραμέτρων που συνδέονται με τη λειτουργία του εγκεφάλου έχει γίνει αποδεκτή τον τελευταίο αιώνα. Στις αρχές του 19 ου αιώνα o Gall και ο Spurzheim [6], εκδιώχθηκαν από την επιστημονική κοινότητα για την τότε λεγόμενη επιστήμη της φρενολογίας. Τότε δήλωσαν ότι υπάρχουν 27 ξεχωριστά όργανα στον εγκέφαλο τα οποία ελέγχουν διάφορες ηθικές, σεξουαλικές και διανοητικές ιδιότητες. Το πόσο σημαντικό ήταν το καθένα, για κάθε άτομο ξεχωριστά, καθοριζόταν από τα εξογκώματα στο κρανίο. Η επιστημονική γνώση πίσω από όλους αυτούς τους ισχυρισμούς μπορεί να είχε πολλές ελλείψεις αλλά εισήγαγε για πρώτη φορά την ιδέα του εντοπισμού λειτουργίας μέσα στον εγκέφαλο. Οι περισσότερες διαθέσιμες πληροφορίες για τον ανθρώπινο εγκέφαλο προέρχονταν από άτομα που είχαν μεγάλες κακώσεις στο κεφάλι ή από άτομα που έπασχαν από διάφορες διανοητικές διαταραχές [7]. Καθορίζοντας το μέγεθος του τραυματισμού του εγκεφάλου και τη φύση της απώλειας κάποιας λειτουργίας, ήταν πιθανό να εξάγουν συμπεράσματα για το ποιές περιοχές του εγκεφάλου ευθύνονταν για συγκεκριμένες λειτουργίες. Ασθενείς με βαριές νευρολογικές διαταραχές, κάποιες φορές θεραπεύονταν αφαιρώντας κάποια περιοχή από τον εγκέφαλο τους. Μετά την εγχείρηση οι ασθενείς εξετάζονταν χρησιμοποιώντας ερεθίσματα που παρουσιάζονταν μόνο στο δεξί ή μόνο στο αριστερό ημισφαίριο [8]. Με την εξέλιξη των τεχνικών απεικόνισης με Υπολογιστική Τομογραφία (CT) και την Aπεικόνιση με Mαγνητικό Συντονισμό (MRI), ήταν δυνατός ο καλύτερος προσδιορισμός της πάσχουσας περιοχής σε ασθενείς με εγκεφαλικούς τραυματισμούς. Παράλληλα, οι μετρήσεις από τα ηλεκτρικά σήματα στο δέρμα του κρανίου που προέρχονται από την ενεργοποίηση νευρώνων σε εξωτερικά ερεθίσματα, με την καταγραφή των Εγκεφαλικών Προκλητών δυναμικών και του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (EEG) άνοιξε νέους δρόμους για τη μελέτη εγκεφαλικής λειτουργίας στα φυσιολογικά άτομα. Ωστόσο ήταν η έλευση της μεθόδου λειτουργικής Απεικόνισης της Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων (PET), της Τομογραφίας Μονοφωτονικής Εκπομπής (SPECT), της λειτουργικής Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού (fmri) και του Μαγνητικού Εγκεφαλογραφήματος (MEG) που οδήγησαν στη νέα εποχή μελέτης της εγκεφαλικής λειτουργίας. Μια σχετικά νέα μέθοδος λειτουργικής απεικόνισης εγκεφάλου, η οποία γνωρίζει ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια είναι η Φασματοσκοπία Εγγύς Υπερύθρου (NIRS). 14

1.3 ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΕΓΓΥΣ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ (NIRS) Η Φασματοσκοπία Εγγύς Υπερύθρου έχει αναγνωρισθεί ως μια μοναδική, μη επεμβατική τεχνική για εκτιμήσεις της οξυγόνωσης του ιστού και της αιμοδυναμικής. Οι διαγνωστικές εφαρμογές της τεχνικής αυτής εστιάζονται κυρίως σε κλινικές νευρο-ψυχολογικές εφαρμογές καθώς και σε παρακολούθηση οξυγόνωσης εγκεφάλου νεογνών. Το 1993 παρουσιάστηκε για πρώτη φορά η Φασματοσκοπία Εγγύς Υπερύθρου στην παρακολούθηση εγκεφαλικής λειτουργίας [9-11] καθώς εμφανίστηκαν αλλαγές στην οξυγόνωση της αιμοσφαιρίνης και στον όγκο του αίματος σε συγκεκριμένες περιοχές μετά την εφαρμογή κάποιου ερεθίσματος. Σειρές από μελέτες έχουν αποκαλύψει ότι η Φασματοσκοπία Εγγύς Υπερύθρου έχει την προοπτική να χρησιμοποιηθεί σε λειτουργική χαρτογράφηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Η Φασματοσκοπία Εγγύς Υπερύθρου μετρά τις αλλαγές στις συγκεντρώσεις της οξυγονωμένης (oxy-hb) και μη-οξυγονωμένης (deoxy-hb) αιμοσφαιρίνης κυρίως στο αίμα στις φλέβες του εγκεφάλου. Η αιμοσφαιρίνη είναι μια πρωτεΐνη που βρίσκεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια και μεταφέρει οξυγόνο στους ιστούς. Η ολική άθροιση των αλλαγών της οξυγονωμένης και μη οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης δίνει τις αλλαγές στην συνολική αιμοσφαιρίνη (t-hb) που αντιπροσωπεύει αυτές στον όγκο του αίματος. Αλλαγές της οξυγονωμένης και μη οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης σχετίζονται με αλλαγές σε εγκεφαλικό ρυθμό μεταβολισμού (CMRO 2 ) και οι αλλαγές της ολικής αιμοσφαιρίνης σχετίζονται με αυτές της εγκεφαλικής ροής αίματος (CBF). Η Φασματοσκοπία Εγγύς Υπερύθρου έχει υψηλή χρονική ανάλυση (0.5s),είναι εύκολα εφαρμόσιμη και χρησιμοποιεί φορητό εξοπλισμό που επιτρέπει τις μετρήσεις και εκτός κλινικού περιβάλλοντος [12]. 1.3.1 Θεωρία Διάχυσης Για να μετρηθούν οι αλλαγές στις συγκεντρώσεις των χρωμοφόρων απορρόφησης (αιμοσφαιρίνη) που είναι απαραίτητες για τη λειτουργία της οπτικής απεικόνισης του ανθρώπινου εγκεφάλου με Υπέρυθρη Φασματοσκοπία (NIRS), χρησιμοποιείται η γνωστή θεωρία διάχυσης (ή σκέδασης). Οι καταγραφές της οπτικής διάχυσης εξαρτώνται από δύο κρίσιμα χαρακτηριστικά του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος όταν αλληλεπιδρά με τον βιολογικό ιστό. Το πρώτο χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι ο βιολογικός ιστός δεν είναι εντελώς αδιαφανής στο ορατό φώς. Όπως μπορεί να διαπιστωθεί με ένα πολύ απλό πείραμα ο ιστός δεν απορροφά τα μήκη κύματος κοντά στο ερυθρό. Για παράδειγμα αν ακουμπήσουμε το χέρι μας σε έναν φακό θα παρατηρήσουμε ότι το φως που εξέρχεται από το χέρι μας έχει κόκκινη χροιά, υποδεικνύοντας ότι ο βιολογικός ιστός απορροφά λιγότερο τα μήκη κύματος στο ερυθρό. Το φώς στο εγγύς υπέρυθρο, περίπου στα 659-950nm, απορροφάται από τον ιστό ακόμα λιγότερο και από τα μήκη κύματος στο ερυθρό. Σαν αποτέλεσμα η περιοχή αυτών των μηκών κύματος συχνά ονομάζεται «οπτικό παράθυρο» στον 15

βιολογικό ιστό. Το δεύτερο χαρακτηριστικό είναι ότι στο συγκεκριμένο «οπτικό παράθυρο» στον βιολογικό ιστό μπορούν να παρατηρηθούν οι αλλαγές στις συγκεντρώσεις των διαφόρων χρωμοφόρων που απορροφούν (οξυγονωμένη HbO 2 και μη οξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη HbR). Η διαδρομή που ακολουθούν τα φωτόνια μέσα στον βιολογικό ιστό είναι καμπύλη διαδρομή σχήματος «μπανάνας» (banana region). Εικόνα 1.1 Η καμπύλη διαδρομή σχήματος «μπανάνας» που διαγράφουν τα φωτόνια. Στην Eικόνα 1.2 φαίνεται το οπτικό παράθυρο. Τα δύο κυρίαρχα χρωμοφόρα στο εγγύς υπέρυθρο αποτελούν δύο βιολογικούς δείκτες για την εγκεφαλική δραστηριότητα: οξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη (HbO 2 ) και μη οξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη (HbR) [13]. Εικόνα 1.2 Τιμές για τους πρωτεύνοτες παράγοντες απορρόφησης (χρωμοφόρα) στους βιολογικούς ιστούς στην περιοχή του εγγύς υπερύθρου 16

1.3.2 Ο τροποποιημένος νόμος του Beer-Lambert Για να ποσοτικοποιηθούν οι αλλαγές στις συγκεντρώσεις των φορέων απορρόφησης απαιτείται ένα μοντέλο φωτός που να διαχέεται μέσα στους ιστούς. Μια παραδοσιακή προσέγγιση για τη θεωρία μετανάστευσης των φωτονίων είναι ο τροποποιημένος νόμος του Beer-Lambert, ο οποίος είναι μια εμπειρική περιγραφή της οπτικής εξασθένισης σε ένα μέσο με μεγάλη σκέδαση [14]. Για να μπορέσουμε να καθορίσουμε τη συνεισφορά των πολλαπλών χρωμοφόρων (π.χ. αιμοσφαιρίνη, μη οξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη) πρέπει να πάρουμε μετρήσεις σε ένα ή περισσότερα μήκη κύματος ανά χρωμοφόρο. Για παράδειγμα αν μετρήσουμε την αλλαγή στην ένταση του φωτός σε δύο μήκη κύματος, και γνωρίζοντας τις σταθερές απόσβεσης της οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης και της μη οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης σε αυτά τα μήκη κύματος (Εικόνα 2.2) τότε μπορούμε ξεχωριστά να καθορίσουμε τις αλλαγές στη συγκέντρωση της οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης και της μη οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης λύνοντας τις δύο εξισώσεις με δύο αγνώστους Δ[HbR] και Δ[HbO 2 ]. Αυτή η προσέγγιση γενικεύεται και για παραπάνω από δύο μήκη κύματος.[15] Στο εύρος φάσματος 700-900 nm, κυριαρχεί η σκέδαση από ότι η απορρόφηση κατά την μεταφορά των φωτονίων στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Ο σχεδιασμός της οπτικής απεικόνισης του ανθρώπινου εγκεφάλου με Υπέρυθρη Φασματοσκοπία βασίζεται σε ένα φασματόμετρο εγγύς υπερύθρου, δύο μηκών κύματος (760 nm και 850 nm), το οποίο ανακαλύφθηκε από τον Chance[16], το οποίο μετράει τη διαφορά στα χαρακτηριστικά απορρόφησης μεταξύ της οξυγονωμένης και μη οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης στα 760 nm και 850 nm. Αξιοποιώντας αυτά τα δύο μήκη κύματος, μπορούμε να καθορίσουμε τις σχετικές συγκεντρώσεις των δύο αυτών καταστάσεων της αιμοσφαιρίνης, οξυγονωμένης (HbO 2 ) και μη οξυγονωμένης (Hb) αιμοσφαιρίνης. Το πραγματικό μήκος της διαδρομής μετανάστευσης των φωτονίων στον ιστό από την πηγή στον ανιχνευτή είναι πολύ μεγαλύτερο από τη γεωμετρική απόσταση. Ο τροποποιημένος νόμος του Beer-Lambert χρησιμοποιείται για να περιγραφεί η οπτική εξασθένιση: I / I e (1) 0 cl DPF G όπου 0 I είναι η αρχική ένταση του φωτός, I είναι η ανιχνεύσιμη ένταση φωτός, είναι η σταθερά απορρόφησης του απορροφητικού μέσου, l είναι η απόσταση των σημείων όπου το φως εισέρχεται και εξέρχεται από τον ιστό, c είναι η συγκέντρωση του μέσου, DPF είναι ο διαφορικός παράγοντας του μήκος διαδρομής, και G είναι ο παράγοντας της σταθεράς εξασθένισης των οπτικών ιδιοτήτων και της γεωμετρίας του ιστού. 17

Μπορούμε να θεωρήσουμε τα l, DPF και G σταθερά μόνο εάν υπολογίσουμε τις αλλαγές στην συγκέντρωση του απορροφητικού μέσου. όπου OD η οπτική πυκνότητα OD C (2) l DPF OD log( I / I) (3) 0 Ένας απεικονιστής μετρά την διαφορά οπτικής πυκνότητας ΔOD ως: OD log( I / I ) log( I / I ) log( I ) log( I ) (4) 0 test 0 rest rest test όπου I rest και test I αντιστοιχούν στις εντάσεις φωτός που ανιχνεύονται από τον δέκτη κατά τη διάρκεια ηρεμίας και μέτρησης. Όλες οι έξοδοι από την λειτουργική οπτική απεικόνιση του ανθρωπίνου εγκεφάλου με υπέρυθρη φασματοσκοπία μετατρέπονται σε οπτική πυκνότητα (ΟD). Με αυτό τον τρόπο όλα τα δεδομένα αντιστοιχούν κατευθείαν στον τροποποιημένο νόμο του Beer-Lambert. Βασιζόμενοι στις αλλαγές ΟD στα 760 και 850 nm, μπορούμε είτε να πάρουμε απεικονίσεις απορρόφησης σε αυτά τα δύο μήκη κύματος είτε λειτουργικές απεικονίσεις (οξυγόνωση ή όγκο του αίματος) στην περιοχή μελέτης μας. Για να περιγράψουμε τις λειτουργικές αλλαγές, υπολογίζουμε τη διαφορά ΟD στα 760 και 850 nm, το οποίο μπορεί να ξεκαθαρίσει τις σχετικές διαφορές στην περιοχή που ανιχνεύουμε με ή χωρίς οξυγόνωση: OD OD OD. (5) oxy 850 760 Η διαφορά παρέχει μια σχετική μέτρηση της φύσης της αιμοσφαιρίνης, διαχωρίζοντας τις αυξήσεις στη συγκέντρωση είτε της οξυγονωμένης είτε της μη οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης. Με τον ίδιο τρόπο, ένας αθροιστικός υπολογισμός μπορεί να γίνει για να καθορίσει την ολική αλλαγή στην συγκέντρωση της αιμοσφαιρίνης (που αντιστοιχεί στον όγκο του αίματος) στην περιοχή που θέλουμε να εξετάσουμε: OD OD OD (6) b 850 760 18

όπου είναι ο παράγοντας διαμόρφωσης για τη μείωση διαφορών μεταξύ των αλλαγών στον όγκο του αίματος και την οξυγόνωση. Μια πιο παλιά μέθοδος αλλά πολύ χρήσιμη στο παρελθόν αλλά και σήμερα είναι το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα. 1.4 ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑ (EEG) Η πρώτη καταγραφή του ηλεκτρικού πεδίου του ανθρώπινου εγκεφάλου έγινε από τον Γερμανό ψυχίατρο H.Berger το 1924 ο oποίος έδωσε στην καταγραφή αυτή το όνομα Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) [17]. Το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα στηρίζεται στην καταγραφή των διαφορών δυναμικού, οι οποίες παρουσιάζονται σε σημεία της εξωτερικής δερματικής επιφάνειας του ανθρώπινου κεφαλιού. Τα δυναμικά τα οποία μετρούμε μεταξύ δύο ηλεκτροδίων στην εξωτερική δερματική επιφάνεια του κεφαλιού οφείλονται ουσιαστικά σε ρεύματα ιόντων διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης των νευρώνων που συμμετέχουν στην εκάστοτε εγκεφαλική διεργασία. 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. Είναι απαραίτητη η ενίσχυση των σημάτων αυτών για καλύτερη απεικόνιση καθώς και η πυκνότερη κάλυψη του κεφαλιού με απαγωγά ηλεκτρόδια για μεγαλύτερη ακρίβεια και εποπτεία της εγκεφαλικής λειτουργίας [18]. Η ενίσχυση και η καταγραφή αυτών των κυμάτων, που αντιπροσωπεύουν ένα άθροισμα ταυτόχρονων ηλεκτρικών αλλαγών πολλών εγκεφαλικών κυττάρων αποτελεί το «ηλεκτροεγκεφαλογράφημα» (EEG). Το πρώτο στάδιο του συστήματος λήψης και επεξεργασίας των σημάτων του EEG ξεκινάει από τα ηλεκτρόδια τα οποία τοποθετούνται πάνω στο κεφάλι. Τα ηλεκτρόδια είναι αισθητήρες, οι οποίοι μετατρέπουν το ρεύμα ιόντων στο εσωτερικό του κρανίου σε ρεύμα ηλεκτρονίων μέσα στο καλώδιο, το οποίο οδηγεί το ρεύμα αυτό σε επόμενα στάδια επεξεργασίας. Η επαφή των ηλεκτροδίων με το δέρμα γίνεται μέσω μιας κολλώδους ουσίας ή μέσω ενός μικρού δακτυλιδιού, που από τη μια μεριά προσκολλάται στο δέρμα και από την άλλη στο κυρίως ηλεκτρόδιο. Στα σημεία όπου τοποθετούνται τα ηλεκτρόδια, το δέρμα καθαρίζεται καλά με οινόπνευμα για να επιτύχουμε χαμηλή αντίσταση επαφής, κάτω από 5 ΚΩ. Στα ίδια σημεία χρησιμοποιείται ειδικό υγρό που έχει τον ρόλο ηλεκτρολύτη. Το ηλεκτρόδιο έρχεται σε απ' ευθείας επαφή με τον ηλεκτρολύτη. Έτσι είναι δυνατή η κίνηση ιόντων μέσω του «συνόρου» ηλεκτροδίου - ηλεκτρολύτη μέχρι να επέλθει ισορροπία. 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 στο υγρό υλικό κάτω από το ηλεκτρόδιο, εμφανίζοντας έτσι μια διαφορά δυναμικού η οποία εμποδίζει τη συνέχιση της κίνησης των ιόντων, αλλά είναι ταυτόχρονα 19

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. Είναι επιθυμητό η τάση στο «σύνορο» να επηρεάζεται μόνο από ιοντικά ρεύματα του ανθρώπινου κεφαλιού και όχι από θερμοκρασιακές μεταβολές ή μηχανικές μετακινήσεις των ηλεκτροδίων. Την απαίτηση αυτή ικανοποιούν ηλεκτρόδια αποτελούμενα από το συνδυασμό ενός μετάλλου με το αντίστοιχο άλας του. Ένα από τα συνήθως χρησιμοποιούμενα ηλεκτρόδια είναι αυτό που κατασκευάζεται από άργυρο (Ag) και χλωριούχο άργυρο (AgCl) και χρησιμοποιείται με ηλεκτρολύτη που περιέχει κυρίως ανιόντα χλωρίου (Cl-) [18-19]. Eικόνα 1.3 Η διάταξη των ηλεκτροδίων κατά Jaspers. Διακρίνονται τα ηλεκτρόδια αναφοράς Α1, Α2 καθώς και το ηλεκτρόδιο κορυφής Cz [24]. 20

Η ευρεία χρησιμοποίηση του συστήματος 10-20 ή αλλιώς διάταξη κατά Jaspers (Εικόνα 1.3) οφείλεται στο γεγονός ότι προσαρμόζεται σε διάφορες διαστάσεις κεφαλιών (μικρά παιδιά, ενήλικες). Μέχρι σήμερα έχουν προταθεί διάφορες επεκτάσεις του μοντέλου αυτού, όπως το μοντέλο 10-10 [19] και το μοντέλο 10-5 [20], στις οποίες παρεμβάλλονται ηλεκτρόδια ανάμεσα στις θέσεις του συστήματος 10-20. 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) [22] είναι το 10-10 το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα. Το μοντέλο 10-5 αν και είναι υποσχόμενο βρίσκεται ακόμα σε πειραματικά στάδια. 1.4.1. Ενίσχυση σήματος εγκεφαλογραφήματος Το κάθε σήμα το οποίο ενισχύεται στο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα είναι η διαφορά μεταξύ των δυναμικών που ανά πάσα στιγμή παρουσιάζουν δύο ηλεκτρόδια μεταξύ τους. Οι διαφορές δυναμικού που ανιχνεύονται, οδηγούνται στο τμήμα της ενισχυτικής διάταξης του EEG, η οποία περιέχει και διατάξεις φιλτραρίσματος. Εκεί κάθε ανιχνευόμενο σήμα ενισχύεται ώστε να μπορεί να μετρηθεί. Συντελεστές ενίσχυσης της τάξης του 105 είναι συνηθισμένοι. Η πρώτη βαθμίδα ενίσχυσης, η προενίσχυση, πρέπει να αποτελείται από ενισχυτές χαμηλού θορύβου. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται κυκλώματα με συνδυασμούς διαφορικών ενισχυτών, ώστε ο λόγος απόρριψης κοινού σήματος (common mode rejection ratio - CMRR) να είναι στο επίπεδο των 120 dβ. Κατόπιν τα αναλογικά σήματα μέσω συσκευής πολυπλεξίας οδηγούνται στον μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα (A/D converter) όπου τα ψηφιακά πλέον σήματα καταμετρώνται σε ηλεκτρονικό βολτόμετρο. Στη συνέχεια, ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής λαμβάνει τα ψηφιακά δεδομένα των μετρήσεων, οπότε υπάρχει η δυνατότητα για ψηφιακή επεξεργασία και απεικόνιση του σήματος, είτε κατά τη διάρκεια των μετρήσεων (online), είτε σε υστερότερο χρόνο εφόσον αποθηκευτεί το σήμα στο δίσκο του υπολογιστή (offline) [23]. 1.4.2 Χαρακτηριστικά ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος είναι το φάσμα συχνοτήτων του. Το φάσμα αυτό μπορεί να πάρει τιμές μικρότερες του 1 Hz έως μερικές δεκάδες Hz ενώ μπορεί να διαιρεθεί σε τέσσερις κυρίως περιοχές συχνοτήτων που αναφέρονται ως ρυθμοί του EEG: δέλτα, θήτα, άλφα και βήτα ρυθμός (Εικόνα 1.4). Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι οι συχνότητες των αρμονικών από τις οποίες αποτελούνται δηλαδή το φασματικό τους περιεχόμενο. Οι συχνότητες και τα πλάτη των κυριότερων ρυθμών φαίνονται στον Πίνακα 1.1. Τα όρια κάθε περιοχής δεν είναι αυστηρά καθορισμένα [25]. 21

Ρυθμός Περιοχή συχνοτήτων (Hz) Πλάτος (ì V) δέλτα (δ) 0.5-4 έως 100-200 θήτα (θ) 4-8 <30 άλφα (α) 8-13 30-50 βήτα (β) 13-19 <20 ταχύς βήτα 20-30 <20 Πίνακας 1.1: Συχνότητες και πλάτη βασικών ρυθμών EEG Ο άλφα ρυθμός εμφανίζεται σε περίπου 75% των ενηλίκων. Το κλείσιμο ή το άνοιγμα, των ματιών προκαλεί αύξηση ή μείωση αντίστοιχα, του άλφα ρυθμού. Ο ρυθμός αυτός είναι λιγότερο ή περισσότερο συμμετρικός μεταξύ των ημισφαιρίων αλλά συχνά είναι μεγαλύτερου πλάτους στο μη κυρίαρχο ημισφαίριο. Η απουσία του άλφα σε ένα από τα δυο ημισφαίρια είναι πάντα παθολογική. Ο α-ρυθμός εντοπίζεται κυρίως στον ινιακό λοβό ενώ είμαστε ξύπνιοι, σε χαλάρωση και με τα μάτια κλειστά, αντιπροσωπεύοντας κατά κάποιο τρόπο τη δραστηριότητα του οπτικού φλοιού απουσία εξωτερικών ερεθισμών. Η μείωση του ρυθμού άλφα έχει επίσης συσχετισθεί με αισθητηριακό ερεθισμό ή πνευματική δραστηριότητα. Πήρε το όνομα άλφα γιατί ήταν ο πρώτος ρυθμός που μελετήθηκε. Ο ρυθμός βήτα έχει συσχετισθεί με την πλήρη εγρήγορση επίσης φυσιολογικού ατόμου. Ο ρυθμός δέλτα έχει συσχετισθεί με τον ύπνο στον φυσιολογικό άνθρωπο. Ο ρυθμός θήτα έχει συσχετισθεί με μηχανισμούς καταστολής είτε στην είσοδο σε φάση χαλάρωσης είτε σε συνδυασμό με το βήτα ρυθμό σε φάσεις αυξημένης προσοχής. Το σήμα του EEG συσχετίζεται επίσης πολύ με το επίπεδο εγρήγορσης του εξεταζόμενου. Όταν η ανθρώπινη δραστηριοποίηση αυξάνεται, τότε το EEG έχει υψηλότερη επικρατούσα συχνότητα και μικρότερο πλάτος. Όταν τα μάτια είναι κλειστά, ο ρυθμός άλφα είναι κυρίαρχος. Όταν ο εξεταζόμενος κοιμάται, η επικρατούσα συχνότητα του EEG μειώνεται. Σε μια ορισμένη φάση ύπνου, που πραγματοποιείται γρήγορο ανοιγοκλείσιμο των ματιών (REM sleep), και το άτομο ονειρεύεται μπορεί να θεωρηθεί ως χαρακτηριστικό σήμα EEG. Στο βαθύ ύπνο, το EEG έχει μεγάλες και αργές εκτροπές που ονομάζονται ρυθμοί δέλτα [26]. 22

Εικόνα 1.4 Χαρακτηριστικές κυματομορφές βασικών ρυθμών εγκεφαλογραφήματος Η χρήση του EEG στη Νευρολογία είναι ευρύτατη, καθώς αποτελεί μέθοδο φθηνή, ανώδυνη και απλή στην εφαρμογή της. Από τη μελέτη του EEG μπορούν να εξαχθούν ιδιαίτερα χρήσιμα συμπεράσματα για τη σωστή εξέλιξη του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος ενός ανθρώπου από τη γέννηση του έως την ενηλικίωση. Επίσης, το EEG μπορεί να δώσει χρήσιμα στοιχεία στην περίπτωση εγκεφαλοπαθειών (π.χ. νόσο Alzheimer) [27] ή για την περίπτωση επιληψίας τόσο για τη βαρύτητα της νόσου όσο και για την υποβοήθηση της διάγνωσης και της πρόγνωσης. Το EEG μελετάται ακόμη στις περιπτώσεις κρανιο-εγκεφαλικών κακώσεων και κώματος και αποτελεί βασικό εργαλείο για την μελέτη του ύπνου. Δυστυχώς η χρήση ηλεκτρικού πεδίου στο ανθρώπινο κεφάλι χρησιμοποιήθηκε και ως μέσο βασανισμού στο παρελθόν, όμως χρήσεις τέτοιου τύπου ελπίζεται να εξαλειφθούν με την πάροδο του χρόνου. 23

1.4.3 Προκλητά δυναμικά (ΕRP) Μία από τις κατηγορίες βιοσημάτων τα οποία προκύπτουν από το EEG είναι τα Βιωματικά Δυναμικά (ΒΔ) (Event Related Potentials, ERP). Βιωματικά Δυναμικά ονομάζονται οι διαφορές δυναμικού που καταγράφονται στη δερματική επιφάνεια του κεφαλιού οι οποίες προκαλούνται ως απόκριση ή ως προετοιμασία σε κάποιο συγκεκριμένο γεγονός το οποίο συμβαίνει στον εξωτερικό περιβάλλον ή είναι αποτέλεσμα ενδοψυχολογικής διαδικασίας. Λόγω της ιδιότητας που έχουν να παρατηρούνται στο επιφανειακό μέρος του κεφαλιού έχουν το πλεονέκτημα ότι αποτελούν ένα μη επεμβατικό τρόπο εκτίμησης της εγκεφαλικής λειτουργίας. Τα Βιωματικά Δυναμικά χωρίζονται στα Προκλητά Δυναμικά (Evoked Potentials), όταν το ερέθισμα είναι εξωτερικό δηλαδή προέρχεται από το περιβάλλον του εξεταζόμενου και στα Εκπεμπόμενα Δυναμικά (Emitted Potentials), όταν σχετίζονται με κάποια ψυχολογική διαδικασία του εξεταζόμενου. Συνεπώς τα Προκλητά Δυναμικά (Π.Δ.) ή Evoked Potentials (EP) είναι οι διαφορές δυναμικού που μετρώνται στην δερματική επιφάνεια του κεφαλιού και οι οποίες προκαλούνται ως προετοιμασία ή ως απόκριση σε κάποιο συγκεκριμένο γεγονός - ερέθισμα. Εφόσον τα ΠΔ αντικατοπτρίζουν εγκεφαλική δραστηριότητα σχετιζόμενη με ένα εξωτερικό ερέθισμα, είναι αυτά τα οποία μπορούμε να μελετήσουμε μέσω προδιαγεγραμμένων πειραματικών διαδικασιών στο εργαστήριο. Ανάλογα με το είδος του ερεθίσματος τα Προκλητά Δυναμικά (Π.Δ.) διακρίνονται σε: Οπτικά Π.Δ. (Visual Evoked Potentials, VEP): προκαλούνται από οπτικά ερεθίσματα όπως η εμφάνιση εικόνων, λάμψεις, αλλαγή χρωμάτων κλπ. Ακουστικά Π.Δ. (Auditory Evoked Potentials, AEP): προκαλούνται από ακουστικά ερεθίσματα όπως ήχοι, λέξεις, τόνοι διαφόρων συχνοτήτων κι έντασης κλπ. Σωματοαισθητικά Π.Δ. (Somatosensory Evoked Potentials, SEP): προκαλούνται από μικρής διάρκειας και έντασης ηλεκτρικά ρεύματα που ερεθίζουν κάποια συγκεκριμένα νεύρα. Τα ERP μπορούν να χαρακτηριστούν με βάση τον χρόνο εμφάνισής τους σε σχέση με το εξωτερικό ερέθισμα (λανθάνων χρόνος). Στην περίπτωση των ακουστικών προκλητών δυναμικών υπάρχει η διάκριση σε πρώιμα (early, fast), μέσα (middle) και αργά ή ύστερα (late), που αντιστοιχούν περίπου στα χρονικά διαστήματα 2 έως 12 ms,12 έως 50 ms και 50 έως 800 ms από τη στιγμή που χορηγείται το εξωτερικό ερέθισμα (Εικόνα 1.5) 24

Εικόνα 1.5 Σχηματική παράσταση Προκλητού Δυναμικού Τα ERP χωρίζονται, επίσης, σε ενδογενή και εξωγενή [23]. Τα εξωγενή έχουν να κάνουν με την φύση του εξωτερικού ερεθίσματος (ένταση, συχνότητα κλπ.). Παρατηρούνται σε χρόνο μικρότερο των 100ms από την παραγωγή του ερεθίσματος. Αντίθετα, τα ενδογενή εξαρτώνται ουσιαστικά από την ψυχολογική κατάσταση του ατόμου και έχουν την βάση τους στην ψυχολογική επίδραση του εξωτερικού ερεθίσματος στον άνθρωπο. Παρατηρούνται σε χρόνο μεγαλύτερο των 70ms. Αλλάζουν ανάλογα με το αν το ερέθισμα είναι γνωστό ή άγνωστο, αν είναι δυσάρεστο ή ευχάριστο, αν θυμίζει στον εξεταζόμενο μία προγενέστερη προσωπική του εμπειρία κλπ. Η μελέτη των ERP γίνεται πιο συστηματοποιημένη αν εξετασθούν τα επιμέρους συστατικά (components) που έχουν τα σήματα αυτά. Τα συστατικά αυτά είναι κάποιες κυματομορφές του συνολικού σήματος, οι οποίες καθορίζονται με βάση: Τις κορυφώσεις (αρνητικές ή θετικές) του πλάτους δυναμικού Τη χρονική στιγμή στην οποία κατά προσέγγιση λαμβάνει χώρα η κορύφωση Το χρονικό εύρος το οποίο καταλαμβάνει η μερική κυματομορφή που περιέχει τη συγκεκριμένη κορύφωση. Η αρνητική κορυφή δηλώνεται με το γράμμα Ν, ενώ η θετική με το Ρ. Ο δείκτης στα γράμματα Ν και Ρ υποδηλώνει τον λανθάνοντα χρόνο εμφάνισης της κορυφής σε msec. Η εμφάνιση κάθε κυματομορφής σχετίζεται με διαφορετικές εγκεφαλικές διεργασίες: 25

Ρ50: θεωρείται ο δείκτης των προσυνειδητών πτυχών προσοχής Ν100: θεωρείται ο δείκτης επιλεκτικής προσοχής. Αντικατοπτρίζει την κατανομή των πληροφοριών στα κατάλληλα συνειρμικά πεδία. Ρ200: θεωρείται ο δείκτης επικέντρωσης της προσοχής αναφορικά με τις επεξεργαζόμενες πληροφορίες. Ρ300: θεωρείται ο δείκτης κινητοποίησης προγραμμάτων δράσης σε επίπεδο κεντρικού νευρικού συστήματος. Ν400: Αναγνωρίζεται ως ο δείκτης σημαντικότητας των πληροφοριών. Απεικονίζει την κινητοποίηση προγραμμάτων σχετιζόμενων με την σημαντικότητα επεξεργαζόμενων πληροφοριών. Ρ400: θεωρείται ο δείκτης που αντικατοπτρίζει τα συστήματα επεξεργασίας πληροφοριών που σχετίζονται με την συντακτικότητα των πληροφοριών. Ρ600: Αντιστοιχεί στη χρονική περίοδο τελικής οργάνωσης, ελέγχου και εκτέλεσης της απόφασης που επιλέγεται όταν ο οργανισμός εκτίθεται σε εκλυτικό ερέθισμα ή σύμπλοκο ερεθισμάτων που έχουν ψυχολογική σπουδαιότητα [29]. Τα ERP χρησιμοποιούνται ευρέως στη διάγνωση ασθενειών. Έτσι ERP έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στον τομέα της επιληψίας. Ο συσχετισμός των μεταβολών μεταξύ ERP και κλινικών συμπερασμάτων μπορεί να βοηθήσει στη μελέτη της φυσιοπαθολογίας της επιληψίας. Xρήση των ERP γίνεται επίσης για την αναγνώριση ασθενών που πάσχουν από Alzheimer και την διάκριση τους από άλλες ασθένειες [30-31]. Επίσης χρησιμοποιούνται για την μελέτη της επίδρασης φαρμάκων που χορηγούνται για την νόσο αυτή [32]. ERP εφαρμόζονται και για τον εντοπισμό ψυχιατρικών ασθενειών όπως η σχιζοφρένεια και η παράνοια. Τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται για τον σκοπό αυτό είναι συνήθως η στατιστική μελέτη των κορυφώσεων των κυματομορφών [33-34]. Τη στατιστική μελέτη των κορυφώσεων των ERP συνοδεύει συνήθως γραφική αναπαράσταση των κυματομορφών που αποτελούν το συνολικό μέσο όρο (grand average) κάθε απαγωγής για όλους τους εξεταζόμενους κάθε κατηγορίας ασθενών ή υγιών μαρτύρων. Τα ERP όμως μπορούν επιπλέον να χρησιμοποιηθούν και για ερευνητικούς σκοπούς στην κλινική νευροφυσιολογία. Λόγω του υψηλού χρονισμού τους, παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για την εγκεφαλική λειτουργία. Διάφορες νοητικές διεργασίες, όπως η αντίληψη, η προσοχή, η γλωσσική επεξεργασία και η μνήμη, λαμβάνουν χώρα σε χρονικές περιόδους της τάξεως δεκάδων χιλιοστών του δευτερολέπτου. Οι περισσότερες τυπικές τεχνικές απεικόνισης απαιτούν την διατήρηση της δραστηριότητας του εγκεφάλου για κάποια δευτερόλεπτα και έτσι αδυνατούν να συλλάβουν τις διαδικασίες αυτές. Οι καταγραφές με ERP, όμως, παρέχουν απεικονίσεις με ακρίβεια χιλιοστών του δευτερολέπτου οπότε αποτελούν ιδανική μεθοδολογία για τη μελέτη των πτυχών συγχρονισμού τόσο των φυσιολογικών όσο και των παθολογικών γνωστικών διεργασιών. Για την παρατήρηση των ERP κατασκευάζονται χάρτες με την κατανομή δυναμικού στη δερματική επιφάνεια του κεφαλιού, που στην απλούστερη περίπτωση μπορεί να λάβει τη μορφή ισοδυναμικών επιφανειών. Η τοπογραφική αναπαράσταση των ERP μέσω χαρτών 26

προσδίδει μεγαλύτερη δυνατότητα εποπτείας των εξελισσόμενων γεγονότων στην επιφάνεια του κεφαλιού. Τα συστατικά των ERP μπορούν να μελετηθούν σχετικά εύκολα ως προς την χωρική τους κατανομή. Σημαντικό τμήμα της έρευνας στην περιοχή του EEG και των ERP αποτελεί η επίλυση του αντίστροφου προβλήματος στο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, που ορίζεται ως η διαδικασία εύρεσης των ενδοκρανιακών πηγών ρεύματος, βάσει των τιμών επιφανειακών δυναμικών. Εξ αρχής κάθε αντίστροφο πρόβλημα έχει άπειρο πλήθος λύσεων. Για τη δημιουργία των εξισώσεων του προβλήματος πρέπει να υιοθετηθεί ένα πρότυπο (μοντέλο) κεφαλιού, το οποίο να ορίζει τη γεωμετρία, την ηλεκτρική δραστηριότητα και τις ηλεκτρικές ιδιότητες αυτού. Ο ορισμός του προτύπου είναι μία ιδιαίτερα περίπλοκη διαδικασία, καθώς πρέπει να συμβιβάζει τόσο την απαίτηση για μαθηματική απλότητα και μικρή υπολογιστική πολυπλοκότητα όσο και τη ρεαλιστική μοντελοποίηση των εγκεφαλικών φαινομένων που σχετίζονται με τα ERP. Η πλειονότητα των γνωστών μεθόδων στηρίζεται σε παραλλαγές της Μεθόδου Εντοπισμού Δίπολων (Dipole Localization Method, DLM) [35]. 1.4.4 Διαφορά μεταξύ EEG και ERPs Το EEG αναφέρεται στην αυθόρμητη ηλεκτρική ρυθμική ταλάντωση του εγκεφάλου όταν βρίσκεται σε ηρεμία και δεν δέχεται εξωτερικά ερεθίσματα. Τα Προκλητά Δυναμικά (Event Related Potential) είναι μία κατηγορία Βιωματικών Δυναμικών που προκύπτουν από το EEG και είναι οι διαφορές δυναμικού που καταγράφονται στη δερματική επιφάνεια του κεφαλιού οι οποίες προκαλούνται ως απόκριση ή ως προετοιμασία σε κάποιο συγκεκριμένο γεγονός το οποίο συμβαίνει στον εξωτερικό περιβάλλον ή είναι αποτέλεσμα ενδοψυχολογικής διαδικασίας. Λόγω της ιδιότητας που έχουν να παρατηρούνται στο επιφανειακό μέρος του κεφαλιού έχουν το πλεονέκτημα ότι αποτελούν ένα μη επεμβατικό τρόπο εκτίμησης της εγκεφαλικής λειτουργίας και δραστηριότητας. Η φύση τους είναι τέτοια ώστε να παρατηρούνται σε συγκεκριμένα και διακριτά χρονικά διαστήματα τα οποία είναι πολύ μικρής διάρκειας, της τάξης των msec. Η μελέτη των διαφόρων προκλητών δυναμικών είναι πολύ σημαντική για δύο κυρίως λόγους. Αφενός είναι ακίνδυνη αφού γίνεται απλά μέτρηση με ηλεκτρόδια επιφανειακά στο δέρμα, χωρίς να εκτίθεται σε κάποιου είδους πεδίο το πειραματόζωο (όπως γίνεται με τους αξονικούς τομογράφους), γεγονός το οποίο έχει σαν όφελος το να μπορεί να γίνει μελέτη και με βρέφη τα οποία είναι πολύ ευαίσθητα. Αφετέρου με την χρήση πολλών ηλεκτροδίων κατά μήκος όλου του κρανίου είναι δυνατόν να μπορούμε να δούμε σε ποιο μέρος του εγκεφάλου παρατηρείται η ηλεκτρική δραστηριότητα, με αποτέλεσμα να μπορούμε να εντοπίσουμε ποιο μέρος του εγκεφάλου είναι υπεύθυνο κάθε φορά για κάποια διαδικασία [36]. 27

Οι σύγχρονες αντιλήψεις σχετικά με τα ERPs είναι πως πρόκειται για δυναμικά που προέρχονται από το συνεχές ηλεκτροεγκεφαλογράφημα με τη διαδικασία του συντονισμού. Στη φυσική ο συντονισμός είναι ένα καλά μελετημένο φαινόμενο όπως για παράδειγμα στις εξαναγκασμένες ταλαντώσεις, όπου αν η συχνότητα μιας εξωτερικής μεταβλητής δύναμης συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα του συστήματος πάνω στο οποίο ασκείται, τότε το σύστημα πραγματοποιεί ταλάντωση με μέγιστο πλάτος. Ο Basar εισήγαγε την ακόλουθη σύλληψη με σκοπό να κατανοήσει τη σχέση ERPs και EEG: Στο EEG πολλές διαφορετικές ταλαντώσεις και ασύγχρονες ταλαντώσεις συμβαίνουν ταυτόχρονα. Όταν έχουμε ένα ερέθισμα μερικές από αυτές τις συχνότητες μπορεί να αυξάνονται μέσω συντονισμού. Υποτίθεται λοιπόν, πως αυτές οι αυξημένες ταλαντώσεις συνδέονται με τη μετάδοση πληροφορίας μέσα στον εγκέφαλο και έχουν διαφορετικές «λειτουργίες» και «σημασίες» [37]. Τα ERPs αντιπροσωπεύουν αποκρίσεις από ομάδες νευρώνων και συνιστούν το αποτέλεσμα μιας μετάβασης από την αταξία στην τάξη [38]. Τα ERPs μπορεί να παράγονται από ένα ερέθισμα και να είναι χρονικά καθορισμένα ως προς το ερέθισμα, μπορεί να παράγονται από ένα ερέθισμα αλλά να μην εμφανίζονται σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή ή τέλος να προέρχονται από μια εσωτερική διαδικασία παρά από το ίδιο το ερέθισμα. Στην πλειονότητα των μελετών, για να αναλυθούν οι αποκρίσεις του εγκεφάλου σε συγκεκριμένα ερεθίσματα χρησιμοποιείται η μέθοδος των ERPs. Ειδικά στην διερεύνηση της επεξεργασίας του συναισθήματος τα ERPs αντιπροσωπεύουν την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου που συνδέεται με διαφορετικές διαδικασίες επεξεργασίας ερεθισμάτων και παρέχουν σημαντικές πληροφορίας για την ρύθμιση του συναισθήματος. 28

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Koch C. and G. Laurent. Complexity and the nervous system. Science, 284:96 98, 1999. [2] Gray H.. Anatomy of the human body. Lea & Febiger, 1918 [3] Haines D. E.. Neuroanatomy. An Atlas of Structures, Sections, and Systems. Lippincott Williams & Wilkins, 2004. [4] D Esposito M., Functional neuroimaging of cognition. Seminars in Neurology 20 (2000), 487 498 [5] Villringer A., U. Dirnagl, Coupling of brain activity and cerebral blood flow: basis of functional neuroimaging. Cerebrovasc Brain Metab Rev 7 (1995), 240-276 [6] Gall, F. J. and Spurzheim, J. C. (1810) `Anatomie und Physiologie des Nervensystems im Allgemeinen und des Gehirns insbesondere', F. Schoell, Paris. [7] Penfield, W. and Rasmussen, T. (1952) `The Cerebral Cortex of Man'. Macmillan, New York. [8] Sperry, R. W. (1968) Hemisphere Deconnection and Unity in Conscious Awareness. American Psychologist 23,723-733 [9] Hoshi, Y. & Tamura, M. 1993a Detection of dynamic changes in cerebral oxyenation coupled to neuronal function during mental work in man. Neurosci. Lett. 150, 5±8. [10] Hoshi, Y. & Tamura, M. 1993b Dynamic multichannel near-infrared optical imaging of human brain activity. J. Appl. Ph.siol. 74, 1842±1846. [11] Kato, T., Kamie, A., Takashima, S. & Ozaki, T. 1993 J. Cereb. Blood Flow Meab. 13, 516±520. [12] Mamoru Tamura, Yoko Hoshi and Fumihiko Okada Localized near-infrared spectroscopy and functional optical imaging of brain activity. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B (1997) 352, 737-742 [13] Review:Non-invasive Neuroimaging using Near-Infrared light, Gary Strangman, David A. Boas, and Jeffrey P. Sutton, 2002 Society of Biological Psychiatry, Volume 52, Issue 7, Pages 679-693 G. Strangman [14] Cope M, Deply DT, Reynolds EOR, Wray S, Wyatt J, Van der Zee (1987): Methods of quantitation cerebral near infrared spectroscopy data. Adv Exp Med Biol 222:183-189 [15] Cope M, Van der Zee P, Essenpreis M, Arridge SR, Deply DT (1991): Data analysis methods for near infrared spectroscopy of tissue: problems in determining the relative cytochrome aa3 concentration. SPIE 1431:251-262 [16] Chance B, Cope M, Gratton E, Ramanujam N, Tromberg B (1998): Phase measurement of light absorption and scattering in human tissues. Rev Sci Instru 689:3457-3481 [17] Swartz Β.Ε., Timeline of the history of EEG and associated fields, Electroencephalography and Clinical Neurophysiology 106: 173 176, 1998. [18] Srinivasan R., Tucker D.M., Murias M., Estimating the spatial Nyquist of the human EEG, Behav Res Methods Instrum Comput p. 8 19, 1998. [19] Tassinary L.G., Geen T.H., Cacioppo J.T., Edelberg R., Issues in biometrics: offset potentials and the electrical stability of Ag/AgCl electrodes, Psychophysiology, 27: 236 242, 1990. [20] Jasper H.H., The 10 20 electrode system of the International Federation, Electroenceph. Cl. Neurophysiology 10, p. 370 375, 1958 [21] Chatrian G.E., Lettich E., Nelson, Ten percent electrode system for topographic studies of spontaneous and evoked EEG activity, American Journal EEG Technology 25, p. 83 92, 1985. [22] Oostenveld R., Praamstra P., The five percent electrode system for high resolution EEG and ERP measurements, Clinical Neurophysiology, Volume 112, Issue 4, p. 713 719, April 2001. [23] American Electroencephalographic Society, Guideline thirteen: Guidelines for standard electrode position nomenclature, J Clin Neurophysiol 11, p. 111 113, 1994. [24] Sanei S. Chambers J.A., EEG Signal Processing, John Wiley &Sons, 2007 29

[25] PeakMind, http://www.peakmind.co.uk/eeg.htm [26] Electrophysiology.com, http://www.electropsychology.com/electrical-brainpotentials. [27] Bennys K., Rondouin G., Vergnes C. & Touchon J., Diagnostic value of quantitative EEG in Alzheimer's disease, Clinical Neurophysiology: 31(3), p.153-160, 2001 [28] Γιαννακάκης Γ.Α., «Ανάπτυξη συστήματος υποστήριξης διάγνωσης ψυχικών ασθενειών με χρήση Προκλητών Εγκεφαλικών Δυναμικών», Διπλωματικήεργασία, ΕΜΠ, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών,2003. [29] Σκουλαρίκης Γ.Σ., «Μελέτη της Συνδεσιμότητας Περιοχών του Εγκεφάλου με εφαρμογή υπολογιστικών μεθόδων και δεδομένα ηλεκτροεγκεφαλογραφίας», Διπλωματική εργασία, ΕΜΠ, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών, 2006. [30] Revonsuo A., Portin R., Juottonen K., Rinne J.O., Semantic Processing of Spoken Words in Alzheimer's Disease: An Electrophysiological Study Source, Journal of Cognitive Neuroscience: 10 (3), p.408-420, 1998. [31] D. O'Mahony, M. Rowan, J. Feely, D. O'Neill, J.B. Walsh, D. Coakley, Parkinson's dementia and Alzheimer's dementia: an evoked potential comparison, Gerontology 39(4):228-40, PubMed Publications, 1993. [32] Roy R. Reeves, Frederick A. Struve, Gloria Patrick, J. Gary Booker, Dennis W.Nave, The Effects of Donepezil on the P300 Auditory and Visual Cognitive Evoked Potentials of Patients With Alzheimer's Disease, American Journal for Geriatric Psychiatry 7:349-352, November 1999. [33] Korpelainen J.T., Kauhanen, M.L., Tolonen U., Brusin E., Mononen H., Hiltunen P., Sotaniemi K. A., Suominen K., Myllyla V.V., Auditory P300 event related potential in minor ischemic stroke, Acta Neurologica Scandinavica: 101(3), p. 202-208, 2000. [34] Papageorgiou C., Liappas I., Asvestas P., Vasios C., Matsopoulos G.K., Nikolaou C., Nikita K.S., Uzunoglu N., Rabavilas A., Abnormal P600 in heroin addicts with prolonged abstinence elicited during a working memory test, Neuroreport: 12, p.1773-1778, 2001. [35] Koles Z.J., Trends in EEG source localization, Electroencephalography and clinical Neurophysiology, 106, p.127-137, 1998. [36] Γιαννακάκης Γ.Α., Ανάλυση ηλεκτροεγκεφαλογραφικού σήματος με εφαρμογές στην επιληψία και τις μαθησιακές δυσκολίες, Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία ΕΜΠ, Αθήνα 2005. [37] Quiroga R.Q., Quantitative analysis of EEG signals: time-frequency methods and chaos theory, Ph.D. Thesis, Lubeck, 1998. [38] Basar E., Basar C.- Roglou E., Karakas S., Schurmann M., Brain oscillations in perception and memory, International Journal of Psychophysiology, 35, 95-124, 2000. 30

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΜΕΘΟΔΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια η εφαρμογή δύο μεθόδων απεικόνισης ταυτόχρονα για τη μελέτη της ανθρώπινης εγκεφαλικής λειτουργίας γίνεται ολοένα και πιο συχνή. Οι τεχνικές λειτουργικής απεικόνισης θα μπορούσαν να διαχωριστούν και ως εξής: η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) και το Μαγνητικό Εγκεφαλογράφημα (MEG) τα οποία μετρούν απευθείας ηλεκτρομαγνητικά δυναμικά ενεργών νευρώνων. Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει λειτουργική Απεικόνιση με Μαγνητικό Συντονισμό (fmri), Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων (PET), της Τομογραφίας Μονοφωτονικής Εκπομπής (SPECT) και απεικόνιση με Φασματοσκοπία Εγγύς Υπερύθρου (NIRS), μέθοδοι που χρησιμοποιούν μεταβολικές αλλαγές ως μέτρηση νευρωνικής ενεργοποίησης. H εφαρμογή δύο μεθόδων λειτουργικής απεικόνισης ταυτόχρονα δίνει πολύ μεγαλύτερο όγκο πληροφοριών όταν ο συνδυασμός γίνεται και από τις δύο παραπάνω κατηγορίες. Αυτό επιτρέπει άμεση διερεύνηση της σχέσης μεταξύ της ενεργοποίησης των νευρώνων και της δεδομένης αλλαγής του τοπικού μεταβολισμού και έχει και το πλεονέκτημα να δίνει πολύ καλύτερη χωρική και χρονική ανάλυση. Ο συνδυασμός Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και λειτουργικής Απεικόνισης με Μαγνητικό Συντονισμό είναι μία γρήγορα αναπτυσσόμενη τεχνική και χρησιμοποιείται για τη μελέτη πολλών περιπτώσεων της εγκεφαλικής λειτουργίας και δυσλειτουργίας όπως σε κατάσταση ηρεμίας, λειτουργικής επεξεργασίας, επιληψίας και νευροαγγειακής ζεύξης (neurovascular coupling), παρόλο που υπάρχουν κάποιες σημαντικές τεχνικές δυσκολίες κατά την εφαρμογή των μεθόδων [1,2]. Η ταυτόχρονη εφαρμογή Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και Φασματοσκοπίας Εγγύς Υπερύθρου έχει αποδειχτεί πολύ ενδιαφέρουσα όχι μόνο γιατί αυτές οι μέθοδοι είναι σχετικά χαμηλού κόστους αλλά και επειδή είναι συμβατές μεταξύ τους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν παρά την κλίνη του ασθενούς. Ο συνδυασμός Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και Φασματοσκοπίας Εγγύς Υπερύθρου έχει ήδη εφαρμοστεί σε ένα μεγάλο όγκο ερευνών για την λειτουργική επεξεργασία σε ενήλικες και παιδιά, που συμπεριλαμβάνουν και μελέτες σε κατάσταση ηρεμίας, οπτικής επεξεργασίας και νευροαγγειακής ζεύξης (neurovascular coupling) [3,4]. Παρόλα αυτά η πιο σημαντική εφαρμογή του συνδυασμού αυτών των μεθόδων είναι στην ιατρική που εφαρμόζεται στα νεογνά. Αρχικές έρευνες δείχνουν ότι η 31

παράλληλη παρακολούθηση των ηλεκτρικών σημάτων του εγκεφάλου και οι αιμοδυναμικές αλλαγές σε ένα νεογνό δίνουν κάποιες πληροφορίες για συγκεκριμένες εγκεφαλοπάθειες και βοηθούν στην έγκαιρη διάγνωση [5,6]. 2.2 ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ HΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΕΓΓΥΣ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ (EEG-NIRS) Πολύ ενδιαφέρουσες και συμπληρωματικές πληροφορίες συλλέγονται κατά την ταυτόχρονη μέτρηση ηλεκτροφυσιολογικών αλλαγών και αλλαγών στον όγκου του αίματος όταν συνδυάζονται οι μέθοδοι απεικόνισης του Ηλεκτροεγκεφαλογράφηματος και της Φασματοσκοπίας εγγύς Yπερύθρου (fnir- EEG)[7]. Η Φασματοσκοπία εγγύς Υπερύθρου καθώς και άλλες οπτικές μέθοδοι όπως για παράδειγμα η απεικόνιση οπτικής διάχυσης υπερτερούν της Απεικόνισης Μαγνητικού Συντονισμού όπως δείχνουν πρόσφατες μελέτες σε νεογνά και βρέφη[8-10]. Η συσκευή της NIR είναι φορητή, συμβατή με το EEG και όχι ιδιαίτερα ευαίσθητη σε σφάλματα που οφείλονται σε κίνηση με αποτέλεσμα να την καθιστά ιδανική για την εφαρμογή της σε νεογνά και βρέφη. Πρόσφατα, με ταυτόχρονη εφαρμογή των δύο παραπάνω μεθόδων, έλαβαν χώρα δύο μελέτες με ταυτόχρονη απεικόνιση αγγείων και καταγραφή ηλεκτροφυσιολογικών αποκρίσεων κατά τη διάρκεια επιληπτικών κρίσεων νεογνών [8] και απόκτησης γλωσσικής ικανότητας [9] Πολλές άλλες μελέτες με ταυτόχρονη εφαρμογή των δύο παραπάνω μεθόδων έχουν γίνει όπως για παράδειγμα μετρήσεις σε περιπτώσεις με υψηλό φόρτο εργασίας [11], κατά τη διάρκεια επιληπτικών εκτονώσεων [12], ψυχολογικού στρες [13] και ακουστικών ερεθισμάτων [14]. Για να συνδυαστούν λοιπόν οι παραπάνω μέθοδοι έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για την κατασκευή διατάξεων οι οποίες περιλαμβάνουν ξεχωριστές δέσμες από ηλεκτρόδια και οι οπτικές ίνες στο κεφάλι του εξεταζομένου και έτσι έχουν καταφέρει να πραγματοποιήσουν μια οπτική τομογραφία και ένα πολύκαναλικό ηλεκτροεγκεφαλογράφημα πάνω απ την ίδια περιοχή του εγκεφάλου. Στις τελευταίες έρευνες έχουν παρουσιαστεί σωλήνες οι οποίοι περιέχουν και οπτικές ίνες και ηλεκτρόδια κι έτσι μεγιστοποιούν την ευκολία της εφαρμογής και επίσης μεγιστοποιούν τον αριθμό από σένσορες που μπορούν να εφαρμοστούν σε μια δεδομένη περιοχή του κεφαλιού. Για να επιτευχθεί η ταυτόχρονη προσκόλληση πολλών ηλεκτροδίων και οπτικών ινών στο κρανίο του υποκειμένου έχει κατασκευαστεί ένα καινούριο oπτοηλεκτρόδιο το οποίο περιλαμβάνει και ηλεκτρόδια Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και μια δέσμη οπτικών ινών όπως φαίνεται στην Εικόνα 2.1. Τα πιο σύγχρονα οπτοηλεκτρόδια που έχουν κατασκευαστεί είναι για πιο περιορισμένες περιοχές σε κεφάλι 32