Z Brain-wiki
Skocz do: nawigacja, szukaj

Wśród metod badawczych neurofizjologii, elektroencefalogram (EEG) wyróżnia się najdłuższą historią zastosowań klinicznych, najniższym kosztem, całkowitą nieinwazyjnością i najwyższą rozdzielczością czasową. Dwie ostatnie cechy wykazuje również magnetoencefalografia (magnetoencephalography MEG), oparta na zapisie pól magnetycznych generowanych przez płynące w mózgu prądy. Jednak ich zapis wymaga stosowania drogiej i nieprzenośnej aparatury (zob. rozdział Fizyczne i techniczne aspekty rejestracji sygnałów bioelektrycznych), więc na razie skoncentrujemy się na EEG. Aby zrozumieć stan aktualny zaczniemy od historii.

Luigi Galvani
(1737-1798)

Pionierzy badań nad bioelektrycznością

Początki badania bioelektryczności sięgają okresu jedności nauk przyrodniczych. W roku 1786 Luigi Galvani (rys. 1) wykonał słynne doświadczenie: wykazał, że jednoczesne dotknięcie mięśnia wypreparowanej kończyny żaby dwoma (połączonymi ze sobą) różnymi metalami wywołuje skurcz. Mimo błędnej interpretacji, doświadczenie to wpłynęło stymulująco na badania elektryczności — prawidłową interpretację podał Alessandro Volta w roku 1796. Minęło 50 lat, nim do istoty „elektryczności zwierzęcej” zbliżył się Du Bois-Reymond, wykazując w roku 1848, że aktywności w nerwie obwodowym towarzyszy niezmiennie zmiana potencjału na jego powierzchni.

Richard Caton
(1842-1926)

Pierwszy opis czynności elektrycznej mózgu pojawił się w roku 1875 w sprawozdaniu z grantu przyznanego przez British Medical Association (Brazier 1961). Richard Caton (rys. 2) wykazał korelację między prostymi czynnościami (ruch głową, przeżuwanie) a zmianą potencjału w odpowiednich obszarach kory mózgowej kotów i królików. Zawarte w raporcie zdanie feeble currents of varying directions pass through the multiplier when the electrodes are placed on two points of external surface... stanowiło ponadto pierwszy opis elektroencefalogramu. Jednak publikacje Catona w czasopiśmie czysto medycznym przeszły nie zauważone.

Adolf Beck
(1863-1942) w szatach rektora Uniwersytetu we Lwowie (portret pędzla S. Batowskiego, 1934)
Napoleon Nikodem Cybulsk
i (1854-1919)

W roku 1886 23-letni Adolf Beck (rys. 3) rozpoczął pracę na wydziale fizjologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie pod kierunkiem profesora Cybulskiego (rys. 4). W roku 1890 obronił rozprawę doktorską Oznaczenie lokalizacyi w mózgu i rdzeniu za pomocą zjawisk elektrycznych (Beck 1891). Podobnie jak inni, zajmujący się podówczas podobną tematyką, nie wiedział o wcześniejszych pracach Catona. Jednak rozprawa jego stanowiła znacznie głębsze studium problemu lokalizacji funkcji sensorycznych w mózgu jak i samego elektroencefalogramu (odkrył m. in. jego desynchronizację w odpowiedzi na bodźce). Wyniki te opublikował w najszerzej podówczas czytanym piśmie fizjologicznym — Centerblatt für Physiologie (Beck 1890). Jego krótki artykuł rozpętał burzę pretensji do palmy pierwszeństwa — m. in. Ernest Fleischl von Marxow dowodził, że obserwacje czynności elektrycznej mózgu spisał wcześniej w liście złożonym w... sejfie Cesarskiej Akademii Nauk w Wiedniu (był to pono zwyczaj podówczas nierzadki na niektórych uniwersytetach Europy). Beck odpowiedział skromnie, że technikę badania potencjałów nerwów i konstrukcję elektrod opracował Du Bois-Reymond, więc zastosowanie znanej techniki do rozwiązania nowego problemu nie zasługuje na miano odkrycia. Stwierdził ponadto, że motywem podjęcia tych eksperymentów był konkurs ogłoszony w październiku 1888 przez prof. Cybulskiego, który jest w związku z tym autorem idei. Dyskusję uciął Caton, cytując wspomniane powyżej sprawozdanie.

Głównym celem opisywanych wyżej badań było wykorzystanie elektrofizjologii do lokalizacji funkcji w mózgu. Wróćmy jednak do „ubocznego” ich efektu, czyli elektroencefalogramu, dla którego Beck zaproponował nazwę aktywny prąd niezależny, w odróżnieniu od prądów wywołanych stymulacją. Ogromne postępy w zakresie jego badania i interpretacji poczynił wspomniany już profesor Napoleon Nikodem Cybulski, choć wieloletni brak funduszy na sprzęt fotograficzny odebrał mu szansę na pierwszeństwo w opublikowaniu zdjęcia zapisu czynności elektrycznej mózgu.

Jak widać z tej historii, również w dziedzinie badań czynności elektrycznej mózgu stoimy na ramionach gigantów. Można też z niej wyciągnąć inne wnioski, niezmienne od lat: choć wiemy, że wyniki należy publikować w dobrych czasopismach o zasięgu międzynarodowym, to poziom finansowania nauki w Polsce czasem stawia nas na przegranej pozycji.

Aktywny Prąd Niezależny

Potencjały mózgowe mierzone z powierzchni skóry czaszki są zaledwie rzędu mikrowoltów, dlatego opisane w poprzednim podrozdziale eksperymenty prowadzono na odsłoniętych mózgach zwierząt, gdzie sygnał — mierzony w bezpośredniej bliskości źródeł, nie oddzielonych od elektrod płynem owodniowym, czaszką i skórą — był wystarczająco silny dla ówczesnych galwanometrów. Pierwszy zapis elektroencefalogramu człowieka (z powierzchni czaszki swego syna) uzyskał w roku 1925 Hans Berger, jednak wyniki trzymał w tajemnicy aż do skompletowania bogatego materiału, który opublikował w 1929 w artykule Über das Elektroenkephalogramm des Menschen (Berger 1929). Artykuł ten stanowi dziś klasykę elektroencefalografii klinicznej, rozpoczął również serię corocznych (do 1938) publikacji Bergera o niemal jednobrzmiących tytułach. Berger potwierdził występowanie w mózgu człowieka większości efektów opisywanych u zwierząt, odrzucił jednak zaproponowaną przez Włodzimierza Włodzimierzowicza Prawdzicz-Niemińskiego (który pierwszy opublikował w 1912 zdjęcie elektroencefalogramu) nazwę elektrocerebrogram jako barbarzyński zlepek greki i łaciny.

Współczesny program do wyświetlania i analizy wielokanałowych zapisów EEG. W aktywnym oknie widoczne widmo zaznaczonego fragmentu sygnału. System rozwijany w Uniwersytecie Warszawskim, dostępny na licencji GNU z http://braintech.pl/svarog
Okienko edycji montażu w programie Svarog.pl. Widoczne ustawienia odpowiadają montażowi bipolarnemu

W dniu dzisiejszym technologia zapisu EEG wykorzystuje doskonałe, specjalizowane elektroniczne mikrowoltomierze różnicowe, czyli elektroencefalografy. Zapewnia też wystarczające próbkowanie w czasie i przestrzeni: nawet tysiące Hz i 130 obserwowanych jednocześnie odprowadzeń (elektrod). Wiele do zrobienia pozostaje natomiast w dziedzinie analizy i interpretacji otrzymanych w ten sposób danych; na przykład w klinicznych zastosowaniach EEG postęp ostatnich dziesięcioleci EEG podsumować można wręcz jako przejście od analizy wzrokowej zapisów EEG na papierze do analizy wzrokowej EEG wyświetlanego na ekranie komputera — pomimo ogromnego rozwoju matematyki i informatyki podstawową metodą jest tu wciąż analiza wzrokowa (Nuwer 1997).

Jednym z usprawnień wprowadzonych przez cyfrową rejestrację EEG jest łatwa możliwość zmiany referencji (tzw. montażu) wyświetlanego sygnału. Dane rejestrowane są zwykle w postaci różnicy potencjałów między daną elektrodą a elektrodą odniesienia, jednak często wygodniej jest wyświetlać różnice potencjałów między wybranymi elektrodami (rys. 6).

EEG i MEG, czyli elektro- a magnetoencefalografia

Magnetoencefalografia jest techniką pozwalającą na pomiary pól magnetycznych indukowanych przez zmienne prądy płynące w mózgu. Pola magnetyczne generowane przez neurony są niezwykle małe rzędu 100-103 fT — rzędy wielkości mniejsze niż szum magnetyczny pochodzący ze środowiska (rzędu 10^8 fT). Do ich pomiaru wykorzystuje się niezwykle czułe sensory — nadprzewodzące interferometry kwantowe (ang. superconducting quantum interference devices (SQUIDs)). Zasadę działania aparatury MEG i jej zastosowania są opisane w rozdziale Magnetoencefalografia.

MEG i EEG mierzą ślady tych samych procesów elektrycznych zachodzących w mózgu. Jednak propagacja pola magnetycznego jest znacznie mniej zakłócana przez zmienne własności ośrodków pomiędzy źródłami (przybliżanymi zwykle modelem dipola prądowego) a czujnikami. Można powiedzieć, że granice tkanek, czaszki, skóry i powietrza, wpływające bardzo mocno na pole elektryczne, są dla pola magnetycznego przezroczyste. O ile w EEG widać aktywność wszystkich odpowiednio silnych źródeł, to MEG wykazuje tylko wkłady od źródeł dipolowych zorientowanych prostopadle do promienia kuli przybliżającej głowę.

Z dokładnością do powyższych różnic, struktury widoczne w sygnałach EEG i MEG są zwykle dość podobne. Dlatego również metody analizy obu tych sygnałów są praktycznie jednakowe, za wyjątkiem metod lokalizacji przestrzennej źródeł, opisanych w części Problem odwrotny w elektro- i magnetoencefalografii, w rozdziale Metody analizy sygnałów EEG - przykłady[1].

Literatura

Beck, A. Die Stroeme der Nervencentren. Centerblatt fuer Physiologie, 4: 572-573, 1890.

Beck, A. Oznaczenie lokalizacyi w mózgu i rdzeniu za pomoca zjawisk elektrycznych. W Rozpr. Wydz. mat.-przyr., numer I w Seria II: 186-232. Polska Akad. Um., 1891. Przedstawiono 20 października 1890.

Berger, H. Uber das Elektrenkephalogramm des Menschen. Arch. f. Psychiat., 87: 527-570, 1929.

Brazier, M. A. B. A History of the Electrical Activity of the Brain, The First Half-Century. Pitman Medical Publishing, 39 Parker Street, London W.C. 2, 1961.

Nuwer, M. Assessment of digital EEG, quantitative EEG, and EEG brain mapping: report of the American Academy of Neurology and the American Clinical Neurophysiology Society. Neurology, 49: 277-292, 1997.