P Á Z M Á N Y P É T E R K A T O L I K U S E G Y E T E M, I N F O R M Á C I Ó S T E C H N O L Ó G I A I K A R ELEKTROFIZIOLÓGIAI MÉRÉSEK ÉS PROTÉZISEK Jegyzet Tartalom: 1. Az elektrofiziológia fogalma, definiciója 2. Az elektrofiziológia történetének főbb fejezetei 3. A biopotenciál elvezetés típusai, intracelluláris elvezetéstől a makropotenciál elvezetésig 4. A biopotenciál elvezető elektródok jellemző tulajdonságai (impedancia, frekvencia átvitel) 5. Fém biopotenciál elvezető elektródok jellemzői 6. Az elektród potenciál fogalma és jelentősége 7. Egyetlen sejt aktivitásának vizsgálatára használt elektródák 8. A sejtaktivitás befolyásolása iontoforézissel 9. A szinaptikus potenciálok típusai, mérésükre alkalmazott módszerek 10. A biológiai előerősítők jellemző tulajdonságai 11. Az EEG elvezetés technikája 12. EEG elvezetésnél jelentkező zavarok kivédése 13. Az EEG tevékenység jellemző összetevői 14. Eseményhez-kötött potenciálok típusai (exogén, endogén komponensek) 15. Eseményhez-kötött potenciálok vizsgálatára használt eljárások (átlagolás) 16. EEG-ERP számítógépes analízisének főbb módszerei 17. EEG genezis, bioelektromos mezők típusai 18. ERP forrás-analízis jelentősége 19. Magnetoenkefalográfia 20. Elektromiográfia 21. Neurometria 22. Feszültség-zár (voltage-clamp) módszer jelentősége 23. Intrakortikális mezőpotenciálok vizsgálata 24. Current source density analízis 2004 Sz.T., Cs.R., M.A.
1. Az elektrofiziológia fogalma, definiciója bioelektromos forrású elektromos mezők mérése. Tág definíció: bioelektromos jelenségek élettani vizsgálata. Korai definíció: elektronikus eszközök alkalmazása at élettani vizsgálatokban. Szűkebb definíció: a perifériás- és központi-idegrendszer bioelektromos jelenségeinek vizsgálata. Eredet: Minden sejt ingerlékeny, válaszol az elektromos, kémiai és más ingerekre. Sőt egyen- (DC) vagy váltakozó (AC) áramot, illetve feszültséget is fenntart. Bioelektromos jelek osztályozása: Idegszövet Izomszövet Más szövet Bioelektromosság elektroenkefalográfia (EEG) elektroneurográfia (ENG) elektroretinográfia (ERG) elektrokardiográfia (ECG) elektromiográfia (EMG) elektrookulográfia (EOG) elektronisztagmográfia (ENG) Bioelektromágnesség magnetoenkefalográfia (MEG) magnetoneurográfia (MNG) magnetoretinográfia (MRG) magnetokardiográfia (MCG) magnetomiográfia (MMG) magnetookulográfia (MOG) magnetonisztagmográfia (MNG) 2
Stimuláció Terápiás alkalmazások Bioelektromosság patch clamp, voltage clamp központi idegrendszer vagy motoros egységek elektromos stimulációja elektromos szívütemezés elektromos defibrilláció elektroterápia elektrosebészet (kauterezés) sebészi diathermia Bioelektromágnesség központi idegrendszer vagy motoros egységek mágneses stimulációja mágneses szívütemezés mágneses defibrilláció elektromagnetoterápia Ideg- és izomsejteknél tipikus esetben az elektromos feszültségkülönbség a sejt belseje és külseje közt alakul ki és ingerlésre legtöbbször gyorsan lefutó impulzus (spike = tüske) keletkezik és terjed, majd többnyire kémiai közvetítő anyagokkal újabb elektromos jelet vált más sejteken. Jellegzetes a külső ingerben és a válaszban foglalt energia aránya (trigger = ravasz-jelenség) is. A megfelelő inger energiája kicsi a válaszokban foglalt energiához képest. A bioelektromosság töltéshordozói (+ és -) ionok és nem elektronok. Kritikus szerepet játszik a feszültségek fenntartásában a sejtek szinte molekuláris határhártyája. 2. Az elektrofiziológia történetének főbb fejezetei első írásos dokumentum: Kr.e. 4000: emberi stimuláláció elektromos harcsával (egyiptomi hieroglifák szerint), első orvosi alkalmazás: 46-ban Scribonius Largus fejfájást és köszvényes ízületi gyulladást kezelt elektromos torpedó hallal, a XVII. századig az elektromos halak maradtak az elektromosság egyedüli forrásai, hosszú idő telt el, amíg az ideg- és izomaktivitást az elektromossággal kapcsolatba hozták. Megelőzően inkább más analógiákat kerestek. Így a francia felvilágosodás szerzői (Diderot, D'Alembert, Holbach), mechanikus (folyadék, pneuma) vagy éppen obskurus magyarázatokat adtak. Newton az idegekben és a látás során az éter" vibrációs mozgásairól beszél. Luigi Galvani (1737-1798) békakísérletei; 1791: a fémekkel érintkező békaizom ráng, összehúzódik. Volta ezt fém-folyadék által létrehozott állandó feszültségnek tulajdonította. Giovanni Aldini kivégzésekről gyűjtögetett emberfejeken kísérletezett. Johannes Müller 1844-ben kijelenti, hogy az ingerület vezetésése az idegekben fénysebességű, ezért azt megmérni nem lehet, mert a fény sebességét (elegendő távolság hiányában) nem lehet mérni. Ehhez képest Hermann L.F. von Helmholtz 1850-ben megméri a béka ideg vezetési sebességét, mely ~30 m/s-nak bizonyul. Du Bois Reymond (1849) mutatta ki, hogy a békaizom, vagy a békanyúltagy sértett fele negatív a sértetlenhez képest. Ő az elektrofiziológia megalapítója". Gustav Theodor Fritsch & Eduard Hitzig: az agykéreg elektromos ingerlése. Richard Caton(1842-1926) elsőként vezetett el bioelektromos jeleket kutya agykérgéről. Hans Berger(1873-1941) elsőként vezetett el agyi bioelektromos jeleket emberről. 3
3. A biopotenciál elvezetés típusai, intracelluláris elvezetéstől a makropotenciál elvezetésig Potenciál elvezetés: két elektród közötti potenciál-különbséget mérjük. Ennek típusai: bipoláris: mindkét elektród aktív felületen vagy szövetben helyezkedik el. uni(mono-)poláris: csak az egyik elektród van aktív szövetben, a másik indifferens, nem aktív (0 potenciálú) helyen van. Elvezetések típusai lokalizáció szempontjából: intracelluláris elvezetés: üvegkapilláris mikroelektród sejttevékenység vizsgáláta extracelluláris elvezetés: üvegkapilláris mikroelektród hegyezett fémelektród lakk szigeteléssel akut kísérletek hegyezett fémelektród üveg szigeteléssel elektród áthúzássa üvegcseppen szénszál üvegkapilláris szigeteléssel jó vezető, de kicsi a potenciálja szigetelt vékony fémhuzal (fine wire electrode) tetród (4 fine wire elektród eltérő távolságban a sejttől) multielektród lokális mezőpotenciál elvezetés: a fentiek bármelyikével (0-500 Hz) makropotenciál elvezetés: felszíni elvezetés: fémkorong elektród, Ag/AgCl elektród intracerebrális: szigetelt fémhuzal elektród, multielektród, tű elektród AEP:Auditory Evoked Potential; EP:Evoked Potential; FP:Field Potential; RP:Resting Potential; PSP:Postsynaptic Potential 4
4. A biopotenciál elvezető elektródok jellemző tulajdonságai ( impedancia, frekvenciaátvitel) Ideális elektród nincs! mert az elektród, mint a mérőeszköz része, beavatkozik a rendszerbe. Az élő szövet kémiailag agresszív közeg! képes a számára idegen anyagokat roncsolni, sőt fel is emészteni. Ezért fontos az elektród biokompatibilitása! (ld: fémelektródok jellemzői) Elektródokat jellemző tulajdonságok: elektród impedancia az elektród bemenő impedanciája méretétől és anyagától függ. elektród potenciál (ld:elektródpotenciál fogalma és jelentősége) elektród stabilitás, biokompatibilitás (ld: fémelektródok jellemzői) R S: paszta R F: elektród C: elektród kapacitás; W: Wartburg impedancia (frekvenciafüggő); C 0: kóborárammal kapcsolatos impedancia Pl.: 150 ηm átmérőjű 2mm hosszú rozsdamentes acél drótszakasz kapacitása 0.05ηF, impedanciája: 10 MΩ ellenállás; ellenállás; Az elektród impedanciájának frekvenciafüggése: a frekvencia növekedésével csökken az ellenállás, és fordítva (függvény karakterisztikája: ~ 1 / x alakú). 5
5. Fém biopotenciál elvezető elektródok jellemzői Optimális biopotenciál elvezető fémelektród: Ag/AgCl. Ennek átviteli karakterisztikája közel azonos az eredeti jelalakhoz, míg más fémelektródoknál csak közelítő eredményt kapunk. Sorrendben egyre rosszabb karakterisztikájúak: platinum, ezüst, réz, arany, rozsdamentes acél. Feszültség Áram Az elektród impedanciájának frekvenciafüggését is befolyásolja az elektród anyaga. Míg platinum esetében közel 1/x alakú a karakterisztika, rozsdamentes acélnál már jóval lapultabb a függvény, az Ag/AgCl anyagú elektród Ag/AgCl azonban konstans nullaközeli karakterisztikájú, azaz impedanciájának nincs frekvenciafüggése. Platinum Jeláteresztés tekintetében is az Ag/AgCl a legjobb teljesítményű 0.5Hz környékétől 100%-közeli szinten engedi át a jeleket, míg a rozsdamentes acél 1mm-es heggyel csak 6Hz-től képes ugyanerre, 0.5mm-essel pedig maximum Ezüsta jel ~85%-ának átvitelére képes, azt is csak 15Hz felett. Réz Elektródstabilitás korrózió hatásai: Vastárgy felületének vízzel történő találkozása esetén lokálelem képződik, melynek során a vas igyekszik Arany oldódni. Ekkor Fe(II) kationok keletkeznek (Fe = Fe 2+ + 2e - ), s elektronok maradnak vissza a fémben. A keletkező elektronokat a vízcseppben oldott oxigén veszi fel, mely a víz molekulákkal hidroxil ionokat képez. Rozsdamentes acél Az oxigén diffúzió útján mindig pótlódik. A folyamat során az anód a csepp közepén, katódja a csepp szélén alakul ki. A képződött lokálelem rövidre van zárva; az áramot a két sarok között a fémtárgy vezeti. Így a korrózió a vas közepén történő oldódásához vezet. 6. Az elektród potenciál fogalma és jelentősége Fém-folyadék érintkezésekor ionmozgás alakul ki polarizáció egyensúlyi állapotra való törekvés. Minthogy a potenciált mindig valamilyen referenciaponthoz hasonlítjuk, elektródoknál is hasonló az eset: az elektród potenciálértéke = standard hidrogén elektróddal szemben mért potenciálkülönbség. Az elektródreakciók (oldódás - kiválás) sebességét az határozza meg, hogy idõegység alatt hány ion jut át az energiagát (elektród és oldat közötti potenciálkülönbség) egyik oldaláról a másikra. Ha a két sebesség egyenlõvé válik, az elektródreakció dinamikus egyensúlyba jut és kialakul az elektród és az oldat közötti egyensúlyi elektromos potenciálkülönbség, amit ELEKTRÓDPOTENCIÁLNAK nevezünk. Agyi bioelektromos jelek forrása: Az agyi bioelektromos jelek létrejöttéért az agykérgi piramissejtek oszlopokba, ún. columnákba rendezettsége a felelős. Egy columna 10 5 nagyságrendű piramissejtből áll. Ezeknek a neuronoknak az apicalis dendritjeiben létrejövő dipólus változásokat regisztrálja az EEG. A piramissejtek szómái a kéreg 3., 4., és 5. rétegeiben helyezkednek el, az 1. és a 2. rétegben ezen sejtek csúcsdendritjei, a koponya görbületére merőlegesen helyezkednek el. Ezekhez kapcsolódnak a thalamus nem specifikus magvaiból érkező thalamocorticalis axonok. Ez utóbbiak EPSP-t váltanak ki az apicalis dendritben, melynek hatására extracelluláris potenciálkülönbség jön létre. Elektród potenciál jelentősége: Segítségével pathológiás (vagy más) eredetű idegrendszeri elváltozásokat, jelenségeket regisztrálhatunk, ma már kellő pontossággal. Noha az EEG mellett már fejlettebb orvosi diagnosztikai és képalkotó eljárások léteznek, vannak esetek, melyekben még mindig kiemelkedő fontossággal bír ez az elektrofiziológiai vizsgálómódszer. Ilyen eset pl. az acusticus neurinoma észlelése: a BAEP már a tumor korai stádiumában pozitív lehet, amikor a rutin audiológiai vizsgálat, valamint a CT még nem jelez kóros eltérést. Hasonlóképp, a klinikum, a liquor és képalkotó vizsgálatok alapján biztosan SM-es betegek 50-70%-ában a BAEP agytörzsi működészavart bizonyít akkor is, ha a betegnek nincs agytörzsi laesiora utaló tünete. 6
7. Egyetlen sejt aktivitásának vizsgálatára használt elektródák intracelluláris elvezetés: üvegkapilláris mikroelektród sejttevékenység vizsgáláta extracelluláris elvezetés: üvegkapilláris mikroelektród hegyezett fémelektród lakk szigeteléssel akut kísérletek hegyezett fémelektród üveg szigeteléssel elektród áthúzássa üvegcseppen szénszál üvegkapilláris szigeteléssel jó vezető, de kicsi a potenciálja szigetelt vékony fémhuzal (fine wire electrode) tetród (4 fine wire elektród eltérő távolságban a sejttől) multielektród 8. A sejtaktivitás befolyásolása iontoforézissel Az elektródok az elektrofiziológiában ingerlésre és a keletkezett elektromos jel (lassú vagy impulzusszerű hullám) elvezetésére szolgálnak. Ugyanakkor az anyagok bevitelére (iontoforézis) is használhatók. Elektrofiziólógiai megközelítésben ezt az eljárást sejtek ingerlésére használják. Az iontoforézis ionok szövetbe való bejuttatásának az ionokat tartalmazó elektrolit oldaton végigfutó elektromos áram segítségével véghezvitt folyamata, megfelelő elektrolit polaritás használatával. Ez elektromotoros erőt foglal magában. A bejuttatás módja: Iontophoresis is an application of Energy Medicine. It is the process of causing ions and drugs to diffuse into living tissue with the aid of low voltage electrical currents, pulsed with unique waveforms and specific frequencies. It has been used to inhibit skin infections and to diffuse anti-inflammatory drugs into painful and swollen joints and tissues. It is so safe and painless that it has been used on the cornea to diffuse antibiotics into the eyes. Any area of the body can be treated for fungus typically feet, groin, scalp, fingers. For each location a specially shaped electrically conductive pad or basin is used. A typical session lasts 30 minutes and is usually given 3-5 times weekly for 2 weeks, then on a weekly basis. Treatment is more effective during an acute outbreak because the deeper cells are more exposed. 9. A szinaptikus potenciálok típusai, mérésükre alkalmazott módszerek A szinaptikus áramok abban különböznek az akciós poteciáloktól, hogy míg azok terjednek, ezáltal mozgó extracelluláris mezőt hozva létre, előbbiek nem mozognak, amennyiben ugyanazokat a szinapszisokat aktiváljuk: extracelluláris mezejük állónak tekithető. A kettő közötti fő különbség a regeneratív természetükben és időbeli lefolyásukba rejlik. (Az akciós potenciál ms-os vagy azon belüli, az EPSP 10-20 ms, az IPSP 100 ms is lehet.) A szinaptikus potenciált a preszinaptikus sejtben kalcium beáramlása okozza (akciós potenciál, ami az axodombtól végigfut az axonon a telodendria végéig), míg a posztszinaptikus sejtben egy vagy egy pár különböző ion membránon keresztül-áramlása okozhatja. Forrás (source: sejtből kifelé irányuló áram), nyelő (sink: sejtbe iráyuló áram). EPSP (excitatory post synaptic potential): depolarizáló szinapszis, a nyelő aktív (pl. nátrium beáramlása), a forrás passzív, a neuront a threshold irányába viszi; IPSP (inhibitory post synaptic potential): hiperpolarizáló szinapszis, a forrás aktív, a nyelő passzív (pl. klór beáramlása), a neuront távolabb viszi a threshold-tól. A különálló EPSP-k és IPSP-knek nincs megfigyelhető hatása a membránpotenciálra. De összeadódva meghatározzák, hogy geerálódik-e akciós potenciál (az összeadási pont az axondomb (axon hillock)). 7
Valószínűleg a neuronban az axondombnak van a legkisebb threshold értéke (a feszültségfüggő nátrium és kálium csatornák nagy koncentrációja miatt). Mind az EPSP-k, mind az IPSP-k alatt a membrán ellenállása és konduktanciája változik. Általában a vezetés megnő, miközben az ellenállás lecsökken, amit a neurotranszmitterek stimulációjának következtében megnyíló ioncsatornák okoznak. IPSP esetében néha az ellenállás nő, megnehezítve ezzel a membrán polarizációját. A tényt, hogy a membrán ellenállás változik, egyszerű kísérletileg igazolni, ugyanis a neuronok is követik az Ohmtörvenyt: V=I(R). A kísérletben két mikropipettát vezetünk a posztszinaptikus membránba. Az egyik feszültséget mér, a másik periodikusan elektromos áramimpulzusokat bocsát ki. EPSP előtt a feszültseg állandó maradt. EPSP alatt a feszültseg csökkent. Mivel az áramot nem változtattuk, a kisebb feszültség csak a membrán ellenállásának csökkenését jelentheti. EPSP esetén nátrium áramlik be a sejtbe és kálium áramlik ki belőle, depolarizálva a sejtet. A kálium egyensúlyi potenciálja -90 mv körül van, a nátriumé +50 mv körül, így az EPSP-k esetén a reversal potential (nem folyik áram a membránon stimuláció hatására, tehát a potenciálban sincs változás) 0 es -20 mv között van. Az IPSP hiperpolarizálja a neuron membránját K+ kiáramlásával és Cl- beáramlásával. Az IPSP reversal potenciálja -70 mv körül van. 10. A biológiai előerősítők jellemző tulajdonságai Fő alkalmazási területek: mikroelektródák (single-unit activity, field potential, motoros egységek, stb.), kiváltott potenciálok, több csatornás elvezetések (EEG, cortical depth mapping, stb.), testfelszín potenciálok (EKG, EMG, EEG, ERG, stb.), mikropotenciálok (HIS-köteg, stb.) A differenciálerősítő két bemeneti jel: (-) és (+) különbségét erősíti fel. A (-) és (+) bemeneti feszültségek ellentétes hatással vannak a kimenetre. A (+)-n növekvő pozitív feszültség eredményeképpen a kimeneti feszültség pozitívabb, a (-)-n növekvő pozitív feszültség esetén pedig negatívabb lesz. Hasonlóképpen a (+)-on növekvő negatív feszültség a kimenetet negatívabbá teszi, a (-) bemenet pedig épp ellenkezőleg. Emiatt az összefüggés miatt a (-) bemenetet szokás invertáló bemenetnek, a (+)-t pedig neminvertáló bemenetnek hívni. A differenciálerősítők minden negatív visszacsatolást használó rendszerben megtalálhatók, ahol az egyik bemenet a bemenő jel, a másik pedig a visszacsatolt jel. Biológiai alkalmazásokban azonban nem egy visszacsatolt rendszer részeként alkalmazzák őket, hanem a rendszerint nagyon alacsony biológiai jel felerősítésére és a zaj kiküszöbölésére. A közös módusú erősítés (common mode gain) a differenciálerősítők azon tulajdonsága, hogy mekkora az erősítése két azonos bemenet esetén. Ideális esetben ez nulla és csak a különbséget erősíti (differential gain). A kettő arányát hívják közös 8
módusú elnyomásnak (common mode rejection). Ezt a tulajdonságot használják zajelnyomásra. Ugyanis a zaj mindkét bemeneten megjelenik, a számunkra érdekes jel azonban csak az egyiken. Így a kettő különbsége pont a releváns jel lesz, ezt fogja erősíteni (kb. 100 db). A differenciálerősítők sáváteresztő szűrőként is használhatók, ahol a levágási frekvencia a használt kapacitásoktól és ellenállásoktól függ. Digitális szűrőket érdemes alkalmazni, mert az analóg szűrőknél fáziseltolás léphet fel, mikor a kondenzátor lelassítja a jelet, torzulás léphet fel. 11. Az EEG elvezetés technikája Elektródák a fejre (Ag-Cl), paszta (sós oldat), 10-20-as elrendezés, újabban 10%-os elosztás.. Erősítő, szűrők: minden csatornán azonosnak kell lenniük az embernél, az összehasonlítás miatt. Szimmetrikus elvezetés!!! Ha az egyik oldalon sérülés vagy bármi más akadályozza az elektród pontos elhelyezését, akkor a lehető legközelebb kell tenni az ideális helyhez, ÉS a másik oldalon szimmetrikusan kell elhelyezni a megfelelő elektródot. Elektródsapka. Bipoláris elvezetés: két pont közötti feszültséget mutatja. Monopoláris elvezetés: az összes ponthoz egy indifferens referencia pont, az ehhez viszonított feszültségeket méri. Hol legyen a referencia pont? A testen kell lennie, különben az ellenállás végtelen lesz (nem alakul ki áramkör), de valahol nagyon messze, hogy tényleg indifferens legyen. A lábon nem jó, mert az EKG belezavarna (kb. 1 mv-os amplitúdó). Lehetséges megoldás: fül. Másik megoldás: az elvezetett jeleket nagy ellenállás után átlagoljuk, ez lesz a referencia érték. 12. EEG elvezetésnél jelentkező zavarok kivédése Zavarok az EEG-ben (artefakt): pl. hálózati szemmozgás (főleg a frontális lebenyben) izom elektromos jelek video monitor földhurok (több helyen van leföldelve) EKG (nagy amplitúdó) galván bőr válasz digitális (DC offset, aliasing, multiplexing artefakt (A/D konverter okozza)) Szűrés: lowpass, highpass, lukszűrő (60 Hz, a hálózat okozta zavarok kiküszöbölésére). Differenciálerősítő. Az artefaktok kivédésénél az elsődleges tennivaló: az EEG elvezetésnek megfelelő környezet biztosítása. A szemmozgási artefakt kivédésének egyik módja: a független komponens analízis. Ez a technika a komponenseket az amplitúdójuk időbeli eloszlásának kurtózisából különíti el (kurtózis: az eloszlásgörbe púpossága, az eloszlás negyedik momentumának normalizált formája). Ennek segítségével különbséget tehetünk szigorúan periodikus jelek, rendszeresen fellépő jelek, és rendszertelenül előforduló jelek között. Az utolsó kategóriát általában az artefaktok alkotják. Artefaktok kivédésének technikája: az impedancia értékek a lehető legalacsonyabbak (< 5 kohm). A megfelelő mennyiségű paszta és azonos elektródok használata tehet erről. ha elektromos ágyban van, bipoláris montage-t érdemesebb használni, mert a referential montage jobban ki van téve az artefaktoknak. az elektromos eszközöket a paciens fejétől a lehető legtávolabb kell tartani, az előerősítőt a lehető legközelebb, a vezetékeket pedig a lehető legrövidebbre kell méretezni. 9
Izzadtsági artefakt Az elektródok közötti sóoldat kiiktatja az elektródokat. EKG ÉS PULZUS ARTEFAKT A periodicitásuk alapján könnyen felismerhetők (az EKG amplitúdója sokkal nagyobb, mint az EEG-e), mégis problémát okozhatnak. 60 Hz (50 Hz) ARTEFAKT Ha rosszak az elektród összeköttetések, a földelés nem megfelelő és a közelben elektromos eszközök működnek, másodpercenként 60 (50) spike-ot okoz. Ez normál papír sebességnél egy elmosódott tintafoltot eredményez. 13. Az EEG tevékenység jellemző összetevői 0.5-4 Hz delta: a legnagyobb amplitúdójú és leglassabb hullám. Ez a domináns ritmus egy éves korig vagy az alvás 3. és 4. szakaszában. 4-8 Hz theta: ébren lévő felnőtteknél abnormális, de normális alvás közben vagy 13 év alatti gyermekeknél. 8-13 Hz alfa: életkorral változik! az occipitális lebenyben észlelhető legjobban, a domináns oldalon magasabb amplitúdóval. Szemlezárással és relaxációval jön elő, és a szemnyitás vagy bármilyen mechanizmus (pl. gondolkodás, számolás) megszakítja. Az élet nagy részében megfigyelhető, elsősorban a 13. év után, amikor ez uralja a pihenési szakaszt. 13-35 Hz beta: elsősorban frontális, mindkét oldalon látható. Nyugtató-hipnotikus drogok serkentik (mint pl. benzodiazepinek, barbiturátok). Kérgi sérülés helyén hiányozhat. Ez a domináns ritmus izgatott, vagy nyitott szemű paciensekben. 35-80 Hz gamma Szinkronizált aktivitás: ritmikus, nagy, szabályos, hullámok Deszinkronizált: kisebb, szabálytalan hullámok Alvási orsó (spindle): alfa és betában, kb. 14/sec. Spike: tüske, meredek hullám, epilepsziára utaló jel. WAVES IDENTIFIED BY MORPHOLOGY SPIKE AND WAVE 10
Minden életkorban megfigyelhető, de leggyakrabban gyerekeknél. Egy spike-ból (ami valószínűleg a kéregben generálódik) és egy nagy amplitúdójú, lassú (általában delta) hullámból (valószínűleg a thalamikus struktúrákból származó) áll. Szinkronban és szimmetrikusan jelennek meg általános epilepszia esetén, és fokálisan parciális esetben. Az általános típus esetén, true absence-t (petit mal) 3 Hz-es spike-wave-ek jellemzik, míg a lassú spike-wave-ek inkább agysérülések és Lennox-Gastaut szindróma esetén jelennek meg. POLYSPIKE AND WAVE Olyan spike-and-wave, aminél minden lassú hullámot 2 vagy több spike kísér. 3 Hznél gyorsabb (általában 3,5-4,5 Hz). Gyakran kísérik myoclonikus rohamok. Dr. Hans Berger Az alfa hullámok felfedezője. Osztrák tudós, a Jenai Egyetemen dolgozott. Az alfa hullámokat Berger ritmusnak akarták nevezni, de Hans Berger ezt visszautasította. 14. Eseményhez-kötött potenciálok típusai (exogén, endogén komponensek) & 15. Eseményhez-kötött potenciálok vizsgálatára használt eljárások (átlagolás) Az eseményhez kötött potenciál (event-related potential, ERP) olyan neurális jel, ami összehangolt idegrendszeri működés eredménye. A hagyományos megközelítés szerint az ERP olyan karakterisztikus hullámforma, ami egy viselkedés szempontjából jelentős diszkrét eseménnyel összefüggésben jelentkezik. Egyszerűsítésként azt is mondhatjuk, hogy az ERP hullámformának ugyanaz az amplitúdója és fázisa, amennyiben az eseményt többször megismételjük, holott ez a feltevés a legutóbbi elemzések szerint (2002) nem minden esetben lehet helytálló. Az előbb említett hullámforma (mezőpotenciál) tartalmaz az eseménnyel összefüggő (ERP jel) és nem összefüggő (zaj) elemeket is az idegrendszeri aktivitásból. Az ERP jel az eseménnyel nem összefüggő zajtól való szétválasztásának általánosan használt módja a mezőpotenciál idősorának átlagolása, az esemény bekövetkezésének időpontját véve közös referencia pontnak. Ha a releváns esemény egy szenzoros inger, akkor ezt a fázis-zárt ERP-t kiváltottnak (evoked) mondjuk. Az átlagolt kiváltott potenciálokat legáltalánosabban az ingert követő hullám komponenseivel írhatjuk le. Ezeket a komponenseket a polaritásukkal (pozitív vagy negatív), valamint az inger és megjelenésük között eltelt idővel (latencia) azonosíthatjuk. (Ebben az összefüggésben a latencia azonos a fázissal.) Változó fázisú komponensek is rendszeresen megjelenhetnek az ismételt eseménnyel összefüggésben. Ebben az esetben az idősor átlagolása nem fedi fel az ERP-t, ellenkezőleg, kártékony hatása lehet, mivel az ellentétes polaritású komponensek kiolthatják egymást. A nem-fázis-zárt ERP-t induced -nak hívjuk, amennyiben egy inger megjelenését követően lépnek fel, és spontaneous -nak, ha az inger vagy motoros válasz előtti periódusban. Az ilyen típusú ERP-t hatékonyan elemezhetjük az idősor frekvenciájának átlagolásával, ahelyett, hogy az idősort magát átlagolnánk. A jel-zaj viszony javítása átlagolással: ha az SNR-t n-szeresére akarjuk növelni, akkor n 2 választ kell átlagolni. Az ERP irodalmában általános gyakorlat megkülönböztetni az ERP korai komponenseit a későiektől. Az inger megjelenését követő első 200 ms-ban előforduló komponensek az inger fizikai jellemzőivel állnak kapcsolatban (exogén komponensek). A 200 ms után fellépő endogén komponensek pedig a conceptual 11
behavior-ral ( felfogási viselkedés? ). Ez utóbbiak olyan agyi folyamatok, melyek az alany által (ingerre adott válaszként) generált kognitív folyamatokkal vannak összefüggésben, míg előbbiek szenzoros válaszok az ingerre. BAEP: brain stem auditory evoked potential (exogén): audiometriánál használják: a hallórendszer funkcionális vizsgálatára szolgál. Előnye: kómás betegnél és csecsemőknél is alkalmazható. Komponensei az agytörzs különböző síkjaihoz köthetők. Az agyhalál megállapítására is használható (sorrendben a cortex, thalamikus részek, mesencephalon, agytörzs, nyúltvelő épül le). A BAEP kb. 1 mm-es pontossággal képes lokalizálni az agytörzsi laesiokat. A vizsgálatot környezeti zajoktól mentes szobában kell végezni. Általában 11 Hz-es, 70 db erősségű click hangingert használnak, a mintavételi szám 2000, a imntavételi idő 10 ms. Az ingerlést mindig egy oldalon végzik. A vizsgálat előtt meg kell állapítani a hallásküszöböt mindkét fülön. Ezek után a BAEP hullámok abszolút és interpeak latenciáinak megnyúlásából határozhatjuk meg a laesio helyét. A fej 40 db-es csillapító hatású, ha ennél nagyobb az inger az egyik fülön, az ingerli a másikat is -> masking noise kell a másik fülre (fehér zaj). VEP: Visually Evoked Potential ilyen vizsgálatokkal a látórendszer pályáinak épségét vizsgálják, fényfelvillanásokkal (flash) vagy monitoron megjelenő fekete-fehér sakktábla mintaváltással. A kiváltott potenciált occipitális elektródokkal vezetik el. A kiváltott válasz első lefelé irányuló (pozitív) hullámát P100 vagy P2 hullámnak nevezik, mert a felvillanástól számított latenciaideje egészségeseknél kb. 100ms. Ez azonban növekedhet pl. alkoholos befolyásoltságban, neurális izomatrophiában, glaukomában és Parkinson-betegségben is. Újszülöttek látórendszerének károsodására a VEP vizsgálat alkalmas. SSEP: SomatoSensory Evoked Potential a perifériás érzőidegek rövid időtartamú elektromos pontingerlésével váltják ki. A kiváltott választ a gyrus postcentralisok felett regisztrálják. A SSEP stabil része a kezdeti N20-as vagy N1-es negatív komponens, amely kb. 20ms-mal az inger után jelenik meg. A kiváltott válasz késését az érzőrendszer több helyén lévő laesio okozhatja. MEP: Magnetic Evoked Potential a cortex transcranialis mágneses ingerlése erős mágneses tér változtatásával lehetséges. A mágneses térváltozás hatására magában az idegszövetben keletkezik indukált áram, ez hoz létre pontszerű ingerlést. A rövid ideig tartó ingerlés a perifériás izomcsoportokban mozgást indít, a mozgás megjelenésének latenciája és mértéke mérhető. Diagnosztikai hasznát bizonyították SM-ben, ALS-ban és az agykéreg ischaemiás károsodásában szenvedők vizsgálata során. Néhány fontos komponens: Prestimulus: CNV: contingent negative variation: attentional preparedness. Valami jelzi az inger közeledését, a paciens számít rá. Alacsony frekvenciás szűrés esetén a CNV egyenfeszültségű része eltűnik, nem viszi át. A CNV a skalpon, elsősorban a centrális területeken megjelenő felszíni negatív egyenáramú változás (időtartama 1-2s), amelyet célzott figyelem, inger iránti orientáció vagy várakozási feszültség alatt lehet elvezetni. Ezért hívják expectancy wave -nek (várakozási hullám). Bereltschafts potenciál (Lateralized Readiness Potential): specific motor preparedness. A mozgás indulása előtt akár 1 másodperccel, negatív potenciál. Exogén: MMN (mismatch negativity): korai (100 ms körül), oddball (kakukktojás) paradigma esetén, az inger változása váltja ki (standard <-> deviáns), alvás közben is megfigyelhető, a beérkező inger tudattól függetlenül is feldolgozódik, és nem adaptálódik. N1: szelektív figyelem: a figyelt csatornán érkező inger esetén megnő az amplitúdója, ellenkező esetben csökken. A figyelt csatornán érkező nem-releváns ingerekre is nagyobb lesz a válasz (megnő a csatorna érzékenysége). Endogén: P300: attentional deviance detector, egyre bonyolultabb feldolgozást igénylő feladatoknál nő a latenciája. Minél nagyobb a háttérkapacitás (reserve), annál nagyobb a P300 komponens (a feladat figyelésén túl van háttérkapacitás a deviáns ingerek figyelésére is). Lehetséges okai: - memory update, - lezárás gátlással (pozitív). Az életkor növekedésével nő a latenciája, a demented ( elbutult ) betegeknél mindig sokkal nagyobb. A P300 az agytörzs felett generálódik, a pontos lokalizáció nem ismert. A skalpra szélesen vetül, maximuma a centralis parietalis vidéken van, latenciája 250-600ms. Életkoron kívül jelentősen befolyásolja az éberség szintje és a kapott feladat nehézségi foka. N400: szemantikai anomália (pl. I take coffee with cream and dog.) Centrális területen jelenik meg. P560: nem szemantikailag, hanem fizikailag deviáns inger (pl. az utolsó szó nagyobb betűkkel van írva). 12
Steady-state response: Galambos Róbert. Ha a hanginger gyakorisága kb. 40 Hz, megnő a válasz amplitúdója, stabil szinuszos oszcilláció alakul ki. Vizuális ingernél kb. 20 Hz-nél. Komponensek meghatározása: fő komponens analízis (principal component analysis) (feltétel, hogy a komponens latenciája ne változzon, ezért már nem nagyon használják), független komponens analízis (independent component analysis). 16. EEG-ERP számítógépes analízisének főbb módszerei Grey Walter (1951): EEG mapping. EEG Fourier analízis. Spectrogram: vízszintes tengely: idő, függőleges tengely: frekvencia, színek: amplitúdó. Teljesítmény spektrum. Compressed EEG spectral array: vízszintes tengely: frekvencia, függőleges tengely: idő. Evoked potential analízise: műtéti monitorozás: BAEP, SEP (szomatoszenzoros EP fontos műtét közben <- gerincvelői sérülés esetén romlik a vérellátás, lassul a vezetés, ezáltal nő a SEP latenciája). Woody Filtering (Charles Woody, 1967): az egyedi válaszokkal keresztponáltatják az átlagolt választ (tulajdonképpen template matching ), így hisztogramot kapunk a latenciára. Két sorozat (jel) között kiszámoljuk a korrelációt, majd az egyik sorozatot eltolva újra kiszámoljuk. Az eltolás növelésével korrelációs értékek sorozatát kapjuk. Ha elértük a maximális korrelációt, új template-et csinálunk az eltolt epochok átlagolásával, majd újra megismételjük, amíg nem kapunk stabil értéket a keresztkorreláció maximális értékeire. Ez egy jó megoldás a latency jitter problémájára. Ha sok iterációt használunk, nem működik megfelelően (Wastell, 1977). Az SNR-t csak meghatározott korláton belül javíthatja (ha alacsony az SNR, nem ez a jó megoldás). Brain mapping: BEAM (Brain Electrical Activity Mapping, 80-as évek vége): sokcsatornás elvezetés esetén egy összetevő eloszlásának ábrázolása. Az agy elektromos potenciáljaiból színes topografikus térképet készít, ami összehasonlítható egy kontroll eredménnyel (nagy számú minta), hogy megállapítsuk a normálistól való eltérés mértékét. Quantitative EEG. Fő komponens analízis, független komponens analízis. MRI: kiváltott potenciál keletkezési helyének meghatározása. 17. EEG genezis, bioelektromos mezők típusai Az EEG az agykéregben létrejövő elektromos hullámok összegét méri. Ezeket elsősorban a piramissejtek hozzák létre, a szinaptikus potenciálok által. Ezekről egy korábbi tételben volt szó. Bioelektromos mezők típusai: open field: párhuzamos neuronok sorozatában szinkronizált depolarizáció esetén jön létre, mindegyikben létrejön egy-egy sink-source pár, ami összegződik, így egy viszonylag távolra is ható nyílt potenciálmező keletkezik, closed field: ha a sejttestek középen vannak összerendeződve és a dendritek sugárirányban távolodnak, a sink-source párok kioltják egymást, nagyon lokálisan ható zárt potenciálmező jön létre (pl. interneuronok, vagy corpus geniculatum mediale), open-closed field: sugárirányú és párhuzamos elemek kombinációja. 13
Egy dipól forrástól való távolság nagy mértékben meghatározza az észlelt potenciál nagyságát. 2 cm-es környezeten belül van az amplitúdó 90-95%-a (near field potential) és meredeken csökkenő eloszlást követ a dipól forrástól távolodva. Ennél távolabb (far field potential) sokkal kisebb mértékű a csökkenés, de az amplitúdó ott már nagyon kicsi. 18. ERP forrás-analízis jelentősége A forrásanalízis célja az agyi lokalizáció. Arra ad választ, hogy különb. komponensek megjelenésénél milyen agyi folyamatok mennek végbe. 2 féle source analízis: Discrete: sources are a small number of point dipoles, each representing the activity of a region of the brain - e.g., Brain Electric Source Analysis Distributed: source currents occur throughout the brain with the constraint that they have minimum total current or change in current - e.g., Low Resolution Electromagnetic Tomography A dipólus modell előnye, hogy a scalp potenciál hullámformában benne lévő átfedéseket ki tudja küszöbölni. A modell mindaddig megbízható eredményt biztosít, amíg a dipólusok között kicsi az interakció. A megbízhatóság mérhető a dipólus kiterjedtségének 10%-os növelésével vagy a forrás lokalizációs vektor szögének változtatásával. Célja, mint azt az elején is jeleztem a kognitív folyamatok mélyebb megértése. 19. Magnetoenkefalográfia az EEG-vel rokon módszer; az agyvelő mágneses aktivitását méri; a mérést mágneses terektől teljesen elszigetelt helyiségben, alacsony hőmérsékleten végzik; előnye, hogy a mélystruktúrák mágneses hullámait is felfogja ; a másodperc ezredrésze alatt alatt lezajló folyamatokat képes megkülönböztetni, de térbeli elhelyezése csekély; a potenciálok eredési helyét inverz módszerekkel lehet meghatározni; A működő idegsejt nem csak elektromos potenciálteret, hanem mágneses teret is létrehoz. Mivel a piramissejtek a gyrusokban a felszínre párhuzamosan, a sulcusokban a felszínre merőlegesen helyezkednek el, a mágneses tér erősebben lép ki a sulcusokból, mint az elektromos tér (az elektromos és mágneses erővonalak merőlegesek). Az emberi agy mágneses indukciója 10-12 Tesla körül van, ami század része a szív mágneses indukciójának. SQUID: superconducting quantum interference device, szupravezetős mágneses detektor. Folyékony héliummal (-269 C) töltött térben van. Előnye az EEG-vel szemben: a liquor és a csont impedanciája változtatja a potenciált, de a mágneses hullámok terjedését nem befolyásolja a közbülső közeg. Brain mapping ezzel is lehetséges, pontosan meghatározható, hogy az agyban hol helyezkednek el a különböző funkciókért felelős területek (műtétek előtt fontos meghatározni). 20. Elektromiográfia a vázizmok működésekor keletkező bioelektromos jelek vizsgálatával foglalkozik; motoros egység= motorneuron + beidegzett izmok; motoros egység potenciál = egy motoros egység által kiváltott potenciál; teljesen ellazult normál műk. izmoknál nincs EMG; kisujj referencia pont írásnál; motoros egység kóros elváltozásai: 1. idegléziónál: (változás a normálishoz képest) polifázisos, nagy amplitúdó; 14
2. izom-lézó esetén: kisebb amlpitúdó; ábrázolási módok: (1)nyers EMG, (2)kiegyenesített, (3)szűrt; Következtethetünk belőle: mozgató idegrendszer működésére, az izomra. Elvileg egy motoneuron az összes általa beidegzett izomrostot ingerületbe hozza, de gyakorlatilag a kollaterálisok nem azonos hossza miatt ez nem így van. A motoros egység potenciálok bi-, ill. trifázisos potenciálok. Amplitúdója attól függ, milyen messze vannak az aktivált izomrostok az elektródtól. Enyhe kontrakció (acetil-kolin hatására az izom megrövidül) esetén látszanak a motoros egység potenciálok külön, erős kontrakció esetén azonban interferencia mintázat: gyakoribb tüzelés és több egység tüzel. Az egyes rost potenciálok időtartama kb. 2 ms, a motoros egység potenciálé kb. 5-15-20 ms. Motoros egység potenciál kóros eltérései: polifázisos: idegsérülés esetén (deneurációs potenciálok is megjelennek), kisebb amplitúdó: izom-lézió esetén. Mindkét esetben felrojtozódik. 21. Neurometria Feltalálója: E. Roy John, magyar gyökerekkel rendelkező amerikai kutató. Sokáig élesen bírálták ezt a technikát, de a gyakorlati eredmények bebizonyították a hasznosságát és a módszer könnyen kivitelezhető módja, valamint olcsósága világszerte elterjesztette. többváltozós statisztikai módszer, standardizált kvalitatív jellemzők a normál adatbázistól való eltérésének a mérése, statisztikai segítség neurológiai és pszichiátriai betegségek diagnosztizálásához. Előnye az EEG-vel szemben: - az EEG-t statisztikai adattá alakítja, amit sok szempontból könnyebb kezelni, - és kvantitatív jellemzést ad az agyi demenciákról. EEG kvantifikálása: relatív teljesítmény számolásáshoz: min. 20 sec artefakt mentes EEG-rész, frekvenciaelemzéshez: min. 60 sec, koherencia és féltekei aszimmetria méréséhez: min. 120 sec. A Fourier-transzformáció értékei a kvantitatív jellemzők. Jellemzők: I ABSZOLÚT TELJ.ESÍTMÉNY: teljesítmény sűrűség spektrum (power density spectrum), II RELATÍV TELJESÍTMÉNY: egy szakaszra vett abszolút teljesítmény/teljes tartomány abszolút teljesítménye: különböző agyhullámok (alfa, beta, stb.) aránya a teljeshez, III FÉLTEKEI ASZIMMETRIA: szimmetrikus elvezetéspárok abszolút teljesítményeinek hányadosa: mennyire tér el a két féltekei érték, IV KOHERENCIA: elvezetések közötti fáziseltolódás állandóságának a nagysága (0 és 1 közötti érték). Számolása: qeeg normál átlag becsült szórás Az eredmény: standard normál eloszlású valószínűségi változók, amik mutatják a normálistól (nagyszámú egészséges egyén EEG-jéből kinyert adatbázis alapján) való eltérést. 15
Eredmények ábrázolása: neurometriai mátrix, valószínűségi térkép (topografikus ábrázolás: színskála mutatja, hogy az agy melyik részén mekkora az eltérés). Súlyosság vizsgálata: Mahalanobis távolság ( = abnormalitási index), profil: vektor iránya, kombinált paraméterek. Diszkriminancia analízis: diszkrimináns függvény (tanuló-betegcsoportok), klinkai jellegű információ megfelelő diszkrimináns függvény. Clusteranalízis klinikailag homogén betegcsoportok neurofiziológiailag heterogénnek tekinthetők. Mire használják? predikciós függvények: különböző kezelésekre a paciens reakciója előre becsülhető, nehéz diagnosztikai problémák megoldása: megkülönbözteti az azonos tünetekkel, de különböző fiziológiás adatokkal rendelkező betegségeket (pl. unipoláris depresszió és öregkori demencia megkülönböztetése), optimális gyógyszer és gyógyszeradag megállapítása. 22. Feszültség-zár (voltage-clamp) módszer jelentősége Patch - clamp technika: A módszer abban áll, hogy a vizsgált sejthez egy igen nagy shunt-ellenállással (GΩ) illeszkedő üvegmikroelektródot szívnak". Így 1-10 pa csatornaáramok és 1-100 ps vezetőképességek válnak mérhetővé. Voltage-clamp: A technika kulcsa abban áll., hogy nem feszültséget, hanem áramot mérünk ami ahhoz kell, hogy a membr. fesz.-et bizonyos referencia szinten tartsuk. Az ideális voltage-clamp alkotói: elem, kapcsoló, huzal, sejt, ammeter. A befecskendezendő áram nagyságát mérjük az ammetererrel,ami a fesz. szinten tartásához kell. 2 elektródos voltage-clamp: nagy sejtek esetén alkalmazható, az egyik pipettát feszültség elvezetésre a másikat pedig a megfelelő mennyiségű áram befecskendezésére használják. Nagy áramok mérése lehetséges(100na- 100mikroA). Egyetlen elektródos elvezetés: kicsi sejtek esetén, kicsi áram mérésére; ebben az esetben egyetlen elvezető pipetta van: előbb áramot fecskendez majd feszültséget mér; 23. Intrakortikális mezőpotenciálok vizsgálata mérés: multielektróddal, különböző csatornák különb. helyről vezetnek el; a 4-es laminában jelentős MUA figyelhető meg itt kap thalamo-cort. inputot; vizsgálat eredménye: lassú hullámú alvás közben a feldolgozás lecsökken; vizsgálat eredménye: nembutalos altatást követően jelentősen lecsökken a MUA; vizsgálat eredménye(mmn AII-ben): lecsökken a MUA(??????????ez nem egyértelmű) 16
MMN esetén(aii-ben): -a felszíni EP: a deviánsnál nagyobb negativitás; -intracort. EP: a standard nagy negativitást mutat; -a standardnál lecsökken a sejtaktivitás; -a deviánsnál nincs változás a válaszban; Lidokain hatása: Medial Geniculate Body Ventralis: eltűnik az aktivitás; Medial Geniculate Body Medialis: megnő az aktív; Medial Geniculate Body Dorsalis: eltűnik a korai gátlás; (corpus geniculatum mediale a thalamusban) 25. Current source density analízis Bár a mezőpotenciált könnyű mérni, nehéz interpretálni. Ennek ellenére vizsgálata fontos, mert (1) olyan interakciós jelenségeket ír le, amelyek egysejt-vizsgálatokkal nem megközelíthetők, így az intrakortikális információ-feldolgozás magasabb szintjének megértését segítik, valamit (2) a mezőpotenciál adatok összevetése az anatómiai és egysejt-vizsgálatok során nyert eredményekkel betöltheti az egy sejt és a mezőpotenciál szintjeinek leírását. Mezőpotenciál alapok: az intra- és extracelluláris áramok elektromos erői (electromotive forces, emf) a membránban találhatók (az áram hagyományosan pozitív töltések vagy ionok áramlása a magas potenciálú részektől az alacsony potenciálúak felé), extracelluláris potenciált a membránon keresztül folyó áramok generálják, forrás: kifelé irányuló áram, nyelő: befelé irányuló áram, az agyi áramok főleg resistive vagy ohmic ( ellenállásosak?), kivéve a sejtmembránon keresztül, az áramok zárt hurokban folynak. CSD = egy bizonyos területen az összes neuron transzmembrán áramainak összege. Különböző neuronok különböző nagyságú és polaritású áramokat generálhatnak. A CSD-ben a pozitív és negatív membránáramok kiolthatják egymást, tehát a CSD tényleg makroszkopikus (mező szintű), nem pedig mikroszkopikus (egy sejt szintű) leírást ad. A távolról jövő jeleket elimináljuk, így a CSD lokális makroszkopikus membránáramokat ír le. Multielektróddal mérnek, CSD eredményét térképeken ábrázolják. Egy dimenziós CSD számolása: - 3 pontos (lokálisabb, inkább ezt használják), - 5 pontos (akkor használják, ha nagyon zajos). CSD hullámforma: lefelé sink, felfelé source. Alvás során nagy source áram a hiperpolarizáció (gátlás) miatt és a steady-state szinuszos oszcilláció is eltűnik. MMN esetén a lokális pozitivitás lecsökken -> disinhibitiónak felelhet meg. EPSC: EPS current, IPSC: IPS current. 17