Villamosmérnöki és Informatikai Kar Tudományos Diákköri Konferencia Temporális epilepszia felismerése EEG-jelekből Készítették: Konzulensek: Tóth Krisztián Weiss Béla Dr. Kollár István Somogyvári Zoltán Budapest, 2004
Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék... 1 Előszó... 2 Bevezetés... 3 1. Szükséges előismeretek... 4 1.1. Az agyról... 4 1.1.1. Idegszövet... 5 1.1.2. Idegsejt... 6 1.1.3. Szinapszis... 8 1.1.4. Akciós potenciál... 9 1.2. EEG... 10 1.3. Epilepszia... 14 1.3.1. A betegség patomechanizmusa... 15 1.3.2. Az epilepsziák osztályozása... 15 1.3.3. Temporális lebeny epilepszia... 16 1.3.4. Hippocampus... 17 1.3.5. Vizsgálati módszerek... 18 2. Problémák, célok tárgyalása... 20 3. Módszerek... 22 3.1. Osztályozó algoritmus megválasztása... 23 3.2. A mérések körülményei... 25 3.3. Előfeldolgozás... 26 3.4. Spike-O-Matic... 28 4. Eredmények... 36 5. Értékelés... 47 Köszönetnyilvánítás... 48 Szómagyarázat... 49 Irodalomjegyzék... 50 1
Előszó Az embert már évezredek óta foglalkoztatja önmaga megismerése, a szellem, a tudat, a tudatalatti megfejtése. A központi idegrendszer pathológiás viselkedése folyamatosan nagy érdeklődésnek örvendhetett a történelem során. Az agyi rendellenességek közül az egyik legelterjedtebb morbus sacer, azaz szent betegség néven volt közismert a középkorban. A betegség misztifikálására az epileptikus rohamok tünetegyüttesei (generalizált rohamok esetén megnyilvánuló rángatózás, eszméletvesztés, szájhabzás, stb.) adnak magyarázatot. Az agyi működés ismeretének hiányában az akarattól független cselekvéseket produkáló betegről azt gondolták természetfeletti erők, gonosz vagy jó szellemek irányítják a roham alatt. Ezért gyakran a betegség elnevezésével ellentmondóan ördögűzésre, az érintettek kiközösítésére került sor. Korántsem mondhatjuk azt, hogy mára már ez a probléma megoldódott. A betegek többsége még ma is többet szenved az előítéletektől, mint a rohamoktól. Azonban a technika, az informatika robbanásszerű fejlődése jelentősen hozzájárult az agy működésének, és egyben a kóros tünetek természetének feltérképezéséhez, új módszereket bocsátva az orvosok rendelkezésére (gondolunk itt főleg az új képalkotási eljárásokra mint a PET, MRI, fmri, CT, SPECT továbbá az EEG, MEG elterjedésére, valamint a nagy tárolási kapacitás, és processzálási sebesség által kínált kép- és jelfeldolgozási lehetőségekre) a minél pontosabb diagnózis megállapításához, a legmegfelelőbb gyógyszeres kezelés, és az esetleges műtéti beavatkozás megválasztásához, így biztosítva a betegek mielőbbi rehabilitációját, be- illetve visszailleszkedését a társadalomba. A dolgozat a megfelelő előismeretek, a problémák és célok rövid ismertetése után betekintést próbál nyújtani az MTA KFKI RMKI Biofizika osztály Idegrendszeri Modellezés csoportjának, és az Országos Pszichiátriai és Neurológiai Intézet (OPNI) Epilepszia Centrumának együttműködése révén létrejött kutatás eddig elért eredményeibe. Budapest, 2004. 10. 12. A szerzők 2
Bevezetés Interdiszciplináris kutatásról lévén szó nélkülözhetetlen a problémák, és a lehetőségek megértéséhez a határterületeknek az adott témakörhöz kapcsolódó fejezeteinek elsajátítása. Az agyi tevékenységek regisztrálása, feldolgozása, elemzése megköveteli az agy strukturális, morfológiai valamint funkcionális tulajdonságainak ismertetését. Mivel nem egy neurológia könyv szerkesztése a cél, a dolgozat terjedelmi korlátai miatt természetesen nem is bocsátkozhatunk a részletekbe, hanem csak nagy vonalakban közöljük a legfontosabb tényeket. Röviden ismertetjük az egyik legelterjedtebb regisztrálási módszer, az EEG fizikai alapjait valamint a legleterjedtebb 10-20-as szabványt. Különös fontossággal bír az agyi tevékenységek EEG regisztrátumbeli reprezentálása, hiszen csak így adatik igazán lehetőség a kóros aktivitások nyomon követésére. Terítékre kerül röviden a vizsgált betegség szindrómáinak valamint patomechanizmusának tárgyalása is. A fentiek ismeretében már rátérhetünk a felmerülő problémák, és a kitűzött célok megfogalmazására. Az orvosi nomenklatúra mellőzése szinte lehetetlen, mivel az évek során már az orvosbiológiai szakterület is átvette. A dolgozat írása során törekedtünk a latin kifejezések mellőzésére. A tisztelt Olvasó segítségére a dolgozat végén szómagyarázat áll rendelkezésre. 3
1. Szükséges előismeretek 1.1. Az agyról Az emlősök szervezetének legfontosabb információ -tároló, és feldolgozó szerve és ebből kifolyólag az élettani folyamatok központi szabályozó egységének tekinthető. A kifejlett emberi agy körülbelül 1300-1800 gramm tömegű. Érzelmeink, gondolataink, személyiségünk, cselekedeteink, vágyaink forrása, és egyben az alapvető életfunkciók összehangolásáért is felelős. Ezért sérülései katasztrofális kimenetelűek lehetnek. Legérzékenyebb szervünk az agyvízben helyezkedik el, mely kitölti üregeit, védi az ütődésektől. Az agyvelőt topológiai szempontok alapján a következő részekre tagoljuk (1.1 ábra): Nagyagy: Végagy Köztiagy Agytörzs: Középagy Nyúltvelő Híd Kisagy Végagy Köztiagy Középagy Híd Nyúltvelő Kisagy 1.1 ábra Az agy sagittalis metszete 4
A nagyagyban helyezkednek el a "magasabb" funkciókat ellátó idegsejtek, melyek többek között a gondolkodásért vagy a beszédért felelősek. Az egyes összetettebb mechanizmusok pontos kialakulása, a résztvevő régiók bonyolult kapcsolatai, az agy nagy redundanciája, plaszticitása miatt még ma sem teljesen ismert. A nyúltagyvelőt, a hidat, a kisagyat a nagyaggyal "kapcsolóállomásként" a középagy köti össze. A hídban a rágás és nyálelválasztást szabályozása, valamint a hangok és az egyensúllyal kapcsolatos információk alapszintű feldolgozása történik. A biológiai fejlődést tekintve az agy "legkorábbi" részében, a nyúltagyvelőben található idegsejtek többek között a légzés és a vérnyomás szabályozásáért felelősek. A fenti ábrán is jól látható, hogy a központi idegrendszer két nagy összetevőjének, a gerincvelő és az agyvelő összeköttetéséért is a nyúltvelő felelős. A kisagyban a test különböző részeiről érkező, testhelyzetváltozásra és a környezettel való kapcsolatra vonatkozó információk kerülnek feldolgozásra. Látható, hogy az egyes régiókhoz kitüntetett szerep rendelhető, azonban az agy integratív működése csak az egyes részek nagyszámú, bonyolult kapcsolatai révén valósulhat meg [2], [3]. 1.1.1. Idegszövet Mikroszkopikus szinten vizsgálva az agyat az idegszövettel találkozunk, mely specifikus idegi és nem specifikus általános szöveti elemekből épül fel: 1. Specifikus szövetelemek A specifikus ingerlékenységi és ingerületvezetési működésben kizárólag csak az idegsejtek vesznek részt. A neuronokról bővebben a következő alfejezetben lesz szó. Az idegszövet nagy mennyiségben tartalmaz az ingerületi működésekben közvetlenül részt nem vevő, de specifikus idegszöveti elemeket is: a) Ependymasejtek: a gerincvelő és az agyvelő belső falait bélelő sejtek. Vastagabb agyállomány esetén nyúlványaik hosszabb-rövidebb lefutás után elvesznek. Ahol viszont az agyállomány vékonyabb, elérik az agy felszínét. b) Gliasejtek: Az idegsejtek működésükből kifolyólag anyagcseréjükkel szemben speciális igényeket támasztanak. Ezek nem csak az anyagcsere különleges mechanizmusait jelentik, hanem azt is biztosítják, hogy e folyamatok védve legyenek a szervezet többi részét érő zavaroktól. Feltehetőleg ennek érdekében differenciálódtak a specifikus ingerületi elemek mellett a gliasejtek, melyek az 5
ependymasejtek nyúlványaival közösen a neuronoknak szinte minden részét körülveszik. Az elhalt sejteket is a gliasejtek emésztik meg. 2. Nem specifikus elemek Nem specifikus szöveti elemként az idegszövetekben bőséges érhálózat fordul elő. A kapillárisok szinte sohasem érintkeznek közvetlenül a neuronokkal, hanem a fent említett gliasejteken keresztül szolgáltatják a szükséges anyagcsere termékeket. Az idegszövetben nincs igazán sejt közötti állomány. Az idegsejtek és nyúlványaik, valamint a gliasejtek és nyúlványaik majdnem tökéletesen kitöltik az idegszövet terét. Kivételt képeznek a szomszédos elemek közt fennmaradó 15-20 nm vastagságú résrendszerek. Az idegingerület membránelmélete elsősorban Na + -ionokat tételez fel ebben a térben. Legújabb kutatások szerint úgy tűnik, hogy a sejt közti tér elégséges a membránelméletnek megfelelő ionvándorlásoknak [1], [4]. 1.1.2. Idegsejt A neuron az idegrendszer elemi funkcionális egysége. A megfelelő ingerlékenységi (fizikai vagy kémiai változásokra való érzékenységük), ingerületvezetési paraméterek eléréséhez specifikus morfológiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Az idegsejt alaktani felépítését az 1.2. ábrán követhetjük végig. A magtartalmú, tömegesebb plazmával rendelkező sejttestet más néven szómának vagy perikaryonnak nevezzük. Az idegsejt magva rendszerint aránylag nagy, hólyagszerű, erős maghártyával bír. A sejttest nagyon sokféle mind nagyság, mind alak tekintetében. A szómak az agyban magvakba tömörülnek. Ezt az agy szürke állományának nevezzük. 1.2. ábra Neuron általános alakja forrás: http://home.zait.uni-bremen.de/~mn/, átdolgozva 6
Az információ nagy sebességű (emberben maximum 150m/s), és nagy távolságokra történő továbbítását az axon vagy más néven neurit végzi. A terjedési sebesség növeléséhez a már említett gliasejtek is hozzájárulnak oly módon, hogy a neuronok nyúlványaira tekerednek, és ily módon hüvelyeket alkotva csökkentik a terjedő információ csillapítását, térbeli szóródását. Az axon kezdeti szakasza, az úgynevezett axondomb vékony, sejthártyája vastagabb, mint a sejttestté, és itt található egyben a neuron speciálisan alacsony ingerküszöbű része. Sok idegsejtben itt keletkezik az ingerületi hullám, és innen indul el a neurit mentén. Az axonok vastagsága széles skálán mozog. Lehetnek 0.1 µm-nél vékonyabb átmérőjűek, de 15 µm vastagságúak is. Szoros törvényszerű kapcsolat a sejt nagysága, és az axon vastagsága között nincsen. A neuritek elágazódása szempontjából a neuronokat két csoportba soroljuk: I. Az idegsejtek többségének axonja hosszabb lefutás után bomlik végágaira. A lefutás hossza néhány cm-től 1 m-en felül (ezek főleg a motoros, mozgató neuronok) is lehet. Előfordul, hogy a neurit kezdeti szakaszán vagy lefutása közben mellékágakat, úgynevezett collateralisokat ad. Ebben az esetben a főág viselkedése a mérvadó. II. A második csoportba azok a neuronok sorolhatók melyek axonjai néhány száz mikron vagy még ennél is kisebb távolságok után hirtelen csokorszerűen eloszlanak. Ez főleg a magasabb rendű idegközpontok idegsejtjeire jellemző. A neuritek elágazódását végfácskának vagy telodendrionnak nevezzük. Elenyészően ritkán fordul elő, hogy az axonhoz egy végződés tartozik. Általában a végfácska több száz végződésből áll. A többi neuron felől érkező információ befogadására főleg a dendritek szolgálnak. Felépítésükben nem térnek el lényegesen a sejttest plazmától, ezért plazmanyúlványoknak is nevezik őket. Hosszuk általában néhány mikrontól 2-3 mm-ig terjed. Sok neuronfajta jellegzetes dendrit elágazással rendelkezik. Számos idegsejt dendritjeire jellemző, hogy a fenyőgallyak tűszerű leveleire emlékeztető töviseik vannak melyek vége bunkószerűen megvastagodik. Nagyobb neuronok dendritfája akár 10 5 tövissel is bírhat. Az idegsejtek alakját elsősorban a nyúlványainak száma határozza meg. A neuronok többsége multipoláris, három- vagy többnyúlványú sejt. Ezekben az esetekben általában egy axon és két vagy több dendrit indul el a sejtből. A szürke állomány magjait összekötő neuritek pályákat alkotnak, ezt nevezzük az agy fehér állományának. Az ember idegrendszere hozzávetőleges becslés alapján 10 13 neuront tartalmaz. Ezeknek csak kis hányada áll receptorral összefüggésben, és még ennél is kevesebb a motoros idegsejtek száma. Az összes többi neuron-neuron kapcsolatokat alakít ki. Magasabb 7
központokban egyetlen idegsejt akár 100.000 hozzávezető kapcsolattal rendelkezhet, és nyúlványaival is sok ezer másik neuront érhet el. Óvatos becslések alapján is az emberi idegrendszerben lévő kapcsolatok száma 10 14-10 15 nagyságrendbe helyezhető. Ily módon lehetőség adódik bonyolult hálózatok kialakulására. E hálózatok segítségével az idegszövet a külső világ, valamint a test belső környezetéből érkező temérdeknyi mennyiségű információt képes feldolgozni, elemezni, eltárolni, és szükség esetén raktáraiból előhívni [1]. 1.1.3. Szinapszis Szinapszisnak nevezzük a két idegsejt közötti morfológiai és funkcionális kapcsolatot. A neuron-neuron kapcsolatok, nem csak egyszerűen összekapcsolják az idegsejteket, hanem megszabják az ingerületek terjedési irányát is. Rajtuk keresztül az ingerület csak bizonyos feltételek teljesülése mellett terjedhet át. Tehát, egy axonon végighaladó ingerület nem terjed át a vele érintkező valamennyi neuronra, hanem csak azokra, amelyekkel alkotott interneuronális kapcsolatai az adott feltételek mellett éppen átjárhatóak. A szinapszis egy preszinaptikus, és egy posztszinaptikus komponensből, valamint a szinaptikus résből tevődik össze. A preszinaptikus elem rendszerint axon, még a posztszinaptikus egység lehet sejttest, dendrit (dendrittörzs vagy dendritikus tüske) vagy egy másik axon (axon eredő része vagy a bunkószerű végződése). A szinapszisok csoportosíthatók a résztvevő komponensek morfológiája, száma, és az ingerületáttevődés mechanizmusa szerint. A legutóbbi szerint megkülönböztetünk elektrotónikus, és kémiai transzmisszióval működő szinapszisokat. Elektrotónikus transzmisszió csak akkor jöhet létre, ha a két sejthártya szoros kontaktusú. Ebben az esetben az ingerület átvitelére nincsen szükség semmilyen közvetítő anyagra. A második csoport esetében a preszinaptikus elemből valamilyen anyag (neurotranszmitter) kerül ki a szinaptikus résbe, majd a posztszinaptikus komponens receptoraira hatva, sejthártyájának molekuláris szerkezetét fogja megváltoztatni az ionok átjárhatóságának szempontjából. Az ingerlő neurotranszmitterek depolarizálják a posztszinaptikus sejtmembránt (EPSP), és így elősegítik a posztszinaptikus neuronok aktív állapotát jelző akciós potenciál kialakulását. Gátló neurotranszmitterek hiperpolarizálva a posztszinaptikus membránt (IPSP) értelemszerűen ellenkező hatást fejtenek ki. A posztszinaptikus idegsejt csak abban az esetben fog aktív állapotba kerülni, ha az axondombon a depolarizálódás eléri az adott neuronra jellemző küszöbértéket [1], [4], [5]. Ha a neurotranszmitterek kibocsátását és hatását szabályozó bonyolult mechanizmusoktól eltekintünk az idegsejt működése egy nagyon leegyszerűsített fekete doboz modell alapján is 8
vizsgálható. A neuron működése a következőképpen értelmezhető: a bemenetekre érkező jelek előjelesen, súlyozva összegződnek, és a kimenet akkor és csak akkor lesz aktív (jelenik meg az idegsejtre jellemző akciós potenciál), ha a kapott érték elér egy küszöbértéket. A már megjelenő akciós potenciál amplitúdója független lesz a kiváltó inger nagyságától. Ezt a működést mindent vagy semmi természetűnek hívják. Matematikai, mérnöki megközelítésben a kimenetet binárisnak is nevezhetjük. Az előjelezés a bemenetek serkentő, valamint gátló hatását jelképezi. A súlyozás arra utal, hogy az egyes szinapszisok nem egyforma mértékben depolarizálják, hiperpolarizálják a postszinaptikus neuronokat. Az összegzés a hatások térbeli szummációját takarja. 1.1.4. Akciós potenciál Hogy a későbbiekben megérthessük a betegség kialakulásához vezető rendellenességeket, közelebbről is meg kell ismernünk a sejt aktív állapotát jelző akciós potenciált kiváltó mechanizmusokat. Egy általános akciós potenciál jelalakja az 1.3.-es ábrán látható. 1.3. ábra Tipikus akciós potenciál A neuron sejthártyáján nyugalmi állapotában nyugalmi membránpotenciál mérhető. Amennyiben a rá ható idegsejtek által kiváltott EPSP, valamint IPSP hatások összegezve eltérnek a nullától, a nyugalmi potenciáltól pozitívabb (depolarizáció) vagy negatívabb (hiperpolarizáció) érték lesz jelen a membránon. Depolarizáció esetén a neuronra jellemző küszöböt elérve megnyílnak a membránon található gyors, feszültségfüggő Na + csatornák, és így akár százszorosára megnövekedik a membrán Na + ionokra vonatkozó permeabilitása. Az 9
extracelluláris térből az elektrokémiai gradiensnek megfelelően a pozitív Na + ionok beáramlanak a sejtbe, 0V értékig hirtelen depolarizálják, majd megváltoztatják a sejtmembrán polaritását. Így jön létre az akciós potenciál meredeken felfutó éle. A csúcshoz közeledve ezek az Na + csatornák inaktiválódnak még mielőtt az Na + ionok elérnék egyensúlyi koncentrációjukat. Az inaktiválódásnak köszönhetően a csúcspotenciál lezajlása után az axon rövid időszakra (ms nagyságrend) ingerelhetetlenné válik. Ezt az időszakot refrakter periódusnak nevezzük. A Na + csatornák záródásával majdnem egy időben nyílnak a késői K + csatornák melyeken keresztül a K + ionok az elektrokémiai potenciáljuknak megfelelően a sejtből kifelé fognak áramlani. Ez a jelenség a membránpotenciált ismét negatív irányba fogja megváltoztatni (repolarizáció), majd a nyugalmi értéket meg is haladja (hiperpolarizáció), mivel az akciós potenciál lezajlása miatt a K + ionokra vonatkozó permeabilitás nagyobb mint nyugalmi állapotban. A nyugalmi membránpotenciál az átmeneti hiperpolarizálódás után áll helyre. Hosszú akciós potenciál sorozatok alkalmával az inonok áramlása miatt a nyugalmi potenciál folyamatosan csökkenne, a membrán depolarizálódna. Az ionok koncentrációjának állandó értéken tartását az úgynevezett Na-K pumpa, valamint a szivárgó (feszültség független ) csatornák végzik [4], [5]. A nátrium és kálium ionokon kívül más elemek is részt vesznek a membrán potenciál kialakításában. Ezek közül a legjelentősebb a Ca 2+ ion. Normál körülmények között is előfordul, hogy a neuriten gyors egymás utáni kisülések jelentkeznek, ezt burst-nek nevezzük. Előidézőjük általában a Ca 2+ áramok [5]. Az akciós potenciálokat általában három jellemzőjük segítségével írjuk le: amplitúdó, időtartam, jelalak. A neuronok azonosítása könnyen elvégezhető a kibocsátott akciós potenciál vizsgálata alapján. Erre az ad lehetőséget, hogy minden idegsejt specifikus, csak rá jellemző alakú akciós potenciállal rendelkezik, mely az idő multával csak nagyon kis mértékben változik. 1.2. EEG A kezdetekben a központi idegrendszeren belüli működés lokalizációját specifikus tünetek, és halál utáni boncolási vizsgálatok alapján határozták meg. Ma már rendelkezésünkre áll a képalkotási technikák széles tárháza, lehetőség van az agyi aktivitások által kísért elektromos és mágneses jelenségek követésére. A CT, SPECT, MRI, fmri, PET, technikák időbeli (fmri esetén például 4-8 másodperc), térbeli (mm körüli) felbontása azonban még ma sem minden esetben kielégítő. Az említett eljárások széleskörű használatát 10
továbbá magas költségük, méretük valamint a pácienssel való kapcsolatteremtés módja korlátozza. Ezért ezeket a módszereket általában a ma már hagyományosnak mondható EEG (elektroencefalográfia), és MEG (magnetoencefalográfia) módszerekkel kombinálva, azok kiegészítőjeként használják. A továbbiakban az EEG-t ismertetjük részletesen. Már 1875-ben R. Caton angol fiziológus megfigyelte, hogy az agyvelőbe helyezett elektródról áramingadozás vezethető el. 1929-ben Hans Berger pszichiáternek sikerült először fejbőrről elvezetett elektromos változásokat regisztrálnia, és ő adta az eljárásnak az elektroencefalográfia elnevezést is. Ezeket az agy felszínén mérhető jeleket a sejtszintű biokémiai változások következtében kialakuló ionáramok hozzák létre. Ezek két formája a szinaptikus tevékenység és az akciós potenciál. A koponya alatt, az agykérgi részen elhelyezkedő corticalis neuronok nyúlványaikkal a kéreg felszínére merőlegesen rendeződnek, méghozzá oly módon, hogy a dendritek a kéreg felszíne felé, az axonok viszont az agy mélyébe irányulnak. A posztszinaptikus membránon beáramló pozitív töltések negatív potenciált hoznak létre az extracelluláris térben, miközben a sejttest pozitív marad. Ennek következtében a dendritek és a sejttest között elektromos dipólus alakul ki. Az áram a pozitív forrás felöl a negatív süllyesztő felé folyik extracellulárisan. Ez az áram aránylag kis ellenállású folyadékon keresztül folyik, ezért a forrás és a süllyesztő között aránylag kicsiny, µv nagyságrendű feszültségkülönbség keletkezik, ami térpotenciálok formájában terjed a környező szövetekre. Ezt a kis feszültségkülönbséget detektálja a fejbőrön keresztül az elektroencefalográf. Az EEG-ben csak azon dipólusok hatása jelenik meg melyek a koponya görbületére merőlegesek. Erre az irányra merőleges hatásokat viszont az MEG tudja regisztrálni. Fontos kihangsúlyozni még egyszer, hogy az EEG-vel nem az akciós potenciálok mérjük közvetlenül. Erre a célra a sejtbe beültetett mikroelektródok szolgálnak. A patch-clamp technika lehetőséget nyújt az ion-csatornák működésének egyenkénti vizsgálatára [4], [5], [6]. Az agyi tevékenységek EEG-beli manifesztációja (különböző normál agyi aktivitásokra mutat példát az 1.4. ábra) szempontjából az EEG hullámokat frekvenciájuk és amplitúdójuk szerint szokták osztályozni. 11
Felosztás frekvencia alapján: Delta-hullámok: 0.5-4Hz-ig Théta-hullámok: 4-8Hz Alfa-hullámok: 8-13Hz Béta-hullámok: 13-30Hz Gamma-hullámok: 30-80Hz, de átlagosan 40Hz 1.4. ábra Jellegzetes normál agyi tevékenységek. Forrás: Fernando H. Lopes ad Silva and Pieter Pin: EEG and MEG Analysis, 2002 12
Az ép agy viselkedésének EEG regisztrátumbeli reprezentációját ismerve a kóros aktivitások könnyen beazonosíthatók még annak ellenére is, hogy minden agy egy kicsit más módon működik. Az idők folyamán az elektródák elhelyezésére a fejbőr felszínén legjobbnak tűnt a szabványos 10-20-as elrendezés. Eszerint az elektródokat a homlok és a nyakszirt között, valamint keresztirányban is 10-20-20-20-20-10 %-os távolságokon helyezik el. Jasper javasolta elsőként 1958-ban, hogy a koponya formájától és nagyságától való függetlenség biztosítása szempontjából az elektródok helyét százalékosan határozzák meg [7]. Az elektródok elhelyezésére, elnevezésére a következő ábra mutat példát. 1.5.ábra 19 elektród elhelyezése a 10-20 szabvány szerint forrás: http://www.besa.de/pdf/recommended_eeg_standard_electrode_configurations.pdf A jelek regisztrálására Ag-AgCl elektródák használatosak melyeknek az az előnyös tulajdonságuk, hogy nem polarizálódnak, vagyis az áram átfolyása nem befolyásolja az elektród átmeneti feszültéségét. A jobb vezetés eléréséhez a fejbőrre, az elektródák alá vezető gélt kennek. Speciális alkalmazások esetén rozsdamentes acél elektródok is használatosak, melyeket általában az agyhártya alá vagy akár mélyen az agyban helyeznek el. A regisztrátum készítése során unipoláris vagy bipoláris elvezetéseket használnak. Az első esetben referenciaként egy különálló (leggyakrabban a fülcimpán elhelyezett) elektróda szolgál. Bipoláris elvezetéskor a koponyára helyezett elektródák egymáshoz vannak viszonyítva. Ezt a módszert választva, az elektródák jó kombinálásával kimutatható a jelek terjedése az agy felszínén. 13
1.3. Epilepszia Ezen a néven mindazokat a tünetegyütteseket foglaljuk össze, melyekre specifikus epileptiform EEG jelenségek, és visszatérő, viszonylag hirtelen kezdődő és múló rohamok jellemzők. Az epilepsziák egy része genetikusan öröklődő, másik részük külső ártalom által kiváltott. Az ártalom elszenvedése és az epilepsziás működészavar között néha jelentős idő is eltelhet. Az emberi agynak törzsfejlődésből eredő tulajdonsága, hogy bizonyos behatásokra epilepsziás rohammal reagál. Mindannyian rendelkezünk epilepsziás görcskészséggel és ehhez tartozó görcsküszöbbel. Amennyiben a görcsküszöb csökken, görcskészség fokozódik spontán epilepsziás rohamok alakulhatnak ki. Mindazok a tényezők melyek az ingerület gátlást megváltoztatva teret adnak sejtpopulációk nagymértékű szinkronizált kisülésének, epileptogén hatásúak. Az etilológiai tényezők a következők lehetnek: - Génrendellenességek - Infectiosus ártalmak - Craniocerebralis traumák - Cerebrovascularis megbetegedések - Agytumorok - Metabolikus és toxikus ártalmak A genetikai tényezőknek kiemelt szerepük van. Egyrészt önmaguk lehetnek kórnemző tényezők, másrészt pedig meghatározzák az agyra ható epileptogén hatásokra való görcskészséget [8], [9]. Az epilepsziás szindrómáknak rengeteg befolyásoló tényezőjük van. Ezek közül a legmeghatározóbbak: A rohamok klinikai tünetei és jelentkezésük körülményei Interictalis és ictalis EEG-tünetek Életkor és rohamok indulásakor Neurológiai deficittünetek Intellektus Pszihopatológiai tünetek Gyógyszeres befolyásolhatóság 14
1.3.1. A betegség patomechanizmusa Az epilepszia kialakulása éppen az agy legfontosabb tulajdonságát, a tanulóképességét, neuronális plaszticitását használja ki. Ebből kifolyólag érthető, hogy leggyakrabban azokban a szerkezetekben (kéreg, hippocampus) alakul ki, melyek fő szerepe az adaptáció. Az epilepsziás neuronok ugyanúgy működnek, mint a normális idegsejtek, csak megnő az ingerlékenységük, mivel a normál működést szabályozó mechanizmusok károsulnak. Tehát, a rohamok kialakulását a preszinaptikus neuronok neurotranszmitter kibocsátásának szabályozásában, valamint a posztszinaptikus idegsejteken a neurotranszmittereket fogadó receptorok működésének megváltozásában kell keresnünk. A feszültségfüggő Na + ioncsatornák gyors repetatív kisülésre való hajlamossága (rövid refrakteridőnek tudható be) különösen kritikus az epilepsziás szinkronizált működészavarok kialakulásának szempontjából. A kezdeti kóros működést pozitív visszacsatolások erősítik fel. A fokozott kisülések olyan irreverzíbilis változásokat idéznek elő a sejtműködésben, melyek elősegítik az izgalmi állapotok fennmaradását, továbbá egyes esetekben maradandó funkcionális elváltozásokat válthatnak ki. A nagy sejtkárosító hatást valószínüleg a sejtbe beáramló Ca + ionok nagy koncetrációja váltja ki. A rohamok általában nem koncentrálódnak az őket kiváltó gócpontok köré, a szinkronizált kisülések átterjednek a szomszédos szövetekre és folyamatos igénybevétel után ezek a régiók is az ictális állapot kiindulópontjává válhatnak [8]. 1.3.2. Az epilepsziák osztályozása Az epilepsziákat több szempont szerint szokás csoportosítani. Ezek közül a legfontosabb paraméterek a kiváltott élettani hatások (ez szinte majdnem minden esetben megegyezik a rohamokat kiváltó régiók szerinti felosztással, kivételt képeznek azok az esetek mikor a kiváltó gócpontok pontos funkciója nem ismert), a kóros régiók kiterjedése, az életkor, stb. Itt csak a leggyakoribb, kéttengelyű besorolást ismertetjük. Az egyik tengelyen a lokalizáció, a másikon pedig az etiológiai szempontok alapján vannak felosztva a leggyakoribb szindrómák (1.1. táblázat) [8]. A szimptómás epilepsziák szerzett epilepsziák, még az idiopátiásak genetikai eredetűek. Parciális szindrómákról akkor beszélünk mikor a működészavar az agy jól körülírható területéhez köthető. Amennyiben ez a feltétel nem teljesül általánosított, generalizált epilepsziáról van szó. 15
Szimptómás Idiopátiás Generalizált West szindróma Lennox-Gastaut szindróma Absence epilepszia Juvenilis myoclonusos epilepszia Egyéb idiopátiás generalizált epilepszia Parciális Temporalislebenyepilepszia Frontálislebeny-epilepszia Parieto-occipitalis epilepszia Benignus centrotemporalis gyermekkori epilepszia Benignus occipitalis gyermekkori epilepszia 1.1. táblázat Szindrómák kéttengelyű csoportosítása forrás: Halász Péter: Epilepsziás tünetegyüttesek, 1997 1.3.3. Temporális lebeny epilepszia A temporális lebeny epilepszia rendkívül gyakori forma. A felnőttkori epilepsziák 60-70 %-át teszi ki. Nagyrészt a fiatal felnőttkor, illetve a meglett felnőttkor periódusában jelentkezik. Amennyiben gyermekkorban indul, többéves tünetmentes periódus után serdülőkorban újra manifesztálódik. A fenti táblázatból látszik, hogy a szimptómás szindrómák közé tartozik, azonban teljes mértékben a genetikai tényezőket sem zárhatjuk ki. Parciális mivoltából kifolyólag általában csak a kóros régióhoz tartozó funkciók hiányaként jelentkezik, bizonyos esetekben viszont a parciális rohamok generalizáltakba torkollhatnak. Gyakori tünetek: szenzomotoros tünetek, elsápadás-elpirulás, szívritmusváltozás, izzadás, pupillatágulat, illúziók, hallucinációk, álomállapot, félelem, harag, tudatzavar, amnézia, automatizmus (akaratlan-motoros tevékenység melyet általában amnézia fed), kifejezéstelen arc, az éppen folyó tevékenység abbahagyása, stb. [8], [9]. Reprodukálható rohamkiváltó tünetekről ezekben az esetekben nem beszélhetünk, habár újra meg újra felmerül az a gyanú, hogy az emocionális igénybevétel rohamkeltő lehet. A betegség gyógyszeres kezelése az esetek többségében sikerrel járhat. Amennyiben viszont a modern farmakokinetikai elvek alkalmazása sem vezet pozitív eredményre, felmerül a műtéti beavatkozás szükségessége [8]. 16
1.3.4. Hippocampus A temporális lebeny epilepszia kiváltói a temporális lebeny alatt elhelyezkedő limbicus rendszer struktúrái, ezért az adott epilepszia típust gyakran temporolimbicus epilepsziának is nevezik. A leggyakoribb rohamkiváltó egység a hippocampus. Hogy ez miért is van így, magyarázatot ad a hippocampus funkciója (ez alapján a felsorolt szindrómák is érthetőek már), valamint az agyban lévő elhelyezkedése. Ez az egység a deklaratív memóriáért, az emléknyomok rövid és hosszú távú memóriák közötti átviteléért, valamint az emóciók kialakulásáért felelős. Ehhez nélkülözhetetlen, hogy a terület nagy adaptivitással rendelkezzen. A betegség patomechanizmusának tárgyalásánál leírtak függvényében így már érthető, hogy ez az epilepszia típus miért is olyan gyakori. Az öngerjesztő, szinkronizált intenzív kisülések kialakulási mechanizmusának magyarázatát hivatott az alábbi ábra segíteni. A limbicus rendszer valamint a hippocampus bonyolult morfológiáját, összetett működését nem részletezzük. A kedves Olvasó az irodalomjegyzékben feltűntetett [2], [3], [4], [10], [11], [13] irodalmakban tájékozódhat ezekről. 1.6. ábra A hippocampus modellje forrás: Neil burgess and John O Keefe: Hippocampus: Spatial Models, 2002 Az 1.6. ábra a hippocampus egyes régiói között fellépő kapcsolatokat, valamint az egyes régiókhoz tartozó neuronok számát szemlélteti. Az adaptivitás, és egyben az öngerjesztő mechanizmusok létrejötte a megfigyelhető irányított zárt láncokkal magyarázható. Kutatások szerint a rohamok kialakulásának szempontjából kiemelkedő jelentőséggel bír a CA3-as régió közvetlen pozitív visszacsatolása. A hippocampus elhelyezkedésének következtében gyakran fizikai behatásoknak van kitéve, annak ellenére, hogy az agy mélyebb régióiban fekszik. Erre a koponya halántéki részének sérülékenysége ad magyarázatot. 17
1.3.5. Vizsgálati módszerek Amennyiben gyógyszeres kezeléssel nem sikerül a rohamokat megszüntetni, vagy legalább a kívánt gyakoriságot elérni, sebészeti beavatkozásra van szükség. A kóros területek eltávolítása funkciókieséssel járhat, ezért ebből a szempontból az eltávolítandó régiók minimalizálására kell törekedni. Azonban a hátrahagyott, már károsult struktúrák bizonyos lappangási idő elteltével kiújíthatják a rohamokat, valamint új régiókat vonhatnak be a kóros aktivitásba, és így a műtét megismétlésére lehet szükség. A rohamokat kiváltó struktúrák pontos beazonosítására EEG-t, valamint képalkotó technikákat alkalmaznak. A megfelelő FO elektróda Temporális lebeny Hippocampus 1.7. ábra Foramen ovale elektróda és a hippocampus lokalizációhoz egyaránt ictális és interictalis megfigyelésekre is szükség van. A gyógyszeres kezelés következtében előfordulhat, hogy a rohamokra napokig, akár hetekig is várni kell, ezért a kezelést a vizsgálatok idejére felfüggesztik. A folyamatos monitorozás szempontjából egyértelműen az EEG bizonyul előnyösebbnek, hiszen el sem képzelhető, hogy a páciens folyamatos sugárzásnak legyen kitéve, valamint, hogy a készülékhez legyen kötve több mint egy héten keresztül. Természetesen EEG esetén is a páciens a műszerhez van láncolva, azonban az elektródák elég hosszú elvezetése esetén nyugodtan mozoghat, fekhet, ülhet, még a képalkotó eljárásoknál mozdulatlan pozíciót kellene, hogy felvegyen. Nagyon fontos továbbá az időbeli felbontás is, mivel csak így állapítható meg a kóros működés terjedése, a 18
rohamot kiváltó gócpont (jobb vagy bal oldali, legrosszabb esetben mindkét oldali hippocampus) lokalizálása. Az EEG azon hátrányát, hogy a mélyben lévő régiók tevékenysége csak minimálisan vagy egyáltalán nem detektálható a fejbőrről elvezetett jelekben az orvosi diagnosztikában alkalmazott szemrevételezéssel, mélyagyi vagy más néven foramen ovale (FO) elektródák beültetésével küszöbölik ki. Ezt a módszert 1985-ben alkalmazták először [12]. A tűszerű, rozsdamentes acél elektródákat az arcüregeken, továbbá az ékcsontban található névadó foramen ovale nyílásokon keresztül helyezik el bilaterálisan a hippocampusok közvetlen közelében. A temporális lebeny, a hippocampus és a mélyagyi elektródák elrendezését az 1.7. ábra szemlélteti. Mivel az EEG az agy struktúrájáról nem ad pontos információt, az EEG vizsgálat után a már sérült területek pontos beazonosítását főleg MRI és PET eljárásokkal végzik. 19