A tremor elektrofiziológiai vizsgálata Parkinson-kórban és essentialis tremorban Dr. Tamás Gertrúd Témavezető: Dr. Kamondi Anita PhD Programvezető: Dr. Szirmai Imre DSc Semmelweis Egyetem, Budapest Általános Orvostudományi Kar Neurológiai Klinika 2005. Semmelweis Egyetem Doktori Iskola Szentágothai János Idegtudományi Doktori Iskola Szigorlati Bizottság: Dr. Rajna Péter DSc Dr. Gács Gyula kandidátus Dr. Széplaki Zoltán PhD Bírálók: Dr. Gerber Gábor kandidátus Dr. Nagy Ferenc PhD 1
Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék I. Rövidítések 4. II. Electroencephalographia (EEG) 6. 1. Az electroencephalographia történeti áttekintése 6. 2. Az EEG neurophysiológiai alapjai 9. 2.1. Neuron és szinapszis 9. 2.2. Elektrofiziológiai alapjelenségek 9. 2.3. Szinkronizáció, ritmusképző, pacemaker sejtek 12. 3. Az EEG morfológiai jellemzése 13. 4. Az EEG regisztrálása, technikai alapok 17. 5. Digitális EEG 19. 5.1. A digitális EEG rendszer felépítése 19. 5.2. A digitális EEG matematikai analízise 21. III. Az eseményfüggő EEG változások 23. 1. Az eseményfüggő potenciálok és eseményfüggő válaszok 23. 2. Az ERD és ERS 25. 2.1. Az eseményfüggő válaszok frekvenciája és lokalizációja 26. 3. A fokális ERD/környező ERS jelenség 26. 4. Eseményfüggő válaszok kognitív feladatokban 27. 5. Mozgáshoz kötött eseményfüggő válaszok 27. 5.1. Saját elhatározásból indított mozgás 27. 5.2. Elképzelt mozgás 29. 6. A beta szinkronizáció 29. 6.1. A mozgás utáni beta szinkronizáció (PMBS) 29. 6.2. Beta szinkronizáció szenzoros stimulálás, passzív és elképzelt mozgás után 31. 7. Az eseményfüggő EEG válaszok klinikai jelentősége 32. IV. A tremor keletkezése 33. 2
Tartalomjegyzék V. A Parkinson-kór és essentialis tremor klinikai jellemzése 36. 1. Parkinson-szindrómák 36. 1.1. A Parkinson-szindrómák felosztása 37. 1.2. A Parkinson-kór 38. 1.2.1. Pontozó skálák Parkinson-kórban 41. 1.2.2. A Parkinson-kór altípusai 42. 1.2.3. A Parkinson-betegség patofiziológiája 42. 2. Az essentialis tremor 46. 2.1. Pontozó skála essentialis tremorban 47. 2.2. Az essentialis tremor patofiziológiája 48. 3. A tremor elektrofiziológiai elkülönítése Parkinson-kórban és essentialis tremorban 49. VI. A motoros kéreg szerepe a tremor generálásában Parkinson-kórban és essentialis tremorban 51. 1. A PMBS vizsgálata tremor domináns Parkinson-kórban 51. 2. A PMBS vizsgálata essentialis tremorban 66. 3. A kontralaterális mozgás hatása a tremorra Parkinson-kórban és essentialis tremorban 76. VII. Az eredmények összefoglalása, következtetések 85. VIII. Köszönetnyílvánítás 87. IX. Saját közlemények jegyzéke 88. X. Irodalomjegyzék 89. XI. Összefoglalás 108. XII. Summary 109. 3
Rövidítések I. Rövidítések Ach acetil-kolin AD analóg-digitális ANOVA variancia analízis ATP adenozin-trifoszfát AVR közös átlag referens B bal BT bal kéz tremor CT komputer tomográfia DA dopamin EEG electroencephalographia EMG electromyographia EPSP serkentő posztszinaptikus potenciál (excitatory postsynaptic potential) ERD eseményfüggő deszinkronizáció (event-related desynchronization) ERS eseményfüggő szinkronizáció (event-related synchronization) ET essentialis tremor F férfi FFT Fast-Fourier transzformáció FM fényjelzés után indított mozgás GABA gamma-amino-vajsav GPe globus pallidus externus GPi globus pallidus internus IPSP gátló posztszinaptikus potenciál (inhibitory postsynaptic potential) ipszi ipszilaterális J jobb JT jobb kéz tremor K kontroll kontra kontralaterális lat latencia MAO-B monoamin oxidáz-b maxpmbs a mozgás utáni beta szinkronizáció maximális százalékos értéke 4
Rövidítések MEG magnetoencephalographia minberd a beta eseményfüggő deszinkronizáció minimális százalékos értéke MMS Mini Mental Teszt a dementia vizsgálatára MPP+ 1-metil-4-fenilpiridin MPTP 1-metil-4-fenil-1,2,5,6-tetrahydro-pyridin MR mágneses rezonancián alapuló képalkotás MRBF eseményre reagáló beta frekvencia N nő NRK nem remegő kéz PET pozitron emissziós tomográfia PK Parkinson-kór PMBS mozgás utáni beta szinkronizáció PPN pedunculo-pontin nucleus pre-sma a supplementer motoros kéreg elülső része PT Parkinson-kórban megjelenő tremor R referencia szakasz RE thalamus nucleus reticularis REM az alvás gyors szemmozgással járó szakasza (rapid eye movement) RK remegő kéz SMA supplementer motoros kéreg SMA-proper a supplementer motoros kéreg hátsó része SNc substantia nigra pars compacta SNr substantia nigra pars reticulata SPM saját elhatározásból végrehajtott mozgás (self-paced movement) STN nucleus subthalamicus T+ kisebb amplitúdójú tremor T++ nagyobb amplitúdójú tremor TCR thalamocorticalis átkapcsoló sejt Vim nucleus ventralis intermedius VL thalamus ventralis lateralis magcsoport Vop nucleus ventralis oralis posterior 5
EEG II. Electroencephalographia (EEG) 1. Az electroencephalographia történeti áttekintése Luigi Galvani (1737-1798) 1791-ben írta le, hogy a fémekkel érintkező békaizom összehúzódik (1. ábra), ez az észlelés indította el a bio-elektromos jelenségek vizsgálatát a XVIII. század végén. Volta találta fel a két fémből álló galváncsipesz -t, mellyel az izmot megérintve rángásokat lehetett kiváltani. Feltételezte, hogy ez elektromos jelenség, és hogy a feszültség változása az elektromos természetű idegi folyadékot hozza mozgásba. Ebből a megfigyelésből származik a galvánelem. 1825-ben Nobili kimutatta, hogy a működő izom áramot termel (1). 1. ábra. Galvani saját rajzai a békacomb kísérletéről (1). A biológiai kísérletekben galvanométerrel mérték az elektromos áram intenzitásváltozását. A XIX. században terjedt el a nézet, miszerint az idegrendszer működése elektromos folyamatokon alapszik. Ennek fő képviselői Carlo Matteucci (1811-1868) és Emil Du Bois-Reymond (1818-1896) voltak. Bernstein, majd főleg Du Bois-Reymond a működés elektromos jeleit már igen sok állati és emberi szövetben is észlelte. Du Bois Reymond szerint a terjedő ingerület negatív elektromos hullám, melyet negatív variációnak nevezett. Ő választotta szét a bioelektromosság két alapvető formáját, a nyugalmi és az akciós áramot. Az első EEG kutatások a XIX. század végén kezdődtek. Richard Caton (1842-1926) potenciálkülönbséget mért állatokon a koponya két pontja között, illetve a szürkeállományba és a koponya külső felszínére helyezett elektródok között. Leírta, hogy az agykéreg aktív állapotában a skalpon negatív variáció mérhető, vagyis a mért potenciálváltozás összefüggésben áll az agy működésével. 6
EEG Adolf Beck (1863-1939) Krakkóban végzett állatkísérleteket. Az agy spontán elektromos tevékenységében a ritmusos oszcillációk megszűnését figyelte meg vizuális stimuláció közben (2). Hans Berger (1873-1941) nevéhez fűződik a humán EEG elemzés kezdete. Első méréseit egy csatornán végezte, egy frontálisan és egy occipitalisan elhelyezett elektródát használt. Ő írta le az EEG alfa tevékenységet (2. ábra), és annak gátlását szemnyitás hatására ( Berger-ritmus ), megfigyelte az alpha aktivitást felváltó beta aktivitást is. Munkáit 1929-ben Das Elektroenkephalogramm des Menschen (3) című könyvében foglalta össze (3. ábra). 2. ábra. Berger által regisztrált EEG alpha orsókkal. Középen EKG, az alsó sorban 10Hz-es szinusz hullám (3). 3. ábra. Berger könyvének címoldala. Tanulmányozta az EEG éberséggel összefüggő változásait, ő írta le először az alvás alatt jelentkező orsókat. A hypoxia hatását vizsgálta az agyműködésre, számos diffúz és lokális neurológiai betegségben szenvedő egyén EEG-ját vizsgálta, pl. elsőként regisztrált intraoperatív EEG-t koponyasérült betegekben a dura mater felszínére helyezett elektródokkal. W. Grey Walter 1936-ban delta hullámokat regisztrált agytumor feletti kéregterületen. A kísérleti eredmények és klinikai megfigyelések alapján az 1950-es évektől kezdve az EEG az agyi organikus károsodások diagnózisának elterjedt noninvazív módszerré vált. 7
EEG A negyvenes években Foerster és Altenburger vezették be az intraoperatív EEG vizsgálatokat a parciális epilepsziás fokuszok meghatározására idegsebészeti műtétek alatt. Meyers és Hayne, később Knott Iowa-ban, Hayne, Belinson és Gibbs Chicagoban ugyanezzel a céllal elektródokat implantált intracerebralis területekre, 1948-ban. Dyskinesiákban, epilepsziákban és pszichiátriai betegségekben szenvedők vizsgálata során EEG-t vezettek el a basalis ganglionokból és a thalamusból. Az 1960-as években az electrocorticographia főleg az epilepszia sebészet eszközeként fejlődött tovább. Herbert Jasper és Wilder Penfield ingerléssel egybekötött electrocorticographiás vizsgálatai új topográfiai felismerésekhez vezettek. A kiváltott válaszok vizsgálatára az 1940-es években került sor. George D. Dawson 1947-ben, Londonban a n. ulnaris elektromos ingerlésével kiváltott agykérgi választ regisztrált. Az általa használt technika az 1960-as években a komputerizált átlagolási módszerrel finomodott. Fourier-analízist először Berger munkatársa, Dietsch alkalmazott az EEG matematikai elemzésére 1932-ben, de a módszer csak az 1960-1970-es évektől, a komputerek fejlődése révén terjedt el. Az utóbbi harminc évben az EEG komputeres elemzésével lehetővé vált az élettani eseményeket kísérő EEG jelek gyűjtése, és azonos időtartományban (time-domain) illetve tetszés szerinti frekvenciatartományokban (frequency-domain) történő elemzése, a digitalizált adatok statisztikai feldolgozása. Az 1990-es években jelentek meg a kereskedelemben beszerezhető digitális EEG rendszerek, melyek leletező és elemző programjai automatikus mintakereső, illetve spektrális topográfiás térképezés funkciókkal rendelkeznek (4). 1997-ben fejlesztették ki az első párhuzamos video-eeg monitorizálást (2). Az 1960-as években kezdődtek el a magnetoencephalographiás (MEG) mérések. A módszer előnye az EEG-vel szemben, hogy a MEG az agyban keletkezett elektromos áramok által generált mágneses mezőt méri, az EEG pedig a skalpra jutó elektromos aktivitást, mely az agyburkok és koponyacsont szövetein halad keresztül. A szövetek eltérő elektromos vezetőképessége miatt az agykéreg aktivitásának amplitúdója jelentősen csökken. A mágneses mezőt a volumenvezetés nem befolyásolja, így az agykéregből származó mágneses mintázat kevésbé torzul. Amíg az EEG függ az 8
EEG alkalmazott referencia elektród elhelyezkedésétől, a MEG regisztrálásához nem szükséges referencia, pontosabb lokalizációt tesz lehetővé, mint az EEG (5). 2. Az EEG neurophysiológiai alapjai 2.1. Neuron és szinapszis Az emberi idegrendszerben 10 12 nagyságrendű az idegsejtek, 10 15 nagyságrendű a szinapszisok száma. Leggyakrabban az axonterminális alkot egy másik neuronnal szinapszist. Az axonterminális része a preszinaptikus membrán, a fogadósejt része a posztszinaptikus membrán, a kettő között található a szinaptikus rés. A kémiai szinapszisban az ingerület továbbítása egyirányú. Az axonterminálisban tárolódó vezikulákból neurotranszmitterek szabadulnak a szinaptikus résbe, hatásukat a posztszinaptikus membrán receptorain fejtik ki. Az elektromos szinapszisban a sejtek között gap junction, réskapcsolat teszi lehetővé az ionáramlást (6). A monoamin transzmitterek (dopamin, noradrenalin, szerotonin) és az acetil-kolin (Ach) nemcsak szinapszisban, hanem az extracelluláris térben, nonszinaptikus ingerületátvitel útján is kifejtik hatásukat, a szinapszison kívül elhelyezkedő nagy specifitású receptorokhoz is kötődnek. Ezzel szemben glutamát és GABA (gamma-amino-vajsav) transzmittereket csak kémiai szinapszisban tudtak kimutatni (7). 2.2. Elektrofiziológiai alapjelenségek A nyugalmi membránpotenciál állandó feszültségkülönbség a sejtmembrán két oldala között. Idegsejtekben ez átlagosan -70mV, az intracelluláris tér elektromos polaritása negatív az extracelluláris tér polaritásához képest. A potenciálkülönbséget az egyenlőtlen ioneloszlás okozza: az extracelluláris térben több Na +, Cl - ion van, intracellulárisan több a K + ion (extracellulárisan: Na + : 142mEq/l, K + : 4,5 meq/l, Cl - : 107 meq/l, intracellulárisan: Na + : 14mEq/l, K + : 120 meq/l, Cl - : 8 meq/l). A nyugalmi membránpotenciál fenntartását az ionpumpák folyamatos működése biztosítja. Legfontosabb a Na + -K + pumpa, amely a Na + ionokat az extracelluláris térbe, a K + ionokat az intracelluláris térbe pumpálja. Szinaptikus aktivitás hatására a membrán depolarizálódik, az extracelluláris térből Na+ ionok áramlanak az intracelluláris térbe, a nyugalmi membránpotenciál polaritása megszűnik, majd megfordul. A küszöbfeszültség 9
EEG elérésekor potenciálváltozások sorozata, tovavezetődő impulzus keletkezik az axonban, melyet akciós potenciálnak hívunk. Serkentő szinapszis működésekor a posztszinaptikus membrán depolarizálódik, excitátoros posztszinaptikus potenciál (EPSP) jön létre, míg gátló szinapszis hatására inhibitoros posztszinaptikus potenciál (IPSP), azaz hyperpolarizáció jelentkezik. Több serkentő szinapszis hatása révén a posztszinaptikus membrán potenciálja elérheti a küszöbpotenciált, így akciós potenciál indul, az ingerület sejtről-sejtre terjed. A lokális potenciálgrádiens miatt a posztszinaptikus membrán két oldalán ellentétes irányú kation áramlás indul meg (4. ábra). 4. ábra. A serkentő és gátló szinaptikus működés miatt megváltozott membránpotenciál ellentétes extracelluláris kation áramokat generál. Az EEG-vel regisztrált mező-(field) potenciál akár több tízezer idegsejt elektromos tevékenységének líneáris összegződése. Az idegsejtekből, vagy a sejtekbe irányuló ionáramok az extracelluláris térben feszültség ingadozásokat hoznak létre, ez jelenik meg az EEG görbén. Ha az axonra a corticalis felszínhez közel excitátoros potenciál érkezik (5.A ábra), akkor az extracelluláris térben a felszín irányába folyó kation áramlás indul meg, az EEG-n felszín negatív hullám keletkezik. Ha a serkentő impulzus a kéreg mélyebb rétegeibe érkezik (5.B ábra), akkor az EEG-n felszín pozitív hullámot kapunk. Gátló szinaptikus működés esetén ezek a viszonyok megfordulnak (5. C,D ábra). 10
EEG 5. ábra. A serkentő (A,B ábra) és a gátló (C, D ábra) szinaptikus működés a cortex felszíni és mélyebb rétegében eltérően változtatja a mezőpotenciált (MP). Annak ellenére, hogy az akciós potenciál során nagyobb ionáramlás keletkezik az extracelluláris térben, mint a posztszinaptikus potenciálok alatt, az EEG aktivitást mégis döntően a posztszinaptikus áramok határozzák meg. Ennek az az oka, hogy az akciós potenciálok kis membránszakaszt érintenek, rövidek (időtartamuk<10ms), míg a posztszinaptikus potenciálok időben elnyúltak (100-200ms), így ezek nagyobb valószínűséggel szummálódnak. Az extracelluláris közeg ohmikus és 11
EEG kapacitív ellenállása miatt a magas frekvenciájú, akciós potenciálsorozatokból összegződő gyorsaktivitás teljesítménye csökken, frekvenciája torzul, a skalpon csak redukált formában regisztrálható. Az EEG a kéreg felső rétegében lévő sejtek dendriteinek szinkronizált szinaptikus aktivitásából származik. Ennek az az oka, hogy a sejtek apicalis dendritjei egymással párhuzamosan, a cortex felszínére merőlegesen helyezkednek el. Ez az elrendeződés lehetővé teszi, hogy az extracelluláris áramok nagyobb veszteség nélkül terjedjenek a felszín felé. Az EEG interpretációja azonban a kéreg gyrifikációja miatt nem egyszerű, hiszen a bonyolult geometriai viszonyok határozzák meg az áramok vektorainak összegződését. A gliasejtek membránpotenciálja megközelítőleg a K + equilibrium potenciálja (-98mV), akciós potenciál és posztszinaptikus potenciál nem váltható ki ezekben a sejtekben. A membránpotenciáljuk azonban nem stabil, az extracelluláris K + ion koncentráció növekedésével depolarizálódnak. Ha a közeli neuron akciós potenciálja közben a kiáramló K+ ionok nem lépik át a gliasejt membránját, lokális feszültségkülönbség képződik, és az idegsejthez hasonlóan a membrán két oldalán ellentétes kation áramlás indul meg. Geometriai okok miatt az itt keletkezett extracelluláris áramok csak kismértékben járulnak hozzá az EEG aktivitás generálásához. 2.3. Szinkronizáció, ritmusképző, pacemaker sejtek Az idegrendszerben a thalamusban, a neocortexben és a hippocampusban is találtak olyan neuronokat, melyek membránsajátságaik révén, külső behatás nélkül is képesek ritmusos akciós potenciál sorozatokat generálni (pacemaker sejtek). A neuronok/neuronhálózatok oszcillációját több faktor határozza meg: - az egyes neuronok membrántulajdonságai, - a hálózati elemek közötti összeköttetések, - a szinaptikus működés, amely nemcsak a specifikus ingerületet továbbítja, hanem feed-back, és feed-forward folyamatokat is irányít, - a neurotranszmitterek moduláló hatása. A ritmusképző sejtekben a Na + ionok intracelluláris áramlása nagyfokú depolarizációt okoz, mely triggereli a Ca 2+ beáramlást a dendritekben. A Ca 2+ extracelluláris térbe irányuló K + áramot indukál, ezzel az idegsejt elhúzódó hyperpolarizált állapotba kerül. 12
EEG A sejtmembrán elhúzódó refrakter állapota miatt a neuronok működése nagyobb valószínűséggel szinkronizálódik. 3. Az EEG morfológiai jellemzése Az electroencephalogram a koponyafelszín különböző pontjairól, több csatornán elvezetett feszültség-idő diagram, amely az agykéreg elektromos aktivitását ábrázolja térben és időben. Nunez (9) szerint a skalpon detektált áramok makro-oszlopok aktivitásával modellezhetők, melyek felülete 3mm 2, 10 5-10 6 számú idegsejtet tartalmaznak. Ahhoz, hogy a skalpon mérhető jelet kapjunk, kb. 30 oszlop, tehát kb. 90mm 2 kéregterület koherens működése szükséges. A mért aktivitást befolyásolja, hogy az oszlopok sulcusokban vagy gyrusokban helyezkednek el. A columnák aktivitása közötti növekvő koherencia a skalpon mért aktivitás növekedéséhez vezet (8). Az EEG jelek morfológiáját és időbeli jellegzetességeit így számos tényező befolyásolja: - a működő kéregterület nagysága - a kéregterület geometriai paraméterei - a kéregterület távolsága az elektródtól. Általánosságban igaz, hogy az agyi ritmusos aktivitás frekve nciája fordított arányban áll az amplitúdóval (10). Az alacsonyabb frekvenciájú hullámok nagyobb corticalis terület szinkronizált működését jelzik. A magasabb frekvenciájú beta/gamma hullámok kisebb neuronpopulációk aktivitását tükrözik, melyek a kéregben mozaikszerűen rendeződnek, ezért az egy EEG elektróddal detektálható kéregterület domináns frekvenciasávja nagy szórást mutat. A magas frekvenciájú beta/gamma EEG tevékenység általánosságban aktív, míg a lassabb frekvenciájú működés inaktív állapotot jelöl. A különböző frekvencia tartományú EEG jelenségek egymást átfedhetik az elvezetés helyétől és az aktiválás módjától függően. Az alvás első fázisában jelentkező alvási orsó és az 1 Hz-nél kisebb frekvenciájú lassú corticalis tevékenység mechanizmusa ismert, míg más frekvenciájú működések eredetéről csak feltételezések vannak. Az EEG aktivitását frekvenciája és lokalizációja szerint határozzuk meg. 13
EEG Delta aktivitás Nagy amplitúdójú, alacsony frekvenciájú (1-4Hz) tevékenység. Normális egyénben az alvás 4. fázisában jelenik meg, thalamocorticalis működés eredménye. A cortex V. rétegében mérhető legnagyobb amplitúdóval, a skalpon negatív hullámként regisztrálható. Állatkísérletekben ez a hullám összefüggésben állt az V. corticalis rétegben található pyramissejtek hyperpolarizált állapotával, amelyet valószínűleg GABA-erg interneuronok gátló hatása vált ki. Mivel a subcorticalis afferens pályák GABA-erg interneuronokon végződnek, befolyásolják a corticalis delta aktivitás generálását (11). Theta aktivitás Négy-hét Hz frekvenciájú. A theta aktivitás felnőtt, egészséges egyénben nem számottevő. Különböző betegségekben az alpha aktivitás lassul, az EEG-n theta frekvenciatartományú működés látható, mint az agyi véráramlás csökkenésekor (12), metabolikus encephalopathiákban. Theta hullámok mérhetők a corticalis limbicus areakban, mint a hippocampus, entorhinalis kéreg, cinguláris kéreg. Az itt mért aktivitást ritmikus lassú aktivitásnak (rhytmic slow activity: RSA) nevezték el, frekvenciatartománya ugyanis szélesebb, mint a theta aktivitásé (3v.4-10Hz). Alpha aktivitás Frekvenciája 8-13Hz, csukott szemmel fekvő, nyugodt, éber egyénben a parietalis, a hátsó temporalis, és legnagyobb amplitúdóval az occipitalis lebeny felett mérhető. Amplitúdója változó, felnőttekben 50-100µV, a szubdomináns félteke felett általában nagyobb. A figyelem, különösen vizuális stimulus, mentális feladat gátolja. Az alpha hullámok tipikus orsókba rendeződnek (6. ábra). Kialakulásában elsősorban corticocorticalis kapcsolatok játszanak szerepet, melyeket a thalamo-corticalis összeköttetések befolyásolnak (13). A centrális mű ritmus frekvenciájában és amplitúdójában hasonló az alpha ritmushoz, a motoros és a somatosensoros kéreg működéséhez kötődik. A végtag passzív és aktív mozgása a szomatotopiás elrendeződés szerint fokozza, illetve csökkenti a mű ritmust (14). 14
EEG Az eseményfüggő válaszok (III. fejezet) elemzésekor megállapították, hogy a mű ritmus két tartományra osztható, az alsó (7-10Hz) és felső (10-13Hz) alpha tartományra. Az alsó tartomány teljesítmény csökkenése (deszinkronizáció) kognitív vagy motoros feladatban nagyobb kéregterület felett mérhető, valószínűleg általános figyelmi folyamatot tükröz. A felső alpha tartomány deszinkronizációja azonban szűk területre lokalizált, feladat-specifikus. Lambda aktivitás Éles tranziens hullám, amely az occipitalis kéreg felett jelenik meg vizuális feladatok alatt. Időben összefügg a szemmozgás saccadaival. Az amplitúdója változó, 50µV alatti. Bifázisos vagy trifázisos, a domináns fázisa pozitív. Időtartama 200-300 ms, 200-500ms-onként ismétlődik. Szimmetrikusan, szinkron jelentkezik, kiterjedhet a parietalis és temporalis posterior területekre is. Beta aktivitás Frekvenciája nagyobb, mint 13Hz, felső frekvenciahatára nincs. A 30Hz fölötti tartományt gamma tevékenységnek is nevezik. Az amplitúdója általában nem haladja meg a 30µV-ot, magasabb a csontdefektusok felett, illetve barbiturát, benzodiazepine és minor trankvilláns gyógyszerek hatására. Figyelmi feladatok során jelentkezik különböző kéregterületeken, specifikus intracorticalis működést jelöl (15). A beta, gamma aktivitás a cortexben, illetve thalamocorticalis összeköttetések révén generálódik. A kéregben azonosítottak gyors, ritmikus burst aktivitással rendelkező pyramissejteket ( chattering sejtek), ezek a látókéregben vizuális ingerlés hatására 20-70Hz frekvenciájú aktivitást generálnak, valószínűleg szerepet játszanak a szenzoros információ feldolgozásában (16). A cortex IV. rétegében lévő egyes gátló interneuronok membránpotenciáljuktól függően beta/gamma tartományú aktivitást generálnak. A membránpotenciált valószínűleg a thalamusból érkező serkentő impulzusok határozzák meg. A sejtek egy csoportja széles (10-40Hz), a másik csoportja szűk (44Hz) frekvenciatartományban oszcillál (17). 15
EEG Fp2-AVR F8-AVR T4-AVR T6-AVR O2-AVR F4-AVR C4-AVR P4-AVR Fp1-AVR F7-AVR T3-AVR T5-AVR O1-AVR F3-AVR C3-AVR P3-AVR Fz-AVR Cz-AVR Pz-AVR 10 µv 6. ábra. Huszonhét éves egészséges személy EEG-je, aki a felvétel alatt csukott szemmel feküdt. Alpha orsók láthatók az occipitalis lebeny felett (O1, O2 elektródok). Az elektródok elhelyezkedése a Standard 10-20 Rendszernek megfelelő, ellenállásuk< 5kΩ, az időállandó 0,03s, a felülvágó szűrő 70Hz. Monopoláris elvezetés, a referencia elektród az orron volt. Közös átlag referens (AVR) módszert alkalmaztunk, a közös átlag referens számításába a referencia elektród kivételével minden elektródot bevontunk. Celluláris vizsgálatok szerint a formatio reticularis rostralis magjai is hozzájárulnak a gyors, alacsony feszültségű aktivitás létrehozásához, ezek a magok thalamicus átkapcsolással nagy kéregterületre hatnak. Ingerlésük nem csupán az alvási orsók és lassú hullámok gátlásával jár, hanem az ébredési, figyelmi állapothoz köthető gyors aktivitást vált ki. A beta frekvenciasávba eső aktivitás több kéregfelszínről elvezethető, amelyek reaktivitásban, lokalizációban is különböznek egymástól. 1. Frontalis beta ritmus: magas frekvenciájú tevékenység. 2. Centrális beta ritmus: a mű ritmussal hasonló lokalizációban jelentkezik. 16
EEG 3. Posterior beta ritmus: gyors alpha variáns, melynek frekvenciája meghaladja a felső 13Hz-es frekvenciahatárt. A szemnyitás gátolja. 4. Diffúz beta ritmus: nincs kapcsolatban más fiziológiás kérgi ritmussal. 4. Az EEG regisztrálása, technikai alapok Az EEG-t skalpra helyezett elektródokkal regisztráljuk, amplitúdóját a mért aktivitás feszültsége határozza meg. A corticalis EEG szignál áthalad az agyburkokon, a liquoron és a koponyacsont egyes szövetein, melyek különböző elektromos vezető tulajdonsággal rendelkeznek. A jel amplitúdója eközben jelentősen lecsökken, a cortexen még mv nagyságrendű feszültég a skalpon 10-50µV nagyságrendben mérhető. 1958-ban az EEG és Klinikai Neurophysiológiai Társaságok Nemzetközi Szervezete meghatározott egy standard sémát 21 elektród elhelyezésére, amely Nemzetközi 10-20 Rendszer néven vált ismertté. A korábbi gyakorlattal szemben nem állandó távolságokra helyezték az elektródokat, hanem anatómiai viszonyítási pontokat adtak meg, és a pontok közötti távolság 10 vagy 20%-ához helyezték a szomszéd elektródokat. Ezzel a módszerrel kiküszöbölték a koponya méretéből adódó anatómiai különbségeket. Az elektródok elnevezésében betű jelöli a lokalizációt (pl.: F: frontális, P: parietalis), számozásuk a középvonaltól haladva növekszik, a páros számúak a skalp jobb oldalán, a páratlan számúak a bal oldalán helyezkednek el. 1991-ben az Amerikai EEG Társaság a korábbi sémát kiterjesztette 75 elektród elhelyezésére. Az elektródokat egymással különböző kombinációkban köthetjük össze (kapcsolási vagy elvezetési séma, montage). Két aktív elektród összekapcsolásakor (bipolaris elvezetés) az EEG az elektródok egymáshoz viszonyított feszültség különbségét regisztrálja. A monopoláris vagy referens elvezetésben az aktív elektródokon keletkező feszültséget a referenciaelektród feszültségéhez viszonyítjuk. Ha ennek értéke 0 mv, akkor az aktív elektródon az agyi elektromos tevékenység valódi potenciál értékeit kapjuk meg. Ideális referencia elektród azonban nincs, így monopoláris montage alkalmazásával minden elvezetésben műtermékként megjelenik a referencia elektród aktivitása. A fejen elhelyezett referencia elektród potenciál változásait befolyásolja az 17
EEG agy elektromos aktivitása és egyéb biológiai feszültség-ingadozások, a testen távolabb elhelyezve az EKG potenciál-ingadozásait közvetíti. A bipoláris elvezetésben a két összekapcsolt elektród elektromosan aktív területen helyezkedik el. Ha a csatorna 2. bemenetén negatívabb a potenciál az 1. bemenethez képest, a csatorna lefelé irányuló jelet regisztrál, fordított esetben a jel felfelé tér ki. A több csatornával végzett bipoláris elvezetésekben a szomszédos csatornáknak egy közös elektródjuk van, mely az első csatorna 2. bemenetére, és a második csatorna 1. bemenetére kapcsolódik. Így a közös elektródon jelentkező aktivitás a szomszédos csatornákon ellentétes polaritású kimenő jelet eredményez. Ezt a jelenséget fázisinverziónak vagy fázis megfordulásnak nevezzük. Hosszanti és merőleges láncelvezetéseket használva a potenciálforrás feletti elektródnál jön létre a fázisinverzió. Ha a potenciál maximum két elektród közé esik, akkor a két elektród azonos potenciállal rendelkezik, a csatorna kimenő jele nem tér ki. Az ezzel szomszédos csatornák azonban ellentétes irányú jelet regisztrálnak. A módszer előnye tehát, hogy pontos lokalizációs lehetőséget nyújt, kevésbé zavarják műtermékek, hátránya, hogy az aktivitás amplitúdója és frekvenciája korlátozottan értékelhető. A közös referens elvezetésben vagy a 10-20 rendszer valamelyik elektródja vagy a fejen (fülcimpán, orron) elhelyezett elektród az inaktív minden egyes csatornán. Közös átlag referens elvezetésben a vonatkoztatási pontot mesterségesen, több elektród elektromos kombinálásával állítjuk elő. Ha ezt a skalp jobb és bal oldalán elhelyezett elektródok felhasználásával képezzük, a közös átlag referens kapcsolás alkalmassá válik aszimmetrikus agyi aktivás vizsgálatára. Az átlagképzésben résztvevő elektródokból származó magas feszültségű műtermékek azonban jelentős mértékben eltolhatják a közös pont potenciálját. A referens elvezetések kellően alacsony referens aktivitás esetén a lokális elektromos jelenségek valódi polaritását mutatják, a jel amplitúdója megközelíti a tényleges amplitúdót, az EEG morfológiája is kevésbé módosul, mint bipoláris elvezetésben. A rutin EEG vizsgálat mind bipoláris, mind referens elvezetés kombinációkat tartalmaz. Az elektródok elhelyezésekor fontos, hogy minél kisebb ellenállású vezető közeget biztosítsunk. Ehhez szükséges a fejbőr ellenállásának csökkentése (zsírtalanítása), és vezető EEG gél használata. A felhelyezett elektródok impedanciájának nem szabad meghaladnia az 5kΩ-ot. 18
EEG Az EEG szignált egy bizonyos frekvenciatartományon belül elemezzük, az ezen kívül eső tartományokat alul- és felülvágó szűrőkkel távolítjuk el a jelből. Az alulvágó szűrő az alacsony frekvenciájú tevékenységet, a felülvágó szűrő a gyors aktivitást szűri ki a jelből. Az EEG-ben az agyi elektromos tevékenységből származó jelek mellett műtermékek jelenhetnek meg. Ezek eredhetnek a környezetből (rádióhullámok, elektromos berendezések), vagy a vizsgálati alanyból (mozgás, izomfeszülés, verejtékezés, pislogás), megfelelő vizsgálati körülmények megteremtésével minimálisra csökkenthetők. 5. Digitális EEG A digitális EEG legnagyobb előnye a papíron rögzített analóg EEG-vel szemben, hogy pontos quantitatív elemzést tesz lehetővé, számszerűen mérhetők az egyes paraméterek, mint pl. a domináns frekvenciakomponensek vagy amplitúdók. A módszer lehetővé teszi specifikus EEG elváltozások automatikus felismerését (mintafelismerő programok), illetve az egyes betegségcsoportokra jellemző paraméterek meghatározását, amely a klinikai diagnózist segíti. A digitális EEG hosszú időtartamú monitorozásra alkalmas, a nyert adatok archiválása egyszerű. 5.1. A digitális EEG rendszer felépítése 1. analóg erősítő EEG elektródákkal és gyűjtőfejjel 2. analóg-digitális (AD) konverter, amely az analóg szignálból meghatározott frekvenciával mintát vesz, és ebből folyamatos digitális jelet alkot 3. számítógép, amely a digitális jelet rögzíti 4. feldolgozó programok A legtöbb digitális EEG rendszer az analóg szignált 2000-4000µV-ra erősíti, hogy a fiziológiás EEG, amely amplitúdója 100µV alatt van, értékelhető legyen. Az alulvágó szűrők a lassú hullámok (0,1-5Hz) kiszűrésével biztosítják az alapvonalat. A felülvágó szűrők a fiziológiás tartománynál magasabb frekvenciájú zajt szűrik ki 50-100Hz felett. Az extracranialis regisztrátumon 70 Hz felett elhanyagolható agyi aktivitás mérhető, emiatt csak intracranialis felvételeknél használnak ennél magasabb értékű felülvágó 19
EEG szűrőt. Speciális filterekkel szűrhetők ki a váltóáram frekvenciasávjában (Európában 50Hz, Észak-Amerikában 60Hz) megjelenő műtermékek. A digitalizált EEG azonos távolságban levő függvénypontokká alakul. A függvénypontok sűrűségét a választott mintavételi frekvencia határozza meg. Az analóg-digitális konverziót jellemzi: - a mintavételi frekvencia - az amplitúdósáv, amelyen belül a gép feldolgozza az adatokat - az amplitúdó szintek száma. Az AD konverter az analóg jelből bizonyos frekvenciával mintát vesz. A mintavételi frekvenciának az analizálni kívánt jel elvárható legmagasabb frekvenciájának legalább kétszeresének kell lennie. Ezt nevezik Nyquist frekvencia határnak. Ha a digitalizálási frekvencia ezt a feltételt nem teljesítí, akkor a jel hűségesen nem képezhető le, tehát álfrekvenciák keletkeznek. Ez az ún. aliasing effektus (7. ábra). A szignál amplitúdó értékei különálló amplitúdó szinteken helyezkednek el. A szintek száma attól függ, hogy hány bit-es az AD konverter. Ha n bit-es, akkor a 2 n-edik hatványa adja meg a szintek számát az adott tartományon belül. A feldolgozásnál n értékének 12-nél nagyobbnak kell lennie (18). amplitúdó idő (s) Mintavételi frekvencia: 200Hz : 20Hz 50Hz 20Hz 7. ábra. Tizennyolc Hz-es szinusz hullám torzulása a mintavételi frekvencia függvényében. A felső görbe 200Hz-es, a középső görbe 50Hz-es mintavételt mutat, ahol a 18Hz-es eredeti jel torzul, de azonosítható. Az alsó görbe 20Hz-es mintavételi frekvenciával készült, az eredeti jel 2Hz-es jellé torzult (18). 20
EEG 5.2. A digitális EEG matematikai analízise Minden időben zajló hullámszerű folyamat harmonikus rezgések összegére bontható. Az erre vonatkozó matematikai módszert Jean Fourier (1768-1830) alkotta meg. A Fourier-analízis (harmonikus analízis) a hullám természetű változást harmonikus rezgések összegeként, illetve integráljaként, egy ν frekvenciájú alaprezgés és nν (n=1,2,3 ) frekvenciájú felharmonikusok összegére bontja: x(t)=a 0 +Σ A n sin(2πnνt)+ Σ B n cos(2π nνt) n=1 n=1 Fourier-sor A Fourier analízis nem ad információt a rezgéskomponensek fázisáról. Ha a rezgéskomponensek amplitúdóit ábrázoljuk a frekvencia függvényében, a rezgés Fourier-spektrumához jutunk. Ha az elemzett mozgás periodikus, a Fourier-sort diszkrét frekvenciájú rezgések alkotják, azaz vonalas spektrum állt elő. Egy nem periodikus függvényt Fourier-sor helyett Fourier- integrállal lehet előállítani, ilyenkor a diszkrét amplitúdók helyére folytonos amplitúdófüggvény lép: x(t)=(1/ 2π) A(ω) exp(iωt)dω, A(ω)=(1/ 2π) x(t)exp(-iωt)dt. ahol az amplitúdófüggvény Az aperiódikus rezgés Fourier-spektruma folytonos. Ilyen folytonos spektrumot kapunk az EEG szignál Fourier-analíziséből, mivel az EEG szignál (8. ábra) nem periodikus, szinuszoid függvények és zaj keveréke (19). A Fourier-transzformáció elvégzése a mérési pontok számától függően nagyszámú szorzás elvégzését igényli. A Fourier transzformáció számítási idejét az 1965-ben Cooley és Tukey amerikai matematikusok által kidolgozott algoritmus radikálisan lecsökkentette. 1978-ban Winograd lépett elő egy új eljárással. Az adatok megfelelő csoportosításával és a részeredmények kombinálásával a matematikai műveletek száma jelentősen csökkenthető. Az új eljárást Fast-Fourier transzformációnak (FFT) nevezték el, elterjedt módszer lett a rutin EEG értékelésben is (8. ábra). Egy EEG szakasz elemzésekor meghatározható az a frekvencia érték, melynek legnagyobb a teljesítménye. Ezt nevezik csúcsfrekvenciának. 21
EEG Fp2-AVR F8-AVR T4-AVR T6-AVR O2-AVR F4-AVR C4-AVR P4-AVR Fp1-AVR F7-AVR T3-AVR T5-AVR O1-AVR F3-AVR C3-AVR P3-AVR Fz-AVR Cz-AVR Pz-AVR 10 µv Fp2-AVR F8-AVR T4-AVR T6-AVR O2-AVR F4-AVR C4-AVR P4-AVR Fp1-AVR F7-AVR T3-AVR T5-AVR O1-AVR F3-AVR C3-AVR P3-AVR Fz-AVR Cz-AVR Pz-AVR 1 µv 1µV 2 Hz 11 30Hz Band: Delta Theta Alpha Beta 8. ábra. A kék színnel jelölt 1s-os EEG szakasz Fast Fourier transzformációval készült teljesítmény-spektruma. Az alpha csúcsfrekvencia minden csatornán 11Hz, míg a beta tartományban a csúcsfrekvencia egy vagy több, az elvezetés helyétől függ. 22
Eseményfüggő EEG válaszok III. Az eseményfüggő EEG változások 1. Az eseményfüggő potenciálok és eseményfüggő válaszok Kognitív vagy mozgásfeladat elvégzéséhez funkcionálisan és anatómiailag különböző neuronegységek együttműködésére van szükség. Az EEG szignál időben és térben komplex, nagy szabadságfokkal rendelkező hullámmintázat, nehezen hozható összefüggésbe a lokális specifikus agyi folyamatokkal. Ezekről az eseményfüggő EEG változások elemzése nyújthat közelebbi információt. Az idegrendszert kívülről és belülről érő ingerek megváltoztatják az agykéreg elektromos aktivitását (8). Ezek az eseményfüggő idegrendszeri változások egy egyénben a stimulustól számítva mindig ugyanabban az időpillanatban jelentkeznek. Egyik típusuk az eseményfüggő potenciálok, ide sorolhatók a szenzoros kiváltott válaszok (akusztikus, vizuális, szomatoszenzoros), a lassú corticalis potenciálváltozások (DC potenciálok; DC: direct current, egyenáram) is, mint a készenléti potenciál (Bereitschaftspotential, BP, 20), a contingens negatív variáció (CNV, 21), és a stimulust megelőző negativitás (SPN stimulus preceding negativity, 22). Az eseményfüggő potenciálok a digitális EEG szignálból a stimulus körüli szakaszok átlagolásával nyerhetők ki, ezzel ugyanis növelhető a jel/zaj arány. Az eseményfüggő változások másik típusát eseményfüggő válaszoknak nevezzük. Ide tartozik az eseményfüggő deszinkronizáció (event-related desynchronization: ERD, 23), amely egy adott frekvenciatartomány stimulusra bekövetkező teljesítmény csökkenését jelenti (9. ábra), és az eseményfüggő szinkronizáció (event-related synchronization: ERS), az adott frekvenciatartomány teljesítmény emelkedése (10). Az eseményfüggő válaszok az EEG háttértevékenységének változását jelzik, amelyet a neurokémiai rendszerek befolyása, a szinaptikus interakciók vagy a neuronok membrán tulajdonságának változása okozhat. Az alpha és beta frekvenciatartományú eseményfüggő válaszok a thalamocorticalis interakciók változásait jelölik, ezekben 23
Eseményfüggő EEG válaszok fontos szerepe van a thalamocorticalis relay/átkapcsoló sejteknek (TCR) és a thalamus nucleus reticularis (RE) neuronjainak (24). fényszignál 9. ábra. Húsz egymást követő deszinkronizáció a C4 csatornán (19. ábra) regisztrált EEG-n. Egészséges kísérleti személy fényszignált követően gombot nyom. Hiteljel: 1s, 50 µv. A digitális EEG szignálban teljesítmény spektrum analízissel vizsgálhatjuk az eseményfüggő válaszokat. Az átlagolást a kiválasztott frekvenciatartomány teljesítmény értékeivel végezzük. Az alpha és a beta (<35Hz) frekvenciatartomány aktivitása dinamikusan változik szenzoros ingerlés hatására, motoros és kognitív feladat előtt és alatt, jellegzetes térbeli és időbeli eloszlásban. Az eseményfüggő válaszok klasszikus példája az alpha aktivitás szemnyitásra bekövetkező csökkenése, melyet Berger írt le (3). Nogawa 1976-ban, fénystimuláció után kb. 500ms-mal alpha aktivitásfokozódást figyelt meg (25). Az egyes frekvenciatartományok eseményfüggő változásai különböző elnevezést kaptak, mint fokozott alpha aktivitás (25), 30Hz-es EEG válasz (26), mozgást követő beta szinkronizáció (post-movement beta synchronization, PMBS, 27). 24
Eseményfüggő EEG válaszok Az ERD/ERS jelenség hátterében álló neurophysiológiai működés csak részben tisztázott, valószínűleg a neuronhálózatok aktivációját/inaktivációját tükrözi. Alpha ERD (9. ábra) alatt a kéreg ingerelhetősége megnő, az ezzel kapcsolatban álló neuronhálózat képes bemenő és kimenő információk feldolgozására. ERS alatt a kéreg inaktiválódik, ingerelhetősége lecsökken (10). Az alpha és beta frekvenciatartományban az ERD-t és ERS-t külön neuronhálózat generálja (28). Ezt bizonyítja az eltérő topográfiájuk: a mozgás utáni ERS fokálisan jelentkezik, míg az ERD nagyobb területre terjed ki. Egy frekvenciatartományban alacsonyabb frekvencián jelentkezik a legnagyobb deszinkronizáció, mint a legnagyobb szinkronizáció (27, 29). 2. Az ERD és ERS Egy adott frekvenciatartományban az ERD/ERS mértékét a teljesítmény változásával határozzuk meg, FFT segítségével. Az esemény körüli EEG szakaszok kezdetétől rövid, analízisintervallumokban FFT-t végzünk futó átlagolással (vizsgálatainkban az 1s hosszúságú analízisintervallumok átfedése 1/8s), az értékek simítását Hahn ablakolással végezzük. Az egyes frekvenciatartományokban megjelenő teljesítménysorokat háromdimenziós idő-frekvencia-teljesítmény diagramon ábrázolhatjuk (l. 19. ábra). Egy kiválasztott frekvenciatartomány változását kétdimenziós idő-teljesítmény coordinata rendszerben tanulmányozhatjuk (11. ábra). A teljesítményt megadhatjuk abszolút értékben (µv 2 ), vagy a referencia szakaszhoz viszonyított százalékos értékben (10): ERD/ERS%=(A-R)/Rx100 A: adott időpillanatban mért abszolút teljesítmény, R: referencia szakasz átlag teljesítménye Az eseményfüggő válaszok latenciája és lecsengése miatt az alpha és beta tartomány vizsgálatánál minimum 10s intervallumot kell hagyni az egyes események között. Az eseményfüggő válaszok fontos jellemzője a reaktív frekvenciatartomány, amelyben a legnagyobb az ERD/ERS teljesítménye, illetve a lokalizáció és a latencia. 25
Eseményfüggő EEG válaszok 2.1. Az eseményfüggő válaszok frekvenciája és lokalizációja Az eseményfüggő válaszok frekvenciája a feladattól és a vizsgált területtől függ. ERD az alpha és az alsó beta tartományban jelentkezik, ERS az alpha, beta és gamma tartományban is észlelhető. Az alpha frekvenciatartományú szinkronizáció szemmel látható az EEG görbén, legtöbbször alpha orsók formájában, legnagyobb amplitúdóval az occipitalis kéregterületek felett (6. ábra). Az mű deszinkronizáció az alsó (7-10Hz) és felső (10-13Hz) frekvenciatartományban eltérő működést jelez. Az alsó frekvenciatartományú ERD nagyobb területen mérhető, nem befolyásolja a feladat típusa, valószínűleg általános figyelmi folyamatot, a feladatban résztvevő kéregterületek non-specifikus előaktiválódását tükrözi (32). A felső frekvenciatartományú ERD szűk területre lokalizált, feladat-specifikus. Kognitív feladatokban szenzoros, szemantikus információ feldolgozást tükröz (30, 31), motoros feladatban a szomatotopiának megfelelően mérhető. Az alpha és beta tevékenység reaktivitása különbözik, de a corticalis megjelenésük területei átfedik egymást, a precentralis és postcentralis gyrus felett is mérhetők (34, 35). Ettől eltérően MEG vizsgálat szerint a mű aktivitás a post-centralis gyrusban keletkezik, míg a beta tevékenység a precentralis gyrusból ered (33). EEG-vel végzett vizsgálatban a beta ERS a centrális területeken előrébb lokalizálódik, mint az alpha ERD (27). 3. A fokális ERD/környező ERS jelenség Többcsatornás EEG vizsgálatok bizonyították, hogy ugyanazon frekvenciatartományban, egy időben a skalp különböző pontjain ERD és ERS is regisztrálható. Erre példa, hogy a láb mozgása közben a centralis mű ritmus a láb reprezentációs területén deszinkronizálódik, eközben a kéz reprezentációs területén (36) és parietooccipitalisan (37) az alpha hullám szinkronizálódik (10. ábra). A figyelem így átcsoportosul a kéz mozgatásáért, illetve a vizuális percepcióért felelős területekről a láb mozgatását irányító motoros neuroncsoportra. A fokális ERD/környező ERS jelenség (10) valószínűleg thalamocorticalis működés eredménye, a thalamocorticalis relay neuronok és a thalamus nucleus reticularis neuronok a feladatban résztvevő cortex területeket aktiválják, más területeket pedig gátolnak. A jelenség jellemzőbb a magas mű frekvenciatartományban, mint az alacsonyabb frekvenciákon. 26
Eseményfüggő EEG válaszok 10. ábra. A kéz, illetve a láb mozgásakor megjelenő fokális aktiválás/környező gátlás sematikus ábrája (10). 4. Eseményfüggő válaszok kognitív feladatokban Kognitív feladatokban a működő corticalis területek fölött általában alpha ERD mérhető, számos esetben azonban felerősödik az alpha aktivitás (38). A nehezebb feladatok alatt nagyobb, a kevesebb figyelmet igénylő, könnyebb feladatok alatt kisebb az alpha ERD (39, 40, 41). Összefüggést találtak az intelligencia, és a magas alpha frekvenciájú ERD eloszlása, amplitúdója között. Az alacsonyabb IQ-val rendelkező vizsgálati alanyoknál memória feladat (30), betűpárosítás (41) alatt nagyobb kiterjedésű, aspecifikus alpha ERD-t mértek, míg a magasabb IQ-val rendelkező alanyoknál betűpárosítás alatt az ERD csak a parieto-occipitalis kéreg területre korlátozódott. 5. Mozgáshoz kötött eseményfüggő válaszok Pfurtscheller és Aranibar 1977-ban írta le a mű ritmus eseményfüggő deszinkronizációját (ERD) a motoros és ezzel összefüggő kéregterületek felett (23). 5.1. Saját elhatározásból indított mozgás A saját elhatározásból végzett mozgás (self-paced movement, SPM) szakaszai a tervezés-programozás, kivitelezés, és a program lezárása, vagyis a rendszer felkészülése az újabb motoros akcióra. A tervezési fázis kb. 1s-mal a mozgás megkezdése előtt kezdődik, mű és beta deszinkronizáció jelzi a contralateralis féltekében, mely később bilaterálissá válik (27, 34, 42). Az ERD-t kevésbé befolyásolják a tervezett mozgás paraméterei. A mű ERD 27
Eseményfüggő EEG válaszok nem különbözik a mutatóujj, hüvelykujj és csukló mozgása előtt (43), latenciáját nem befolyásolják a mozgás paraméterei, teljesítménye azonban nagyobb fokozott izomaktivitás előtt (42). A mű ERD contralateralis túlsúlya kifejezettebb jobbkezesekben a domináns kéz mozgása előtt, balkezesekben nem különbözik a mű ERD a jobb és bal kéz mozgása előtt (44). Idős vizsgálati alanyoknál a mozgás előtti alpha ERD diffúzan jelentkezik a parietalis és frontalis területek felett, míg a fiatalokban csak a centralis területek felett mérhető. Idős korban a mozgás előtti alpha ERD latenciája nagyobb, mint fiatalokban (45). A mozgást megelőző beta ERD nagyobb, ha az ujj mozgását súllyal nehezítik (46), a mozgás ideje, sebessége nem befolyásolja (28). 120 80 gombnyomás teljesítmény (%) 40 0-40 -2-1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2-80 -120 alpha teljesítmény beta teljesítmény n=30 idő (s) 11. ábra. Harminc egymást követő gombnyomás körüli EEG szakasz átlagolt teljesítményváltozásai az alpha és beta frekvenciatartományban, a mozgással contralateralis oldalon (jobb kéz mozgás, C3 csatorna). A 0s a mozgás befejezését jelzi. Mindkét frekvenciatartományban ERD látható a mozgás tervezési és kivitelezési szakaszában, a mozgást ERS követi. A mozgás kivitelezése electromyographiával (EMG) követhető, az EEG-n bilaterális mű, beta ERD jelzi. Mozgás alatt közel szimmetrikus a beta ERD (47). 28
Eseményfüggő EEG válaszok A mozgás befejezése után alpha és beta szinkronizáció mérhető. A két frekvenciatartományban a változások időben eltérnek egymástól. A mű ERD után a teljesítmény lassan tér vissza az alapvonalra, ezt kis mértékű ERS követheti. A beta frekvenciájú szinkronizáció (post-movement beta synchronization, PMBS) tranziens teljesítményváltozás, az esemény után rövidebb latenciával (37). 5.2. Elképzelt mozgás A mozgás elképzelése is változást okoz az EEG-ben. A jobb és bal kéz mozgásának elképzelésekor a contralateralis szenzomotoros kéreg felett mű és beta deszinkronizáció mérhető, hasonlóan, mint a valódi mozgás tervezése és kivitelezése közben (48, 49, 50). A mozgás elképzelésekor mért alpha és beta ERD azonban nagyobb területre terjed ki, nem befolyásolja, hogy egy vagy több ujj vagy a csukló mozgását képzeli el a vizsgálati személy. Mivel a mozgás előtti, és a mozgás elképzelésekor mért ERD nem függ a mozgás paramétereitől, valószínűleg mindkettő a mozgásprogramban résztvevő szenzomotoros területek előaktivációját jelzi (50). A mozgás elképzelése után alpha és beta tartományban is megfigyelhető ERS (48, 50). 6. A beta szinkronizáció 6.1. A mozgás utáni beta szinkronizáció (PMBS) A mozgás befejezése után gyors, rövid ideig tartó beta aktivitásnövekedés figyelhető meg, mialatt az alpha aktivitás még gátolt. Electrocorticographiás vizsgálatok (35) és magnetoencephalographiával végzett vizsgálatok (33) megerősítették a mozgás vége után jelentkező, beta oszcillációt a primer szomatoszenzoros kéreg felett. A jelenséget Pfurtscheller (27) nevezte először mozgás utáni beta szinkronizációnak (post-movement beta synchronization, PMBS). A mozgásszabályozás vizsgálatában a PMBS kiemelt szerepet játszik, mivel kis területre lokalizálható, rövid ideig tart, így összefüggésbe hozható a mozgatórendszer adott működésével. A PMBS a mozgás után 1-1,5s-mal jelentkezik, nagyobb a mozgással contralateralis oldalon (10, 51). Először a középvonalban mérhető, valószínűleg a supplementer motoros areából ered (52), de a szenzomotoros kéreg szerepét is kimutatták a 29
Eseményfüggő EEG válaszok generálásában (34, 53). A PMBS valószínűleg egymástól függetlenül keletkezik a két féltekében (54). A PMBS jelentése még nem tisztázott. Valószínűleg a szenzomotoros kéreg integratív, információ feldolgozásának élettani indikátora (29, 34, 55). Jelölheti a motoros program záró idegi folyamatait is, mivel szekvenciális mozgás vizsgálatakor az egyes részmozgások után nem, csak a teljes motoros program befejezésekor jelenik meg (56, 57). A PMBS azonban a kéreg neuronjainak inaktiválódását is tükrözheti (58). Ezt támasztja alá a transzkranialis mágneses stimulálással végzett vizsgálat, miszerint a motoros kéreg ingerelhetősége lecsökkent a mozgás után 500-1000ms-ig, amikor PMBS mérhető (59). Ezt az állapotot szünetelő állapotnak/idling state nevezték el, amely alatt a cortex specifikus feladat hiányában inaktív. Fp2 [µv²] 0.0 0 [s] O2 [µv²] 0.0 0 [s] P4 [µv²] 0.0 0 [s] T3 [µv²] 0.0 0 [s] C3 [µv²] 0.0 0 [s] Cz [µv²] 0.0 0 [s] F8 [µv²] T4 [µv²] 0.0 0 [s] 0 [s] F4 [µv²] C4 [µv²] 0.0 0 [s] 0 [s] Fp1 [µv²] F7 [µv²] 0.0 0 [s] 0.0 0 [s] O1 [µv²] F3 [µv²] 0.0 0 [s] 0.0 0 [s] P3 [µv²] Fz [µv²] 0.0 0 [s] 0 [s] Pz [µv²] 0.0 0 [s] -0.039-0.691 s 0.691-1.422 s 1.422-2.152 s 2.152-2.883 s 0.018 µv² 0.079 µv² µv 2 12. ábra. Kontroll személy jobb kéz mozgása utáni beta szinkronizáció a 17-19Hz-es frekvenciatartományban. Az ábrázolt teljesítmény negyven gombnyomás átlaga a mozgás vége körüli -2+3s-os intervallumban. A mozgással kontralaterális oldalon (C3) legnagyobb a PMBS teljesítménye, a mozgás vége után kb. 1 s- mal. A háromdimenziós rekonstrukciós képen ezt piros szín jelzi. 30
Eseményfüggő EEG válaszok A PMBS amplitúdóját, latenciáját a mozgás paraméterei befolyásolják. Megjelenik stimulus után kezdett és saját elhatározásból indított mozgás után (33), izomrelaxáció (60) és passzív mozgás után (61) is. Befolyásolja a mozgás iránya, nagyobb a kontralaterális oldalon, ha az ujj flexios-extensios szekvenciális mozgását a flexio zárja le (62). A PMBS a mozgással ellentétes oldalon kifejezettebb, jobbkezesekben a domináns kéz mozgása után nagyobb. Balkezesekben nem különbözik a két kéz mozgása után (63). Jobbkezesekben a bal láb saját elhatározásból indított mozgása után nagyobb PMBS-t mértek, mint a jobb láb mozgása után (64). Súlyterhelésnél a PMBS latenciája megnő (46). Proximalis mozgás nagyobb PMBS-t hoz létre, mint a distalis mozgás (65), a nagyobb izomtömeg mozgatásához nagyobb corticalis neuronpopulációra van szükség, melyek mozgás utáni szinkronizációja nagyobb PMBS-t eredményez (43). A PMBS vizsgálatakor fontos az individuális beta frekvencia kiválasztása. A különböző neuronhálózatok ugyanazon esemény után különböző frekvencián szinkronizálódhatnak, ugyanis a PMBS-t generáló corticalis neuronhálózatok saját oszcillátoros frekvenciával rendelkeznek. Ezt a végtag kérgi reprezentációs területe határozza meg, nagyobb neuronpopuláció alacsonyabb frekvencián szinkronizálódik (10). A primer motoros kéregi homunculusnak megfelelően a kéz reprezentációs területe nagyobb, mint a lábé. Az ujj mozgásakor 16-21Hz-en, a láb mozgásakor magasabb tartományban, 19-26Hz-en volt legnagyobb a PMBS teljesítménye (64). Ugyanazon szenzomotoros kéregterület felett ugyanazon a beta frekvencián mérhető PMBS egy izomcsoport mozgása, illetve az ellátó perifériás ideg elektromos stimulálása közben is. Ez a frekvencia a láb reprezentációs területén nagyobb, mint a kéz reprezentációs területén (66). Az ujj mozgatása nemcsak a kéz reprezentációs területén vált ki beta aktivitásfokozódást, hanem kisebb mértékben a láb szomatotopiás területén is. A feladat az utóbbi területen magasabb frekvenciájú PMBS-t váltott ki, mint a kéz reprezentációs területén (52, 67). 6.2. Beta szinkronizáció szenzoros stimulálás, passzív és elképzelt mozgás után Az esemény utáni beta ERS keletkezésében a kérgi szünetelő állapot mellett felmerült a proprioceptív afferens pályák szerepe is. Afferens szenzoros aktivációt vált ki a perifériás idegek elektromos ingerlése vagy a végtag passzív mozgatása. A n. medianus 31