elektroencefalografia na tle wybranych współcześnie stosowanych
advertisement
Acta Sci. Pol., Medicina Veterinaria 5(2) 2006,91-106 ELEKTROENCEFALOGRAFIA NA TLE WYBRANYCH WSPÓŁCZEŚNIE STOSOWANYCH METOD DIAGNOSTYCZNYCH WERYFIKUJĄCYCH STRUKTURY ANATOMICZNE ORAZ FUNKCJONALNE ZDOLNOŚCI CENTRALNEGO UKŁADU NERWOWEGO U LUDZI I ZWIERZĄT Przemysław Cwynar1, Aleksandra Zawadzka2 Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu1 2 Akademia Medyczna we Wrocławiu 1 W artykule zaprezentowano najistotniejsze metody słuŜące poznaniu centralnego układu nerwowego oraz poszczególnych jego struktur, a takŜe sposobów diagnozowania ewentualnych zmian patologicznych w nim występujących. Celem pracy jest wykazanie przydatności EEG w badaniach neurofizjologicznych i klinicznych zwierząt oraz analizowaniu chorób związanych z CUN. Dodatkowo przedstawiony został tu przegląd badań analitycznych wraz z ich krótką charakterystyką, począwszy od „pierwotnych” procedur, takich jak bezpośrednie draŜnienie kory mózgowej prądem elektrycznym (metoda Fritsch’a), po najnowsze współcześnie metody weryfikowania anatomii i zdolności funkcjonalnych CUN, czyli pozytonowej tomografii emisyjnej, dzięki której uzyskuje się precyzyjne trójwymiarowe obrazy, odwzorowujące partię ciała pacjenta. Autorzy pozwolili sobie na wyeksponowanie technik elektroencefalograficznych, nad których praktycznym zastosowaniem u zwierząt trwają aktualnie badania. Streszczenie. Słowa kluczowe: układ nerwowy, mózg, elektroencefalografia, tomografia, rezonans Adres do korespondencji – Corresponding author: Przemysław Cwynar, Katedra Fizjologii Zwierząt, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Norwida 31, 50-375 Wrocław, e-mail: [email protected] 92 P. Cwynar, A. Zawadzka WSTĘP Elektroencefalografia EEG – elektroencefalografia (ang. electroencephalography) Badanie elektroencefalograficzne jest typową metodą diagnostyczną wykorzystywaną przy odbieraniu i rejestrowaniu czynności centralnego układu nerwowego, a takŜe analizowaniu jego podstawowych funkcji. Procedura ta została wprowadzona do powszechnego uŜytku na przełomie lat pięćdziesiątych XX wieku i po dziś dzień charakteryzuje się dość dobrą precyzją i duŜą przydatnością, szczególnie w badaniach dotyczących czynności mózgu. Współcześnie znane są inne nieinwazyjne metody obrazowania fizjologii CUN, ale Ŝadna z nich nie jest w stanie zastąpić EEG. Trzeba zaznaczyć, Ŝe w dostępnym piśmiennictwie temat elektroencefalografii stosowanej u zwierząt jest bardzo rzadko spotykany. Fachowa literatura w dziedzinie medycyny weterynaryjnej odwzorowuje główne wątki z wiedzy z zakresu elektrofizjologii człowieka. Tabela 1. Zestawienie czynności mózgu rejestrowanych podczas badania elektroencefalograficznego Table 1. Comparison of brain activity record during electroencephalography examination Występowanie Potencjał Częstotliwość Amplituda Cechy charakterystyczne Potential Freqency Amplitude Occurance Characteristic elements Fale alfa [α] Alfa waves 8 –14 Hz 30 – 100 µV os parietale; os occipitale; Fale beta [β] Beta waves 13 – 14 Hz 20 – 30 µV rejon czołowo – centralny; forehead – central area; Fale gamma [γ] Gamma waves Fale delta [δ] Delta waves f > 30 Hz 20 – 30 µV os frontale Fale theta [θ] Theta waves 4 – 8 Hz 1 – 4 Hz bardzo wysokie dysfunkcja mózgu, za very high wyjątkiem snu; brain_dysfunction exept sleep phase; A ≤ 100 µV os parietale dextrum et sinistrum; os temporale dextrum et sinistrum; A ≤ 30 µV Fale kappa [κ] 7 – 12 Hz Kappa waves Fale lambda [λ] niesprecyzowana Lambda waves undetermined 45 – 55 µV os temporale dextrum et sinistrum; os frontale os occipitale; Fale mu [M] Mu waves A ≥ 30µV rejon centralny; central area; 7 – 12 Hz faza czuwania; brak dostępu do bodźców wzrokowych; vigilant phase; without visual stimulant; bodziec słuchowy lub wzrokowy moŜe być blokadą rytmu; audition or visual stimulant could be the blocker for wave; rytm zaliczany obecnie do fal β; rhythm belongs to β waves; sen typu NREM; moŜliwe czasowe wahania, gdzie f > 10; sleep type – NREM; there is oscillation possibility that f > 10; geneza tego rytmu leŜy w hipokampie (łac.hippocampus); sen typu REM; the genesis of rhythm is from hippocampus; sleep type – REM; nie jest rytmem ciągłym; non-constant rhythm; wywoływany przez ruchy gałek ocznych; eye movement generate; występowanie fali ostrej; appearance of sharp waves Acta Sci. Pol. Elektroencefalografia na tle wybranych współcześnie stosowanych metod diagnostycznych … 93 Jedynie w nielicznych publikacjach moŜna odszukać dane odnoszące się jedynie do konkretnych badań, jak chociaŜby Herin [1968] lub Pellegrino i Sica [2004]. Elektroencefalografia jest metodą diagnostyczną i badawczą, dzięki której istnieje moŜliwość wykrywania stanów patologicznych i fizjologicznie nienaturalnych. Dokonuje się tego poprzez analizę fal mózgowych, ich długości, amplitudy i częstotliwości. Częstotliwość impulsów elektrycznych jest bowiem bardzo zróŜnicowana, począwszy od 0,5 do nawet 100 Hz (szczegóły przedstawia tab. 1). Potencjały te są niskonapięciowe, dlatego istotnym czynnikiem jest precyzja, bezwarunkowe wzmocnienie sygnałów oraz dokładność wykonywanych procedur. Podstawowym elementem badania jest dobór odpowiednich elektrod, za pomocą których moŜna będzie rejestrować bioelektryczną aktywność kory mózgowej. Rowan i Tolunsky [2003] twierdzą, Ŝe najpowszechniej stosowane są elektrody krąŜkowe lub miseczkowe. Są one produkowane najczęściej ze złota, platyny, srebra (i/lub jego chlorków) oraz innych alternatywnych metali niereaktywnych. U ludzi stosowany jest Międzynarodowy System 10 – 20 (10 – 20 International System of Electrode Placement) [Majewski 1989, Rowan, Tolunsky 2003, Guerrero, Trigueros, Franco 2005]. W odniesieniu do zwierząt zastosowanie mają podobne metody, podtrzymując analogiczną konwencję, ale przy wykorzystaniu mniejszej ilości elektrod. Do podobnych wniosków doszedł Pellegrino i Sica [2004] prowadząc swoje badania na psowatych w oparciu o techniki elektroencefalograficzne Herin’a i wsp. [1968] EEG zastosowane w celach diagnostycznych jest badaniem uzasadnionym w analizie: śpiączki; urazów głowy; zapalenia mózgu; wpływu środków farmakologicznych na układ nerwowy; przydatności anestetyków (ocena znieczulenia ogólnego); stanów drgawkowych i padaczkowych; neuropatii i zaburzeniach naczyniowo – ruchowych; stanu uwagi selektywnej, związanego z podawaniem pokarmu; przyŜyciowe wykrywanie BSE (ang. Bovine Spongiform Encephalopathy); Dzięki tej metodzie istnieje takŜe moŜliwość praktykowania nowoczesnej techniki treningu mózgu - „neurofeedback”. MATERIAŁY I METODY W przeprowadzanych doświadczeniach obiektem badań były owce – mieszańce merynosa polskiego. Autorzy zastosowali pierwotnie elektrody igłowe, które zostały połączone z kablem wyprowadzającym za pomocą spawu cynowego. Biorąc pod uwagę dobrostan zwierząt podczas czasochłonnego badania (trwającego łącznie około 3 godziny), a takŜe w celu uniknięcia ich dyskomfortu, co mogłoby wywołać niepoŜądane artefakty, zdecydowano się na uŜycie elektrod płytkowych ze stali nierdzewnej, wielorazowego uŜytku, powleczonych Ŝelem samoprzewodzącym Ŝelem stałym (Ag/AgCl, Lead-Lok). Istotnym aspektem było równieŜ uŜycie dodatkowego Ŝelu przeznaczonego do diagnostyki EKG/EEG celem niezakłóconego przekazywania impulsów bioelektrycznych pomiędzy powierzchnią skóry a elektrodą. Medicina Veterinaria 5(2) 2006 94 P. Cwynar, A. Zawadzka Elektrody płytkowe połączone zostały na trwałe spawem z kablem elektrycznym, ekranizowanym, w celu uniknięcia negatywnego wpływu nieistotnych fal i pól elektromagnetycznych. Przewód ten został połączony ze wzmacniaczami mostkowymi (BridgeAmp, AD Instruments, Australia), a następnie 4-kanałowym systemem do akwizycji danych (PowerLab/400, AD Instruments, Australia). Przebieg całego badania rejestrowany był na komputerze obsługiwanym przez oprogramowanie „Chart 4 for Windows” (PowerLab, AD Instruments, Australia). Na dwa dni przed badaniem owce zostały wprowadzone do pomieszczenia, w którym miała odbywać się rejestracja czynności mózgu. Zabieg taki zastosowano w celu uniknięcia nagłych doznań, wynikających z nieprzyzwyczajenia zwierząt do otoczenia. W „nowych” warunkach utrzymywana była stała temperatura, wolny dostęp do wody, Ŝywienie podawane było w niezmienionych dawkach. KaŜdy z wymienionych czynników został zawieszony dopiero w dniu badania. Czynności takie jak dozór nad zwierzętami, podawanie paszy były nadal wykonywane przez stałych opiekunów, co miało niebagatelne znaczenie. Przeprowadzany typ badań jest metodą przyŜyciową, bez premedykacji. Podczas badania nie zastosowano Ŝadnych środków farmakologicznych. Owca wprowadzona została do specjalnie wybudowanej drewnianej klatki. Elektrody zostały przyklejone do skóry głowy zwierzęcia, po uprzednim jej ogoleniu i przemyciu skóry głowy 98% alkoholem – celem odkaŜenia i odtłuszczenia jej powierzchniowej warstwy. Aby zminimalizować problemy związane z ewentualnym odklejeniem się elektrod (spowodowanym poruszaniem się zwierzęcia), zalecane jest, aby dla zwiększenia dokładności odczytu głowa owijana była bandaŜem elastycznym. Znacząco zmniejsza to ryzyko pojawienia się artefaktów wynikających z przesunięcia lub odklejenia elektrody. Dla stwierdzenia jak najbliŜszych prawdzie wyników uŜyte zostały 4 elektrody pozytywne (oznaczone jako: 1a, 2a, 3a, 4a) oraz uziemienie kaŜdej z nich (negatyw – 1b, 2b, 3b, 4b), skomasowane w jednej elektrodzie. Zastosowane podłączenia: 1 a) – os frontale (kość czołowa), lewa strona; 2 a) – os frontale (kość czołowa), prawa strona; 3 a) – mesencephalon, centralnie; 4 a) – metencephalon, część potyliczna, centralnie; 1–4b) – os ethmoidale, (kość sitowa); W celu utrzymania prawidłowości zapisu istotne jest, aby Ŝadna z elektrod nie przekraczała oporności wynoszącej 5 kOhm. Rozpoczynając doświadczenie, wykonano zapis spontanicznej aktywności kory mózgowej, który trwał 30 minut. Rejestracja odbywała się początkowo bez obecności człowieka, aby zapewnić jak najbardziej komfortowe, bezstresowe warunki dla badanej grupy zwierząt. Następnie podobny zapis przeprowadzono w obecności osób prowadzących badanie. Istotne jest, aby podczas eksperymentu – w pomieszczeniu przebywało jak najmniej osób oraz innych źródeł mogących generować dodatkowe czynniki stresowe. Przeprowadzana rejestracja fal kory mózgowej jest zapisywana w systemie czterokanałowym. Poszczególne kanały odbierają impulsy elektryczne, których ciągłość obrazują wykresy wyskalowane w µV. KaŜdemu z nich przyporządkowany został wykres analizujący częstotliwość rytmów, wyraŜony w Hz. Acta Sci. Pol. Elektroencefalografia na tle wybranych współcześnie stosowanych metod diagnostycznych … 95 Skalowania dotyczące wszystkich otrzymywanych wyników mogą być dowolnie modyfikowane zarówno podczas doświadczenia, jak równieŜ juŜ po jego zakończeniu (rys. 1, 2). Przedstawione zmiany bioelektrycznej aktywności kory mózgowej zostały uzyskane w dzień, w warunkach bezstresowych, do których zwierzęta były wcześniej przyzwyczajane. Zastosowane podłączenia odpowiadają kolejno zapisom: channel 1 – os frontale (strona lewa) z przykładową analizą częstotliwości oznaczonej jako channel 2 (rys. 2.); channel 3 – os frontale (strona prawa) z analizą częstotliwości – channel 4; channel 5 – mesencephalon (centralnie) z analizą częstotliwości – channel 6; channel 7 – metencephalon (centralnie) z analizą częstotliwości – channel 8; Rys. 1. Przykładowy zapis bioelektrycznej aktywności kory mózgowej w systemie czterokanałowym Fig. 1. Example record of bioelectrical brain activity using fourth-channel system Medicina Veterinaria 5(2) 2006 96 P. Cwynar, A. Zawadzka Rys. 2. Powiększony zapis aktywności mózgu wyraŜony w µV (góra), wraz z analizą częstotliwości (dół) Fig. 2. Record of brain activity expressed on µV scale with frequency analysis (enlargement) Metody elektroencefalograficzne mają swoją specyfikę i pewne uwarunkowania. Badania powinno przeprowadzać się w ściśle określonych warunkach z uwagi na łatwość powstawania zakłóceń i artefaktów, które spowodują błędne odczytanie danych. Zmiany w zapisie, tj. zmienne amplitudy czy wahania częstotliwości mogą być konsekwencją niesprzyjających stosunków CO – O , chociaŜby niŜszym stęŜeniem tlenu. Dla mózgu przyjmuje się zapotrzebowanie na ten pierwiastek rzędu 0,09–0,1 cm na 1 gram tkanki mózgowej w ciągu 1 minuty [za Jus 1954] Innym, równie waŜnym czynnikiem mogą być wahania temperatury ciała, równowaga wodna lub poziomu cukru we krwi, np. glukozy, na której braki zmniejszają wykorzystanie tlenu [za Majewski 1989]. Dzięki znacznemu postępowi nauki wykorzystanie technik komputerowych do analiz kluczowych zagadnień medycznych staje się coraz prostsze. Zastosowanie pomiarów dzięki istniejącym urządzeniom i specjalistycznym oprogramowaniom kreuje nowe moŜliwości, jak chociaŜby archiwizowanie wyników doświadczeń w komputerach osobistych, co umoŜliwia dalszą analizę badań w dowolnym miejscu i czasie. Dodatkowo moŜliwości funkcjonalne takiego sprzętu umoŜliwiają przekształcanie uzyskanych wcześniej danych dzięki zaprogramowanym filtrom selektywnym. Opracowany „Chart 4 for Windows” w raz z urządzeniami firmy AD Instruments (Australia) stworzył ergonomiczną moŜliwość zastosowania metod elektroencefalograficznych wykorzystywanych do badania zwierząt (nie uŜywając papieru, tuszu czy teŜ bez operowania duŜym gabarytowo sprzętem). 2 2 3 Acta Sci. Pol. Elektroencefalografia na tle wybranych współcześnie stosowanych metod diagnostycznych … 97 Wszystkie wykonane zapisy są rejestrowane w formie cyfrowej i z duŜą precyzją, co umoŜliwia szybkie ich odtwarzanie, wyszukiwanie właściwych wycinków EEG, a takŜe dowolne ich modyfikowanie podczas poddawaniu analizie. WYNIKI I OMÓWIENIE Centralny układ nerwowy pełni kluczową rolę kontrolując niemal wszystkie procesy zachodzące w organizmach zwierząt wyŜszych. W duŜej mierze w procesach tych biorą udział impulsy elektryczne, które pełnią rolę neuroprzekaźników. Impulsy takie posiadają zawsze określony ładunek elektryczny oraz amplitudę, która jest cechą charakterystyczną dla określonego bodźca. Mechanizm taki ma miejsce zarówno w trakcie przekazywania informacji z CUN do poszczególnych narządów, jak równieŜ podczas przetwarzania w mózgu reakcji efektorów. Wszystkie zebrane w ten sposób dane są rejestrowane przez centralny układ nerwowy. Metoda elektroencefalograficzna umoŜliwia w dość syntetyczny sposób analizowanie bioelektrycznej aktywności CUN ze szczególnym uwzględnieniem częstotliwości i amplitudy odbieranego bodźca, co jest niezmiernie waŜne podczas interpretacji wyników. Zainstalowane elektrody na powierzchni skóry głowy badanych owiec nie wykazywały większych róŜnic potencjałów u tych zwierząt w fazie spoczynku. MoŜna zatem sądzić, Ŝe podobnie jak u człowieka istnieje ściśle określony stan fizjologicznego spoczynku, który po uwzględnieniu badań nad większą ilością osobników moŜna by określić mianem wzorca dla danego gatunku. Bioelektryczna aktywność CUN u osobników będących na czczo i biorących udział w doświadczeniu wykazała amplitudę z przedniej części czaszki, wahającą się w przedziale – 20 µV < A < + 50 µV wraz z częstotliwością 0,1 – 20 Hz. Zaznaczyć naleŜy, Ŝe wielkości niskiej częstotliwości (graniczącej z wartością 0 Hz) nie były spotykane w kanałach nr 2, 4, 6, natomiast ich wzmoŜoną obecność w porównaniu z pozostałymi zapisami zauwaŜono w kanale nr 8, który odpowiadał za odbiór bodźców z części potylicznej ( ) (rys. 3). MoŜna zatem sądzić, Ŝe uzyskane wyniki pochodzące bezpośrednio z kory mózgowej owiec i będąc podobne do siebie u róŜnych osobników – odpowiadają wzorcowi fal beta [β], jednocześnie potwierdzając ich istnienie. W trakcie badań analizujących zachowanie CUN u owiec będących na czczo – przeprowadzono takŜe dodatkowe doświadczenie mające na uwadze wywołanie kontrastu wobec uprzednio zastosowanej procedury. W tym celu podano paszę CJ, aby zaobserwować zmiany czynności mózgu spowodowane efektem karmienia i zaspokajania głodu. Następstwo takiej próby wywołało diametralną zmianę aktywności kory mózgowej. Reakcja na bodziec trwała około 1 sekundy (± 0,2 sek.) i skutkowała znacznym zwiększeniem amplitudy, a takŜe wyraźnymi, częstszymi niŜ poprzednio (rys. 3) wahaniami częstotliwości zapisu co obrazuje rysunek 4. Analiza kontrolowanych wartości wykazała bardzo wysoki stopień aktywności mózgu, szczególnie w rejonie potylicznym ( ), przy relatywnie mniejszych wahaniach badanych czynników w części czo). łowej ( Na podstawie uzyskanych wyników dowiedziono, Ŝe bioelektryczna aktywność centralnego układu nerwowego jest moŜliwa do zdefiniowania przy udziale technik elektroencefalograficznych. Otrzymane rezultaty badań wykazują, iŜ zmiany potencjałów kory mózgowej powodowane są m.in. zaistniałymi bodźcami pochodzącymi ze środowiska zewnętrznego, tj. okres relaksu czy podanie paszy. os occipitale os occipitale os frontale Medicina Veterinaria 5(2) 2006 98 P. Cwynar, A. Zawadzka Rys. 3. Aktywność kory mózgowej owcy w stanie spoczynku Fig. 3. Sheep cerebral cortex activity in rest conditio Rys. 4. Aktywność kory mózgowej na bodziec paszowy. Część lewa – spoczynek, część prawa – reakcja na bodziec Fig. 4. Sheep cerebral cortex activity in feed stimulus. Left part – rest condition, right part – feed stimulus Acta Sci. Pol. Elektroencefalografia na tle wybranych współcześnie stosowanych metod diagnostycznych … 99 WNIOSKI 1. Kora mózgowa u owiec w stanie spoczynku zwierzęcia wykazuje się aktywnością impulsów elektrycznych o średniej amplitudzie 30 µV i częstotliwości do 20 Hz. 2. Częstotliwość impulsów elektrycznych pochodzących z części potylicznej ( ) u owcy na czczo jest odwrotnie proporcjonalna, gdy zwierzę jest najedzone. 3. W doświadczeniu potwierdzono obecność zdefiniowanego rytmu β. os oc- cipitale METODY ALTERNATYWNE Badanie elektroencefalograficzne nie jest jedyną autorytatywną metodą słuŜącą do poznawania, diagnozowania i analizowania informacji dotyczących tkanki nerwowej. Istnieją równieŜ alternatywne procedury o porównywalnych lub większych moŜliwościach i skuteczności, które powinny znaleźć się w niniejszym opracowaniu. Centralny układ nerwowy na tle draŜnienia impulsem prądu elektrycznego Szczegółowe analizy i testowanie centralnego układu nerwowego zostały zapoczątkowane juŜ w 1870 roku. Wtedy właśnie Fritsch, Hitzig i Goltz prowadzili eksperymenty na ssakach (głównie psach), które doprowadziły ich do podwalin współczesnej neurologii. Doświadczenie takie wykonywane było najczęściej w znieczuleniu miejscowym lub pod narkozą i polegało to na draŜnieniu impulsami prądu elektrycznego kory mózgowej badanego zwierzęcia. Otrzymane reakcje w formie skurczów róŜnych grup mięśni występowały zawsze po przeciwnej stronie ciała niŜ pobudzana półkula mózgu. Procedura ta pozwoliła na określenie i umiejscowienie odpowiadających mu efektorów („realizatorów”) bodźca. Metoda ta zyskała nazwę „ ”. W praktycznym zastosowaniu moŜna rozpatrywać dwie metody eksperymentalne. Pierwszą z nich jest wykorzystanie procedury jednoelektrodowej, czyli wprowadzenia do mózgu elektrody igłowej, z którą tworzy parę elektroda obojętna, umieszczona na powierzchni ciała badanego. Drugim sposobem jest wprowadzenie obu elektrod igłowych do mózgu tak, aby pomiędzy nimi znajdowała się badana struktura CUN. Dzięki zastosowaniu metody dwuelektrodowej istnieje moŜliwość zainicjowania ładunku prądu elektrycznego pomiędzy parą igieł. W trakcie jego trwania istnieje moŜliwość monitorowania reakcji badanej partii mózgu. Obecnie tego typu postępowanie jest praktykowane raczej sporadycznie. Strategie stosowania tego typu doświadczeń są dość skomplikowane i mają swoje uwarunkowania, chociaŜby takie jak całkowite znieczulenie pacjenta – co mogłoby doprowadzić do powstania znacznych artefaktów wykrywalnych w badaniu elektroencefalograficznym [Konturek 1998, Taylor 2000,Williams]. Stereotaktyczność. Metoda stereotaksji chirurgicznej Za twórcę nowoczesnej neurochirurgii stereotaktycznej uwaŜa się Roberta Clarke`a, który w latach 1906–1908 we współpracy z Wiktorem Horsley`em opracował pierwsze urządzenie stereotaktyczne przeznaczone do doświadczeń na zwierzętach. Dwa lata później zbudowano urządzenie, które moŜna było zastosować u człowieka. Pierwszy teorii lokalizacji Medicina Veterinaria 5(2) 2006 100 P. Cwynar, A. Zawadzka udany zabieg stereotaktyczny został przeprowadzony w roku 1947 przez Wycisa i Spiegela, co spowodowało burzliwy rozwój stereotaksji [za Harat 2000, Daszkiewicz 2002, Gryszko 2005]. Pod pojęciem badań stereotaktycznych kryje się metoda polegająca na tak precyzyjnym unieruchomieniu głowy, aby moŜna było za pomocą specjalnego aparatu, w bezpieczny sposób, wprowadzić do mózgu elektrody i urządzenia rejestrujące itp. Cały zabieg instalacji odbywa się w znieczuleniu ogólnym. Na powierzchni czaszki nawiercane są otwory, do których, po uprzednim ustawieniu głębokości w mózgu (śruby makro- i mikrometryczne), przymocowana zostaje kaniula wykonana ze złota lub stali nierdzewnej. Głównym celem badania jest draŜnienie i rejestracja pracy poszczególnych partii CUN. Istnieje równieŜ moŜliwość zniszczenia wybranych struktur mózgu za pomocą odpowiednio dobranych elektrod [Konturek 1998]. Powodem zainteresowania tego typu zabiegami w owym czasie był brak skutecznego leczenia zachowawczego choroby Parkinsona, bólów róŜnego pochodzenia oraz cięŜkich psychoz. W 1964 roku nastąpiło oficjalne zatwierdzenie i zarejestrowanie tej metody pod nazwą „stereotaksji chirurgicznej”. Współcześnie metoda ta jest wykorzystywana m.in. podczas biopsji. Stwarza to moŜliwość zdiagnozowania uszkodzeń pnia mózgu podczas zabiegu radiochirurgii stereotaktycznej. Elektrokortykografia ECG (ECoG) – elektrokortykografia (ang. ) electrocortycography Elektrokortykografia – jest badaniem polegającym na odbiorze i zapisie aktywności bioelektrycznej mózgu bezpośrednio z powierzchni kory mózgowej. Metoda ta wykonywana jest wyłącznie podczas zabiegów operacyjnych, w trakcie których stosuje się trepanację czaszki i odsłonięcie półkul mózgowych. [Konturek 1998, Rowan, Tolunsky 2003, Wypych, Wróbel 2004]. Procedura takiego badania jest bardzo dokładna i pozwala na rejestrację samych czynności mózgu, z pominięciem przejścia impulsu przez powłoki skórne i ich wytworów (tj. włosy). Do odczytu i archiwizowania takiego rodzaju danych oraz ich modyfikowania konieczne jest profesjonalne oprogramowanie komputerowe oraz niezbędna aparatura, podobna do opisanej w części dot. EEG. Istotnym problemem przy wykonywaniu elektrokortykografii, podobnie równieŜ jak przy elektrencefalografii jest często duŜa zmienność wewnątrzgatunkowa dotycząca zmienności gęstości energii [Graimann i wsp. 2002, śygierewicz i wsp. 2005]. Za pomocą elektrokortykografii istnieje moŜliwość analizowania tych samych zagadnień, jakie opisano wcześniej w części dot. EEG. Zaznaczyć naleŜy, Ŝe otrzymywane z ECG wyniki i wartości mogą być zdecydowanie odmienne niŜ przy wykorzystaniu EEG. Będą charakteryzować się wyŜszą amplitudą o około 500 µV [Stanisławski, Zięba 2002], a czynnikiem szczególnie powodującym takie róŜnice będzie rejestracja bezpośrednio z powierzchni mózgu. Procedura ta jest wykorzystywana najczęściej w doświadczeniach klinicznych w celu sprecyzowania uśrednionej aktywności komórek z większych pól korowych. ECG mając lepszą rozdzielczość przestrzenną charakteryzuje się równieŜ tym, iŜ zmiany potencjałów nie są zniekształcone przez płyn mózgowo-czaszkowy [Wypych, stricte Acta Sci. Pol. Elektroencefalografia na tle wybranych współcześnie stosowanych metod diagnostycznych … 101 Wróbel 2004]. Biorąc pod uwagę ten aspekt ECG jest metodą znacznie bardziej precyzyjną i odbiegającą od typowego zapisu EEG. Magnetoencefalografia MEG – magnetoencefalografia (ang. magnetoencephalography) Badanie magnetoencefalograficzne jest częściowo zbliŜone do metody EEG. Polega ono na pomiarze wytwarzanego przez mózg pola magnetycznego za pomocą specjalistycznego sprzętu. Aparatura do tego rodzaju badań charakteryzuje się bardzo dobrą rozdzielczością oraz rejestracją szybkozmiennych sygnałów. Niestety, pomimo iŜ metoda ta pozwala na dość dokładne przeanalizowanie czynności mózgu, szczególnie partii głębszych, badanie to jest zarzucane z uwagi na bardzo trudną interpretację wyników oraz wyjątkowo drogą aparaturę badawczą. W głównej mierze oba te czynniki całkowicie dyskredytuje MEG jako metodę przydatną i niezbędną w badaniach. WaŜnym aspektem tej metody jest moŜliwość analizowania zmian głębszych warstw tkanki nerwowej, do której nawet dostęp podczas operacji byłby trudno osiągalny. Tomografia komputerowa CAT – Computed Axial Tomography; CT – Computed Tomography; TK – tomografia komputerowa. Badania dotyczące tomografii komputerowej zawdzięczamy G.N. Hounsfield’owi oraz A.M. Cormack’owi, którzy skonstruowali w 1968 roku pierwszy na świecie tzw. „EMI scanner” [Hounsfield 1973] współpracujący z komputerem Data General Nova. Cztery lata później metoda diagnozowania tego typu aparaturą została wcielona w Ŝycie, a w 1979 roku obydwaj jej prekursorzy zostali nagrodzeni Nagrodą Nobla [Zakrzewska 2000, Skrzyński 2005]. Metoda CAT polega na uzyskiwaniu informacji o narządach pacjenta dzięki zastosowaniu techniki zdjęć warstwowych. Badanie jest stosunkowo tanie (w porównaniu do innych metod tomograficznych), bezpieczne i nieinwazyjne. Procedura polega na wykorzystaniu jonizującego promieniowania „X” , które jest emitowane dzięki obecnej w urządzeniu lampie Roentgena. Długość tych fal moŜna zróŜnicować na twarde (od 5 pm – 100 pm) oraz miękkie (od 0,1 nm – 10 nm). Zakres takiego promieniowania mieści się pomiędzy pasmem ultrafioletowym a gamma.Wiązki takiego promieniowania transmitowane są wokół badanej partii ciała w układzie tzw. „wachlarza” [Krawiec a, b]. Emitowane tą drogą wiązki „X” przenikają przez powłoki skórne, kości i tkanki miękkie. Uzyskane tą drogą informacje przesyłane są do detektorów umieszczonych vis à vis źródła wiązki. Dane trafiają następnie na twardy dysk komputera, gdzie dzięki odpowiedniemu oprogramowaniu są przetwarzane. Takim sposobem tworzy się płatowe wycinki organizmu oraz tworzy ich rekonstrukcję w dwuwymiarowym obrazie. Proces badania trwa około 1 sekundy [Ellenbogen P.H., Hovespian D.M. i wsp., 2006b, Krawiec c]. Przy zastosowaniu metody CAT moŜna uzyskać dość precyzyjne odwzorowanie anatomicznych struktur poszczególnych narządów (np. mózgowia). Otrzymane wyniki, zwane zwyczajowo „zdjęciami”, zawierają informacje, spośród których moŜna z łatwością odróŜnić kości czaszki, tkanki miękkie (bez ich zróŜnicoMedicina Veterinaria 5(2) 2006 102 P. Cwynar, A. Zawadzka wania). Tryb ten umoŜliwia tym samym ocenę nie tylko struktur kostnych (np.: w przypadku urazów czaszkowych), ale takŜe zdiagnozowanie moŜliwych zmian patologicznych tkanek miękkich (widoczne guzy, krwiaki, nowotwory etc.) oraz ewentualne zlecenie dodatkowych, dokładniejszych badań. [Thornbury 1993, Malanga 1999]. Od skonstruowania w roku 1968 pierwszego tomografu do współczesnej technologii CAT zmieniło się wiele. Nieustanny postęp w tej dziedzinie zmierza do uzyskania moŜliwie największej liczby źródeł promieniowania, a co się z tym wiąŜe, równieŜ zwiększenia liczby detektorów. Aparatura jednolampowa odchodzi do lamusa, a zastępuje ją sprzęt trzeciej i czwartej generacji. Badania nad rozwojem technologii CAT są prowadzone m.in. przez firmę Siemens, która pracowała nad urządzeniem 64-rzędowym. Dość interesującym aspektem badań zajmowało się takŜe amerykańskie Mayo Clinic of Medicine, które skonstruowało tzw. Dynamic Spatial Reconstructor. Urządzenie zostało wyposaŜone w 14 lamp roentgenowskich i 14 kamer telewizyjnych. Zdaniem Skrzyńskiego [2005] teoretycznie umoŜliwiałoby to rejestrację 240 warstw o grubości 0,9 nm w ciągu 1/60 sekundy, co uczyniłoby taki sprzęt bardzo dokładnym i niezwykle szybkim urządzeniem. Rys. 5. Typowy, prawidłowy obraz CAT Rys. 6. Krwawienie u pacjenta po urazie czauzyskany przy zastosowanym konszkowym [według Ellenbogen, Hovetraście doŜylnym spian i wsp., 2006,b] Fig. 5. Typical, normal head CAT scan Fig. 6. Recent bleeding in an injured patient. with intravenous kontrast [Adapted [Adapted from Ellenbogen, Hovesfrom Ellenbogen, Hovespian i wsp., pian i wsp., 2006,b] 2006,b] Acta Sci. Pol. Elektroencefalografia na tle wybranych współcześnie stosowanych metod diagnostycznych … 103 Pozytonowa tomografia emisyjna PET – Positron Emission Tomography Metoda ta zaliczana jest do tomografii komputerowych. Wykorzystywana jest dzięki promieniotwórczemu rozpadowi związków znakowanych substancjami biologicznie aktywnymi, które w organizmie badanego ulegają rozpadowi. Pozytony ulegają zjawisku anihilacji, poniewaŜ zderzają się z elektronami umiejscowionymi w tkankach pacjenta. Zgodnie z kwantową teorią pól są one zamieniane na inne cząstki, a mianowicie na dwa kwanty promieniowania elektromagnetycznego gamma, czyli fotony, poruszające się w przeciwnych kierunkach. Najczęściej znakowanymi substancjami są deoksyglukoza lub tlen [Świat, Opala, Jasińska – Myga 2006]. Z kolei do znakowania nierzadko uŜywa się fluoru F-18 wykorzystywanego powszechnie na ludziach w Zakładzie Medycyny Nuklearnej Centrum Onkologii w Bydgoszczy. Technika pozyskiwania informacji jest tu podobna do opisanej wcześniej CAT, albowiem obecność wspomnianych pozytonów jest wykrywana przez zespół detektorów. Tak zarejestrowane zjawisko jest zapisywane na dysku komputera i odpowiednio przetwarzane, a technika komputerowa pozwala na wygenerowanie wirtualnej rekonstrukcji badanej partii ciała oraz dowolne modyfikowanie takich zapisów. Znamienne jest, aby sprzęt diagnostyczny był moŜliwie najdokładniej zsynchronizowany, poniewaŜ precyzyjnie zarejestrowany ruch fotonów będzie warunkował dokładne ustalenie miejsca ich powstania. UŜywanie deoksyglukozy znakowanej fluorem F-18 wiąŜe się z faktem, iŜ wiele ognisk zapalnych, chorobotwórczych, a takŜe o zmienionej juŜ anatomii ma podwyŜszony metabolizm i znacznie większe zapotrzebowanie na węglowodany, a co się z tym wiąŜe, tam teŜ gromadzone są największe ilości uŜytego promieniotwórczego izotopu. Badanie to naleŜy do jednej z najdokładniejszych i precyzyjnych metod diagnostycznych, szczególnie przy rozpatrywaniu aspektów centralnego układu nerwowego. Niestety, koszty związane z zakupem sprzętu, serwisem oraz dostosowaniem do takich celów pomieszczeń są bardzo wysokie. W Polsce istnieje tylko jeden Zakład Medycyny Nuklearnej (Bydgoszcz), który wykorzystuje najnowocześniejszy sprzęt do badań PET. Do waŜniejszych z nich zaliczyć moŜna skaner PET/CT (połączenie tomografii komputerowej z pozytonową), moduł syntezy fluorodezoksyglukozy oznaczanej promieniotwórczym fluorem F-18 oraz cyklotron słuŜący do wytwarzania krótkoŜyciowych izotopów. [Zakł. Med. Nukl. 2003]. Najczęściej wykorzystuje się PET do badań mózgu i serca. Szacuje się, Ŝe ta metoda moŜe wykryć nawet 90% nowotworów. Fuzja PET/CT Na skutek niedoskonałości diagnostyki pozytonowej tomografii emisyjnej i tomografii komputerowej postanowiono połączyć obie te metody, uzyskując tym samym jedno z najlepszych urządzeń do nieinwazyjnego badania narządów głębokich oraz generowania ich przestrzennych struktur. MoŜliwość połączenia tomografii pozytonowej z komputerową udostępniła tym samym uzyskiwanie wyników obu tych badań tego samego dnia, co więcej – skorelowanych ze sobą. Zastosowanie jednocześnie obydwu metod pozwala na trójwymiarowe obrazowanie badanych partii ciała. Ma to szczególnie duŜe znaczenie przed skomplikowanymi zabiegami chirurgicznym (biopsje, trepanacje czaszki itp.). Medicina Veterinaria 5(2) 2006 104 P. Cwynar, A. Zawadzka Metoda ta pozwala równieŜ na wykrycie i łatwą interpretację powstałych zmian anatomicznych narządów, zanim dojdzie do daleko idącej patologii. W odniesieniu do układu krąŜenia diagnostyka PET/CT jest w stanie wykazać powstałe zmiany i dysfunkcje mięśnia sercowego [Ellenbogen, Hovespian i wsp. 2006]. Rys. 7. Obrazowanie z zastosowaniem PET/CT oraz wykorzystaniem związku biologicznie aktywnego oznaczonego izotopem promieniotwórczym [Ellenbogen P.H., Hovespian D.M. i wsp. 2005] Fig. 7. Sample image obtained using a combination of PET and CT imaging technology with Fluorine-18 Deoxyglucose. [Ellenbogen P.H., Hovespian D.M. i wsp. 2005] PIŚMIENNICTWO Daszkiewicz P., 2002. Metoda stereotaktyczna. [W:] Rokoszewski M.: Minimalne techniki w neurochirurgii dziecięcej. Wydawnictwo EMU, Warszawa, 137-178. Ellenbogen P.H., Hovespian D.M. i wsp., 2005. PET/CT Fusion Technology:- Combination of imaging shows more than either metode alone. ACR-RSNA Committee 10/2005. Ellenbogen P.H., Hovespian D.M. i wsp., 2006, a. Specialized MRI scan fine tunes preoperative planning for brain surgery. ACR-RSNA Committee. Ellenbogen P.H., Hovespian D.M. i wsp., 2006, b. Computed tomography CT – Head. ACR-RSNA Committee 3/2006. Graiman B., Huggins J.E., Levine S.P., Pfurtscheller G., 2002. Visualization significant ERD / ERS patterns in multichannel EEG and ECoG data. Clinical Nuerophysiology 113: 43-47. Gryszko R., Królikowska A., Ślusarz R., Harat M., Beuth W., 2005. Nursing Parkinson’s disease patients undergoing stereotactic surgeries UMC-S Lublin Vol.LX, suppl. XVI, 7/2005. Guerrero C.M., Trigueros A.M., Franco J.I., 2005. Time – Frequency EEG analisis in epilepsy: What is more suitable? IEEE International Symposium on Signal Precessing and Information Technology. Acta Sci. Pol. Elektroencefalografia na tle wybranych współcześnie stosowanych metod diagnostycznych … 105 Harat M. i wsp., 2000. Ocena wczesnych wyników talamotomii i palidotomii u pacjentów z chorobą Parkinsona. Valetudinaria – Postępy Medycyny Klinicznej i Wojskowej (5) 3-4: 78-83. Herin R.A., Purinton P.T., Fletcher T.F., 1968. Electroencephalography in the unanaestetized dog. Am. J. Vet. Res. 1968; 29: 329-336. Hounsfield G.N., 1973. Computerized transverse axial scanning (tomography) – Part I. Description of the system. Br.J.Radiol.1973. no. 46. Jus A., Jus K., 1954. Elektroencefalografia. PZWL, Warszawa. Kalinowski L. (red.), Hermann R., Hermann M., 1996. Rezonans magnetyczny, Encyklopedia Badań Medycznych Wyd. Med. MAKmed Gdańsk. Konturek S., 1998. Fizjologia człowieka – neurofizjologia Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków. Krawiec K. (a). Zastosowania informatyki w medycynie (Applications of Informatics in Medicine). Instytut Informatyki Politechniki. Poznań. http://idss.cs.put.poznan.pl/~stefanowski/medteaching.html. Krawiec K. (b). Diagnostyka obrazowa; Zastosowanie informatyki w medycynie. Instytut Informatyki Politechniki. Poznań. http://idss.cs.put.poznan.pl/~krawiec/zim/diagnostykaobrazowa.pdf#search=%22osiowa%20t omografia%20rentgenowska%20 Krawiec K. (c). Urządzenia diagnostyczne; Zastosowanie informatyki w biomedycynie, Instytut Informatyki Politechniki, Poznań. http://idss.cs.put.poznan.pl/~stefanowski/zimy/info/zib/wyklad/urz_diag.html#tomografia Majkowski J.,1989. Elektroencefalografia kliniczna. PZWL, Warszawa. Malanga G.A, Nadler S.F., 1999. Nonoperative treatment of low back pain. Mayo Clinic Proceedings ‘99; 74: 1135-1148, opublikowano w Med. Prak. Chirurgia 2001/03, Med. Prak. 2000/06. Pauly P.J., 2005. The Political Structure of the Brain: Cerebral Localization In Bismarckian Germany Department of History. Rutgers University. Electroneurobiología Vol. 14 (1):25-32. Pellegrino F.C., Sica R.E.P., 2003. Canine electroencephalographic recording technique: findings in normal and epileptic dogs. Clinical Neurophysiology 115 (2004): 477-487. Rowan A.J., Tolunsky E. 2003. Primer of EEG With a Mini-Atlas. Elsevier Science, Copyright for the Polish edition by Wyd. Med. Urban & Partner. Skrzyński W. Historia i rozwój tomografii, Zakł. Fizyki Medycznej Centrum Onkologii w Warszawie http://www.ws.aplus.pl/tomografia. Stanisławski S., Zięba J. i wsp. 2002. Hypnos wortal. http://www.hypnos.pl. Świat M., Opala O., Jasińska – Myga B., 2006. Obrazowanie czynnościowe w diagnostyce schorzeń układu pozapiramidowego. Neurologia i Neurochirurgia Polska. 40: 42-50. Taylor & Francis, 2000. Journal of the History of the Neurosciences. Taylor & Francis Volume 9, Number 2 / August 2000: 180-200. Thornbury J.R., Fryback D.G., Turski P.A. i wsp., 1993. Disk-caused nerve compression in patients with acute low-back pain: diagnosis with MR, CT myelography published correction appears in Radiology. Radiology.186: 731-738, 187: 880. Walsh E.G., 1966. Fizjologia układu nerwowego. PZWL, Warszawa. Williams S.H., The Brain As the Organ of Mind A History of Science. Vol. IV World wide school library http://www.worldwideschool.org Wypych M. Wróbel A., 2004. Identyfikacja stanu funkcjonalnego mózgu przy pomocy nowych metod potencjałów wywołanych. Konferencja „Nowe metody w neurologii” 12/2004: 49-55. Medicina Veterinaria 5(2) 2006 106 P. Cwynar, A. Zawadzka Young, R. M., 1970. Mind, brain, and adaptation in the nineteenth century. Oxford Clarendon Press. Zakład Medycyny Nukearnej Centrum Onkologii w Bydgoszczy, 2003. http://www.pet-ct.com.pl Zakrzewska A., 2000. Tomografia – obrazowanie warstwami. Medi Press Warszawa 2/2000. śygierewicz J., Durka P., Mazurkiewicz J., Crone N., Franaszczuk P., 2005. Szacowanie istotnie statystycznych zmian w mocy sygnału EEG związanych z bodźcem. Bio-Algorythms and Med – Systems Jagiellonian University Vol. 1, no 1 / 2: 339–347. THE ELECTROENCEPHALOGRAPHY AGAINST THE BACHGROUND OF CHOSE CONTEMPORARY METHODS SERVING TO VERYFY ANATOMICAL STRUCTURES AND FUNCTIONAL ABILITY OF CENTRAL NERVOUS SYSTEM IN PEOPLE AND ANIMALS Abstract. Present article describes the most important methods serving to know how the central nervous system and it’s structures works and also ways to establish the diagnosis of eventually pathological changes in it. Aditionally this is a review of medical researches into the causes of cerebral cortex beginning from brain teasing by electricity (Fritsch method) ending on the most modern nowadays examinations as Pozitron Emission Tomography, because thanks to it there is a possibility to obtain the three – dimensional picture of the part of the patient’s body. The authors are actually working on the practical application of the EEG method with animals, so they took the liberty of expose their experiments. Key words: nervous system, brain, electroencephalography, tomography, resonance Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 20.11.2006 Acta Sci. Pol.
