Wykład 27

Rytmy EEG podczas pobudzenia i uwagi – przedziały częstości
Theta 4-7.5 Hz
Alpha – 8-13 Hz
Beta 14 – 30 Hz
Gamma – powyżej 30 Hz
Rytmy EEG podczas pobudzenia i uwagi – neuromodulacja cholinergiczna
Diagram neuromodulacji cholinergicznej
wzgórza i kory. Acetylocholina (ACh) jest
uwalniana do wzgórza poprzez Peribrachial
Neurons (PB) leżące w jądrach
Pedunculopontine Tegmental (PPT) oraz
poprzez Laterodorsal Tegmental Neurons
(LDT). Do kory ACh jest uwalniana z Nucleus
Basalis Neurons (NB). Synchronizacja EEG w
czasie snu (sleep, S) wiąże się z odpalaniem
salw potencjałów czynnościowych w
komórkach RE i kory. Przepływ informacji
przez komórki TC jest zmniejszony. Podczas
przejścia do stanu czuwania (waking, W)
neurony PB/LDT zwiększają częstość
wyładowań na ok. 20s przed początkiem W,
charakteryzowanym przez desynchronizację
EEG. Wzmożona aktywność występuje również
w NB. Aktywność aferentna pozostaje bez
zmian. ACh depolaryzuje komórki TC i
hiperpolaryzuje komórki RE. Komórki RE
przechodzą do aktywności tonicznej w wyniku
depolaryzacji od komórek TC oraz kory.
Rytm beta/gamma
A. Widma mocy sygnałów EEG z kory wzrokowej psa. 1 – oczy zamknięte, 2 – włączona uwaga wzrokowa.
W 1 maksimum przypada na pasmo alfa w 2 na pasmo beta. B. Analiza aktywności komórek kory wzrokowej
uśpionego kota w odpowiedzi na ruchome linie o dwóch różnych kierunkach. 1 – histogram ukazujący, ze
komórka działa wybiórczo na kierunek, 2 – autokorelogramy, 3 – potencjały czynnościowe podczas
prezentacji drugiego kierunku. 4 - powiększenie 3. Rysunki 2,3 4 wskazują na aktywność korową 30 – 60
Hz. Nie zaobserwowano analogicznej aktywności w ciele kolankowatym bocznym wzgórza.
Rytm beta – nośnik fal uwagi
Eksperyment: stymulacja
wzrokowa – sinusoidalna wiązka
światła się o częstości 1-2 Hz
przesuwająca się prawo-lewo
przez 16 s a następnie
zatrzymująca się na drzwiach, za
którymi znajdywała się nagroda.
Po 1-3 s usuwano przezroczystą
zasłonę i kot mógł sięgnąć po
nagrodę.
Stymulacja akustyczna – szum o
modulowanym natężeniu 50-55
dB włączony na wprost kota a
następnie przesuwany na lewo
bądź prawo. Po 16 s dźwięk
ustawał. Strona po której się
zakończył oznaczała drzwi z
nagrodą.
Uśrednione widma mocy elektrokortikogramu kota. W zapisach A, B, C elektroda znajdowała się nad
korą wzorkową (V.Cx), w D – nad korą słuchową (A. Cx). A. Widma mocy 7 udanych prób z wzrokową
(linia gruba) i 10 ze słuchową (linia cienka) stymulacją. B. Widma mocy sygnałów z kory wzrokowej
poprzedzających udane próby (linia gruba) i pomyłki (linia cienka). C, D Widma mocy sygnałów z kory
wzrokowej i słuchowej dla prób udanych. W korze wzrokowej moc w paśmie beta jest wyższa dla prób
udanych niż w dla prób akustycznych i błędnych. W korze słuchowej moc pasma beta jest wyższa dla
prób słuchowych niż dla wzrokowych
Wg. A. Wróbel. Beta activity: a carrier for visual attention. Acta Neurobiol. Exp. 60, 247-260, 2000
Rytm beta/gamma – nośnik fal uwagi
Aktywność 40 Hz w korze asocjacyjnej kota (obszar 5) podczas obserwacji niedostępnej myszy. Wzrost
aktywności ~ 40 Hz jest również obserwowany u człowieka i małp podczas i przed ruchami
zamierzonymi oraz podczas zadań wymagających wysokiej koordynacji czuciowo – ruchowej.
Rytm gamma w falach snu
Rytm gamma występuje również w EEG w czasie snu. Na rysunku widoczne dwie fale wolnej
oscylacji z wrzecionem oraz oscylacjami gamma pomiędzy nimi.
Rytm beta/gamma - generatory
Komórki wzgórza mogą
generować aktywność ~ 40
Hz. A. Zapisy
wewnątrzkomórkowe
aktywności komórki wzgórza
u kota wywołanej prądem
depolaryzującym. B. Podobna
aktywność występująca
spontanicznie.
Rytm beta/gamma - generatory
Cztery górne zapisy ukazują EEG,
głębinowe EEG,
zewnątrzkomórkowy potencjał w RE
i wewnątrzkomórkowy potencjał w
TC u uśpionego kota. Wszystkie
cztery sygnały wykazują oscylację
0.7-0.8 Hz. Obszar spontanicznej
aktywacji (pozioma linia) jest
powiększony poniżej. Aktywności
komórki TC i EEG wykazują
częstość 30 – 50 Hz i są ze sobą
skorelowane.
Rytm beta/gamma - generatory
Rytm delta w komórce TC oraz EEG
zanika w wyniku stymulacji komórek
cholinergicznych. (PB). W wyniku
stymulacji pojawia się aktywność ~ 40
Hz w EEG
Modulacja aktywności w obwodzie RE – TC
poprzez komórki cholinergiczne CH5. Komórki TC
ulegają depolaryzacji, w komórkach RE potencjał
błonowy obniża się.
Rytm beta/gamma - generatory
Komórki kory również mogą
generować aktywność rytmiczną o
częstości ~ 40Hz przy odpowiednim
poziomie potencjału błonowego.
Pokazane odpowiedzi komórki kory
na prąd depolaryzujący 1.8, 1.2, 0.8,
0.5 nA. Komórka odpowiada tonicznie
(420 Hz), salwami (35 Hz), dubletami
(30 Hz) oraz pasywnie.
Pomimo rytmicznych własności
pojedynczych komórek,
synchronizacja aktywności gamma na
dużych obszarach oraz miedzy
półkulami wskazuje na sieciowy
generator rytmu.
Rytm beta/gamma - generatory
Lokalne potencjały polowe i aktywność pojedynczych komórek w dwóch obszarach kory
motorycznej odległych od siebie o 14 mm. Aktywność komórek w obszarze drugim jest
skorelowana z LFP.
Rola rytmu gamma w korze węchowej
Zapisy z opuszki węchowej (a) oraz przedniej (b) i tylnej c)
kory węchowej kota. Pomiędzy falami wolnymi widoczne
salwy o dużej amplitudzie i wysokiej częstości, występujące
podczas postrzegania zapachu (tzn. pomiędzy wdechem i
wydechem).
Wspólna fala nośna o częstości gamma
widoczna w zapisach EEG z kory węchowej
podczas rozpoznania zapachu przez królika
(rysunek lewy). Fala jest prawie taka sama we
wszystkich zapisach za wyjątkiem amplitudy.
Kształt fali nie zawiera informacji. Informacja
o zapachu jest zawarta w przestrzennym
rozkładzie amplitudy fali. Może on być
przedstawiony za pomocą poziomic (rysunek
prawy).Czerwony kontur odpowiada
największej amplitudzie, następne kontury –
niższym amplitudom.
wg. Walter J. Freeman, The Physiology of Perception, Scientific American, Vol 264, (2) Pg. 78-85, 1991
Rola rytmu gamma w korze węchowej cd.
Wzorzec z prawej strony ukazywał się zawsze niezmiennie po uwarunkowaniu królika na zapach trocin. Po nauce rozpoznania
zapachu banana (wzorzec środkowy), zapach trocin wywołał nowy wzorzec. Pokazuje to, że w aktywność opuszki dominuje
doświadczenie a nie bodziec. W przeciwnym razie zapach trocin zawsze wywoływałby taki sam wzorzec.
wg. Walter J. Freeman, The Physiology of Perception, Scientific American, Vol 264, (2) Pg. 78-85, 1991
Rytmy gamma – ‘induced’ i ‘evoked’
Istnieją trzy rodzaje odpowiedzi gamma.
Odpowiedź wywołana (‘evoked’) ma stałe
w czasie opóźnienie w stosunku do bodźca.
Była obserwowana po stymulacji
akustycznej, wzrokowej i czuciowej. Rola
tej składowej jest debatowana.
Odpowiedź ustalona (steady-state
response) na periodyczną stymulację ma
maksymalną amplitudę w paśmie gamma.
Jest ona interpretowana jako wynik
własności rezonansowej kory i nie
przypisuje się jej funkcji.
Odpowiedź indukowana (‘induced’)
występuje ze zmiennym opóźnieniem w
stosunku do bodźca. Ten typ aktywności
gamma może być odpowiedzialny za
wyższe procesy poznawcze.
Rytm gamma ‘evoked’
Rytm 40 Hz w zapisach
magentoencefalograficznych
MEG podczas stymulacji
akustycznej. 7 pojedynczych
kanałów synchronizuje
aktywność w ścisłej czasowej
relacji do momentu podania
bodźca (evoked gamma).
Synchronizacja następuje na
obszarze ~ 25cm2.
Rytm gamma ‘induced’
Rytm gamma związany z percepcją
Average scalp distribution of gamma activity and phase
synchrony. EEG was recorded from electrodes on the scalp
surface. Subjects were shown upright and upside-down
Mooney figures (high contrast faces), which are easily
perceived as faces when presented upright, but usually
perceived as meaningless black-and-white forms when
upside-down. The subjects' task was a rapid two-choice
button response of whether or not they perceived a face at
first glance. Color-coding indicates gamma power
(averaged in a 34_40 Hz frequency range) from a given
electrode and during a 180 ms time window, from
stimulation onset (0 ms) to motor response (720 ms). In the
condition where the figures were recognized, transient
episodes of large-scale synchrony appeared after the
presentation of the stimuli, followed by a period of phase
scattering and a second period of synchrony during the
motor response. Such patterns of synchrony were not
present when the pictures were not recognized. Synchrony
between electrode pairs is indicated by black and green
lines, corresponding to a significant increase or decrease in
synchrony, respectively. These are shown only if the
synchrony value is beyond the distribution of shuffled data
sets ( P< 0.01; see methods, Ref. 18). (from Rodriguez et
al, 1999). RODRIGUEZ E, GEORGE N, LACHAUX JP,
MARTINERIE J, RENAULT B, VARELA FJ (1999)
Perception's shadow: long-distance synchronization in the
human brain. Nature 397:340-343
Theta
Theta – rytm 4 - 7.5 Hz występujący w
korze limbicznej (hipokamp, kora
śródwęchowa, zakręt obręczy). U
gryzoni dochodzi do 12 Hz i dlatego
często stosuje się nazwę Rhythmic Slow
Activity (RSA). RSA występuje w
hipokampie głównie podczas lokomocji
i pobudzenia sensorycznego.
prędkość
EMG
częstość
maksimum
amplituda
szerokość
maksimum
Stopień rytmiczności RSA jest
skorelowany z przejściem od bezruchu
do chodzenia, z prędkością poruszania
się i z ruchami głowy. Na rysunku
widać zmiany charakterystyki RSA w
zależności od prędkości ruchu psa.
Theta - generator
Za generator rytmu theta uważa
się przegrodę (Septum)
wysyłającą projekcje
GABAergiczne do hippokampa/.
Zniszczenie tej struktury
powoduje zanik RSA w
hipokampie. Rytm theta może
być również obserwowany in
vitro w skrawkach hipokampa po
podaniu agonisty
cholinergicznego (karbacholu).
Rysunek przedstawia fale theta i
zapisy wewnątrzkomórkowe z
komórek w hipokampie.
Widoczne depolaryzacje w
trakcie generacji fali, co może
być wynikiem hamownia
interneuronów hamujących
poprzez przegrodę. Badania
Rogera Trauba na modelu
pokazały, że nieregularna
aktywność na poziomie
pojedynczej komórki może
prowadzić do rytmicznej
aktywności theta na poziomie
populacji.
Theta in vitro
Fale theta w komórce hipokampa in vitro wywołane podaniem karbacholu. Potencjał błonowy
komórki był zmieniany poprzez podanie prądu depolaryzującego i hiperpolaryzującego.
Amplituda fal zależy od poziomu depolaryzacji lecz częstość rytmu jest stała i nie zależy od
poziomu potencjału błonowego. Wskazuje to na generator rytmu, który zależy od połączeń
synaptycznych, a nie od własności błonowych komórki.
Theta u człowieka
Nieznaczna ilość fal o częstości theta i brak wyraźnego rytmu u człowieka dorosłego.
Występuje we wczesnych etapach rozwoju mózgu (od ok. 28 tygodnia życia płodowego, osiąga
maksimum w wieku 13-15 lat, następnie stopniowo zanika).
U dzieci (6 miesięcy – 6 lat) rytm theta występuje w odpowiedzi na przyjemne bodźce pocałunek rodziców, zabawa zabawkami
U dorosłych aktywność 6 - 7 Hz w płatach czołowych jest skorelowana z aktywnością mentalną
np. rozwiązywanie problemów. Występuje również podczas wykonywania zadań pamięciowych i
medytacji.
Dwa rodzaje aktywności theta u wcześniaka. W
nawiasach - ostre fale theta, podkreślone - ostre
potyliczne fale theta. Oba rodzaje aktywności
zanikają w okolicy 36-41 tygodnia życia płodowego.
Rytmiczna aktywność 6-7 Hz u dwunastolatka
Funkcjonalne znaczenie rytmu theta
- Częstość RSA jest dobrze dopasowana do preferowanej częstości aktywacji jednej ze struktur
projekcyjnych hipokampa (nucleus accumbens). W obszarze tym występuje wyraźne torowanie
drugiego pulsu przez pierwszy (paired-pulse facilitation) jeśli podawane są one w odstępie okresu
thety (100 – 250 ms).
- Istnieją spekulacje, że na tej samej zasadzie, podczas chodzenia i eksploracji, sygnały z
hipokampa łatwiej docierają do kory motorycznej i czołowej.
- Pokazano, że stymulacja podawana z częstością RSA wywołuje długo-czasowe wzmocnienie
synaptyczne (LTP) w synapsach hipokampa. W ten sposób RSA może modulować plastyczność
synaptyczną w hipokampie i innych częściach układu limbicznego
- Kodowanie informacji - komórki hipokampa czułe na położenie (place cells) kodują położenie
zwierzęcia poprzez fazę liczoną względem bieżącego rytmu theta.
- Uniwersalny zegar. Rytm theta może być uniwersalnym układem odniesienia np. dla oscylacji z
częstością gamma (gamma/theta coding) co pozwala kodować sekwencje zdarzeń.
Rytm alpha - definicja
Definicja wg. International Federation of Clinical Neurophysiology IFSECN:
Alpha, mu i tau
Rytmy o częstości 8-13 Hz:
Alpha – tylna część głowy –
płat potyliczny, ciemieniowy i
tylno - skroniowy (głównie
kora wzrokowa)
Mu – kora czuciowa (obszary
1-3)
Tau – kora słuchowa
Rytm alpha widoczny w okolicy potylicznej (elektrody P, O) zanika po
otwarciu oczu. Rytm mu widoczny w okolicy centralnej (elektrody C)
zanika po zaciśnięciu dłoni.
Obupółkulowy rytm mu widoczny u
tego samego pacjenta.
Alpha - generatory
Generatory rytmu alpha znajdują
się w korze (koherencja fal alpha
pomiędzy sąsiednimi obszarami
kory jest wyższa niż koherencje
wzgórzowo-korowe). A. Wycinek
kory wzrokowej z zaznaczonymi
kontaktami elektrod, sygnały alpha
rejestrowane jednocześnie z 6
kontaktów, przesunięcie fazy dla
częstości 11.2 – 13.1 Hz. Skok fazy
następuje pomiędzy E22 i E23.
B. Analiza koherencji cząstkowych.
Grubość linii wskazuje na wpływ
sygnału ze wzgórza na koherencję
pomiędzy dwoma sygnałami
korowymi zaznaczonymi poprzez
cieniowanie. Pomimo że Pulvinar
ma wpływ na korowe koherencje,
koherencje wewnątrz-korowe są
wciąż znaczące.
Sygnały EEG
Potencjały wywołane (Evoked potenials EP, Event-related potentials ERP)
Potencjał wywołany – aktywność elektryczna mózgu
wywołana bodźcem lub zdarzeniem. Rozróżnia się
elementy dodatnie (P) i ujemne (N). Liczba wskazuje
na opóźnienie składowej np.. P300. Potencjał
wywołany ma składową ‘zewnętrzną’ (np. wywołany
potencjał słuchowy z pnia mózgu) oraz składową
‘wewnętrzną’ zaczynającą się > 100ms i generowaną
w mózgu. Na rysunku widać wzrokowy (A) i
słuchowy (B) potencjał wywołany. A. Składowa
‘zewnętrzna’ zawiera elektroretinogram (ERG) oraz
P65 i N75. Składowe ‘wewnętrzne’ zaczynającą się >
100ms. Składowe P100 i N100 są zależne od uwagi
(linia przerywana), składowa P300 od kontekstu,
N400 od oczekiwania semantycznego, duża zmiana
DC jest wynikiem wykonywania złożonego zadania.
B. Składowa zewnętrzna zawiera brainstem evoked
potential (BAEP) i mid-latency EP (MAEP).
Składowe wewnętrzne mogą być modyfikowane
podobnie jak wzrokowe EP.
Składowe zewnętrzne zależą od danej modalności
sensorycznej, składowe wewnętrzne są podobne dla
obu modalności
Potencjały wywołane – dwa podejścia
Dwa podejścia:
I. EP są sygnałami populacji neuronalnych aktywowanymi w ścisłej relacji czasowej (timelocked) z bodźcem. Sygnał ten sumuje się z aktywnością spontaniczną.
II. EP są wynikiem reorganizacji spontanicznej aktywności.
Pomimo faktów wskazujących na podejście II (np. stymulacji wzrokowa zmniejsza amplitudę
aktywności spontanicznej), do EP tradycyjnie stosuje się metodę uśredniania po wielu
realizacjach.
Potencjały wywołane - uśrednianie
Założenia:
a)
Stałe w czasie opóźnienie odpowiedzi elektrycznej wywołanej w mózgu.
b)
Aktywność spontaniczna jest stacjonarnym szumem (białym lub kolorowym).
Rejestrowany sygnał x(k) można zapisać:
x ( k )  s ( k )  n( k )
gdzie, s(k) – sygnał EP, n(k) – aktywność spontaniczna (szum), k – dyskretna zmienna czasowa,
wartość oczekiwana E[n(k)] = 0.
Średnia x(k) po N realizacjach:
1 N
x(k )   xi (k )
N i1
wartość oczekiwana średniej:
1 N

E[ x(k )]  E   xi (k )  s(k )
 N i1

gdyż E[n(k)] = 0.
A jej wariancja:
2
 1 N
  1
var[ x(k )]  E   ni (k )    var[ n(k )]
  N
 N i1
Wniosek: stosunek amplitudy sygnał/szum wzrasta jak N
gdyż s(k) jest niezmienna (założenie)
Potencjały wywołane - znaczenie
P300 – dodatnia składowa ERP z opóźnieniem ok. 300 ms po rzadko występującym
lub ważnym (task-relevant) bodźcu.
Słuchowe potencjały wywołane u dwóch pacjentów testowanych ponownie po roku (HP) i dwóch latach (BH). Składowa
P300 występuje tylko po dźwiękach rzadko podawanych (rare tones).
Potencjały wywołane – znaczenie
U pacjentów chorych na schizofrenie amplituda składowej P300 jest mniejsza (długo
przed wystąpieniem choroby) niż w grupie kontrolnej. Pacjenci z małą amplitudą P300
mają mniejsze szanse na skuteczną terapię.
Potencjały wywołane u grupy pacjentów schizofrenicznych u których rozwinęły się powikłania po lekach i u kontrolnej
grupy pacjentów bez powikłań.
Event-related desynchronization/synchronization ERD/ERS
ERD / S j 
Aj  R
R
1 n0 k
R   Aj
k j n0
Schemat obliczania zmian mocy wywołanej zdarzeniem. Zmniejszenie mocy w paśmie nazywa się ERD, zwiększenie ERS.
100%
Pasma reaktywne
Wyszukiwanie pasm reaktywnych. Pasmo reaktywne jest
pasmem, w którym wzrost lub spadek mocy widmowej
pomiędzy stanem referencji (spoczynku) R i aktywności (np.
przed ruchem albo po ruchu) A jest znacząco większy (powyżej
granicy ufności 95%).
Event-related desynchronization/synchronization ERD/ERS
Przykłady eksperymentów pokazujące jednoczesne ERD i ERS w różnych obszarach
mózgu.
Event-related desynchronization/synchronization ERD/ERS – ruch palcem
Współistnienie trzech różnych oscylacji w jednej lokalizacji (elektroda C3 na korze czucioworuchowej ręki) podczas krótkotrwałego podnoszenia prawego palca. Widoczna długotrwała
desynchronizacja rytmu mu (10-12 Hz) oraz synchronizacja rytmu beta (14-18 Hz) po ruchu.
Dodatkowo, występuje synchronizacja w paśmie gamma (36-40 Hz) na krótko przed rozpoczęciem
ruchu.
Event-related desynchronization/synchronization ERD/ERS – narzędzie
diagnostyczne
Beta ERS i alpha ERD zostały wykorzystane do analizy dyskryminacyjnej. ERD/ERS
dobrze separuje pacjentów cierpiących na chorobę Parkinsona od grupy kontrolnej.