Metody badania aktywności mózgu

Metody badania aktywności mózgu
Anna Sochocka
19. 01. 2011
Zakład Technologii Gier
Plan seminarium:
1.
•
•
2.
•
•
•
Mózg
Budowa mózgu
Podstawowe cechy mózgu: potencjał spoczynkowy i czynnościowy
Wybrane metody badania aktywności mózgu - metody nieinwazyjne
EEG
MEG
A może coś nowego ???
Budowa mózgu
Mózgowie (łac. encephalon z gr. en "w, wewnątrz" i
kephalos "głowa") - część ośrodkowego układu
nerwowego leżąca w czaszce.
Mózg człowieka można podzielić na dwie półkule. Jedna z nich, tzw.
Willi (prawa), posługuje się rytmem, przestrzenią, wyobraźnią,
dźwiękiem, kolorami, postrzega wymiary i obraz całości. Druga z
nich, tzw. Wilfrded (lewa), posługuje się logiką, liczbami, słowami,
hierarchią, linearnością, analizą, zbiorami. Widzi szczegóły, a nie
dostrzega obrazu całości.
W każdej półkuli wyróżnia się 4 płaty:
- Potyliczny – znajdują się w nim ośrodki wzroku i rozumienia wrażeń wzrokowych
- Skroniowy – znajdują się w nim ośrodki słuchu i rozumienia wrażeń słuchowych
- Ciemieniowy – znajdują się w nim ośrodki wyższych czynności nerwowych np.
ośrodki mowy, pamięci kojarzenia, rozumienia, wrażeń. Bruzda środkowa oddziela
płat ciemieniowy od skroniowego
- Czołowy – przed bruzda znajdują się pola ruchowe, które kontrolują pracę mięśni
szkieletowych i odpowiadają za ruchy.
Choć waży 1300-1400 g
składa się z około 100 mld
komórek nerwowych
(neuronów).
Komórka nerwowa
Neuron, komórka nerwowa, neurocyt,
razem ze swoimi wypustkami dendrytami, których jest zazwyczaj
więcej niż jeden i zawsze jednym
neurytem (aksonem), przystosowana do
przewodzenia i przetwarzania, a także
wytwarzania bodźców nerwowych.
Charakteryzuje się tym, że przewodzi
bodźce zawsze w jednym kierunku od
dendrytów do ciała komórki
(perikarionu) i z komórki dalej przez
neuryt (wypustkę osiową).
Każda z komórek nerwowych
mózgu, może wytworzyć połączenia
z 1028 innych komórek
liczba wszystkich możliwych kombinacji w całym mózgu to cyfra 1 z rzędem zer o
długości 10,5 km!
Potencjał spoczynkowy neuronu
Podstawową cechą układu nerwowego jest pobudliwość, czyli
zdolność reagowania na bodźce i zdolność przewodzenia
impulsu.
Przenoszeniu impulsu towarzyszą zmiany elektryczne w
postaci tzw. potencjału czynnościowego
Przenoszenie potencjału polega na przesuwaniu jonów po obu
stronach błony komórkowej. W stanie spoczynku między
wnętrzem komórki a środowiskiem zewnątrzkomórkowym panuje
różnica potencjałów około -90mV
Wnętrze
komórki
Środowisko
zewnątrzkomórkowe
Neuron posiada ujemny potencjał spoczynkowy.
dodatnie
ujemne
Potencjał spoczynkowy polega na tym, że stężenie jonów potasu i chloru
( +K, - Cl ) jest większe wewnątrz, a sodu na zewnątrz neuronu ( + Na ).
Bierze się to stąd, że błona komórkowa w spoczynku jest o wiele mniej
przepuszczalna dla jonów sodu niż dla jonów potasu.
Przewodzenie impulsu
Pod wpływem bodźca następuje depolaryzacja błony, zwiększa się jej
przepuszczalność dla jonów sodu, które wpadają do środka. W chwili pojawienia
się potencjału czynnościowego, potencjał komórki staje się dodatni w stosunku
do środowiska pozakomórkowego, ponieważ w środku komórki jest teraz
nadmiar dodatnich ładunków elektrycznych.
Wnętrze
komórki
v
+
+
Na
+K
-
Cl
Środowisko
zewnątrzkomórkowe
-
Podczas powrotu błony do stanu normalnego tzw. „pompa sodowo-potasowa,” wypycha
sód i wsysa z powrotem potas
Wnętrze komórki
-
Środowisko
zewnątrzkomórkowe
+
Do wywołania depolaryzacji potrzebny jest tzw. bodziec progowy. Bodziec progowy
jest minimalnym bodźcem, jaki jest potrzebny do wywołania potencjału
czynnościowego. Każdy silniejszy bodziec (nadprogowy) również wywoła
depolaryzację, jednak żaden poniżej progowego nie pobudzi błony
Przebieg pobudzenia neuronu.
Fala depolaryzacji przesuwa się i przenosi
na dalsze odcinki. Po przejściu impulsu
błona komórkowa natychmiast się
repolaryzuje, czyli powraca do stanu
spoczynkowego.
Po krótkim okresie odnowy, czyli tzw.
okresie refrakcyjnym (bezwzględnej
niewrażliwości włókna na bodźce),
może znów powstać nowy przebieg
potencjału.
Cykl depolaryzacji i repolaryzacji trwa
około 1 milisekundy.
Obserwując z zewnątrz błonę komórkową
neuronu można stwierdzić że jest ona
naładowana dodatnio w stanie spoczynku
a impuls nerwowy jest spostrzegany jako
przemieszczający się obszar ładunku
ujemnego
.
Przewodzenie impulsu
Potencjał czynnościowy wędruje
wzdłuż neurytu aż do styku z
następnym neuronem tzw. synapsy.
Między synapsami jest szczelina.
Impuls jest przenoszony w sposób
ciągły mimo szczelin.
Jest to możliwe dzięki specjalnym
substancjom chemicznym tzw.
przekaźnikom lub mediatorom
uwalnianym przez zakończenia
nerwowe.
Do mediatorów zaliczamy m.in.
adrenalinę czy serotoninę
Metodologia badania mózgu
Techniki badania mózgu mogą być inwazyjne lub nieinwazyjne.
Metoda inwazyjna polega na wszczepieniu bezpośrednio do kory mózgowej
odpowiednio małych elektrod. Jakość otrzymanego sygnału jest wyższa ale pojawia się
ryzyko związane z operacja i ewentualną infekcja dlatego metodę tę stosuje się tylko w
szczególnych przypadkach - u osób sparaliżowanych.
Metody nieinwazyjne polegają na analizie fal mózgowych przez
czujniki zamontowane w specjalnej czapce lub hełmie na głowie
użytkownika.
Metody nieinwazyjne:
• fMRI : Funkcjonalne obrazowanie za pomocą rezonansu
magnetycznego
• EEG : Elektroencefalografia
• MEG : MagnetoEncefalografia
• fNIR : Funkcjonalne obrazowanie w podczerwieni
Elektroencefalografia
EEG - Elektroencefalografia - nieinwazyjna metoda diagnostyczna
służąca do badania bioelektrycznej czynności mózgu. Badanie polega na
odpowiednim rozmieszczeniu na powierzchni skóry czaszki elektrod
które rejestrują zmiany potencjału elektrycznego na powierzchni skóry,
pochodzące od aktywności neuronów kory mózgowej i po odpowiednim
ich wzmocnieniu tworzą z nich zapis – elektroencefalogram.
Pierwszy polski zapis EEG został
zarejestrowany przez Adolfa Becka,
który swoją pracę opublikował w 1890
r. Pierwsze badanie EEG na człowieku
przeprowadził Hans Berger, psychiatra z
Jeny ( 1925 r. ).
Hansa Bergera (1873-1941)
Adolf Beck (1863-1942)
W zapisie EEG wyróżnia się: fale (zasadnicza część składowa EEG, prosta,
krótkotrwała zmiana różnicy potencjałów), rytmy (wielokrotne powtórzenie
fali).
Nazwa
Amplituda [uV] Częstość [Hz]
Alfa
40 - 100
8 - 13
Beta
5 - 25
14 - 30
Theta
do 30
4-8
Delta
około 50
1-3
Kształt
Badanie EEG wykonuje się w warunkach spoczynkowych (bez dopływu
bodźców słuchowych, wzrokowych i dotykowych, czas trwania około
3-10 minut), a także po zastosowaniu bodźca (zapis aktywacyjny).
Rozmieszczenie elektrod w Systemie 10-20:
· cyfry nieparzyste - lewa półkula; cyfry parzyste - prawa półkula
· symbole elektrod pochodzą od pierwszych liter nazw łacińskich poszczególnych okolic
mózgu
· Z - oznacza linię środkową, międzypółkulową
- P - ciemieniowe
- Fp - przedczołowa (bieguny czołowe)
- O - potyliczne
- F - czołowe
- Fz - czołowa pośrodkowa
- C - centralne (środkowe)
- Cz - centralna pośrodkowa
- T - skroniowe
- Pz - ciemieniowa pośrodkowa
- T3 - środkowa
- Pg - elektrody nosowo - gardłowe
- T5 - tylnoskroniowa
- A - uszne
- Cb - móżdżkowe
V
sek
Źródła zakłóceń rejestracji sygnału EEG:
- Zjawiska fizyczne i chemiczne zachodzące pomiędzy skórą, elektrolitem a elektrodą
- Generatory czynności elektrycznej znajdujące się w ciele człowieka
- Pola elektryczne wytworzone przez znajdujące się w pobliżu urządzenia elektryczne
oraz sieć zasilającą
Wady i zalety EEG :
-świetna rozdzielczość czasowa
-słaba rozdzielczość przestrzenna
- przenośna aparatura pomiarowa
- relatywnie małe koszty
Magnetoencefalografia
Magnetoencefalografia (MEG) — technika obrazowania elektrycznej
czynności mózgu za pomocą rejestracji pola magnetycznego wytworzonego
przez mózg (sygnały te są bardzo małe – femtotesla [ fT ], czyli 10-15 (pole
magnetyczne Ziemi jest miliard razy większe).
Pierwszy pomiar MEG został wykonany przez fizyka Davida Cohena w 1968 r.
Sygnały są odbierane przez wysokoczułe mierniki pola
magnetycznego umieszczone w pobliżu czaszki badanego np.
typu SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)
ważący 8 ton
Co mierzy aparatura MEG ?
Płynące w neuronach prądy są źródłem pola magnetycznego.
Zgodnie z równaniami Maxwella ruch ładunków powoduje powstanie pola
magnetycznego prostopadłego do kierunku tego ruchu. Sygnały MEG (i EEG)
pochodzą od prądów jonowych płynących w drzewkach dendrytycznych neuronów w
czasie transmisji synaptycznej.
Kolorem szarym zaznaczono prądy
jonowe płynące wokół neuronu w
wyniku akcji synaptycznej. Strzałką
zaznaczono kierunek dipola prądowego
posiadającego prądowe źródło w
dendrytach i prądowy zlew w okolicy
ciała neuronu.
Idea pomiaru MEG
Pole magnetyczne powstające wokół dipola ma zwrot zgodny z regułą prawej
ręki i linie pola są okręgami o środku na osi dipola. Aby pole magnetyczne
miało mierzalne wartości potrzebna jest superpozycja dużej liczby
synchronicznie aktywnych dipoli neuronowych o z grubsza jednakowej
orientacji ( co najmniej 50 tys. )
Pole magnetyczne pochodzące od neuronów umieszczonych w bruzdach jest
prostopadłe do powierzchni głowy i daje większy wkład do sygnału MEG niż pole
pochodzące od neuronów umieszczonych w zakrętach.
MAGNETOENCEFALOGRAFIA
MEG pozwala na mapowanie mózgu w czasie rzeczywistym.
Reakcja na aktywność kciuka i małego palca
prawej ręki
A może by tak coś nowego…
Paweł Laskof
K. Łojek
S. Micek
R. Płaneta
M. Misiaszek
A. Sochocka
Z. Sosin
R. Zyss
Twierdzenie
Ramosygnał
– Shockley’a
W większości detektorów
promieniowania
generowany jest jako
impuls prądowy. Twierdzenie Ramo pozwala obliczyć prąd indukowany
przez ruch ładunków
Twierdzenie Ramo pozwala obliczyć prąd
indukowany przez ruch ładunków.
,i
M. idzik
 
(r )  v
•położenie
• r położenie
ładunku
ładunku
•położenie ładunku
Wyindukowany prąd jest proporcjonalny do prędkości ładunku i pola wagowego
 idt  Q  U 
Od teorii do realizacji …
Q
C
PA
i
elektroda

E
U(t)
t
elektroda X 64

v
q
Aparatura pomiarowa
laptop
przedwzmacniacz
ładunkowy
wzmacniacze
„PA”
i/lub
PA
i/lub
przetwornik
ADC-flash 1kHz
PA
i/lub
PA
akumulatory
zasilacze
X 64
Co moglibyśmy mierzyć:
- EEG
- EKG
-korelacje między EKG i EEG
- EMG ( elektromiografia)
Układ fizyczny symulujący fale mózgowe
R
C
in
-
+
L
Przedwzmacniacz
ładunkowy
PA
+
2 Hz
T=0,5 sek
L
T
g
2π
out
Dla pomiarów pola elektrycznego generowanego przez komórki
układu nerwowego zbudowaliśmy prototyp zmodyfikowanego
przedwzmacniacza ładunkowego (integratora) „PA”, który posiada
unikatowe własności:
- odporny na mogące pojawić się w wyniku elektryzowania wyższe
potencjały uszkadzające jego wejście
- konstrukcja przedwzmacniacza umożliwia minimalizację szumów
związaną z eliminacją opornika sprzężenia zwrotnego
- w proponowanym rozwiązaniu bezrezystywne rozładowanie pojemności
sprzężenia zwrotnego jest możliwe dla obu polarności indukowanych
ładunków
Porównanie metod obrazowania mózgu
Charakterystyki
EEG
MEG
„PA”
Rozdzielczość
czasowa
1 msek
1 msek
1 msek
Rozdzielczość
przestrzenna
1 cm
5 cm
????
Ograniczenia
• tylko kora
mózgowa
• trudna
interpretacja
• słaba
rozdzielczość
przestrzenna
• trudna
interpretacja
• trudna interpretacja
Zalety
• tania
• łatwa
• obejmuje
głębsze struktury
• tania
• łatwa
• mierzy sygnały
wolnozmienne nawet do
dziesiętnych Hz
• mierzy sygnały od ruchów
ładunków prostopadłych do
płaszczyzny elektrody
• obejmuje głębsze struktury
• bezkontaktowy pomiar
Co nasz czeka w najbliższej przyszłości…
- Modelowanie rozkładu pola elektrycznego dla określonego rozkładu elektrod –
program Garfield, rozwiązanie równań Poissona,
- Modelowanie ruchu ładunków w głowie,
- Teoretyczne wyliczenie prądów płynących w elektrodach zgodnie z
twierdzeniem Ramo-Schockley’a i porównanie wyników z eksperymentem
- Eksperymentalne pomiary prądów
Dziękuje za uwagę