Pionierzy badań nad bioelektrycznością

Wśród metod badawczych neurofizjologii, elektroencefalogram (EEG) wyróżnia się najdłuższą
historią zastosowań klinicznych, najniższym kosztem, całkowitą nieinwazyjnością i najwyższą
rozdzielczością czasową. Dwie ostatnie cechy wykazuje również magnetoencefalografia
(magnetoencephalography MEG), oparta na zapisie pól magnetycznych generowanych przez płynące
w mózgu prądy. Jednak ich zapis wymaga stosowania drogiej i nieprzenośnej aparatury (zob. rozdział
Fizyczne i techniczne aspekty rejestracji sygnałów bioelektrycznych), więc na razie skoncentrujemy
się na EEG. Aby zrozumieć stan aktualny zaczniemy od historii.
Luigi Galvani
(1737-1798)
Pionierzy badań nad bioelektrycznością
Początki badania bioelektryczności sięgają okresu jedności nauk przyrodniczych. W roku 1786 Luigi
Galvani (rys. 1) wykonał słynne doświadczenie: wykazał, że jednoczesne dotknięcie mięśnia
wypreparowanej kończyny żaby dwoma (połączonymi ze sobą) różnymi metalami wywołuje skurcz.
Mimo błędnej interpretacji, doświadczenie to wpłynęło stymulująco na badania elektryczności —
prawidłową interpretację podał Alessandro Volta w roku 1796. Minęło 50 lat, nim do istoty
„elektryczności zwierzęcej” zbliżył się Du Bois-Reymond, wykazując w roku 1848, że aktywności w
nerwie obwodowym towarzyszy niezmiennie zmiana potencjału na jego powierzchni.
Richard Caton
(1842-1926)
Pierwszy opis czynności elektrycznej mózgu pojawił się w roku 1875 w sprawozdaniu z grantu
przyznanego przez British Medical Association (Brazier 1961). Richard Caton (rys. 2) wykazał
korelację między prostymi czynnościami (ruch głową, przeżuwanie) a zmianą potencjału w
odpowiednich obszarach kory mózgowej kotów i królików. Zawarte w raporcie zdanie feeble currents
of varying directions pass through the multiplier when the electrodes are placed on two points of
external surface... stanowiło ponadto pierwszy opis elektroencefalogramu. Jednak publikacje Catona
w czasopiśmie czysto medycznym przeszły nie zauważone.
Adolf Beck
(1863-1942) w szatach
rektora Uniwersytetu we
Lwowie (portret pędzla S.
Batowskiego, 1934)
Napoleon Nikodem Cybulsk
i (1854-1919)
W roku 1886 23-letni Adolf Beck (rys. 3) rozpoczął pracę na wydziale fizjologii Uniwersytetu
Jagiellońskiego w Krakowie pod kierunkiem profesora Cybulskiego (rys. 4). W roku 1890 obronił
rozprawę doktorską Oznaczenie lokalizacyi w mózgu i rdzeniu za pomocą zjawisk elektrycznych
(Beck 1891). Podobnie jak inni, zajmujący się podówczas podobną tematyką, nie wiedział o
wcześniejszych pracach Catona. Jednak rozprawa jego stanowiła znacznie głębsze studium problemu
lokalizacji funkcji sensorycznych w mózgu jak i samego elektroencefalogramu (odkrył m. in. jego
desynchronizację w odpowiedzi na bodźce). Wyniki te opublikował w najszerzej podówczas czytanym
piśmie fizjologicznym — Centerblatt für Physiologie (Beck 1890). Jego krótki artykuł rozpętał burzę
pretensji do palmy pierwszeństwa — m. in. Ernest Fleischl von Marxow dowodził, że obserwacje
czynności elektrycznej mózgu spisał wcześniej w liście złożonym w... sejfie Cesarskiej Akademii
Nauk w Wiedniu (był to pono zwyczaj podówczas nierzadki na niektórych uniwersytetach Europy).
Beck odpowiedział skromnie, że technikę badania potencjałów nerwów i konstrukcję elektrod
opracował Du Bois-Reymond, więc zastosowanie znanej techniki do rozwiązania nowego problemu
nie zasługuje na miano odkrycia. Stwierdził ponadto, że motywem podjęcia tych eksperymentów był
konkurs ogłoszony w październiku 1888 przez prof. Cybulskiego, który jest w związku z tym autorem
idei. Dyskusję uciął Caton, cytując wspomniane powyżej sprawozdanie.
Głównym celem opisywanych wyżej badań było wykorzystanie elektrofizjologii do lokalizacji funkcji
w mózgu. Wróćmy jednak do „ubocznego” ich efektu, czyli elektroencefalogramu, dla którego Beck
zaproponował nazwę aktywny prąd niezależny, w odróżnieniu od prądów wywołanych stymulacją.
Ogromne postępy w zakresie jego badania i interpretacji poczynił wspomniany już profesor Napoleon
Nikodem Cybulski, choć wieloletni brak funduszy na sprzęt fotograficzny odebrał mu szansę na
pierwszeństwo w opublikowaniu zdjęcia zapisu czynności elektrycznej mózgu.
Jak widać z tej historii, również w dziedzinie badań czynności elektrycznej mózgu stoimy na
ramionach gigantów. Można też z niej wyciągnąć inne wnioski, niezmienne od lat: choć wiemy, że
wyniki należy publikować w dobrych czasopismach o zasięgu międzynarodowym, to poziom
finansowania nauki w Polsce czasem stawia nas na przegranej pozycji.
Aktywny Prąd Niezależny
Potencjały mózgowe mierzone z powierzchni skóry czaszki są zaledwie rzędu mikrowoltów, dlatego
opisane w poprzednim podrozdziale eksperymenty prowadzono na odsłoniętych mózgach zwierząt,
gdzie sygnał — mierzony w bezpośredniej bliskości źródeł, nie oddzielonych od elektrod płynem
owodniowym, czaszką i skórą — był wystarczająco silny dla ówczesnych galwanometrów. Pierwszy
zapis elektroencefalogramu człowieka (z powierzchni czaszki swego syna) uzyskał w roku 1925 Hans
Berger, jednak wyniki trzymał w tajemnicy aż do skompletowania bogatego materiału, który
opublikował w 1929 w artykule Über das Elektroenkephalogramm des Menschen (Berger 1929).
Artykuł ten stanowi dziś klasykę elektroencefalografii klinicznej, rozpoczął również serię corocznych
(do 1938) publikacji Bergera o niemal jednobrzmiących tytułach. Berger potwierdził występowanie w
mózgu człowieka większości efektów opisywanych u zwierząt, odrzucił jednak zaproponowaną przez
Włodzimierza Włodzimierzowicza Prawdzicz-Niemińskiego (który pierwszy opublikował w 1912
zdjęcie elektroencefalogramu) nazwę elektrocerebrogram jako barbarzyński zlepek greki i łaciny.
Współczesny program do wyświetlania i
analizy wielokanałowych zapisów EEG. W
aktywnym oknie widoczne widmo
zaznaczonego fragmentu sygnału. System
rozwijany w Uniwersytecie Warszawskim,
dostępny na licencji GNU z
http://braintech.pl/svarog
Okienko edycji montażu w programie
Svarog.pl. Widoczne ustawienia
odpowiadają montażowi bipolarnemu
W dniu dzisiejszym technologia zapisu EEG wykorzystuje doskonałe, specjalizowane elektroniczne
mikrowoltomierze różnicowe, czyli elektroencefalografy. Zapewnia też wystarczające próbkowanie w
czasie i przestrzeni: nawet tysiące Hz i 130 obserwowanych jednocześnie odprowadzeń (elektrod).
Wiele do zrobienia pozostaje natomiast w dziedzinie analizy i interpretacji otrzymanych w ten sposób
danych; na przykład w klinicznych zastosowaniach EEG postęp ostatnich dziesięcioleci EEG
podsumować można wręcz jako przejście od analizy wzrokowej zapisów EEG na papierze do analizy
wzrokowej EEG wyświetlanego na ekranie komputera — pomimo ogromnego rozwoju matematyki i
informatyki podstawową metodą jest tu wciąż analiza wzrokowa (Nuwer 1997).
Jednym z usprawnień wprowadzonych przez cyfrową rejestrację EEG jest łatwa możliwość zmiany
referencji (tzw. montażu) wyświetlanego sygnału. Dane rejestrowane są zwykle w postaci różnicy
potencjałów między daną elektrodą a elektrodą odniesienia, jednak często wygodniej jest wyświetlać
różnice potencjałów między wybranymi elektrodami (rys. 6).
EEG i MEG, czyli elektro- a magnetoencefalografia
Magnetoencefalografia jest techniką pozwalającą na pomiary pól magnetycznych indukowanych
przez zmienne prądy płynące w mózgu. Pola magnetyczne generowane przez neurony są niezwykle
małe rzędu 10-103 fT — rzędy wielkości mniejsze niż szum magnetyczny pochodzący ze środowiska
(rzędu
fT). Do ich pomiaru wykorzystuje się niezwykle czułe sensory — nadprzewodzące
interferometry kwantowe (ang. superconducting quantum interference devices (SQUIDs)). Zasadę
działania aparatury MEG i jej zastosowania są opisane w rozdziale Magnetoencefalografia.
MEG i EEG mierzą ślady tych samych procesów elektrycznych zachodzących w mózgu. Jednak
propagacja pola magnetycznego jest znacznie mniej zakłócana przez zmienne własności ośrodków
pomiędzy źródłami (przybliżanymi zwykle modelem dipola prądowego) a czujnikami. Można
powiedzieć, że granice tkanek, czaszki, skóry i powietrza, wpływające bardzo mocno na pole
elektryczne, są dla pola magnetycznego przezroczyste. O ile w EEG widać aktywność wszystkich
odpowiednio silnych źródeł, to MEG wykazuje tylko wkłady od źródeł dipolowych zorientowanych
prostopadle do promienia kuli przybliżającej głowę.
Z dokładnością do powyższych różnic, struktury widoczne w sygnałach EEG i MEG są zwykle dość
podobne. Dlatego również metody analizy obu tych sygnałów są praktycznie jednakowe, za
wyjątkiem metod lokalizacji przestrzennej źródeł, opisanych w części Problem odwrotny w elektro- i
magnetoencefalografii, w rozdziale Metody analizy sygnałów EEG - przykłady[1].
Literatura
Beck, A. Die Stroeme der Nervencentren. Centerblatt fuer Physiologie, 4: 572-573, 1890.
Beck, A. Oznaczenie lokalizacyi w mózgu i rdzeniu za pomoca zjawisk elektrycznych. W Rozpr. Wydz.
mat.-przyr., numer I w Seria II: 186-232. Polska Akad. Um., 1891. Przedstawiono 20 października
1890.
Berger, H. Uber das Elektrenkephalogramm des Menschen. Arch. f. Psychiat., 87: 527-570, 1929.
Brazier, M. A. B. A History of the Electrical Activity of the Brain, The First Half-Century. Pitman
Medical Publishing, 39 Parker Street, London W.C. 2, 1961.
Nuwer, M. Assessment of digital EEG, quantitative EEG, and EEG brain mapping: report of the
American Academy of Neurology and the American Clinical Neurophysiology Society. Neurology, 49:
277-292, 1997.