Metody badania aktywności mózgu

Anna Sochocka19. 01. 2011

Zakład Technologii Gier

Plan seminarium:

1. Mózg• Budowa mózgu• Podstawowe cechy mózgu: potencjał spoczynkowy i czynnościowy2. 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.

A_Tobie_w_ktora_strone_sie_kreci — skrót.lnk

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.

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.

ujemne

dodatnie

Przewodzenie impulsuPod 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.

Podczas powrotu błony do stanu normalnego tzw. „pompa sodowo-potasowa,” wypycha sód i wsysa z powrotem potas

Wnętrze komórki

Środowisko zewnątrzkomórkowe

Wnętrze komórki

Środowisko zewnątrzkomórkowe

+ Na

+K - Cl

v+

-

-

+

Przebieg pobudzenia neuronu.

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

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

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

Potencjał czynnościowy wędruje wzdłuż neurytu aż do styku z następnym neuronem tzw. synapsy.

Metodologia badania mózguTechniki 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. ).

Adolf Beck (1863-1942)

Hansa Bergera (1873-1941)

W zapisie EEG wyróżnia się: fale (zasadnicza część składowa EEG, prosta, krótkotrwała zmiana różnicy potencjałów), rytmy (wielokrotne powtórzenie fali).

Nazwa Amplituda [uV] Częstość [Hz] Kształt

Alfa 40 - 100 8 - 13

Beta 5 - 25 14 - 30

Theta do 30 4 - 8

Delta około 50 1 - 3

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 - Fp - przedczołowa (bieguny czołowe) - F - czołowe - C - centralne (środkowe) - T - skroniowe - T3 - środkowa - T5 - tylnoskroniowa

- P - ciemieniowe - O - potyliczne - Fz - czołowa pośrodkowa - Cz - centralna pośrodkowa - Pz - ciemieniowa pośrodkowa - Pg - elektrody nosowo - gardłowe - A - uszne - Cb - móżdżkowe

sek

V

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

MagnetoencefalografiaMagnetoencefalografia (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).

Sygnały są odbierane przez wysokoczułe mierniki pola magnetycznego umieszczone w pobliżu czaszki badanego np. typu SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) ważący 8 ton

Pierwszy pomiar MEG został wykonany przez fizyka Davida Cohena w 1968 r.

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 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.

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. )

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. ŁojekS. MicekR. PłanetaM. MisiaszekA. Sochocka Z. SosinR. Zyss

W większości detektorów promieniowania sygnał generowany jest jako impuls prądowy. Twierdzenie Ramo pozwala obliczyć prąd indukowany przez ruch ładunków

M. idzik

Twierdzenie Ramo – Shockley’a

Twierdzenie Ramo pozwala obliczyć prąd indukowany przez ruch ładunków.

,i

)(r v

•położenie ładunku

•położenie ładunku

• położenie ładunkur

Wyindukowany prąd jest proporcjonalny do prędkości ładunku i pola wagowego

E

elektroda

v

PA

t

U(t)

elektroda X 64

Od teorii do realizacji …CQUQidt

q

i

wzmacniacze„PA”

przetwornik ADC-flash 1kHz

akumulatoryzasilacze

PA X 64

Aparatura pomiarowa

przedwzmacniacz ładunkowy

i/lub

i/lub

PA

PA

i/lub

laptop

Co moglibyśmy mierzyć:

- EEG- EKG-korelacje między EKG i EEG

- EMG ( elektromiografia)

Układ fizyczny symulujący fale mózgowe

+

2 Hz

Przedwzmacniacz ładunkowy

PA

L

g2πTL

T=0,5 sek

out

+

R

in

C

-

Dla pomiarów pola elektrycznego generowanego przez komórki układu nerwowego zbudowaliśmy prototyp zmodyfikowanegoprzedwzmacniacza ładunkowego (integratora) „PA”, który posiada unikatowe własności:

- odporny na mogące pojawić się w wyniku elektryzowania wyższe potencjały uszkadzające jego wejście

- konstrukcja przedwzmacniacza umożliwia minimalizację szumówzwiązaną z eliminacją opornika sprzężenia zwrotnego

- w proponowanym rozwiązaniu bezrezystywne rozładowanie pojemnościsprzężenia zwrotnego jest możliwe dla obu polarności indukowanychładunków

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

Porównanie metod obrazowania mózgu

- 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

Co nasz czeka w najbliższej przyszłości…

Dziękuje za uwagę