Электроэнцефалография

Электроэнцефалография – нейрофизиологическое измерение электрической активности в мозге. Это измерение проводят, располагая регистрирующие электроды либо на поверхности головы, либо непосредственно на поверхности коры мозга. Записываемая таким образом активность была впервые названа электроэнцефалограммой (ЭЭГ) немецким психиатром Хансом Бергером. До него работы по ЭЭГ технологиям были выполнены Ричардом Катоном и Владимиром Владимировичем Правдич-Неминским. Сегодня ЭЭГ применяют в клинических обследованиях для выявления мозговых повреждений, эпилепсии и других мозговых расстройств.
Амплитуда ЭЭГ бодрствующих и здоровых испытуемых имеет разброс от нескольких мкВ до примерно 75 мкВ. ЭЭГ сигнал, по существу, формируется градуированными постсинаптическими потенциалами, возникающими в телах нейронов и больших дендритах. Пирамидные нейроны корковых слоев III-V вносят основной вклад в сигнал, и активность этих нейронов синхронизируется ритмическими разрядами таламических ядер. От степени синхронизации корковой активности зависит амплитуда ЭЭГ. Неудивительно, что большая часть сигнала, зарегистрированного в ЭЭГ, исходит из внешних слоев коры, расположенных рядом с электродом, а также складчатое строение коры вносит больший вклад в электрическую суммацию сигнала, нежели во взаимопогашение. ЭЭГ, зарегистрированная с поверхности черепа, представляет собой пассивное проведение токов, вызванных суммацией активности большого скопления нейронов.
Локальная десинхронизация в ЭЭГ является результатом увеличения взаимодействия в подгруппе нейронов, вовлеченных в «совместную работу», и выражается в понижении амплитуды сигнала. Таким образом, по нативной записи ЭЭГ, даже нетренированным глазом, можно определить уровень синхронизации.
Профессиональный взгляд также способен выделить патологические паттерны, присущие таким состояниям, как эпилепсия. В нативной записи ЭЭГ можно выделить основные различия в нормальной и патологической активности мозга. Нативная запись ЭЭГ во время разных состояний. Запись ЭЭГ здорового и бодрствующего испытуемого, на которой можно выявить разные низкоамплитудные и высокочастотные ритмы активации, отражающие стремительные взаимодействия между группами нейронов.
При засыпании мозг может находиться на разных уровнях сна, от сна с быстрыми движениями глаз (БДГ-сон) до стадии глубокого сна. Стадия глубокого сна характеризуется высокоамплитудными и низкочастотными колебаниями, которые свидетельствуют о снижении взаимодействия между областями мозга. И наконец, эпилептические припадки на ЭЭГ отображаются как высокоамплитудными, так и относительно высокочастотными паттернами, во всех регистрируемых отведениях. Это указывает на то, что большая часть мозга оказывается вовлеченной в припадок. Такой паттерн активности служит указанием областей, вовлеченных во взаимную петлю активации, которая, в конечном итоге, приводит к хаосу и неинформативным процессам в мозге.
В общем, мы можем рассматривать записи ЭЭГ двумя способами.
Во-первых, спонтанная активность – активность, которая протекает постоянно у живых индивидуумов и регистрируется с поверхности черепа или непосредственно с коры. Измерения таких сигналов называют энцефалограммой, которая является результатом измерения электрических сигналов в определенном временном окне, но без учета дополнительных временных факторов. Амплитуда ЭЭГ составляет около 100 мкВ, если регистрируется от поверхности черепа, и равна около 1-2 мВ при измерении от поверхности коры (внутричерепная регистрация). Диапазон частот сигнала составляет от значений меньше 1 Гц примерно до 50 Гц. Сегодня ЭЭГ интенсивно применяют в клинике, особенно для выявления эпилепсии, но с недавнего времени интерес к этой методике возрастает в связи с комбинацией ЭЭГ с другими методами визуализации, имеющими более высокую пространственную разрешающую способность.
Вторым способом обработки ЭЭГ записи является выделение вызванных потенциалов (ВП) и связанных с событием потенциалов (ССП), т. е. компонентов ЭЭГ, которые возникают в ответ на стимул (например, слуховой, соматосенсорный или зрительный вход).
Эти ответы, как правило, находятся ниже уровня шума и, их обычно невозможно выделить в нативной записи ЭЭГ.
Для того чтобы увидеть эффекты от стимулов, необходимо предъявить один стимул несколько раз, а затем усреднить ответную активность по этим эпохам. Таким образом, сигналы, зарегистрированные с момента предъявления стимулов, группируются в одну категорию. Усреднение электрических сигналов по времени нивелирует спонтанные флуктуации в ЭЭГ, и становится возможным выявить и отобразить ответный сигнал во временном окне, свойственном всем предъявлениям стимула. Так, для зрительных стимулов мы можем выделить несколько волн увеличения и уменьшений интенсивности сигнала. Каждый компонент на сегодняшний день идентифицирован как значимый коррелят когнитивных процессов. Например, при регистрации ЭЭГ у читающего слова испытуемого можно выявить ранние компоненты, отражающие ранние процессы обработки зрительной информации и процессы привлечения внимания, и поздний пик после 400 мс, который отражает обработку семантической информации. Этот компонент называется Р400, где Р – позитивная волна сигнала.
Нативная ЭЭГ и два способа ее обработки.
 Расположение регистрирующих электродов на определенных точках черепа согласно специальной системе.
Запись с каждого электрода, или отведения, может быть представлена в виде отдельных кривых линий во времени, которые и формируют нативную запись ЭЭГ. События, как предъявление слуховых стимулов, могут быть наложены на временную ось, что дает представление о динамике ЭЭГ, а также служит для усреднения данных. Анализ ССП выполнен при помощи усреднения нативных записей ЭЭГ относительно момента предъявления стимулов. При усреднении спонтанная активность взаимно уничтожается, в то время как изменения сигнала в ответ на предъявление стимулов будут видимы. Таким образом, можно выделить несколько компонентов. Они включают ранние позитивные и негативные волны, которые отражают процессы активации подкорковых структур (например, ствола мозга), и поздние волны, которые вовлечены в более сложные, когнитивные процессы. И наконец, современные разработки позволяют одновременно анализировать данные о частотных характеристиках ЭЭГ и пространственной локализации таких компонентов. Топография распределения спектра мощности ЭЭГ при спокойном бодрствовании. Тета-активность регистрируется по средней линии в лобных отделах с максимальной мощностью в FCz отведении. Альфа-активность распределена по средней линии в теменно-затылочной области с максимумом в точке Р08. Альфа-активность локализуется в затылочной области с максимумом, зарегистрированным в отведении Р04. Бета-активность широко распространена по поверхности головы, но можно выделить максимум в отведении FCz. Гамма-активность локализуется билатерально в височных областях с максимумом в точке FFT7h. Метод ССП демонстрирует, как можно идентифицировать определенные паттерны активации в мозге на основании изменений во времени интенсивности сигнала. Несмотря на то что метод ЭЭГ обладает высокой временной разрешающей способностью, но очень низким пространственным разрешением, непрекращающееся совершенствование технологий значительно улучшило пространственную разрешающую способность этого метода. Сегодня ЭЭГ регистрируют, размещая сотни электродов на поверхности черепа, и обычно используют для этого специальную шапочку с электродами. Таким образом, метод исследования с регистрацией ВП/ССП может предоставить значимую информацию как о временных параметрах, так и, в настоящее время, о точной локализации активности, вызванной мыслительными процессами.
Не всегда регистрацию ЭЭГ проводят с поверхности черепа.В некоторых случаях возможно также регистрировать электрические параметры напрямую от мозга.
Существуют в основном два способа для этого: размещение внутричерепной сетки электродов на часть поверхности мозга или погружение глубинных электродов в мозг. Оба способа инвазивны и проводятся только на людях как часть клинического обследования, обычно для поиска эпилептического очага при планировании операции. Для проведения операции хирургам необходимо знать не только источник эпилептического припадка, но также локализацию важных когнитивных функций. Если возможно, то хирурги избегают удаления мозговой ткани, которая вовлечена в выполнение когнитивных функций как память или речь. Следовательно, пациент должен находиться в бодрствующем состоянии при проведении исследований для того, чтобы выполнять разные когнитивные задания и сообщать о каких-либо изменениях, происходящих во время обследования. Во время имплантации электродов ученым иногда позволяют в течение ограниченного времени провести несколько тестов с такими пациентами. В исследовании с глубинными электродами на людях зарегистрирован ответ единичных нейронов в медиальной височной коре при предъявлении пациентам изображений лиц и объектов. Поразительно, но подгруппа нейронов селективно отвечала на предъявление сильно отличающихся изображений определенных знаменитых людей, объектов природы и других объектов. Это открытие демонстрирует существование инвариантного, разбросанного и детального нейронного кода, который может быть важен для перевода зрительных образов в память. В то время как глубинные электроды вживлены в мозг, можно перенаправить электрический поток и стимулировать некоторые области мозга. Таким образом, можно грубо активировать высокоспецифичную область мозга. С использованием этого метода были обнаружены различия в субъективном отчете испытуемых при стимуляции гиппокампа или прилегающей к нему области периринальной коры, областей медиальной височной коры. При стимуляции гиппокампа пациенты сообщали развернутые эпизодические воспоминания с подробными деталями со сценическим и эпизодическим содержанием. При стимуляции же периринальной коры пациенты сообщали воспоминания об определенном объекте, а после рассказывали развернутые эпизодические воспоминания. В то время как данное исследование ограничено только двумя областями экспериментальной стимуляции, и эти результаты должны быть интерпретированы с большой осторожностью, данное открытие указывает на то, что разные области в пределах медиальной височной коры играют разную роль в процессах запоминания и воспроизведения памяти. Вероятно, гиппокамп вовлечен в процессы воспроизведения целых эпизодических воспоминаний, тогда как периринальная кора более ответственна за память об определенных объектах. В общем, ЭЭГ представляет целый набор различных способов регистрации (и стимуляции), каждый из которых вносит значительный вклад в изучение взаимосвязи мозга и разума. С высоким временным разрешением ЭЭГ дает важную информацию, которую можно совместить с результатами других методов визуализации, которые обладают высокой пространственной разрешающей способностью.