Egzamin Egzamin pisemny z Sygnałów Bioelektrycznych odbędzie się w środę 8 maja o godz. 10.30 w sali P111. Na egzamin ustny będzie można się zapisać po egzaminie pisemnym.

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

Generatory rytmów EEG – wzgórze Wzgórze (Thalamus) i kora (Cortex) są pod kontrolą różnych układów modulujących m.in. cholinergicznego (ACh), noradrenergicznego (NE), serotoninergicznego (5-HT), histaminergicznego (HA).

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 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 Obupółkulowy rytm mu widoczny u tego samego pacjenta. 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.

Alpha - generatory Generatory rytmu alpha znajdują się w korze. 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. Wskazuje to na warstwę dipolową w tym obszarze, będącą źródłem sygnału. B. Analiza koherencji cząstkowych. Grubość linii wskazuje na wpływ sygnału z zewnątrz na koherencję pomiędzy dwoma sygnałami korowymi w obszarze zacieniowanym. Koherencje wewnątrz-korowe są tylko częściowo zależne od wzgórza. Wniosek: Mechanizmy wewnątrz-korowe pełnią ważna rolę w rozchodzeniu się sygnałów alpha.

Warstwa dipolowa i odwrócenie fazy Zmiana fazy wraz z przemieszczeniem poziomym, świadczy o dipolu poziomym. Zmiana fazy wraz z głębokością, świadczy o dipolu pionowym czyli poziomej warstwie dipolowej.

Alpha - generatory A. Multielektroda z 14 kontaktami. B 200 msec zapisu sygnału.alpha. C. Analiza gęstości źródłowej prądu (CSD). Kolor czerwony – zlew, niebieski – źródło. D. Profile widmowe. E. Koherencja CSD – potencjały czynnościowe (MUA). Odwrócenie fazy pomiędzy kontaktami 6 – 4 świadczy o warstwie dipolowej bedącej źródłem sygnału. Z: Anil Bollimunta, Yonghong Chen, Charles E. Schroeder, and Mingzhou Ding. Neuronal Mechanisms of Cortical Alpha Oscillations in Awake-Behaving Macaques, The Journal of Neuroscience, 2008.

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 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 (3 dolne zapisy) w zależności od prędkości ruchu psa (2 górne zapisy). amplituda szerokość maksimum

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

Kodowanie – precesja fazy w komórkach miejsca hipokampa Komórki miejsca hipokampa (ang. place cells), kodują położenie przestrzenne. Kodem jest faza potencjału czynnościowego względem rytmu theta. 180o Podczas przemieszczania się szczura, faza potencjału czynnościowego względem rytmu theta zmienia się w sposób ciągły. 0o 360o Mehta MR, Lee AK, Wilson MA. 2002. Role of experience and oscillations in transforming a rate code into a temporal code. Nature 417:741–746. O’Keefe J, Recce ML. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus 1993;3:317–30.

Kodowanie – precesja fazy w komórkach miejsca hipokampa Zapis z 7 komórek miejsca w hipokampie szczura. Szczur przebiegł tor w kształcie trójkąta kilkaset razy, zatrzymując się w środku odcinków, na jedzenie. Czarne kropki oznaczają pozycje głowy szczura. Kolorami oznaczono potencjały czynnościowe komórek, dla każdej komórki użyto innego koloru. Z: Skaggs WE, McNaughton BL (1996). "Replay of neuronal firing sequences in rat hippocampus during sleep following spatial experience". Science 271 (5257):

Kodowanie u człowieka Wzrost mocy rytmu theta podczas nawigacji w długim labiryncie. Kahana MJ, Sekuler R, Caplan JB, Kirschen M, Madsen JR: Human theta oscillations exhibit task dependence during virtual maze navigation. Nature 1999, 399:781-784.

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 kolejność zdarzeń.

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 beta/gamma – generatory in vitro Rytm gamma generowany w obwodzie IN – PN. Zanika po podaniu blokera receptora AMPA (NBQX) i blokera receptora GABA (bicuculine) Rytm gamma jest generowany w obwodzie IN – IN. Nie zanika po podaniu blokera receptora AMPA (GYKI) lecz zanika po podaniu blokera receptora GABA (bicuculine)

Rytm beta/gamma – generatory in vivo PN IN PN W wyniku manipulacji genetycznej można stworzyć kanały jonowe wrażliwe na światło. Aktywacja świetlna komórek IN (FS) w zakresie 2 – 200 Hz prowadzi do wzmocnienia sygnałów o częstości gamma. Ta sama aktywacja komórek PN (RS), prowadzi do wzmocnienia sygnałów o niskich częstościach. Wniosek: rytm gamma in vivo jest generowany w sieci IN-IN.

Rytm gamma w procesach uwagi

Problem scalania (binding problem) W jaki sposób mózg buduje jednolity percept (spójne wrażenie wzrokowe) z niezależnie przetwarzanych atrybutów bodźca?

Rytm gamma i problem scalania (binding problem) teoria: synchronizacja aktywności rozproszonych obszarów kory ‘łączy’ neurony ze sobą (von der Malsburg, 1986) neurony reprezentujące różne własności obiektu, odpalają w tym samym cyklu oscylacji gamma. Różne grupy komórek odpalające w różnych cyklach reprezentują różne obiekty. Dekodowanie pojedynczych obiektów może się odbywać poprzez detektory koincydencji. potwierdzenie doświadczalne: przestrzennie odległe kolumny w korze wzrokowej synchronizują aktywność w paśmie gamma (~ 40 Hz) w odpowiedzi na bodziec (Gray , Konig, Engel, Singer, 1989). Zapisy potencjałów czynnościowych z 10 komórek oraz (na dole) aktywność populacji w częstość 40 Hz. Trzy nakładające się subpopulacje (A-C) kodują trzy obiekty poprzez synchronizacje odpalania, Z: W Singer. Neuronal Synchrony: A Versatile Code Review for the Definition of Relations? Neuron, Vol. 24, 49–65,, 1999.

Problem scalania (binding problem) Przykład: Tworzenie perceptu trójkąta. A. Iluzoryczny lub rzeczywisty trójkąt wywołuje aktywność w paśmie gamma ok. 280 ms. B. Brak spójnego bodźca nie wywołuje wzmożonej aktywności w paśmie gamma. Z: Tallon-Baudry C, Bertrand O, Delpuech C, Pernier J. Stimulus specificity of phase-locked and non-phase-locked 40 Hz visual responses in human. J Neurosci. 1996;16(13):4240-9.

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

Kodowanie theta/gamma coding – model pamięci operacyjnej Każdy cykl rytmu theta cycle może być podzielony na 7 cykli rytmu gamma. W kazdym cyklu gamma ‘pracuje’ grupa komórek kodując jeden obiekt. Nałozenie aktywności gamma na aktywność theta daje możliwość kodowania kolejności obiektów. Lisman J, The Theta/Gamma Discrete Phase Code Occuring During the Hippocampal Phase Precession May be a More General Brain Coding Scheme. HIPPOCAMPUS 15:913–922 (2005)

High-gamma Sygnały o częstościach 60-200 Hz są mierzone w korze mózgowej podczas jej aktywacji. Podczas nacisniecia guzika, w korowym obszarze ręki pojawia się aktywność 70-200 Hz w sygnale ECoG. From: NE Crone, A Sinai and A Korzeniewska, High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography. Progress in Brain Research, Vol. 159, 2006. Odpowiedzi high-gamma są obserwowane u człowieka w EEG, MEG, ECoG i w śródczaszkowych zapisach w wielu układach np. słuchowym, wzrokowym, ruchowym i w ośrodkach mowy.

High-gamma w zapisach śródczaszkowych Time (s) 0.25 200 Generacja mowy Słuchanie Układ elektrod Analiza czas – częstość sygnałów z tej samej elektrody obszaru mowy podczas generacji mowy i słuchania. Widoczne zmiany mocy 60 – 200 Hz w przedziale 0–250 ms. From: Dana Boatman-Reich, Piotr J. Franaszczuk, Anna Korzeniewska, Brian Caffo, Eva K. Ritzl, Sarah Colwell, and Nathan E. Crone. Quantifying auditory event-related responses in multichannel human intracranial recordings. FRONTIERS COMPUTATIONAL NEUROSCIENCE, 19 March 2010

High-gamma w LFP Non-active waking REM SWS Średnie widma LFP w trzech fazach aktywnosci w jądrze półleżacym szczura. From: Hunt MJ, Matulewicz P, Gottesmann C, Kasicki S. State-dependent changes in high-frequency oscillations recorded in the rat nucleus accumbens. Neuroscience. 2009;164(2):380-6.

Hippocampal ripples electrode 1 - CA1 pyramidal layer wide-band filtered 500 – 10 kHz (unit activity) filtered 100 – 400 Hz (LFP) electrode 2 - striatum radiatum filtered 1 – 50 Hz Szybkie oscylacje w hipokampie występują równocześnie z potencjalami czynnosciowymi i falami ostrymi. From: Buzsáki G, Horváth Z, Urioste R, Hetke J, Wise K. High-frequency network oscillation in the hippocampus. Science. 1992; 256(5059):1025-7.

Ripples, fast ripples and their µEEG correlates. Ripples, fast ripples and their µEEG correlates. (A) Fast ripple correlating with a macrodischarge. Left panel: Data from a 350 ms time slice filtered to produce four views: µEEG with high frequencies preserved (2–500 Hz), ripple (R) (100–200 Hz), fast ripple (FR) (200–500 Hz), and MUA (800 Hz to 3 kHz). Below is a time-frequency plot (100–500 Hz) computed using the Morlet wavelet transform. Right panel: Two seconds of 2–50 Hz µEEG from the surrounding MEA channels (enclosed box in the MEA schematic), organized by row (top to bottom) and column (channel groups, left to right). The HFO channel is indicated by the heavy black trace; with the detection at the vertical grey line. Note the timing of the fast ripple after the µEEG discharge peak. The increase in MUA amplitude coincides with the fast ripple but not the preceding ripple oscillation or the discharge peak. This timing pattern of the fast ripple, MUA and discharge peak was typical of many macrodischarge-associated HFO detections. (B) Ripple with peak frequency at 200 Hz correlating with a microdischarge. In contrast to the macrodischarge shown in (A), the field of the µEEG waveform (right panel) is limited. The relative prominence of ripple activity and the occurrence of the HFO with the discharge peak were typical of HFOs associated with microdischarges. Schevon C A et al. Brain 2009;132:3047-3059 © The Author(s) 2009. Published by Oxford University Press on behalf of Brain.