Zakład Technologii Gier Metody badania aktywności mózgu Anna Sochocka 19. 01. 2011 Zakład Technologii Gier

Plan seminarium: Mózg Budowa mózgu Podstawowe cechy mózgu: potencjał spoczynkowy i czynnościowy 2. 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 Środowisko zewnątrzkomórkowe Wnętrze komórki

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. + Na Wnętrze komórki v + +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 +

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 Warunkiem zaistnienia przewodzenia impulsu nerwowego w aksonie jest odebranie bodźca wystarczająco silnego. Jeśli bodziec będzie słaby czyli podprogowy to wywoła on jedynie lokalną zmianę potencjału na skutek zwiększenia przepuszczalności kanałów jonowych Na+. Bodziec wystarczająco silny wywoła potencjał czynnościowy czyli takie zaburzenie potencjału spoczynkowego neuronu, które spowoduje przewodzenie tego zaburzenia wzdłuż aksonu. Depolaryzacja błony o około 15mV nie powoduje powstania impulsu nerwowego, jest to pobudzenie podprogowe. Silniejsza depolaryzacja spowoduje otwarcie kanałów Na+ i dostanie się jonów Na+ do wnętrza komórki a tym samym całkowitą depolaryzację a nawet chwilową odwrotną polaryzację do +35mV, efekt ten zwany jest iglicą (ang. spike). Przebieg pobudzenia neuronu.

Fala depolaryzacji przesuwa się i przenosi na dalsze odcinki 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

Do mediatorów zaliczamy m.in. adrenalinę czy serotoninę 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. Tak więc 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, czyli bez przerwania ciągłości drogi. Jest to możliwe dzięki specjalnym substancjom chemicznym tzw. przekaźnikom lub mediatorom uwalnianym przez zakończenia nerwowe. Do mediatorów pobudzających przenoszenie impulsu zaliczamy m.in. acetylocholinę adrenalinę czy serotoninę, natomiast hamujących kwas gammaaminomasłowy (GABA). 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. Istnieje wiele różnych technik „podglądania” czynności działającego mózgu.

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. ). Jest metodą polegającą na wykrywaniu i rejestracji aktywności elektrycznej mózgu za pomocą elektrod rozmieszczonych na powierzchni głowy (system Międzynarodowy tzw. układ 10-20). Prądy czynnościowe mózgu otrzymywane są w postaci sinusoidalnych fal o zmiennej częstotliwości, amplitudzie i kształcie. Rejestrowana czynność bioelektryczna jest rzędu mikrowoltów, wobec czego konieczne jest użycie aparatury wzmacniającej. Hansa Bergera (1873-1941) Adolf Beck (1863-1942)

Amplituda [uV] Częstość [Hz] Kształt 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 Prawidłowy elektroencefalogram: rytm alfa · w stanie czuwania i spokoju (najwyższe amplitudy w odprowadzeniach potylicznych i ciemieniowych) · może być regularny lub skąpy, nieregularny, o zmiennej amplitudzie · często układa się we wrzeciona, w których na początku i na końcu ma niższą amplitudę niż w środku zapisu · znika przy otwarciu oczu (bodziec świetlny), pojawia się ponownie przy zamknięciu oczu (reakcja zatrzymania) · blokowanie rytmu w odpowiedzi na bodźce dotykowe, akustyczne, smakowe i węchowe ma charakter niestały · stałe cechy rytmu wykształcają się w wieku 20-22 lat rytm beta · ulega przyspieszeniu pod wpływem działania bodźców zewnętrznych, emocji · bodźcem blokującym rytm beta jest ruch, a nawet zamiar ruchu · najsilniejszy w przednich częściach mózgu tj. okolicy czołowej i centralnej · w warunkach prawidłowych nie występuje w okolicach potylicznych (pojawia się w przypadku defektów czaszki lub zaburzeń psychicznych) rytm theta · występuje u dzieci · zanik jest charakterystyczny dla procesu dojrzewania · może wystąpić lokalnie w wyniku hiperwentylacji (u młodych osób dorosłych) lub w czasie drzemki rytm delta · charakterystyczny dla stanu snu · dominuje w zapisie u dzieci · występowanie u dorosłych w stanie czuwania uważane jest za objaw patologiczny rytm mi (mu) · występuje równocześnie z rytmem beta tylko u części populacji (7-11 Hz) · przyjmuje kształt zębów piły rytm lambda · trójfazowe fale wolne o wyglądzie fal ostrych (2-3 Hz) · rejestrowane u dzieci i młodych ludzi w okolicach potylicznych · związany z ruchem gałek ocznych, skupieniem uwagi

Rozmieszczenie elektrod w Systemie 10-20: 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 Do stosowanych aktywacji należą: · otwarcie i zamknięcie oczu · hiperwentylacja · stymulacja błyskiem świetlnym lub światłem stroboskopowym · sen: fizjologiczny, farmakologiczny · aktywacje chemiczne

W elektroencefalografii używane są odprowadzenia jednobiegunowe (rejestracja zmian napięcia pomiędzy elektrodą aktywna a elektrodą odniesienia np.: elektrody uszne, elektroda podbródkowa, elektroda nad 7 kręgiem szyjnym oraz tzw. uśredniona wspólna elektroda Goldmana) lub dwubiegunowe (zapis różnicy potencjałów z dwóch punktów pomiarowych)

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. ) W pierwszym przybliżeniu, wypadkowe prądy płynące w pobliżu neuronu w wyniku akcją synaptycznej (tj. pobudzenia lub hamowania neuronu przez drugi neuron połączony z nim synapsą) można traktować jak punktowy dipol prądowy, który charakteryzowany jest przez swoją wartość, kierunek i położenie. Pole magnetyczne powstające wokół takiego 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. Ze względu na swoje równoległe ułożenie w poprzek warstw kory, najlepsze warunki do takiej superpozycji mają korowe neurony piramidalne. 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 Ramo – Shockley’a W większości detektorów promieniowania sygnał 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 położenie ładunku położenie ładunku położenie ładunku Wyindukowany prąd jest proporcjonalny do prędkości ładunku i pola wagowego

Od teorii do realizacji … PA i elektroda U(t) t elektroda X 64 q

Aparatura pomiarowa laptop wzmacniacze i/lub „PA” X 64 przetwornik przedwzmacniacz ładunkowy wzmacniacze „PA” i/lub X 64 PA i/lub i/lub przetwornik ADC-flash 1kHz PA PA akumulatory zasilacze

Co moglibyśmy mierzyć: EEG EKG korelacje między EKG i EEG EMG ( elektromiografia)

Przedwzmacniacz ładunkowy Układ fizyczny symulujący fale mózgowe out R C in + - + 2 Hz Przedwzmacniacz ładunkowy PA L T=0,5 sek

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 Rozdzielczość przestrzenna 1 cm 5 cm ???? Ograniczenia tylko kora mózgowa trudna interpretacja słaba rozdzielczość przestrzenna Zalety tania łatwa obejmuje głębsze struktury mierzy sygnały wolnozmienne nawet do dziesiętnych Hz mierzy sygnały od ruchów ładunków prostopadłych do płaszczyzny elektrody 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