Электроэнцефалография - Electroencephalography

Электроэнцефалография
Spike-waves.png
Эпилептические спайковые и волновые разряды под контролем ЭЭГ

Электроэнцефалография ( ЭЭГ ) - это метод электрофизиологического мониторинга для регистрации электрической активности на коже черепа, которая, как было показано, отражает макроскопическую активность нижележащего поверхностного слоя мозга . Как правило, это неинвазивный метод, когда электроды размещаются вдоль кожи головы . Электрокортикографию с использованием инвазивных электродов иногда называют внутричерепной ЭЭГ.

ЭЭГ измеряет колебания напряжения в результате ионного тока в пределах нейронов в головном мозге . Клинически ЭЭГ относится к регистрации спонтанной электрической активности мозга в течение определенного периода времени, записанной с нескольких электродов, размещенных на коже черепа. Диагностические приложения обычно фокусируются либо на потенциалах, связанных с событием, либо на спектральном содержании ЭЭГ. Первый исследует возможные временные колебания, привязанные к событию, например, «начало стимула» или «нажатие кнопки». Последний анализирует тип нейронных колебаний (обычно называемых «мозговыми волнами»), которые можно наблюдать в сигналах ЭЭГ в частотной области.

ЭЭГ чаще всего используется для диагностики эпилепсии , которая вызывает отклонения в показаниях ЭЭГ. Он также используется для диагностики нарушений сна , глубины анестезии , комы , энцефалопатий и смерти мозга . Раньше ЭЭГ была методом первой линии диагностики опухолей , инсульта и других очаговых заболеваний головного мозга, но с появлением методов анатомической визуализации с высоким разрешением, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ), их использование уменьшилось. . Несмотря на ограниченное пространственное разрешение, ЭЭГ продолжает оставаться ценным инструментом для исследований и диагностики. Это один из немногих доступных мобильных методов, обеспечивающий временное разрешение миллисекундного диапазона, которое невозможно при КТ, ПЭТ или МРТ.

Производные техники ЭЭГ включают вызванные потенциалы (ВП), которые включают в себя усреднение активности ЭЭГ с привязкой по времени к предъявлению какого-либо стимула (визуального, соматосенсорного или слухового). Связанные с событием потенциалы (ERP) относятся к усредненным ответам ЭЭГ, которые привязаны ко времени для более сложной обработки стимулов; этот метод используется в когнитивной науке , когнитивной психологии и психофизиологических исследованиях.

История

Первая запись ЭЭГ человека, полученная Гансом Бергером в 1924 году. Верхняя запись - ЭЭГ, а нижняя - сигнал синхронизации 10 Гц .

В 1875 году Ричард Кейтон (1842–1926), врач, практикующий в Ливерпуле , представил свои открытия об электрических явлениях обнаженных полушарий головного мозга кроликов и обезьян в Британском медицинском журнале . В 1890 году польский физиолог Адольф Бек опубликовал исследование спонтанной электрической активности мозга кроликов и собак, которое включало ритмические колебания, изменяемые светом. Бек начал эксперименты по электрической активности мозга животных. Бек поместил электроды прямо на поверхность мозга, чтобы проверить сенсорную стимуляцию. Его наблюдение за колебаниями мозговой активности привело к выводу о мозговых волнах.

В 1912 году украинский физиолог Владимир Владимирович Pravdich-Neminsky опубликовал первое животное ЭЭГ и вызванных потенциалов из млекопитающих (собаки). В 1914 году Наполеон Цибульский и Jelenska-Macieszyna сфотографировали записи ЭЭГ экспериментально вызванных припадков.

Немецкий физиолог и психиатр Ганс Бергер (1873–1941) зарегистрировал первую человеческую ЭЭГ в 1924 году. Продолжая работу, ранее проводившуюся на животных Ричардом Кэтоном и другими, Бергер также изобрел электроэнцефалограмму (дав устройству название), изобретение, описанное «как одно из самых удивительных, замечательных и важных достижений в истории клинической неврологии ». Его открытия были впервые подтверждены британскими учеными Эдгаром Дугласом Адрианом и БХК Мэтьюз в 1934 году и развиты ими.

В 1934 году Фишер и Ловенбах впервые продемонстрировали шипы эпилептиформ. В 1935 годе Гиббс, Дэвис и Леннокс описали интер иктальной спайки волны и три циклов / с картиной клинических абсансов , которая начала области клинической электроэнцефалографии. Впоследствии, в 1936 году Гиббс и Джаспер сообщили о межприступном спайке как о фокальном признаке эпилепсии. В том же году в Массачусетской больнице общего профиля открылась первая лаборатория ЭЭГ.

Франклин Оффнер (1911–1999), профессор биофизики в Северо-Западном университете, разработал прототип ЭЭГ, включающий пьезоэлектрическую пишущую машинку, названную Кристографом (все устройство обычно называлось динографом Оффнера ).

В 1947 году было основано Американское общество ЭЭГ и прошел первый Международный конгресс по ЭЭГ. В 1953 году Асеринский и Клейтман описали быстрый сон .

В 1950-х годах Уильям Грей Уолтер разработал дополнение к ЭЭГ, названное топографией ЭЭГ , которое позволило отображать электрическую активность на поверхности мозга. В 1980-е годы он пользовался недолгой популярностью и казался особенно многообещающим для психиатрии. Он никогда не был принят неврологами и остается в первую очередь инструментом исследования.

Чак Кайзер с электродами электроэнцефалографа и формирователем сигнала для использования в Project Gemini , 1965 г.

Электроэнцефалографическая система, произведенная Beckman Instruments, использовалась по крайней мере в одном из пилотируемых космических полетов проекта Gemini (1965-1966) для отслеживания мозговых волн космонавтов во время полета. Это был один из многих инструментов Beckman, предназначенных для НАСА и используемых им.

В 1988 году Стево Божиновски, Михаил Сестаков и Лиляна Божиновска сделали доклад об ЭЭГ-контроле физического объекта - робота.

В октябре 2018 года ученые подключили мозги трех человек, чтобы поэкспериментировать с процессом обмена мыслями. В эксперименте с использованием ЭЭГ участвовали пять групп по три человека. Успешность эксперимента составила 81%.

Медицинское использование

Настройка записи ЭЭГ

ЭЭГ - один из основных диагностических тестов эпилепсии. Обычная клиническая запись ЭЭГ обычно длится 20–30 минут (плюс время на подготовку). Это тест, который определяет электрическую активность мозга с помощью небольших металлических дисков (электродов), прикрепленных к коже черепа. Обычно ЭЭГ используется в клинических условиях для определения изменений активности мозга, которые могут быть полезны при диагностике заболеваний мозга, особенно эпилепсии или другого судорожного расстройства. ЭЭГ также может быть полезна для диагностики или лечения следующих заболеваний:

  • Опухоль головного мозга
  • Повреждение головного мозга от травмы головы
  • Дисфункция головного мозга, которая может иметь множество причин (энцефалопатия)
  • Воспаление головного мозга (энцефалит)
  • Инсульт
  • Нарушения сна

Он также может:

Иногда обычной ЭЭГ недостаточно для постановки диагноза или определения наилучшего курса лечения с точки зрения лечения. В этом случае могут быть предприняты попытки записать ЭЭГ во время припадка. Это известно как иктальная запись, в отличие от интерктальной записи, которая относится к записи ЭЭГ между припадками. Для получения иктальной записи обычно выполняется длительная ЭЭГ, сопровождаемая синхронизированной по времени видео- и аудиозаписью. Это можно сделать амбулаторно (дома) или во время госпитализации, предпочтительно в отделении мониторинга эпилепсии (EMU) с медсестрами и другим персоналом, обученным уходу за пациентами с припадками. Амбулаторные амбулаторные видео-ЭЭГ обычно длятся от одного до трех дней. Поступление в отделение мониторинга эпилепсии обычно длится несколько дней, но может длиться неделю или дольше. Находясь в больнице, противосудорожные препараты обычно отменяют, чтобы увеличить вероятность того, что припадок произойдет во время госпитализации. В целях безопасности во время ЭЭГ лекарства не отменяют за пределами больницы. Таким образом, амбулаторные видео-ЭЭГ имеют преимущество удобства и дешевле, чем госпитализация, но недостатком является снижение вероятности регистрации клинического события.

Мониторинг эпилепсии обычно проводится для того, чтобы отличить эпилептические припадки от других типов приступов , таких как психогенные неэпилептические припадки , обмороки (обмороки) , подкорковые двигательные расстройства и варианты мигрени , чтобы охарактеризовать припадки с целью лечения и локализовать локализацию приступов. область мозга, в которой возникает припадок, для проведения возможной хирургической операции. В больницах используется монитор ЭЭГ, чтобы помочь диагностировать приступ. Они используют эту информацию, чтобы помочь в процессе лечения, а также выявить риски. «Многие профессионалы заявляют о важности ЭЭГ, когда речь идет о подозрении на судороги, для диагностики и оценки». Врачи смогут использовать систему мониторинга ЭЭГ, чтобы определить некоторые варианты лечения, а также некоторые факторы риска. По мере развития технологий исследователи находят новые мониторы, которые более точны в отношении изъятий. «Передовые методы с непрерывной ЭЭГ и упрощенные методы с аЭЭГ позволяют врачам выявлять больше приступов у постели больного». АЭЭГ означает амплитудную интегрированную электроэнцефалографию и может обнаруживать любую электрическую активность мозга, как и монитор ЭЭГ. Монитор аЭЭГ может контролировать функцию мозга в течение длительного периода, в то время как монитор ЭЭГ может контролировать функцию мозга только в течение нескольких часов или дней. Это помогает быстрее выявлять большее количество приступов, а недоношенных детей, страдающих судорогами, можно лечить раньше и иметь менее долгосрочные последствия.

Кроме того, ЭЭГ можно использовать для контроля глубины анестезии , как косвенный индикатор церебральной перфузии при каротидной эндартерэктомии или для контроля амобарбитального эффекта во время теста Вада .

ЭЭГ также может использоваться в отделениях интенсивной терапии для мониторинга функции головного мозга для отслеживания неконвульсивных приступов / неконвульсивного эпилептического статуса, для мониторинга эффекта седативных средств / анестезии у пациентов в медицинской коме (для лечения рефрактерных приступов или увеличения внутричерепных приступов). давление ), а также для наблюдения за вторичным повреждением головного мозга при таких состояниях, как субарахноидальное кровоизлияние (в настоящее время это метод исследования).

Если пациенту с эпилепсией предстоит резекционная операция , часто необходимо локализовать очаг (источник) эпилептической активности мозга с разрешением, превышающим то, которое дает ЭЭГ кожи головы. Это связано с тем, что спинномозговая жидкость , череп и скальп размазывают электрические потенциалы, регистрируемые ЭЭГ скальпа. В этих случаях нейрохирурги обычно имплантируют полоски и сетки электродов (или проникающие глубинные электроды) под твердую мозговую оболочку через трепанацию черепа или фрезерное отверстие . Запись этих сигналов называется электрокортикографией (ЭКоГ), субдуральной ЭЭГ (sdEEG) или внутричерепной ЭЭГ (icEEG) - все термины для одного и того же. Сигнал, записанный с ЭКоГ, имеет другой масштаб активности, чем активность мозга, записанная с помощью ЭЭГ кожи головы. Низковольтные и высокочастотные компоненты, которые нельзя легко увидеть (или вообще) на ЭЭГ кожи головы, можно четко увидеть на ЭКоГ. Кроме того, меньшие электроды (которые покрывают меньший участок поверхности мозга) позволяют видеть даже более низкое напряжение и более быстрые компоненты мозговой активности. В некоторых клинических центрах регистрируются проникающие микроэлектроды.

ЭЭГ не показана для диагностики головной боли. Повторяющаяся головная боль - распространенная проблема, связанная с болью, и эта процедура иногда используется для поиска диагноза, но она не имеет преимуществ перед рутинной клинической оценкой.

Использование в исследованиях

ЭЭГ и связанные с ней исследования ERP широко используются в нейробиологии , когнитивной науке , когнитивной психологии , нейролингвистике и психофизиологических исследованиях, а также для изучения человеческих функций, таких как глотание. Многие методы ЭЭГ, используемые в исследованиях, недостаточно стандартизированы для клинического использования, и во многих исследованиях ERP не сообщается обо всех необходимых этапах обработки для сбора и обработки данных, что ограничивает воспроизводимость и воспроизводимость многих исследований. Но исследования психических расстройств, таких как расстройство обработки слуха (APD), ADD или ADHD , становятся все более широко известными, и ЭЭГ используются в качестве исследований и лечения.

Преимущества

Существует несколько других методов исследования функции мозга, включая функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), магнитоэнцефалографию (МЭГ), спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР или МРС), электрокортикографию (ЭКоГ), вычисление однофотонной эмиссии. томография (SPECT), ближняя инфракрасная спектроскопия (NIRS) и связанный с событием оптический сигнал (EROS). Несмотря на относительно низкую пространственную чувствительность ЭЭГ, «одномерные сигналы от локализованных периферических областей на голове делают ее привлекательной из-за своей упрощенной точности и обеспечивают высокую пропускную способность клинических и фундаментальных исследований». Таким образом, ЭЭГ обладает некоторыми преимуществами по сравнению с другими методами:

  • Затраты на оборудование значительно ниже, чем у большинства других методов.
  • ЭЭГ предотвращает ограниченную доступность технологов для оказания неотложной помощи в больницах с интенсивным движением.
  • Для ЭЭГ требуется только тихая комната и оборудование размером с портфель, тогда как для фМРТ, ОФЭКТ, ПЭТ, МРС или МЭГ требуется громоздкое и неподвижное оборудование. Например, для МЭГ требуется оборудование, состоящее из детекторов, охлаждаемых жидким гелием, которые могут использоваться только в помещениях с магнитной защитой, что в целом стоит более нескольких миллионов долларов; а фМРТ требует использования магнитов массой 1 тонну, опять же, в экранированной комнате.
  • ЭЭГ может легко иметь высокое временное разрешение (хотя субмиллисекундное разрешение генерирует все менее значимые данные), потому что от двух до 32 потоков данных, генерируемых таким количеством электродов, легко сохраняются и обрабатываются, тогда как трехмерные пространственные технологии обеспечивают тысячи или миллионы раз столько же потоков входных данных и, таким образом, ограничены аппаратным и программным обеспечением. ЭЭГ обычно регистрируется с частотой дискретизации от 250 до 2000 Гц в клинических и исследовательских условиях.
  • ЭЭГ относительно терпима к движению объекта, в отличие от большинства других методов нейровизуализации. Существуют даже методы минимизации и даже устранения артефактов движения в данных ЭЭГ.
  • ЭЭГ молчит, что позволяет лучше изучить реакцию на слуховые раздражители.
  • ЭЭГ не усиливает клаустрофобию , в отличие от фМРТ, ПЭТ, МРС, ОФЭКТ и иногда МЭГ.
  • ЭЭГ не включает воздействие магнитных полей высокой интенсивности (> 1 тесла ), как в некоторых других методах, особенно МРТ и МРТ. Это может вызвать множество нежелательных проблем с данными, а также запретить использование этих методов с участниками, у которых есть металлические имплантаты в своем теле, например, содержащие металл кардиостимуляторы.
  • ЭЭГ не требует воздействия радиолигандов , в отличие от позитронно-эмиссионной томографии .
  • Исследования ERP могут проводиться с использованием относительно простых парадигм по сравнению с исследованиями фМРТ с блочным дизайном IE.
  • Относительно неинвазивный , в отличие от электрокортикографии , при которой электроды необходимо размещать на реальной поверхности мозга.

ЭЭГ также имеет некоторые характеристики, которые выгодно отличаются от поведенческого тестирования:

  • ЭЭГ может обнаруживать скрытую обработку (т. Е. Обработку , которая не требует ответа)
  • ЭЭГ можно использовать у субъектов, не способных к двигательной реакции.
  • Некоторые компоненты ERP могут быть обнаружены, даже если субъект не обращает внимания на стимулы.
  • В отличие от других средств изучения времени реакции, ERP могут проливать свет на этапы обработки (а не только на конечный конечный результат).
  • Простота ЭЭГ позволяет легко отслеживать изменения в головном мозге на разных этапах жизни. Анализ сна ЭЭГ может указывать на важные аспекты времени развития мозга, включая оценку созревания мозга подростка.
  • В ЭЭГ есть лучшее понимание того, какой сигнал измеряется, по сравнению с другими методами исследования, например, ЖИРНЫЙ ответ в МРТ.

Недостатки

  • Низкое пространственное разрешение на коже головы. Например, фМРТ может напрямую отображать области мозга, которые активны, в то время как ЭЭГ требует интенсивной интерпретации только для того, чтобы предположить, какие области активируются конкретным ответом.
  • ЭЭГ плохо измеряет нервную активность, которая происходит ниже верхних слоев мозга (коры).
  • В отличие от ПЭТ и MRS, он не может идентифицировать конкретные участки мозга, в которых могут быть обнаружены различные нейротрансмиттеры, лекарства и т. Д.
  • Часто для подключения объекта к ЭЭГ требуется много времени, так как это требует точного размещения десятков электродов вокруг головы и использования различных гелей, физиологических растворов и / или паст для поддержания хорошей проводимости, а также используется колпачок, чтобы сохранить их на месте. Хотя продолжительность зависит от конкретного используемого устройства ЭЭГ, как правило, подготовка пациента к МЭГ, фМРТ, МРТ и ОФЭКТ занимает значительно меньше времени.
  • Отношение сигнал / шум низкое, поэтому для извлечения полезной информации из ЭЭГ требуется сложный анализ данных и относительно большое количество испытуемых.

С другими методами нейровизуализации

Одновременные записи ЭЭГ и сканирование фМРТ были успешно получены, хотя для одновременной записи обоих эффективно необходимо преодолеть несколько технических трудностей, таких как наличие баллистокардиографического артефакта, артефакта импульса МРТ и индукции электрических токов в проводниках ЭЭГ, которые движутся внутри. сильные магнитные поля МРТ. Несмотря на сложности, они были успешно преодолены в ряде исследований.

МРТ создают подробные изображения, создаваемые за счет создания сильных магнитных полей, которые могут вызывать потенциально опасную силу смещения и крутящий момент. Эти поля вызывают потенциально опасный радиочастотный нагрев и создают артефакты изображения, делающие изображения бесполезными. Из-за этих потенциальных рисков в МРТ можно использовать только определенные медицинские устройства.

Аналогичным образом были проведены одновременные записи с МЭГ и ЭЭГ, что имеет несколько преимуществ перед использованием одного из этих методов:

  • ЭЭГ требует точной информации об определенных аспектах черепа, которые можно только оценить, таких как радиус черепа и проводимость различных участков черепа. MEG не имеет этой проблемы, и одновременный анализ позволяет исправить это.
  • И МЭГ, и ЭЭГ очень плохо обнаруживают активность под поверхностью коры головного мозга, и, как и при ЭЭГ, уровень ошибки увеличивается с увеличением глубины под поверхностью коры, которую пытаются исследовать. Однако ошибки между методами сильно различаются, и их объединение, таким образом, позволяет исправить некоторые из этих шумов.
  • МЭГ практически не имеет доступа к источникам мозговой активности ниже нескольких сантиметров от коры головного мозга. ЭЭГ, с другой стороны, может принимать сигналы с большей глубины, хотя и с высокой степенью шума. Сочетание этих двух факторов упрощает определение того, что в сигнале ЭЭГ исходит с поверхности (поскольку МЭГ очень точно анализирует сигналы с поверхности мозга), а что исходит из более глубоких слоев мозга, что позволяет анализировать более глубокие слои мозга. сигналов, чем либо ЭЭГ, либо МЭГ сама по себе.

Недавно был исследован комбинированный подход ЭЭГ / МЭГ (ЭМЭГ) с целью реконструкции источника при диагностике эпилепсии.

ЭЭГ также сочетается с позитронно-эмиссионной томографией . Это дает то преимущество, что позволяет исследователям увидеть, какие сигналы ЭЭГ связаны с различными действиями лекарств в головном мозге.

Недавние исследования с использованием методов машинного обучения , таких как нейронные сети со статистическими временными характеристиками, извлеченными из данных мозговых волн ЭЭГ лобной доли , показали высокий уровень успеха в классификации психических состояний (расслабленное, нейтральное, сосредоточенное), психических эмоциональных состояний (отрицательное, нейтральное, положительное) и таламокортикальная аритмия .

Механизмы

Электрический заряд мозга поддерживается миллиардами нейронов . Нейроны электрически заряжаются (или «поляризованы») мембранными транспортными белками, которые перекачивают ионы через их мембраны. Нейроны постоянно обмениваются ионами с внеклеточной средой, например, для поддержания потенциала покоя и для распространения потенциалов действия . Ионы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, и когда множество ионов выталкивается из многих нейронов одновременно, они могут толкать своих соседей, которые толкают их соседей, и так далее, в виде волны. Этот процесс известен как объемная проводимость. Когда волна ионов достигает электродов на коже головы, они могут толкать или притягивать электроны к металлу в электродах. Поскольку металл легко проводит толкающие и притягивающие электроны, разницу в толкающих и тянущих напряжениях между любыми двумя электродами можно измерить с помощью вольтметра . Регистрация этих напряжений с течением времени дает нам ЭЭГ.

Электрический потенциал , порожденный отдельного нейрона слишком мал , чтобы быть подобран ЭЭГ или МЭГ. Таким образом, активность ЭЭГ всегда отражает совокупность синхронной активности тысяч или миллионов нейронов, имеющих сходную пространственную ориентацию. Если клетки не имеют одинаковой пространственной ориентации, их ионы не выстраиваются в линию и создают волны, которые необходимо обнаружить. Считается, что пирамидные нейроны коры производят наибольший сигнал ЭЭГ, потому что они хорошо выровнены и срабатывают вместе. Поскольку градиенты поля напряжения уменьшаются пропорционально квадрату расстояния, активность от глубоких источников обнаружить труднее, чем токи около черепа.

Активность ЭЭГ кожи головы показывает колебания на различных частотах. Некоторые из этих колебаний имеют характерные частотные диапазоны , пространственное распределение и связаны с различными состояниями функционирования мозга (например, бодрствованием и различными стадиями сна ). Эти колебания представляют собой синхронизированную активность в сети нейронов. Нейронные сети, лежащие в основе некоторых из этих колебаний, понятны (например, таламокортикальный резонанс, лежащий в основе сонных веретен ), в то время как многие другие - нет (например, система, которая генерирует задний основной ритм). Исследования, которые измеряют как ЭЭГ, так и спайки нейронов, обнаруживают, что взаимосвязь между ними является сложной, с комбинацией мощности ЭЭГ в гамма- диапазоне и фазы в дельта- диапазоне, наиболее сильно связанной с спайковой активностью нейронов.

Метод

Компьютерный электроэнцефалограф Нейровизор-БММ 40 производства и продажи в России.

В обычной ЭЭГ кожи головы запись осуществляется путем размещения электродов на коже головы с помощью проводящего геля или пасты, обычно после подготовки области кожи головы легкой абразивной обработкой для уменьшения импеданса из-за мертвых клеток кожи. Во многих системах обычно используются электроды, каждый из которых прикреплен к отдельному проводу. В некоторых системах используются колпачки или сетки, в которые вставляются электроды; это особенно часто встречается, когда требуются массивы электродов высокой плотности.

Расположение и названия электродов определены системой International 10–20 для большинства клинических и исследовательских приложений (за исключением случаев, когда используются матрицы с высокой плотностью). Эта система гарантирует, что названия электродов единообразны во всех лабораториях. В большинстве клинических приложений используются 19 записывающих электродов (плюс заземление и системный эталон). При записи ЭЭГ новорожденных обычно используется меньшее количество электродов . Дополнительные электроды могут быть добавлены к стандартной установке, когда клиническое или исследовательское приложение требует повышенного пространственного разрешения для определенной области мозга. Массивы с высокой плотностью (обычно через колпачок или сетку) могут содержать до 256 электродов, более или менее равномерно расположенных вокруг кожи головы.

Каждый электрод подключен к одному входу дифференциального усилителя (один усилитель на пару электродов); общий системный электрод сравнения подключен к другому входу каждого дифференциального усилителя. Эти усилители усиливают напряжение между активным электродом и эталоном (обычно в 1000–100000 раз или 60–100 дБ усиления по напряжению). В аналоговой ЭЭГ сигнал затем фильтруется (следующий абзац), и сигнал ЭЭГ выводится в виде отклонения ручек при прохождении бумаги под ними. Однако большинство систем ЭЭГ в наши дни являются цифровыми, и усиленный сигнал оцифровывается через аналого-цифровой преобразователь после прохождения через фильтр сглаживания . Аналогово-цифровая выборка обычно происходит при частоте 256–512 Гц в клинической ЭЭГ кожи головы; В некоторых исследовательских приложениях используются частоты дискретизации до 20 кГц.

Во время записи может использоваться ряд процедур активации. Эти процедуры могут вызвать нормальную или ненормальную активность ЭЭГ, которую иначе нельзя было бы увидеть. Эти процедуры включают гипервентиляцию, фотостимуляцию (с помощью стробоскопа), закрытие глаз, умственную активность, сон и лишение сна. Во время (стационарного) наблюдения за эпилепсией пациенту могут быть отменены типичные противосудорожные препараты.

Цифровой сигнал ЭЭГ хранится в электронном виде и может быть отфильтрован для отображения. Типичные настройки для фильтра высоких частот и фильтра низких частот составляют 0,5–1  Гц и 35–70 Гц соответственно. Фильтр верхних частот обычно отфильтровывает медленные артефакты, такие как электрогальванические сигналы и артефакты движения, тогда как фильтр нижних частот фильтрует высокочастотные артефакты, такие как электромиографические сигналы. Дополнительный режекторный фильтр обычно используется для удаления артефактов, вызванных линиями электропередач (60 Гц в США и 50 Гц во многих других странах).

Сигналы ЭЭГ могут быть захвачены с помощью оборудования с открытым исходным кодом, такого как OpenBCI, и сигнал может быть обработан с помощью свободно доступного программного обеспечения ЭЭГ, такого как EEGLAB или Neurophysiological Biomarker Toolbox .

В рамках оценки хирургического вмешательства при эпилепсии может потребоваться введение электродов вблизи поверхности мозга, под поверхностью твердой мозговой оболочки . Это достигается с помощью фрезерного отверстия или трепанации черепа . Это называется по-разному, как «электрокортикография (ЭКоГ)» , «внутричерепная ЭЭГ (I-ЭЭГ)» или «субдуральная ЭЭГ (SD-ЭЭГ)». Глубинные электроды также могут быть помещены в структуры мозга, такие как миндалевидное тело или гиппокамп , структуры, которые являются обычными эпилептическими очагами и могут быть не «видны» четко на ЭЭГ кожи головы. Электрокортикографический сигнал обрабатывается так же, как и цифровая ЭЭГ кожи головы (см. Выше), с некоторыми оговорками. ЭКоГ обычно записывается с более высокой частотой дискретизации, чем ЭЭГ кожи головы, из-за требований теоремы Найквиста - субдуральный сигнал состоит из более высокого преобладания высокочастотных компонентов. Кроме того, многие артефакты, влияющие на ЭЭГ кожи головы, не влияют на ЭКоГ, и поэтому фильтрация дисплея часто не требуется.

Типичный сигнал ЭЭГ взрослого человека имеет амплитуду от 10 мкВ до 100 мкВ при измерении от кожи головы.

Поскольку сигнал напряжения ЭЭГ представляет собой разницу между напряжениями на двух электродах, отображение ЭЭГ для считывающего энцефалографа можно настроить одним из нескольких способов. Изображение каналов ЭЭГ называется монтажом.

Последовательный монтаж
Каждый канал (то есть форма волны) представляет собой разницу между двумя соседними электродами. Весь монтаж состоит из серии этих каналов. Например, канал «Fp1-F3» представляет разность напряжений между электродом Fp1 и электродом F3. Следующий канал в монтаже, «F3-C3», представляет разность напряжений между F3 и C3, и так далее через весь массив электродов.
Ссылочный монтаж
Каждый канал представляет собой разницу между определенным электродом и назначенным электродом сравнения. Для этой ссылки нет стандартной позиции; однако он находится в другом положении, чем «записывающие» электроды. Позиции средней линии часто используются, потому что они не усиливают сигнал в одном полушарии по сравнению с другим, например, Cz, Oz, Pz и т. Д. В качестве онлайн-справки. Другие популярные офлайн-ссылки:
  • Ссылка REST: это автономная вычислительная ссылка на бесконечности, где потенциал равен нулю. REST (метод стандартизации эталонных электродов) использует эквивалентные источники внутри мозга любого набора записей скальпа в качестве трамплина для связывания фактических записей с любыми онлайновыми или автономными (средние, связанные уши и т. Д.) Ненулевой ссылкой на новые записи. с бесконечным нулем в качестве стандартизированной ссылки. Бесплатное программное обеспечение можно найти по адресу (Dong L, Li F, Liu Q, Wen X, Lai Y, Xu P and Yao D (2017) MATLAB Toolboxes for Reference Electrode Standardization Technique (REST) ​​Scalp EEG. Front. Neurosci. 11 : 601. doi : 10.3389 / fnins.2017.00601 ), а для получения более подробной информации и его характеристик, пожалуйста, обратитесь к исходной статье (Yao, D. (2001). Метод стандартизации привязки записей ЭЭГ скальпа к бесконечно удаленной точке). . Physiol Измер 22, 693-711... DOI : 10.1088 / 0967-3334 / 22/4/305 )
  • «соединенные уши»: физическое или математическое среднее значение электродов, прикрепленных к мочке уха или сосцевидному отростку .
Средний эталонный монтаж
Выходы всех усилителей суммируются и усредняются, и этот усредненный сигнал используется в качестве общего эталона для каждого канала.
Лапласовский монтаж
Каждый канал представляет собой разницу между электродом и средневзвешенным значением окружающих электродов.

При использовании аналоговой (бумажной) ЭЭГ технолог переключается между монтажами во время записи, чтобы выделить или лучше охарактеризовать определенные особенности ЭЭГ. При цифровой ЭЭГ все сигналы обычно оцифровываются и сохраняются в определенном (обычно ссылочном) монтаже; поскольку любой монтаж может быть построен математически из любого другого, электроэнцефалограф может просматривать ЭЭГ в любом желаемом видеомонтаже.

ЭЭГ читает клинический нейрофизиолог или невролог (в зависимости от местных обычаев и законов, касающихся медицинских специальностей ), оптимально тот, кто имеет специальную подготовку по интерпретации ЭЭГ в клинических целях. Это делается путем визуального осмотра форм сигналов, называемых графоэлементами. Использование компьютерной обработки сигналов ЭЭГ - так называемая количественная электроэнцефалография - вызывает несколько споров при использовании в клинических целях (хотя существует множество исследовательских применений).

Сухие электроды ЭЭГ

В начале 1990-х Бабак Тахери из Калифорнийского университета в Дэвисе продемонстрировал первые одноканальные, а также многоканальные сухие активные электродные матрицы с использованием микрообработки. Конструкция одноканального сухого ЭЭГ-электрода и результаты были опубликованы в 1994 году. Также было продемонстрировано, что массивный электрод хорошо работает по сравнению с серебряными / хлорсеребряными электродами. Устройство состояло из четырех участков датчиков со встроенной электроникой для снижения шума за счет согласования импеданса . Преимуществами таких электродов являются: (1) отсутствие электролита, (2) отсутствие подготовки кожи, (3) значительно уменьшенный размер сенсора и (4) совместимость с системами мониторинга ЭЭГ. Активная электродная матрица представляет собой интегрированную систему, состоящую из набора емкостных датчиков с локальной интегральной схемой, размещенной в корпусе с батареями для питания схемы. Такой уровень интеграции требовался для достижения функциональных характеристик электрода. Электрод был протестирован на электрическом испытательном стенде и на людях в четырех модальностях ЭЭГ-активности, а именно: (1) спонтанная ЭЭГ, (2) потенциалы, связанные с сенсорными событиями, (3) потенциалы ствола мозга и (4) когнитивные события. -связанные потенциалы. Характеристики сухого электрода по сравнению со стандартными влажными электродами лучше с точки зрения подготовки кожи, отсутствия потребности в геле (сухой) и более высокого отношения сигнал / шум.

В 1999 году исследователей из университета Case Western Reserve в Кливленде , штат Огайо , во главе с Хантер Пекхэмы, используются 64-электрод ЭЭГ тюбетейки вернуть ограниченные движения рук для парализованного Джима Jatich. Поскольку Ятич сосредоточился на простых, но противоположных понятиях, таких как «вверх» и «вниз», его выход ЭЭГ с бета-ритмом был проанализирован с помощью программного обеспечения для выявления паттернов в шуме. Был идентифицирован базовый шаблон, который использовался для управления переключателем: активность выше среднего была включена, ниже средней - выключена. Помимо того, что Ятич мог управлять компьютерным курсором, сигналы также использовались для управления нервными контроллерами, встроенными в его руки, восстанавливая некоторое движение.

В 2018 году сообщалось о функциональном сухом электроде, состоящем из полидиметилсилоксанового эластомера, наполненного проводящими углеродными нановолокнами . Это исследование проводилось в Исследовательской лаборатории армии США . Технология ЭЭГ часто включает нанесение геля на кожу головы, что обеспечивает высокое соотношение сигнал / шум. Это приводит к более воспроизводимым и надежным экспериментальным результатам. Поскольку пациенты не любят, когда их волосы заполняются гелем, а длительная установка требует наличия обученного персонала, использование ЭЭГ вне лаборатории может быть затруднено. Кроме того, было замечено, что производительность датчиков с мокрым электродом снижается по прошествии нескольких часов. Поэтому исследования были направлены на разработку сухих и полусухих биоэлектронных интерфейсов ЭЭГ.

Сигналы сухого электрода зависят от механического контакта. Поэтому получить полезный сигнал может быть сложно из-за импеданса между кожей и электродом. Некоторые системы ЭЭГ пытаются обойти эту проблему, применяя физиологический раствор. Другие имеют полусухую природу и выделяют небольшое количество геля при контакте с кожей головы. В другом решении используются подпружиненные штифты. Это может быть неудобно. Они также могут быть опасны, если использовались в ситуации, когда пациент мог удариться головой, поскольку они могли застрять после инцидента с ударной травмой.

ARL также разработала инструмент визуализации, настраиваемый интерфейс освещения для визуализации ЭЭГ или CLIVE, который показал, насколько хорошо синхронизируются два мозга.

В настоящее время доступны гарнитуры с сухими электродами до 30 каналов. Такие конструкции способны компенсировать некоторое ухудшение качества сигнала, связанное с высоким импедансом, за счет оптимизации предварительного усиления, экранирования и поддерживающих механизмов.

Ограничения

ЭЭГ имеет несколько ограничений. Самое главное - плохое пространственное разрешение. ЭЭГ наиболее чувствительна к определенному набору постсинаптических потенциалов: тех, которые генерируются в поверхностных слоях коры, на гребнях извилин, непосредственно примыкающих к черепу, и радиально от черепа. Дендриты, которые находятся глубже в коре, внутри борозд , в средней линии или глубоких структурах (таких как поясная извилина или гиппокамп ) или производят токи, касательные к черепу, имеют гораздо меньший вклад в сигнал ЭЭГ.

Записи ЭЭГ не фиксируют напрямую потенциалы действия аксонов . Потенциал действия можно точно представить в виде квадруполя тока , что означает, что результирующее поле уменьшается быстрее, чем поле, создаваемое токовым диполем постсинаптических потенциалов. Кроме того, поскольку ЭЭГ представляют собой в среднем тысячи нейронов, большая популяция клеток в синхронной активности необходима, чтобы вызвать значительное отклонение записей. Потенциалы действия очень быстрые, и, как следствие, шансы на суммирование полей невелики. Однако нейронное обратное распространение , как обычно более длинный диполь дендритного тока, может быть уловлено электродами ЭЭГ и является надежным показателем возникновения нейронного выхода.

Мало того, что ЭЭГ практически полностью улавливают дендритные токи в отличие от аксонов, они также демонстрируют предпочтение активности в популяциях параллельных дендритов и передачи тока в одном направлении в одно и то же время. Пирамидные нейроны кортикальных слоев II / III и V распространяют апикальные дендриты на слой I. Токи, движущиеся вверх или вниз по этим отросткам, лежат в основе большинства сигналов, производимых электроэнцефалографией.

Следовательно, ЭЭГ дает информацию с большим уклоном для выбора типов нейронов и, как правило, не может использоваться для заявлений о глобальной активности мозга. В мозговых оболочках , спинномозговая жидкость и череп «мазок» сигнал ЭЭГА, скрывая его внутричерепное источник.

Математически невозможно восстановить уникальный источник внутричерепного тока для данного сигнала ЭЭГ, поскольку некоторые токи создают потенциалы, которые нейтрализуют друг друга. Это называется обратной задачей . Однако была проделана большая работа для получения замечательно точных оценок, по крайней мере, локализованного электрического диполя, который представляет зарегистрированные токи.

ЭЭГ по сравнению с фМРТ, фНИРС, фУЗ и ПЭТ

У ЭЭГ есть несколько сильных сторон в качестве инструмента исследования мозговой активности. ЭЭГ может обнаруживать изменения в течение миллисекунд, что превосходно, учитывая, что потенциал действия занимает приблизительно 0,5–130 миллисекунд для распространения через один нейрон, в зависимости от типа нейрона. Другие методы наблюдения за мозговой активностью, такие как ПЭТ , фМРТ или фУЗИ, имеют временное разрешение от секунд до минут. ЭЭГ напрямую измеряет электрическую активность мозга, в то время как другие методы регистрируют изменения кровотока (например, SPECT , fMRI , fUS ) или метаболической активности (например, PET , NIRS ), которые являются косвенными маркерами электрической активности мозга.

ЭЭГ можно использовать одновременно с фМРТ или фУЗИ, так что данные с высоким временным разрешением могут быть записаны одновременно с данными с высоким пространственным разрешением, однако, поскольку данные, полученные от каждого из них, происходят в разном временном интервале, наборы данных не обязательно отражают одну и ту же активность мозга. Существуют технические трудности, связанные с объединением ЭЭГ и фМРТ, включая необходимость удаления артефакта градиента МРТ, присутствующего во время получения МРТ. Кроме того, в движущихся проводах электродов ЭЭГ могут индуцироваться токи из-за магнитного поля МРТ.

ЭЭГ может быть использован одновременно с НИРС или FUS без серьезных технических трудностей. Эти методы не влияют друг на друга, и комбинированное измерение может дать полезную информацию об электрической активности, а также о гемодинамике при среднем пространственном разрешении.

ЭЭГ против МЭГ

ЭЭГ отражает коррелированную синаптическую активность, вызванную постсинаптическими потенциалами корковых нейронов . Ионные токи, участвующие в генерации потенциалов быстрого действия, могут не вносить значительного вклада в усредненные потенциалы поля, представляющие ЭЭГ. Более конкретно, электрические потенциалы кожи головы, которые вызывают ЭЭГ, обычно считаются вызванными внеклеточными ионными токами, вызванными дендритной электрической активностью, тогда как поля, производящие магнитоэнцефалографические сигналы, связаны с внутриклеточными ионными токами.

ЭЭГ можно записывать одновременно с МЭГ, так что данные этих дополнительных методов с высоким временным разрешением могут быть объединены.

Также были проведены исследования по численному моделированию ЭЭГ и МЭГ.

Нормальная активность

ЭЭГ обычно описывается с точки зрения (1) ритмической активности и (2) переходных процессов. Ритмическая активность делится на полосы по частоте. В некоторой степени эти частотные диапазоны являются предметом номенклатуры (т. Е. Любая ритмическая активность между 8–12 Гц может быть описана как «альфа»), но эти обозначения возникли потому, что ритмическая активность в определенном частотном диапазоне, как было отмечено, имеет определенный распространение по коже головы или определенное биологическое значение. Частотные диапазоны обычно извлекаются с использованием спектральных методов (например, Уэлча), которые реализованы, например, в свободно доступном программном обеспечении ЭЭГ, таком как EEGLAB или Neurophysiological Biomarker Toolbox . Вычислительную обработку ЭЭГ часто называют количественной электроэнцефалографией (кЭЭГ).

Большая часть церебрального сигнала, наблюдаемого на ЭЭГ кожи головы, находится в диапазоне 1–20 Гц (активность ниже или выше этого диапазона, вероятно, будет артефактной при стандартных методах клинической записи). Волновые формы подразделяются на полосы частот, известные как альфа, бета, тета и дельта, чтобы обозначить большую часть ЭЭГ, используемую в клинической практике.

Сравнение диапазонов ЭЭГ

Сравнение диапазонов ЭЭГ
Группа Частота (Гц) Место нахождения Как обычно Патологически
Дельта <4 спереди у взрослых, сзади у детей; волны большой амплитуды
  • медленный сон взрослых
  • у младенцев
  • Был обнаружен во время выполнения некоторых задач с постоянным вниманием.
  • подкорковые поражения
  • диффузные поражения
  • метаболическая энцефалопатия гидроцефалия
  • глубокие поражения средней линии
Тета 4–7 Найдено в местах, не связанных с поставленной задачей
  • выше у маленьких детей
  • сонливость у взрослых и подростков
  • холостой ход
  • Связано с подавлением вызванных реакций (было обнаружено, что они возникают в ситуациях, когда человек активно пытается подавить реакцию или действие).
  • очаговые подкорковые поражения
  • метаболическая энцефалопатия
  • глубокие нарушения средней линии
  • некоторые случаи гидроцефалии
Альфа 8–15 задние отделы головы с обеих сторон по амплитуде выше на доминирующей стороне. Центральные площадки (c3-c4) в состоянии покоя
  • расслабленный / размышляющий
  • закрывать глаза
  • Также связан с контролем ингибирования, по-видимому, с целью определения времени ингибирующей активности в разных частях мозга.
  • кома
Бета 16–31 обе стороны, симметричное распределение, наиболее заметно спереди; волны малой амплитуды
  • диапазон: активный спокойный → интенсивный → стрессовый → умеренно навязчивый
  • активное мышление, сосредоточенность, повышенная бдительность, тревожность
Гамма > 32 Соматосенсорная кора
  • Отображение во время кросс-модальной сенсорной обработки (восприятие, которое сочетает в себе два разных чувства, например звук и зрение)
  • Также отображается при сопоставлении кратковременной памяти распознаваемых объектов, звуков или тактильных ощущений.
  • Снижение активности гамма-диапазона может быть связано со снижением когнитивных функций, особенно когда оно связано с тета-диапазоном; однако это не было доказано для использования в качестве клинического диагностического измерения.
Му 8–12 Сенсомоторная кора
  • Показывает двигательные нейроны в состоянии покоя.
  • Подавление Mu может указывать на то, что моторные зеркальные нейроны работают. Дефицит подавления Mu и, следовательно, зеркальных нейронов может играть роль в аутизме .

Практика использования только целых чисел в определениях исходит из практических соображений в те времена, когда в бумажных записях можно было считать только полные циклы. Это приводит к пробелам в определениях, как видно в другом месте на этой странице. Теоретические определения всегда давались более тщательно и включали все частоты. К сожалению, в стандартных справочных работах нет согласия по поводу того, какими должны быть эти диапазоны - значения для верхнего предела альфа и нижнего предела бета включают 12, 13, 14 и 15. Если порог принят равным 14 Гц, тогда самая медленная бета-версия волна имеет примерно ту же продолжительность, что и самый длинный всплеск (70 мс), что делает это значение наиболее полезным.

Полосы частот ЭЭГ: улучшенные определения
Группа Частота (Гц)
Дельта <4
Тета ≥ 4 и <8
Альфа ≥ 8 и <14
Бета ≥ 14

Другие иногда делят полосы на поддиапазоны в целях анализа данных.

ЭЭГ человека с выраженным альфа-ритмом
ЭЭГ человека с выраженным альфа-ритмом

Волновые узоры

  • Дельта-волны - это частотный диапазон до 4 Гц. Как правило, это самые высокие по амплитуде и самые медленные волны. Обычно это наблюдается у взрослых в медленноволновом сне . Это также обычно наблюдается у младенцев. Это может происходить локально с подкорковыми поражениями и в общем случае с диффузными поражениями, метаболической энцефалопатией, гидроцефалией или глубокими поражениями средней линии. Обычно он наиболее выражен спереди у взрослых (например, FIRDA - фронтальная прерывистая ритмическая дельта) и сзади у детей (например, OIRDA - затылочная прерывистая ритмическая дельта).
  • Тета - это частотный диапазон от 4 Гц до 7 Гц. Тета обычно наблюдается у маленьких детей. Это может проявляться в сонливости или возбуждении у детей старшего возраста и взрослых; это также можно увидеть в медитации . Превышение тета для возраста свидетельствует о ненормальной активности. Это можно рассматривать как очаговое нарушение в очаговых подкорковых поражениях; его можно увидеть в генерализованном распределении при диффузном заболевании или метаболической энцефалопатии, нарушениях глубокой средней линии или некоторых случаях гидроцефалии. Напротив, этот диапазон был связан с сообщениями о расслабленных, медитативных и творческих состояниях.
  • Альфа - это частотный диапазон от 7 Гц до 13 Гц. Ганс Бергер назвал первую наблюдаемую им ритмическую активность ЭЭГ «альфа-волной». Это был «задний основной ритм» (также называемый «задний доминантный ритм» или «задний альфа-ритм»), наблюдаемый в задних областях головы с обеих сторон, с большей амплитудой на доминирующей стороне. Он возникает при закрытии глаз и при расслаблении и ослабевает при открытии глаз или умственном напряжении. Задний основной ритм у маленьких детей на самом деле медленнее, чем 8 Гц (следовательно, технически в тета-диапазоне).
В дополнение к заднему базовому ритму существуют другие нормальные альфа-ритмы, такие как мю-ритм (альфа-активность в контрлатеральных сенсорных и моторных областях коры головного мозга), который возникает, когда кисти рук и руки бездействуют; и «третий ритм» (альфа-активность в височных или лобных долях). Альфа может быть ненормальной; например, ЭЭГ, которая имеет диффузную альфа-зону, возникающую в коме, и не реагирует на внешние раздражители, называется «альфа-комой».
  • Бета - это частотный диапазон от 14 Гц до примерно 30 Гц. Обычно он виден с обеих сторон в симметричном распределении и наиболее заметен спереди. Бета-активность тесно связана с двигательным поведением и обычно ослабляется во время активных движений. Низкоамплитудный бета-сигнал с множеством различных частот часто ассоциируется с активным, занятым или тревожным мышлением и активной концентрацией. Ритмичная бета-версия с доминирующим набором частот связана с различными патологиями, такими как синдром Dup15q , и действием лекарств, особенно бензодиазепинов . На участках коркового поражения он может отсутствовать или уменьшаться. Это доминирующий ритм у пациентов, которые бдительны, тревожны или с открытыми глазами.
  • Гамма - это частотный диапазон примерно 30–100 Гц. Считается, что гамма-ритмы представляют собой связывание различных популяций нейронов вместе в сеть с целью выполнения определенной когнитивной или моторной функции.
  • Диапазон Mu составляет 8–13 Гц и частично перекрывается с другими частотами. Он отражает синхронную активацию мотонейронов в состоянии покоя. Считается, что подавление Mu отражает двигательные зеркальные нейронные системы, потому что, когда наблюдается действие, паттерн гаснет, возможно, потому, что нормальные и зеркальные нейронные системы «выходят из синхронизации» и мешают друг другу.

«Сверхмедленная» или «почти постоянная » активность регистрируется с помощью усилителей постоянного тока в некоторых исследовательских контекстах. Обычно это не регистрируется в клиническом контексте, потому что сигнал на этих частотах подвержен ряду артефактов.

Некоторые особенности ЭЭГ скорее преходящие, чем ритмичные. Скачки и резкие волны могут указывать на судорожную активность или межприступную активность у людей с эпилепсией или предрасположенностью к эпилепсии. Другие переходные признаки нормальны: при нормальном сне видны вершинные волны и сонные веретена.

Обратите внимание, что есть виды активности, которые статистически необычны, но не связаны с дисфункцией или заболеванием. Их часто называют «нормальными вариантами». Мю-ритм - пример нормального варианта.

Нормальная электроэнцефалограмма (ЭЭГ) зависит от возраста. Пренатальная EEG и неонатальный ЭЭГ довольно сильно отличается от взрослого EEG. Плоды в третьем триместре и новорожденные демонстрируют два общих паттерна мозговой активности: «прерывистый» и «следовой альтернативный». «Прерывистая» электрическая активность означает резкие всплески электрической активности, за которыми следуют низкочастотные волны. Электрическая активность "следа альтернативы" описывает резкие всплески, за которыми следуют короткие интервалы с высокой амплитудой, и обычно указывает на спокойный сон у новорожденных. ЭЭГ в детстве обычно имеет более медленные колебания частоты, чем ЭЭГ взрослых.

Нормальная ЭЭГ также варьируется в зависимости от состояния. ЭЭГ используется вместе с другими измерениями ( ЭОГ , ЭМГ ) для определения стадий сна в полисомнографии . Сон I стадии (в некоторых системах эквивалентен сонливости) отображается на ЭЭГ как выпадение заднего основного ритма. Может быть увеличение тета-частот. Сантамария и Чиаппа составили каталог различных паттернов, связанных с сонливостью. Стадия II сна характеризуется сонными веретенами - кратковременными циклами ритмической активности в диапазоне 12–14 Гц (иногда называемых «сигма-полосой»), которые имеют фронтально-центральный максимум. Большая часть активности на Этапе II находится в диапазоне 3–6 Гц. Стадии III и IV сна определяются наличием дельта-частот и часто вместе именуются «медленноволновым сном». Стадии I – IV включают медленный (или медленный) сон. ЭЭГ в фазе быстрого сна (быстрое движение глаз) несколько похожа на ЭЭГ бодрствования.

ЭЭГ под общим наркозом зависит от типа применяемого анестетика. С галогенированными анестетиками, такими как галотан, или внутривенными средствами, такими как пропофол , быстрый (альфа- или низкий бета), нереактивный паттерн ЭЭГ наблюдается на большей части волосистой части головы, особенно спереди; в некоторой старой терминологии это было известно как WAR (широко распространенный передний быстрый) паттерн, в отличие от WAIS (широко распространенный медленный) паттерн, связанный с высокими дозами опиатов . Эффекты анестезии на сигналы ЭЭГ начинают понимать на уровне воздействия лекарств на различные виды синапсов и цепей, которые позволяют синхронизировать нейронную активность (см. Http://www.stanford.edu/group/maciverlab/ ).

Артефакты

Биологические артефакты

Основные типы артефактов на ЭЭГ человека
Основные типы артефактов на ЭЭГ человека

Электрические сигналы, обнаруживаемые на коже черепа с помощью ЭЭГ, но не имеющие церебрального происхождения, называются артефактами . Данные ЭЭГ почти всегда содержат такие артефакты. Амплитуда артефактов может быть довольно большой по сравнению с размером амплитуды интересующих корковых сигналов. Это одна из причин, почему для правильной клинической интерпретации ЭЭГ требуется значительный опыт. Некоторые из наиболее распространенных типов биологических артефактов включают:

  • артефакты, индуцированные глазами (включая моргание, движение глаз и активность экстраокулярных мышц)
  • ЭКГ (сердечные) артефакты
  • Артефакты, вызванные ЭМГ (активацией мышц)
  • глоссокинетические артефакты
  • артефакты дефекта черепа, такие как артефакты, обнаруженные у пациентов, перенесших трепанацию черепа, которые можно описать как «эффект нарушения» или «нарушение ритма»

Наиболее заметные артефакты, индуцированные глазами, вызваны разницей потенциалов между роговицей и сетчаткой , которая довольно велика по сравнению с церебральными потенциалами. Когда глаза и веки полностью неподвижны, этот корнео-ретинальный диполь не влияет на ЭЭГ. Однако моргания происходят несколько раз в минуту, движения глаз происходят несколько раз в секунду. Движения век, происходящие в основном во время моргания или вертикальных движений глаз, вызывают большой потенциал, который проявляется в основном в разнице между каналами электроокулографии (ЭОГ) над и под глазами. Установленное объяснение этого потенциала рассматривает веки как скользящие электроды, которые замыкают положительно заряженную роговицу на внешнюю кожу. Вращение глазных яблок и, следовательно, диполя роговицы и сетчатки увеличивает потенциал в электродах, на которые поворачиваются глаза, и уменьшает потенциалы в противоположных электродах. Движения глаз, называемые саккадами, также генерируют переходные электромиографические потенциалы, известные как потенциалы саккадических пиков (SP). Спектр этих SP перекрывает гамма-диапазон (см. Гамма-волна ) и серьезно затрудняет анализ индуцированных откликов в гамма-диапазоне, требуя индивидуальных подходов к коррекции артефактов. Целенаправленное или рефлекторное моргание глаз также генерирует электромиографические потенциалы, но, что более важно, во время моргания возникает рефлексивное движение глазного яблока, которое дает характерный артефактный вид ЭЭГ (см . Феномен Белла ).

Артефакты дрожания век характерного типа ранее назывались каппа-ритмом (или каппа-волнами). Обычно это видно в префронтальных отведениях, то есть прямо над глазами. Иногда они наблюдаются при умственной деятельности. Обычно они находятся в диапазоне тета (4–7 Гц) или альфа (7–14 Гц). Их назвали потому, что считалось, что они происходят из мозга. Позже исследование показало, что они были вызваны быстрым трепетанием век, иногда настолько незначительным, что его было трудно увидеть. На самом деле они представляют собой шум при чтении ЭЭГ, и технически их не следует называть ритмом или волной. Таким образом, современное использование в электроэнцефалографии относится к этому явлению как артефакту трепетания век, а не к каппа-ритму (или волне).

Некоторые из этих артефактов могут быть полезны в различных приложениях. Например, сигналы ЭОГ можно использовать для обнаружения и отслеживания движений глаз , которые очень важны в полисомнографии , а также в обычной ЭЭГ для оценки возможных изменений бдительности, сонливости или сна.

Артефакты ЭКГ довольно распространены и могут быть ошибочно приняты за пиковую активность. Из-за этого современная регистрация ЭЭГ обычно включает одноканальную ЭКГ от конечностей. Это также позволяет ЭЭГ , чтобы идентифицировать сердечные аритмии , которые являются важным дифференциальный диагноз с синкопе или других эпизодических расстройств / атаки.

Глоссокинетические артефакты вызваны разностью потенциалов между основанием и кончиком языка. Незначительные движения языка могут загрязнять ЭЭГ, особенно при паркинсонизме и треморе .

Артефакты окружающей среды

Помимо артефактов, создаваемых телом, многие артефакты происходят извне. Движение пациента или даже просто установка электродов может вызвать толчки электродов , всплески, возникающие из-за мгновенного изменения импеданса данного электрода. Плохое заземление электродов ЭЭГ может вызвать значительные артефакты с частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от частоты местной электросети . Третьим источником возможных помех может быть наличие капельницы ; такие устройства могут вызывать ритмичные быстрые всплески низкого напряжения, которые можно принять за всплески.

Артефакты движения создают сигнальный шум, который может маскировать интересующий нейронный сигнал.

Фантомная голова с ЭЭГ может быть помещена на подвижную платформу и перемещена синусоидальным образом. Это изобретение позволило исследователям изучить эффективность алгоритмов удаления артефактов движения. Используя ту же модель фантомной головы и движущейся платформы, было определено, что раскачивание троса было основным фактором артефактов движения. Однако увеличение площади поверхности электрода имело небольшой, но значительный эффект на уменьшение артефакта. Это исследование спонсировалось Исследовательской лабораторией армии США в рамках Совместного технического альянса по когнитивным исследованиям и нейроэргономике .

Коррекция артефактов

Простой подход к работе с артефактами - просто удалить эпохи данных, превышающие определенный порог загрязнения, например эпохи с амплитудами выше ± 100 мкВ. Однако это может привести к потере данных, которые все еще содержат информацию без артефактов. Другой подход заключается в применении пространственных и частотных полосовых фильтров для удаления артефактов, однако артефакты могут перекрываться с интересующим сигналом в спектральной области, что делает этот подход неэффективным. В последнее время методы независимого компонентного анализа (ICA) использовались для исправления или удаления загрязняющих веществ ЭЭГ. Эти методы пытаются «разделить» сигналы ЭЭГ на некоторое количество основных компонентов. Существует множество алгоритмов разделения источников, часто предполагающих различное поведение или характер ЭЭГ. Тем не менее, принцип, лежащий в основе любого конкретного метода, обычно позволяет «ремиксировать» только те компоненты, которые могут привести к «чистой» ЭЭГ путем обнуления (обнуления) веса нежелательных компонентов.

Обычно коррекцию артефактов данных ЭЭГ, в том числе классификацию артефактных компонентов ВСА, проводят специалисты по ЭЭГ. Однако с появлением массива ЭЭГ с 64–256 электродами и увеличением числа исследований с большими популяциями ручная коррекция артефактов стала чрезвычайно трудоемкой. Чтобы справиться с этим, а также с субъективностью многих исправлений артефактов, также были разработаны полностью автоматизированные конвейеры отклонения артефактов.

В последние несколько лет при сравнении данных парализованных и непарализованных субъектов было показано, что контаминация ЭЭГ мышцами гораздо более распространена, чем предполагалось ранее, особенно в гамма-диапазоне выше 20 Гц. Однако было показано , что поверхностный лапласиан эффективен в устранении мышечных артефактов, особенно для центральных электродов, которые находятся дальше от самых сильных загрязнений. Комбинация поверхностного лапласиана с автоматизированными методами удаления мышечных компонентов с использованием ICA оказалась особенно эффективной в последующем исследовании.

Аномальная активность

Аномальную активность можно в общих чертах разделить на эпилептиформную и неэпилептиформную активность. Также его можно разделить на очаговый и диффузный.

Фокальные эпилептиформные разряды представляют собой быстрые синхронные потенциалы в большом количестве нейронов в несколько дискретной области мозга. Они могут проявляться как интериктальная активность, между приступами и представляют собой область раздражения коры головного мозга, которая может быть предрасположена к возникновению эпилептических припадков. Интериктальные выделения не являются полностью надежными для определения того, есть ли у пациента эпилепсия и где может возникнуть его / ее припадок. (См. Фокальную эпилепсию .)

Генерализованные эпилептиформные разряды часто имеют передний максимум, но они видны синхронно по всему мозгу. Они сильно указывают на генерализованную эпилепсию.

Очаговая неэпилептиформная аномальная активность может возникать в областях головного мозга, где имеется очаговое повреждение коры или белого вещества . Он часто состоит из учащения ритмов с низкой частотой и / или потери нормальных ритмов с высокой частотой. Это может также проявляться как очаговое или одностороннее уменьшение амплитуды сигнала ЭЭГ.

Диффузная неэпилептиформная аномальная активность может проявляться в виде диффузных аномально медленных ритмов или двустороннего замедления нормальных ритмов, таких как PBR.

Электроды для интракортикальной энцефалограммы и субдуральные электроды можно использовать в тандеме, чтобы отличить и отделить артефакт от эпилептиформных и других тяжелых неврологических событий.

Более продвинутые методы измерения аномальных сигналов ЭЭГ также недавно привлекли внимание как возможные биомаркеры различных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера .

Удаленное общение

В 2009 году Управление исследований армии США выделило 4 миллиона долларов исследователям из Калифорнийского университета в Ирвине на разработку методов обработки ЭЭГ для определения коррелятов воображаемой речи и предполагаемого направления, чтобы солдаты на поле боя могли общаться с помощью компьютерной реконструкции членов команды. «Сигналы ЭЭГ в виде понятных сигналов, например слов. Системы декодирования воображаемой речи из ЭЭГ имеют невоенное применение, например, в интерфейсах мозг-компьютер .

ЭЭГ диагностика

Министерство обороны (МО) и по делам ветерана (VA), и научно - исследовательской лаборатории армии США (ARL), сотрудничал по диагностике ЭЭГ с целью выявления легкой до умеренной черепно - мозговой травмы (mTBI) в бою солдат. В период с 2000 по 2012 год семьдесят пять процентов черепно-мозговых травм в результате военных операций США были классифицированы как mTBI. В ответ Министерство обороны разработало новые технологии, способные к быстрому, точному, неинвазивному и полному обнаружению mTBI для устранения этой травмы.

Боевой состав часто страдает посттравматическим стрессовым расстройством и mTBI одновременно. Оба состояния проявляются измененными низкочастотными колебаниями мозговых волн. Измененные мозговые волны у пациентов с посттравматическим стрессовым расстройством проявляются уменьшением низкочастотных колебаний, тогда как травмы mTBI связаны с повышенными колебаниями низкочастотных волн. Эффективная диагностика ЭЭГ может помочь врачам точно идентифицировать состояния и надлежащим образом лечить травмы, чтобы смягчить долгосрочные последствия.

Традиционно клиническая оценка ЭЭГ включала визуальный осмотр. Вместо визуальной оценки топографии осцилляций мозговых волн количественная электроэнцефалография (qEEG), компьютеризированные алгоритмические методики, анализирует конкретную область мозга и преобразует данные в значимый «спектр мощности» этой области. Точное различие между mTBI и PTSD может значительно увеличить положительные результаты выздоровления для пациентов, особенно потому, что долгосрочные изменения в нейронной коммуникации могут сохраняться после первоначального инцидента mTBI.

Другое распространенное измерение, сделанное на основе данных ЭЭГ, - это измерение сложности, такое как сложность Лемпеля-Зива , фрактальная размерность и спектральная плоскостность , которые связаны с конкретными патологиями или стадиями патологии.

Экономика

Недорогие устройства ЭЭГ существуют для недорогих исследовательских и потребительских рынков. Недавно несколько компаний уменьшили технологию ЭЭГ медицинского уровня, чтобы создать версии, доступные широкой публике. Некоторые из этих компаний построили коммерческие устройства ЭЭГ, продающиеся в розницу менее чем за 100 долларов США.

  • В 2004 году OpenEEG выпустила ModularEEG как оборудование с открытым исходным кодом. Совместимое программное обеспечение с открытым исходным кодом включает игру для балансировки мяча.
  • В 2007 году NeuroSky выпустила первую доступную потребительскую ЭЭГ вместе с игрой NeuroBoy. Это также было первое крупномасштабное устройство ЭЭГ, в котором использовалась технология сухих датчиков.
  • В 2008 году OCZ Technology разработала устройство для использования в видеоиграх, в первую очередь полагаясь на электромиографию .
  • В 2008 году разработчик Final Fantasy Square Enix объявила о сотрудничестве с NeuroSky для создания игры Judecca.
  • В 2009 году Mattel в партнерстве с NeuroSky выпустила Mindflex , игру, в которой использовалась ЭЭГ, чтобы направлять мяч через полосу препятствий. Безусловно, самая продаваемая на сегодняшний день ЭЭГ для потребителей.
  • В 2009 году Uncle Milton Industries в партнерстве с NeuroSky выпустила Star Wars Force Trainer , игру, созданную для создания иллюзии обладания Силой .
  • В 2009 году Emotiv выпустила EPOC, 14-канальное устройство ЭЭГ. EPOC - это первый коммерческий BCI, в котором не используется технология сухих датчиков, требующая от пользователей нанесения физиологического раствора на электродные подушечки (которые необходимо увлажнять через час или два использования).
  • В 2010 году NeuroSky добавила в MindSet функцию мигания и электромиографии.
  • В 2011 году NeuroSky выпустила MindWave, устройство ЭЭГ, предназначенное для образовательных целей и игр. MindWave получил награду Книги рекордов Гиннеса как «Самая тяжелая машина, перемещаемая с помощью интерфейса управления мозгом».
  • В 2012 году японский проект гаджетов neurowear выпустил Necomimi: гарнитуру с моторизованными кошачьими ушами. Гарнитура представляет собой устройство NeuroSky MindWave с двумя моторами на оголовье там, где могут быть кошачьи уши. Чехлы в форме кошачьих ушей закрывают двигатели, так что, когда устройство регистрирует эмоциональные состояния, уши двигаются, чтобы общаться. Например, в расслабленном состоянии уши опускаются в стороны и поднимаются вверх, когда снова возбуждены.
  • В 2014 году OpenBCI выпустила одноименный интерфейс мозг-компьютер с открытым исходным кодом после успешной кампании на кикстартере в 2013 году. Базовый OpenBCI имеет 8 каналов с возможностью расширения до 16 и поддерживает ЭЭГ, ЭКГ и ЭМГ . OpenBCI основан на микросхеме Texas Instruments ADS1299 и микроконтроллере Arduino или PIC и стоит 399 долларов за базовую версию. В нем используются стандартные металлические чашечные электроды и токопроводящая паста.
  • В 2015 году компания Mind Solutions Inc. выпустила самый маленький потребительский BCI на сегодняшний день - NeuroSync . Это устройство работает как сухой датчик и имеет размер не больше наушника Bluetooth .
  • В 2015 году китайская компания Macrotellect выпустила BrainLink Pro и BrainLink Lite , носимый ЭЭГ-продукт потребительского уровня, предлагающий 20 приложений для улучшения состояния мозга в магазинах приложений Apple и Android .

Будущие исследования

ЭЭГ использовалась для многих целей, помимо обычных применений в клинической диагностике и традиционной когнитивной нейробиологии. Раннее использование было во время Второй мировой войны авиационным корпусом армии США для отсеивания пилотов, которым угрожала опасность конфискации; Долгосрочные записи ЭЭГ у пациентов с эпилепсией все еще используются для прогнозирования приступов . Нейробиоуправление остается важным расширением, и в его наиболее продвинутой форме также пытаются использовать в качестве основы интерфейсов мозга и компьютера . ЭЭГ также довольно широко используется в области нейромаркетинга .

На ЭЭГ влияют препараты, влияющие на функции мозга, химические вещества, лежащие в основе психофармакологии . Ранние эксперименты Бергера зафиксировали влияние лекарств на ЭЭГ. Наука фармако-электроэнцефалография разработала методы идентификации веществ, которые систематически изменяют функции мозга, для терапевтического и рекреационного использования.

Honda пытается разработать систему, позволяющую оператору управлять своим роботом Asimo с помощью ЭЭГ, технологии, которую она в конечном итоге надеется внедрить в свои автомобили.

ЭЭГ использовались в качестве доказательства в уголовных процессах в индийском штате Махараштра . Профилирование сигнатуры электрических колебаний мозга (BEOS), метод ЭЭГ, использовался в судебном процессе по делу Штат Махараштра против Шармы, чтобы показать, как Шарма помнил, как использовал мышьяк для отравления своего бывшего жениха, хотя надежность и научная основа BEOS оспариваются.

В настоящее время проводится множество исследований, чтобы сделать устройства ЭЭГ меньшими, более портативными и более простыми в использовании. Так называемая «носимая ЭЭГ» основана на создании маломощной беспроводной собирающей электроники и «сухих» электродов, которые не требуют использования проводящего геля. Носимые устройства ЭЭГ предназначены для создания небольших устройств ЭЭГ, которые находятся только на голове и могут записывать ЭЭГ в течение нескольких дней, недель или месяцев, как ЭЭГ уха . Такой длительный и простой в использовании мониторинг может существенно изменить диагностику хронических состояний, таких как эпилепсия, и значительно улучшить принятие систем BCI конечными пользователями. Также проводятся исследования по поиску конкретных решений для увеличения срока службы батареи носимых устройств ЭЭГ за счет использования подхода сокращения данных. Например, в контексте диагностики эпилепсии обработка данных использовалась для продления срока службы батареи переносных устройств ЭЭГ за счет интеллектуального выбора и передачи только диагностически значимых данных ЭЭГ.

В настоящее время в исследованиях часто используется ЭЭГ в сочетании с машинным обучением . Данные ЭЭГ предварительно обрабатываются для передачи в алгоритмы машинного обучения. Затем эти алгоритмы обучаются распознавать различные заболевания, такие как шизофрения , эпилепсия или деменция . Кроме того, они все чаще используются для изучения обнаружения припадков. С помощью машинного обучения данные можно анализировать автоматически. В конечном итоге это исследование направлено на создание алгоритмов, которые поддержат врачей в их клинической практике и предоставят более глубокое понимание болезней. В этом ключе часто вычисляются меры сложности данных ЭЭГ, такие как сложность Лемпеля-Зива , фрактальная размерность и спектральная плоскостность . Было показано, что объединение или умножение таких показателей может выявить ранее скрытую информацию в данных ЭЭГ.

ЭЭГ сигналы от музыкальных исполнителей были использованы для создания мгновенных композиций и один компакта - диска с помощью музыкального проекта Гениального, бегите в музыкальном центре компьютера в Колумбийском университете по Брэд Гартону и Дэйв солдат . Точно так же часовая запись мозговых волн Энн Друян была включена в « Золотую запись Вояджера» , запущенную на зондах « Вояджер» в 1977 году, на случай, если какой-либо инопланетный разум сможет расшифровать ее мысли, в том числе влюбиться.

Смотрите также

использованная литература

65. Кейпер, А. (2006). Эпоха нейроэлектроники. Новая Атлантида , 11, 4-41.

дальнейшее чтение

внешние ссылки