BPZ – wykład – 26.03.2012r.
Czynność bioelektryczna mózgu – elektroencefalografia
W 1875r. czynność bioelektryczną mózgu opisał po raz pierwszy angielski fizjolog Caton.
W latach 90-tych XIXw. Becki i Cybulski w Krakowie odprowadzali i rejestrowali prądy czynnościowe w mózgu psa i małpy za pomocą galwanometrów.
W 1929r. po raz pierwszy czynność bioelektryczna mózgu u człowieka badał niemiecki psychiatra Berger.
Obecnie EEG- podstawowe badanie kliniczne, dostarczające cennych informacji w rozpoznawaniu mózgowych ognisk o zmiennej aktywności bioelektrycznej. Kluczowa rola przypada w diagnostyce i leczeniu padaczki.
Zapis aktywności elektrycznej bezpośrednio z powierzchni mózgu (np. w czasie zabiegu odsłonięcia półkul) nosi nazwę elektrokortykogramu (ECG)
Jest to badanie tanie, obciążone wadliwością.
Metoda badania – nie takie ważne
Potencjały elektryczne mózgu człowieka odbiera się przy użyciu odprowadzeni:
Jednobiegunowych: elektroda obojętna przymocowana do płatka ucha i uziemiona, elektrody czynne w liczbie 19 (21) umieszczone po 8 nad każdą półkulą mózgową, a 3 w linii środkowej rejestruje się różnice potencjałów pomiędzy elektrodą obojętną a poszczególnymi czynnymi elektrodami w różnych okolicach mózgu. Stosuje się określone układy połączeń (podłużny lub poprzeczny) czyli tzw. montaż.
Dwubiegunowych: odprowadzenia mogą być liczne i mogą dawać dowolna liczbę zapisów EEG.
Metody zmiany aktywności bioelektrycznej
Mają zastosowanie różne metody:
Hiperwentylacja (40-50 głębokich oddechów celem obniżenia prężności CO2 w płynach ustrojowych, co uwydatnia zmiany patologiczne); u osoby zdrowej nie powinno to wpłynąć na wynik EEG, ale u osoby z jakimiś zmianami to na EEG wyjdzie w zapisie.
Fotostymulacja (bodźce świetlne powtarzane w ciągu 2 lub więcej minut)
Otwarcie oczu Polecenie wykonania którejs z tych prób.
Zasada EEG
Czynność bioelektryczna mózgu, rejestrowana w EEG pochodzi głównie z powierzchniowych warstw kory mózgowej.
Czynność bioelektryczna mózgu jest wynikiem kolejno po sobie postępującej depolaryzacji i repolaryzacji błony komórkowej dendrytów neuronów korowych.
Potencjały elektryczne odbierane z powierzchni kory powstają na skutek przesuwania się stanu czynnego wzdłuż dendrytów od ciała komórkowego neuronu w kierunku powierzchni mózgu i odwrotnie, co prowadzi do zmiany biegunowości tej powierzchni. W głąb i na powierzchnię, w głąb i na powierzchnię, ciągle i znów, Przesuwa się w stanie czynnym od ciała kom w kierunku powierzchni.
Potencjał wywołany
Badając potencjały korowe, wywoływane drżeniem receptorów obwodowych lub dróg aferentnych, można na powierzchni kory zarejestrować kolejno: drogi swoiste, szybkie, daje potencjał w korze czuciowej, ktoś nas tylko dotyka w rękę i od razu wiemy, że w rękę, nie musimy się nad tym zastanawiać. VS nieswoisty układ siatkowaty, który idzie na resztę kory, aktywuje oun. To jest ten potencjał pochodzący z tego drugiego etapu: następczego
Potencjał wywołany o ujemnym, najkrótszym okresie latencji, po którym występują:
Potencjały następcze, krótki dodatni i długi ujemny
Ten ostatni w odróżnieniu od zlokalizowanego potencjału „pierwotnego” jest „rozlany”, dotyczy sąsiadujących obszarów kory i zachodzi po dłuższym okresie latencji.
Aktywność bioelektryczna neuronów - ważne
Potencjały korowe są sumą potencjałów pobudzonych w danej chwili neuronów i wypustek.
Im więcej neuronów korowych w pewnych odstępach czasu ulega rytmicznemu pobudzeniu, tym:
Wyższa jest wypadkowa amplituda potencjałów korowych
i
Mniejsza jest częstotliwość potencjałów korowych.
Mówimy o synchronizacji potencjałów korowych (w czasie snu lub po zniszczeniu lub farmakologicznym zablokowaniu RAS). !!!
Jeżeli w korze występują w różnym czasie i z dużą częstotliwością potencjały aktywnych neuronów korowych to znoszą się one wzajemnie, co prowadzi do:
Spadku amplitudy potencjałów korowych
i
Wzrostu częstotliwości potencjałów korowych
Mówimy o desynchronizacji potencjałów korowych.
Rodzaje czynności bioelektrycznej mózgu
Czuwanie: neurony struktur mózgowych wytwarzają potencjały w sposób nieskoordynowany – fale o dużej częstotliwości i małej amplitudzie – fale szybkie – EEG desynchronizowany.
Sen, drzemka: wyładowania poszczególnych neuronów odbywają się w tym samym czasie fale o małej częstotliwości i dużej amplitudzie- fale wolne- EEG zsynchronizowany.
Przejście ze snu do czuwania- przejście od fal wolnych do fal szybkich- desynchronizacja EEG.
Przejście ze stanu czuwania do snu- przejście od fal szybkich do fal wolnych- synchronizacja EEG.
Obudzenie pod wpływem bodźca z towarzyszącą desynchronizacją EEG – reakcja wzbudzenia lub wzbudzenie. Słaby bodziecnie zawsze nas obudzi, brak widocznej zmiany w zachowaniu, ale masz mózg już wie, że trzeba będzie się obudzić; występują zmiany w EEG, desynchronizacja!
Gdy bodziec jest słaby, może nie wywołać widocznej zmiany w zachowaniu, ale powoduje desynchronizację EEG – elektroencefalograficzna reakcja wzbudzenia.
Przy większej intensywności bodźca dochodzi do desynchronizacji EEG i zmian w zachowaniu (oznaki pobudzenia)- behawioralna reakcja wzbudzenia. Widzimy zmianę w zachowaniu, czyli i desynchronizacja EEG oraz zmiana w zachowaniu.
Rejestrowane fale
Wynikiem aktywności bioelektrycznej kory są różne potencjały, które w postaci fal można rejestrować z powierzchni głowy (EEG) lub z kory mózgowej (ECG).
Fale alfa – okolica potyliczno-ciemieniowej: tył mózgu
Zmienna amplituda (ok. 50uV) i częstotliwość (8-14Hz).
Są wyrazem synchronizacji czynności wielu dendrytów.
Pojawiają się w stanie czuwania z relaksem przy zamkniętych oczach.
Ulegają zablokowaniu podczas wysiłku umysłowego ( rozwiązywanie zadań matematycznych), albo przy otwarciu oczu i zadziałaniu na nie światła (blokowanie rytmu alfa jest wyrazem desynchronizacji).
Fale beta – okolica kory ruchowo-czuciowej (przednie okolice głowy):
Amplituda do 20uV, częstotliwość 15-30Hz;
Są wyrazem desynchronizacji czynności bioelektrycznej kory;
Nasilają się pod wpływem bodźców (otwarcie oczu); potęgują desynchronizacjaę
Powodują blokadę rytmu alfa
Amplituda ulega obniżeniu pod wpływem bodźców kinestetycznych (zaciśnięcie pięści);
Fale theta- rejestrowane z okolic skroniowych i ciemieniowych:
Wysoka amplituda (do 100 uV), częstotliwość 4-7 Hz
Pochodzą od aktywności elektrycznej hipokampa
Fale delta- występują w czasie snu:
Częstotliwość poniżej 1-3 Hz
Występują niekiedy na przemian z wyładowaniami w kształcie wrzecion, składających się z fal o częstotliwości 12-14 Hz.
Stan czuwania i snu
EEG zmienia się w zależności od stanu czuwania i snu:
Stan czuwania: wzmaga częstotliwość potencjałów elektrycznych mózgu i obniża amplitudę.
Stan spoczynku (relaks, drzemka): zwalnia częstotliwość potencjałów elektrycznych mózgu i zwiększa amplituda fal.
W warunkach fizjologicznych mogą zachodzić zmiany amplitudy i częstotliwości fal EEG w zależności od:
Składu chemicznego (np. zawartość glukozy we krwi); obniżenie stężenia glukozy we krwi wywołuje zwolnienie częstotliwości fal.
Stanu fizycznego (np. ciśnienie parcjalne gazów we krwi); obniżenie prężności tlenu lub wzrostu prężności gazów: CO2 powoduje przyspieszenie częstotliwości i obniżenie amplitudy fal.
Biorytmy – sen i czuwanie
Rytmika zjawisk biologicznych (biorytmy) przyporządkowuje zmiany staniu organizmu do okresowych zmian otaczającego środowiska. Zwierzęta wiedzą, kiedy spać, a kiedy nie spać. Cykliczne zmiany związane z naszym zegarem biologicznym.
Rytmy biologiczne mogą:
Mieć charakter wewnątrzustrojowy (endorytmy nasze rytmy wewnętrzne): okresowość procesów fizjologicznych jest regulowana przez mechanizm fizjologiczny – „zegar biologiczny” (ośrodki podwzgórza w jądrach nadskrzyżowaniowych)- neurony wykazują rytmiczne wyładowywania, synchronizujące rytmy okołodobowe.
Być inicjowane przez środowisko zewnętrzne (egzorytm): bodźce środowiskowe (synchronizatory - to są te bodźce zewnętrzne), np. świetlne, jedynie synchronizują występowanie biorytmów z odpowiednim cyklem czynników środowiskowych. Środowiskowe czynniki wywołujące to noszą tez nazwę wyznaczników rytmu (oświetlenie, wilgotność powietrza, temperatura).
Rytmy okołodobowe
Rytmom okołodobowym podlegają procesy:
Sen – czuwanie
Temperatura ciała
Wydzielanie hormonów (hormon wzrostu, kortykoidy nadnercza, aniny katecholowe)
Łaknienie i pobieranie pokarmu
Aktywność behawioralna
Wydolność umysłowa
Warunki normalne: rytmy okołodobowe mają związek z cyklem „światło- ciemność” (ruch planety wokół Słońca)
Warunki całkowitej izolacji od środowiska (wyłączone zostają synchronizatory - pomieszczenie wyciszone o jednakowym oświetleniu): procesy fizjologiczne nadal zachowują cykliczność dobowa, ale nie pokrywającą się z 24- godzinnym cyklem. Zwykle wydłużenie rytmu do 25 godzin, a przy dłuższym pobycie w warunkach izolacji 30-40 godzin. (Nasze procesy dalej zachodzą cyklicznie, dalej działają w tym samym rytmie)
Rytmy krótsze od okołodobowych (ultradialne)
W organizmie zachodzą też rytmy krótsze od okołodobowych:
Fazy snu (naprzemienność faz snu o nieszybkich ruchach gałek ocznych – NREM i szybkich ruchach gałek – REM).
Okresowe zmiany tętna
Okresowe zmiany ciśnienia tętniczego
Okresowe zmiany oddychania
Okresowe zmiany czynności przewodu pokarmowego i jego gruczołów
Te niewielkie rytmy nakładają się na podstawowy rytm okołodobowy.
Rytmy dłuższe od okołodobowych
Znaczenie mają:
Rytmy miesięczne (np. miesiączkowe).
Rytmy długookresowe (sezonowe), zwłaszcza roczne, których wyznacznikami są środowiskowe bodźce, szczególnie świetlne, czyli fotoperiody i cieplne.
Oscylatory
Oscylatory: sieć nerwowa lub ośrodki o zmiennym nasileniu aktywności o różnych porach doby – sterowanie rytmiką funkcji fizjologicznych.
Oscylatory funkcjonują autonomicznie, generują rytmy wolnobiegnące, bez udziału czynnika zewnętrznego i modyfikują czynności ośrodków nerwowych, gruczołów wydzielania wewnętrznego i innych narządów.
Siatkówka oka odbiera informacje o warunkach oświetlenia, które służą synchronizacji rytmów biologicznych z dobową sekwencja dnia i nocy. Przekazywanie tych informacji z tych fotoreceptorów do ośrodków mózgowych odbywa się za pośrednictwem odrębnych komórek zwojowych siatkówki.
Informacja o warunkach oświetlenia siatkówki dociera do ośrodków:
Jądra nadskrzyżowaniowego
Ciała kolankowatego bocznego
Rozproszonych obszarów w podwzgórzu
Jądro nadskrzyżowane podwzgórza
Steruje rytmiką dobową czynności fizjologicznych.
Impulsy nerwowe z jądra są przekazywane do ośrodków podwzgórza, które regulują procesy fizjologiczne o cyklicznym przebiegu:
Wydzielani hormonów (hormony gonadotropowe, prolaktyna, hormon wzrostu);
Utrzymanie temperatury ciała
Pobieranie pokarmu
Wydalanie moczu
W jądrze bierze początek droga do:
Ośrodków współczulnych (odcinek piersiowy rdzenia)
Szyszynki (wydzielanie melatoniny)
Wzrost aktywności jądra- w jasnej fazie doby
Spadek aktywności jądra- w ciemnej fazie doby
Wahania aktywności neuronów jądra są wyrazem zmian w sieci nerwowej tego jądra- czynności fizjologiczne zachowują oscylacyjny przebieg również u zwierząt trzymanych w stałej ciemności.
Czuwanie i sen
Rytmika czuwania i snu odpowiada naturalnej sekwencji dnia i nocy, a czynnikiem synchronizującym z okresami doby astronomicznej jest światło.
Największa aktywność człowieka przypada na dzień – zwłaszcza na jego pierwszą połowę (gryzonie – wzrost aktywności w nocy)
??? – do uzupełniania
Stan czuwania jest warunkiem utrzymania pełnej łączności z otoczeniem tzn. zdolność odbierania wrażeń pod wpływem bodźców środowiskowych i aktywnego reagowania na te bodźce.
Sen polega na wyłączeniu świadomości, braku wrażeń, zahamowaniu dowolnej aktywności ruchowej i zmianach wielu czynności autonomicznych (sen nocny ustala się w pełni u dziecka półrocznego).
Poziom czuwania zmienia się zależnie od..
Cechy
Czujność: optymalny stan czuwania – zdolność do optymalnego reagowania na bodźce środowiskowe, lepsza percepcja wrażeń, łatwiejsze uczenie się.
Habituacja: w miarę powtarzania się tego samego bodźca, reakcja organizmu stopniowo wygasa. Czynny proces sterowany przez układ siatkowy, który wybiórczo hamuje transmisje impulsów w drogach swoistych i który może także zablokować taką transmisję w drogach nieswoistych, prowadząc do snu.
Uwaga: stan zwiększonej czujności, ale tylko wobec określonych bodźców Jest głównym procesem psychicznym umożliwiającym uczenie się i aktywne reagowanie na określone bodźce środowiskowe.
Sen (podobnie jak czuwanie): nie jest jednolitym stanem. Składa się z odpowiednich stanów cyklicznie przechodzących jedne w drugie.
Rytmika czynności psychicznych
Rytmice podlega:
Poziom czujności (szczyt między godz. 12:00 a 14:00)
Wydolność umysłowa
Pamięć i zdolność uczenia się
Badanie elektrofizjologiczne snu
Metody poligraficzne:
Zapis elektroencefalograficzny (EEG)
Zapis ruchów gałek ocznych- elektrookulogram (EDG)
Rejestracja napięcia mięśniowego
Rejestracja potencjałów mięśniowych- elektromiogram (EMG)
Zapis obejmujący EEG, EOG i EMG wykonywany jest przez całą dobę.
W czasie czuwania
EEG: desynchronizacja czynności bioelektrycznej, której towarzyszy:
Rytm podstawowy beta o wysokiej częstotliwości (15-30Hz) i małej amplitudzie (20uV)
Nieregularnie występujący rytm alfa o mniejszej częstotliwości (8-14Hz) i wyższej amplitudzie (50 uV) dominują w czasie czuwania (po zamknięciu lub zasłonięciu oczu)
Napięcie mięśniowe: utrzymuje się na stałym poziomie
EMG: wysokonapięciowa czynność potencjałów mięśniowych
Ruchy gałek ocznych: występują nieregularnie z okresem przyspieszeń i mrugania
Przejście ze stanu czuwania w sen
EEG: stopniowa synchronizacja aktywności bioelektrycznej.
EMG: obniżenie napięcia mięśniowego
Ruchy gałek ocznych: zwolnienie ruchów gałkowych
Cykle NREM i REM
Podczas przejścia ze stanu czuwania w sen dochodzi do wystąpienia tzw. snu wolnofalowego – nazwa pochodzi od zmian w EEG: fal wolnych theta (4-7Hz) i fal delta (1-3HZ) (sen NREM).
W okresie snu NREM wyróżnia się 4 kolejne stadia: NREM 1 do NREM 4.
Po NREM zwykle pojawia się sen REM, określany snem paradoksalnym z uwagi na występowanie zespołu cech w EEG, EOG i EMG zbliżonych do stanu czuwania.
Sen REM
Desynchronizacja aktywności bioelektrycznej kory (częstotliwość nieco niższa, niż podczas czuwania)
Szybkie ruchy gałek ocznych w kierunku poziomym
Napięcie mięśniowe znacznie obniżone, ale pojawiają się sporadyczne krótkie spontaniczne ruchy różnych grup mięśniowych.
Przyspiesza czynność serca, wzrost ciśnienia tętniczego krwi, przyspiesza oddech
Marzenia senne (przebudzony w tym stadium może szczegółowo o nich opowiadać)
Głębokość snu mniejsza niż w NREM 3 i 4.
NREM i REM
Łącznie fazy snu NREM i REM tworzą cykl trwający 70-100min (średnio 90min)
W ciągu nocy występuje 4-6 takich cyklów, przy czym w miarę upływy nocy
Skracają się fazy snu NREM
Wydłużają fazy snu REM
Sen REM zajmuje ok. 20-25% czasu snu całonocnego.
Sen NREM
NREM 1 (5-15% czasu całego snu):
Stopniowy zanik fal alfa i występowanie mieszaniny fal szybkich i wolnych (6-7Hz)
Zwolnienie ruchów gałek ocznych
Obniżenie napięcia mięśniowego
Stopniowe zawężanie świadomości
NREM 2 ( 50-60% czasu całego snu)
Dalsza synchronizacja fal EEG (4-7 Hz) oraz występowanie krótkich serii „wrzecion sennych” (12-14 Hz) i zespołów fali K (fala wolna i następowe wrzeciono)
Zanika świadomość i kontakt z otoczeniem
Dalszy spadek napięcia mięśniowego
NREM 3 i 4 (20% całego czasu snu):
Większe zwolnienie fal EEG (fale theta 4-7Hz i fale delta 1-3Hz)
Ustanie ruchów gałek ocznych
Niewielkie napięcie mięśniowe
Oddech regularny
Ciśnienie tętnicze obniża się w porównaniu ze stanem czuwania
Możliwość marzeń sennych w 4 fazie
Z wiekiem zmienia się czas trwania snu, a także proporcje snu NREM i REM:
Noworodek: REM- 50% (śpi ok. 16h)
W miarę dorastania: zmniejsza się procentowo udział REM ( dziecko 5-letnie- 40%, dziecko 10-letnie- 20%)
20-60 r.ż. – REM- 20%
Procesy fizjologiczne we śnie
W czasie zasypiania i przez kolejne stadia snu NREM większość procesów w organizmie człowieka ulega zwolnieniu
w czasie snu REM większość procesów ulega nasileniu, zbliżając się do poziomu czuwania
Zasada ta znajduje odbicie w :
zapisie EEG, EOG i EMG
czynnościach układu sercowo – naczyniowego, oddechowego i wewnątrzwydzielniczego, w podstawowej przemianie materii
Zmiany fizjologiczne podczas snu
wzrost poziomu kortykosterydów we krwi – druga część nocy (zwiększa się ilość snu REM)
wydzielanie hormonu wzrostu – głównie w czasie snu (zwłaszcza sen NREM 3 i 4)
procesy regeneracyjne o.u.n – głównie w czasie snu REM
wzrost poziomu hormonu luteinizującego i testosteronu – w czasie snu REM
zwiększone wydzielanie hormonu tyreotropowego i amin katecholowych – głównie okres czuwania i znacznie spada w czasie snu.
zahamowanie aktywności motorycznej organizmu (zanik ruchów dowolnych i współruchów, obniżenie napięcia mięśniowego) – sen NREM
sporadyczne, nieskoordynowane ruchy kończyn i tułowia – sen REM
spowolnienie oddychania, pogłębienie ruchów oddechowych, zwolnienie akcji serca, rozszerzenie naczyń tętniczych, spadek ciśnienia tętniczego – sen NREM
zwolnienie procesów metabolicznych, upośledzenie procesów termoregulacyjnych, zwiększona utraty ciepła i spadek temperatury rektalnej (ok. 1-1.5 st. C) w czasie 5-6 godzinnego snu nocnego.
Znaczenie snu
dorosły człowiek przesypia ok. 30% swego życia
Tolerancja na skróceniu snu waha się w dużych granicach u poszczególnych ludzi
Skrócenie snu do minimum (4-5 godzin) : nie zaburza aktywności fizycznej, ani umysłowej
Wydłużanie snu ponad minimum: nie przynosi dodatkowej poprawy nastroju i wydolności psychofizycznej
Skrócenie snu:
Poniżej minimum wywołuje:
zaburzenia koncentracji uwagi
obniżenie nastroju
obniżenie sprawności psychofizycznej
Całkowite pozbawienie człowieka snu
Przez kilka dni wywołuje:
zaburzenia myślenia i odbioru wrażeń
dezorientacje
omamy – głównie wzrokowe
zmęczenie
niestabilność psychiczna
Wybiórcze pozbawienie snu
Wybiórcze pozbawienie snu REM
niepokój
rozdrażnienie
trudności w skupieniu uwagi i myśleniu
Wybiórcze pozbawienie snu NREM
zmęczenie
obniżenie reakcji
depresja
Zaburzenia snu
śpiączka : patologiczny stan utraty świadomości: może wynikać z przyczyn metabolicznych (pozamózgowych), albo strukturalnych (pierwotne uszkodzenie mózgu); towarzyszą duże zmiany EEG
bezsenność – około 15% dorosłych
inne:
spontanicznie przerwany oddech (bezdech senny)
zgrzytanie zębami
mówienie w czasie snu
somnambulizm (chodzenie podczas snu)
moczenie nocne
nocne koszmary
Melatonina:
Uwalniana z szyszynki ma aktywować mechanizm cyklu czuwanie-sen działając na specjalny ośrodek w międzymózgowiu
Światło padające na siatkówkę hamuje na drodze nerwowej uwalnianie melatoniny i eliminuje jej udział w aktywacji snu
Wydzielanie melatoniny różni się w zależności od okresu życia:
Amplituda rytmu melatoninowego tzn. różnica między maksymalnym stężeniem hormonu we krwi nocą i minimalnym stężeniem w ciągu dnia wzrasta do okresu pokwitania, a następnie zmniejsza się z wiekiem (zaburzenia snu u osób starszych jako wynik niskiego poziomu melatoniny w ciągu nocy)
Potrzeba snu a skłonność do snu:
czas snu następujący po przedłużonym okresie czuwania jest krótszy niżby to wynikało z ogólnego deficytu snu
u ludzi pozbawionych snu obserwowano wahania poziomu czujności a nie stale jego obniżenie
czas snu nie odzwierciedla bezpośrednio stopnia biologicznej potrzeby snu
uczucie senności przeplata się w ciągu dnia z okresami zwiększonego poziomu czujności
aby sen pełnił funkcje regeneracyjna musi przypadać na odpowiednia porę doby
głębokość snu jest największa w 4 okresie snu NREM (sen delta)
wkrótce po zaśnięciu pojawiają się okresy i 4 snu NREM
w drugiej połowie nocy przeważa okres 2 a nawet 1 przeplatane z epizodami snu REM
sen następujący o przedłużonym okresie czuwania zawiera więcej niż normalnie fal wolnych delta, a sen REM nie zmienia się lub wydłuża się stosunkowo nieznacznie.
Mechanizmy snu
Sen zależy od 2 odrębnych mechanizmów:
od czynnika homeostatycznego (potrzeba snu). Potrzeba snu narasta w miarę trwania czasu czuwania
od tzw. Skłonności do snu. Jest regulowane przez „zegar biologiczny” wykazuje oscylacje dobowe: najmniejsza w ciągu dnia, narastać wieczorem i zmniejsza się nad ranem
Normalny sen nocny przypada na okres, gdy odpowiedni poziom potrzeby snu nakłada się na odpowiedni poziom skłonności do snu. Standard snu: pomiędzy 23:00-7:00