BPZ, 26.03.2012

Elektroencelografia. Czuwanie i sen

Czynności bioelektryczna mózgu - elektroencefalografia

• W 1875 r. czynność bioelektryczną mózgu opisano po raz pierwszy angielski fizjolog Caton

• W latach 90 – tych XIX w. Beck i Cybulski w Krakowie odprowadzali i rejestrowali prądy czynnościowe z mózgu psa i małpy za pomocą galwanometrów

• W 1929r. po raz pierwszy czynność bioelektryczną mózgu u człowieka badał niemiecki psychiatra Berger

• Obecnie EEG – podstawowe badanie kliniczne, dostarczające cennych informacji w rozpoznawaniu mózgowych ognisk o zmienionej aktywności bioelektrycznej

• Zapis aktywności elektrycznej bezpośrednio z powierzchni mózgu (np. w czasie zabiegu odsłonięcia półkuli) nosi nazwę elektrokortykogramu (ECG)

Metody badania

Potencjały elektryczne mózgu człowieka odbiera się przy użyciu odprowadzeń

1. Jednobiegunowych

2. Dwubiegunowych

Badanie polega na rejestrowaniu różnic potencjałów pomiędzy elektrodą obojętną a poszczególnymi elektrodami czynnymi w różnych okolicach mózgu.

Układ 10-20 – rozmieszczenie elektrod symetrycznie na obu półkulach

Metody zmiany aktywności bioelektrycznej

Mają zastosowanie różne metody:

1. Hiperwentylacja (40-50 głębokich oddechów celem obniżenia prężności CO₂ w płynach ustrojowych, co uwydatnia zmiany patologiczne)

2. Fotostymulacja (bodźce świetlne, powtarzane w ciągu 2 lub więcej minut)

3. Otwarcie oczu

Zasada EEG

1. Czynność bioelektryczna mózgu, rejestrowana w EEHG pochodzi głównie z powierzchniowych warstw kory mózgowej

2. Czynność bioelektryczna jest wynikiem kolejno po sobie następującej depolaryzacji i repolaryzacji błony komórkowej dendrytów neuronów korowych

3. Potencjały elektryczne odbierane z powierzchni kory powstają na skutek przesuwania się stanu czynnego wzdłuż dendrytów …

Potencjał wywołany

Badając potencjały korowe, wywoływane drażnieniem receptorów obwodowych lub dróg aferentnych, można na powierzchni kory zarejestrować kolejno:

1. Potencjał wywołany….

Aktywność bioelektryczna neuronów

• Potencjały korowe SA sumą potencjałów pobudzonych w danej chwili neuronów i ich wypustek

1) im więcej neuronów korowych w pewnych odstępach czasu ulega rytmicznemu pobudzeniu tym:

• Wyższa jest wypadkowa amplituda potencjałów korowych

• Mniejsza jest częstotliwość potencjałów korowych

Mówimy o synchronizacji potencjałów korowych (w czasie snu lub po zniszczeniu lub farmakologicznym zniszczeniu RAS

2) jeżeli w korze występują w różnym czasie i z dużą częstotliwością potencjały aktywnych neuronów korowych, to znoszą się one wzajemne, a to prowadzi do

• Spadku amplitudy potencjałów korowych

• Wzrostu częstotliwości potencjałów korowych

Mówimy o desynchronizacji potencjałów korowych

Rodzaje czynności bioelektrycznej mózgu

1. Czuwanie: neurony struktur mózgowych wytwarzają potencjały w sposób nieskoordynowany – fale o dużej częstotliwości i małej amplitudzie – fale szybkie – EEG desynchronizowany

2. Sen, drzemka: wyładowana poszczególnych neuronów odbywają się w tym samym czasie – fale o małej częstotliwości i dużej amplitudzie - fale wolne – EEG zsynchronizowany

3. Przejście ze snu do czuwania – przejście od fal wolnych do fal szybkich – desynchronizacja EEG

4. Przejście ze stanu czuwania do snu – przejście od fal szybkich, do fal wolnych – synchronizacja EEG

5. Obudzenie pod wpływem podźca z towarzyszącą desynchronizacją EEG – reakcja wzbudzenia lub wzbudzenie

6. Gdy bodziec jest słaby, może nie wywołać widocznej zmiany w zachowaniu, ale powoduje desynchronizację EEG – elektroencelograficzna reakcja wzbudzenia

7. Przy większej intensywności bodźca dochodzi do desynchronizacji EEG i zmian w zachowaniu (oznaki pobudzenia) – behawioralna reakcja wzbudzenia

Rejestrowane fale

Wynikiem aktywności bioelektrycznej kory są różne potencjały, które w postaci fal można rejestrować z powierzchni głowy (EEG) lub z kory mózgowej (ECG)

1. Fale alfa – rejestrowane głownie z okolicy potyliczno – ciemieniowej:

   1. Zmienna amplituda (ok. 50 mikroV) i częstości (8-14 Hz)

   2. Są wyrazem synchronizacji czynności wielu dendrytów

   3. Pojawiają się w stanie czuwania z relaksem przy zamkniętych oczach

   4. Ulegają zablokowaniu podczas wysiłku umysłowego (rozwiązywanie zadań matematycznych), albo przy otwarciu oczu i zadziałaniu na nie światła (blokowanie rytmu alfa jest wyrazem desynchronizacji)

2. Fale beta – rejestrowane z okolicy kory ruchowo – czuciowej (przednie okolice głowy)

   1. Amplituda do 20 uV, częstotliwość 15-30Hz

   2. Są wyrazem desynchronizacji czynności bioelektrycznej kory

   3. Nasilają się pod wpływem bodźców otwarcie oczu

   4. Powodują blokadę rytmu alfa

   5. Amplituda ulega obniżeniu pod wpływem bodźców kinestetycznych (zaciśnięcie pięści)

3. Fale theta – rejestrowane z okolic skroniowych i ciemieniowy

   1. Wysoka amplituda (do 100 uV), częstotliwość 4-7

   2. Pochodzą od aktywności elektrycznej hipokampa

4. Fale delta – występują w czasie snu

   1. Częstotliwość poniżej 1-3 Hz

   2. Występują niekiedy na przemian z wyładowaniami w kształcie wrzecion, składające się z fal o częstotliwości 12-14 Hz

Stan czuwania i snu

EEG zmienia się w zależności od stanu czuwania i snu.

W warunkach fizjologicznych może zmieniać się zapis EEG w zależności od

1. Składu chemicznego krwi( np. glukozy we krwi): obniżenie stężenia glukozy w krwi wywołuje zwolnienie częstotliwości fal

2. Stanu fizycznego (np. ciśnienie parcjalne gazów krwi): obniżenie prężności tlenu lub wzrost prężności CO2 powoduje przyspieszenie częstotliwości i obniżenie amplitudy fal

Biorytmy – sen i czuwanie

• Rytmika zjawisk biologicznych (biorytmy) przyporządkowuje zmiany stanu organizmu do okresowych zmian otaczającego środowiska

Rytmy biologiczne mogą:

1. Mieć charakter wewnątrzustrojowy (endorytmy): okresowość procesów fizjologicznych jest regulowana przez mechanizm fizjologiczny – „zegar biologiczny” (ośrodki podwzgórza w jądrach nadskrzyżowaniowych – neurony wykazują rytmiczne wyładowania, synchronizujące rytmy okołodobowe)

2. Być inicjowane przez środowisk zewnętrzne (egzorytmy): bodźce środowiskowe (synchronizatory), np. świetlne, jedynie synchronizują występowanie biorytmów z odpowiednim cyklem czynników środowiskowych. Środowiskowe czynniki wywołujące to noszą też nazwę wyznaczników rytmu (oświetlenie, wilgotność powietrza, temperatura)

Rytmy okołodobowe

Rytmom okołodobowym podlegają procesy

1. Sen – czuwanie

2. Temp. Ciała

3. Wydzielanie hormonów

4. Łaknienie i pobieranie pokarmu

5. Aktywność behawioralna

6. Wydolność umysłowa i inne

• Warunki normalne: rytmy okołodobowe mają związek z cyklem „świtało – ciemność” (ruch planety wokół słońca)

• Warunki całkowitej izolacji od środowiska (wyłączone zostają synchronizatory – pomieszczenie wyciszone o jednakowym oświetleniu): procesy fizjologiczne nadal zachowują cykliczność dobową, ale nie pokrywającą się z 24-godzinnym cyklem. Zwykle wydłużenie rytmu do 25 godzin a przy dłuższym pobycie w warunkach izolacji - 30-40 godzin

Rytmy krótsze od okołodobowego (ultradialne)

1. Fazy snu (naprzemienność faz snu o nieszybkich ruchach gałek ocznych NREM i szybkich ruchach gałek REM)

2. Okresowe zmiany tętna

3. Okresowe zmiany ciśnienia tętniczego

4. Okresowe zmiany oddechowe

5. Okresowe zmiany czynności przewodu pokarmowego i jego gruczołów

Te niewielkie rytmy nakładają się na podstawowy rytm okołodobowy,

Rytmy dłuższe od okołodobowych:

1. Rytmy miesięczne (miesiączkowanie)

2. Rytmy długookresowe (sezonowe), zwłaszcza roczne, których wyznacznikami są środowiskowe bodźce, szczególnie świetlne, czyli fotoperiody i cieplne

Oscylatory

• Oscylatory: sieci nerwowe lub środki o zmiennym nasileniu aktywności w różnych porach doby – sterowanie rytmiką funkcji fizjologicznych

• Oscylatory funkcjonują autonomicznie, generują rytmy wolnobiegnące, bez udziału czynnika zewnętrznego i modyfikują czynność ośrodków nerwowych, gruczołów wydzielania wewnętrznego i innych narządów

• Siatkówka oka odbiera informacje o warunkach oświetlenia, które służą synchronizacjo rytmów biologicznych z dobową sekwencją dnia i nocy.

• Informacje o warunkach oświetlenia docierają do:

  • Jądra nadskrzyżowaniowego

  • Ciała kolankowego bocznego

  • Rozproszonych obszarów w podwzgórzu

Jądro nadskrzyżowaniowe podwzgórza

• Steruje rytmiką dobową czynności fizjologicznych:

• Impulsy nerwowe z jądra są przekazywane do ośrodków podwzgórza, które regulują procesy fizjologiczne o cyklicznym przebiegu:

  • Wydzielanie 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)

• Spadek aktywności jądra – w ciemnej fazie doby

• Wzrost aktywności jądra – w jasnej fazie doby

• Wahania aktywności neuronów jądra są wyrazem zmian w sieci nerwowej tego jądra - czynności fizjologiczne zachowują oscylacyjny przebieg również u zwierząt trzymanej w stałej ciemności

Czuwanie i sen

1. Rytmika czuwania i snu odpowiada naturalnej sekwencji dnia i nocy. Czynniem synchronizującym jest światło

2. Nie jest to sztywna regulacja (także wymogi życia społecznego i zawodowego oraz nawykami)

3. Sen – wyłączenie świadomości, odcięcie się od bodźców i od wrażeń

Cechy

• Czujność: optymalny stan czuwania – zdolność do optymalnego reagowania na bodźce środowiskowe, lepsza percepcja wrażeń

• Habituacja: przystosowywanie się – w miarę powtarzania tego samego bodźca, reakcja organizmu stopniowo wygasa

• Uwaga: stan zwiększonej czujności, ale tylko wobec określonych bodźców. Jest głównym procesem psychicznym, umożliwiającym uczenie się i aktywne reagowanie na określone bodźce środowiskowe

• Sen: nie jest jednolitym stanem, składa się z cyklów

Rytmika czynności psychicznych

Rytmice podlega:

1. Poziom czujności (szczyt między 12 a 14

2. Wydolność umysłowa

3. Nastrój

4. Pamięć i zdolność uczenia się

Badanie elektrofizjologiczne snu

Metody poligraficzne

1. EEG

2. Zapis ruchów gałek ocznych – elektrookulogram EOG

3. Rejestracja napięcia mięśniowego

4. Rejestracja potencjałów mięśniowych – elektormiogram EMG

Zapis obejmujący EEG, EOG i EMG wykonywany jest przez całą dobę

W czasie czuwania

EEG w stanie czuwania – desynchronizacja czynności bioelektrycznej

1. Rytm podstawowy beta

2. Nieregularnie alfa

• Napięcie mięśniowe – trzymane mniej więcej na stałym poziomie

• EMG: wysokonapięciowa czynność potencjałów mięśniowych

• Ruchy gałek ocznych – nieskoordynowane, nieregularnie murogamu, prszypieszami itd.

Przejście od czuwania w sen

• EEG: synchrinizacha aktywności bioelektrycznej

• EMG: obniżenie napiecia mięśniowego

• Ruchy gałek ocznych: zwolnienie ruchów gałek ocznych

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 Thea i fal delta (sen NREM0

• 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

1. Desynchronizacja aktywności bioelektrycznej kory (częstotliwość nieco niższa, niż podczas czuwania

2. Szybkie ruchy gałek ocznych w kierunku poziomym

3. Napięcie mięśniowe znacznie obniżone, ale pojawiają się sporadyczne, którtkie ruchy różnych grup mięśniowych

4. Przyspieszona czynność sera, wzrost ciśnienia tętniczego krwi, przyspieszony oddech

5. Marzenia senne (przebudzony w tym stadium może szczegółowo o nich opowiadać)

6. Głębokość snu mniejsza niż w NREM 3 i 4.

NREM I REM

• Łącznie 70-100 minut (śr 90 minut)

• W nocy występuje 4-6 takich cyklów, przy czym w miarę upływu nocy:

A) skracają się fazy snu NREM

B) Wydłużają się fasy snu REM

• Sen REM zajmuje ok. 20-25% czasu snu całonocnego

SEN NREM

NREM 1 (5-15% całego snu):

1. Stopniowy zanik fal alfa i występowanie mieszaniny fal szybkich i wolnych

2. Zwolnienie ruchów gałek

3. Obniżenie napięci mięśniowego

4. Stopniowe zawężanie świadomości

NREM 2(50 – 60%)

1. Dalsza synchronizacja fal EEG oraz występowanie krótkich serii „wrzecion sennych” (12-14 Hz) i zespołów fali K (fala wolna i następowe wrzeciona)

2. Zanika świadomość i kontakt z otoczeniem

3. Dalszy spadek napięcia mięśniowego

NREM 3 i 4 (20 %)

1. Większe zwolnienie fal EEG (fale theta i fale delta)

2. Ustanie ruchów gałek ocznych

3. Niewielkie napięcie nerwowe

4. Oddech regularny

5. Ciśnienie tętnicze obniża się

6. Możliwość marzeń sennych w 4 fazie

Z wiekiem zmienia się czas trwania snu, a także proporcje snu NREM I REM

1. Noworodek REM -50% śp ok. 16 godzin

2. W miarę dorastania zmniejsza się procentowo udział REM (dziecko 5-letnie 40%, itd.)