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.

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

Metoda badania

Potencjały elektryczne mózgu człowieka odbiera się przy użyciu odprowadzeni:

1. 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.

2. Dwubiegunowych: odprowadzenia mogą być liczne i mogą dawać dowolna liczbę zapisów EEG.

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 EEG pochodzi głównie z powierzchniowych warstw kory mózgowej.

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

3. 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.

Potencjał wywołany

Badając potencjały korowe, wywoływane drżeniem receptorów obwodowych lub…. (do uzupełnienia) ?????

1. Potencjał wywołany o ujemnym, najkrótszym okresie latencji

2. Potencjały następujące, krótki dodatni i długi ujemny

Aktywność bioelektryczna neuronów

Potencjały korowe są sumą potencjałów pobudzonych w danej chwili neuronów i wypustek.

1. Im więcej neuronów korowych w pewnych odstępach czasu ulega rytmicznemu pobudzeniu, tym:

1. Wyższa jest wypadkowa amplituda potencjałów korowych
   i

2. Mniejsza jest częstotliwość potencjałów korowych.

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

1. Jeżeli w korze występują w różnym czasie i z dużą częstotliwością potencjały aktywnych neuronów korowych to znoszą się one wzajemnie, co prowadzi do:

1. Spadku amplitudy potencjałów korowych

i

1. 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: wyładowania 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 bodźca z towarzyszącą desynchronizacją EEG – reakcja wzbudzenia lub wzbudzenie.

6. Gdy bodziec jest słaby, może nie wywołać widocznej zmiany w zachowaniu, ale powoduje desynchronizację EEG – elektroencefalograficzna 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 głównie z okolicy potyliczno-ciemieniowej:

1. Zmienna amplituda (ok. 50uV) i częstotliwość (8-14Hz).

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).

1. Fale beta – rejestrowane z okolicy kory ruchowo-czuciowej (przednie okolice głowy):

1. Amplituda do 20uV, 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)

1. Fale theta- rejestrowane z okolic skroniowych i ciemieniowych:

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

2. Pochodzą od aktywności elektrycznej hipokampa

1. Fale delta- występują w czasie snu:

1. Częstotliwość poniżej 1-3 Hz

2. 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:

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

2. Stanu fizycznego (np. ciśnienie parcjalne gazów we krwi); obniżenie prężności tlenu lub wzrostu prężności 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.

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 wyładowywania , synchronizujące rytmy (okołodobowe).

2. Być inicjowane przez środowisko zewnętrzne (egzorytmy): bodźce środowiskowe (synchronizatory), 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:

1. Sen – czuwanie

2. Temperatura ciała

3. Wydzielanie hormonów (hormon wzrostu, kortykoidy nadnercza, aniny katecholowe)

4. Łaknienie i pobieranie pokarmu

5. Aktywność behawioralna

6. 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.

Rytmy krótsze od okołodobowych (ultradalne)

W organizmie zachodzą też rytmy krótsze od okołodobowych:

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 oddychania

5. Okresowe zmiany czynności przewodu pokarmowego i jego gruczołów

Te niewielkie rytmy nakładają się na podstawowy rytm okołodobowy.

Rytmy dłuższe od okołodobowych

Znaczenie mają:

1. Rytmy miesięczne (np. miesiączkowe).

2. 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:

1. Jądra nadskrzyżowaniowego

2. Ciała kolankowatego bocznego

3. 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:

1. Wydzielani hormonów (hormony gonadotropowe, prolaktyna, hormon wzrostu);

2. Utrzymanie temperatury ciała

3. Pobieranie pokarmu

4. Wydalanie moczu

• W jądrze bierze początek droga do:

1. Ośrodków współczulnych (odcinek piersiowy rdzenia)

2. 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

1. Rytmika czuwania i snu odpowiada naturalnej sekwencji dnia i nocy, a czynnikiem synchronizującym z okresami doby astronomicznej jest światło.

2. Największa aktywność człowieka przypada na dzień – zwłaszcza na jego pierwszą połowę (gryzonie – wzrost aktywności w nocy)

3. ??? – do uzupełniania

4. Stan czuwania jest warunkiem utrzymania pełnej łączności z otoczeniem tzn. zdolność odbierania wrażeń pod wpływem bodźców środowiskowych i aktywnego reagowania na te bodźce.

5. 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).

6. 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:

1. Poziom czujności (szczyt między godz. 12:00 a 14:00)

2. Wydolność umysłowa

3. Pamięć i zdolność uczenia się

Badanie elektrofizjologiczne snu

Metody poligraficzne:

1. Zapis elektroencefalograficzny (EEG)

2. Zapis ruchów gałek ocznych- elektrookulogram (EDG)

3. Rejestracja napięcia mięśniowego

4. 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:

1. Rytm podstawowy beta o wysokiej częstotliwości (15-30Hz) i małej amplitudzie (20uV)

2. 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

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 krótkie spontaniczne ruchy różnych grup mięśniowych.

4. Przyspiesza czynność serca, wzrost ciśnienia tętniczego krwi, przyspiesza oddech

5. 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

1. Skracają się fazy snu NREM

2. Wydłużają fazy snu REM

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

Sen NREM

NREM 1 (5-15% czasu całego snu):

1. Stopniowy zanik fal alfa i występowanie mieszaniny fal szybkich i wolnych (6-7Hz)

2. Zwolnienie ruchów gałek ocznych

3. Obniżenie napięcia mięśniowego

4. Stopniowe zawężanie świadomości

NREM 2 ( 50-60% czasu całego snu)

1. 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)

2. Zanika świadomość i kontakt z otoczeniem

3. Dalszy spadek napięcia mięśniowego

NREM 3 i 4 (20% całego czasu snu):

1. Większe zwolnienie fal EEG (fale theta 4-7Hz i fale delta 1-3Hz)

2. Ustanie ruchów gałek ocznych

3. Niewielkie napięcie mięśniowe

4. Oddech regularny

5. Ciśnienie tętnicze obniża się w porównaniu ze stanem czuwania

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% (śpi ok. 16h)

2. W miarę dorastania: zmniejsza się procentowo udział REM ( dziecko 5-letnie- 40%, dziecko 10-letnie- 20%)

3. 20-60 r.ż. – REM- 20%