Электроэнцефалография. ЭЭГ-нің негізгі ритмдері. ЭЭГ-ні тіркеу және сараптау принциптері

С.Ж.АСФЕНДИЯРОВ  АТЫНДАҒЫ ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ МЕДИЦИНА УНИВЕРСИТЕТІ		КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ  ИМЕНИ  С.Д.АСФЕНДИЯРОВА
МЕДИЦИНАЛЫҚ БИОФИЗИКА, ИНФОРМАТИКА ЖӘНЕ МАТЕМАТИКАЛЫҚ  СТАТИСТИКА КАФЕДРАСЫ

№10Тақырыбы:Электроэнцефалография.ЭЭГ-нің негізгі ритмдері.ЭЭГ-ні

                          тіркеу және сараптау принциптері

Мақсаты:

• Электроэнцефалограмманы тіркеу мен сараптау принциптерін үйрену.
• Мидың сыртқы электрлік өрісін ЭЭГ көмегімен оқып үйрену.
• ЭЭГ-ні генездеу үшін пирамидалық нейрондардың электрлік белсенділігі өзара байланысының маңызы.

Тақырыптың негізгі  сұрақтары:

1.ЭЭГ –ні тіркеу үшін қандай әдістер қолданылады?

2.Пирамидалық нейрондардың электрлік белсенділігінің негізігі типтері қандай?

3.ЭЭГ-да қандай жаңа әдістер қолданылады?

4. Пирамидалық нейрондардың электрлік белсенділігі өзара байланысының қандай маңызы бар?

5.ЭЭГ-ні генездеудің маңызды шарты қандай?

Оқыту мен үйретудің  әдістері: шағын топтармен жұмыс істеу.

Тақырыптың қысқаша  мазмұны.

Электроэнцефалография (электро..., греч. enkephalos – бастағы ми және ...графия), бұл жануарлар мен адамның миының жұмыс істеуін зерттеу әдісі, ол мидың жеке зоналарының, бөліктерінің облыстарының биоэлектрлік белсенділігінің қосынды шамасын тіркеуге негізделген.  ЭЭГ қазіргі кезде заманауи нейрофизиологияда, сол сияқты нейропатология мен психиатрияда қолданылады . 
       Электроэнцефалография мидың қызмет ету кезіндегі жағдайы туралы сандық және сапалық сараптама жасауға және оның тітіркендірушілер әсер еткен кездегі реакциясынның деңгейін анықтауға мүмкіндік береді. ЭЭГ-ні жазу  диагностикалау және  емдеу жұмыстарында (әсіресе эпилепсия кезінде жиі пайдаланылады),  анестезиологияда, сол сияқты ми қызметінің қабылдау, есте сақтау, бейімделу т.б. функцияларына байланысты іс-әрекетінің өзгерісін тіркеуде қолданады. Мидың электрлік белсенділігі өте төмен және вольттің миллионнан бір үлесіндей шамамен өрнектеледі; оны өте жоғарғы сезімталдықтағы арнайы приборлар мен күшейткіштердің, яғни электроэнцефалографтардың көмегімен ғана тіркеуге болады. ЭЭГ-ні аппараттардың кірісіне өткізгіштер арқылы жалғанған металл пластинкаларды ( электродтарды)  бас сүйегінің бетіне қою арқылы жүзеге асырады. Оның шығысында тірі ағза миының биоэлектрлік потенциалдары тербелісінің өзгерісін көрсететін графикалық бейнелеу пайда болады, олар  электроэнцефалограмма (ЭЭГ) деп аталады. ЭЭГ күрделі ми құрылысы іс-әрекетінің динамикасын, яғни бастағы ми қабығының нейрондарының денесі мен дендриттерінде дамитын  синаптикалық үрдістерді көрсетеді. ЭЭГ – фазалық жағынан және амплитудасы өзгеріп отыратын, әртүрлі жиіліктегі (периодтағы) толқындардан тұратын күрделі қисық. ЭЭГ-де амплитудалар мен жиіліктердің өзгерісіне қарай грек әріптерімен "альфа", "бета", "дельта" және т.б. белгіленген толқындардың түрлері ажыратылады. Сау адамдарда ЭЭГ оның физиологиялық жағдайына ( ұйқы мен сергектік, көру және есту сигналдарын қабылдау, әртүрлі эмоциялық жағдайлар және т.б.) байланысты ажыратылады. Сау адамның ЭЭГ –сында тыныштық күйдегі салыстырмалы жағдайын сипаттайтын екі түрдегі ритмді ажыратамыз, олар тербеліс жиілігі 8 – 13 Гц – пен, амплитудасы 25-55 мкВ  сипатталатын -ритм, және тербеліс жиілігі 14-30 Гц, амплитудасы 15-20 мкВ   - ритм. Мидың әртүрлі аурыларында ЭЭГ-нің қалыпты бейнесінің біршама немесе аздаған ауытқулары пайда болады, оларға қарап зақымдану шамасы мен созылмалы түрін, мысалға ісіктер мен қан құйылу аймағының орны мен мөлшерін анықтауға болады. ЭЭГ – ні жазудың математикалық, сандық тәсілдері, спектрлік, корреляциялық және басқа да статистикалық сараптау әдістері, мидың потенциалдық өрісінің топографиялық картасын жасау ЭЭГ –нің қарапайым сипатын анықтауға және ЭЭГ арқылы бұрын бізге белгісіз, зерттеуге қажетті жасырын  ақпараттарды алуға мүмкіндік береді. 

 ЭЭГ-ні тіркеу арнайы электродтар  арқылы жүргізіледі ( олардың  кеңірек тарағандары көпір тектес, конус тәріздес және ине тәріздес  түрлері ). Қазіргі кезде көбірек  қолданылатындары  электродтарды  орналастырулардың халықаралық  жүйесінде қабылданған « 10 – 20 %» немесе «10 – 10 % »тәсілі.  Әрбір электрод жеке-жеке күшейткіштерге жалғанады. ЭЭГ –ні жазу үшін қағаз таспалар қолданылады немесе берілген сигналды түрлендіре отырып АЦП көмегімен компьютерде файлдар түрінде жазып, сақтайды.  Кеңірек тараған түрі дискретизация жиілігі 250 Гц  болатын жазу түрі. Әрбір жазу референттің нөлдік потенциалымен , оларға құлақтың сырғалығы мен мұрын ұшы жатады,  салыстырмалы түрде жүзеге асырылады. Қазіргі кезде орта дәрежедегі референттің арнайы салмақтық коэффициенті бойынша анықталған потенциалдың салыстырмалы мәні кеңірек қолданылады. Мұндай есептеулер кезінде мүмкін болатын артефактылар желілендіріледі де, ал көрші тармақтардың бір-біріне әсері кемиді. ЭЭГ-зерттеулердің бастамасын, соның ішінде қазіргі кезде қолданылып жүрген әдістерді де, 1925 жылы иттегі электрлік тербелістердің әртүрлі типтерін зерттеу және классификациялау арқылы Правдич-Неминский қалады – олар 7 түрлі спонтанды толқындар түрінде тіркелді. Правдич – Неминскийдің зерттеулері мидың биопотенциалдарын тіркеу әдісін адамға қолдануға жол ашты. ЭЭГ-ні тіркеу «Нейрон-Спектр-5» деп аталатын 32 арналы жаңа спектрометрдің көмегімен жүзеге асырылады (1-сурет). ЭЭГ-ні көп арналы құралмен тіркеу бір мезгілде мидың сыртқы бөлігінің барлық бетін түсіруге, яғни өте нәзік зерттеулерді жүргізуге мүмкіндік береді.

Көптеген қолда бар эксперименттік мәліметтерге қарағанда ЭЭГ генезі негізінен бастағы мидың үлкен  жарты шарлары қабығының электрлік  белсенділігі арқылы, ал жасушалар  деңгейінде – олардың пирамидалық  нейрондарының белсенділігі арқылы анықталады. Пирамидалық нейрондарда электрлік белсенділіктің екі түрін ажыратып көрсетеді. Шамамен 1 мс

 

 

 

 

                  1-сурет                      

созылатын импупульстік разряд (әсер потенциалы) және одан баяуырақ (градуальды) мембраналық потенциалдың тербелісі – тежеуші және қоздырушы   постсинаптикалық потенциалдар (ПСП). Пирамидалық жасушалардың тежеуші ПСП-лары негізінен нейрондардың денесінде, ал қоздырушы ПСП – көбінесе дендриттерде генерацияланады. Шындығында, нейрондар денесінде белгілі бір мөлшерде қоздырушы синапстар да бар, осыған сәйкес пирамидалық нейрондар денесі (сома) қоздырушы ПСП-ларды да генерациялауға қабілетті.                  2-сурет.

Пирамидалық жасушалар ПСП-ның  ұзақтығы импульстік разрядтың ұзақтығына қарағанда біршама үлкен.

Мембраналық потенциалдың өзгерісі пирамидалық жасушаларда  цитологиялық локализациясы бойынша  айырмасы бар екі түрлі ток  диполінің туындауына себепкер болады. (2-сурет).       Олардың біреуі - дипольдік моменті сомалық диполь. Ол нейрон денесіндегі мембраналық потенциалдың өзгерісі кезінде пайда болады, дипольдегі және сыртқы ортадағы ток сома мен дендриттік бағандар аралығында ағады. Дипольдік моменттің векторы қоздырушы ПСП-дардың нейрондар денесіндегі импульстік разрядында немесе генерациясында сомадан шығып дендриттік бағандар бойымен бағытталады, ал тежеуші ПСП дипольдік моментке қарама-қарсы бағыттағы сомалық диполь туғызады. Дендриттік деп аталатын басқа диполь қабықтың апикалық дендриттерінің бірінші плексиморлық қабатында қоздырушы ПСП-лардың генерациясы нәтижесінде пайда болады, бұл дипольдегі ток дендриттік баған мен көрсетілген тармақтар арасында ағады. Дендриттік дипольдің дипольдік моментінің векторы дендриттік баған бойымен сомаға қарай бағытталған.

Дендриттік бағанның тармақталмаған бөлігіндегі қоздырушы ПСП-ның  генерациясы квадруполдің пайда  болуына әкеледі, бұл кезде жасуша ішіндегі ток кейбір деполяризацияланған  бөліктерден қарама-қарсы екі бағытта таралады, нәтижесінде қарама-қарсы бағыттағы дипольдік моменттері бар екі диполь пайда болады. Дипольдер мөлшерінің ЭЭГ-ні алу ара қашықтығына қарағанда аз екендігіне байланысты, пирамидалық жасушалардың квадрупольдік генераторының сыртқы өрісін ескермеуге болады.

3-суретте дендриттік баған бойындағы және осы баған осінен 0,01 мм аралықтағы электр өрісінің кеңістіктік құрылымының бейнесі көрсетілген. Байқағанымыздай, импульстік разряд кезінде пирамидалық нейронның сыртқы өрісі дендриттік бағандар бойымен бірден төмендеп кетеді, 0,3 мм қашықтықта потенциал нөлге дейін азаяды. Бұған қарама-қарсы, жасуша сыртылық ПСП аса үлкен ұзақтығымен сипатталады, сол себептен мұндай белсенділікте пирамидалық жасушалар аса үлкен дипольдік моментке ие болады. Бұл айырмашылық дендриттік бағандардың пассивті электрлік қасиеттерін қарастырғанда түсіндіріледі.

Дендрит мембранасы өзінің қысқа  мерзімділігіне байланысты әсер потенциалымен салыстырғанда жоғарғы жиіліктегі токқа аз кедергі көрсететін сыймдылық сияқты. Сол себептен, импульстік белсенділікке негізделген ток жасуша денесіне аздаған қашықтықта айналып жүреді, мембрана сыйымдылығы бағанның алыс бөліктерін тұйықтап қалады. Шындығында, микроэлектродтық зерттеулер мәліметі бойынша, әсер потенциалымен генерацияланған пирамидалық нейрондардың сыртқы электр өрісі 0,1 мм-ден алыс қашықтықта байқалмайды, сол себептен ЭЭГ тежеуші және қоздырушы постсинаптикалық потенциалдардың генерациясы кезінде пайда болған «баяу» сомалық және дендриттік дипольдардың негізінде жасалуы керек.

Мидың сыртқы электрлік өрісін оқып үйрену кезінде ЭЭГ-нің айнымалы сигналдарын ғана тіркейді және интерпретациялайды, ал ережеге сәйкес тұрақты құраушыларын ескермейді.

4-суреттен көретініміздей мидың фондық                          4-сурет.

белсенділігінің ЭЭГ-сі потенциалдар айырымының уақыт бойынша тәуелділігінің аса күрделі бейнесін береді және потенциалдар айырмасының кездейсоқ  тербелісінің жиынтығы түрінде көрінеді. Мұндай хаосты тербелістерді («шуларды») сипаттау үшін ықтималдықтар теориясынан белгілі параметрлерді, орташа шаманы және орташа шамадан стандартты ауытқуды қолданады. -ны табу үшін ЭЭГ-ден бірдей аралықтағы уақыт интервалдарына бөлінген аздаған үлескіні бөліп алады, және әрбір интервалдың соңында (t_i, t_j, t_m 4-сур.) кернеулерді анықтайды U (U_i , U_j , U_m 4-сур.). Стандартты ауытқуды кәдімгі формула бойынша есептейді:

,                                                                     (1.1)

мұндағы - потенциалдар айырымының орташа арифметикалық мәні; - .кернеулердің саны. Қатты ми қабықшасының ЭЭГ-ін тармақтау кезінде фондық белсенділік үшін шамасы 50-100 мкВ құрайды.

Осыған ұқсас сипаттау (стандартты ауытқу) жеке нейрондардың градуальды белсенділігін жазу үшін де қолданылады  . Потенциалдар айырымының белгілі бір амплитудасы мен жиілігінің өзгерісі арқылы сипатталатын ырғақты ЭЭГ-ні оқып үйрену кезінде ЭЭГ-нің көрсеткіші ретінде осы тербелістердің амплитудасы алынады.

Қазіргі кезде ЭЭГ зерттеу әдістерінде  бастағы ми қатпарларының электрлік  белсенділігін моделдеу үшін жеке нейрондардың токтық электрлік дипольдар мінез құлқының жиынтығын қарастырады. ЭЭГ-нің жеке ерекшеліктерін түсіндіре алатын осындай бірнеше моделдер ұсынылған. ЭЭГ генезі мысалында қатты ми қабықшасының тармақталуы кезінде қабықтағы қорытқы сыртқы электрлік өрістің пайда болу заңдылықтарын түсіндіре алатын М. Н. Жадиннің моделін қарастырамыз.

Модельдің негізгі жағдайы: 1) тіркеудің  кейбір нүктелеріндегі бас миының сыртқы өрісі – нейрондар қабығындағы  токтық дипольдармен генерацияланған  интегралданған өріс; 2) ЭЭГ генезі пирамидалық нейрондардың градуальды электрлік белсенділігіне негізделген; 3) әртүрлі пирамидалық нейрондардың белсенділігі белгілі бір дәрежеде өзара байланысқан  (скорелирована); 4) нейрондар қабықта біркелкі орналасқан және олардың дипольдік моменттері қабық бетіне перпендикуляр; 5) қабық жазық, оның қалыңдығы -қа тең, ал оның басқа өлшемдері шексіз; бас сүйегі жағынан ми шексіз жазық ток өткізбейтін ортамен шектелген. Алғашқы екі жағдай жоғарыда түсіндірілген. Модельдің қалған жағдайларына тоқталайық.

ЭЭГ генезі үшін аса маңызды орын алатыны пирамидалық нейрондар  электр белсенділігінің өзара байланыстылығы. Егер мембраналық потенциалдың уақыт  бойынша градульды өзгерісі әрбір  нейронда басқа жасушалардан тәуелсіз өтетін болса, олардың қорытқы сыртқы электр өрісі потенциалының айнымалы құраушысы аз болатын еді, сол себептен бір нейронның белсенділігінің күшеюі есебінен потенциалдың артуы басқа нейрондар белсенділігінің хаосты түрде төмендеуімен теңестірілетін еді. ЭЭГ тәжірибесінде тіркелген салыстырмалы түрдегі жоғарғы шама пирамидалық нейрондар белсенділігінің арасында оң корреляцияның бар екендігін мойындауға итермелейді. Бұл құбылыс сандық түрде корреляция коэффициенті -мен сипатталады. Бұл коэффициент жеке нейрондардың белсенділігі арасында байланыс жоқ жағдайда нөлге тең болса, егер жасушалардың мембраналық потенциалдарының (дипольдік моменттерінің) өзгерісі синхронды өтетін болса бірге тең болатын еді. Шын мәніндегі бақылауларда алынған

-дің аралық мәндері нейрондар  қызметінің синхрондылығы тек  ішінара екендігін көрсетеді.

Егер токтың элементар көздерінің дипольдік моменттерінің векторы  қабықта хаосты орналасқан болса, жоғарғы  деңгейдегі синхронизацияда көптеген диполь-нейрондардың интегралданған өрісі өте әлсіз болатын еді. Бұл жағдайларда жеке нейрондар өрістерінің біршама өзара компенсациясы байқалар еді. Шындығында цитологиялық мәліметтер бойынша жаңа қабықтағы пирамидалық жасушалардың ( олар барлық жасуша қабығының 75% құрайды) дендриттік бағандары қабық бетіне перпендикуляр бағытта біркелкі орналасқан. Мұндай біркелкі бағытталған жасушалар дипольдары тудырған өрістер компенсацияланбайды, керісінше қосылады. Осындай барлық тұжырымдардың негізінде жүргізілген есептеулер қатты ми қабықшасынан шығарылған ЭЭГ үшін мынандай өрнекті көрсетеді,                                (1.2)

 

мұндағы k –қабықтағы пирамидалық  нейрондардың орташа тығыздығына сан  жағынан тең коэффициент, ρ – қабықтың меншікті кедергісі, σ_H – нейрондардың дипольдік моментінің уақыт бойынша өзгерісінің орташа стандартты ауытқуы, R_k – нейрондар белсенділігі корреляциясының орташа жұптық коэффициенті. Тәуелсіз тәжірибелер көмегімен (1.2) формулаға енетін параметрлерді табуға болады. Кроликтер үшін, h ≈ 0,0017 м, ρ ≈ 3 Ом ∙ м, k ≈ 4 · 10¹³. А. М. Гутманның есептеулері бойынша, σ_Н ≈ 6 ∙ 10^-15 А · м. Егер R_k = 0,003 деп алсақ, ЭЭГ-нің есептелген ауытқуы 70 мкВ шамасында болады, яғни шын мәніне өте жақын болады. Корреляция коэффициенті R_k-дің алынған мәні (кей жағдайда бірнеше есе үлкен) мидың электрлік белсенділігінің әртүрлі типтерін зерттеу кезіндегі тәжірибелерде байқалады.