Sistem de Monitorizare a Semnalelor Electrice ale Creierului

INTRODUCERE

Majoritatea semnalelor biologice din lumea reală sunt fie imprevizibile (din punct de vedere al schimbării parametrilor) și zgomotoase, fie necunoscute, de aceea este destul de dificil a le clasifica. În îndeplinirea funcțiilor sale, organismul generează o multitudine de semnale electrice și magnetice. Aceste semnale sunt rezultatul activității electrochimice a anumitor celule. Prin măsurarea selectivă a semnalelor dorite (fără a afecta organismul), se pot obține informații clinice utile despre funcții particulare ale organismului.

Semnalele biologice, de natură electrică, sunt folosite în medicină, pentru monitorizarea funcțiilor fiziologice și diagnosticarea organelor ce le generează.

Cele mai importante semnale biologice electrice, pentru diagnostic, sunt înregistrate de către: electrocardiograf, pentru monitorizarea activității cardiace sub formă de ECG, electroencefalograf, folosit pentru monitorizarea ritmurilor cerebrale sub formă de EEG, electromiograf, pentru monitorizarea activității musculare (EMG) și electrooculograf, pentru măsurarea diferenței de potențial dintre cornee și polul posterior al ochiului (EOG).

NOȚIUNI GENERALE DE FIZIOLOGIE

Sistemul nervos uman reprezintă cea mai înaltă treaptă de organizare și perfecționare a țesutului nervos, din toată seria animală.

Din punct de vedere anatomic, sistemul nervos este ansamblul tuturor organelor și structurilor formate în mod preponderent din țesut nervos.

Din punct de vedere funcțional, sistemul nervos realizează legătura organismului cu mediul înconjurător precum și reglarea activității organelor.

Acest dublu aspect funcțional se realizează pe seama proprietăților funcționale ale țesutului nervos, proprietăți similare cu cele mai generale trăsături funcționale ale materiei vii. Dar dintre aceste proprietăți două sunt dezvoltate în cel mai înalt grad la nivelul țesutului nervos, care este specializat în acest sens fiind vorba despre excitabilitate și de conductibilitate. Prin excitabilitate înțelegem proprietatea de a fi influențat de stimuli din mediul extern sau intern. Conductibilitatea este proprietatea de a transmite mai departe modificările apărute ca rezultat al excitabilității.

Sistemul nervos are următoarea organizare pentru a-și îndeplini cele două roluri funcționale :

Fig. 2.1 Organizarea generală a sistemului nervos

Centru de integrare; 2. Cale eferentă; 3. Cale aferentă; 4. Receptorul; 5. Efectorul.

Sistemul nervos dispune de antene specializate în recepționarea diferitelor forme de energie, forme de energie caracterizate de stimuli iar antenele sunt stimulii. La nivelul acestora, informațiile codificate sunt transformate într-un tip de energie care este proprie organismului, și anume în impuls sau influx nervos.

De la nivelul receptorilor, influxul nervos odată format este transmis de-a lungul unei căi aferente până la nivelul unor organe cu o activitate foarte complexă : sunt centrii de integrare. Aici are loc decodificarea informației, care este analizată, comparată cu alte informații sosite anterior și stocate aici; după aceste prelucrări și evaluări, centrii nervoși iau o decizie iar aceasta, sub formă de influx nervos, este condusă de-a lungul unei căi eferente, până la anumite organe care pot elabora un răspuns față de stimulii din mediul extern sau intern; aceștia sunt efectorii, reprezentați de mușchi și glande.

La prima apariție a sistemului nervos acesta avea o singură structură și o funcție simplă : răspunsul nediferențiat, nespecific la orice stimul.

Deoarece organismul a fost nevoit să evolueze și să se adapteze odată cu evoluția mediului, sistemul nervos s-a perfecționat, în raport cu necesitățile de adaptare impuse de legile selecției naturale. Astfel, circuitului simplu stimul – răspuns i s-a adăugat un nou nivel, cel al memoriei, căruia i-a fost transferată informația decodificată. Aici, ea este comparată cu datele existente ale experienței anterioare și pe această bază se elaborează răspunsul cel mai adecvat, capabil să protejeze organismul. Eficiența răspunsului este deasemenea evaluată, iar rezultatul acestei evaluări este transferat memoriei, care se perfecționează cu orice nouă experiență această metodă reprezentând procesul de învățare.

Clasificarea sistemului nervos se face din punct de vedere morfologic (așezare topografică a diferitelor sale componente), din punct de vedere fiziologic (după activitatea generală pe care o desfășoară) și din punct de vedere ontogenetic.

Din punct de vedere morfologic (topografic) sistemul nervos poate fi împărțit în:

– o componentă centrală, sistemul nervos central (SNC) , așezată în cutia craniană și în canalul vertebral, cuprinzând encefalul și măduva spinării;

– o componentă periferică, sistemul nervos periferic (SNP), situată în afara cutiei craniene și a canalului vertebral, ce include mai multe categorii de formațiuni: nervii periferici, plexurile nervoase și ganglionii nervoși.

Având în vedere criteriul funcțional, sistemul nervos se clasifică în două componente din punct de vedere fiziologic :

Sistemul nervos somatic (de relație) – asigură legătura organismului cu mediul.

Sistemul nervos vegetativ – asigură coordonarea activității organelor interne.

Atât activitatea unui cât și a celuilalt, au la bază actul reflex. Actul reflex sau simplu reflexul, reprezintă reacția de a răspunde a organismului față de un stimul, cu participarea sistemului nervos. Substratul material al actului reflex este arcul reflex.

În general, componentele arcului reflex sunt aceleași atât pentru sistemul somatic cât și pentru cel vegetativ : receptor, cale aferentă, centrul reflex, cale eferentă și efector. Există totuși diferențe și două dintre cele mai importante sunt :

Pentru arcul reflex somatic receptorii sunt reprezentați de exteroceptori ți de proprioceptori iar pentru arcul reflex vegetativ aceștia sunt interoceptorii;

Brațul eferent al arcului reflex somatic are un singur neuron aflat în SNC care își trimite prelungirea periferică până la efector. Cât despre brațul arcului reflex vegetativ, acesta are doi neuroni, unul se află în SNC iar celălalt într-un ganglion vegetativ (unde se realizează sinapsa dintre cei doi neuroni). Primul neuron se numește preganglionar iar cel de-al doilea postganglionar, unde prelungirea celui de-al doilea neuron face joncțiunea cu efectorul.

Sistemul nervos vegetativ dispune de două mari subdiviziuni și anume: sistemul nervos simpatic și sistemul nervos parasimpatic.

Se poate vorbi despre trei diferențe morfologice:

Așezarea topografică a centrilor intranevraxiali, pentru simpatic este la nivelul măduvei spinării iar pentru parasimpatic sunt așezați pe de o parte în trunchiul cerebral – parasimpatic cranian; pe de altă parte în măduva sacrată – parasimpaticul sacrat;

Locul unde se realizează sinapsa între fibra pre- și postganglionară a căii eferente;

Lungimea fibrei pre- și postganglionară.

Un criteriu mai puțin utilizat pentru clasificarea sistemului nervos, este cel ontogenetic. Această clasificare oferă posibilitatea unei sistematizări anatomice și dovedește că fenomenele ce se petrec în etajele superioare ale sistemului nervos – conștiința, funcțiile psihice – sunt proprietăți ale acestora și nu ceva de origine supranaturală.

Sistemul nervos reprezintă o rețea de neuroni interconectați, care conține un sistem de introducere a datelor, un sistem de procesare a acestora și un sistem în care sunt afișate rezultatele obținute, asemănător cu structura unui computer.

Fig. 2.2 Sistemul nervos asemănător cu structura unui computer.

Creierul uman adult cântărește in jur de 1200 – 1500 de grame și este alcătuit din câteva mii de miliarde de celule, ocupând un volum de aproximativ 1400 cm3. Primește circa 20% din totalul de sânge, oxigen și calorii al întregului organism, chiar dacă nu reprezintă mai mult de 2% din greutatea totală a corpului.

Măduva spinării, a unui adult, are o lungime de 40 – 50 de cm și un volum de 150 cm3. Atât creierul, cât și măduva spinării au evoluat din tubii neurali de la nivelul embrionului.

SISTEMUL NERVOS CENTRAL

Măduva spinării este o structură nervoasă de formă cilindrică, alungită, dispusă pe toată lungimea coloanei vertebrale, care include canalul central și substanța cenușie din jurul acestuia. Substanța cenușie este alcătuita din neuroni, în timp ce substanța albă este o structură densă de fibre nervoase ascendente și descendente. O fibră nervoasă este o înlănțuire de neuroni, care sunt celulele de bază ale sistemului nervos. Măduva spinării reprezintă o unitate de legătura extrem de importantă, ca un “fir telegrafic”, între creier și SNP (sistemul nervos periferic), fiind responsabilă de transmiterea informației de natură senzorială, din diferite zone externe și interne, către cele 31 de perechi de nervi spinali. Acești nervi stabilesc conexiunile sinaptice (punctul de contact dintre doi neuroni) la nivelul măduvei spinării sau la nivelul trunchiului cerebral, pentru a urca, mai departe, la nivelul nucleilor.

Meningele reprezintă un set de membrane (care acoperă întregul sistem nervos) alcătuite din țesuturi fibroase. Membrana externă este formată din țesut dens conjunctiv și este cunoscută sub numele de “dura mater”. A doua membrană este avasculară (fără vase de sânge), alcătuită din fibre reticulare (în forma de rețea), cunoscuta sub numele de arahnoida. Aceasta este separată de “pia mater” (membrana subțire, translucida și elastică pe suprafața căreia trec vase de sânge), prin intermediul unui spațiu umplut de lichidul cefalo-rahidian (care ajută la protejarea de traume și leziuni).

În general, SNC poate fi divizat în trei mari categorii funcționale – sistemul senzorial, sistemul motor și funcțiile cerebrale cognitive și homeostazice (capacitate a organismului de se menține în parametri normali de funcționare). Sistemul senzorial vizează aparatul auditiv, vestibular (de echilibru), olfactiv, gustativ și vizual, cel motor cuprinde sistemul somatic (mușchii scheletici), reflexele spinale (care țin de coloana vertebrală), sistemul visceral (organele interne), cerebelul, câteva zone corticale (ale scoarței cerebrale) și subcorticale, dar și centrele de la nivelul trunchiului cerebral care se ocupă de controlul mișcărilor oculare. Sistemele homeostatice și de control cognitiv includ hipotalamusul (situat la baza creierului), ariile corticale implicate in introspecție, motivație, personalitate, limbaj, memorie, imaginație, creativitate, gândire, judecată, procesare mentală, dar și ariile subcorticale (de sub scoarța cerebrală) care au rol în învățare, gândire, conștiință, memorie, atenție, reacții emoționale și ciclurile somn/veghe.

Fig. 2.3 Structura și ierarhizarea sistemului nervos central (SNC).

Encefalul este așezat în cavitatea neurocraniului și este alcătuit din trunchi cerebral, cerebel, diencefal și emisferele cerebrale.

Trunchiul cerebral este porțiunea encefalului care leagă măduva spinării de emisferele cerebrale. Este alcătuit din trei etaje : bulbul, puntea și mezencefalul.

Cerebelul sau creierul mic este așezat în loja posterioară a cutiei craniene, deasupra trunchiului cerebral sub lobii occipitali ai creierului mare. În alcătuirea cerebelului intră trei componente : două emisfere cerebeloase și vermisul.

Diencefalul sau creierul intermediar este interpus între mezencefal și creierul mare. Se află în prelungirea trunchiului cerebral, sub emisferele creierului mare. Este alcătuit din mai multe mase de substanțe nervoasă: talamusul, metatalamusul, epitalamusul, hipotalamusul și subtalamusul.

Talamusul este partea cea mai voluminoasă din întregul diencefal. Se prezintă în forma a două mase nervoase cenușii și ovoide, situate de a o parte și alta a ventriculului III, care se unesc posterior. 

Metatalamusul este situat posterior și inferior față de extremitatea posterioară a talamusului și format din câte două proeminențe nervoase, numite corpii geniculați.

Epitalamusul este o regiune diencefalică de dimensiuni mici așezat pe fața superioară a diencefalului și alcătuit din: glanda pineală sau epifiza, habenula, trigonul habenulei, comisura interhabenulară, striile habenulei.

Hipotalamusul reprezintă partea bazală a diencefalului unde formează treimea inferioară a planșeului ventriculului III. Este delimitat la exterior de chiasma optică, lateral de tracturile optice, iar inferior de pedunculii cerebrali. Constituie cea mai importantă regiune a diencefalului, deoarece conține centrii de control și integrare vegetativă care primesc multiple aferențe de la interoceptori. Din acest motiv este denumit și creier vegetativ. Are o greutate de aproximativ 2,5g iar din punct de vedere anatomic este format din mai mulți nuclei de substanța cenușie, concentrați în jurul ventriculului III.

Subtalamusul este așezat între talamus și mezencefal. Este format din două mase de substanță cenușie: nucleul subtalamic și zona inertă. Prezintă și două fascicule de substanță albă. Subtalamusul este stație de legătură a căilor extrapiramidale cu corpii striați. Rolul lui este de a stabiliza activitatea motorie inițiată de ariile corticale extrapiramidale.

Emisferele cerebrale sunt cele mai voluminoase părți ale creierului uman. Creierul este prevăzut cu un strat extern, cortexul, alcătuit din neuroni și substanța cenușie. Sub această substanță cenușie se găsește substanța alba, alcătuita din fibre ascendente mielinizate (îmbrăcate într-o teacă formată din acizi grași, colesterol etc.) și fibre descendente.

Fig. 2.4 Regiunile creierului uman

Emisferele cerebrale sunt parțial separate una de cealaltă pe partea din mijloc, prin intermediul fisurii inter-emisferice. Posterior, există o fisură transversală care separă emisferele cerebrale de cerebel și care conține o structura care poarta numele de “cortul cerebelului” (tentorium cerebellum). Cele doua emisfere cerebrale, părți esențiale ale sistemului nervos, sunt conectate printr-un mănunchi de fibre sub forma literei C – corpul calos (corpus callosum) – responsabil de transmiterea de informație între cele două emisfere cerebrale.

Suprafața creierului (cortexul cerebral) este plină de circumvoluțiuni (girusuri), separate una de cealaltă prin intermediul unor șanțuri alungite (sulcusuri). Circumvoluțiunile permit expansiunea suprafeței corticale, fără a duce la creșterea dimensiunilor creierului. Pe partea laterală a emisferelor cerebrale există doua șanțuri majore (sau fisuri) – “fisura laterala a lui Sylvius” (numita așa după numele profesorului olandez Franciscus Sylvius, care a definit-o), care se dezvoltă încă din a 14-a săptămână de sarcină, și “șanțul central Rolando”.

2.2 SISTEMUL NERVOS PERIFERIC

Sistemul nervos periferic (SNP) include 32 de perechi de nervi spinali, 12 perechi de nervi cranieni, sistemul autonom nervos și ganglionii (grupuri de celule nervoase localizate în afara SNC). Tot din acest sistem fac parte și organele senzoriale, localizate la diferite niveluri ale organismului și care sunt responsabile de perceperea schimbărilor din organele interne și din exterior, pe care le transformă ulterior în semnale electrice, transmise prin intermediul rețelei neuronale extensive către SNC. Mecanismul transmiterii de impulsuri electrice către extremitățile nervilor a fost descifrat târziu, în istoria medicinii, în 1921, când fiziologul Otto Loewi a descoperit neurotransmițătorii, substanțe biochimice (substanțe-mesager), care ajută impulsurile nervoase să treacă peste golul dintre doua sinapse. Nervii cranieni și spinali conțin fibre care conduc informația aferent (termen provenit din latina, semnificând “către”) sau eferent (tot din latina, însemnând “dinspre”), în raport cu sistemul nervos central. Fibrele aferente transmit informația, de exemplu, de la nivelul receptorilor senzitivi din piele, al membranelor mucoase, al organelor interne și de la nivelul ochilor, urechii, nasului și a gurii, către SNC, în timp ce fibrele eferente sunt cele care transmit semnalele de la centrele corticale și subcorticale către măduva spinării și de aici către mușchi sau către ganglioni.

Sistemul nervos periferic (SNP) este divizat în:

– sistemul somatic, care include receptorii senzitivi și neuronii care îi inervează, precum și fibrele care ajung la nivelul măduvei spinării. După ieșirea din măduva spinării, fibrele somatice inervează segmentar musculatura corpului.

– sistemul vegetativ (cunoscut și sub numele de sistemul autonomic) – care reglează și controlează funcțiile inconștiente, aici incluzându-le pe cele de natură viscerală. Acest sistem controlează tensiunea arterială, secreția și motilitatea gastrointestinală, evacuarea vezicii urinare, transpirația, termoreglarea. SNV este activat de către centrii din măduva spinării, trunchiul cerebral și hipotalamus. După ieșirea din măduva spinării, fibrele somatice inervează orgqne din diferite părti ale corpului.

Impulsurile vegetative eferente ajung la viscere prin trei subdiviziuni majore: sistemul nervos simpatic, sistemul nervos parasimpatic și sistemul nervos enteric. Sistemul nervos vegetativ controlează mușchii netezi ai viscerelor (organelor interne) și glandele. Sistemul nervos enteric este o a treia diviziune a sistemului nervos vegetativ despre care nu se vorbește prea des. Sistemul nervos enteric este constituit dintr-o mulțime de fibre nervoase ce inervează viscerele (tractul gasto-intestinal, pancreasul, vezica urinară).

Sistemele nervoase visceral și somatic sunt responsabile, în principal, cu propria funcționare, dar colaborează și cu celelalte aspecte ale SNC.

Diferentele dintre sistemele somatic și vegetativ constau în:

– SNV reprezintă partea sistemului nervos, care controlează funcțiile viscerelor și nu se supune controlului cortical, este relativ autonom, pe când cel somatic este controlat de cortex.

– SNV inervează musculatura netedă a tuturor organelor interne, pe când cel somatic, doar musculatura scheletică.

– Centrii vegetativi au o repartizare strict determinată în SNC, iar cei somatici sunt plasați în diferite regiuni ale SNC.

– Calea eferentă somatică este formată din fibrele unui neuron, pe când cea vegetativă este formată din fibrele a doi neuroni: un neuron în SNC și un al doilea neuron în ganglionul vegetativ (fig. 2.5).

Fig. 2.5 Calea eferentă somatică

Sistemul nervos lucrează cu “reglaje” de mare finețe, de aceea, în momentul în care există dezechilibre congenitale (din naștere) sau dobândite, apar și simptomele unor probleme la nivelul SNC, care pot să se instaleze gradual, ducând la pierderea treptata a funcțiilor cognitive, așa cum se întâmplă în afecțiunile degenerative (boala Parkinson, demența, scleroza multiplă etc.). Simptomele pot să fie moderate sau severe, în funcție și de administrarea/absența unui tratament timpuriu (de pildă, suplimentele de tirozină), care să amelioreze respectivele manifestări. Studiile recente, în ceea ce privește boala Alzheimer, de exemplu, atestă eficienta vitaminei B12 in prevenirea instalării acestei maladii. Alte boli pot fi determinate și de existenta unor probleme vasculare sau de natură neurologică, așa cum se întâmplă în cazul traumelor, al depresiilor, psihozelor, anxietății, expunerii la toxine etc.

2.3 NEURONII ȘI FUNCȚIILE LOR

Țesutul nervos este constituit din două elemente esențiale:

Celule nervoase sau neuronii, specializați pentru o activitate specifică ce determină caracteristicile funcționale fundamentale ale sistemului nervos;

Celule gliale, răspândite printre precedentele, cu rol de susținere, rol trofic, de apărare și în cicatrizarea țesutului nervos. Totalitatea celulelor gliale formează nevroglia sau țesutul glial.

2.3.1 Neuronul

Este celula nervoasă propriu-zisă – unitatea anatomo-funcțională a sistemului nervos – alcătuit din corpul celular (pericarion) și prelungirile sale. Acestea sunt:

Axonul : prelungire de obicei unică și lungă, prin care influxul nervos pleacă de la celulă

Dendritele – prelungiri scurte, prin care influxul vine la celulă.

Neuronii pot fi clasificați după forma pericarionului (piramidali, stelați, piriformi, ovalari); după numărul prelungirilor (multipolari, bipolari, unipolari, pseudo-unipolari) sau după funcție (senzitivi, motori, de asociație, vegetativi). Din punct de vedere al localizării neuronii pot fi centrali (in creier) sau periferici (corpul celular în măduva, trunchi cerebral, ganglioni, iar prelungirile în nervii periferici).

Corpul celular formează substanța cenușie din nevrax (SNC) și ganglionii somatici și vegetativi extranevraxiali. El este delimitat de o membrană lipo-proteică (neurilema), are citoplasmă (neuroplasmă), ce conține organite citoplasmatice și un nucleu obișnuit, central, cu unul sau mai mulți nucleoli. Unele organite celulare (mitocondrii, complexul Golgi, reticul endoplasmatic, lizozomi) sunt prezente și în alte celule, iar altele sunt specifice neuronului – corpusculii Nissl și neurofibrilele. Corpusculii Nissl (corpii tigroizi) sunt constituiți din mase dense de reticul endoplasmatic rugos, la nivelul cărora au loc sintezele proteice neuronale. Neurofibrilele apar ca o rețea omogenă de fibre care traversează întreaga neuroplasmă; au rol în transportul substanțelor și de susținere.

Prelungirile neuronale sunt dendritele și axonul.

Dendritele sunt prelungiri citoplasmatice extrem de ramificate conținând neurofibrile și corpusculi Nissl spre baza lor. Ele conduc influxul nervos centripet (aferent).

Fig. 2.6 Structura neuronului

Axonul (cilindraxul sau neuritul) este o prelungire unică, lungă (atinge chiar 1 m), alcătuit din axoplasmă (continuarea neuroplasmei), în care se găsesc neurofibrile, mitocondrii și lizozomi, și este delimitat de o membrană, axolema, continuarea neurilemei. Axonul se ramifica în porțiunea terminală, ultimele ramificații fiind butonate (butoni terminali). Aceștia conțin, în afara de neurofibrile, numeroase mitocondrii, precum și vezicule în care este stocată o substanță (mediator chimic). Axonii conduc impulsul nervos centrifug (eferent). Fibra axonică este acoperită de mai multe teci:

– teaca Schwann este formată din celule gliale, care înconjoară axonii. Între două celule Schwann succesive se află strangulații Ranvier (regiune nodală). Majoritatea axonilor prezintă o teacă de mielină, secretată de celulele nevroglice Schwann și depusă sub formă de lamele lipoproteice concentrice, albe, în jurul fibrei axonice (axoni mielinizați). Rolul tecii de mielină constă, atât în protecția și izolarea fibrei nervoase de fibrele învecinate, cât și în asigurarea nutriției axonului. Fibrele vegetative post-ganglionare și unele din fibrele sistemului somatic au viteză lentă de conducere și sunt amielinice, fiind înconjurate numai de celule Schwann, care au elaborat o cantitate minimă de mielină;

– teaca Henle este o teacă continuă, care însoțește ramificațiile axonice până la terminarea lor, constituită din celule de tip conjunctiv, din fibre de colagen și reticulină, orientate într-o rețea fină care acoperă celulele Schwann pe care le separă de țesutul conjunctiv din jurul fibrei nervoase. Această teacă conjunctivă are rol nutritiv și de protecție.

Neuronul motor periferic. Neuronul periferic motor (fig. 2.7.1) se deosebește de cel senzitiv atât din punct de vedere funcțional cât și morfologic. Celulele neuronului motor periferic au forma stelată cu diametrul de 80 -100 microni, cu 5-8 prelungiri și poartă denumirea de celulă nervoasă multipolară. Astfel de celule se găsesc în cornul anterior al măduvei spinării și în nucleii motori ai trunchiului cerebral. Terminația acestui neuron se face în mușchiul striat sub forma plăcii motorii.

Neuronul senzitiv periferic (fig. 2.7.2). Corpul celular al acestor neuroni are forma sferică, cu diametrul de 150 microni. Prezintă o prelungire unică care după un traiect oarecare se divide în formă de V (celule ganglionare bipolare sau pseudo-unipolare). Celulele nu se găsesc în sistemul nervos central, ci în ganglionii spinali și în ganglionii senzitivi ai nervilor cranieni.

Neuronii de asociație sunt neuroni de mărime mică, în general multipolari, cu prelungiri scurte, pe care îi găsim în toate formațiunile cenușii ale nevraxului.

Neuronii vegetativi sunt clasați în 4 grupuri:

– Neuronii din nucleii vegetativi, din tuber cinereum sunt de talie mijlocie, uni sau bipolari.

– Neuronii din nucleii reticulați bulbo-ponto-pedunculari sunt hipercromi și multipolari.

– Neuronii ganglionilor vegetativi prezintă o talie relativ mare și mai multe prelungiri.

– Neuronii vegetativi din pereții viscerelor sunt de mărime mijlocie sau mică, cu mai multe prelungiri.

Prelungirile neuronilor vegetativi pot fi bogate în mielină, sărace în mielină sau fără mielină. Părțile periferice ale sistemului nervos vegetativ formează plexuri ce urmează frecvent traiectul vaselor. Terminațiile visceromotorii ale fibrelor vegetative merg spre musculatura netedă, formând arborizații terminale sau merg spre glande, devenind fibre secretorii.

Fig. 2.7.1 Neuron motor și 2.7.2 Neuron senzitiv

Dendritele și axonii constituie căile de conducere de la măduva spinării până la scoarța emisferelor cerebrale și invers (intranevraxiale) și nervi extranevraxiali. Nivelele de organizare ale căilor nervoase aferente și eferente sunt deci : fibra nervoasă, fasciculul de fibre nervoase, tractul nervos și nervul.

Fibra nervoasă este formată dintr-un axon sau o dendrită și cele trei teci periaxonale (peridendritice). Fibrele nervoase pot fi centrale (localizate în sistemul nervos central) sau periferice; motorii, senzitive sau vegetative; aferente sau eferente; mielinice cu sau fără teacă Schwann și amielinice cu sau fără teacă Schwann.

Calea motorie, eferentă este formată din doi neuroni: unul central și altul periferic. Calea senzitivă, aferentă, este formată din trei neuroni: unul periferic și doi centrali.

CELULELE GLIALE

Celulele gliale sau nevrogliile (fig. 2.8) sunt de 10 ori mai numeroase decât neuronii și sunt celule metabolic active ce se pot divide. Au rol în susținere, fagocitoza resturilor neuronale, sinteza mielinei, troficitate, făcând legătura dintre neuroni și capilare. Intervin în reținerea unor substanțe din sânge pentru a nu pâtrunde în SNC (bariera hemato-encefalică), în refacerea defectelor în caz de leziune a substanței nervoase (cicatrice glială).

La nivelul SNC s-au evidențiat 4 tipuri de nevroglii: astrocite, oligodendrocite, celule ependimale și microglii. În afara SNC s-au evidențiat celule Schwann și celule satelite.

Fig. 2.8 Celulă glială (Nevroglie)

TRAIECTORIA IMPULSULUI NERVOS. SINAPSA.

Atunci când celulele sensibile vor trimite un semnal spre creier, acesta va fi influxul nervos (fig. 2.9). Acest influx va urma o traiectorie de-a lungul axonilor până la creier care este capabil să îl descifreze.

1. Axonul în repaus conține un număr mare de K+, iar la exterior se găsesc Na+;

2. Pătrunderea ionilor de Na+ schimbă echilibrul electric și produce ieșirea ionilor de K+ prin efect de „pompă” pentru regăsirea neutralității în interior;

3. Semnalul ajunge la următorul canal de Na+ pe care îl deschide.

4. Extremitatea axonului A poate să pară că se oprește la capătul sinapsei care îl separă de neuronul B căruia trebuie să îi transmită informația. El declanșează migrația unui flux de vezicule cu neuromediatori.

Fig. 2.9 Transmiterea influxului nervos

Legătura dintre neuroni se realizează prin sinapse (fig. 2.10). Acestea sunt formațiuni structurale specializate, care se realizează între axonul neuronului pre-sinaptic și dendritele sau corpul celular al neuronului post-sinaptic. Legătura inter-neuronală se face între segmentul pre-sinaptic reprezentat de butonul terminal al axonului și segmentul post-sinaptic, reprezentat de o zonă mică din membrana neuronului post-sinaptic pe care se aplică butonul terminal. Cele două segmente sinaptice sunt separate printr-un spațiu sinaptic. Deci legătura dintre neuroni nu se face prin contact direct, ci este mediată chimic, prin eliberarea mediatorului în fanta sinaptică. Transmiterea impulsului nervos de la terminațiile nervoase motorii la fibrele musculare se face printr-o formațiune similară numită placă motorie (sinapsa neuromusculară) având ca mediator acetilcolina.

Fig. 2.10 A. Sinapsa; B. Tipuri de sinapse: (a) axodendritică; (b) axoaxonică; (c) dendrodendritică; (d) axosomatică.

Sinapsa neuro-musculară este o conexiune între terminațiunea nervoasă și fibra musculară, ea are următoarele componente:

membrana pre-sinaptică care reprezintă membrana fibrei nervoase;

membrana post-sinaptică – membrana fibrei musculare;

spațiul inter-sinaptic localizat între aceste două membrane. Acest spațiu conține un lichid asemănător cu plasma sanguină.

Etapele fundamentale ale transmiterii prin sinapsă (Fig. 2.11):

Sinteza mediatorului (acetilcolinei) – are loc la nivelul corpului neuronal și în terminațiunea nervoasă.

Stocarea mediatorului – se face în veziculile sinaptice și la necesitate este eliminat.

Eliberarea mediatorului include următoarea succesiune de evenimente: depolarizarea membranei pre-sinaptice cu deschiderea canalelor pentru Ca+ și influxul lui în celulă; Ca+ fiind cu sarcină pozitivă atrage veziculele de acetilcolină care sunt „-„ spre membrana neuronală; veziculele fuzionează cu membrana și crapă: mediatorul (exocitoză) este eliminat în fanta sinaptică.

Traversarea spațiului sinaptic – prin mișcare Browniană

Acțiunea post-sinaptică a mediatorului – mediatorul se unește cu receptorul de pe membrana post sinaptică; formarea complexului mediator-receptor duce la modificări de permeabilitate a membranei pentru Na+ are loc depolarizarea membranei post-sinaptice; pe membrana post-sinaptică apare un potențial care poate fi înregistrat și se numește potențialul plăcuței motoare. El este asemănător cu răspunsul local.

Fig. 2.11 Transmisia sinaptică

Proprietățile potențialului plăcuței motoare:

– nu se răspândește

– se supune legii intensității, adică valoarea lui depinde de cantitatea de mediator;

– se sumează, sumându-se, determină depolarizarea segmentelor alăturate ale membranei biologice.

La atingerea valorii nivelului critic al depolarizării apare potențial de acțiune, care se răspândește bilateral pe suprafața fibrei musculare. În final după terminarea excitației fermentul colinesteraza scindează mediatorul și sinapsa revine la repaos. Inactivarea mediatorului – se face sub influența enzimei acetilcolinesteraza.

Sinapsa neuromusculară are următoarele caracteristici funcționale:

Unidireționalitatea – mediatorul se elimină la nivelul regiunii presinaptice dar acționează numai la nivelul chimio-receptorilor specific de pe membrana postsinaptică.

Întârzierea sinaptică – etapele transmiterii sinaptice necesită 0,5-1,0 ms.

Fatigabilitatea (oboseala) – la stimularea cu frecvențe mari rezervele de mediator din butonul terminal se epuizează și blocarea transmiterii sinaptice.

Inexcitabilitatea electrică a membranei post-sinaptice – se datorează faptului că pe membrana post-sinaptică lipsesc canalele voltaj dependente și sunt canale chimio dependente.

Potențarea postetanică – apare la stimularea cu frecvență mare a neuronului pre-sinaptic și se datorează concentrației excesive a ionilor de Ca+ în butonul pre-sinaptic din cauză că pompa de Ca+ nu reușește să evacueze excesul de ioni din butonul terminal.

Neurotransmițătorii sunt substanțe chimice eliberate la nivelul terminațiilor nervoase pre-sinaptice și care se fixează pe zone receptoare specifice de la nivelul neuronilor post-sinaptici. Până în prezent s-au identificat cel puțin 30 de neurotransmițători activi sau potențiali. Un neurotransmițător potențial satisface parțial criteriile unui neurotransmițător. Neuronii sunt capabili să sintetizeze un număr de neurotransmițători chiar din timpul dezvoltării embriologice precoce; pe măsură ce procesul de dezvoltare continuă, majoritatea neuronilor se specializează în producerea unui singur neurotransmițător (principiul specificității neuronale al lui DALE). Aceasta teorie a rămas valabila mulți ani, dar cercetări recente au pus în evidență anumiți neuroni maturi capabili să producă doi, ocazional trei tipuri de neurotransmițători. Pentru majoritatea neuronilor, neurotrasmițătorii se leagă de receptori specifici și influențează potențialul de membrană. Există însa și mecanisme mai complexe cu interesarea canalelor ionice și apariția unor efecte tardive.

2.4. ORIGINEA DIFERENȚEI DE POTENȚIAL BIOELECTRIC CELULAR

În organismele vii fenomenele electrice sunt legate de prezența suprafețelor limitate sau a membranelor. În general, orice interfață între două faze diferite este sediul unui surplus de energie față de interiorul fazelor și deci sediul unei forțe. Această concluzie este stabilită atât experimental cât și pe cale termodinamică; în realitate intervin forțe electrice care sunt, de exemplu, identice cu valențele reziduale. Fenomenul electrizării de contact, cu generalitatea în domeniul izolatoarelor, apare ori de câte ori se ating două substanțe cu constante dielectrice diferite; este o încărcare electronică. În organismele vii, ionii sunt purtătorii sarcinilor electrice. În toate cazurile în care apare ”asimetria ionică” , când cationii și anionii difuzează inegal, sunt puse în evidență diferențe de potențial.

Natura și originea diferențelor de potențial bioelectrice sunt explicate astăzi pe bază electrochimică. Potențialele de electrod (potențialele la contactul a două soluții de concentrații diferite) și potențialele de difuzie sunt fenomene elementare fizico- chimice de la baza potențialului de membrană.

2.4.1 POTENȚIAL DE MEMBRANĂ

Potențialul de membrană (potențial transmembranar sau tensiune membranară) este diferența de potențial electric între interiorul și exteriorul unei celule biologice.

Toate celulele biologice sunt înconjurate de o membrană compusă dintr-un bistrat lipidic (modelul mozaicului fluid (Zinger & Nicholson, 1972).) cu o varietate de tipuri de proteine ​​încorporate în ea. Potențialul de membrană apare în primul rând din interacțiunea între membrană și acțiunile a două tipuri de proteine transmembranale (transmembranare) încorporate în membrană. Membrana servește atât ca un izolator și barieră de difuzie a ionilor. 

Proteinele pompe ionice activ ioni prin membrană de a stabili gradienți de concentrație prin membrană, și canalele ionice permit ionilor traversarea prin membrană în sensul gradientele de concentrație, un proces cunoscut sub numele de difuzie facilitată. Transportul ionic Na + / K + are loc astfel: ionii de sodiu din interior spre exterior, și ionii de potasiu din exterior spre interiorul celulei.

Aceasta stabilește doi gradienți de concentrație: un gradient pentru sodiu în cazul în care concentrația acestuia este mult mai mare decat în afara în interiorul celulei, și un gradient de potasiu în cazul în care concentrația acestuia este mult mai mare în interiorul celulei decât în ​​afară.

Proteine transmembranale (transmembranare) permit ionilor de potasiu difuzia prin membrană în sensul gradientul de concentrație, care a fost creat prin ATPaze ( denumire prescurtată a acidului adenozintrifosforic, compus cu rol de acumulator energetic, prezent în toate celulele, reprezentînd principala sursă de energie necesară contracției musculare, secrețiilor glandulare, transportului activ și proceselor de biosinteză), creând o separare de sarcini electrice, și, astfel, o tensiune transmembranală (transmembranară).

2.4.2 POTENȚIAL DE REPAUS

Potențialul de repaus  este starea de  polarizare a unui neuron când nu este stimulat. El are sarcini pozitive în exterior și negative în interior, de obicei diferența de potențial electric rezultată fiind de -70 mV.

Transportul activ de Na+ si K+ este primul factor care determină apariția potențialului de repaus: trei ioni de Na+ sunt expulzați din celulă, iar doi ioni de K+ sunt atrași în celulă. Acest transport se realizeaza prin pompele de Na+ si K+, fiind niște pompe electrogene. Aceaste pompe sunt reprezentate de ATP-aza Na+ și K+ dependența, care se activează prin descompunerea ATP(adenozintrifosfat) în ADP(adenozindifosfat).

Difuzia ionilor este alt factor care duce la apariția potențialului de repaus. Inegalitatea distribuției ionilor de Na+ si K+ în apropierea membranei cât și permeabilitatea inegală a membranei duce la apariția sarcinii pozitive în exteriorul celulei și negative în interiorul ei. La un moment dat se ajunge la un potențial de echilibru.

Echilibrul Donnan se referă la faptul că proteinele încărcate negativ nu pot ieși din celulă, în timp ce proteinele incărcate pozitiv pot face acest lucru foarte ușor.

Când celula este stimulată apare o schimbare a diferenței de potențial ceea ce duce la apariția potențialului de acțiune sau la potențialul local.

2.4.3 POTENȚIAL DE ACȚIUNE

În fiziologie, un potențial de acțiune este un eveniment de scurtă durată (frecvent, milisecunde), în care potențialul electric al membranei unei celule crește rapid (în gama milivolților) și se încadrează pe o traiectorie constantă.

Potențialul de acțiune apare în mai multe tipuri de celule animale, numite celule excitabile, care includ neuroni, celulele musculare, și de celule endocrine, precum și în unele celule de plante. În neuroni, ele joacă un rol central în comunicarea celulă-celulă. În alte tipuri de celule, funcția lor principală este de a activa procesele intracelulare: în celulele musculare, de exemplu, un potențial de acțiune este primul pas în lanțul de evenimente care duc la contracție; în celulele beta ale pancreasului, provoacă eliberarea de insulină. Potențialul de acțiune în neuroni este cunoscut sub numele de "impuls nervos" sau "crampon", iar succesiunea temporală a potențialului de acțiune generat de un neuron este numit "Spike tren ". Potențialul de acțiune apare într-un neuron și este modificarea potențialului de repaus, după stimularea supraliminală a celulei. Potențialul de acțiune este generat de tipuri speciale de canale de ioni care sunt voltaj-dependente, încorporate în membrana plasmatică a unei celule. Aceste canale sunt închise în cazul în care potențialul de membrană este aproape de potențialul de repaus al celulei, dar încep rapid să se deschidă în cazul în care potențialul de membrană crește la o valoare de prag definită cu precizie.

Când canalele sunt deschise, acestea permit un flux activ de ioni de sodiu, ce schimbă gradientul electrochimic, care, la rândul său, produce o creștere în continuare a potențialului de membrană. Această creștere determină dechiderea mai multor canale, se produce un curent electric mai mare, și așa mai departe. Procesul decurge exploziv până când toate canalele de ioni disponibile sunt deschise, rezultând într-o ascensiune mare în potențialul de membrană. Afluxul rapid de ioni de sodiu provoacă polarizarea inversă a membranei plasmatice, precum și a canalelor de ioni, apoi inactivare rapidă. În privința canalelor de sodiu apropiate, ionii de sodiu nu mai pot intra și sunt transportați în mod activ din membrana plasmatică. Canalele de potasiu sunt apoi activate, și există un curent exterior de ioni de potasiu, intervenind asupra gradientului electrochimic activând asfel starea de repaus. După un potențial de acțiune, există o schimbare tranzitorie negativă, numită after hyperpolarization sau perioada refractară, din cauza curenților suplimentari de potasiu. Acesta este mecanismul care împiedică potențialul de actiune de a se reîntoarce așa cum a venit.

Potențialele de acțiune "lucrează" în regim binar, adică ele "sunt" sau "nu sunt", nefiind mai mici sau mai mari în voltaj (tensiune).

Funcția

Aproape toate celulele provenite de la animale, plante și ciuperci funcționează ca bacteriile, în sensul ca ele să mențină o diferență de tensiune între interior și exterioriul celulei. Tensiunea unei celule este de obicei măsurată în milivolți (mV), care sunt miimi de volți. O tensiune tipică pentru o celulă de animal este de -70 mV. Deoarece celulele sunt atât de mici, tensiuni de această magnitudine dau naștere la forțe foarte puternice electrice în membrana celulei.

Mecanism

Membrana plasmatică prezintă canale ionice voltaj-dependente și canale ionice ligand-dependente. Potențialul de acțiune se produce datorită creșterii rapide a permeabilitații pentru Na+ (de aprox. 5000 de ori). La potențialul de -70mV canalul de Na+ este închis, iar când potențialul crește la -65mV el se deschide și ionii de Na+ pătrund în celulă, rezultând în depolarizarea neuronului.

Diferența de potențial electric dintre interiorul și exteriorul celulei se reduce până când la un moment dat se inversează polarizările: pozitivă în interior și negativă în exterior.

Valoarea care trece de 0mV se numește overshot (+35mV).

Creșterea și scăderea rapidă a potențialului se numește spike potential sau potențial-vârf.

Dupa aceasta se revine la potențialul de repaus. Postpotențialul negativ (sau postdepolarizare) este peste valoarea de repaus. Dupa ce s-a atins valoarea de repaus, potențialul scade și se află puțin sub valoarea de repaus, timp de 40-50ms, ceea ce constituie postpotențialul pozitiv (sau posthiperpolarizare).

Trecerea ionilor de Na+ prin membrană se face pasiv și este dependentă exclusiv de gradientul de concentrație. În concluzie geneza impulsurilor nervoase nu consumă energie.

Când membrana este stimulată subliminal, neapărând acea diferență de 15mV, nu se produce un potențial de acțiune dar crește sensibilitatea membranei, ceea ce rezultă într-un potențial local.

ELECTROENCEFALOGRAFUL

Creierul uman este materia organică cea mai complexă cunoscută de omenire și este, nu surprinzător, obiectul cercetării extinse. Complexitatea sa a impulsionat cercetarea multilaterală, în care funcționalitatea creierului este explorată de la proprietăți moleculare în neuroni până la aspecte de nivel înalt, cum ar fi memoria și învățarea. 

O descoperire timpurie a stabilit că creierul este asociat cu generarea de activitate electrică. Richard Caton a demonstrat în 1875 că semnalele electrice, din intervalul microvolților, poate fi înregistrat pe cortexul cerebral al iepurilor și câinilor. 

Câțiva ani mai târziu, Hans Berger a înregistrat pentru prima dată "undele cerebrale" prin atașarea unor electrozi pe scalpul uman; aceste unde au afișat un comportament oscilant ce variază în funcție de timp, care se deosebeau în formă de la o locație de pe scalp la alta. Berger a făcut interesanta observația că undele cerebrale diferă nu numai între subiecții sănătoși și subiecții cu anumite patologii neurologice, dar că undele erau dependente de asemenea de starea psihică generală a subiectului, de exemplu, dacă subiectul a fost într-o stare de atenție, relaxare , sau de somn. Experimentele efectuate de Berger au devenit fundamentul electroencefalografiei, mai târziu devenind un instrument clinic neinvaziv important în înțelegerea mai bună a creierului uman și pentru diagnosticarea diverselor tulburări cerebrale funcționale. 

Interpretarea clinică a EEG a evoluat într-o disciplină de sine stătătoare, în care cititorul uman este provocat să tragă concluzii bazate pe frecvența, amplitudinea, morfologie și distribuția spațială a undelor cerebrale. 

Până în prezent, nici un model biologic sau matematic simplu nu a fost invocat să explice pe deplin diversitatea modelelor EEG, și, în consecință, interpretarea EEG rămâne în mare măsură o disciplină clinică fenomenologică.

GENERALITĂȚI

În urma stimulării periferice, la nivelul cortexului pot fi înregistrate potențiale evocate. Aceste potențiale evocate au fost interpretate ca fiind suma curenților extracelulari din neuronii corticali activați simultan. Totuși, în absența stimularii periferice pot fi înregistrate fluctuații spontane ale potențialului de membrană în toate regiunile cortexului. Această înregistrare a primit numele de electroencefalogramă sau EEG. EEG are o mare importanță atât pentru neurofiziologia experimentală, cât și pentru diagnosticul clinic.

La om, înregistrarea traseelor EEG se face la nivelul craniului, deoarece acestă nu este un izolator electric. În acest caz, electrozii de înregistrare sunt departe de cortex și de aceea amplitudinea potențialelor înregistrate este mică. Dacă înregistrarea s-ar face direct de la nivelul cortexului, amplitudinea curenților ar fi de 10 ori mai mare.

Electrozii de înregistrare, care au o suprafață mare, înregistrează un amestec de curenți extracelulari de la nivelul tuturor neuronilor aflați în vecinătatea lor. Dacă înregistrările se fac direct de la suprafața cortexului cu un electrod având, să zicem, o suprafață de 1mm2,

atunci aproximativ 100.000 neuroni vor fi localizați sub electrod pe o adâncime de 0,5 mm. Când înregistrarea este făcută prin craniu, se poate estima că aria de pe care înregistrează electrodul este de 10 ori mai mare. Electrodul înregistrează astfel activitatea a aproximativ 106 neuroni.

Fluctuațiile de mare amplitudine ale potențialelor se pot produce când majoritatea neuronilor de sub electrod sunt activați în același timp (sincron). De aceea, se poate presupune că principala sursă a curenților EEG sunt neuronii cu dendrite orientate paralel cu scoarța cerebrală sau neuronii localizați ceva mai profund în scoarța cerebrală care se extind spre suprafață.

Cercetările au aratat că EEG poate fi folosit ca un indicator al stărilor normale sau anormale de funcționare a creierului.

ACTIVITATEA ELECTRICĂ A CREIERULUI ( UNDE CEREBRALE )

Studii științifice recente arată cât de adaptabil este creierul uman în ceea ce privește procesarea informațiilor. Undele cerebrale sunt specifice diferitelor stări psiho-mentale pe care le trăim. Ne putem controla la voință tipul de unde cerebrale predominant și ne putem vindeca cu ajutorul armonizării undelor cerebrale.

Informațiile care provin de la simțuri sunt transmise către creier fiind codificate în formă electrică (impulsuri) sau chimică (prezența anumitor substanțe specifice și concentrația lor). Toate părțile creierului comunică una cu alta, iar aceasta se face prin intermediul unui ansamblu foarte vast de mici „stații” electrice – neuronii.

Membrana lor prezintă pe fața externă o încărcătură electrochimică pe care o eliberează, din nou și din nou, sub forma a ceea ce se numește ―potențial de acțiune. Acesta călătorește apoi de-a lungul prelungirilor neuronale numite axoni și dendrite, până la alți neuroni. Celulele nervoase acționează la unison pentru a genera gânduri și mișcări, iar informația se răspândește prin rețele foarte fine, între diferitele părți ale creierului și spre organele de acțiune.

Fig. 3.1 Rețea neuronală

Activitatea însumată a neuronilor generează undele cerebrale – niște pulsații electrice cu diferite frecvențe. Există 100 de miliarde de astfel de celule neuronale în creierul uman, iar fiecare poate forma de la o sută la sute de mii de conexiuni (sinapse) cu alte celule. Sinapsele se dezvoltă pe tot parcursul vieții, ca răspuns la stimulii veniți din mediul exterior – contactul cu membrii familiei, cu alți oameni, școala, educația, etc., dar și ca răspuns la propriile intenții și motivații.

Cercetătorii au stabilit anumite corespondențe între diferitele stări ale ființei umane și caracteristicile activității electrice a creierului, obiectivată sub forma undelor celebrale care apar în fiecare stare. Aceste unde cerebrale sunt recepționate de electrozi amplasați pe scalp, iar traseele înregistrate pe electroencefalogramă reprezintă variația diferențelor de potențial dintre perechile de electrozi selectate de examinator.

Reprezentată grafic, activitatea electrică cerebrală se înscrie prin anumite succesiuni de unde sinusoidale sau ascuțite, sincrone sau asincrone, ritmice sau aparent aleatorii, ce permit caracterizarea traseului ca fiind fiziologic (normal) sau cu modificări lezionale ori iritative (patologic).

Traseul electroencefalografic prezintă mai multe tipuri de unde care, în urmă cercetărilor clinice bazate pe stabilirea unor relații statistice semnificative între fenomenele clinice și aceste forme de undă, sunt diferențiate în benzi de frecvență.

S-a observat că undele cerebrale sunt de cinci tipuri: alfa, beta, gama, delta și teta.

La omul adult în stare de veghe, de alertă, EEG înregistrată în derivație bipolară prezintă de obicei două tipuri de unde: alfa și beta.

Dacă subiectul este în repaus senzorial (ochii închiși) și mental, asistăm la înscrierea undelor alfa (α). Acestea au o frecvență de 8-13 Hz (c/s) și o amplitudine de 50 µV (10-100 µV). Când relaxarea este destul de avansată, undele α de 10 Hz cu amplitudine de 50 µV domină traseele înregistrate în cele două treimi posterioare ale scalpului, de aceea această componentă este numită ceas biologic.

Într-un caz tipic, amplitudinea lor crește și descrește regulat și undele se grupează în fusuri (bufeuri) caracteristice. Originea undelor alfa este mai ales occipitală. Ele traduc, dupa unii autori, activitatea electrică sincronă a neuronilor din cortexul vizual (regiunea occipitală).

Fig. 3.2 Ritmul alfa (α)

Sub influența activității senzoriale, și în special a excitațiilor luminoase (deschiderea ochilor), are loc o reacție de oprire a ritmului alfa și de înscriere a undelor beta (β). Același fenomen se petrece și sub influența unui efort intelectual, a unei stări emotive puternice, etc. Ritmul beta se caracterizează prin o frecvență de 14-32 Hz (c/s) și o amplitudine de 5-30 µV. Spre deosebire de ritmul alfa, undele beta sunt foarte neregulate și semnifică o desincronizare a activității neuronilor corticali. Incidența lor maximă este în regiunile parietală anterioară și frontală posterioară din creier.

Fig. 3.3 Ritmul beta (β)

Componentele de frecvențe mai mari de 33 Hz până la 55 Hz sau chiar 70 Hz formează ritmul gama (γ).  Ele sunt asociate cu insight-ul și procesarea informațiilor la nivel înalt. Sunt asociate cu sentimentul de fericire, un nivel înalt de compasiune și o funcționare optimă a creierului. Aceste unde sunt un mecanism de legătură între părțile creierului și ajută la îmbunătățirea memoriei și percepției. Există studii care au detectat că în stare de meditație, creierul călugărilor tibetani produce un nivel mai înalt de unde gama decât creierele persoanelor care nu practică meditația.

Fig. 3.4 Ritmul gama (γ)

În timpul somnului profund, gradul de sincronizare crește și mai mult. Frecvența predominantă este cea a ritmului delta (δ) cuprinsă între 0,5 și 3 Hz cu amplitudini între 50 și 150 µV. Acest ritm se găsește de asemenea în traseele electroencefalice la copilul mic în stare de veghe și la copii și adulți în anumite faze ale somnului; la adult, în stare de veghe este considerat patologic.

Este starea minții inconștiente, în care primim informații care nu sunt accesibile în starea conștientă. Este de asemenea starea care este legată de vindecare, regenerare.

Fig. 3.5 Ritmul delta (δ)

La 15% din subiecții normali se întâlnește în regiunea frontală ritmul teta (). El se caracterizează prin amplitudini între 30 µV și 70 µV și o frecvența de 4-7 Hz (c/s), sub formă de unde izolate, la adulți și întâlnite current la copii. Ponderea mare a undelor θ la adult denotă deranjamente psihice. Fig. 3.6 Ritmul teta (θ)

Semnificație clinică, exemple de forme ale traseelor EEG și stări ale organismului, asociate acestora:

În starea de somn profund, traseele EEG indică predominant unde delta (1-3 Hz) pe traseele frontale (fig. 3.7)

Fig. 3.7 EEG-stare normală (somn profund)

Monitorizarea adâncimii anesteziei.

Diferitele etape ale anesteziei pot fi recunoscute după caracteristicile EEG. Prin reglarea administrării anestezicului este posibil să fie menținută o anumită adâncime a anesteziei.

Diagnosticarea afecțiunilor nervoase.

EEG se înregistrează de obicei prin mai mulți electrozi dispuși la nivelul întregului craniu. Diferența de potențial se poate înregistra între doi electrozi adiacenți sau între un electrod activ și un electrod indiferent (fixat pe ureche).

Hemoragii între cortex și craniu

Se caracterizează prin amplitudine redusă a traseelor EEG. Hematomul împinge cortexul în jos, mărind astfel distanța dintre sursa de curenți electrici și electrozi. Aceasta determină o amplitudine micșorata a traseelor EEG.

Crizele epileptice

EEG se caracterizează printr-o puternică sincronizare la o frecvență de aproximativ 3 Hz. Drept rezultat, căile motoare care plecă din cortex sunt probabil stimulate ritmic în același timp, determinând puternicele convulsii musculare asociate acestor crize.

În starea de criză epileptică petit mal, apar complexele vârf-undă, cu amplitudini de ~100 μV și frecvență de 3 Hz , pe toate traseele,(Fig.3.8)

Fig.3.8 Traseu EEG cu surprinderea unei crize de petit mal prezentă la copilul PL în vârstă de 10 ani; se observă o descărcare de vârf-unde cu frecvența de 3 c/s, bilaterale, sincrone și simetrice.

În starea de criză epileptică grand mal, EEG se caracterizează prin trasee hipersincrone, adică descărcări electrice ample, de câteva sute de μV, și rapide (30 Hz) pe toate derivațiile (Fig.3.9)

Fig. 3.9 Aspect EEG de criză grand mal tonico-clonică

Moartea cerebrală

Dacă aprovizionarea cu oxigen a SNC este oprită pentru 8 pana la 12 minute (ca urmare a șocului circulator, spre exemplu), atunci SNC suferă leziuni ireversibile. În acest caz, EEG dispare complet (linie de zero sau izoelectrică). Încetarea activității creierului este un criteriu cert de moarte.

În timpul somnului, fazelele de somn profund alternează cu faze de somn paradoxal în care EEG este profund desincronizat, asemănătoar cu EEG din starea de veghe. Starea de somn paradoxal este însoțită și de alte modificări fiziologice cum ar fi: accelerarea ratei bătăilor inimii și a respirației, mișcări rapide ale ochilor. Din acest motiv, aceste faze de somn sunt denumite și faze de somn REM (Rapid Eye Movements –  Mișcări Oculare Rapide). Fazele de somn paradoxal sunt asociate cu visele. Visele nu se produc și în timpul somnului profund.

Undele delta sunt considerate patologice dacă apar în starea de veghe. Le putem întâlni în leziuni și tumori cerebrale, hipoglicemie, hipocalcemie, hipoxemie cerebrală, coma barbiturică, etc. Într-un cuvânt, orice deficiență gravă a creierului alimentară, metabolică, endocrină, toxică, etc., se traduce prin apariția acestor unde lente, nespecifice, de tip delta. În geneza undelor lente sunt implicați nucleii profunzi subcorticali (hipotalamici, mezencefalici). Aceste unde pot apare pe orice derivație, neexistând practic zone corticale de maximă incidență.

Pe lângă aceste ritmuri, o electroencefalogramă mai poate prezenta și alte unde tipice. Dintre acestea fac parte complexele K, definite ca unde cu amplitudine minimă de 100 µV, având ambele faze de durată totală între 0,5 și 1 s, precedată și urmată de cel puțin 2 s activitate encefalică de mică amplitudine și sunt întâlnite în anumite faze ale somnului.

Fusul electroencefalografic este o succesiune de unde cu componente între 12 și 16 Hz, fără criteriu de amplitudine, dar care cresc și descresc în amplitudine fusiform sub aspectul unor salve scurte între 0,5 și 1 s. Descărcările epileptice sau spike-urile sunt unde aproape triunghiulare cu durată totală de maxim 1/12 s.

Activitatea electrică a celulelor nervoase din creier poate fi evidențiată și prin măsurători directe, în timpul operațiilor pe creier, pe suprafața cortexului, cu ajutorul unor electrozi sferici de diametru sub Ø 1 mm din argint clorurat.

La oameni se studiază electroencefalograma sub influența anumitor stimuli numită electroencefalogramă activă. Culegeri de profunzime cu electrozi ac și microelectrozi sunt practicate numai la studiile pe animale. La oameni se folosesc numai în cazul în care se urmărește extirparea prin injectare de curent a unui grup de celule nervoase cu funcționare defectuoasă.

ELECTROZI PENTRU ELECTROENCEFALOGRAMĂ

Electrodul reprezintă un conductor electric căruia i se asigură un contact cu un electrolit.

La interfața electrod – electrolit există fenomene care transformă conducția ionică (a electrolitului) în conducție electronică (a metalului) și invers. Există deci o migrare a electronilor din metal spre electrolit și a ionilor in electrolit spre metal în sensul realizării unui echilibru chimic.

Această interacțiune metal – elctrolit determină o schimbare locală a concentrației ionilor în soluție în imediata apropiere a suprafeței metalice, astfel apare o diferență de potențial între electrod și electrolit numită potențial de electrod. Acest potențial de electrod se poate măsura cu un electrod de referință din platină platinată (platină acoperită prin depunere electrochimică cu un strat subțire de platină spongioasă, numită negru de platină pentru mărirea suprefeței de contact) peste care se suflă hidrogen gazos la 1 atm.

Dacă între electrod și electrolit nu circulă nici un curent, la ieșirea electrodului vom avea potențialul de electrod. În momentul în care există o circulație de curent rezultă o modificare a distribuției de sarcină în soluția ce se află în contact cu electrozii și deci se modifică potențialul de măsurat. Acest efect se numește polarizare și poate modifica performanțele electrodului. 

Există din acest punct de vedre două categorii de electrozi: 

Polarizabile – la care trecerea curentului determină schimbarea distribuției de sarcini la interfață determinând modificarea curentului

Nepolarizabile – care permit trecerea curentului prin ei fără să se modifice distribuția de sarcină la interfață deci fără să apară o modificare a curentului. 

În practică se preferă să se utilizeze electrozi nepolarizabili deoarece:

artefactul de mișcare este redus

 modificarea impedanței electrodului cu frecvența este mică

zgomotul electrodului este mic.

Electrozii utilizați pentru culegerea de semnale biologice sunt din argint clorurat. Pentru stimulare electrozii trebuie să fie din metale sau aliaje cu tensiuni de polarizare cât mai mici la densități de curent mari, și să nu prezinte probleme de toxicitate. Aliajul din platină și iridiu satisface aceste cerințe. 

În scopul stabilirii potențialului de electrod, între electrodul metalic și piele se introduce o hârtie de filtru sau chiar tifon îmbibate cu electrolit, fie o pastă electroconductivă astfel încât dacă se degresează pielea cu alcool se poate obține o rezistență scăzută la nivelul interfeței pastă electroconductivă –  piele iar impedanța devine mai stabilă.

Electrod disc (fig. 3.10) are diametrul de 7÷10 mm, este din Argint și necesită sistem de fixare. Se utilizează în EEG montați pe scalp.

 Fig. 3.10 Electrod disc.

Plasarea electrozilor pe cap este standardizată pentru a permite o interpretare unică a traseelor electroencefalografice (fig. 3.11).

Electrozii poartă numele zonei de culegere : F – electrozi frontali, T – electrozi temporali, C – electrozi centrali, P – electrozi parietali și O – electrozi occipitali.

Fig. 3.11 Plasarea electrozilor pe pielea capului pentru culegerile electroencefalografice

Electrodul de referință este notat cu A și poate fi plasat fie cu un cleștișor pe fosa nazală, fie doi electrozi clește conectați împreună și plasați pe lobul urechilor, fie, uneori, pe frunte la baza nasului, adică pe o zonă în care activitatea encefalică poate fi considerată nulă. Electrodul de masă este cel plasat pe piciorul drept.

Sistemul de culegere unipolară introduce la intrarea amplificatorului de măsurare diferențe de potențial între un electrod oricare de pe cap și electrodul de referință A sau N (fig. 3.12)

Fig. 3.12 Sistem de culegere unipolar

Sistemul de culegere cu punct de referință median (fig. 3.13.a) , efectuează culegeri de biopotențiale între un electrod activ de pe scalp și un potențial de referință ales prin medierea potențialelor tuturor electrozilor encefalici printr-o rețea rezistivă de însumare.

În culegerea bipolară (fig. 3.13.b), canalele de electroencefalografie sunt conectate la perechi de electrozi aflați pe scalp. În acest sistem de culegere fenomenele encefalice apar mai bine localizate; pe două canale în care se amplifică și redau fenomene între două perechi de electrozi vecini, semnalele utile apar în antifază și permit diagnosticianului o dicernere de artefacte.

Fig. 3.13. a) Sistemul de culegere cu punct de referință median și b) Sistemul de culegere bipolar

SCHEMA BLOC A UNUI ELECTROENCEFALOGRAF

Se construiesc variante portabile de electroencefalografe cu 4,6,8 și 10 canale și electroencefalografe mobile cu 16, 32, 64 canale și conțin o cutie activă de conectare a electrozilor la pacient. Schema bloc a unui electroencefalograf este prezentată în fig. 3.14.

Fig. 3.14 Schema bloc a unui electroencefalograf

PAD8 este un  preamplificator pentru opt canale, a cărui sensibilitate se reglează cu blocul comun, RSC în 10 trepte de la 2 la 75µV/mm.

Parametrii electrici principali sunt: amplificare foarte mare (1000), rejecție de mod comun mare (100 dB), Zin > 10 MΩ , zgomot redus (1µVrms).

Pentru eliminarea artefactelor frecvența limită inferioară se reglează în trepte (0.16 – 0.53 – 1 – 5.3Hz) iar pentru eliminarea zgomotului electromiografic treptele de frecvență limită superioară sunt 15 – 35 – 50 – 70 – 100 Hz. Generatorul de semnal dreptunghiular (GS) furnizeaza impulsuri de 5…1000 µV și este folosit la etalonarea aparatului. A8 este un amplificator de tensiune pentru comanda etajului de putere AP8. Comutatorul RSI ajută la reglarea separată a amplificării canalelor.

Convertorul analog – numeric ( CAN ) realizează interfața cu un sistem de prelucrare numerică (PN). AP8 comanda înregistratorul DIS, a cărui viteză a hârtiei este controlată în trepte (10, 15, 30, 60 mm/s) de blocul CVH.

Electroencefalografele actuale sunt realizate astfel încât pot avea mai multe posibilități de culegere și înregistrare, cu reglaj automat de amplificare și cu ieșire standardizată pentru a înmagazina datele sau pentru a le prelucra.

3.5 ACHIZIȚIE ȘI PROCESARE SEMNAL

Achiziția semnalelor bioelectrice se realizează astăzi prin intermediul echipamentelor care amplifică în mod corespunzător și digitalizează semnalul. Ca urmare, mai multe proceduri clinice bazate pe semnalele bioelectrice sunt utilizate pe scară largă în spitale din întreaga lume. În multe situații, sistemele bazate pe PC pot fi utilizate ca o soluție eficientă și rentabilă pentru analiza semnalelor, în special având în vedere disponibilitatea de carduri de expansiune pentru achiziție de date. Un astfel de sistem include unul sau mai mulți senzori, hardware-ul extern pentru izolarea pacientului și amplificarea semnalului, o placă de achiziție cu convertor analog/digital (A/D) și software pentru analiza semnalului.

Fig. 3.15 Schema bloc care descrie pașii principali pentru analiza semnalului

Într-un sistem bazat pe PC, analiza semnalului este de multe ori făcută la nivel local, bazându-se fie pe CPU (unitatea centrală de prelucrare) sau un procesor de semnal digitală.

Cu toate acestea, cu disponibilitatea de astăzi de resurse de pe web, nu mai este necesar a se efectua întreaga analiză de semnal la nivel local. Este la fel de posibil să se achiziționeze semnalul într-o locație fizică, folosind sistemul bazat pe PC, apoi acesta să fie procesat într-o altă locație, adică, bazându-se pe o soluție client / server. Deoarece semnalul dobândit în majoritatea cazurilor, este stocat într-o bază de date care se află pe un server, poate fi avantajos ca și prelucrarea semnalului să se realizeze pe server deoarece acesta poate oferi mai multă putere de calcul.

Diferitele forme de undă ale semnalului EEG transmit informații valoroase clinic. O formă de undă poate reprezenta un eveniment izolat sau mai multe forme de undă pot constitui un model de semnal compus. În ambele cazuri, este important să se dezvolte metode pentru detectarea și cuantificarea obiectivă a caracteristicilor semnalului pentru a facilita interpretarea vizuală. Extracția de caracteristici de semnal relevante este deosebit de importantă atunci când scopul este de a proiecta un sistem de clasificare EEG. Anularea zgomotului și artefactelor este un alt aspect important în procesarea semnalului EEG și o condiție prealabilă pentru analiza semnalelor ulterioare a fi de încredere. 

TRANSFORMATA FOURIER – TEORIE

INTRODUCERE

Se numește semnal o mărime fizică măsurabilă, purtătoare de informație, care poate fi transmisă la distanță, recepționată și/sau prelucrată.

Un semnal unidimensional, numit și semnal 1D, este o funcție de timp, notată generic prin x(t), t ∈ ℜ . De regulă, mărimea fizică variabilă reprezentând semnalul este o tensiune electrică. Totuși, în echipamentele de automatizări se utilizează și semnale de altă natură fizică, așa cum sunt, de exemplu: curentul electric, presiunea aerului instrumental, deplasarea unui corp solid. În telecomunicații, semnalul 1D este întotdeauna o tensiune electrică variabilă în timp.

Fie Ft = [t1,t2 ] suportul semnalului x(t), adică intervalul de timp finit în care se observă (măsoară) semnalul. Funcția x(t) se consideră de modul integrabil:

, (4.1)

Adică x(t)∈L1 .

Fig. 4.1 Sistem dinamic

Semnalele se pot aplica unor circuite sau, mai general, unor sisteme dinamice. Fie u(t) semnalul aplicat la intrarea unui sistem și y(t) semnalul obținut la ieșirea acestuia, numit și răspuns al sistemului la semnalul de intrare (fig. 4.1).

Sistemele dinamice realizează prelucrarea semnalelor, conform cu funcțiunile realizate de echipamentele electronice în care sunt înglobate. Câteva operații uzuale de prelucrare a semnalelor: integrarea unui semnal, derivarea acestuia, filtrarea (extragerea unor componente spectrale ale semnalului sau, după caz, eliminarea componentelor parazite), modulația semnalelor, etc. De fapt, cele mai multe echipamente electronice sunt formate din lanțuri de sisteme dinamice, care realizează prelucrări consecutive ale semnalelor, conform unei „tehnologii” care determină funcțiunile realizate de echipamentul respectiv.

Semnalele pot fi: cu timp continuu și cu timp discret. În circuitele analogice de procesare, semnalele sunt cu timp continuu, fiind adesea numite semnale analogice.

Semnalele numerice pot fi generate de echipamente numerice sau se pot obține din cele analogice prin două operații:

eșantionarea semnalului, adică discretizarea timpului t cu un pas Te, numit perioadă de eșantionare. Semnalul cu timp discret, x(kTe ) , este notat adesea cu x(k) , unde k reprezintă timpul discret, adică pasul curent de eșantionare;

cuantizarea semnalului, adică discretizarea amplitudinii eșantioanelor x(k) . Se alege un pas de cuantizare, Δ , iar rezultatul operației de cuantizare este un număr întreg, q , astfel încât produsul q ⋅ Δ să fie cât mai apropiat de amplitudinea eșantionului cuantizat.

Fig. 4.2 Sistem numeric

Cele două operații se realizează uzual în cadrul unui convertor analogic/numeric (A/N). La ieșirea acestuia se obține un șir de valori numerice, {xk }, aferente momentelor de timp discrete k. Acest șir reprezintă un semnal numeric. Într-un sistem numeric (fig. 4.2), procesarea semnalului de intrare, {uk }, în vederea obținerii răspunsului {yk } se realizează prin mijloace software.

Semnalele care au o evoluție ce nu este supusă hazardului se numesc semnale deterministe. Alături de acestea, se întâlnesc și semnalele aleatoare, a căror evoluție în timp este supusă hazardului, așa cum sunt perturbațiile care afectează sistemele de transmitere și prelucrare a informațiilor.

Fig. 4.3 Sistem 2D

Din clasa semnalelor unidimensionale menționăm: semnalul vocal, semnalul radio (modulat în amplitudine sau în frecvență), semnalele furnizate de traductoare ale mărimilor fizice uzuale (temperatură, viteză ș.a.) etc.

Semnalele bidimensionale, numite și semnale 2D, sunt – de regulă – imagini. Fie u(x1, x2 ) un semnal bidimensional, în raport cu coordonatele spațiale x1 și x2. Mărimea u reflectă valoarea nivelului de gri în punctul de coordonate x1 și x2. Ca și în cazul semnalelor unidimensionale, modelarea matematică a semnalelor 2D vizează facilitarea descrierii operațiilor de prelucrare. Aceste operații de prelucrare se realizează cu ajutorul sistemelor 2D (fig. 4.3). Semnalul de ieșire din sistem, y(x1, x2 ) , se obține prin aplicarea unor operații specifice (filtrare, extragere contur, etc.) aplicate semnalului de intrare u(x1, x2 ) .

Semnalele de timp pot fi reprezentate în moduri diferite în funcție de interesul față de vizualizarea anumitor caracteristici. Printre aceste caracteristici, reprezentarea frecvenței este cea mai puternică și standard. Principalul avantaj pentru reprezentarea timpului este că permite o vizualizare clară a periodicității semnalului, în multe cazuri, ajutând la înțelegerea fenomenele fizice care îi stau la bază. 

Analiza de frecvență, dezvoltată de Jean Baptiste Fourier (1768-1830), a ajuns la aplicații nenumărate în matematică, fizică și științe naturale. În plus, transformata Fourier este computațional foarte atractivă, deoarece poate fi calculată folosind un algoritm foarte eficient numit transformata Fourier rapidă.

ISTORIC

În condiții blânde, Fourier Transform descrie un semnal x(t) (se vor lua în considerare doar semnale reale), ca o suprapunere liniară de sinus și cosinus caracterizate de frecvență lor f.

(4.2)

Unde

(4.3)

sunt coeficienți cu valori complexe care dau contribuția relativă a fiecărei frecvențe f.

Ecuația (4.2) este transformata Fourier continuă a semnalului x(t). Poate fi văzută ca un produs interior a semnalului x(t) cu funția mamă sinusoidala complexă .

(4.4)

Transformata ei inversă este dată de ecuația (4.2) și pentru că funcția mamă este ortogonală, transformata Fourier nonredundantă și unică.

Să considerăm în continuare că semnalul este format din N valori discrete, prelevate de fiecare dată Δ.

(4.5)

Unde este măsurătoarea făcută la un timp .

Transformata Fourier discretă a semnalului este definită ca

, (4.6)

și inversa ca

(4.7)

Unde, cum luăm în considerare semnale reale, următoarea relație deține și frecvențele discrete sunt definite ca

(4.8)

Transformata Fourier discretă dă N/2 coeficienți cu valori complexe independenți, dând astfel un total de N valori ca în semnalul original și, prin urmare, fiind nonredundantă.

În mod evident, rezoluția de frecvență va fi

(4.9)

Din coeficienții complexi ai ec. 4.6, periodograma se poate obține ca :

2 = (4.10)

Unde * denotă conjugarea complexă. Spectrul încrucișat poate fi definit similar, făcând de două ori produsul ec. 4.10 între serile x(n) și y(n) după cum urmează

(4.11)

Unde X(k) și Y(k) sunt transformate Fourier x(t) și y(t). Spectrul încrucișat ne dă o mărime a corelației liniare dintre două semnale pentru diferite frecvențe fk definite în relația 4.8. Cum este o mărime complexă, poate fi definită de o amplitudine și o fază. O mărime utilă a amplitudinii este obținută cu valoarea ei pătrată, normalizată în felul următor :

(4.12)

Ecuația 4.12 este cunoscută ca funcția de coerență pătrată și ne va da valori ce tind la 1 pentru semnale corelate liniar și ce tind spre 0 pentru cele necorelate.

Echivalenta funcției de corelație este funcția de fază, definită ca

(4.13)

Unde este parte imaginară și parte reală. Trebuie remarcat faptul că faza este relevantă doar când coerența este semnificativă. În acest caz, ne dă o mărime a pauzei dintre două semnale, după următoarea formulă (Brazier, 1972) :

(4.14)

Unde este diferența de fază în grade la o frecvență . (definită ca în ecuația 4.8)

TRANSFORMATA FOURIER ÎN ANALIZA EEG

Până la acest moment, după introducerea de înregistrări digitale ale EEG, analiza spectrală pe baza transformatei Fourier este de departe metoda cantitativă cea mai utilizată pentru analiza semnalelor EEG. Mai mult, a ajuns un instrument important pentru diagnostic. Transformata Fourier permite separarea și studiul diferitelor unde EEG, o sarcină greu de realizat vizual atunci când mai multe unde au loc simultan.

BENZI DE FRECVENȚĂ

Cum semnalele EEG sunt nestaționare și conțin multe artefacte, ca un prim pas pentru o analiză Fourier este alegerea unor date eșantion reprezentative, în general de 1 sau 2 secunde, fără artefacte (Nuwer et al., 1994).

Înainte de calculul transformatei Fourier, fiecare dată importantă este multiplicată de o funcție fereastră (de obicei fereastra Hanning) pentru a evita probleme de limită (scurgeri) (Jenkins și Watts, 1968; Dumermuth și Molinari, 1987). Apoi peridiogramele datelor importante sunt calculate și mediate.

Este foarte util să grupăm frecvențele în diferite benzi. Câțiva parametrii cantitativi au fost definiți din aceste benzi de frecvență, ca de exemplu puterea relativă dintre ei ( fiind cea mai folosită, raportul alfa/teta), reactivitate ( raportul ochi inchiși/ochi deschiși activitate alfa ) etc. (Nuwer et al., 1994). Mai mult decât atât, tehnici de statistici pot fi utilizate pentru a stabili limitele normale și deviația acestora cu unele patologii (John et al., 1987).

HARTĂ TOPOGRAFICĂ

Informația spectogramelor a diferiților electrozi poate fi aranjată în hărți topografice. (Gotman, 1990a; Gevins, 1987; Lehmann, 1987; Lopes da Silva,1993a).

De obicei, acești algoritmi utilizează interpolări liniare sau pătratice între trei sau patru zone de înregistrare mai apropiate. Pentru că folosim un singur electrod de referință, acesta poate distorsiona zona de mapare din preajma referinței (Lehmann 1971, 1987), iar un punct critic din aceste grafice este alegerea referinței. Câteva sugestii au fost propuse pentru a se evita acestă distorsiune, printre care utilizarea referințelor medii precum și utilizarea mediei derivaților activității EEG (Lehmann, 1987; Lopes da Silva, 1993b). O problemă finașă care trebuie considerată este proiectarea unui cap tridimensional pe o mapă bidimensională.

Folosirea graficelor topografice a început de mai bine de 30 de ani prin implementarea diferitelor tehnici (Walter et al., 1966; Lehman, 1971), dar a fost după introducerea hărților topografice color de Duffy et al. (1979) când ele au devenit acceptate de majoritatea și au început să fie utilizate în mai multe centre medicale.

Cu ajutorul acestor grafice este ușor de vizualizat asimetriile și de localizat activitățile benzilor de frecvență. În plus, hărțile topografice completează parametrii cantitativi descriși în secțiunile anterioare pentru caracterizarea normalității și în studiul și diagnosticarea unor patologii (Duffy, 1986; Maurer și Dierks, 1991; Pfurtscheller și Lopes da Silva, 1988; Garcia și Quian Quiroga, 1998).

Fig. 4.4 Harta topografică a diferitelor benzi de frecvență a EEG la o înregistrare EEG normală realizată cu ochii închiși.

Figura 4.4 ne arată o hartă topografică la o înregistrare EEG a unui subiect normal cu ochii închiși. Sunt realizate grafice pentru cinci benzi de frecvență diferite. Cum era de așteptat, puterea de distribuție este omogenă în toate benzile de frecvență, cu excepția undei alfa, unde există o creșterea simetrică în locațiile posterioare. Această creștere ne arată prezența activității undelor alfa descrise la punctul 3.2.

ANALIZA FRECVENȚELOR POTENȚIALELOR EVOCATE

Funcțiile fiziologice ale benzilor de frecvență pot fi analizate prin studierea lor ca răspuns la diferite tipuri de stimulare. Bașar (1980) a descris o procedură de analiză combinată pentru atingerea acestui scop.

Procedura se bazează pe studiul evidențierii diferitelor benzi de frecvență ca răspuns la stimulare. După o analiză Fourier a EEG pre- și post-stimul, intervale de frecvență sunt determinate și benzile sunt separate prin utilizarea unei filtrări selective.

Evidențierile delta au fost corelate cu procesele cognitive, cum ar fi de potrivire a semnalului sau de luare a deciziilor prin utilizarea unor secvențe de stimuli repetitivi auditivi și vizuali întrerupți aleator de un stimul deviant. (Stampfer și Bașar, 1985; Bașar-Eroglu et al., 1992; Schürmann et al., 1995; Demiralp et al.,1999).

Evidențierile teta au fost corelate cu sarcini cognitive cum ar fi atenția concentrată și detecția semnalului cu ajutorul paradigmelor stimulului omis la pisici în mișcare liberă (Bașar-Eroglu et al., 1991) și la oameni (Demiralp și Bașar, 1992).

Evidențierile alfa au fost corelate cu prelucrări senzoriale primare în mai multe experimente folosind diferiți stimuli la pisici si la oameni. (Bașar, 1980; Bașar et al.,1992; Bașar și Schürmann, 1996).

Evidențierile gama au fost corelate cu legarea de caracteristici (Gray și Singer, 1989; Gray et al., 1989) și au fost sugerate a fi implicate în alte câteva procese senzoriale și cognitive (Bașar-Eroglu et al., 1996a,b; Schürmann et al.,1997).

COERENȚA

Funcția de coerență permite evaluarea corelației liniare între doi electrozi EEG. Principalul avantaj al acestei funcții este că coerența dă corelarea ca o funcție de frecvență, permițând astfel studiul corelațiilor spațiale între diferite benzi de frecvență.

Lopes da Silva et al. (1973a) a calculat coerențe talamo-corticale și cortico-corticale pentru verificarea validității ipotezei unui pacemaker talamic de unde corticale alfa, propus de Andersen și Andersson (1968). Au descoperit că coerențele cortico-corticale au fost mai mari decât cele talamo-corticale, astfel subliniind importanța mecanismelor corticale în răspândirea undelor alfa, în dezacord cu teoria pacemakerului talamic.

Altă aplicație interesantă a coerenței este pentru definirea lungimi de sincronie caracteristice între populații neuronale. Acest lucru se realizează prin stabilirea unor lungimi cu coerență semnificativă. Urmărind această abordare, după studierea a 189 de copii, Thatcher et al. (1986) a propus un ”model cu două compartimente” afirmând că sunt prezente două surse separate de coerențe EEG : prima determinată de conexiuni axonale de lungimi scurte iar a doua de conexiuni pe distanțe lungi.

Bullock și colegii (1989, 1995a, 1995b) critică utilizarea electrozilor de scalp pentru măsurare structurii spațiale a sincronie și au studiat structura spațială a coerenței cu electrozi intracranieni. În contradicție cu rapoartele anterioare ale populației sincroniei care era de ordinul a câțiva centimetri, au raportat că coerență a variat în ordinul a câțiva milimetri, indicând astfel o microstructură a populației celulelor. În plus, ca urmare a acestei structuri de interval mic, ei critică punctul de vedere al EEG ca o suprapunere liniară de oscilatoare independente.

Mai multe tentative au fost efectuate cu scopul de a analiza crizelor epileptice cu analiza prin funcția de coerență. Gerch și Goddard (1970) au folosit funcția de coerența pentru identificarea amplasarea unui focus epileptic într-un creier de pisică. Văzând o scădere semnificativă de coerență între două canale după scăderea efectului celui de al treilea (această metodă numindu-se coerență parțială), au dedus că cel de al treilea le influența pe celelalte două, fiind astfel focusul crizei.

Brazier (1972), a introdus măsurarea pauzelor între canale (vezi ec. 4.13) pentru a urmări rute de propagare și pentru a stabili originea activității crizei.

Gotman (1983, 1987) a propus modificarea acestui algoritm prin calcularea pauzei de la o pantă a unei linii drepte potrivită spectrului fazei când coerența este semnificativă. El a arătat că întârzierile indică cel mai adesea un avans din partea de debut în diferite tipuri de convulsii la animale si la om. Cu toate acestea, o linie dreaptă nu este întotdeaună posibil să fie potrivită în spectrul de fază și valorile coerenței sunt adesea foarte scăzute în scopul de a extrage orice măsură semnificativă din spectrul de fază.

O aplicație importantă este comparația dintre puterea diferitelor benzi de frecvență și distribuirea lor topologică utilizate pentru discriminarea între subiecții normali și cazuri patologice. Această analiză este deja adaptată la multe sisteme comerciale și utilizată în mai multe centre medicale. Un cuvânt de precauție este de menționat în acest moment. Deși parametrii cantitativi pot fi ușor extrași din EEG într-un mod automat, inspecția vizuală a înregistrărilor nu ar trebui să fie lăsată deoparte. Acest lucru ajută pentru a evita interpretările greșite din cauza nestaționării, artefactelor sau altele. În acest sens, hărțile topografice și valorile cantitative ar trebui considerate ca fiind o completare și nu o înlocuire a examinarea vizuală a EEG. Transformata Fourier poate fi folosită pentru studierea funcțiilor și sursele a diferitelor oscilații ale creierului analizând EEG. Câteva exemple de cum măsurători ale coerenței pot duce la interpretări fiziologice interesante au fost, de asemenea, prezentate. Măsurători de conectivitate sau sincronizare între populațiile neuronale pot fi stabilite și testate în mai multe stări și patologii. Deoarece o criză epileptică este o sincronizare abnormală a grupurilor de celule, coerență apare ca un instrument ideal pentru măsurarea ei. Măsurarea pauzelor de timp este dificilă , deoarece acestea depind de valori ridicate ale coerenței, acesta nefiind cazul de obicei.

În ciuda faptului că transformata Fourier s-a dovedit a fi foarte utilă în analiza EEG, trebuie menționate două dezavantaje principale. În primul rând, transformata Fourier necesită staționaritatea semnalului iar EEG este nonstaționar. În al doilea rând, cu transformata Fourier evoluția în timp a modelelor de frecvență este pierdută.

Metoda care urmează să fie prezentată în următoarea secțiune este dezvoltată cu scopul de a depăși aceste două limitări.

TRANSFORMATA WAVELET – TEORIE