Elektroencefalografia (ang. electroencephalography, EEG) to nieinwazyjna metoda diagnostyczna służąca do badania bioelektrycznej czynności mózgu. Do pomiarów wykorzystuje się elektroencefalograf. Badanie polega na odpowiednim rozmieszczeniu na głowie specjalnych elektrod, które rejestrują zmiany potencjału elektrycznego na powierzchni skóry pochodzące od aktywności neuronów kory mózgowej. Po ich odpowiednim wzmocnieniu tworzy się zapis – elektroencefalogram. EEG pozwala na diagnozowanie różnych zaburzeń neurologicznych i neurofizjologicznych oraz badanie procesów poznawczych. Jeśli elektrody umieści się bezpośrednio na korze mózgu (np. podczas operacji na otwartym mózgu) badanie nosi nazwę elektrokortykografii (ECoG).
1.Historia wynalezienia
Historia wynalezienia EEG sięga XIX wieku. W 1875 roku angielski fizjolog i lekarz Richard Caton prowadził eksperymenty na zwierzętach, podczas których rejestrował elektryczną aktywność mózgu za pomocą galwanometru. Odkrył wtedy, że mózg generuje niewielkie impulsy elektryczne. W tym samym roku opublikował w British Medical Journal wyniki badania dotyczącego aktywności elektrycznej na otwartym mózgu królików i małp.
Pierwszy polski zapis EEG został zarejestrowany w 1890 roku na Uniwersytecie Jagiellońskim przez neurologa Adolfa Becka. Dokonał on dalszych badań nad elektryczną aktywnością mózgu i zaproponował, by przystawiać elektrody bezpośrednio na powierzchnię skóry głowy w celu rejestrowania tych impulsów. Pierwsze badanie EEG na człowieku przeprowadził niemiecki psychiatra Hans Berger. W 1924 roku rozpoczął eksperymenty nad rejestrowaniem elektrycznej aktywności mózgu u ludzi. Wprowadził pojęcie “elektroencefalografii” i po raz pierwszy opisał zależności między zmianami w EEG a różnymi stanami świadomości. 5 lat później opublikował pracę, w której opisał wyniki swoich badań nad EEG u ludzi. Umieszczał elektrody na skórze głowy pacjentów i obserwował wzorce fal mózgowych. Natomiast w 1932 roku wprowadzi do obiegu tzw. srebrne elektrody, które zapewniały lepszą jakość sygnału EEG.
Od tamtej pory elektroencefalografia stała się ważnym narzędziem diagnostycznym, m.in. w dziedzinie neurologii i neurofizjologii. Dalsze badania i rozwój technologiczny doprowadziły do powstania zaawansowanych systemów rejestracji EEG. Dzięki temu metodę tę wykorzystuje się dziś w wielu dziedzinach, takich jak badania nad snem, epilepsją, schorzeniami psychicznymi, czy neurorehabilitacją.
2. Elementy składowe aparatu do EEG
Urządzenie do badania EEG składa się z kilku elementów. Do najważniejszych z nich należą:
- elektrody – są to małe metalowe dyski, które są umieszczane na skórze głowy pacjenta; służą do zbierania elektrycznych impulsów generowanych przez aktywność mózgu; mogą być rozmieszczone w różnych konfiguracjach w zależności od celu badania; elektrody mogą być ulokowane w specjalnym czepku, który ułatwia ich mocowanie i rozmieszczenie na głowie pacjenta
- elektrowody – dzięki nim elektrody są połączone z urządzeniem; przesyłają zarejestrowane sygnały z elektrod do aparatu rejestrującego; zwykle są elastyczne i zapewniają swobodę ruchu pacjenta
- wzmacniacz – jest kluczowym elementem w urządzeniu EEG; jego głównym zadaniem jest wzmacnianie i filtracja sygnałów elektrycznych pochodzących z elektrod; eliminuje zakłócenia i poprawia jakość sygnału, co ułatwia analizę danych
- komputer lub rejestrator danych – sygnały zarejestrowane przez wzmacniacz są przekazywane do komputera lub rejestratora danych; rejestruje i analizuje sygnały EEG, a oprogramowanie komputerowe umożliwia wizualizację i analizę danych, generowanie wykresów i raportów
W niektórych przypadkach mogą być używane dodatkowe urządzenia, takie jak kamery wideo, które rejestrują ruchy pacjenta podczas badania. Te dodatkowe informacje mogą być pomocne przy interpretacji wyników. np. jeśli pacjentami są dzieci.
3. Mechanizm działania
Mechanizm działania EEG opiera się na pomiarach potencjałów elektrycznych generowanych przez neurony w mózgu. Aktywne neurony wysyłają niewielkie impulsy elektryczne. Sygnały te są zbierane przez elektrody i przesyłane do wzmacniacza EEG. Ten filtruje sygnały elektryczne w celu redukowania szumów i eliminowania zakłóceń, takich jak sygnały związane z ruchem mięśniowym. Mogą one bowiem wpływać na jakość sygnału.
Następnie sygnały są przekazywane do komputera lub rejestratora danych, gdzie są cyfrowo zapisywane i poddawane dalszej analizie. Oprogramowanie komputerowe przetwarza je i interpretuje, generując wykresy i mapy, które pokazują aktywność elektryczną w różnych obszarach mózgu.
Ważne jest także odpowiednie zastosowanie elektrod, które są umieszczane w określonych miejscach zgodnie z systemem elektrodowym. W standardowym badaniu klinicznym umieszcza się 19 lub elektrod. Natomiast w neurobiologii i w celu badania funkcji poznawczych coraz częściej stosowane są systemy składające się ze 128, a nawet 512 elektrod. Umieszczenie elektrod w typowym badaniu klinicznym jest następujące:
- 8 nad każdą półkulą
- 3 w linii pośrodkowej
- 7 nad korą płatów czołowych
- 3 na granicy płatów ciemieniowych i czołowych
- 3 nad płatami ciemieniowymi
- 4 nad płatami skroniowymi
- 2 nad płatami potylicznymi
- 2 referencyjne przymocowane do płatka ucha
3.1. Częstotliwości fal mózgowych
W warunkach fizjologicznych powstają fale mózgowe o częstotliwości w zakresie od 1 do 100 herców (Hz) i amplitudzie od 5 do kilkuset mikrowoltów (µV). Mózg człowieka funkcjonuje w różnych zakresach fal mózgowych, które można podzielić na następujące typy:
- fale delta – obejmują zakres częstotliwości 0,5-3 Hz, są najwolniejszymi falami mózgowymi i wiążą się z fazą snu głębokiego bez występowania marzeń sennych. Podczas głębokiego snu zachodzi większość procesów regeneracyjnych w organizmie. W przypadku niektórych chorób, np. schizofrenii, padaczki i depresji obserwuje się zaburzenia funkcjonowania fal delta
- fale theta – obejmują zakres częstotliwości 4-8 Hz. Występują podczas snu średniej głębokości, medytacji, a także w trakcie stanów hipnotycznych (takich jak trans, czy hipnoza). W tym czasie dochodzi do kreatywnego i spontanicznego myślenia, działania wyobraźni, a także do autorefleksji i zmiany przekonań
- fale alfa – obejmują zakres częstotliwości od 8 do 13 Hz i amplitudę 30-100 µV. Fale alfa występują najczęściej u zdrowych osób dorosłych. Aktywność mózgu na tej częstotliwości związana jest z kreatywnym myśleniem, gdyż ułatwia synchronizację obu półkul mózgowych, a także z obniżonym poziomem funkcji poznawczych Fale te są dobrze widoczne, gdy pacjent czuwa, ale ma zamknięte oczy. Ich stłumienie następuje podczas percepcji wzrokowej. Fale alfa związane są również ze stanem relaksu, dobrego samopoczucia, spokoju i pozytywnego myślenia
- fale beta – obejmują zakres częstotliwości 3-30 Hz i mają amplitudę poniżej 30 µV Powodują one wzbudzenie aktywności umysłowej. Jest to tzw. stan gotowości, czyli działania, uczenia się i podejmowania decyzji. Fale beta o wysokiej amplitudzie są charakterystyczne w stanach złości czy irytacji. Niskiej amplitudzie towarzyszy natomiast brak koncentracji
- fale gamma – to fale o częstotliwości od 30 do 80, a nawet do 100 Hz. Fale te towarzyszą tym wszystkim aktywnościom mózgu, które są związane z czynnościami wykonywanymi z pasją, czy też tzw. przepływem (ang. flow, inaczej doznanie uniesienia, uskrzydlenie). Wysoką aktywność fal gamma zaobserwowano u tybetańskich mnichów buddyjskich w trakcie medytacji. Towarzyszą one przypominaniu sobie stanów dogłębnej wdzięczności, miłości, współczucia i radości
3.2. Rodzaje aktywności mózgu
Prawidłowy wynik osoby dorosłej podczas czuwania przy zamkniętych oczach składa się z dominującej rytmicznej i regularnej czynności fal alfa. Mają one amplitudę malejącą od potylicy ku przodowi. W odprowadzeniach przednich czołowych dominuje zaś czynność beta o niskim napięciu. Fale theta obserwowane są głównie w przyśrodkowo-przedniej części mózgu.
Przy przejściu ze stanu czuwania przez przez poszczególne stadia snu zanika aktywność fal alfa i częstotliwość zapisu obniża się. W stadium 2. występuje aktywność fal theta oraz tzw. zespołów K i wrzecion snu. Te ostatnie składają się z fal o częstotliwości 12-14 Hz, trwających około pół sekundy każda. Natomiast zespoły K to charakterystyczne niskie fale o dużej amplitudzie, występujące w drugiej fazie stadium snu NREM i w stanie czuwania. Po ujemnej amplitudzie następuje mniejsza i wolniejsza faza dodatnia. W stadium 3. i 4. występują fale delta o niskich częstotliwościach. Po okresie głębokiego snu zapis może przejść do stadium REM, w którym występują marzenia senne. Taki cykl powtarza się wielokrotnie podczas całego snu, zmienia się jednak czas trwania poszczególnych stadiów.
4. Zastosowanie
Badania EEG w diagnostyce klinicznej są wykonywane przy podejrzeniu lub leczeniu zaburzeń snu, a także padaczki oraz innych chorób i uszkodzeń mózgu (guzów, encefalopatii, zapaleń i udarów), przy zatruciach substancjami neurotoksycznymi (np. litem), a także u pacjentów w śpiączce i przy potwierdzaniu śmierci mózgu.
W przypadku padaczki testy diagnostyczne mogą obejmować prezentację migających świateł, które mogą wywołać napady u osób z padaczką światłoczułą. Oprócz wykrywania i klasyfikowania rodzajów napadów, EEG może być wykorzystywane do monitorowania pacjentów pomiędzy epizodami padaczkowymi lub do przewidywania napadów i kontroli ich nasilenia. Czułość rutynowego badania EEG w wykrywaniu międzynapadowych wyładowań padaczkowych w ośrodkach zajmujących się leczeniem tej choroby wynosi 29-55%
EEG jest szeroko stosowane w neuronauce, kognitywistyce, psychologii poznawczej, neurolingwistyce i badaniach psychofizjologicznych, np. u sportowców. Dodatkowo uproszczone aparaty elektroencefalograficzne wykorzystywane są w treningu umysłu (tzw. biofeedback). Systemy te są również stosowane w budowaniu interfejsów mózg-komputer. Pozwalają one na komunikację człowieka z otoczeniem bez użycia mięśni, np. u osób sparaliżowanych od szyi w dół, które do porozumiewania się używają siły impulsów układu nerwowego. Elektroencefalografia znajduje także zastosowanie w badaniach konsumenckich (badania neuromarketingowe), ale ich przydatność budzi kontrowersje.
5. Zalety i wady stosowania
Badanie EEG jest powszechnie używanym, tanim i stosunkowo nieinwazyjnym narzędziem diagnostycznym i badawczym. Zapewnia bardzo wysoką czułość i jest jedną z niewielu technik, które pozwalają na nieinwazyjne badanie mózgu z tak dużą dokładnością. Systemy EEG są na tyle małe i łatwe w przenoszeniu, że mogą być wykorzystywane na wielu oddziałach szpitalnych bez konieczności transportu pacjentów do specjalnych pracowni. Badanie to może być także wykonywane w środowisku domowym.
W celu uzyskania najbardziej precyzyjnych pomiarów zaleca się, aby pacjent pozostawał w spoczynku i unikał większych ruchów podczas badania. Niektóre aparaty do EEG zaprogramowane są jednak tak, by pomóc w redukcji oddziaływania ruchu na sygnał. Dzięki temu nawet jeśli pacjent wykonuje nieznaczne ruchy, można uzyskać pomiar o dobrej jakości. Badanie EEG nie wywołuje klaustrofobii, zazwyczaj u pacjentów nie odnotowuje się także napadów lękowych. Sprzęt pracuje cicho i pozwala na badanie reakcji na bodźce dźwiękowe.
Wadą badania EEG jest brak możliwości pomiaru aktywności podkorowej mózgu. Czułość aparatury pozwala na rejestrację wyłącznie aktywności korowej, uniemożliwiając badanie obszarów położonych głębiej. Problemem może być także nierówny wkład struktur mózgowych w powstawanie sygnału. Pofałdowanie kory mózgu skutkuje różnicami w ułożeniu neuronów względem skóry głowy, przy której znajdują się elektrody EEG. Sprawia to, że rejestrowany jest przede wszystkim sygnał powstający w zakrętach, a w mniejszych stopniu jest odnotowywany ten pochodzący z bruzd. Dodatkowo z powodu obecności innych źródeł sygnału elektrycznego (takich, jak aktywność serca, ruchy gałek ocznych, aktywność elektryczna z otoczenia) uzyskany sygnał zawiera dużą liczbę artefaktów i szumu, co utrudnia interpretację wyników. Rodzi to konieczność stosowania odpowiednio dobranych filtrów podczas obróbki danych.
Badanie trwa zwykle długo i może być uciążliwe dla pacjentów z nadwrażliwością ruchową, ADHD, czy zaburzeniami psychicznymi. Procedura wymaga założenia badanemu czepka, nałożenia żelu przewodzącego i ręcznego podpięcia elektrod. Proces ten jest czasochłonny, a wykorzystany żel skleja włosy, co dodatkowo może obniżać komfort osoby badanej. Poczucie dyskomfortu może mieć wpływ na wykonywane zadanie. Istnieją jednak czepki EEG, które pozwalaja ograniczyć czas konieczny na przygotowanie do badania. Czepek zawierający w sobie już podpięte elektrody zanurzany jest w solance, a następnie zakładany badanemu. Taka metoda skutkuje jednak znacznym pogorszeniem jakości sygnału.