Czynność mózgu i metody jej badania PMB Jerzy Wtorek 500,000 neuronów kształtuje się w ciągu minuty? Założenie : 500,000 neuronów kształtuje się w czasie jednej minuty w rozwijającym się płodzie Uważa się, że mózg kształtuje się w ciągu 4 tygodni Sprawdzenie: 500,000 na minutę 30 milionów na godzinę 70 milionów na dzień 5 miliardów na tydzień 96 miliardy w ciągu 4 tygodni Neurony obraz w elektronowym skanerze Elektryczna aktywność mózgu Pomiar EEG (elektroencefalogramu) mózgu człowieka zostały wykonane po raz pierwszy przez H. Bergera w 194 r. EEG używane jest w wielu aplikacjach klinicznych, np. diagnoza epilepsji, pziom świadomości, klasyfikacja snu, etc. Charakteryzuje się dobrą rozdzielczością czasową pozwalającą na badania w skali milisekundowej. EEG jest spontaniczną aktywnością elektryczną neuronów, mierzona jest różnica potencjałów pomiędzy elektrodami umieszczonymi na czaszce EEG modyfikowane jest przez: -przepływ krwi -zawartość tlenu: odżywianie -fazę snu, stopień świadomości -leki -temperaturę Neuron podstawowa struktura
Komórka multipolarna (np. motoneuron) Komórka bipolarna (np. interneuron) Tkanka glejowa Funkcje: odżywianie, modulacja sygnałów neuronalnych, uczestniczą w metabolizmie neuroprzekaźników, ochrona komórek nerwowych Czym komórki gleju różnią się od neuronów?: Nie tworzą synaps, nie generują potencjałów czynnościowych, nie wydzielają neuroprzekaźników Tkanka glejowa Mikroglej Makroglej Komórka Purkiniego (z móżdżku) a. Akson (są mobilne) Oligodendrocyty tworzą mielinę Lemocyty tworzą mielinę Komórka unipolarna (np. neuron czuciowy) Neuron piramidalny z kory myszy b. Kolaterale (odgałęzienie boczne aksonu) c. i d. dendryty Astrocyty Wychwyt neurotransmiterów Bariera krew-mózg Regulują skład jonowy płynu zewnątrzkomórkowego (wychwyt K + ) PODSTAWOWE POJĘCIA: Pobudliwość - zdolność do reagowania na bodźce (całe organizmy, tkanki, narządy, komórki) 3 Na + Stan spoczynkowy polaryzacja błony (-70 mv) K + + + + + + + Bodziec - zmiany środowiska wywołująca reakcje organizmu lub komórki Próg pobudliwości minimalna wartość bodźca wywołująca potencjał czynnościowy (wartość różna dla danych komórek) Potencjał czynnościowy zmiana polaryzacji błony (depolaryzacja) zgodna z prawem wszystko albo nic ( wszystko albo nic zmiana potencjału jest stała tj. przyjmuje stałą wartość; dalsze zwiększanie natężenia bodźca nie powoduje wzrostu tej wartości) Cytoplazma ATP K + ADP Pompa sodowo potasowa (Na + -K + -ATPaza) Kanał ucieczki dla jonów K + ------- Kanał dla jonów Na + bramkowany napięciem Podlega aktywacji jedynie w czasie pobudzenia (depolaryzacji błony) Pobudzenie komórki depolaryzacja błony (+35 mv) ------- Na + + + + + + mv +35 0 potencjał progowy depolaryzacja nadstrzał repolaryzacja 1. EPSP postsynaptyczny potencjał pobudzający. Okres refrakcji bezwzględnej 3. Okres refrakcji względnej mv +35 0 depolaryzacja Przewodność dla Na + Przewodność dla K + -55-55 -70 1 3 hiperpolaryzacja -70 t t
50 napięcie na błonie mv 50-50 -100 artefakt drażnienia okres utajnienia refrakcji iglica hiperpolaryzacja 1 ms t Potencjał czynnościowy napięcie na błonie przestrzeń zewnątrzkomórkowa Prądy w komórce mv iglica I z I z -prąd zewnątrzkomórkowy -50 1 ms t I mi I w I mo błona komórkowa I w -prąd wewnątrzkomórkowy I mo -prąd przezbłonowy z komórki I mi -prąd przezbłonowy do komórki przestrzeń wewnątrzkomórkowa -100 artefakt okres utajnienia hiperpolaryzacja drażnienia refrakcji stymulacja zapis włókno nerwowe V m przestrzeń zewnątrzkomórkowa C R Na R K R u V Na V K V u przestrzeń wewnątrzkomórkowa I = I + I m c ion I = C Vm t c m I = I + I + I I ion K Na Cl ( V ) Ion = g Ion m VIon środowisko zewnętrzne V C R Na R K R u Rozwiązanie mv mmho/cm 90 35 V V Na V K V u G Na wnętrze komórki V J = C m + t jeden rodzaj cząsteczki, ale uczestniczą jednocześnie cztery ( V V K ) g K + ( V V Na ) g Na + ( V V Cl ) g Cl 4 g K = g Kn dn = α ( n) n 1 dt n α n β n -zależą od V β n dwa rodzaje cząsteczek, ale uczestniczą jednocześnie cztery g Na 3 dm = g m h = α ( m) m Na m 1 β m dt dh = α ( h) h 1 β h h dt g K 0.5 1.5 4 ms Wnioski: generacja potencjału czynnościowego związana jest z przepływem prądu przez błonę komórkową oraz w jej wnętrzu i otoczeniu przepływ przez błonę jest sterowany gradientem koncentracji i mechanizmami aktywnymi Propagacja potencjału czynnościowego ( r t) φ = f θ φ t = θ φ stymulacja zapis włókno nerwowe Równanie Plonsey a λ d φ dφ τ φ = 0 θ dt dt gdzie: ( ) rm λ = τ = r m r r m C 1 θ -prędkość propagacji θt φ = Aexp θτ + λ τ θ >> 4 λ θ τ + λ 4 Dla typowych komórek φ = Aexp[ Kt] ( r r ) K = θ Cm 1 +
d V φ = φ 1 φ φ z φ z φ = i z i 1 im r 1 / r 1 / 1 = i1r 1 = ir i m 1r1 + ir H-H r / r / 1 i1 + i = 0 i1 i = = z z 1 φ = r + r z z dv dz potencjał spoczynkowy I jon i m V a φ Cm + ( VK φ ) g K + ( VNa φ ) g Na + ( VCl φ ) gcl = t ρ z 1 φ φ = θ t d φ dφ 1 4 = K + [ g K n ( VK φ ) + g Nam h( VNa φ ) + gcl ( VCl φ )] 3 dt dt Cm I poj dz j = j' + σe = j' σ φ j = 0 1 φ = j' σ j' ( r' ) φ = dv' 41 πσ v' r r' Mierzony potencjał jest związany z prądami aktywnymi!!! Źródło: Malmivuo, Plonsey Źródło sygnału Równanie Poissona φ = 4πρ( r' ) ρ( r' ) φ = dv' v' r r' 0 1 przestrzeń zewnątrzkomórkowa Ca ++ Na + 0 1 Ca ++ 3 4 K + Na + Ca ++ Cl - Na + Ca ++ K + 3 I mi przestrzeń wewnątrzkomórkowa 4 K + I z I w K + I mo błona komórkowa Elektryczna aktywność mózgu EEG mierzone na powierzchni czaszki jest wynikiem przepływu prądów jonowych w mózgu. Najmniejszą jednostką aktywności jest neuron składający się z trzech głównych części: ciała (soma), dendrytu i aksonu Soma ma strukturę podobną do innych komórek. Dendryty są wypustkami ciała komórki i odbierają impulsy od innych neuronów i przewodzą je w kierunku ciała neuronu. Akson jest włóknem transmitującym impuls do innego neuronu czy komórki mięśniowej. Mózg składa się z około 10 11 neuronów, z których każdy może być połączony z 1000-100 000 innych neuronów za pomocą połączeń synaptycznych Informacja pomiędzy neuronami jest przesyłana w postaci potencjałów czynnościowych przemieszczających się wzdłuż aksonów. Każdy akson łączy się z innym neuronem za pomocą złącza zwanego synapsą i do komórki mięśniowej za pomocą złącza neuromięsniowego. Pomiędzy częścią przed i postynaptyczną znajduje się szczelina o szerokości 10-50 nm. Synapsa Przenoszenie impulsu przez synapsę związane jest z wydzieleniem chemicznych transmiterów przez końcówkę przedsynaptyczną. Transmitery te aktywują część postsynaptyczną w wyniku czego otwierają się kanały w błonie skutkujące w zmianie potencjału błonowego. W zależności od transmitera, zmiana potencjału może być depolaryzująca skutkująca w postaci pobudzenia postsynaptycznego lub hyperpolaryzacyjna skutkująca w postaci potencjału hamującego. Otwierające się kanały jonowe indukują przepływ prądu przezbłonowego w synapsie i w dalszej kolejności prądu wewnątrzkomórkowego, który można modelować w postaci dipola prądowego. Elektryczna aktywność mózgu Formowanie się pętli prądowych w przestrzeni zewnątrzkomórkowej pomiędzy dendrytami komórek. Dendryty otrzymują wiele jednoczesnych sygnałów transmitowanych synaptycznie i mogą zainicjować potencjał czynnościowy gdy natężenie pobudzeń przewyższa natężenie hamowania w stopniu pozwalającym na depolaryzację części błony. Jeżeli czynność pobudzająca jest oddzielona przestrzennie od czynności hamującej powstała różnica potencjałów wymusi przepływ prądu wewnątrz i na zewnątrz komórki. Składowa zewnątrzkomórkowa tego prądu, wzmocniona w wyniku sumowania z prądami z otoczenia pochodzącymi od innych dendrytów wytwarza potencjały mierzalne na powierzchni czaszki jako EEG. Główne znaki orientacyjne Bruzda środkowa Bruzda/szczelina Sylvian
E 1 E Główne znaki orientacyjne: cztery płaty Bruzda środkowa Co mierzymy? V 1- E 1 E Płat czołowy Bruzda Sylvian Płat ciemieniowy Płat skroniowy Płat potyliczny P jest wektorem, momentem dipolowym σ P Jaka jest wartość V 1-??? Pole odprowadzenia Elektryczna aktywność mózgu Hipotetyczne!!! Jednostkowy prąd 1A S soma D - dendryt depolaryzacja różnica potencjałów σ U = ρj 1 p1 P J p U ( J P) = ρ J P = ρ J P cos, 1 pl pl pl V 1- E 1 E źródła dyskretne U 1 = ρ k J pk P k J pl σ źródła ciągłe V 1 = ρ J V p P dv v P System odprowadzeń 10-0
Rejestracja 18 kanałowa Occitpital lobe płat potyliczny Parietal lobe płat ciemieniowy Frontal lobe płat przedni Temporal lobe płat skroniowy Pierwotne i inne regiony Systemy dedykowane Pierwotny obszar motoryczny Pierwotny obszar somatosensoryczny Elektrody czerwone = pomiarowe Elektrody czarne = odniesienia Wszystkie inne obszary są wtórne, związane, lub wykonawcze Pomiar czterokanałowy, bipolarny Elektrody kubełkowe Monitorowanie epilepsji Operacje chirurgiczne Pierwotny obszar słyszenia Pierwotny obszar wzrokowy Związane z pacjentem -ruchowe -EMG -ECG -puls -QRS -stymulatory -Ruch gałek ocznych -Pot -pływanie linii bazowej -utrata kontaktu przez elektrody Artefakty Artefakty techniczne -sieciowe, 50 Hz -fluktuacja impedancji elektrodowej -ruchy kabli połączeniowych -zbyt mało lub zbyt dużo pasty elektrodowej Stabilny kontakt elektrody z pacjentem warunkiem poprawnych pomiarów Elektrody zamieniają prąd jonowy w elektronowy Najbardziej popularne Ag-AgCl Najsłabsze połączenie występuje pomiędzy elektrodą i skórą Wartość impedancji interfejsu elektroda-skóra świadczy o jego jakości, <5 KΩ Impedancja powinna mieć taką samą wartość dla wszystkich elektrod!!!
Czego szukamy? Amplitudy i częstotliwości Lokalizacji rytmu i specyficznych fal Zakłóceń Typowe EEG Sygnały w dziedzinie częstotliwości: Delta (< 4 Hz): dzieci, dorośli w czasie snu Theta (4-8 Hz): lekki sen, wczesne dzieciństwo Alfa (8-13 Hz): dorośli, obudzony z otwartymi oczami Beta (>13 Hz): wysoka aktywność lub leki Nietypowe zapisy Matryca widmowa skompresowana Asymetryczne Stłumione+wybuchowe zakłócenia Stłumione+mała amplituda Mała amplituda Niskie częstotliwości Iglice epileptyczne Brak reakcji Spektralna analiza trendu w czasie Dobre narzędzie wizualizacyjne do oceny zmian i asymetrii
Potencjały wywołane Potencjały wywołane to odpowiedź CNS na stymulację zewnętrzną -Słuchowe potencjały wywołane (AEP) -Somatosensoryczne potencjały wywołane (SSEP) -Wzrokowe potencjały wywołane (VEP) Pomiar odpowiedzi na bodziec Praktycznie zależne od takich samych zjawisk jak EEG. Różnice w drodze reakcji: odpowiedzi wolniejsze i mniejsze amplitudy AEP kanały różnicowe -elektrody powierzchniowe Elektrody pomiarowe powyżej uszu Słuchawki do stymulacji dźwiękowej ERP Event Related Potential Czerwone elektrody pomiarowe Czarne elektroda odniesienia AEP są maskowane spontaniczną czynnością mózgu Stymuluj kilkaset razy Sygnał AEP w mikrowoltach Czynność spontaniczna 10-tki mikrowoltów
...uśredniaj aby otrzymać odpowiedź Interpretacja AEP Amplituda Amplituda Czas BAEP (Brainstem AEP) pień mózgu -0 10 ms - odpowiedź z pnia mózgu - prognozowanie śpiączki MLAEP - Mid Latency: - 10 100ms - wczesne przetwarzanie korowe - poziom świadomości LLAEP Long Latency: - 100 1000ms - proces rozumienia Latencja AEP podczas anestezji Badanie snu MLAEP: impuls stopniowo zmniejsza się i zanika całkowicie po zaśnięciu Bezdech można monitorować za pomocą wielu urządzeń poczynając od statycznego PSG (Polysomnograph) lub redukując do pomiaru tylko holterowskiego lub oksymetru PSG całonocne monitorowanie w celu oceny zaburzeń snu, składa się z wielu badań przeprowadzanych podczas snu pacjenta poprzez rejestrację: -EEG -EOG -EMG -ECG -Wysycenia tlenu -Oddechu Zapisy EEG w różnych fazach snu Typowy pacjent: nadwaga, problemy alkoholowe, chrapanie. Bezdech poprzedzany jest zmiennością faz snu Fazy rozwoju bezdechu: -Początkowo bezobjawowe zatrzymania oddechu -Przedłużony bezdech skutkujący w redukcji S 0 -Niski poziom 0 wpływa na wiele organów: serce, mózg,... -Jeżeli proces przedłuża się może skutkować niedotlenieniem mięsnia serca, zawałem i innymi komplikacjami
Klasyfikacja faz snu Faza W czuwanie, EEG zapis niskoamplitudowy, wieloczęstotliwościowy, aktywność alfa gdy oczy zamknięte, widoczny ruch gałek ocznych w EOG i EEG, wysoki poziom EMG Faza S1 drzemka, EEG zapis wzmocniony w zakresie -7Hz, wolny ruch gałek ocznych, natężenie EMG mniejsze niż w fazie W, nieobecna REM, Faza S1 typowo stanowi 5% Total Sleep Time Faza S lekki sen, Faza S3 średni sen, Faza S4 głęboki sen, EEG wysoka amplituda delta stanowiąca 50% 30 sekundowych zapisów, Faza REM EEG jak w fazie S1, dodatkowo REM, Faza MT czas ruchu, artefakty ruchowe Detekcja ruchu gałek ocznych w fazie REM
Typy ognisk epilepsji: częściowe Zaczyna się i pozostaje w konkretnej części mózgu. Symptomy w zależności od lokalizacji i wielkości i drogi wyładowania. System siateczkowaty: utrata świadomości Płat skroniowy: dziwne zachowanie, także niestosowne bez świadomości pacjenta Kora motoryczna: konwulsje, powtarzające się skurcze grup mięśniowych, utrata kontroli ale nie świadomości Diagnoza: Magnetoencefalografia Epilepsja jest diagnozowana za pomocą EEG i w niektórych przypadkach dodatkowo za pomocą MRI Dipole generują pole magnetyczne Przynajmniej 10 000 neuronów musi być aktywnych jednocześnie aby była możliwa detekcja Prądy w dendrytach.11.07 Strumień magnetyczny związany z prądami źródłowymi Rejestracja sygnałów magnetycznych
Rozkład na powierzchni czaszki Typowe obszary aktywowane aktywnością lingwistyczną pomiar magnetoencefalograficzne Asymetria półkul OW obszar Wernicke a przetwarza słuchane dźwięki mowy i umożliwia ich zrozumienie KM- kora motoryczna, aktywna przy wymawianiu OB obszar Broce a, formułuje reakcje mowy i stymuluje KM OB KM OW Obszar Wernicke a MEG composite fmri Singh et al. 00
Typy transportu organelli w komórkach nerwowych Transport aksonalny postępujący Transport aksonalny wsteczny (retrogradowy) Szybki przemieszczanie organelli wzdłuż mikrotubul przy pomocy kinezyny transport głównie pęcherzyków z neurotransmiterami Wolny Recyrkulacja pęcherzyków synaptycznych (endocytoza) dzięki polimeryzacji/ Zachodzi dzięki dyneinie depolimeryzacji cytoszkieletu Oligodendrocyt Tworzenie osłonki mielinowej przez lemocyty Mielina