Neurokognitywistyka WYKŁAD 4 Nowe metody badawcze Rejestracja aktywności neuronów i struktur. Potencjały wywołane. Prof. dr hab. Krzysztof Turlejski UKSW
Definicja Przedmiotem neurokognitywistyki jest badanie, jak umysł (aktywność układu nerwowego): - percepuje, przetwarza i zapamiętuje informacje; - jak przebiega klasyfikacja doznań i tworzenie klas (struktur) poznawczych, pozwalających rozumieć sens docierających bodźców; - jak mózg (umysł) używa bieżąco dopływających i zapamiętanych informacji do sterowania zachowaniem. Nacisk na rozwój metod obiektywnej oceny procesów biologicznych i psychicznych
Najdawniejsze metody obiektywne: Analiza skutków urazów mózgu Egipski papirus sprzed 3500 lat temu wymienia 28 rodzajów uszkodzeń głowy i opisuje skutki każdego z nich. Egipscy lekarze (a wcześniej szamani z epoki kamiennej) dokonywali trepanacji czaszki, aby zaopatrzyć rany wojenne lub wypuścić z głowy złe duchy. Alkmaion z Krotonu lekarz, 500 lat pne. Pierwszy napisał, że mózg jest siedliskiem władz psychicznych (duszy - psyche). Hipokrates IV w. p.n.e. Leczył gladiatorów, analizując skutki urazów głowy doszedł do podobnych wniosków. Prowadził też sekcje zwłok zwierząt (ludzi nie było wolno). Galen z Pergamonu II w. n.e. Działał w Aleksandrii. Odkrył, że uszkodzenia rdzenia i móżdżka prowadzą do paraliżu, i zaburzeń koordynacja ruchów. Według niego, w komorach mózgu znajduje się płyn umysłu". Szkoła aleksandryjska III w.n.e. Herofilos, lekarz - mózg jest odpowiedzialny za życie psychiczne.
Rozwój metod obiektywnych: Andreas Vesalius (1514-1564, Flandria) mózg odpowiada za funkcje psychiczne. Na podstawie potajemnej sekcji trupów stworzył pierwszy naukowy atlas anatomii, w tym opis mózgu i jego podział na podstawowe części. Systematyczne badania skutków urazów rozpoczęły się dopiero w XIX wieku. Paul Broca zaburzenia mowy po uszkodzeniu niewielkiego obszary kory lewej półkuli. Carl Wernicke inny obszar kory mózgu, odpowiedzialny za zrozumienie wypowiedzi. W końcu XIX wieku opisano ataksje (zaburzenia ruchu), jako skutek uszkodzenia móżdżku.
Przypadek Phineasa Gage Phineas Gage, mistrz strzałowy, miał w 1848 roku wypadek podczas robót kolejowych w Vermont. Po wybuchu prochu, żelazny drąg, którym ubijał proch w otworze strzeleckim, przebił mu czaszkę i w dużej mierze zniszczył korę czołową, bardziej po lewej stronie. Spowodowało to zmianę jego osobowości. Uprzednio był zrównoważonym i odpowiedzialnym brygadzistą pirotechnikiem. Po wypadku stał się kompulsywny, kłótliwy, nadużywał alkoholu. Umarł w wieku 36 lat, 11 lat po wypadku.
Henry Molaison i pamięć Pacjent HM (Henry Molaison), badany od lat 1950tych, wniósł wielki wkład do zrozumienia mechanizmów pamięci. W wieku lat 18 usunięto mu oba hipokampy, aby ograniczyć napady padaczkowe. Umarł w roku 2008, w wieku 84 lat. Jego pamięć była cały czas badana, po śmierci dokładnie zbadano jego mózg. Obserwacja skutków kontrolowanych uszkodzeń mózgu u zwierząt doświadczalnych oraz u ludzi operowanych z powodów medycznych dała podstawy wiedzy o lokalizacji funkcji w mózgu. Jeszcze w XX wieku analiza uszkodzeń była ważnym źródłem informacji o lokalizacji funkcji psychicznych.
Drażnienie powierzchni i struktur głębokich mózgu Hitzing i Fritsch (koniec XIX wieku) prowadzili badania drażniąc słabym prądem elektrycznym (o napięciu ułamków wolta) powierzchnię mózgów zwierząt w narkozie. Zlokalizowali okolicę motoryczną w korze mózgu. Metoda ta była powszechnie używana jeszcze 40 lat temu. Wilder Penfield (lata 1950-te) wykonywał operacje u ludzi cierpiących na padaczkę (usuwanie ogniska patologicznego pobudzenia, metoda stosowana do dziś). Mapy topografii korowej Penfielda. Wiele jego artykułów dotyczyło lokalizacji procesów umysłowych. Karl Jasper rozwinął drażnienie struktur głębokich mózgu. Stworzył atlasy mózgu z przypisaniem strukturom funkcji.
WILDER S. PENFIELD (1891-1976) Penfield prowadził operacje w znieczuleniu lokalnym. Przed usunięciem ogniska padaczki, drażnił usuwane miejsce, a pacjenci mówili, co czują. Pozwalało to na lepszą lokalizację struktur.
Rozwój nieinwazyjnych technik badania mózgu W roku 1889 Walter Cannon (Anglia), a w roku 1890 polski neurofizjolog, Adolf Beck, pracujący na Uniwersytecie Jagiellońskim stwierdzili w badaniach na zwierzętach, że potencjał elektryczny powierzchni kory mózgu stale oscyluje, ale ich publikacje nie zostały wówczas powszechnie zauważone. Udało się zarejestrować przebieg tych oscylacji, podłączając do wzmacniacza potencjometr sterujący lusterkiem, odbijającym światło lampki. Odchylenia wiązki światła były zapisywane na przesuwającej się taśmie światłoczułej. Następnie takie same oscylacje potencjału stwierdzono, przykładając elektrody do powierzchni ludzkiej czaszki. Początkowo rejestrowano tylko spontaniczną aktywność mózgu, elektroencefalogram (EEG u ludzi - Hans Berger, psychiatra z Jeny, 1929; 1930 Adolf Beck, polski neurofizjolog Kraków, Lwów). Zapis EEG z pracy Hansa Bergera
Elektroencefalografia (EEG) Elektroencefalografia (EEG) jest nieinwazyjną metodą rejestracji wahań potencjału elektrycznego na powierzchni czaszki, wywołanych aktywnością struktur nerwowych pod nią leżących. Służy do badania bioelektrycznej aktywności mózgu do celów diagnostycznych i naukowych. Badanie polega na rozmieszczeniu na powierzchni skóry czaszki elektrod i rejestracji zmian potencjału elektrycznego w czasie. Po wzmocnieniu zmiany te są zapisywane jako elektroencefalogram (EEG). Jeśli elektrody umieści się bezpośrednio na korze mózgu (np. podczas operacji) badanie takie nosi nazwę elektrokortykografii (ECoG).
Metodyka badania EEG W standardowym badaniu klinicznym umieszcza się 19 elektrod należących do systemu 10-20, zalecanego przez Międzynarodową Federację Neurofizjologii Klinicznej IFCN: - osiem elektrod nad każdą półkulą - trzy elektrody w linii pośrodkowej Są one oznaczane następująco: siedem elektrod nad korą płatów czołowych: Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, Fz trzy elektrody na granicy płatów ciemieniowych i czołowych: C3, C4, Cz trzy elektrody nad płatami ciemieniowymi: P3, P4, Pz cztery elektrody nad płatami skroniowymi: T3, T4, T5, T6 dwie elektrody nad płatami potylicznymi: O1, O2 Oraz dwie elektrody referencyjne przymocowane do płatków ucha A1, A2 W neurobiologii poznawczej coraz częściej stosowane są systemy składające się ze 128 albo nawet 256 elektrod, co pozwala na lepszą lokalizację aktywności.
Fale alfa Zapis EEG z jednej elektrody Powyżej - jedna sekunda zapisu EEG z jednej elektrody. Prawidłowy elektroencefalogram osoby dorosłej, czuwającej z zamkniętymi oczami składa się z dominującej rytmicznej, regularnej czynności alfa prawidłowo zróżnicowanej przestrzennie, tzn. o amplitudzie malejącej od potylicy ku przodowi. Natomiast w odprowadzeniach przednich (czołowych) dominuje niskonapięciowa i o wyższej częstotliwości czynność beta. W warunkach fizjologicznych powstają fale mózgowe o częstotliwości w zakresie 1 100 Hz oraz amplitudzie od 5 do kilkuset µv. Fale te są generowane przez cykliczną aktywność układów pobudzjących i hamujących pnia mózgu oraz struktur podkorowych. W przypadku jakiejkolwiek patologii tych struktur (np. zniszczenia komórek lub upośledzenia przewodzenia chemicznego) będzie się zwiększać lub zmniejszać częstotliwość i/lub amplituda, zmieniać kształt lub sekwencja zmian.
Rodzaje fal obserwowanych w EEG Fale alfa (α): częstotliwość 8-13 Hz. Amplituda 30-100 µv. Fale alpha są dobrze widoczne u osób dorosłych przy braku bodźców wzrokowych (zamknięte oczy). Zmniejszają się podczas percepcji wzrokowej, a narastają w stanie relaksu i obniżonego poziomu aktywności poznawczej. Fale beta (β): częstotliwość 13-30 Hz, amplituda poniżej 30 µv. Powstają, gdy aktywują się mechanizmy uwagi, a kora mózgowa jest zaangażowana w aktywność poznawczą. Czym niższa amplituda fal beta, tym wyższy stopień koncentracji (selektywnej uwagi). Fale beta, mogą być też wywołane przez różne patologie oraz substancje chemiczne takie jak benzodiazepiny. Fale gamma (γ) maja zakres częstotliwości około 26 100 Hz. występują w czasie snu, tak jak bardzo wolne fale theta i gamma.
Wielokanałowy zapis EEG i mapa aktywności mózgu
Medyczne zastosowania EEG Dla celów klinicznych badania EEG są wykonywane dla monitorowania i diagnozy w następujących sytuacjach: Przy badaniu zaburzeń snu (rejestracje całonocne) przy stwierdzaniu patologicznej śpiączki oraz śmierci mózgu (brak czynności cyklicznej) diagnostyka chorób organicznych mózgu, np. głuchota (brak lub ograniczony zakres potencjałów wywołanych bodźcami słuchowymi), zaburzenia neurologiczne (pamięci, koncentracji uwagi), padaczka. zatrucia substancjami neurotoksycznymi (np. litem. Rejestruje się wówczas charakterystyczne zespoły fal trójfazowych).
Rozwój technik badania mózgu opartych o EEG Wieloelektrodowe rejestracje aktywności EEG i korelacji potencjałów pomiędzy elektrodami z różnych obszarów umożliwiły stworzenie map korelacji aktywności ludzkiego mózgu. Rozwój rejestracji potencjałów wywołanych (ERP) i potencjałów z powierzchni kory wywołanych drażnieniem receptorów (skórnych, wzrokowych, słuchowych). Potencjały wywołane (ERP) są widoczne po uśrednieniu wielu zapisów EEG, skorelowanych z pewnymi bodźcami zewnętrznymi. Charakterystyczne fale pojawiają się po 30 milisekundach, ich amplituda jest proporcjonalna do stymulacji. P300 (milisekund) zależy od przetwarzania informacji na wyższych poziomach i stanu pobudzenia wewnętrznego. P600 korelacje z wyższymi funkcjami psychicznymi.
Potencjały wywołane Bodźce docierające do mózgu z organów zmysłów aktywują wybiórczo niektóre struktury, przez co zmieniają potencjał rejestrowany przez elektrody, zwłaszcza przez te, które są umieszczone nad aktywną strukturą. Te POTENCJAŁY WYWOŁANE nakładają się na aktywność EEG, ale wielokrotne powtórzenia bodźca pozwalają na uśrednienie EEG i uwidocznienie potencjału wywołanego.
Odmienne źródła aktywności rytmicznej (EEG) i potencjałów wywołanych
Przebieg potencjału wywołanego (ECG) W konwencji ECG wartości dodatnie potencjału są poniżej osi, a ujemne powyżej. Na osi czasu milisekundy od zastosowania bodźca Każdy załamek jest spowodowany wystąpieniem aktywności w określonych strukturach i określonym czasie. Zaznaczono fazy potencjału wywołanego
Aparatura do badania potencjałow wywołanych Wielokanałowa aparatura rejestracji potencjałów wywołanych jest połączona z systemem komputerowym i systemem bodźców słuchowych i wzrokowych. Stosuje się od kilkudziesięciu do kilku tysięcy powtórzeń takiego samego bodźca.
Potencjały wywołane Potencjały wywołane są odchyleniami od rytmicznej aktywności EEG, wywołanymi zaistnieniem pobudzenia, n.p. bodźca i procesami jego analizy w mózgu. Rejestracja z każdej z elektrod jest pod najsilniejszym wpływem zmian potencjału w strukturach jej najbliższych
Okolice czuciowe kory nowej u człowieka U człowieka pierwotna okolica słuchowa znajduje się w zakrętach skroniowych poprzecznych. Kora słuchowa ma organizację tonotopową (analizuje tony różnej wysokości w różnych miejscach). Analizuje też sekwencje dźwięków i różnice tego, co słyszy lewe i prawe ucho.
Analiza potencjałów wywołanych Po wielokrotnych uśrednieniach, na ekranie widoczna jest nie linia prosta, lecz szereg załamków o różnym czasie wystąpienia. Rejestracja z każdej elektrody przynosi nieco inne rezultaty. Dwa różne bodźce skutkują odmiennymi wynikami rejestracji na tej samej elektrodzie.
Kontekst emocjonalny zmienia system analizy słów Po lewej: wielkość potencjałów wywołanych (ERP) wywołanych przeczytaniem prawidłowego i błędnie napisanego zdania w warunkach neutralnego, nagatywnego i pozytywnego nastawienia. Pokazano zapis z wybranych elektrod. Po prawej: mapy poziomicowe wielkości potencjałów N400 i P 600 dla całej powierzchni mózgu. Jimenez-Ortega 2012
Reakcja mózgu na błędy składni napisanego zdania Rozdzielczość przestrzenna map: 1cm Rozdzielczość czasowa: 1 ms Kuperberg et al. 2010 Mapy wielkości załamków N400 i P600 rejestrowanych na powierzchni skóry głowy. Zależność od rodzaju błędów w zdaniu, które badany miał przeczytać. Załamek P600 lepiej koreluje ze specyfiką zadania.
Badanie procesów związanych z wyborem, przy pomocy rejestracji potencjałów wywołanych Zadanie dla mężczyzn - wybierz czy chcesz dokładniej obejrzeć nieostry portret kobiety, czy dostać drobną sumę pieniędzy. Metoda badawcza: - przebadano 18 osób. - pokazywano dwa rodzaje portretów: kobieta piękna, kobieta seksowna. - rejestracja potencjałów wywołanych przez bodźce (ERP), - analiza porównawcza amplitudy załamków - mapy aktywności korowej w odpowiednim czasie po bodźcu. - porównywanie map Zheng J et al. 2012
Wynik przetwarzania potencjałów wywołanych na mapy korowe Porównywanie przebiegu i Przetworzone dane: amplituda potencjałów w różnych siły potencjałów punktach czasowych (300, 350, 700 ms). Kolor niebieski wywołanych (ERP) załamek ujemny, kolor czerwony załamek dodatni. rejestrowanych przez A wynik odjęcia przebiegu potencjałów po wybieram elektrody umiejscowione w pieniądze od potencjałów po wybieram kobietę różnych miejscach głowy B - wynik odjęcia potencjałów po decyzji wybieram Zheng J et al. 2012 seksowną od potencjałów wybieram piękną
Wnioski z badań 1. Decyzja obejrzenia portretu kobiety wywoływała większą amplitudę późnego załamka ujemnego (Late positive component LPC, 550-1000 ms), niż wybór pieniędzy. 2. Załamek ten był większy w przypadku wyboru sex, niż w przypadku wyboru piękno. Prawdopodobnie świadczy to o tym, że dla mężczyzn seksualność kobiety jest bardziej bezpośrednią i emocjonalnie silniejszą nagrodą niż jej piękno, a tym bardziej pieniądze, co prawdopodobnie wiąże się z sekwencją pojawiania się różnych dóbr w toku ewolucji. 3. Portrety pięknych kobiet wywoływały większą amplitudę załamka P2 (290-340 ms) niż portrety kobiet seksownych. Odbija to prawdopodobnie większe natężenie procesu uzgadniania oczekiwań (które są strukturą kognitywną) z realnym bodźcem wzrokowym w przypadku oceny piękna. Ocena seksowności jest bardziej automatyczna i zunifikowana. 4. Zadanie sex vs. money wywołało większy załamek ujemny N2 (340-390 ms) niż zadanie beauty vs. money. Może to świadczyć o silniejszym konflikcie i jednocześnie silniejszym kognitywnym hamowaniu zachowań impulsywnych w przypadku seksu. Największe różnice występują późno po bodźcu, wybór kobiety, a nie pieniędzy nie zależy więc od prostych, automatycznych reakcji, a od rozwiązania konfliktu wartości i oceny kognitywnej.
Rejestracja potencjałów receptorowych wywołanych bodźcem słuchowym w badaniu audiometrycznym Zapis potencjałów wywołanych. Zanik percepcji tonów wysokich związany ze starzeniem się układu słuchowego.
Inne zapisy rejestrowane aparatem EEG Skurczom mięśni towarzyszy ich depolaryzacja, co rejestrują umieszczone nad nimi elektrody Oko jest dipolem elektromagnetycznym (ujemnie naładowana siatkówka znajduje się z tyłu oka). Ruchy oka przemieszczają ten dipol, co zmienia potencjał pod elektrodami umieszczonymi poniżej i powyżej oka.
MEG, magnetoencefalografia Zmiany potencjałów i przepływ prądów wywołują zmiany pola elektromagnetycznego. Dwie komponenty tego pola elektryczna i magnetyczna zawsze występują razem. Podczas gdy EEG rejestruje komponentę elektryczną (zmianę potencjału elektrycznego), to specjalne czujniki mogą rejestrować równoległe zmiany pola magnetycznego. Zastosowania - podobnie jak EEG, ale MEG pozwala na rejestrację z głębszych źródeł (rejestruje aktywność głębiej położonych struktur). Zalety: rejestruje szybkozmienne sygnały (rozdzielczość 1 ms). Wady: mała rozdzielczość przestrzenna (5 cm), kosztowna rejestracja, trudna interpretacja. Używana głównie do celów medycznych
Potencjały iglicowe. Zapis aktywności pojedynczych neuronów. Zapis aktywności pojedynczych neuronów (potencjały iglicowe). Ponieważ jest to metoda inwazyjna, to stosowana jest głównie w badaniach na zwierzętach, lecz także u ludzi w trakcie operacji. Zapisy przedstawia się jako: - histogramy na osi czasu (na przykład skorelowane z czasem wystąpienia bodźca sensorycznego), - autokorelogramy (wykrywa cykliczność aktywności neuronu) - kroskorelogramy (wykrywa korelację i kierunek wpływu aktywności jednego neuronu na drugi.
Rozwój metod analizy potencjałów iglicowych Obecnie możliwa jest równoczesna rejestracja potencjałów czynnościowych pojedynczych komórek odbieranych przez setki miniaturowych elektrod. Analiza korelacji aktywności tylu neuronów równocześnie rejestrowanej przez kilka minut jest zadaniem na wiele dni dla szybkich komputerów. Jest to jednak maleńka próbka w stosunku do liczby neuronów w mózgu. Mimo to, na podstawie tej technologii, ale używając elektrod do drażnienia, stworzono pierwsze skuteczne protezy układu słuchowego i wzrokowego.
Pytania 1. Co rejestruje elektroencefalogram (EEG) i do jakich celów jego zapis jest używany? 2. Jak powstają potencjały wywołane, jak się je rejestruje i do jakich celów ich analiza jest stosowana?