تخطيط كهربية الدماغ (EEG)
مخطط كهربية الدماغ هو تقنية غير جراحية يمكنها قياس نشاط الدماغ. يولد النشاط العصبي إشارات كهربائية يتم تسجيلها بواسطة أقطاب مخطط كهربية الدماغ الموضوع…
تخطيط كهربية الدماغ ، أو مخطط كهربية الدماغ ، هو تقنية فيزيولوجية كهربية شائعة الاستخدام من قبل الباحثين الذين يدرسون الإدراك. يولد الدماغ باستمرار نشاطا كهربائيا ، والذي يمكن أن يحدث تلقائيا ، أو عندما يحدث عن طريق التحفيز. مخطط كهربية الدماغ هو تقنية غير جراحية ومحمولة وغير مكلفة يمكنها اكتشاف التغيرات في نشاط الدماغ وتحديدها كميا ، مما يجعلها مفيدة بشكل خاص للدراسات المعرفية. في هذا الفيديو ، سنشرح بإيجاز كيفية إنشاء إشارات مخطط كهربية الدماغ ، وكيف يتم تطبيق مخطط كهربية الدماغ على البحث المعرفي ، والطريقة القياسية لتسجيل مخطط كهربية الدماغ ، وبعض التطبيقات المحددة.
للبدء ، دعنا نلقي نظرة على مكان وكيفية إنشاء إشارات مخطط كهربية الدماغ.
إشارة مخطط كهربية الدماغ هي نشاط كهربائي يتم تسجيله من سطح الدماغ باستخدام أقطاب كهربائية موضوعة على فروة الرأس. يتم إنشاؤه بشكل أساسي في الطبقة الخارجية - القشرة الدماغية - بواسطة الخلايا العصبية الهرمية المنشطة ، والتي تعد الخلايا العصبية الرئيسية للقشرة. تتلقى هذه الخلايا العصبية وتدمج المدخلات المشبكية من أجزاء أخرى من الدماغ ، ويعكس نشاطها الجماعي معالجة المعلومات.
والجدير بالذكر أن الإثارة تحرك الأيونات الموجبة الشحنة عبر الغشاء إلى الخلايا العصبية ، مما يخلق "حوضا" حاليا في المنطقة المتغصنة ، والتي يتم تحييدها عن طريق الحركة الخارجية للشحنة حول سوما - "المصدر" الحالي. هذا يجلب الخلايا العصبية إلى حالة "ثنائي القطب" ، مما يولد إمكانات كهربائية ، ويخلق تدفقات تيار بين التغصنات القمية والسوما. تلتقط الأقطاب الكهربائية مجموع الإمكانات التي تنتجها أعداد كبيرة من هذه "ثنائيات الأقطاب العصبية" التي تعمل بشكل متزامن.
الآن بعد أن أصبحت على دراية بعلم وظائف الأعضاء وراء إشارات مخطط كهربية الدماغ ، دعنا نناقش ما يخبروننا به عن الوظائف المعرفية.
يظهر مخطط كهربية الدماغ الطبيعي تذبذبات تلقائية. يتكون هذا النشاط الإيقاعي من عدة إيقاعات فرعية متداخلة يمكن كشفها عن طريق التحولات الرياضية ، مثل تحويل فورييه. باستخدام هذه التقنية ، تتحلل السلسلة الزمنية لمخطط كهربية الدماغ إلى إيقاعات فرعية مكونة لها ويتم رسمها على أنها "طيف طاقة". يتم رسم كل إيقاع فرعي ، بناء على تردده ، وفقا ل "تركيزه" أو قوة الإشارة في إجمالي سجل مخطط كهربية الدماغ.
ترددات إيقاعات الدماغ هي: موجة دلتا ، وهي الأبطأ عند أقل من 4 هرتز ؛ موجة ثيتا ، عند 4-7 هرتز ؛ موجة ألفا ، عند 8-12 هرتز ؛ موجة بيتا عند 13-30 هرتز ؛ وموجة جاما ، الأسرع عند أكبر من 30 هرتز. يرتبط كل إيقاع أيضا بحالة سلوكية: لوحظت موجات دلتا وثيتا في حالة النوم ، وتحدث موجات ألفا في حالة اليقظة والاسترخاء ، وتحدث موجات بيتا وجاما أثناء الإدراك النشط.
يستخدم التغيير في نشاط مخطط كهربية الدماغ للتحقيق في استجابة الدماغ للتحفيز أثناء المهام المعرفية. على سبيل المثال ، أثناء تجربة معرفية ، قد يطلب من الشخص عرض الوجوه على شاشة الكمبيوتر والتمييز بينها. يتم تكرار الاختبار عدة مرات. يتم قفل استجابات مخطط كهربية الدماغ اللاحقة زمنيا حتى بداية الحافز البصري ومتوسطها. هذا يرفع مستوى الإشارة فوق ضوضاء الخلفية. يعرف متوسط نشاط مخطط كهربية الدماغ الذي يثيره حافز معين باسم الإمكانات المرتبطة بالحدث. أو تخطيط موارد المؤسسات.
تتوافق القمم في الرسم البياني لتخطيط موارد المؤسسات مع النشاط العصبي المنسق. هنا ، تتعلق الذروة السابقة بالاستجابة المباشرة للنظام البصري. بعد ذلك ، تتعلق ذروة لاحقة للنشاط العصبي المتزامن بالمعالجة المعرفية للمنبه.
الآن بعد أن تعلمت كيفية استخدام مخطط كهربية الدماغ لدراسة الإدراك ، دعنا نلقي نظرة على كيفية إجراء تجربة مخطط كهربية الدماغ.
تتطلب تجارب مخطط كهربية الدماغ جمع إشارات ذات مغزى فقط ، لأن الإمكانات القشرية الفعلية صغيرة جدا. لالتقاط هذه الإشارات ، تصنع أقطاب EEG من مواد عالية التوصيل ، مثل كلوريد الفضة والفضة ، والتي يتم ترتيبها في غطاء وفقا لنظام التنسيب القياسي 10-20. يضمن هذا النظام وضعا ثابتا للأقطاب الكهربائية بحيث تكون التجارب قابلة للتكرار عبر الزمن والأشخاص. يتم تعيين الأقطاب الكهربائية وفقا للمناطق القشرية المحددة وموقع نصف الكرة الأرضية ، ويتم فصلها بشكل منهجي في حدود 10٪ أو 20٪ من إجمالي المسافة من الأمام إلى الخلف أو من اليمين إلى اليسار للجمجمة.
يستخدم هلام الإلكتروليت مع الأقطاب الكهربائية لزيادة الموصلية. يتم تضخيم الإشارات النشطة بالنسبة إلى القطب المرجعي ، ويتم تأريض النظام لتقليل الضوضاء. علاوة على ذلك ، يتم تصفية الإشارات لجمع تلك التي تقع ضمن نطاق تردد EEG فقط. عادة ما تتم مراقبة القطع الأثرية من حركات الجسم ، مثل وميض العين ، وطرحها من البيانات.
قبل التجربة ، يتم شرح الإجراءات للمشارك والحصول على موافقة خطية. يتم قياس محيط رأس الموضوع ، ويتم تحديد حجم غطاء القطب الكهربائي المناسب. يتم وضع علامة على معالم وضع الغطاء ومتابعتها وفقا لنظام التنسيب 10-20. بعد ذلك ، يتم حقن الجل الموصل داخل كل حامل قطب كهربائي ، مما يجعل كومة من الجل على فروة الرأس ، وهو ما يكفي فقط لتجنب التداخل بين الأقطاب الكهربائية المجاورة. ثم يتم تثبيت الأقطاب الكهربائية النشطة في الحوامل. يتم الآن وضع الموضوع للتجربة ، ويتم تذكيره بتقليل الحركات غير الضرورية. أخيرا ، يتم فحص شاشة مخطط كهربية الدماغ للتأكد من أن كل شيء يعمل بشكل صحيح.
الآن بعد أن تعلمت أساسيات إجراء تجربة مخطط كهربية الدماغ ، دعنا نفحص بعض التطبيقات المحددة لهذه التقنية في البحث المعرفي.
يستخدم مخطط كهربية الدماغ لدراسة الإدراك الاجتماعي لدى البالغين والرضع. هنا ، تتضمن التجربة عرضا توضيحيا للدمية وجها لوجه مع رضيع كموضوع لاختبار الاستدعاء الفوري والتقليد. تظهر البيانات التي تم جمعها من فروة الرأس بأكملها اختلافات في نشاط مخطط كهربية الدماغ في نقاط زمنية تجريبية مختلفة.
التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، أو التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، هو تقنية أخرى غير جراحية تقيس نشاط الدماغ. يمكن دمج حساسية الرنين المغناطيسي الوظيفي لموقع التنشيط مع حساسية مخطط كهربية الدماغ لتوقيت التنشيط. تتيح هذه التقنيات معا رسم الخرائط الوظيفية على مستوى أعلى لفهم العمليات المعرفية مثل النوم والوعي والعاطفة والتعلم والذاكرة.
أخيرا ، يمكن دمج مخطط كهربية الدماغ مع تحفيز التيار المباشر عبر الجمجمة ، أو tDCS ، وهي تقنية تمكن تحفيز الدماغ من تعديل استثارة الخلايا العصبية. ينطوي tDCS على إمكانية علاج الاضطرابات العصبية التي تؤثر على القدرات المعرفية ، ويستخدم مخطط كهربية الدماغ لمراقبة وتحسين تأثيرات التحفيز المباشر. تستخدم البرامج التي تقوم بتحويلات فورييه السريعة التلقائية لمراقبة التغييرات في طيف طاقة مخطط كهربية الدماغ في الوقت الفعلي.
لقد شاهدت للتو فيديو JoVE على EEG. ناقش هذا الفيديو كيفية إنشاء إشارات مخطط كهربية الدماغ ، وكيف يتم استخدام هذه التقنية لفهم الإدراك ، وأساسيات إجراء تجربة مخطط كهربية الدماغ ، وأخيرا بعض التطبيقات المحددة في الدراسات المعرفية. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
تخطيط كهربية الدماغ ، أو مخطط كهربية الدماغ ، هو تقنية فيزيولوجية كهربية شائعة الاستخدام من قبل الباحثين الذين يدرسون الإدراك. يولد الدماغ باستمرار نشاطا كهربائيا ، والذي يمكن أن يحدث تلقائيا ، أو عندما يحدث عن طريق التحفيز. مخطط كهربية الدماغ هو تقنية غير جراحية ومحمولة وغير مكلفة يمكنها اكتشاف التغيرات في نشاط الدماغ وتحديدها كميا ، مما يجعلها مفيدة بشكل خاص للدراسات المعرفية. في هذا الفيديو ، سنشرح بإيجاز كيفية إنشاء إشارات مخطط كهربية الدماغ ، وكيف يتم تطبيق مخطط كهربية الدماغ على البحث المعرفي ، والطريقة القياسية لتسجيل مخطط كهربية الدماغ ، وبعض التطبيقات المحددة.
للبدء ، دعنا نلقي نظرة على مكان وكيفية إنشاء إشارات مخطط كهربية الدماغ.
إشارة مخطط كهربية الدماغ هي نشاط كهربائي يتم تسجيله من سطح الدماغ باستخدام أقطاب كهربائية موضوعة على فروة الرأس. يتم إنشاؤه بشكل أساسي في الطبقة الخارجية - القشرة الدماغية - بواسطة الخلايا العصبية الهرمية المنشطة ، والتي تعد الخلايا العصبية الرئيسية للقشرة. تتلقى هذه الخلايا العصبية وتدمج المدخلات المشبكية من أجزاء أخرى من الدماغ ، ويعكس نشاطها الجماعي معالجة المعلومات.
والجدير بالذكر أن الإثارة تحرك الأيونات الموجبة الشحنة عبر الغشاء إلى الخلايا العصبية ، مما يخلق "حوضا" حاليا في المنطقة المتغصنة ، والتي يتم تحييدها عن طريق الحركة الخارجية للشحنة حول سوما - "المصدر" الحالي. هذا يجلب الخلايا العصبية إلى حالة "ثنائي القطب" ، مما يولد إمكانات كهربائية ، ويخلق تدفقات تيار بين التغصنات القمية والسوما. تلتقط الأقطاب الكهربائية مجموع الإمكانات التي تنتجها أعداد كبيرة من هذه "ثنائيات الأقطاب العصبية" التي تعمل بشكل متزامن.
الآن بعد أن أصبحت على دراية بعلم وظائف الأعضاء وراء إشارات مخطط كهربية الدماغ ، دعنا نناقش ما يخبروننا به عن الوظائف المعرفية.
يظهر مخطط كهربية الدماغ الطبيعي تذبذبات تلقائية. يتكون هذا النشاط الإيقاعي من عدة إيقاعات فرعية متداخلة يمكن كشفها عن طريق التحولات الرياضية ، مثل تحويل فورييه. باستخدام هذه التقنية ، تتحلل السلسلة الزمنية لمخطط كهربية الدماغ إلى إيقاعات فرعية مكونة لها ويتم رسمها على أنها "طيف طاقة". يتم رسم كل إيقاع فرعي ، بناء على تردده ، وفقا ل "تركيزه" أو قوة الإشارة في إجمالي سجل مخطط كهربية الدماغ.
ترددات إيقاعات الدماغ هي: موجة دلتا ، وهي الأبطأ عند أقل من 4 هرتز ؛ موجة ثيتا ، عند 4-7 هرتز ؛ موجة ألفا ، عند 8-12 هرتز ؛ موجة بيتا عند 13-30 هرتز ؛ وموجة جاما ، الأسرع عند أكبر من 30 هرتز. يرتبط كل إيقاع أيضا بحالة سلوكية: لوحظت موجات دلتا وثيتا في حالة النوم ، وتحدث موجات ألفا في حالة اليقظة والاسترخاء ، وتحدث موجات بيتا وجاما أثناء الإدراك النشط.
يستخدم التغيير في نشاط مخطط كهربية الدماغ للتحقيق في استجابة الدماغ للتحفيز أثناء المهام المعرفية. على سبيل المثال ، أثناء تجربة معرفية ، قد يطلب من الشخص عرض الوجوه على شاشة الكمبيوتر والتمييز بينها. يتم تكرار الاختبار عدة مرات. يتم قفل استجابات مخطط كهربية الدماغ اللاحقة زمنيا حتى بداية الحافز البصري ومتوسطها. هذا يرفع مستوى الإشارة فوق ضوضاء الخلفية. يعرف متوسط نشاط مخطط كهربية الدماغ الذي يثيره حافز معين باسم الإمكانات المرتبطة بالحدث. أو تخطيط موارد المؤسسات.
تتوافق القمم في الرسم البياني لتخطيط موارد المؤسسات مع النشاط العصبي المنسق. هنا ، تتعلق الذروة السابقة بالاستجابة المباشرة للنظام البصري. بعد ذلك ، تتعلق ذروة لاحقة للنشاط العصبي المتزامن بالمعالجة المعرفية للمنبه.
الآن بعد أن تعلمت كيفية استخدام مخطط كهربية الدماغ لدراسة الإدراك ، دعنا نلقي نظرة على كيفية إجراء تجربة مخطط كهربية الدماغ.
تتطلب تجارب مخطط كهربية الدماغ جمع إشارات ذات مغزى فقط ، لأن الإمكانات القشرية الفعلية صغيرة جدا. لالتقاط هذه الإشارات ، تصنع أقطاب EEG من مواد عالية التوصيل ، مثل كلوريد الفضة والفضة ، والتي يتم ترتيبها في غطاء وفقا لنظام التنسيب القياسي 10-20. يضمن هذا النظام وضعا ثابتا للأقطاب الكهربائية بحيث تكون التجارب قابلة للتكرار عبر الزمن والأشخاص. يتم تعيين الأقطاب الكهربائية وفقا للمناطق القشرية المحددة وموقع نصف الكرة الأرضية ، ويتم فصلها بشكل منهجي في حدود 10٪ أو 20٪ من إجمالي المسافة من الأمام إلى الخلف أو من اليمين إلى اليسار للجمجمة.
يستخدم هلام الإلكتروليت مع الأقطاب الكهربائية لزيادة الموصلية. يتم تضخيم الإشارات النشطة بالنسبة إلى القطب المرجعي ، ويتم تأريض النظام لتقليل الضوضاء. علاوة على ذلك ، يتم تصفية الإشارات لجمع تلك التي تقع ضمن نطاق تردد EEG فقط. عادة ما تتم مراقبة القطع الأثرية من حركات الجسم ، مثل وميض العين ، وطرحها من البيانات.
قبل التجربة ، يتم شرح الإجراءات للمشارك والحصول على موافقة خطية. يتم قياس محيط رأس الموضوع ، ويتم تحديد حجم غطاء القطب الكهربائي المناسب. يتم وضع علامة على معالم وضع الغطاء ومتابعتها وفقا لنظام التنسيب 10-20. بعد ذلك ، يتم حقن الجل الموصل داخل كل حامل قطب كهربائي ، مما يجعل كومة من الجل على فروة الرأس ، وهو ما يكفي فقط لتجنب التداخل بين الأقطاب الكهربائية المجاورة. ثم يتم تثبيت الأقطاب الكهربائية النشطة في الحوامل. يتم الآن وضع الموضوع للتجربة ، ويتم تذكيره بتقليل الحركات غير الضرورية. أخيرا ، يتم فحص شاشة مخطط كهربية الدماغ للتأكد من أن كل شيء يعمل بشكل صحيح.
الآن بعد أن تعلمت أساسيات إجراء تجربة مخطط كهربية الدماغ ، دعنا نفحص بعض التطبيقات المحددة لهذه التقنية في البحث المعرفي.
يستخدم مخطط كهربية الدماغ لدراسة الإدراك الاجتماعي لدى البالغين والرضع. هنا ، تتضمن التجربة عرضا توضيحيا للدمية وجها لوجه مع رضيع كموضوع لاختبار الاستدعاء الفوري والتقليد. تظهر البيانات التي تم جمعها من فروة الرأس بأكملها اختلافات في نشاط مخطط كهربية الدماغ في نقاط زمنية تجريبية مختلفة.
التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، أو التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، هو تقنية أخرى غير جراحية تقيس نشاط الدماغ. يمكن دمج حساسية الرنين المغناطيسي الوظيفي لموقع التنشيط مع حساسية مخطط كهربية الدماغ لتوقيت التنشيط. تتيح هذه التقنيات معا رسم الخرائط الوظيفية على مستوى أعلى لفهم العمليات المعرفية مثل النوم والوعي والعاطفة والتعلم والذاكرة.
أخيرا ، يمكن دمج مخطط كهربية الدماغ مع تحفيز التيار المباشر عبر الجمجمة ، أو tDCS ، وهي تقنية تمكن تحفيز الدماغ من تعديل استثارة الخلايا العصبية. ينطوي tDCS على إمكانية علاج الاضطرابات العصبية التي تؤثر على القدرات المعرفية ، ويستخدم مخطط كهربية الدماغ لمراقبة وتحسين تأثيرات التحفيز المباشر. تستخدم البرامج التي تقوم بتحويلات فورييه السريعة التلقائية لمراقبة التغييرات في طيف طاقة مخطط كهربية الدماغ في الوقت الفعلي.
لقد شاهدت للتو فيديو JoVE على EEG. ناقش هذا الفيديو كيفية إنشاء إشارات مخطط كهربية الدماغ ، وكيف يتم استخدام هذه التقنية لفهم الإدراك ، وأساسيات إجراء تجربة مخطط كهربية الدماغ ، وأخيرا بعض التطبيقات المحددة في الدراسات المعرفية. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: How are EEG signals generated in the brain?
EEG signals originate from the cerebral cortex, the brain's outermost layer, primarily through activated pyramidal neurons. These neurons receive synaptic inputs and generate electrical activity as ions move across their membranes, creating dipoles. Electrodes on the scalp capture the combined electrical potentials from many synchronized neural dipoles, producing the measurable EEG signal.
Q2: What do different EEG frequency bands tell us about brain states?
EEG frequency bands correlate with specific behavioral states. Delta and Theta waves appear during sleep, Alpha waves occur when awake and relaxed, and Beta and Gamma waves emerge during active cognition. Using mathematical transformations like the Fourier transform, researchers decompose EEG signals into these frequency components to understand what cognitive processes the brain is performing.
Q3: What is an event-related potential and how is it measured?
An event-related potential (ERP) is the mean EEG activity evoked by a specific stimulus during cognitive tasks. Researchers time-lock EEG responses to stimulus onset and average multiple trials to raise signal levels above background noise. Peaks in the ERP graph represent coordinated neural activity, with earlier peaks reflecting direct sensory responses and later peaks indicating cognitive processing of the stimulus.
Q4: Why is the 10-20 placement system important for EEG experiments?
The 10-20 placement system standardizes electrode positioning on the scalp according to identified cortical areas and hemisphere locations, separated systematically within 10% or 20% of skull distance. This consistency ensures reproducible results across different subjects and time points, allowing researchers to compare EEG data reliably and identify meaningful differences in brain activity patterns.
Q5: How does EEG improve when combined with other neuroimaging techniques?
EEG's high temporal sensitivity to activation timing complements functional magnetic resonance imaging (fMRI), which offers superior spatial localization. Together, these techniques enable functional mapping at higher resolution to understand cognitive processes like sleep, consciousness, emotion, learning, and memory with both precise timing and location information.
Q6: What preparations are necessary before conducting an EEG experiment?
Before EEG recording, researchers explain procedures and obtain written consent. The subject's head circumference is measured to select the correct electrode cap size. Landmarks are marked according to the 10-20 system, conductive gel is applied to each electrode, and the subject is positioned and reminded to minimize unnecessary movements to reduce motion artifacts.
Q7: How can EEG be used to study social cognition in infants?
Researchers use EEG to measure brain activity during face-to-face puppet demonstrations with infants to test immediate recall and imitation. Data collected from the entire scalp reveal differences in EEG activity at various experimental time-points, providing insights into how infants process social information and develop social cognitive abilities.