Электроэнцефалография (ЭЭГ)

Электроэнцефалография, или ЭЭГ, является электрофизиологическим методом, обычно используемым исследователями, изучающими когнитивные способности. Мозг постоянно генерирует электрическую активность, которая может возникать спонтанно или при стимуляции. ЭЭГ — это неинвазивный, портативный и недорогой метод, который может обнаруживать и количественно оценивать изменения в активности мозга, что делает его особенно полезным для когнитивных исследований. В этом видео мы кратко объясним, как генерируются сигналы ЭЭГ, как применяется ЭЭГ в когнитивных исследованиях, стандартный метод записи ЭЭГ и некоторые конкретные приложения.

Для начала давайте рассмотрим, где и как генерируются сигналы ЭЭГ.

Сигнал ЭЭГ представляет собой электрическую активность, регистрируемую с поверхности мозга с помощью электродов, размещенных на коже головы. Он генерируется в основном в самом внешнем слое — коре головного мозга — активированными пирамидальными нейронами, которые являются основными выходными нейронами коры головного мозга. Эти нейроны получают и интегрируют синаптические входные данные от других частей мозга, а их коллективная активность отражает обработку информации.

Примечательно, что возбуждение перемещает положительно заряженные ионы через мембрану в нейрон, создавая «сток» тока в дендритной области, который нейтрализуется внешним движением заряда вокруг сомы — «источника» тока. Это приводит нейрон в «дипольное» состояние, генерируя электрический потенциал и создавая потоки тока между апикальным дендритом и сомой. Электроды улавливают сумму потенциалов, создаваемых большим числом этих «нейронных диполей», действующих синхронно.

Теперь, когда вы знакомы с физиологией, стоящей за сигналами ЭЭГ, давайте обсудим, что они говорят нам о когнитивных функциях.

Нормальная ЭЭГ проявляет спонтанные колебания. Эта ритмическая активность состоит из нескольких перекрывающихся субритмов, которые могут быть выявлены с помощью математических преобразований, таких как преобразование Фурье. Используя эту технику, временные ряды ЭЭГ разлагаются на составляющие субритмы и строятся в виде «энергетического спектра». Каждый субритм, основанный на его частоте, строится в соответствии с его «концентрацией» или мощностью сигнала в общей записи ЭЭГ.

Частоты ритмов мозга: дельта-волна, которая является самой медленной и составляет менее 4 Гц; Тета-волна, с частотой 4-7 Гц; Альфа-волна, на частоте 8-12 Гц; Бета-волна на частоте 13-30 Гц; и гамма-волна, самая быстрая с частотой более 30 Гц. Каждый ритм также коррелирует с поведенческим состоянием: дельта- и тета-волны наблюдаются в спящем состоянии, альфа-волны — в бодрствующем и расслабленном состоянии, а бета- и гамма-волны — во время активного познания.

Изменение активности ЭЭГ используется для исследования реакции мозга на стимуляцию во время выполнения когнитивных задач. Например, во время когнитивного эксперимента испытуемого могут попросить посмотреть на лица на экране компьютера и различить их. Тест повторяется несколько раз. Последующие реакции ЭЭГ привязаны по времени к началу зрительного стимула и усредняются; Это повышает уровень сигнала над фоновым шумом. Средняя активность ЭЭГ, вызванная конкретным стимулом, известна как потенциал, связанный с событием. или ERP.

Пики на графике ERP соответствуют скоординированной нейронной активности. В данном случае более ранний пик связан с прямой реакцией зрительной системы. Затем, более поздний пик синхронизированной нейронной активности связан с когнитивной обработкой стимула.

Теперь, когда вы узнали, как ЭЭГ используется для изучения когнитивных функций, давайте рассмотрим, как проводится эксперимент с ЭЭГ.

Эксперименты на ЭЭГ требуют, чтобы собирались только значимые сигналы, потому что фактические потенциалы коры головного мозга очень малы. Чтобы улавливать эти сигналы, электроды ЭЭГ изготавливаются из высокопроводящих материалов, таких как серебро и хлорид серебра, которые расположены в колпачке в соответствии со стандартизированной системой размещения 10-20. Эта система обеспечивает постоянное расположение электродов, что позволяет воспроизводить эксперименты во времени и на разных объектах. Электроды обозначаются в соответствии с идентифицированными областями коры головного мозга и расположением полусфер и систематически разделяются с точностью до 10% или 20% от общего расстояния черепа спереди назад или справа налево.

Электролитный гель используется с электродами для повышения проводимости. Активные сигналы усиливаются относительно электрода сравнения, а система заземляется для снижения шума. Кроме того, сигналы фильтруются для сбора только тех сигналов, которые попадают в диапазон частот ЭЭГ. Артефакты от движений тела, такие как моргание глаз, обычно отслеживаются и вычитаются из данных.

Перед началом эксперимента участнику разъясняются процедуры и получается письменное согласие. Измеряется окружность головы испытуемого и подбирается соответствующий размер электродного колпачка. Ориентиры для размещения кепки обозначаются и прослеживаются по системе размещения 10-20. Далее проводящий гель вводится внутрь каждого держателя электродов, образуя стек геля на коже головы, ровно настолько, чтобы избежать помех между соседними электродами. Затем активные электроды закрепляются в держателях. Теперь испытуемый находится в положении для эксперимента, и ему напоминают о необходимости свести к минимуму ненужные движения. Наконец, проверяется дисплей ЭЭГ, чтобы убедиться, что все работает правильно.

Теперь, когда вы изучили основы проведения эксперимента с ЭЭГ, давайте рассмотрим некоторые конкретные применения этой техники в когнитивных исследованиях.

ЭЭГ используется для изучения социального познания у взрослых и младенцев. В данном случае эксперимент включает в себя демонстрацию куклы лицом к лицу с младенцем в качестве объекта теста, немедленного вспоминания и подражания. Данные, собранные со всей кожи головы, показывают различия в активности ЭЭГ в различные экспериментальные моменты времени.

Функциональная магнитно-резонансная томография, или фМРТ, является еще одним неинвазивным методом, который измеряет активность мозга. Чувствительность фМРТ к месту активации может сочетаться с чувствительностью ЭЭГ к срокам активации. Вместе эти методы позволяют составить функциональное картирование на более высоком уровне, чтобы понять такие когнитивные процессы, как сон, сознание, эмоции, обучение и память.

Наконец, ЭЭГ можно сочетать с транскраниальной стимуляцией постоянным током, или tDCS, методом, который позволяет стимуляции мозга модулировать возбудимость нейронов. tDCS обладает потенциалом для лечения неврологических расстройств, влияющих на когнитивные способности, а ЭЭГ используется для мониторинга и оптимизации эффектов прямой стимуляции. Программы, выполняющие автоматические быстрые преобразования Фурье, используются для наблюдения за изменениями спектра мощности ЭЭГ в режиме реального времени.

Вы только что посмотрели видео JoVE о ЭЭГ. В этом видео рассказывалось о том, как генерируются сигналы ЭЭГ, как эта техника используется для понимания познания, об основах проведения эксперимента на ЭЭГ и, наконец, о некоторых конкретных приложениях в когнитивных исследованиях. Как всегда, спасибо за просмотр!