EEG – Jak komunikują się neurony, czyli rytmy mózgu

Zastanawiałeś się kiedyś, jak wygląda komunikacja w mózgu pomiędzy różnymi jego obszarami, którą bada EEG? Część z Was pewnie wie o tym, że polega ona na przekazywaniu sygnału elektrycznego od neuronu do neuronu. Ale neuronów każdy w mózgu ma ok. 86 miliardów! Musi zatem istnieć jakiś mniej indywidualny system komunikacji…

System ten bazuje na „porozumiewaniu się” całych grup komórek nerwowych. Wygląda to tak, że wyładowują one (czyli wysyłają sygnał, pobudzenie, impulsy) synchronicznie. Jeśli wiele neuronów spośród tej grupy faktycznie przekazuje jakąś informację, będą wysyłać podobny sygnał falowy, który można potem odczytać za pomocą odpowiedniego sprzętu. Możemy to porównać do orkiestry – nie słyszymy synchronizacji, gdy każdy z muzyków stroi instrument albo gra losowe nuty. Natomiast gdy wszyscy grają ten sam utwór w tym samym czasie – łatwo dociera do nas spójne przesłanie.

NA CZYM POLEGA EEG?

„Odpowiedni sprzęt”, dzięki któremu można zobrazować aktywność neuronów to właśnie elektroencefalograf. Encefalografia (czyli EEG) jest metodą nieinwazyjną, polega na umieszczeniu elektrod na skórze głowy i sczytywaniu z nich aktywności komórek nerwowych. Najczęściej pomiędzy elektrodę i skórę nakłada się żel ułatwiający przewodzenie sygnału. Co ważne, niektóre układy badawcze używają siatek lub czepków z wbudowanymi elektrodami. Oczywiście, istnieją odgórne regulacje z informacjami o tym, gdzie dokładnie powinno się umieszczać elektrody, dzięki czemu dane z różnych szpitali i laboratoriów można potem porównać.

Elektrody rejestrują aktywność mózgu (z okolic, w których są umieszczone), która potem zamieniana jest na sygnał cyfrowy, filtrowana i analizowana. W niektórych, bardzo poważnych przypadkach chorobowych, koniecznym może być wszczepienie elektrod do mózgu za pomocą kraniotomii. Takie elektrody mogą wtedy rejestrować aktywność wewnątrz mózgu, a nie tylko z jego powierzchniowych obszarów. Dodatkowo, mogą też mieć funkcje stymulujące (jak np. w chorobie Parkinsona, opisałam to w TYM artykule).

JAKIE SCHORZENIA MOŻNA ROZPOZNAĆ DZIĘKI EEG?

EEG umożliwia diagnostykę oraz obserwację takich zaburzeń jak:

• Padaczka – w zapisie aktywności niektórych obszarów mózgu podczas napadu padaczkowego widać nagłe, silne wyładowania neuronalne
• Śpiączka – po zapisie aktywności bioelektrycznej można dowiedzieć się, czy osoba w śpiączce czuje dotyk, słyszy odgłosy, a nawet czy próbuje poruszać ciałem (mimo tego, że nie jest w stanie tego zrobić fizycznie)
• Problemy ze snem – dzięki zapisowi EEG podczas snu można stworzyć hipnogram, czyli wykres stadiów snu następujących po sobie w ciągu nocy
• Śmierć mózgu –badanie EEG nie jest jedyną metodą orzekania tego stanu, ale na podstawie aktywności bioelektrycznej mózgu można orzec śmierć mózgu, szczególnie że trzeba odróżnić od niej śpiączkę, czy stan wegetatywny. Śmierć mózgu jest nieodwracalna.

RYTMY MÓZGU

Synchronizacja grup neuronów może przyjmować różne formy. Komórki mogą być aktywne z różną częstotliwością wyładowań na sekundę i m.in w zależności od tej częstotliwości oraz od lokalizacji, będą spełniały różne zadania.

Fale delta (o częstotliwości do 4 Hz u ludzi)

Gdy neurony wyładowują synchronicznie w takiej częstotliwości, najczęściej mamy do czynienia ze stanem głębokiego snu. Fale delta też często występują u dzieci. Jest to najwolniejszy rytm spośród wszystkich.

Fale theta (o częstotliwości od 4 do 7 Hz u ludzi)

Ta aktywność neuronalna u ludzi odgrywa ważną rolę w śnie REM (czyli w tym, w którym występują marzenia senne), w nawigacji przestrzennej, procesach pamięciowych i językowych. Jako że rytm theta jest „moją działką” i na doktoracie nim właśnie się zajmuję, to dodam ciekawostkę. Fale theta zostały zaproponowane jako potencjalny wyznacznik niektórych zaburzeń OUN, takich jak choroba Alzheimera, padaczka, czy zespół stresu pourazowego (ang. post-traumatic stress disorder; PTSD).

Fale alfa (o częstotliwości od 8 do 15 Hz u ludzi)

Ta częstotliwość rytmiczna neuronów jest charakterystyczna dla stanu relaksu, spokoju, najczęściej gdy mamy zamknięte oczy. Alfa występuje też w fazie bezpośrednio poprzedzającej sen i zanika zaraz po zaśnięciu. Momentem braku fal alfa jest też wysiłek umysłowy, taki jak np. obliczenia.

Fale beta (o częstotliwości od 16 do 31 Hz u ludzi)

Aktywność beta najczęściej współwystępuje w stanie gotowości, nerwowości oraz przy skupieniu się na zadaniu, ale jest też obecna przy zwyczajnym, codziennym funkcjonowaniu.

Fale gamma (o częstotliwości od 32 Hz u ludzi)

Fale gamma są typowe dla tzw. percepcji sensorycznej, czyli podczas wykonywania zadań, przy których jednocześnie odbieramy różne bodźce (np. słuchowe i wzrokowe). Rytm gamma jest najszybszy, czyli zagęszczenie fal jest największe, bo ich częstotliwość jest wysoka.

BADANIA NAUKOWE NA ZWIERZĘTACH

Żeby dokładnie poznać aktywność mózgu człowieka, najskuteczniejszą metodą byłoby wprowadzenie elektrod do jego wnętrza. Ale oprócz medycznych przesłanek (takich jak np. padaczka, w której elektrody te umożliwiają wyeliminowanie ataków padaczkowych), wszczepianie elektrod domózgowo jest nazbyt inwazyjną metodą, jak na taki cel. Byłoby to bardzo nieetyczne i okupione ogromnym ryzykiem.

Wątpliwe etycznie jest to nie tylko w stosunku do ludzi, ale również do wszystkich zwierząt laboratoryjnych. Niemniej jednak, na ten moment nie ma metod, które pozwoliłyby na poznanie bioelektrycznej komunikacji neuronalnej bez żadnych strat w organizmach żywych. Pocieszające jest to, że naukowcy zawsze dbają (przynajmniej tak powinno być) o to, żeby zwierzęta były odpowiednio znieczulone i dzięki temu nie czuły bólu.

Dość często spotykam się z pytaniem – dlaczego naukowcy (nie tylko neuronaukowcy) tak bardzo skupiają się na szczurach, myszach, czy świnkach morskich, jeśli w tak ogromnym stopniu różnią się one od ludzi, podczas gdy głównym celem jest przecież poznanie człowieka.

Odpowiedź można zacząć od prostego zdania – „ponieważ na ludziach nie można zbadać tych wszystkich rzeczy, które zbadać należy”. Też bym bardzo chciała, żeby żadne zwierzę nie musiało ginąć w imię nauki, ale nie mamy za bardzo alternatyw na ten moment. Tak, są badania na hodowlach komórkowych, ale nie można przełożyć wyników z tych eksperymentów bezpośrednio na człowieka. Już z przełożeniem wyników badań ze zwierząt na ludzi jest sporo problemów – zajmuje się nimi neuronauka translacyjna (ang. translational neuroscience). Próbuje ona „przetłumaczyć” wyniki badań np. na szczurach na możliwości klinicznego zastosowania w leczeniu.

Prosperującą gałęzią neuronauki jest też neuroinformatyka, kto wie, może gdy sztuczne sieci neuronowe będą już bardzo zaawansowane, sprawią, że wykorzystywanie zwierząt do badań neuronaukowych nie będzie już konieczne? Byłoby genialnie!