Электроэнцефалография - Electroencephalography

Электроэнцефалография
Эпилептический спайковые и волновые разряды, контролируемые с помощью ЭЭГ
[редактировать в Викиданных ]

Электроэнцефалография (ЭЭГ) является электрофизиологический метод мониторинга для регистрации электрической активности мозг. Обычно это неинвазивный электроды размещены вдоль скальп, хотя иногда используются инвазивные электроды, как в электрокортикография, иногда называемая внутричерепной ЭЭГ.

ЭЭГ измеряет колебания напряжения в результате ионный ток в пределах нейроны из мозг.^[1] Клинически ЭЭГ - это запись спонтанной электрической активности мозга в течение определенного периода времени, записанная с нескольких электроды размещается на коже головы.^[1] Диагностические приложения обычно ориентированы на связанные с событиями потенциалы или на спектральный состав ЭЭГ. Первый исследует возможные временные колебания, привязанные к событию, например «начало стимула» или «нажатие кнопки». Последний анализирует тип нейронные колебания (обычно называемые «мозговыми волнами»), которые можно наблюдать в сигналах ЭЭГ в частотной области.

ЭЭГ чаще всего используется для диагностики эпилепсия, что вызывает отклонения в показаниях ЭЭГ.^[2] Он также используется для диагностики нарушения сна, глубина анестезия, кома, энцефалопатии, и смерть мозга. ЭЭГ раньше была методом первой линии диагностики опухоли, Инсульт и другие очаговые нарушения головного мозга,^[3][4] но это использование уменьшилось с появлением методов анатомической визуализации с высоким разрешением, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ). Несмотря на ограниченное пространственное разрешение, ЭЭГ продолжает оставаться ценным инструментом для исследований и диагностики. Это один из немногих доступных мобильных методов, обеспечивающий временное разрешение миллисекундного диапазона, которое невозможно при КТ, ПЭТ или МРТ.

Производные техники ЭЭГ включают: вызванные потенциалы (EP), который включает усреднение активности ЭЭГ с привязкой по времени к предъявлению какого-либо стимула (визуального, соматосенсорный, или слуховой). Возможности, связанные с событием (ERP) относятся к усредненным ответам ЭЭГ, которые привязаны ко времени для более сложной обработки стимулов; этот метод используется в наука о мышлении, когнитивная психология, и психофизиологический исследование.

История

Первая запись ЭЭГ человека, полученная Ганс Бергер в 1924 г. Верхняя запись - ЭЭГ, нижняя - 10 Гц сигнал синхронизации.

Ганс Бергер

В 1875 г. Ричард Кейтон (1842–1926), врач, практикующий в Ливерпуль, представил свои выводы об электрических явлениях обнаженных полушарий головного мозга кроликов и обезьян в Британский медицинский журнал. В 1890 г. польский физиолог Адольф Бек опубликовал исследование спонтанной электрической активности мозга кроликов и собак, включающее ритмические колебания, изменяемые светом. Бек начал эксперименты по электрической активности мозга животных. Бек поместил электроды прямо на поверхность мозга, чтобы проверить сенсорную стимуляцию. Его наблюдение за колебаниями мозговой активности привело к выводу о мозговых волнах.^[5]

В 1912 г. украинский физиолог. Владимир Владимирович Правдич-Неминский опубликовали первую ЭЭГ животных и вызванный потенциал из млекопитающее (собака).^[6] В 1914 г. Наполеон Цибульский и Jelenska-Macieszyna сфотографировали записи ЭЭГ экспериментально вызванных приступов.

Немецкий физиолог и психиатр Ганс Бергер (1873–1941) зарегистрировал первую человеческую ЭЭГ в 1924 году.^[7] Расширяя работу, ранее проводившуюся на животных Ричардом Кэтоном и другими, Бергер также изобрел электроэнцефалограмму (назвав устройство своим именем), изобретение, которое описывается как «одно из самых удивительных, замечательных и важных достижений в истории клинической неврологии».^[8] Его открытия впервые подтвердили британские ученые. Эдгар Дуглас Адриан и Б. Х. С. Мэтьюз в 1934 году и разработали их.

В 1934 году Фишер и Ловенбах впервые продемонстрировали шипы эпилептиформ. В 1935 году Гиббс, Дэвис и Леннокс описали интериктал пиковые волны и три цикла / с клинической картины абсансы, положившая начало клинической электроэнцефалографии.^[9] Впоследствии, в 1936 году Гиббс и Джаспер сообщили о межприступном спайке как о фокальном признаке эпилепсии. В том же году в Массачусетской больнице общего профиля открылась первая лаборатория ЭЭГ.

Франклин Оффнер (1911–1999), профессор биофизики в Северо-Западный университет разработал прототип ЭЭГ, включающий пьезоэлектрический чернильный пишущий механизм, названный Кристалограф (все устройство обычно называлось Offner Dynograph ).

В 1947 году было основано Американское общество ЭЭГ и был проведен первый Международный конгресс по ЭЭГ. В 1953 году Асеринский и Клейтман описали быстрый сон.

В 1950-х годах Уильям Грей Уолтер разработали дополнение к ЭЭГ, названное Топография ЭЭГ, что позволило отображать электрическую активность на поверхности мозга. В 1980-е годы он пользовался непродолжительной популярностью и казался особенно многообещающим для психиатрии. Он никогда не был принят неврологами и остается в первую очередь инструментом исследования.

Чак Кайзер с электродами электроэнцефалографа и формирователем сигнала для использования в Project Gemini, 1965

Электроэнцефалографическая система производства Beckman Instruments использовалась по крайней мере на одном из Project Gemini пилотируемые космические полеты (1965-1966) для мониторинга мозговых волн космонавтов во время полета. Это был один из многих инструментов Beckman, предназначенных для НАСА и используемых им.^[10]

В 1988 году Стево Божиновски, Михаил Сестаков и Лиляна Божиновска сделали доклад об ЭЭГ-контроле физического объекта - робота.^[11][12]

В октябре 2018 года ученые подключили мозги трех человек, чтобы поэкспериментировать с процессом обмена мыслями. В эксперименте с использованием ЭЭГ участвовали пять групп по три человека. Успешность эксперимента составила 81%.^[13]

Медицинское использование

Настройка записи ЭЭГ

ЭЭГ - один из основных диагностических тестов эпилепсии. Обычная клиническая запись ЭЭГ обычно длится 20–30 минут (плюс время на подготовку). Это тест, который определяет электрическую активность мозга с помощью небольших металлических дисков (электродов), прикрепленных к коже черепа. Обычно ЭЭГ используется в клинических условиях для определения изменений мозговой активности, которые могут быть полезны при диагностике заболеваний мозга, особенно эпилепсии или другого судорожного расстройства. ЭЭГ также может быть полезна для диагностики или лечения следующих заболеваний:^[14]

• Опухоль головного мозга
• Повреждение мозга от травмы головы
• Нарушение функции мозга, которое может иметь множество причин (энцефалопатия)
• Воспаление головного мозга (энцефалит)
• Гладить
• Нарушения сна

Он также может:

• различать эпилептический припадки от других типов заклинаний, таких как психогенные неэпилептические припадки, обморок (обморок), подкорковый двигательные расстройства и мигрень варианты
• дифференцировать "органический" энцефалопатия или же бред от первичных психических синдромов, таких как кататония
• служить дополнительным тестом смерть мозга у пациентов в коме
• Прогнозировать у коматозных пациентов (в определенных случаях)
• определить, следует ли прекращать прием противоэпилептических препаратов.

Иногда обычной ЭЭГ недостаточно для постановки диагноза или определения наилучшего курса лечения с точки зрения лечения. В этом случае могут быть предприняты попытки записать ЭЭГ во время припадка. Это известно как иктал запись, в отличие от интерктальной записи, которая относится к записи ЭЭГ между приступами. Для получения иктальной записи обычно выполняется длительная ЭЭГ, сопровождаемая синхронизированной по времени видео- и аудиозаписью. Это можно сделать амбулаторно (дома) или во время госпитализации, желательно Отделение мониторинга эпилепсии (EMU) с медсестрами и другим персоналом, обученным уходу за пациентами с судорогами. Амбулаторные амбулаторные видео-ЭЭГ обычно длятся от одного до трех дней. Поступление в отделение мониторинга эпилепсии обычно длится несколько дней, но может длиться неделю или дольше. Находясь в больнице, противосудорожные препараты обычно отменяют, чтобы увеличить вероятность того, что припадок произойдет во время госпитализации. В целях безопасности во время ЭЭГ препараты не отменяются вне больницы. Таким образом, амбулаторные видео-ЭЭГ имеют преимущество удобства и дешевле, чем госпитализация, но недостатком является снижение вероятности регистрации клинического события.

Мониторинг эпилепсии обычно проводится для выявления эпилептический припадки от других типов заклинаний, таких как психогенные неэпилептические припадки, обморок (обморок), подкорковый двигательные расстройства и мигрень варианты, чтобы охарактеризовать припадки в целях лечения и для локализации области мозга, в которой возникает припадок, для проведения возможной хирургической операции.

Кроме того, ЭЭГ можно использовать для контроля глубины анестезия, как косвенный индикатор церебральной перфузии в каротидная эндартерэктомия, или контролировать амобарбитал эффект во время Вада тест.

ЭЭГ также можно использовать в отделения интенсивной терапии для мониторинга функции головного мозга для отслеживания неконвульсивных приступов / неконвульсивного эпилептического статуса, для мониторинга эффекта седативных средств / анестезии у пациентов в медицинской коме (для лечения рефрактерных приступов или повышенного внутричерепное давление ), а также для отслеживания вторичного повреждения головного мозга в таких условиях, как субарахноидальное кровоизлияние (в настоящее время метод исследования).

Если пациент с эпилепсией рассматривается как резективная хирургия, часто необходимо локализовать очаг (источник) эпилептической активности мозга с разрешением, превышающим то, которое дает ЭЭГ кожи головы. Это потому, что спинномозговая жидкость, череп и скальп мазок электрические потенциалы, зарегистрированные с помощью ЭЭГ кожи головы. В этих случаях нейрохирурги обычно имплантируют полоски и сетки электродов (или проникающие глубинные электроды) под твёрдая мозговая оболочка через либо краниотомия или заусенец отверстие. Запись этих сигналов называется электрокортикография (ЭКоГ), субдуральная ЭЭГ (sdEEG) или интракраниальная ЭЭГ (icEEG) - все термины для одного и того же. Сигнал, записанный с ЭКоГ, имеет другой масштаб активности, чем активность мозга, записанная с помощью ЭЭГ кожи головы. Низковольтные, высокочастотные компоненты, которые нельзя легко увидеть (или вообще) на ЭЭГ кожи головы, можно четко увидеть на ЭКоГ. Кроме того, меньшие электроды (которые покрывают меньший участок поверхности мозга) позволяют видеть даже более низкое напряжение и более быстрые компоненты мозговой активности. В некоторых клинических центрах регистрируются проникающие микроэлектроды.^[1]

ЭЭГ не показана для диагностики головной боли.^[15] Рецидивирующая головная боль - распространенная проблема, связанная с болью, и эта процедура иногда используется для поиска диагноза, но она не имеет преимуществ перед рутинной клинической оценкой.^[15]

Использование в исследованиях

ЭЭГ и связанное с ней исследование ERP широко используются в нейробиология, наука о мышлении, когнитивная психология, нейролингвистика и психофизиологический исследования, но также для изучения человеческих функций, таких как глотание.^[16][17][18] Многие методы ЭЭГ, используемые в исследованиях, недостаточно стандартизированы для клинического использования, и многие исследования ERP не сообщают обо всех необходимых этапах обработки для сбора и обработки данных.^[19] ограничение воспроизводимости и воспроизводимости многих исследований. Но исследования психических расстройств, таких как нарушение слуховой обработки (APD), ДОБАВИТЬ, или же СДВГ, становится все более широко известным, и ЭЭГ используются в качестве исследования и лечения.

Преимущества

Существует несколько других методов изучения функции мозга, в том числе: функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), позитронно-эмиссионная томография (ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ), магнитоэнцефалография (МЭГ), спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР или MRS), электрокортикография (ЭКоГ), однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), ближняя инфракрасная спектроскопия (NIRS) и оптический сигнал, связанный с событием (ЭРОС). Несмотря на относительно низкую пространственную чувствительность ЭЭГ, она обладает множеством преимуществ перед некоторыми из этих методов:

• Затраты на оборудование значительно ниже, чем у большинства других методов. ^[20]
• ЭЭГ предотвращает ограниченную доступность технологов для оказания неотложной помощи в больницах с интенсивным движением.^[21]
• Датчики ЭЭГ можно использовать в большем количестве мест, чем фМРТ, ОФЭКТ, ПЭТ, МРЗ или МЭГ, поскольку для этих методов требуется громоздкое и неподвижное оборудование. Например, для МЭГ требуется оборудование, состоящее из жидкий гелий - охлаждаемые детекторы, которые могут использоваться только в помещениях с магнитным экраном, общая стоимость которых превышает несколько миллионов долларов;^[22] а фМРТ требует использования магнитов массой 1 тонну, опять же, в экранированной комнате.
• ЭЭГ имеет очень высокое временное разрешение, порядка миллисекунд, а не секунд. ЭЭГ обычно записывается с частотой дискретизации от 250 до 2000 Гц в клинических и исследовательских учреждениях, но современные системы сбора данных ЭЭГ при желании могут записывать с частотой дискретизации более 20000 Гц. MEG и EROS - единственные другие неинвазивные методы когнитивной нейробиологии, которые собирают данные на этом уровне временного разрешения.^[22]
• ЭЭГ относительно толерантна к движению объекта, в отличие от большинства других методов нейровизуализации. Существуют даже методы минимизации и даже устранения артефактов движения в данных ЭЭГ. ^[23]
• ЭЭГ молчит, что позволяет лучше изучить реакции на слуховые раздражители.
• ЭЭГ не усугубляет клаустрофобия, в отличие от фМРТ, ПЭТ, МРС, ОФЭКТ и иногда МЭГ^[24]
• ЭЭГ не включает воздействие магнитных полей высокой интенсивности (> 1 тесла), как в некоторых других методах, особенно МРТ и МРТ. Это может вызвать множество нежелательных проблем с данными, а также запретить использование этих методов с участниками, у которых есть металлические имплантаты в своем теле, например, содержащие металл кардиостимуляторы.^[25]
• ЭЭГ не предполагает воздействия радиолигандов, в отличие от позитронно-эмиссионная томография.^[26]
• Исследования ERP могут проводиться с использованием относительно простых парадигм по сравнению с исследованиями фМРТ с блочным дизайном IE.
• Чрезвычайно неинвазивный, в отличие от Электрокортикография, что на самом деле требует размещения электродов на поверхности мозга.

ЭЭГ также имеет некоторые характеристики, которые выгодно отличаются от поведенческого тестирования:

• ЭЭГ может обнаруживать скрытую обработку (т.е. обработку, не требующую ответа)^[27]
• ЭЭГ можно использовать у субъектов, неспособных к двигательной реакции.^[28]
• Некоторые компоненты ERP могут быть обнаружены, даже когда субъект не обращает внимания на стимулы.
• В отличие от других средств изучения времени реакции, ERP могут пролить свет на этапы обработки (а не только на конечный результат)^[29]
• ЭЭГ - мощный инструмент для отслеживания изменений мозга на разных этапах жизни. Анализ сна ЭЭГ может указывать на важные аспекты сроков развития мозга, включая оценку созревания мозга подростков.^[30]
• В ЭЭГ есть лучшее понимание того, какой сигнал измеряется по сравнению с другими методами исследования, например ЖИВОЙ ответ в МРТ.

Недостатки

• Низкое пространственное разрешение на коже головы. фМРТ, например, может напрямую отображать области мозга, которые являются активными, в то время как ЭЭГ требует интенсивной интерпретации только для того, чтобы предположить, какие области активируются определенной реакцией.^[31]
• ЭЭГ плохо измеряет нервную активность, которая происходит ниже верхних слоев мозга (коры).
• В отличие от ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ и MRS, не могут идентифицировать конкретные участки мозга, в которых могут быть обнаружены различные нейротрансмиттеры, лекарства и т. д.^[26]
• Часто для подключения объекта к ЭЭГ требуется много времени, так как это требует точного размещения десятков электродов вокруг головы и использования различных гелей, физиологических растворов и / или паст для поддержания хорошей проводимости, а также используется колпачок для сохранения их на месте. Хотя продолжительность зависит от конкретного используемого устройства ЭЭГ, как правило, подготовка объекта к МЭГ, фМРТ, МРТ и ОФЭКТ занимает значительно меньше времени.
• Отношение сигнал / шум низкое, поэтому для извлечения полезной информации из ЭЭГ требуется сложный анализ данных и относительно большое количество испытуемых.^[32]

С другими методами нейровизуализации

Успешно получены одновременные записи ЭЭГ и фМРТ,^{[33][34][35][36]} хотя для эффективной записи обоих одновременно требуется преодоление нескольких технических трудностей, таких как наличие баллистокардиографического артефакта, артефакта импульса МРТ и индукции электрических токов в проводах ЭЭГ, которые перемещаются в сильных магнитных полях МРТ. Несмотря на трудности, они были успешно преодолены в ряде исследований.^[37][38]

МРТ создают подробные изображения, создаваемые путем создания сильных магнитных полей, которые могут вызвать потенциально опасную силу смещения и крутящий момент. Эти поля вызывают потенциально опасный радиочастотный нагрев и создают артефакты изображения, делая изображения бесполезными. Из-за этих потенциальных рисков в среде МРТ можно использовать только определенные медицинские устройства.

Аналогичным образом, одновременные записи с МЭГ и ЭЭГ также проводились, что имеет несколько преимуществ по сравнению с использованием одного из этих методов:

• ЭЭГ требует точной информации об определенных аспектах черепа, которые можно только оценить, например о радиусе черепа и проводимости различных участков черепа. MEG не имеет этой проблемы, и одновременный анализ позволяет исправить это.
• И МЭГ, и ЭЭГ очень плохо обнаруживают активность под поверхностью коры головного мозга, и, как и при ЭЭГ, уровень ошибки увеличивается с увеличением глубины под поверхностью коры, которую пытаются исследовать. Однако ошибки между методами сильно различаются, и их объединение, таким образом, позволяет исправить некоторые из этих шумов.
• МЭГ практически не имеет доступа к источникам мозговой активности ниже нескольких сантиметров под корой. ЭЭГ, с другой стороны, может принимать сигналы с большей глубины, хотя и с высокой степенью шума. Сочетание этих двух факторов упрощает определение того, что в сигнале ЭЭГ исходит с поверхности (поскольку МЭГ очень точно анализирует сигналы с поверхности мозга), а что исходит из более глубоких слоев мозга, что позволяет анализировать более глубокие слои мозга. сигналов, чем ЭЭГ или МЭГ сама по себе.^[39]

Недавно был исследован комбинированный подход ЭЭГ / МЭГ (ЭМЭГ) с целью реконструкции источника при диагностике эпилепсии.^[40]

ЭЭГ также сочетали с позитронно-эмиссионная томография. Это дает то преимущество, что позволяет исследователям видеть, какие сигналы ЭЭГ связаны с различными действиями лекарств в головном мозге.^[41]

Недавние исследования с использованием машинное обучение такие методы, как нейронные сети со статистическими временными характеристиками, извлеченными из лобная доля Данные ЭЭГ мозговых волн показали высокий уровень успеха в классификации психических состояний (расслабленное, нейтральное, сосредоточенное),^[42] психоэмоциональные состояния (негативное, нейтральное, позитивное)^[43] и таламокортикальная аритмия.^[44]

Механизмы

Электрический заряд мозга поддерживают миллиарды нейроны.^[45] Нейроны электрически заряжены (или «поляризованы») за счет мембранные транспортные белки этот насос ионы через их мембраны. Нейроны постоянно обмениваются ионами с внеклеточной средой, например, для поддержания потенциал покоя и размножать потенциалы действия. Ионы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, и когда множество ионов выталкивается из множества нейронов одновременно, они могут толкать своих соседей, которые толкают их соседей, и так далее, в виде волны. Этот процесс известен как объемная проводимость. Когда волна ионов достигает электродов на коже головы, они могут толкать или притягивать электроны к металлу в электродах. Поскольку металл легко проводит толкающие и притягивающие электроны, разницу в толкающих или притягивающих напряжениях между любыми двумя электродами можно измерить с помощью вольтметр. Регистрация этих напряжений с течением времени дает нам ЭЭГ.^[46]

В электрический потенциал генерируемые отдельным нейроном, слишком малы, чтобы их можно было уловить с помощью ЭЭГ или МЭГ.^[47] Следовательно, активность ЭЭГ всегда отражает сумму синхронная деятельность тысяч или миллионов нейронов, имеющих аналогичную пространственную ориентацию. Если клетки не имеют одинаковой пространственной ориентации, их ионы не выстраиваются в линию и создают волны, которые необходимо обнаружить. Пирамидные нейроны Считается, что коры головного мозга производят наибольший сигнал ЭЭГ, потому что они хорошо выровнены и срабатывают вместе. Поскольку градиенты поля напряжения уменьшаются пропорционально квадрату расстояния, активность от глубоких источников обнаружить труднее, чем токи около черепа.^[48]

Показания активности ЭЭГ кожи головы колебания на разных частотах. Некоторые из этих колебаний имеют характерные частотные диапазоны, пространственное распределение и связаны с различными состояниями функционирования мозга (например, бодрствование и различные стадии сна ). Эти колебания представляют собой синхронизированная деятельность по сети нейронов. Понятны нейронные сети, лежащие в основе некоторых из этих колебаний (например, таламокортикальный резонанс, лежащий в основе шпиндели сна ), а многие другие - нет (например, система, которая генерирует задний основной ритм). Исследования, которые измеряют как ЭЭГ, так и выброс нейронов, обнаруживают, что взаимосвязь между ними сложна, с комбинацией мощности ЭЭГ в гамма группа и фаза в дельта полоса, наиболее сильно относящаяся к спайковой активности нейронов.^[49]

Метод

Компьютерный электроэнцефалограф Нейровизор-БММ 40

В обычной ЭЭГ кожи головы запись достигается путем размещения электроды на кожу головы с помощью проводящего геля или пасты, обычно после подготовки области кожи головы светом истирание уменьшить сопротивление из-за мертвых клеток кожи. Во многих системах обычно используются электроды, каждый из которых прикреплен к отдельному проводу. В некоторых системах используются колпачки или сетки, в которые вставляются электроды; это особенно распространено, когда требуются массивы электродов высокой плотности.

Расположение и названия электродов указаны Международная система 10–20^[50] для большинства клинических и исследовательских приложений (кроме случаев, когда используются массивы высокой плотности). Эта система гарантирует, что наименования электродов единообразны во всех лабораториях. В большинстве клинических применений используются 19 записывающих электродов (плюс заземление и системный эталон).^[51] Меньшее количество электродов обычно используется при записи ЭЭГ с новорожденные. Дополнительные электроды могут быть добавлены к стандартной установке, когда клиническое или исследовательское приложение требует повышенного пространственного разрешения для определенной области мозга. Массивы высокой плотности (обычно через колпачок или сетку) могут содержать до 256 электродов, более или менее равномерно расположенных вокруг кожи головы.

Каждый электрод подключен к одному входу дифференциальный усилитель (один усилитель на пару электродов); общий системный электрод сравнения подключен к другому входу каждого дифференциального усилителя. Эти усилители усиливают напряжение между активным электродом и опорным (обычно в 1000–100000 раз или в 60–100 раз). дБ усиления напряжения). В аналоговой ЭЭГ сигнал затем фильтруется (следующий абзац), и сигнал ЭЭГ выводится в виде отклонения ручек при прохождении бумаги под ними. Однако большинство систем ЭЭГ в наши дни являются цифровыми, и усиленный сигнал оцифровывается через аналого-цифровой преобразователь, после прохождения через фильтр сглаживания. Аналого-цифровая выборка обычно происходит при частоте 256–512 Гц в клинической ЭЭГ кожи головы; В некоторых исследовательских приложениях используются частоты дискретизации до 20 кГц.

Во время записи может использоваться ряд процедур активации. Эти процедуры могут вызвать нормальную или ненормальную активность ЭЭГ, которую иначе нельзя было бы увидеть. Эти процедуры включают гипервентиляцию, фотостимуляцию (с помощью стробоскопа), закрытие глаз, умственную активность, сон и лишение сна. Во время (стационарного) наблюдения за эпилепсией пациенту могут быть отменены типичные противосудорожные препараты.

Цифровой сигнал ЭЭГ хранится в электронном виде и может быть отфильтрован для отображения. Типовые настройки для фильтр высоких частот и фильтр нижних частот 0,5–1Гц и 35–70 Гц соответственно. Фильтр высоких частот обычно отфильтровывает медленные артефакты, такие как электрогальванический сигналов и артефактов движения, тогда как фильтр нижних частот отфильтровывает высокочастотные артефакты, такие как электромиографический сигналы. Дополнительный режекторный фильтр обычно используется для удаления артефактов, вызванных линиями электропередач (60 Гц в США и 50 Гц во многих других странах).^[1]

Сигналы ЭЭГ могут быть захвачены с помощью оборудования с открытым исходным кодом, такого как OpenBCI и сигнал может быть обработан с помощью свободно доступного программного обеспечения ЭЭГ, такого как EEGLAB или Набор инструментов нейрофизиологических биомаркеров.

В рамках обследования хирургического вмешательства при эпилепсии может потребоваться введение электродов вблизи поверхности мозга, под поверхностью твёрдая мозговая оболочка. Это достигается за счет заусенцев или краниотомия. Это упоминается по-разному как «электрокортикография (ЭКоГ)», «внутричерепная ЭЭГ (I-EEG)» или «субдуральная ЭЭГ (SD-EEG)». Глубинные электроды также могут быть помещены в структуры мозга, такие как миндалина или же гиппокамп, структуры, которые являются обычными эпилептическими очагами и могут быть не «видны» четко на ЭЭГ кожи головы. Электрокортикографический сигнал обрабатывается так же, как цифровая ЭЭГ кожи головы (см. Выше), но с некоторыми оговорками. ЭКоГ обычно записывается с более высокой частотой дискретизации, чем ЭЭГ кожи головы, из-за требований Теорема Найквиста - субдуральный сигнал состоит из более высокого преобладания высокочастотных составляющих. Кроме того, многие артефакты, влияющие на ЭЭГ кожи головы, не влияют на ЭКоГ, и поэтому фильтрация отображения часто не требуется.

Типичный сигнал ЭЭГ взрослого человека имеет амплитуду от 10 мкВ до 100 мкВ при измерении от кожи головы.^[52]

Поскольку сигнал напряжения ЭЭГ представляет собой разницу между напряжениями на двух электродах, отображение ЭЭГ для считывающего энцефалографа можно настроить одним из нескольких способов. Представление каналов ЭЭГ называется монтаж.

Последовательный монтаж

Каждый канал (то есть форма волны) представляет собой разницу между двумя соседними электродами. Весь монтаж состоит из серии этих каналов. Например, канал «Fp1-F3» представляет разность напряжений между электродом Fp1 и электродом F3. Следующий канал в монтаже, «F3-C3», представляет разность напряжений между F3 и C3, и так далее через весь массив электродов.

Ссылочный монтаж

Каждый канал представляет собой разницу между определенным электродом и назначенным электродом сравнения. Для этой ссылки не существует стандартной позиции; однако он находится в другом положении, чем «записывающие» электроды. Позиции средней линии часто используются, потому что они не усиливают сигнал в одном полушарии по сравнению с другим, например, Cz, Oz, Pz и т. Д. В качестве онлайн-справки. Другие популярные офлайн-ссылки:

• Ссылка REST: это автономная вычислительная ссылка на бесконечности, где потенциал равен нулю. REST (метод стандартизации эталонных электродов) использует эквивалентные источники внутри мозга любого набора записей скальпа в качестве трамплина для связывания фактических записей с любыми онлайн или офлайн (средние, связанные уши и т. Д.) Ненулевой ссылкой на новые записи. с бесконечным нулем в качестве стандартизированной ссылки.Бесплатное программное обеспечение можно найти по адресу (Dong L, Li F, Liu Q, Wen X, Lai Y, Xu P and Yao D (2017) MATLAB Toolboxes for Reference Electrode Standardization Technique (REST) ​​Scalp EEG. Front. Neurosci. 11 : 601. Дои:10.3389 / fnins.2017.00601 ), а для получения более подробной информации и его характеристик, пожалуйста, обратитесь к исходной статье (Yao, D. (2001). Метод стандартизации эталонных записей ЭЭГ кожи головы до бесконечно удаленной точки. Physiol. Meas. 22, 693–711 . Дои:10.1088/0967-3334/22/4/305 )
• «соединенные уши»: это физическое или математическое среднее значение электродов, прикрепленных к обеим мочкам ушей или сосцевидные отростки.

Средний эталонный монтаж

Выходы всех усилителей суммируются и усредняются, и этот усредненный сигнал используется в качестве общего эталона для каждого канала.

Лапласовский монтаж

Каждый канал представляет собой разницу между электродом и средневзвешенным значением окружающих электродов.^[53]

При использовании аналоговой (бумажной) ЭЭГ технолог переключается между монтажами во время записи, чтобы выделить или лучше охарактеризовать определенные особенности ЭЭГ. В цифровой ЭЭГ все сигналы обычно оцифровываются и сохраняются в определенном (обычно справочном) монтаже; поскольку любой монтаж может быть построен математически из любого другого, электроэнцефалограф может просматривать ЭЭГ на любом желаемом дисплее.

ЭЭГ читает клинический нейрофизиолог или же невролог (в зависимости от местных обычаев и законов относительно медицинские специальности ), оптимально тот, кто имеет специальную подготовку по интерпретации ЭЭГ в клинических целях. Это делается путем визуального осмотра форм сигналов, называемых графоэлементами. Использование компьютерной обработки сигналов ЭЭГ - так называемого количественная электроэнцефалография - является несколько спорным при использовании в клинических целях (хотя есть много применений для исследований).

Сухие электроды ЭЭГ

В начале 1990-х годов Бабак Тахери, на ул. Калифорнийский университет в Дэвисе продемонстрировали первые одноканальные, а также многоканальные сухие активные электродные матрицы с использованием микрообработки. Конструкция и результаты одноканального сухого электрода ЭЭГ были опубликованы в 1994 году.^[54] Установленный электрод также продемонстрировал хорошие характеристики по сравнению с серебро /хлорид серебра электроды. Устройство состояло из четырех узлов датчиков со встроенной электроникой для снижения шума за счет согласование импеданса. Преимущества таких электродов: (1) отсутствие электролита, (2) отсутствие подготовки кожи, (3) значительно уменьшенный размер сенсора и (4) совместимость с системами мониторинга ЭЭГ. Активная электродная матрица представляет собой интегрированную систему, состоящую из набора емкостных датчиков с локальной интегральной схемой, размещенной в корпусе с батареями для питания схемы. Такой уровень интеграции был необходим для достижения функциональных характеристик электрода. Электрод был протестирован на электрическом испытательном стенде и на людях в четырех модальностях ЭЭГ-активности, а именно: (1) спонтанная ЭЭГ, (2) потенциалы, связанные с сенсорными событиями, (3) потенциалы ствола мозга и (4) когнитивные события. -связанные потенциалы. Характеристики сухого электрода по сравнению со стандартными влажными электродами лучше с точки зрения подготовки кожи, отсутствия потребности в геле (сухой) и более высокого отношения сигнал / шум.^[55]

В 1999 г. исследователи Кейс Вестерн Резервный университет, в Кливленд, Огайо под руководством Хантера Пекхэма использовали тюбетейку для 64-электродной ЭЭГ, чтобы вернуть ограниченные движения руки к парализованный Джим Ятич. Поскольку Ятич сконцентрировался на простых, но противоположных понятиях, таких как «вверх» и «вниз», его выходной сигнал ЭЭГ с бета-ритмом был проанализирован с помощью программного обеспечения для выявления паттернов в шуме. Был идентифицирован базовый образец, который использовался для управления переключателем: активность выше среднего была включена, ниже средней - выключена. Помимо того, что Ятич мог управлять компьютерным курсором, сигналы также использовались для управления нервными контроллерами, встроенными в его руки, восстанавливая некоторое движение.^[56]

В 2018 году функциональный сухой электрод, состоящий из полидиметилсилоксана. эластомер наполненный проводящим углеродом нановолокна Сообщалось. Исследование проводилось в Исследовательская лаборатория армии США.^[57] Технология ЭЭГ часто включает нанесение геля на кожу головы, что обеспечивает высокое соотношение сигнал / шум. Это приводит к более воспроизводимым и надежным экспериментальным результатам. Поскольку пациенты не любят, когда их волосы заполняются гелем, а длительная установка требует наличия обученного персонала, использование ЭЭГ вне лаборатории может быть затруднено.^[58] Кроме того, было замечено, что работа датчиков влажных электродов снижается через несколько часов.^[57] Поэтому исследования были направлены на разработку сухих и полусухих биоэлектронных интерфейсов ЭЭГ.

Сигналы сухого электрода зависят от механического контакта. Следовательно, получить полезный сигнал может быть сложно из-за импеданса между кожей и электродом.^[58][57] Некоторые системы ЭЭГ пытаются обойти эту проблему, применяя физиологический раствор.^[59] Другие имеют полусухой характер и выделяют небольшое количество геля при контакте с кожей головы.^[58] В другом решении используются подпружиненные штифты. Это может быть неудобно. Они также могут быть опасными, если использовались в ситуации, когда пациент мог удариться головой, поскольку они могли застрять после инцидента с ударной травмой.^[57]

ARL также разработала инструмент визуализации, настраиваемый интерфейс освещения для визуализации ЭЭГ или CLIVE, который показал, насколько хорошо синхронизируются два мозга.^[60]

В настоящее время доступны гарнитуры с сухими электродами до 30 каналов.^[61] Такие конструкции способны компенсировать некоторое ухудшение качества сигнала, связанное с высоким импедансом, за счет оптимизации предварительного усиления, экранирования и поддерживающих механизмов.^[62]

Ограничения

ЭЭГ имеет несколько ограничений. Самое главное - плохое пространственное разрешение.^[63] ЭЭГ наиболее чувствительна к определенному набору постсинаптических потенциалов: тех, которые генерируются в поверхностных слоях коры, на гребнях извилины непосредственно примыкает к черепу и радиально к черепу. Дендриты, которые находятся глубже в коре, внутри борозды, в срединных или глубоких структурах (например, поясная извилина или же гиппокамп ) или производящие токи, касательные к черепу, имеют гораздо меньший вклад в сигнал ЭЭГ.

Записи ЭЭГ не захватывают непосредственно аксоны. потенциалы действия. Потенциал действия можно точно представить как ток квадруполь, что означает, что результирующее поле уменьшается быстрее, чем поле, создаваемое текущим диполем постсинаптических потенциалов.^[64] Кроме того, поскольку ЭЭГ представляют собой средние значения тысяч нейронов, большая популяция клеток в синхронной активности необходима, чтобы вызвать значительное отклонение записей. Потенциалы действия очень быстрые, и, как следствие, шансы на суммирование полей невелики. Тем не мение, нейронное обратное распространение, как обычно более длинный дендритный диполь тока, может улавливаться электродами ЭЭГ и является надежным индикатором возникновения нейронного выхода.

Мало того, что ЭЭГ практически полностью улавливают дендритные токи в отличие от аксонов, они также демонстрируют предпочтение активности в популяциях параллельных дендритов и передачи тока в одном направлении в одно и то же время. Пирамидные нейроны кортикальных слоев II / III и V распространяются апикальные дендриты на слой I. Токи, движущиеся вверх или вниз по этим процессам, лежат в основе большинства сигналов, производимых электроэнцефалографией.^[65]

Следовательно, ЭЭГ предоставляет информацию с большим предвзятым отношением к выбору типов нейронов и, как правило, не должна использоваться для заявлений о глобальной активности мозга. В мозговые оболочки, спинномозговая жидкость а череп «размазывает» сигнал ЭЭГ, скрывая его внутричерепной источник.

Математически невозможно восстановить уникальный источник внутричерепного тока для данного сигнала ЭЭГ,^[1] поскольку некоторые токи создают потенциалы, которые нейтрализуют друг друга. Это называется обратная задача. Однако была проделана большая работа для получения замечательно точных оценок, по крайней мере, локализованного электрический диполь который представляет зарегистрированные токи.^{[нужна цитата ]}

ЭЭГ против фМРТ, фНИРС, фУЗИ и ПЭТ

У ЭЭГ есть несколько сильных сторон как инструмента для исследования мозговой активности. ЭЭГ может обнаруживать изменения за миллисекунды, что отлично, учитывая потенциал действия для распространения по отдельному нейрону требуется примерно 0,5–130 миллисекунд, в зависимости от типа нейрона.^[66] Другие методы изучения мозговой активности, например: ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ, фМРТ или же fUS иметь временное разрешение от секунд до минут. ЭЭГ напрямую измеряет электрическую активность мозга, в то время как другие методы регистрируют изменения кровотока (например, ОФЭКТ, фМРТ, fUS ) или метаболической активности (например, ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ, NIRS ), которые являются косвенными маркерами электрической активности мозга.

ЭЭГ можно использовать одновременно с фМРТ или же fUS так что данные с высоким временным разрешением могут быть записаны одновременно с данными с высоким пространственным разрешением, однако, поскольку данные, полученные из каждого, происходят в разное время, наборы данных не обязательно отражают в точности одну и ту же активность мозга . Существуют технические трудности, связанные с объединением ЭЭГ и фМРТ, включая необходимость удаления Артефакт градиента МРТ присутствует во время получения МРТ. Кроме того, в движущихся проводах электродов ЭЭГ могут индуцироваться токи из-за магнитного поля МРТ.

ЭЭГ можно использовать одновременно с NIRS или же fUS без особых технических сложностей. Эти методы не влияют друг на друга, и комбинированное измерение может дать полезную информацию об электрической активности, а также гемодинамике при среднем пространственном разрешении.

ЭЭГ против МЭГ

ЭЭГ отражает коррелированную синаптическую активность, вызванную: постсинаптические потенциалы коркового нейроны. Ионные токи, участвующие в генерации быстрых потенциалы действия может не сильно влиять на усредненный потенциалы поля представляющий ЭЭГ.^[47][67] Более конкретно, электрические потенциалы кожи головы, которые вызывают ЭЭГ, обычно считаются вызванными внеклеточными ионными токами, вызванными: дендритный электрическая активность, тогда как поля, производящие магнитоэнцефалографический сигналы^[22] связаны с внутриклеточными ионными токами.^[68]

ЭЭГ можно записывать одновременно с МЭГ так что данные этих дополнительных методов с высоким временным разрешением могут быть объединены.

Также были проведены исследования по численному моделированию ЭЭГ и МЭГ.^[69]

Нормальная активность

• 

  Одна секунда сигнала ЭЭГ

• 

  ЭЭГ человека с выраженной активностью в состоянии покоя - альфа-ритмом. Слева: кривые ЭЭГ (по горизонтали - время в секундах; по вертикали - амплитуды, масштаб 100 мкВ). Справа: спектры мощности отображаемых сигналов (вертикальные линии - 10 и 20 Гц, шкала линейная). Альфа-ритм состоит из синусоидальных волн с частотами в диапазоне 8–12 Гц (в данном случае 11 Гц), более заметными в задних отделах. Альфа-диапазон отображается красным на графике спектра мощности.

• 

  ЭЭГ человека в состоянии покоя. Слева: кривые ЭЭГ (по горизонтали - время в секундах; по вертикали - амплитуды, масштаб 100 мкВ). Справа: спектры мощности отображаемых сигналов (вертикальные линии - 10 и 20 Гц, шкала линейная). 80–90% людей имеют выраженные синусоидальные волны с частотами в диапазоне 8–12 Гц - альфа-ритм. У других (вроде этого) этот вид деятельности отсутствует.

• 

  Общие артефакты в ЭЭГ человека. 1: Электроокулографический артефакт, вызванный возбуждением мышц глазного яблока (например, связанный с морганием). Медленная положительная волна большой амплитуды на лобных электродах. 2: Артефакт электрода, вызванный плохим контактом (и, следовательно, большим импедансом) между электродом P3 и кожей. 3: Артефакт глотания. 4: Обычный артефакт электрода сравнения, вызванный плохим контактом электрода сравнения с кожей. Огромная волна, похожая на все каналы.

ЭЭГ обычно описывают в терминах (1) ритмическая активность и (2) переходные процессы. Ритмическая активность делится на полосы по частоте. В некоторой степени эти частотные диапазоны являются предметом номенклатуры (т. Е. Любая ритмическая активность между 8–12 Гц может быть описана как «альфа»), но эти обозначения возникли потому, что ритмическая активность в определенном частотном диапазоне, как было отмечено, имеет определенный распространение по коже головы или определенное биологическое значение. Частотные диапазоны обычно извлекаются с использованием спектральных методов (например, Уэлча), которые реализованы, например, в свободно доступном программном обеспечении ЭЭГ, таком как EEGLAB или Набор инструментов нейрофизиологических биомаркеров.Вычислительную обработку ЭЭГ часто называют количественная электроэнцефалография (qEEG).

Большая часть церебрального сигнала, наблюдаемого на ЭЭГ кожи головы, находится в диапазоне 1–20 Гц (активность ниже или выше этого диапазона, вероятно, будет артефактной при стандартных методах клинической записи). Волновые формы подразделяются на полосы частот, известные как альфа, бета, тета и дельта, чтобы обозначить большую часть ЭЭГ, используемой в клинической практике.^[70]

Сравнение диапазонов ЭЭГ

Практика использования только целых чисел в определениях проистекает из практических соображений в те времена, когда в бумажных записях можно было считать только полные циклы. Это приводит к пробелам в определениях, как видно в другом месте на этой странице. Теоретические определения всегда давались более тщательно и включали все частоты. К сожалению, в стандартных справочных работах нет согласия в отношении того, какими должны быть эти диапазоны - значения для верхнего предела альфа и нижнего предела бета включают 12, 13, 14 и 15. Если порог принят равным 14 Гц, тогда самая медленная бета волна имеет примерно ту же продолжительность, что и самый длинный всплеск (70 мс), что делает это значение наиболее полезным.

Другие иногда делят полосы на поддиапазоны в целях анализа данных.

ЭЭГ человека с выраженным альфа-ритмом

Волновые узоры

Дельта-волны

• Дельта диапазон частот до 4 Гц. Обычно это самая высокая амплитуда и самые медленные волны. Обычно это наблюдается у взрослых в медленный сон. Это также обычно наблюдается у младенцев. Это может происходить локально с подкорковыми поражениями и в общем случае с диффузными поражениями, метаболической энцефалопатией, гидроцефалией или глубокими поражениями средней линии. Обычно он наиболее выражен спереди у взрослых (например, FIRDA - фронтальная прерывистая ритмическая дельта) и сзади у детей (например, OIRDA - затылочная прерывистая ритмическая дельта).

Тета-волны

• Тета - диапазон частот от 4 Гц до 7 Гц. Тета обычно наблюдается у маленьких детей. Это может проявляться в сонливости или возбуждении у детей старшего возраста и взрослых; это также можно увидеть в медитация.^[78] Превышение тета для возраста означает ненормальную активность. Это можно рассматривать как очаговое нарушение в очаговых подкорковых поражениях; его можно увидеть в генерализованном распределении при диффузном заболевании или метаболической энцефалопатии, нарушениях глубокой средней линии или некоторых случаях гидроцефалии. Напротив, этот диапазон был связан с сообщениями о расслабленных, медитативных и творческих состояниях.

Альфа-волны

• Альфа диапазон частот от 7 Гц до 13 Гц.^[79] Ганс Бергер назвал первую наблюдаемую им ритмическую активность ЭЭГ «альфа-волной». Это был «задний основной ритм» (также называемый «задний доминантный ритм» или «задний альфа-ритм»), наблюдаемый в задних отделах головы с обеих сторон, более высокий по амплитуде на доминирующей стороне. Он возникает при закрытии глаз и при расслаблении и ослабевает при открытии глаз или умственном напряжении. Задний основной ритм у маленьких детей на самом деле медленнее, чем 8 Гц (следовательно, технически в тета-диапазоне).

Сенсомоторный ритм он же мю-ритм

Помимо заднего основного ритма существуют другие нормальные альфа-ритмы, такие как мю-ритм (альфа-активность в контралатеральном сенсорный и мотор области коры), возникающие при бездействии рук и кистей; и «третий ритм» (альфа-активность в височных или лобных долях).^[80][81] Альфа может быть ненормальной; например, ЭЭГ, которая имеет диффузную альфа-зону, возникающую в коме, и не реагирует на внешние раздражители, называется «альфа-комой».

Бета-волны

• Бета это частотный диапазон от 14 Гц до примерно 30 Гц. Обычно он виден с обеих сторон в симметричном распределении и наиболее заметен спереди. Бета-активность тесно связана с двигательным поведением и обычно ослабляется во время активных движений.^[82] Низкоамплитудный бета-сигнал с множественными и разными частотами часто ассоциируется с активным, занятым или тревожным мышлением и активной концентрацией. Ритмичная бета с доминирующим набором частот связана с различными патологиями, такими как Синдром Dup15q, и эффекты лекарств, особенно бензодиазепины. Он может отсутствовать или уменьшаться в областях коркового поражения. Это доминирующий ритм у пациентов, которые бдительны, тревожны или с открытыми глазами.

Гамма волны

• Гамма - диапазон частот приблизительно 30–100 Гц. Считается, что гамма-ритмы представляют собой связывание различных популяций нейронов вместе в сеть с целью выполнения определенной когнитивной или моторной функции.^[1]
• Му диапазон составляет 8–13 Гц и частично перекрывается с другими частотами. Он отражает синхронную активацию мотонейронов в состоянии покоя. Считается, что подавление Mu отражает двигательные зеркальные нейронные системы, потому что, когда наблюдается действие, паттерн гаснет, возможно, потому, что нормальные и зеркальные нейронные системы «выходят из синхронизации» и мешают друг другу.^[76]

«Ультра-медленный» или «почти-ОКРУГ КОЛУМБИЯ «активность регистрируется с использованием усилителей постоянного тока в некоторых исследовательских контекстах. Обычно она не регистрируется в клиническом контексте, потому что сигнал на этих частотах подвержен ряду артефактов.

Некоторые особенности ЭЭГ скорее преходящие, чем ритмичные. Пики и резкие волны могут указывать на судорожную активность или интерктальный активность у людей с эпилепсией или предрасположенностью к эпилепсии. Другие переходные признаки нормальны: при нормальном сне видны вершинные волны и веретена сна.

Обратите внимание, что есть виды активности, которые статистически необычны, но не связаны с дисфункцией или заболеванием. Их часто называют «нормальными вариантами». Мю-ритм - это пример нормального варианта.

Нормальная электроэнцефалограмма (ЭЭГ) зависит от возраста. В пренатальная ЭЭГ и неонатальная ЭЭГ сильно отличается от ЭЭГ взрослых. Плоды в третьем триместре и новорожденные демонстрируют два общих паттерна мозговой активности: «прерывистый» и «следовой альтернативный». «Прерывистая» электрическая активность означает резкие всплески электрической активности, за которыми следуют низкочастотные волны. Электрическая активность "следа альтернативы" описывает резкие всплески, за которыми следуют короткие интервалы с высокой амплитудой, и обычно указывает на спокойный сон у новорожденных.^[83] ЭЭГ в детстве обычно имеет более медленные колебания частоты, чем ЭЭГ взрослых.

Нормальная ЭЭГ также варьируется в зависимости от состояния. ЭЭГ используется вместе с другими измерениями (EOG, ЭМГ ) определять стадии сна в полисомнография. Сон I стадии (в некоторых системах эквивалентен сонливости) отображается на ЭЭГ как выпадение заднего основного ритма. Может быть увеличение тета-частот. Сантамария и Чиаппа составили каталог разнообразных паттернов, связанных с сонливостью. Стадия II сна характеризуется сонными веретенами - переходными периодами ритмической активности в диапазоне 12–14 Гц (иногда называемых полосой «сигма»), которые имеют фронтально-центральный максимум. Большая часть активности на этапе II находится в диапазоне 3–6 Гц. Стадии III и IV сна определяются наличием дельта-частот и часто вместе именуются «медленноволновым сном». Стадии I – IV включают медленный (или медленный) сон. ЭЭГ в фазе быстрого сна (быстрое движение глаз) несколько похожа на ЭЭГ бодрствования.

ЭЭГ под общим наркозом зависит от типа применяемого анестетика. С галогенированными анестетиками, такими как галотан или внутривенные агенты, такие как пропофол быстрый (альфа или низкий бета), нереактивный паттерн ЭЭГ наблюдается на большей части волосистой части головы, особенно в передней части; в некоторой старой терминологии это было известно как WAR (широко распространенный передний быстрый) паттерн, в отличие от WAIS (широко распространенный медленный) паттерн, связанный с высокими дозами опиаты. Эффекты анестезии на сигналы ЭЭГ начинают понимать на уровне воздействия лекарств на различные виды синапсов и цепей, которые позволяют синхронизировать нейронную активность (см.: http://www.stanford.edu/group/maciverlab/ ).

Артефакты

Биологические артефакты

Основные типы артефактов ЭЭГ человека

Электрические сигналы, обнаруживаемые на коже черепа с помощью ЭЭГ, но не имеющие церебрального происхождения, называются артефакты. Данные ЭЭГ почти всегда содержат такие артефакты. Амплитуда артефактов может быть довольно большой по сравнению с размером амплитуды интересующих корковых сигналов. Это одна из причин, почему для правильной клинической интерпретации ЭЭГ требуется значительный опыт. Некоторые из наиболее распространенных типов биологических артефактов включают:

• Артефакты, вызванные глазами (включая моргание, движение глаз и активность экстраокулярных мышц)
• ЭКГ (сердечные) артефакты
• ЭМГ (активация мышц) артефакты
• Глоссокинетические артефакты

Наиболее заметные артефакты, вызываемые глазами, вызваны разностью потенциалов между роговица и сетчатка, что довольно велико по сравнению с церебральными потенциалами. Когда глаза и веки полностью неподвижны, этот корнео-ретинальный диполь не влияет на ЭЭГ. Однако моргания происходят несколько раз в минуту, движения глаз происходят несколько раз в секунду. Движения век, происходящие в основном во время моргания или вертикальных движений глаз, вызывают большой потенциал, который проявляется в основном в разнице между Электроокулография (EOG) каналы над и под глазами. Установленное объяснение этого потенциала рассматривает веки как скользящие электроды, которые замыкают положительно заряженную роговицу на внешнюю кожу.^[84][85] Вращение глазных яблок и, следовательно, диполя роговицы и сетчатки увеличивает потенциал в электродах, на которые поворачиваются глаза, и уменьшает потенциалы в противоположных электродах.^[86] Движение глаз называется саккады также генерировать переходные электромиографический потенциалы, известные как потенциалы саккадических спайков (SP).^[87] Спектр этих ПП перекрывает гамма-диапазон (см. Гамма волна ), и серьезно затрудняет анализ индуцированных откликов в гамма-диапазоне,^[88] требующие индивидуальных подходов к исправлению артефактов.^[87] Целенаправленное или рефлекторное моргание глаз также вызывает электромиографический потенциалы, но, что более важно, во время мигания наблюдается рефлексивное движение глазного яблока, которое дает характерный артефактный вид ЭЭГ (см. Феномен Белла ).

Артефакты дрожания век характерного типа ранее назывались каппа-ритмом (или каппа-волнами). Обычно это видно в префронтальных отведениях, то есть прямо над глазами. Иногда они наблюдаются при умственной деятельности. Обычно они находятся в диапазоне тета (4–7 Гц) или альфа (7–14 Гц). Их назвали потому, что считалось, что они происходят из мозга. Позже исследование показало, что они были вызваны быстрым трепетанием век, иногда настолько незначительным, что его было трудно увидеть. На самом деле они представляют собой шум при чтении ЭЭГ, и технически их не следует называть ритмом или волной. Таким образом, современное использование в электроэнцефалографии относится к феномену как артефакту трепетания век, а не к каппа-ритму (или волне).^[89]

Некоторые из этих артефактов могут быть полезны в различных приложениях. Например, сигналы EOG можно использовать для обнаружения^[87] и отслеживать движения глаз, которые очень важны в полисомнография, а также в обычной ЭЭГ для оценки возможных изменений бдительности, сонливости или сна.

ЭКГ артефакты довольно распространены и могут быть ошибочно приняты за всплеск активности. Из-за этого современная регистрация ЭЭГ обычно включает одноканальный ЭКГ от конечностей. Это также позволяет ЭЭГ идентифицировать сердечные аритмии это важные дифференциальная диагностика к обморок или другие эпизодические / приступообразные расстройства.

Глоссокинетические артефакты вызваны разностью потенциалов между основанием и кончиком языка. Незначительные движения языка могут загрязнять ЭЭГ, особенно паркинсонизм и тремор расстройства.

Артефакты окружающей среды

Помимо артефактов, создаваемых телом, многие артефакты происходят извне. Движение пациента или даже просто установка электродов может вызвать электроды лопаются, всплески, вызванные мгновенным изменением сопротивление данного электрода. Бедные заземление электродов ЭЭГ может вызвать значительный артефакт 50 или 60 Гц, в зависимости от местной энергосистемы. частота. Третьим источником возможных помех может быть наличие Капельница; такие устройства могут вызывать ритмичные быстрые всплески низкого напряжения, которые можно принять за всплески.

Артефакты движения создают сигнальный шум, который может маскировать интересующий нейронный сигнал.^[90]

Фантомную голову с ЭЭГ можно поместить на подвижную платформу и перемещать по синусоиде. Это изобретение позволило исследователям изучить эффективность алгоритмов удаления артефактов движения.^[90] Используя ту же модель фантомной головы и движущейся платформы, было определено, что раскачивание кабеля было основным фактором артефактов движения. Однако увеличение площади поверхности электрода имело небольшой, но существенный эффект на уменьшение артефакта.^[90] Это исследование спонсировалось Исследовательская лаборатория армии США как часть Когнитивный и нейроэргономический совместный технический альянс.

Коррекция артефактов

Простой подход к работе с артефактами - просто удалить эпохи данных, превышающие определенный порог загрязнения, например эпохи с амплитудами выше ± 100 мкВ.Однако это может привести к потере данных, которые все еще содержат информацию без артефактов. Другой подход заключается в применении пространственных и частотных полосовых фильтров для удаления артефактов, однако артефакты могут перекрываться с интересующим сигналом в спектральной области, что делает этот подход неэффективным.^[91] Недавно, независимый компонентный анализ (ICA) методы были использованы для исправления или удаления загрязнителей ЭЭГ.^{[87][92][93][94][95][96]} Эти методы пытаются «разделить» сигналы ЭЭГ на некоторое количество основных компонентов. Существует множество алгоритмов разделения источников, часто предполагающих различное поведение или характер ЭЭГ. Тем не менее, принцип, лежащий в основе любого конкретного метода, обычно позволяет «ремиксировать» только те компоненты, которые могут привести к «чистой» ЭЭГ путем обнуления (обнуления) веса нежелательных компонентов.

Обычно коррекцию артефактов данных ЭЭГ, в том числе классификацию артефактных компонентов ВСА, проводят специалисты по ЭЭГ. Однако с появлением массива ЭЭГ с 64–256 электродами и увеличением количества исследований на больших популяциях ручная коррекция артефактов стала чрезвычайно трудоемкой. Чтобы справиться с этим, а также с субъективностью многих исправлений артефактов, также были разработаны полностью автоматизированные конвейеры отклонения артефактов.^{[97][98][99][100]}

В последние несколько лет при сравнении данных парализованных и непарализованных субъектов было показано, что контаминация ЭЭГ мышцами намного более распространена, чем предполагалось ранее, особенно в гамма-диапазоне выше 20 Гц.^[101] Однако поверхность Лапласиан было показано, что он эффективен в устранении мышечных артефактов, особенно для центральных электродов, которые находятся дальше от самых сильных загрязнений.^[102] Комбинация поверхностного лапласиана с автоматизированными методами удаления мышечных компонентов с использованием ICA оказалась особенно эффективной в последующем исследовании.^[103]

Аномальная активность

Аномальную активность в общих чертах можно разделить на эпилептиформный и неэпилептиформная активность. Также его можно разделить на очаговый и диффузный.

Фокальные эпилептиформные разряды представляют собой быстрые синхронные потенциалы в большом количестве нейронов в некоторой дискретной области мозга. Они могут возникать в виде межприступной активности, между приступами и представляют собой область раздражения коры головного мозга, которая может быть предрасположена к возникновению эпилептических припадков. Интериктальные выделения не являются полностью надежными для определения того, страдает ли пациент эпилепсией и откуда у него может возникнуть припадок. (Видеть фокальная эпилепсия.)

Генерализованные эпилептиформные разряды часто имеют передний максимум, но они видны синхронно по всему мозгу. Они сильно указывают на генерализованную эпилепсию.

Очаговая неэпилептиформная аномальная активность может возникать в областях мозга, где имеется очаговое повреждение коры или белое вещество. Он часто состоит из учащения медленных ритмов и / или потери нормальных более высокочастотных ритмов. Это может также проявляться в виде очагового или одностороннего уменьшения амплитуды сигнала ЭЭГ.

Диффузная неэпилептиформная аномальная активность может проявляться в виде диффузных аномально медленных ритмов или двустороннего замедления нормальных ритмов, таких как PBR.

Электроды для интракортикальной энцефалограммы и субдуральные электроды можно использовать в тандеме, чтобы отличить артефакт от эпилептиформных и других тяжелых неврологических явлений.

Более продвинутые методы измерения аномальных сигналов ЭЭГ также недавно привлекли внимание в качестве возможных биомаркеров различных заболеваний, таких как Болезнь Альцгеймера.^[104]

Удаленное общение

В 2009 году Управление исследований армии США выделило 4 миллиона долларов исследователям из Калифорнийского университета в Ирвине на разработку методов обработки ЭЭГ для выявления коррелятов воображаемая речь и предполагаемое руководство, позволяющее солдатам на поле боя общаться посредством компьютерной реконструкции сигналов ЭЭГ членов команды в форме понятных сигналов, таких как слова.^[105]

ЭЭГ диагностика

В Министерство обороны (DoD) и Дела ветеранов (VA), и Исследовательская лаборатория армии США (ARL), сотрудничали в диагностике ЭЭГ с целью выявления легкая или умеренная травматическая травма головного мозга (mTBI) у боевых солдат.^[106] В период с 2000 по 2012 год семьдесят пять процентов черепно-мозговых травм в результате военных операций США были классифицированы как mTBI. В ответ DoD разрабатывали новые технологии, способные к быстрому, точному, неинвазивному и полному обнаружению mTBI для устранения этой травмы.^[106]

Боевой состав часто страдает ПТСР и ПТСР взаимосвязанно. Оба состояния представлены измененными низкочастотными колебаниями мозговых волн.^[107] Измененные мозговые волны у пациентов с посттравматическим стрессовым расстройством проявляются уменьшением низкочастотных колебаний, тогда как травмы mTBI связаны с повышенными колебаниями низкочастотных волн. Эффективная диагностика ЭЭГ может помочь врачам точно определить состояния и надлежащим образом лечить травмы, чтобы смягчить долгосрочные последствия.^[108]

Традиционно клиническая оценка ЭЭГ включала визуальный осмотр. Вместо визуальной оценки топографии осцилляций мозговых волн количественная электроэнцефалография (qEEG), компьютеризированные алгоритмические методологии, анализирует конкретную область мозга и преобразует данные в значимый «спектр мощности» этой области.^[106] Точное различие между mTBI и PTSD может значительно улучшить положительные результаты выздоровления пациентов, особенно потому, что долгосрочные изменения в нейронной коммуникации могут сохраняться после первоначального инцидента mTBI.^[108]

Экономика

Недорогие устройства ЭЭГ существуют для недорогих исследовательских и потребительских рынков. Недавно несколько компаний уменьшили технологию ЭЭГ медицинского уровня, чтобы создать версии, доступные широкой публике. Некоторые из этих компаний построили коммерческие устройства ЭЭГ, продающиеся в розницу менее чем за 100 долларов США.

• В 2004 году OpenEEG выпустила ModularEEG как оборудование с открытым исходным кодом. Совместимое программное обеспечение с открытым исходным кодом включает игру для балансировки мяча.
• В 2007 NeuroSky выпустила первый доступный потребительский ЭЭГ вместе с игрой NeuroBoy. Это также было первое крупномасштабное устройство ЭЭГ, в котором использовалась технология сухих датчиков.^[109]
• В 2008 OCZ Technology разработанное устройство для использования в видеоиграх, в первую очередь электромиография.
• В 2008 г. Последняя фантазия разработчик Square Enix объявила, что сотрудничает с NeuroSky для создания игры Judecca.^[110][111]
• В 2009 Mattel в партнерстве с NeuroSky выпустили Mindflex, игра, в которой использовалась ЭЭГ, чтобы направить мяч через полосу препятствий. Безусловно, самая продаваемая на сегодняшний день ЭЭГ для потребителей.^[110][112]
• В 2009 году Uncle Milton Industries в сотрудничестве с NeuroSky выпустила Звездные войны Тренажер силы, игра, призванная создать иллюзию обладания сила.^[110][113]
• В 2009 Emotiv выпустила EPOC, 14-канальное устройство ЭЭГ. EPOC - это первый коммерческий BCI, в котором не используется технология сухих датчиков, требующая от пользователей нанесения солевого раствора на электродные подушечки (которые необходимо увлажнить через час или два использования).^[114]
• В 2010 году NeuroSky добавила в MindSet функцию мигания и электромиографии.^[115]
• В 2011 году NeuroSky выпустила MindWave, устройство ЭЭГ, предназначенное для образовательных целей и игр.^[116] MindWave получил награду Книги рекордов Гиннеса как «Самая тяжелая машина, перемещаемая с помощью интерфейса управления мозгом».^[117]
• В 2012 году японский гаджет-проект, Neurowear, выпустила Necomimi: гарнитуру с моторизованными кошачьими ушками. Гарнитура представляет собой устройство NeuroSky MindWave с двумя моторами на оголовье там, где могут быть кошачьи уши. Чехлы в форме кошачьих ушей закрывают моторы, так что, когда устройство регистрирует эмоциональные состояния, уши двигаются, чтобы общаться. Например, в расслабленном состоянии уши опускаются в стороны и поднимаются вверх, когда снова возбуждены.
• В 2014 году OpenBCI выпустил одноименный Открытый исходный код интерфейс мозг-компьютер после успешной кампании кикстартера в 2013 году. OpenBCI имеет 8 каналов с возможностью расширения до 16 и поддерживает ЭЭГ, ЭКГ, и ЭМГ. OpenBCI основан на Texas Instruments ADS1299. IC и микроконтроллер Arduino или PIC, а базовая версия стоит 399 долларов. В нем используются стандартные металлические чашечные электроды и токопроводящая паста.
• В 2015 г. Mind Solutions Inc выпустила самый маленький потребительский BCI на сегодняшний день, NeuroSync. Это устройство работает как сухой датчик размером не более Bluetooth наушник.^[118]
• В 2015 году китайская компания Макротеллект вышел BrainLink Pro и BrainLink Lite, а потребительский сорт Носимый продукт для ЭЭГ с 20 приложениями для улучшения состояния мозга на яблоко и Магазины приложений для Android.^[119]

Будущие исследования

Эта секция слишком полагается на Рекомендации к основные источники. Пожалуйста, улучшите этот раздел, добавив вторичные или третичные источники. (Май 2012 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

ЭЭГ использовалась для многих целей, помимо обычных применений в клинической диагностике и традиционной когнитивной нейробиологии. Раннее использование было во время Второй мировой войны авиационным корпусом армии США для проверки пилотов, которым угрожала опасность конфискации;^[120] долговременные записи ЭЭГ у пациентов с эпилепсией все еще используются для предсказание приступа. Нейробиоуправление остается важным расширением, и в его наиболее продвинутой форме также предпринимаются попытки в качестве основы мозг компьютерные интерфейсы.^[121] ЭЭГ также довольно широко используется в области нейромаркетинг.

На ЭЭГ влияют препараты, влияющие на функции мозга, химические вещества, лежащие в основе психофармакология. Ранние эксперименты Бергера зафиксировали влияние наркотиков на ЭЭГ. Наука о фармако-электроэнцефалография разработал методы выявления веществ, которые систематически изменяют функции мозга, для терапевтического и рекреационного использования.

Honda пытается разработать систему, позволяющую оператору контролировать Asimo робот, использующий ЭЭГ, технологию, которую он в конечном итоге надеется внедрить в свои автомобили.^[122]

ЭЭГ использовались в качестве доказательства в уголовных процессах в Индийский состояние Махараштра.^[123][124] Профилирование сигнатуры электрических колебаний мозга (BEOS), метод ЭЭГ, использовался в судебном процессе по делу Штат Махараштра против Шармы, чтобы показать, что Шарма помнит, как использовала мышьяк для отравления своего бывшего жениха, хотя надежность и научная основа BEOS оспариваются.^[125]

В настоящее время проводится множество исследований с целью сделать устройства ЭЭГ меньшими, более портативными и более простыми в использовании. Так называемая «носимая ЭЭГ» основана на создании маломощной беспроводной собирающей электроники и «сухих» электродов, которые не требуют использования проводящего геля.^[126] Носимые устройства ЭЭГ предназначены для создания небольших устройств ЭЭГ, которые находятся только на голове и могут записывать ЭЭГ в течение нескольких дней, недель или месяцев, как ухо-ЭЭГ. Такой длительный и простой в использовании мониторинг мог бы существенно изменить диагностику хронических состояний, таких как эпилепсия, и значительно улучшить принятие систем BCI конечными пользователями.^[127] Также проводятся исследования по поиску конкретных решений для увеличения срока службы батареи переносных устройств ЭЭГ за счет использования подхода сокращения данных. Например, в контексте диагностики эпилепсии обработка данных использовалась для продления срока службы батареи переносных устройств ЭЭГ за счет интеллектуального выбора и передачи только диагностически значимых данных ЭЭГ.^[128]

Сигналы ЭЭГ от музыкальных исполнителей были использованы для создания мгновенных композиций и одного компакт-диска музыкального проекта Brainwave Music Project. Компьютерный Музыкальный Центр в Колумбийский университет к Брэд Гартон и Дэйв Солдат.

Смотрите также

Рекомендации

65. Кейпер, А. (2006). Эпоха нейроэлектроники. Новая Атлантида, 11, 4-41.

дальнейшее чтение

• Нуньес Пол Л., Сринивасан Рамеш (2007). "PDF". Scholarpedia. 2 (2): 1348. Bibcode:2007SchpJ ... 2.1348N. Дои:10.4249 / scholarpedia.1348.
• Арнс, Мартейн; Стерман, Морис Б. (2019). Нейробиоуправление: как все начиналось. Неймеген, Нидерланды: Brainclinics Insights. ISBN  9789083001302.

внешняя ссылка

• Танзер Огуз И., (2006) Численное моделирование в электро- и магнитоэнцефалографии, канд. Тезис, Хельсинкский технологический университет, Финляндия.
• Учебное пособие по моделированию и оценке источников ЭЭГ в Matlab
• Учебное пособие по анализу текущей, вызванной и индуцированной нейронной активности: спектры мощности, вейвлет-анализ и когерентность