Elektroencefalografie (EEG)

Elektroencefalografie (EEG) je elektrofyziologická metoda záznamu elektrické aktivity mozku. Typicky je neinvazivní – elektrody se přikládají na skalp, existují však specifické aplikace se zaváděním elektrod přímo do mozku. EEG měří rozdíly potenciálů mezi určitými částmi mozku, kterých podkladem jsou depolarizace skupin neuronů. V klinickém prostředí slouží k záznamu spontánní elektrické aktivity mozku za určité období. Typicky se používá k diagnostice epilepsie (viz kupř. záznam napravo zachycující přechod základní aktivity do eplieptického záchvat – vlny s vysokou amplitudou v pravé polovině obrázku).

Na EEG je založeno měření tzv. evokovaných potenciálů (viz samostatný soubor k evokovaným potenciálům) a je důležitou součástí výzkumu kognice a psychologie.

Mechanismy

EEG není metoda přesná – každá elektroda snímá sumární potenciály několika milionů neuronů přes lebku a kůži, které signály výrazně tlumí a fungují jako horní propusť- skalpové elektrody obecně nejsou schopné zachytit aktivitu s frekvencí nad 50 Hz. Skalpový záznam EEG zobrazuje oscilace v určitých frekvenčních rozmezích, s určitou prostorovou distribucí a v kontextu určitých procesů v mozku.

Konvenční skalpový záznam EEG se získává uložením elektrod v stanovených polohách ve speciální čepici na skalp. Mezi elektrody a skalp se aplikuje ještě vodivý gel snižující odpor. Názvy a polohy elektrod jsou standardizované (v případě zájmu viz mezinárodní systém 10–20) pro většinu klinických a výzkumných aplikací, aby byla zajištěna konzistence a specialisté mohli jednoznačně komunikovat. Existují však i high-density array systémy, které můžou obsahovat i 256 elektrod rovnoměrně rozložených po skalpu, které používají trochu jiný systém značení.

Každá elektroda je připojena k jednomu vstupu diferenciálového zesilovače, který zesiluje (typicky 1000-10000násobně) potenciálový rozdíl mezi danou elektrodou a referenční elektrodou. Údaje se následně přenáší přes AD převodník do počítače.

Během záznamu lze použít různé druhy stimulace s cílem indukovat normální či abnormální EEG aktivitu, která by se jinak neobjevila. Patří sem kupř. zrychlené dýchání, stimulace světlem, zavření/otevření očí, spánek či naopak nedostatek spánku. Při dlouhodobém snímání EEG během hospitalizace dokonce může být vysazena léčba, aby pacient překonal záchvat, kterého EEG signál pak specialista analyzuje.

Zvláštním případem je vyhodnocení signálu EEG měřeného přímo z mozku, které se provádí typicky v přípravě na epileptochirurgický zákrok. Chirurg provede několik návrtů nebo dočasně oddělí lebeční kost, aby odkryl mozek, na který (nebo dovnitř kterého) pak zavede elektrocdy. Jedná se o tzv. intrakraniální EEG). Elektrody můžou být zavedené i do hlubokých struktur (kupř. hipokampus), které můžou epileptické záchvaty vyvolávat, ale běžné skalpové EEG není schopné snímat signály přímo z nich. Signály jsou také výrazně silnější – u běžného člověka lze ze skalpu naměřit amplitudy 10 až 100 µV, z obnaženého povrchu mozku 10 až 20 mV.

Normální aktivita

Rytmická aktivita EEG se rozděluje do několik frekvenčních pásem. Do určité míry se jedná o záležitost nomenklatury (tzn. veškerá rytmická aktivity v pásmu 8-12 Hz může být popsaná jako alfa), toto rozdělení vychází z přítomnosti rytmické aktivity v určitém frekvenčním pásmu ve specifických distribucích na skalpu nebo s určitou biologickou signifikancí.

Signál ze skalpového EEG většinou spadá do pásma 1-20 Hz (při standardních podmínkách klinického záznamu bude aktivita s vyšší nebo nižší frekvencí pravděpodobně arteficiální). Rozlišujeme tedy několik pásem, přičemž alfa, beta, theta a delta představují většinové frekvence v klinické praxi.

Pásmo	Frekvence (Hz)	Příklad	Poloha	Normální výskyt	Příklady patologií
Delta	< 4		vlny s vysokou amplitudou, typicky frontálně u dospělých	spánek u dospělých malé děti	difuzní léze metabolická encefalopatie
Theta	4 – 7		Oblasti, které nejsou při prováděném úkolu aktivní	ospalost u dospělých nečinnost	místní subkortikální léze
Alfa	8 – 15		Zadní oblasti hlavy	relaxace, přemýšlení zavřené oči	kóma
Beta	16 – 31		Vlny o nízké amplitudě, typicky frontálně oboustranně	aktivní přemýšlení, soustředění, stres	otrava benzodiazepiny

Abnormální aktivita

Abnormální aktivitu lze zeširoka rozdělit do epileptiformní/neepileptformní a fokální/difuzní.

Fokální epileptiformní výboje jsou rychlé synchronní potenciály velké skupiny neuronů v diskrétní oblasti. Můžou se objevovat mezi epileptickými záchvaty a představují oblast zvýšené dráždivosti kůry, která může vytvářet epileptické záchvaty.

Generalizované epileptiformní výboje se šíří v celém mozku, v takovém případě je vlice pravděpodobné, že se jedná o epileptický záchvat.

Neepileptiformní abnormality jsou známky nespecifického blíže neurčeného poškození – mozek v dané oblasti nepracuje, jak by měl.

Použití v medicíně

Rutinní klinické EEG trvá obvykle 30 minut a sestává ze záznamu ze skalpových elektrod. Je schopné poskytnout informace o následujících stavech:

• odlišení epileptických záchvatů od psychogenních neepileptických záchvatů nebo dalších onemocnění – hezké video s epileptickými záchvaty naleznete zde.
• odlišení encefalopatie (poškození mozku) od psychiatrických poruch
• doplňkový test k potvrzení mozkové smrti

Někdy se provádí i dlouhodobější sledování EEG, kdy je pacient hospitalizován a připojen k EEG systému i několik dnů, často po vysazení léků. Cílem je zaznamenat epileptický záchvat a blíže jej zanalyzovat – určit místo, odkud vychází, a charakterizovat typ, aby bylo možno lépe upravit léčbu potřebám pacienta.

Pokud pacient nereaguje ani na složitou léčbu přípravky proti epilepsii, často může být nutné odstranit zdrojovou oblast mozku, která záchvaty vytváří. Právě v takovém případě se provádí záznam z hlubokých elektrod a ohraničí se část mozku, které odstranění nepovede k významné poruše funkce (ztráta hybnosti končetin, schopnosti mluvit apod.) a zároveň nezůstane v mozku tkáň, která by záchvaty provokovala. Smutným příkladem pacienta, u kterého byly odstraněny důležité oblasti, byl Henry Molaison (blíže kupř. zde), který po odstranění hippokampů jako zdrojů epileptických záchvatů ztratil schopnost zapamatovat si cokoli nového. I když si pamatoval události před zákrokem, zcela ztratil krátkodobou paměť.

Výzkum

EEG je široce používané v neurovědách, kognitivních vědách, psychologii i psychofyziologii. I když většina technik používaných ve výzkumu není dostatečně standardizovaná pro klinické použití, některé postupně pronikají do praxe. University of California vyvíjí techniky zpracování EEG, které majhí umožnit dekódovat řeč a umožnila by komunikovat vojákům na bojišti bez nutnosti mluvit. Honda vyvíjí systém umožňující ovládat jejich robota pomocí EEG, který chce poté použít i ve svých automobilech. Zatím se objevila EEG helma umožňující jednoduchým pomyšlením zařadit vyšší rychlost na kole. Z dalších, spíše rekreačních využití můžeme jmenovat drone ovládaný pomocí speciální helmy a několik softwarových aplikací, kterých cílem je umožnit paralyzovaným osobám (neschopným hýbat konečtinami) používat invalidní vozík a více se zařadit do světa kolem.

Další zajímavé odkazy:

• Video nasazení elektrod
• Electroencephalogram Paul L. Nunez, Ramesh Srinivasan Scholarpedia 2(2):1348.

• Průvodce analýzou EEG ve výzkumu. (vyžaduje Matlab, pokyny ke stažení a licencím viz soubor o fMRI)
• Analýza spontánní a evokované aktivity