ELEKTROANSEFALOGRAFİNİN (EEG) BİYOFİZİK TEMELLERİ Prof. Dr. Süleyman Daşdağ D.Ü. Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı Diyarbakır

Bu sunum, değişik kitap, yayın ve internet kaynaklarından yararlanılarak hazırlanmıştır. Süleyman Daşdağ

BEYİN Merkezi kontrol organı Bütün organların işlevlerini denetler ve yönetir Beynin işlevleri sırasında elektriksel olaylar gelişir Süleyman Daşdağ

Beynin faaliyeti sırasında Kendiliğinden oluşan, sürekli Ritmik elektriksel potansiyeller Reseptör faaliyetlerine bağlı olarak, uyarılmış (evoked) durumda iken biraz daha farklı olan, elektriksel potansiyeller Bu elektriksel potansiyel değişimlerinin yazdırılması yöntemi EEG ( Elektroansefalografi) olarak adlandırılır Süleyman Daşdağ

EEG, kafatası çevresine yerleştirilen elektrotlar yardımı ile elde edilir. EEG dalgaları fiziksel anlamda tam periyodik değil ancak ritmik dalgalardır. Beynin aktivite durumuna göre, gözlenen potansiyel dalgalanmaların Frekansları: 0,5-70 Hz Genlikleri : µV aralığında değişir. Süleyman Daşdağ

İnsan veya hayvanın canlılığı sürdükçe, EEG sinyalleri her koşul altında gözlenir. EEG eğrilerinin biçimi, beynin fizyolojik ve psikolojik koşullarına bağlı olduğu gibi kayıtlama biçimine de bağlıdır. Süleyman Daşdağ

Çeşitli biyolojik reseptörler tarafından vücudun iç ve dış ortamı hakkında derlenen bilgiler sinirsel yollarla (MSS de çıkan veya duyusal yollarla ) Omurilikten beyne doğru taşınır Süleyman Daşdağ

Beynin değişik kesimlerinden kaynaklanan bilgiler sinirsel yollarla (MSS de inen veya motor yollar) Omuriliğin ön boynuzundaki motonöronlarda sonlanır Süleyman Daşdağ

Bilgiler beyne frekans modülasyonlu (FM) sinir uyartıları sağanağı şeklinde iletilir. Bilgilerin ulaştığı bölgelerdeki nöronlar aktive olur Dış uyaranlara karşı alınan motor eylem kararı Beynin çeşitli alanlarındaki nöronların aktiviteleri olarak kendini gösterir Beyindeki nöronların her tür aktivitelerinin, hacim iletkeninde oluşturduğu potansiyel değişmeleri, EEG olarak kaydedilir. Eylemin cinsine göre Süleyman Daşdağ

Bütün duyusal informasyonlar, sonunda beyin kabuğuna ulaşır. Hacim iletkenliği özelliklerinden dolayı, kaydedilen bir EEG deseni beynin geniş bölgelerinin elektriksel aktivitelerinin bir tür toplamına (summation) karşılıktır. Canlılık sürdükçe, biçimi değişse de, her koşul altında EEG sinyalleri alınır. Süleyman Daşdağ

EEG dalgalarının ortalama frekanslarının genel olarak düşük olmasının nedeni, EEG desenlerinin ortaya çıkışında, nöronal iletimden çok, postsinaptik potansiyel (PSP) dalgalanmaların daha önemli olmasıdır. EEG dalgalarına, piramidal hücrelerde oluşan, toplanabilir özellikteki PSP'lerin katkıları egemen olmaktadır. Süleyman Daşdağ

Beynin elektriksel etkinliğine bağlı EEG sinyalleri, ossiloskop tipi bir gözlem aracı ile gözlenebilir veya kayıtçı (recorder) tipi bir araçla kağıda çizdirebilir. Kaynak empedansının yüksek olması yüzünden ve genellikle küçük elektrotlar kullanılması gerektiğinden, EEG aracının giriş empedansı da yüksek olmalıdır. Süleyman Daşdağ

İyi bir EEG çekimi yapmak için, vücuttan veya dışardan kaynaklanan, gürültü veya istenmedik etkileri azaltacak, önlemler alınmalıdır. EEG kayıtlarında, kağıt ilerleme hız standardı 30 mm/s dir. Çoğu EEG araçlarında, gereğinde kullanılmak üzere, 60 mm/s ve 15 mm/s hız seçenekleri de bulunmaktadır. Süleyman Daşdağ

Gözlenen EEG desenleri kayıt bölgesi ve biçimine önemli ölçüde bağlıdır. EEG araçları, beynin farklı yörelerinin aktivitelerini aynı anda kaydedebilmek için, genellikle 8 veya 16 kanallı olarak yapılmaktadır. Süleyman Daşdağ

The international system seen from (A) left and (B) above the head. A = Ear lobe, C = central, Pg = nasopharyngeal, P = parietal, F = frontal, Fp = frontal polar, O = occipital. (C) Location and nomenclature of the intermediate 10% electrodes, as standardized by the American Electroencephalographic Society. (Redrawn from Sharbrough, 1991.).

Elektrot bağlantı şekli UnipolarBipolar Seçilen bir elektrot Bölgesinin, MSS den bağıl olarak uzak bir referans noktasına göre, potansiyel değişimleri kaydedilir. Yakın iki yöre arasındaki potansiyel farkı gözlenir. Süleyman Daşdağ

(A) Bipolar and (B) unipolar measurements. Note that the waveform of the EEG depends on the measurement location.

Bir elektrot potansiyelinin, beyin içindeki bir kaynağa duyarlığı, kaynak-elektrot uzaklığı ile yaklaşık ters orantılı bulunmaktadır. Unipolar kayıt, elektrot altındaki yerel aktiviteye ek olarak zayıf da olsa uzak bölgelerin aktivitelerini de içerir. Bipolar bağlantı duyarlığı, kabaca kaynak uzaklığının karesi ile ters orantılı olduğundan ötürü, yerel aktivite hakkında, unipolar kayıttan daha iyi bilgi vermektedir. Süleyman Daşdağ

Beyin kabuğuna elektrot dokundurularak veya mikroelektrotlarla beynin derinliklerine girilerek sinyalleri 3-4 kat büyük genliklerde kaydetmek mümkündür. Bu şekilde kayıt biçimine elektrokortiyografi (ECoG) adı verilir. Süleyman Daşdağ

Beynin aktivite düzeyi yükseldikçe, EEG dalgaları frekansı yükselir, genlikleri (amplitude) ise azalır. Süleyman Daşdağ

Egemen frekanslar yaşla yükselmektedir. Yeni doğanlarda: 3-4 Hz 2-3 yaş aralığındakilerde: 6-7 Hz arasına, Yetişkinlerde:8-12 Hz Süleyman Daşdağ

EEG dalgalarının EKG de olduğu gibi özel biçimleri yoktur ve rastgele potansiyel değişimlerini andırırlar. EEG dalgalarının değerlendirilmesindeki en önemli parametre frekans, ikinci derecede önemli bir diğer parametre ise genliktir. Süleyman Daşdağ

EEG spektrumu, dalgaların içerdikleri başat frekansa göre özel adlarla anılan bantlara ayrılmıştır. Delta (  ) dalgaları Frekansları: Hz Genlikleri:  V Derin uyku, genel anestezi gibi beynin çok düşük aktivite gösterdiği durumlarda karşılaşılmaktadır. Süleyman Daşdağ

Teta (  ) dalgaları Frekansları: 4-8 Hz, genlikleri:  V Normal bireylerde; rüyalı uyku orta derinlikte anestezi, stres gibi beynin düşük aktivite gösterdiği durumlarda karşılaşılmaktadır. Süleyman Daşdağ

Alfa (  ) dalgaları Frekansları: 8-13 Hz, Genlikleri: 2-10  V Uyanık bireylerin; fiziksel ve zihinsel olarak tam dinlenimde bulunduğu, dış uyaranların olmadığı, gözlerin kapalı olduğu durumlarda görülürler. Occipital bölgeden alınan kayıtlarda en belirgin biçimde gözlenirler. Süleyman Daşdağ

Beta (  ) dalgaları; Frekansları: 13 Hz den yüksek Genlikleri: 1-5  V. Odaklanmış dikkat, zihinsel iş Duyusal informasyon işleme uykunun hızlı göz hareketleri evrelerinde karşılaşılmaktadır. Beta (  ) dalgaları beynin en yüksek aktivite düzeyine karşılıktır. Süleyman Daşdağ

EEG dalgalarından bazı örnekler.

Gözlerin açılmasıyla EEG deki alfa dalgasının beta ile yer değişimi Gözler kapalı Gözler açık Süleyman Daşdağ

EEG dalgalarının iki önemli parametresinden biri olan frekansı basitçe belirleyebilmek için, belirli bir zaman aralığında eğrilerdeki tepeler sayılır ve zamana oranlanarak ortalama bir frekans belirlenebilir. Süleyman Daşdağ

Ortalama frekansı belirleyebilmek için bir diğer yöntem sıfırdan geçme analizi olarak adlandırılır. Örnek; Her bir 10 s lik dönem içinde, eğrinin ardışık sıfırdan geçmeleri arasındaki süreler ölçülür. Bu ölçümlerden her biri yarım periyot kabul edilerek, ortalama alınarak, karşılığı olan periyot ve frekans (f = l/T) belirlenir. Bulunan bu frekansların geleneksel EEG bantlarından hangisi içine düştüğü saptanır. Süleyman Daşdağ

Frekans analizi daha ayrıntılı ve doğru olarak, bilgisayar teknikleri kullanılarak Fourier Analizi yöntemi ile yapılır. Süleyman Daşdağ

Ortalama genlikler de basitçe belirlenebilir; Örnek; 10 s lik bir süre içinde, tüm tepeden tepeye (peak to peak) genlikler cetvelle veya milimetrik kağıda çizili ise bölmeler sayılarak ölçülür. Ortalamaları alınır ve bu değer [  V/bölme] cinsinden ölçek duyarlığı ile çarpılarak  V cinsinden ortalama genlik belirlenmiş olur. Süleyman Daşdağ

Beynin işlevlerinin lokalize edilmesinde kullanılabilecek yöntemler Beynin bir bölgesinin cerrahi olarak ayrılması (ablasyon) Özgün bir duyusal yolun uyarılması sonrasında, EEG desenlerinde uyarılmış yanıtların, hangi bölgeler ortaya çıktığı saptanır. Süleyman Daşdağ Duyusal uyarılmış potansiyeller (Sensory Evoked Potential) Olaya ilişkin potansiyeller (Event Related Potential) (birey uyarandan haberdar ise)

Duyusal uyaranların yokluğunda doğal fon (background) şeklindeki normal EEG aktivitesi üzerine, ışık veya ses gibi uyaranlar etkisiyle ortaya çıkan uyarılmış (evoked) aktiviteler eklenir. Uyarılma sonucu, beyinde ilgili özel merkezlerin yanıtları olan bu uyarılmış aktiviteler, doğal fon aktivitesinden 50 kez daha küçük olduklarından doğal fon içinde kaybolurlar. Uyarılmış aktiviteyi doğal fondan ayırabilmek için " sinyal ortalaması alma" teknikleri kullanılır. UYARILMIŞ POTANSİYELLER Süleyman Daşdağ

EEG TEKNİKLERİNİN UYGULAMALARI Normal ve uyarılmış EEG sinyallerinin analizi MSS sistemi işlevlerinin incelenmesinde önemli rol oynamış ve oynamaya devam etmektedir. Beyin kabuğunda duyusal ve motor alanların saptanmasında EEG analizlerinin önemli payı olmuştur. Süleyman Daşdağ

Klinikte, yaralanma ve tümör gibi nedenlerle ortaya çıkan beyin hasarlarının yerini belirlemede EEG den yararlanılmaktadır. Bu tür hasarlı bölgelerde ya sessiz, yani sinyal vermeyen alanlarla, ya da beklenmeyen tipte dalgalarla karşılaşılmaktadır. Süleyman Daşdağ EEG TEKNİKLERİNİN UYGULAMALARI

Epileptik tiplerin ve odaklarının belirlenmesinde de EEG den yararlanılmaktadır. Epilepsinin tipine göre, EEG sinyalleri içinde diken dalga gibi adlarla anılan özel desenler ortaya çıkmaktadır. Süleyman Daşdağ EEG TEKNİKLERİNİN UYGULAMALARI

UYKU ve EEG Uykunun değişik evrelerinde EEG dalga desenlerinin değiştiği saptanmıştır. Normal bireylerde görülen desenlerle karşılaştırılarak, uyku bozuklukları tespit edilebilmekte, nedenleri araştırılmaktadır. Süleyman Daşdağ

Tipik bir gece uykusunun başlangıcındaki geçici evre, uyku ile uyanıklık durumları arasında dalgalanmakta, 5 dakika kadar sürmektedir. UYKU ve EEG Süleyman Daşdağ

Daha sonra EEG desenlerinde iğ biçimli desenlerin ortaya çıktığı ikinci evreye geçilmektedir. UYKU ve EEG Süleyman Daşdağ

Delta uykusu adı verilen üçüncü evrede EEG eğrilerinde daha yavaş ve yüksek genlikli delta dalgaları belirginleşmekte, bu evrede kısa dönemler için ikinci evreye de geçilmektedir. UYKU ve EEG Süleyman Daşdağ

UYKU ve EEG Uykuya geçtikten 90 dakika kadar sonra, hızlı göz hareketlerinin olduğu (REM) rüyalı dönem başlamaktadır. Bu durumda beyin aktivitesi birçok bakımdan uyanık duruma benzese de vücut kasları oldukça gevşek kalmaktadır. Süleyman Daşdağ

Sağlıklı insanlarda, 5-10 dakika süren rüyalı REM döneminden sonra ikinci evreye dönüşlerle tekrar tekrar yeni bir REM dönemine günde ortalama 4 kez geçilebilmektedir. UYKU ve EEG Süleyman Daşdağ

Uykunun düzenlenmesinde beyinde tek bir alanın değil, beyin sapı ve hypothalamus dahil, birçok bölgenin rolü olduğu anlaşılmıştır. UYKU ve EEG Süleyman Daşdağ

Bilinç düzeyine bağlı EEG aktiviteleri Uyanık Hafif uyku REM uykusu Derin Uyku Beyin ölümü Zaman Süleyman Daşdağ

EEG TEKNİKLERİNİN UYGULAMALARI Uyarılmış EEG eğrilerinin incelenmesi ile, duyusal merkezlerdeki muhtemel bozukluklar anlaşılabilmektedir. Süleyman Daşdağ

Özellikle organ nakilleri açısından beyin ölümü son derece önemlidir EEG TEKNİKLERİNİN UYGULAMALARI Süleyman Daşdağ

Normal EEG veya uyarılmış potansiyellerin bilgisayarlar aracılığı ile derlenmesi, görüntülenmesi, depolanması ve analiz edilmesi işlemlerine nicelleştirilmiş EEG (quantified EEG) adı verilmektedir. EEG TEKNİKLERİNİN UYGULAMALARI Süleyman Daşdağ

Bilgisayar analiz ve hesaplama yöntemleri, çoklu elektrot sistemi ile kaydedilmiş EEG sinyallerine uygulanarak, beynin elektriksel aktivite haritası çıkarılabilmektedir. EEG TEKNİKLERİNİN UYGULAMALARI Süleyman Daşdağ

MAGNETOANSEFALOGRAFİ Beyindeki elektriksel akımların oluşturduğu magnetik alan değişimlerinin gözlenmesi yöntemine magnetoansefalografi (MEG) adı verilir. Süleyman Daşdağ

Zaman ölçeğinde çözme güçleri (resolution) bakımından MEG ve EEG nin her ikisi de iyi sayılmaktadır. Süleyman Daşdağ MAGNETOANSEFALOGRAFİ

Uzaysal çözme gücü bakımından ise MEG daha üstün görülmektedir. MAGNETOANSEFALOGRAFİ Süleyman Daşdağ

Geleneksel EEG de elektrot dokundurulması ile ilgili sorunların MEG de bulunmaması da MEG için bir avantaj olarak kabul edilmektedir. MAGNETOANSEFALOGRAFİ Süleyman Daşdağ

Üstünlüklerine rağmen, henüz çok pahalı bir teknik olduğundan, EEG kadar yaygınlaşamamaktadır. MAGNETOANSEFALOGRAFİ Süleyman Daşdağ

Figure 1.The BTi 37 channel probe in place at NYU Medical Center MAGNETOANSEFALOGRAFİ

Figure 2. The 37 magnetometer coils, shown above a brain model at their approximate distance from the brain surface during a routine recording. MAGNETOANSEFALOGRAFİ

Figure 3. Gradiometer and SQUID electronics. MAGNETOANSEFALOGRAFİ

Figure 4. Averaged magnetic fields recorded from the left hemisphere of a subject in response to stimulation of the digits of the right hand MAGNETOANSEFALOGRAFİ

Beynin elektriksel aktivite haritası, son yıllarda bulunan, bazı voltaj bağımlı boyalar aracılığı ile de çıkartılabilmektedir. Bu boyalar zar potansiyelinden etkilenerek, soğurma veya fluoresans özelliklerini değiştirmektedirler. Süleyman Daşdağ

Bir bireyin, istemli olarak kontrol altına almak amacı ile, iç organları veya iç ortam özellikleri hakkında, doğrudan veya bir araç yardımı ile bilgi edinmesi yoluna genel olarak biyolojik geri besleme (biofeedback) adı verilmektedir. Biyofeedback aracılığıyla beynin aktivitesini kontrol altına almak mümkün olabilmektedir. Süleyman Daşdağ