ELEKTROANSEFALOGRAFİNİN (EEG) BİYOFİZİK TEMELLERİ Dr. Ayşe DEMİRKAZIK

BEYİN İŞLEVLERİ VE ELEKTRİKSEL AKTİVİTESİ Beyin, merkezi kontrol organı olarak, tüm diğer organların işlevlerini denetler ve yönetir. Bu sırada beyin faaliyetlerine elektriksel olayların eşlik ettiği yüzyılımızın başından beri bilinmektedir. Kafatası çevresine yerleştirilen elektrotlar yardımı ile, beyin faaliyeti sırasında kendiliğinden oluşan, sürekli ritmik elektriksel potansiyel değişimlerinin veya reseptör faaliyetlerine bağlı olarak uyarılmış (evoked) durumda iken biraz daha farklı olan potansiyel değişimlerinin yazdırılması yöntemine elektroansefalografi (EEG) denir.

Fiziksel anlamda tam periyodik olmayan, ancak ritmik olarak adlandırılan bu potansiyel dalgalanmalarının frekansları, beynin aktivite durumuna göre, 0,5-70 Hz arasında, genlikleri ise 5-400μV arasında değişir.

The master controlling and communicating system of the body Functions Sensory input – monitoring stimuli occurring inside and outside the body Integration – interpretation of sensory input Motor output – response to stimuli by activating effector organs

Organization of the Nervous System Central nervous system (CNS) Brain and spinal cord Integration and command center Peripheral nervous system (PNS) Paired spinal and cranial nerves Carries messages to and from the spinal cord and brain

MSS de duyusal yol olarak adlandırılan sinirsel yollarla omurilikten beyne doğru taşınır. MSS de motor yol olarak adlandırılan yollarla beynin değişik kesimlerinden kaynaklanan informasyonlar, omuriliğin ön boynuzundaki motonöronlarda sonlanırlar. Motonöronlar da iskelet kaslarının aktivitelerini denetlerler. MSS nin üç temel iişlevi Duyusal informasyonların alınması Nöronlararası bağlantılarla informasyonun integrasyonu,işlenmesi Kaslar ve bezler gibi uygulayıcı organlara enformasyon gönderilmesi olarak özetlenebilir. Kaydedilen bir EEG deseni beynin geniş bölgelerinin elektriksel aktivitelerinin bir tür toplamına (summation) karşılık gelir. Beyin faaliyetleri uyku veya anestezik durumda da sürdüğünden canlılık sürdükçe, biçimi değişse de her koşul altında EEG sinyalleri alınır.

ELEKTROANSEFALOGRAFİ (EEG) EEG sinyalleri -ossiloskop tipi gözlem aracı (gözemek amacı ile) -Kayıtçı (recorder) tipi bir araçla kağıda çizdirilebilir Kafatası iyi bir iletken değildir. Bu nedenle gözlem aracı yüksek bir amplifikasyon kazancına sahip olmalıdır. -EEG aracı yüksek giriş empedansına sahip olmalıdır. -EEG kayıtçılarının frekans sınırları standart olarak; 0,53-75 Hz arasında olmalıdır. Standart ölçek duyarlılığı 100μV/cm Kağıt ilerleme hız standardı ise 30 mm/s dir gereğinde kullanılmak üzere 60 ve 15 mm/s de seçilebilir.

Gözlenen EEG desenleri kayıt bölgesi ve biçimine önemli ölçüde bağlıdır.EEG kayıtlama sistemi ‘10-20’ sistemi olarak adlandırılan kafatası çevresindeki 21 elektrot bölgesini içerir. Kayıtlar 8 veya 16 kanallı olarak yapılır.

Elektrot bağlantı seçimi unipolar ve bipolar olarak yapılır. Unipolar kayıt: Seçilen bir elektrot bölgesinin MSS den bağıl olarak uzak bir referans noktasına göre potansiyel değişimler kaydedilir. Çoğu zaman bu referans noktası sol kulak seçilir. Bir elektrot potansiyelinin,beyin içindeki bir kaynağa duyarlılığı, kaynak-elektrot uzaklığı ile yaklaşık olarak ters orantılıdır. Bu nedenle; unipolar kayıtda uzak bölgelerin aktivitelerini de içerir.

Bipolar kayıt; yakın iki yöre arasındaki potansiyel farkı gözlenir. Bipolar bağlantı duyarlılığı ise;kaynak uzaklılığının karesi ile ters orantılı bulunmaktadır. Unipolar kayıttan daha doğru bilgi verir. Elektrokortiyografi: Kortekse elektrot dokundurularak veya mikroelektrotlarla beynin derinliklerine girilerek Sinyalleri 3-4 kat büyük genliklerde kaydetmek mümkündür. Bu kayıt biçimine elektrokortiyografi (ECoG) denir.

Brain Waves Normal brain function involves continuous electrical activity An electroencephalogram (EEG) records this activity Patterns of neuronal electrical activity recorded are called brain waves Each person’s brain waves are unique Continuous train of peaks and troughs Wave frequency is expressed in Hertz (Hz)

Types of Brain Waves Alpha waves – regular and rhythmic, low-amplitude, slow, synchronous waves indicating an “idling” brain Beta waves – rhythmic, more irregular waves occurring during the awake and mentally alert state Theta waves – more irregular than alpha waves; common in children but abnormal in adults Delta waves – high-amplitude waves seen in deep sleep and when reticular activating system is damped

Brain Waves: State of the Brain Brain waves change with age, sensory stimuli, brain disease, and the chemical state of the body EEGs can be used to diagnose and localize brain lesions, tumors, infarcts, infections, abscesses, and epileptic lesions A flat EEG (no electrical activity) is clinical evidence of death

Normal bir EEG sinyali birçok frekansı içerse de, herhangi bir anda belirli bir frekans bölgesi karakteristiktir. Beynin aktivite düzeyi yükseldikçe EEG dalgaları frekansı da yükselmekte, genlikleri ise azalmaktadır. Belirgin frekanslar yaşla yükselir. Yeni doğanlarda 3-4 Hz frekanslar egemen iken, 2-3 yaşlarda 6-7 Hz arasına yetişkinlerde ise 8-12 Hz arasına yükselir. EEG dalgaları değerlendirilirken en önemli parametre frekans daha sonra ise genlik tir.

Delta dalgaları: Frekansları 0,5-4 Hz, genlikleri 20-400 µV aralığında olan bu dalgalar derin uyku, genel anestezik durum gibi beynin çok düşük aktivite gösterdiği durumlarda kaydedilir. Teta dalgaları: Frekansları 4-8 Hz, genlikleri 5-100 µV arasında olan bu dalgalar normal bireylerde rüyalı uyku, orta derinlikte anestezik durum gibi beynin düşük aktivite durumlarında ve ayrıca birey stres altında iken karşılaşılmaktadır. Alfa dalgaları: Frekansları 8-13 Hz, genlikleri 2-10 µV arasında olan bu dalgaların biçimleri sinüsoidal biçimine yakındır. Uyanık haldeki bireylerin fiziksel ve zihinsel olarak tam dinlenimde bulunduğu, dış uyaranların olmadığı, gözlerin kapalı olduğu durumlarda görülürler. Occipital bölgeden alınan kayıtlarda en belirgin olarak görülür. Beta dalgaları: Frekansları 13 Hz den büyük, genlikler 1-5 µV arasında olan bu dalgalara odaklanmış dikkat, zihinsel iş, duyusal enformasyon işleme ve uykunun hızlı göz hareketleri evrelerinde karşılaşılmaktadır. Beynin en yüksek aktivite düzeyi.

EEG EĞRİLERİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ YÖNTEMLERİ Dalgaları tanımlayabilmek için iki önemli parametre frekans ve genlik Frekansı basitçe belirlemek için bir dalgada ki tekrarlayan tepeler sayılır ve karşılık gelen zaman dilimine bölünür ve ortalama frekans belirlenir Ortalama frekansı belirleyebilmek için bir diğer yöntem sıfırdan geçme analizi: Her bir 10 s lik dönemde eğrinin sıfırdan geçmeleri arasındaki süreler ölçülür. Bu ölçümlerden her biri yarım periyot kabul edilerek, ortalama alınarak karşılığı olan periyot ve frekans (f=1/T) belirlenir. Bulunan bu frekansların tipik EEG bantlarından hangisi içine düştüğü saptanır.

Ortalama genlikleri bulmak içinde; 10 s lik süre içinde, tüm tepeden tepeye genlikler ölçülür ve ortalama alınır ve µV/bölme cinsinden ölçek duyarlılığı ile çarpılarak µV cinsinden ortalama genlik bulunur.

UYARILMIŞ POTANSİYELLER Duyusal uyaranların yokluğunda doğal EEG aktivitesi üzerine, ışık veya ses gibi uyaranlar etkisinde ortaya çıkan uyarılmış (evoked) aktiviteler eklenir. Uyarılma sonucu beyinde ilgili özel merkezlerin yanıtları olan bu uyarılmış aktiviteler, doğal EEG desenleri yanında 50 kez daha küçük olduklarından normal EEG desenleri içinde kaybolurlar. Uyarılmış aktiviteyi doğal desenden ayırabilmek için ‘sinyal ortalaması alma’ teknikleri kullanılır.

Gürültü içinde kaybolan anlamlı bir sinyalin sinyal ortalaması alınması ile belirginleşmesi

Epilepsy A victim of epilepsy may lose consciousness, fall stiffly, and have uncontrollable jerking, characteristic of epileptic seizure Epilepsy is not associated with, nor does it cause, intellectual impairments Epilepsy occurs in 1% of the population

UYANIKLIK VE UYKU

Types of Sleep There are two major types of sleep: Non-rapid eye movement (NREM) Rapid eye movement (REM) One passes through four stages of NREM during the first 30-45 minutes of sleep REM sleep occurs after the fourth NREM stage has been achieved

Types and Stages of Sleep: NREM NREM stages include: Stage 1 – eyes are closed and relaxation begins; the EEG shows alpha waves; one can be easily aroused Stage 2 – EEG pattern is irregular with sleep spindles (high-voltage wave bursts); arousal is more difficult Stage 3 – sleep deepens; theta and delta waves appear; vital signs decline; dreaming is common Stage 4 – EEG pattern is dominated by delta waves; skeletal muscles are relaxed; arousal is difficult

Types and Stages of Sleep: REM Characteristics of REM sleep EEG pattern reverts through the NREM stages to the stage 1 pattern Vital signs increase Skeletal muscles (except ocular muscles) are inhibited Most dreaming takes place

Sleep Patterns Alternating cycles of sleep and wakefulness reflect a natural circadian rhythm Although RAS activity declines in sleep, sleep is more than turning off RAS The brain is actively guided into sleep A typical sleep pattern alternates between REM and NREM sleep

Importance of Sleep Slow-wave sleep is presumed to be the restorative stage Those deprived of REM sleep become moody and depressed REM sleep may be a reverse learning process where superfluous information is purged from the brain Daily sleep requirements decline with age

EEG Kafatası üzerindeki iki nokta arasındaki potansiyel farkının kaydı Farklı bilinç durumları Postsinaptik dereceli potansiyeller İki değişken: frekans & amplitüd 1-30 Hz & 0,5-100 V Frekans uykuda azalır Talamusta ritim jeneratörleri ???

Patolojik EEG Tümörler Kan pıhtısı – hemoraji Ölü doku alanları Yüksek ya da düşük kan glikoz düzeyi EPİLEPSİ Çok yüksek amplitüdlü (1000 V) “spike” dalgalar

Uyanıklık Tüm MSS nöronları aktif Alfa EEG ritmi (8-13 Hz) Özellikle retiküler aktive edici sistem (RAS) Alfa EEG ritmi (8-13 Hz) Gözler kapalı, gevşemiş, mutlu Beta EEG ritmi; amplitüd ↓ - frekans ↑ Dikkat

Uyku Uzun süre uyanıklık nöronları yorar Yorgunluk, sinirlilik, bezginlik, dikkat kaybı Günlük psikolojik problemler çözülür Gerginlikten kurtulma, durum değerlendirmesi EEG değişir Alfa amplitüd ve frekansı uyuklarken ↓ Uyuyunca frekans ↓ amplitüd ↑ NonREM – REM dönemleri

NREM (yavaş dalgalı uyku) Uykunun başlangıç fazı EEG’de frekans giderek ↓, amplitüd giderek ↑ Kaslar giderek iyice gevşer Evre 1; hafif uyku, kolay uyanma Evre 2; önemli önemsiz ayırımı Evre 3; solunum ve kalp hızı ↓ Evre 4; en derin NREM dönemi Horlama, altını ıslatma, anlamsız konuşma

REM (rapid eye movement) Uykunun en derin evresi PARADOKS UYKU Uyku derin, EEG uyanık dikkatli kişi gibi Uyandırmak zor, spontan uyanma kolay Rüya görme Başlangıçta 10 dk kadar Her döngüde giderek artar Bir gecede toplam 4-5 döngü

Fizyolojik değişiklikler NREM Kan basıncı, kalp hızı, solunumu sayısı ↓ Büyüme hormonu ve gonadotropin salgısı ↑ Dinlenme ve metabolik yenilenme

REM Kan basıncı, kalp hızı, solunumu sayısı ↑ Beyin oksijen tüketimi ↑ Düzensiz Beyin oksijen tüketimi ↑ En sık kalp krizi dönemi Gevşemeye rağmen kas seyirmeleri Problem çözme ??? Öğrenme ve bellek fonksiyonları ???

Uyku borcu Hafta içi eksik uyku Hafta sonu 7,5-8 saate tamamlama Gerek var mı, yok mu ???