تحلیل EEG با استفاده از پتانسیل های برانگیختگی

پتانسیل های برانگیختگی عموماً ناشی از عملکرد دستگاه عصبی هستند و در قالب سیگنال های EEG ثبت می شوند از آنجا که این سیگنال ها به منظور تشخیص اختلالات مغزی مورداستفاده قرار می گیرند, نحوه تولید پتانسیل های برانگیختگی در یک سیگنال EEG و آنالیز آن از اهمیت بسیاری برخوردار است

پتانسیل های برانگیختگی عموماً ناشی از عملکرد دستگاه عصبی هستند و در قالب سیگنال های ‏EEG‏ ثبت می شوند. از آنجا که این سیگنال ها به منظور تشخیص اختلالات مغزی مورداستفاده قرار می‌گیرند، نحوه تولید پتانسیل های برانگیختگی در یک سیگنال ‏EEG‏ و آنالیز آن از اهمیت بسیاری برخوردار است. پتانسیل های برانگیختگی معمولاً به صورت فعالیت همزمان چندین گروه از نورون‌ها در یک مقطع زمانی تعریف می‌شوند، که به سیگنال ‏EEG‏ پس زمینه ‏‎(background)‎‏ اضافه شده‌اند.

تعریفی دیگر برای پتانسیل های برانگیختگی، آنها را به صورت سازمان دهی مجدد در ساختار یک سیگنال ‏EEGِ در حال شکل‌گیری توصیف می‌کند. از این منظر، تولید پتانسیل‌های برانگیختگی از طریق بزرگ نمایی یک باند فرکانسی خاص در یک مقطع زمانی انتخابی، و یا توسط اصلاح فازهای فرکانسی امکان پذیر است.‏

● تحریک حواس به منظور تولید پتانسیل های برانگیختگی‏

پتانسیل های برانگیختگی به وسیله سه نوع تحریک کلی ایجاد می شوند: تحریکات بصری، شنیداری و تماسی. پتانسیل های برانگیختگی بصری، که در این مقاله بیشتر مورد بحث هستند، معمولاً توسط فلاش های نوری یا الگوهایی نظیر صفحات شطرنج برانگیخته می شوند.‏

‏ برای درک نحوه تحلیل پتانسیل های برانگیختگی تولید شده در اثر یک تحریک بصری، از سیگنال‌های ‏EEG‏ بدست آمده در یک آزمایش کمک گرفته می‌شود. شکل نشان دهنده طرح عمومی سیگنال های ‏EEG‏ ثبت شده در اثر آزمایشات بصری است. در این مثال، الکترودها بر اساس سیستم ۲۰-۱۰ بر روی پوست سر قرار گرفته و الکترود مرجع به لاله گوش وصل شده است. نوع تحریک عبارت است از: تغییر رنگ های مشکی/سفید در مربع هایی که در یک صفحه شطرنجی قرار دارند. در اثر این تحریک، دو جهش عمده در سیگنال ‏EEG‏ ایجاد می شود.

یک جهش مثبت پس از گذشت حدود ۱۰ میلی ثانیه از آغاز تحریک ‏‎(P۱۰۰)‎‏ که با یک جهش منفی در حدود ۲۰۰ میلی ثانیه پس از اعمال تحریک‏‎(N۲۰۰)‎‏ همراه است. این جهش ها بالاخص در الکترودهای قرار گرفته در بخش پس سری قابل توجه هستند، که به دلیل نزدیکی این ناحیه به بخش بینایی و با توجه به ماهیت تحریک (بصری) کاملاً طبیعی به نظر می رسد. جهش ‏P۱۰۰‎‏ در الکترودهای پیشانی و مرکزی چشم گیرتر است. پتانسیل های برانگیختگی بصری به منظور تشخیص آسیب دیدگی در مسیرهای مربوط به بینایی، مانند اعصاب بینایی به کار می روند.‏

● پتانسیل های مرتبط با یک رویداد خاص ‏‎(ERP)‎‏ ‏

همانطور که پیش تر بیان شد، معمولاً منظور از واژه پتانسیل برانگیختگی، پاسخ های ‏EEG‏ به تحریکات حسی است. برای استخراج پتانسیل های برانگیختگی، ابتدا تحریکاتی در قالب الگوهای سازمان یافته اجرا شده و سپس از افراد مورد آزمایش درخواست می‌شود، که مهارت های مختلفی را انجام دهند. پتانسیل های مرتبط با یک رویداد خاص ‏‎(ERP)‎‏ ، طیف وسیعی از پاسخ ها را تشکیل می‌دهند، که توسط "رویداد" هایی نظیر واکنش به یک تحریک "هدف" یا تشخیص عدم حضور نوعی تحریک در یک توالی استخراج می شوند.‏

معمول ترین شیوه استخراج ‏ERP‏ ، استفاده از الگوهای غیر عادی۱ است.‏‎ ‎‏ در این نوع از الگوها، دو تحریک کاملاً متفاوت در یک توالی به صورت تصادفی قرار می گیرند. یکی از آنها به دفعات بیشتری در توالی ظاهر می شود (تحریک استاندارد) و دیگری به عنوان تحریک هدف۲ در نظر گرفته شده و ظهور آن به مراتب کمتر و به صورت پیش بینی نشده اتفاق می افتد.‏‎ ‎تحریکات استاندارد و هدف می توانند به صورت صداهایی با فرکانس های متفاوت، اشکالی با رنگ های متفاوت(صفحات شطرنجی) و ... باشند. معمولاً از افراد مورد آزمایش درخواست می شود که تعداد تحریکات هدف را در یک توالی شمارش کرده یا با هر بار ظهور یک تحریک، دکمه ای را فشار دهند.‏

● مقایسه آزمایش ‏ERP‏ با تحریکات بصری معمولی

دو آزمایش مجزا را در نظر می گیریم.

۱) آزمایش ‏ERP‏ که نوع تحریک در آن به صورت بصری است، (در بخش قبل به نحوه انجام آزمایشات ‏ERP‏ پرداختیم).

۲) آزمایش انجام شده با تحریکات بصری معمولی که در شکل توصیف شد. مقایسه این دو نوع آزمایش نشان می دهد که سیگنال های ‏EEG‏ ثبت شده در هنگام مشاهده الگوی استاندارد در آزمایش ‏ERP، دارای جهش‌های ‏P۱۰۰‎‏ و ‏N۲۰۰‎‏ است، که در یک تحریک بصری معمولی نیز اتفاق می افتد . اما تفاوت این دو نوع آزمایش، پیدایش یک جهش دیگر ‏‎(P۳۰۰)‎‏ بین لحظات ۴۰۰ و ۵۰۰ میلی ثانیه در آزمایش ‏ERP‏ است، که پس از اعمال تحریک هدف ایجاد می شود .

‎‏ منشاء دقیق این جهش در مغز هنوز ناشناخته است. اما از آنجا که ‏P۳۰۰‎‏ وابسته به نوع تحریک بوده و از مدت زمان طولانی برخوردار است، به صورت مرسوم، آنرا به فرایند شناخت ارتباط می‌دهند. فرآیند شناخت شامل مراحلی از قبیل تطابق با سیگنال، بازشناسی آن، تصمیم گیری، توجه، و به روزرسانی حافظه است.

تحقیقات بسیاری برروی ماهیت ‏P۳۰۰‎‏ انجام گرفته است. اما اکثر این تحقیقات، جهش های ‏P۳۰۰‎‏ غیرعادی را در بیماریهایی نظیر اسکیزوفرنی و افسردگی گزارش کرده‌اند و چون علت چنین بیماریهایی بروز اختلالات شناختی است، عموم محققین ‏P۳۰۰‎‏ را به بخش ادراک مغز نسبت می‌دهند.‏

● روشی برای استفاده بهینه از سیگنال های ‏ERP

شکل نشان دهنده ۱۶ سیگنال ‏EEG‏ مجزا است که از یک فرد در طی ۱۶ بار تکرار یک آزمایشERP‏ به دست آمده اند. مشاهده می کنید که پیدا کردن جهش های ‏P۱۰۰‎‏ ، ‏N۲۰۰‎‏ و ‏P۳۰۰‎‏ در هر کدام از این سیگنالها به دلیل کوچک بودن دامنه آنها بسیار مشکل است. روشی که معمولاً برای تقویت جزئیاتERP‏ به کار می رود، میانگین گیری از آزمایشات متعدد است.

۱) موقعیت سه بعدی سر در هنگام انجام آزمایش

۲) نحوه انتخاب الکترود مرجع

۳) روش انتخاب شده برای محاسبات و درون یابی ها

۴) تعداد الکترودها و نحوه چیدمان آنها

۱‏ ‏Oddball Paradigms

۲‏ ‏Target Stimuli

۳‏ ‏Topography

۱. Evoked Potentials, by RODRIGO QUIAN QUIROGA, University of Leicester, United Kingdom

۲. Encyclopedia‏ ‏of Medical Devices and Instrumentation, Pages ۲۳۵-۲۳۸, Second Edition, edited by John G. Webster‎‏ ‏Copyright # ۲۰۰۶ John Wiley & Sons, Inc