Az egyedi neuronoktól az EEG hullámokig
Somogyvári Zoltán MTA KFKI Részecske és Magfizikai Intézet, Biofizikai osztály
Az állati elektromosság felfedezése 1792
Galvani, De Viribus - Electricitatis in Motu Musculari. 2
Az elektroenkefalográfia (EEG) felfedezése 1924.
Az első EEG felvétel Az alfa ritmus És az epilepszia elektromos jeleinek felfedezése
Hans Berger A gondolatátvitelt kutatta
3
EEG a klinikai gyakorlatban Delta-hullám: 1–4 Hz-es, nagy amplitúdójú, NREM alvás Theta-hullám: 4–7 Hz-es Mu-hullám: 8–10 Hz-es szenzorimotoros nyugalom Alfa-hullám: 8–10 Hz-es vizuális nyugalom Béta-hullám: 13–25 Hz-es éber állapot Gamma-hullám: 30–100 Hz-es agyterületek közti szinkronizáció A piros téglalapok abnormális, epileptikus működés jelei 4
EEG változásai az alvás fázisaiban Béta-hullám: 13–25 Hz-es éber állapot Alfa-hullám: 8–10 Hz-es vizuális nyugalom
Theta-hullám: 4–7 Hz-es, felszínes alvás Alvási orsók (12-14 Hz), K-komplexek
Delta-hullám: 1–4 Hz-es, nagy amplitúdójú, NREM alvás
REM alvás 5
Mitől elektromos az idegrendszer? Membránpotenciél mérés: -60 mV
6
Hogyan és miért keletkezik a membránpotenciál?
7
A neuron, az idegrendszer elemi számítási egysége A neuron részei: dendrit sejttest sejtmag axon axondomb terminális
Funkció: Jelek fogadása integráció létfenntartás átvitel kódolás kimenet
szinapszis
kommunikáció
glia myelin hüvely Ranvier befűződés
háttér gyorsítás erősítés
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2003 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Egysejt modellek 8
Az agy elektromágneses jeleinek vizsgálata különböző skálákon MEG
EEG
Az agyleképező eljárások tér-idő felbontása 4 3
s át nobl ef go L
) mm(
Brain
EEG & MEG fMRI TMS
PET
Léziók
2
Column 1 0 Lamina -1 Neuron -2 Dendrite Synapse -3
A cél
Mikroléziók Optikai képalkotás 2-Deoxyglucose Multi-unit Egyedi sejt elektróda membrán-folt elektróda
-4
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 milliszekundum sec min óra nap
Log idő(sec)
6 7 év
8
Patch-clamp recordings: a single channel
Patch-clamp recording techniques
Even parallel dendritic and somatic patches are possible
A typical result: the I-V curve
Electric activity of the brain on different scales
Mikroelektróda rendszerek: sok egyedi idegsejt aktivitásának azonosítására
m
m
200
900
Elektrolit folyadékok elektrosztatikája Alacsony frekvenciás közelítés: Ohm törvénye:
E r =−∇ r J(r)=σE(r)
Kontinuitási egyenlet:
I r =−∇ J r
Ebből:
r ∇ r =−I
Poisson egyenlet
2
Az EC potenciál forrása a rezisztív és a kapacitív áramok összege IC
EC IC IR
Iaxial
Iaxial
I~ CSD REC
RIC
IC IR
I~ CSD dVext V
IC IR
I~ CSD
IR nem nullösszegű a teljes sejtre, ICSD azonban igen!
The forward problem Original current source density distribution
Sink Zero Source
T(d)
Multi Electrode Array
The forward problem Original current source density distribution
Sink Zero Source
T(d)
Multi Electrode Array
The origin of the EEG and MEG
Az EEG mint az egyedi dipól-terek összege
12 Hz alfa-ritmus
Forward és inverz problémák a neurális aktivitásban Vm(t) Vm(x)
IR(t) IR(x)
ICSD(t) ICSD(x)
Vext(t) Vext(x)
Vm(x)
ICSD(x)
IR(x) Vm(t)
IR(t)
ICSD(t)
A Poisson inverz probléma általános esetben Az EC potenciál
Ф=TJ, ahol
J a CSD eloszlás és T a lead-field mátrix. Az aktuális mérésnek megfelelő megoldások affin alteret alkotnak az összes lehetséges források terében: +
J(x)=T Ф+ker(T)x
A kiváltott potenciál: a feldolgozás lépései
1.5 mm
Mikroelektróda a rengetegben
Első feladat az egyes idegsejtek azonosítása
Az idegsejteket jellegzetes potenciál mintázataik alapján azonosíthatjuk
Az idegsejteket jellegzetes potenciál mintázataik alapján azonosíthatjuk
13 azonosított sejt tüzelésének potenciálja térben és időben
Ezt a tér-idő információt eddig kihasználatlanul hagytuk
A feladat
Az idegsejtek bemeneteinek, vagyis az idegsejtek membránján folyó áramok tér-időbeli eloszlásának meghatározása a mikroelektróda rendszerekkel mért elektromos potenciál eloszlások alapján
A megoldás A matematikai autofókusz algoritmus nem csak a legélesebb képet adja meg, de becslést ad a sejt és az elektróda távolságára is.
Az akciós potenciál tér-idő dinamikája Agykérgi mélység (1.5mm)
Az idegsejtekről készült tér-idő áram térképeken látszik az akciós potenciál születésének helye, a sejtfába visszaterjedésének hulláma és a tüzelést megelőző folyamatok halvány jelei is.
Idő (4ms)
A sejten kívül mért jelekből rekonstruáltuk a sejt membránpotenciálját is EC potenciál
0
Idő [ms]
IC mért EC rekonstruált
6
Egy hippokampális idegsejt akciós potenciálját sikerült párhuzamosan rögzíteni sejtbe szúrt egyedi és sejten kívüli 24 csatornás elekróda rendszerrel
Talán észrevesszük Valahol itt kell lenniük az áramoknak, amelyek kiváltották a sejt tüzelését
Köszönöm a figyelmet!
