ÖSSZEFOGLALÓ KÖZLEMÉNY A KOGNITÍV FOLYAMATOKKAL ÖSSZEFÜGGÔ EEG-SZINKRONIZÁCIÓ PSZICHOFIZIOLÓGIAI ÉS KLINIKAI VONATKOZÁSAI Molnár Márk1, Csuhaj Roland1, Csikós Dóra2, Hamvai Csaba2, Czigler Balázs2, Bálint Andrea2, Gaál Zsófia Anna1 1 Magyar Tudományos Akadémia, Pszichológiai Kutatóintézet, Budapest 2 Eötvös Loránd Tudományegyetem–Magyar Tudományos Akadémia, Pszichofiziológiai Központ, Budapest
PSYCHOPHYSIOLOGICAL AND CLINICAL ASPECTS OF THE EEG SYNCHRONIZATION RELATED TO COGNITIVE PROCESSES Molnár M, MD; Csuhaj R, MD; Csikós D, MD; Hamvai Cs, MD; Czigler B, MD; Bálint A, MD; Gaál ZsA, MD; Clin Neurosci/Ideggy Szle 2005;58(11–12):393–401. A szerzôk áttekintik az elektroencefalográfia (EEG-) szinkronizáció formáit, különös tekintettel az elôidézett és a felerôsített ritmusok jellegzetességeire. Szakirodalmi példák segítségével mutatják be az egyes EEGfrekvenciasávok kognitív folyamatokban betöltött, feltételezett szerepét. Mérlegelik a lineáris és nemlineáris elektrofiziológiai komplexitás, valamint a szinkronizáció összefüggéseit, kitérve az ómega-komplexitás és a szinkronizációs valószínûség módszerekre. Vizsgálatukban összeadási és kivonási feladatok végzése alatt elvezetett EEG-t elemeztek a fenti eljárásokkal. Megállapították, hogy az összeadási feladat során frontálisan a théta-tartomány növekedése tapasztalható, amely a munkamemória aktivációjának a következménye lehet. A szinkronizációs valószínûség skalpeloszlását térképezéssel elemezve szintén az összeadási feladatban tapasztaltak nagyobb, frontálisan és a bal parietotemporalis területen megfigyelhetô szinkronizációnövekedést. A kognitív teljesítmények vizsgálata során a lineáris és a nemlineáris szinkronizáció mérése alkalmas a regionális és a feladatfüggô jellegzetességek feltárására.
The authors review the various forms of EEG-synchronization with special emphasis on the characteristics of the induced and enhanced rhythms. The suggested role of the various EEG frequency bands in the cognitive processes is demonstrated by examples from the literature. The relationship between linear and nonlinear electrophysiological complexity and EEG synchronization is analyzed, with a touch on the use of Omega-complexity and synchronization likelihood methods. In the present study the EEG recorded during adding and subtracting tasks was analyzed with the above methods. It was found that during the adding task the theta band increased in the frontal area, which may be related to activation of working memory processes. Mapping the scalp-distribution of synchronization likelihood also confirmed increased synchronization in the frontal area in addition to which increased values were found in the left temporo-parietal area. The analysis of linear and nonlinear EEG synchronization associated with cognitive processing is suitable to explore the task-related and region specific features of these events.
Kulcsszavak: kognitív teljesítmény, EEG-szinkronizáció
Keywords: cognitive performance, EEG-synchronization
Levelezô szerzô (correspondent): Dr. Molnár Márk, MTA Pszichológiai Kutatóintézet, 1394 Budapest, Pf. 398. Telefon: (1) 354-2290, fax: (1) 354-2416, e-mail:
[email protected] Érkezett: 2004. november 12.
Elfogadva: 2005. április 4.
Clin Neurosci/Ideggy Szle 2005;58(11–12):393–401.
393
A
z alábbiak során tárgyalt elméleti megfontolások háttere az a feltételezés, hogy a (széles értelemben vett) kognitív teljesítmények megvalósulásának alapja a neuronalis sejtegyüttesek egymásra ható, egymással összefüggô aktivitása. E teljesítmények a központi idegrendszer nagy területeket érintô, kiterjedt, de idôben igen gyorsan változó, tranziens jellegû és mértékû integrált aktivitását igénylik. Az elektrofiziológiai módszerek egyedülállóan alkalmasak gyors állapotváltozások követésére. Az elektroencefalográfia (EEG) több, hagyományosan az eltérô frekvenciatartományoknak megfelelôen meghatározott ritmus komplex együtteseként fogható fel. Ezek az „oszcillációk” random jellegûek, azonban ingerek hatására részint intenzitásuk, részint idôbeli összerendezettségük nô. (Oszcillációs jellegûnek definíciószerûen azok a ritmusok tekinthetôk, amelyeknek világosan elkülöníthetô csúcsuk van a frekvenciaspektrumban1.)
A szinkronizáció fizikai értelmezése A szinkronizáció közismerten egyidejûséget jelent, amely hullámjelenségek kapcsán a rezgômozgások fizikai jellemzôivel adható meg. Harmonikus rezgômozgások azok, amelyek kitérése az idô függvényében szinuszfüggvénnyel írható le. Ezekhez egy egyenletes körmozgás illeszthetô, amely a mozgás fázisával jellemezhetô. Ahhoz, hogy tudjuk, milyen fázisban van az ennek megfelelôen mozgó test, ismernünk kell pillanatnyi helyét, sebességének nagyságát és irányát. Az adott idôpillanathoz (t) tartozó fázisszög (φ) és a szögsebesség (ω) összefüggése: φ=t×ω. A szinkronizáció és a fázis fogalmainak használata sokszor zavaróan nem egyértelmû az EEGszakirodalomban. Két jel (idôsor) összefüggése a korrelációs koefficienssel jellemezhetô, amelynek nagy (1-hez közelítô) értéke azt jelenti, hogy az egyik jel változása alapján a másik változása jó közelítéssel jósolható meg. Ha ezt a változást, illetve kapcsolatot bizonyos frekvenciatartományban kívánjuk vizsgálni, akkor koherenciájukat elemezzük, amely a sávszûrt jelek közötti korrelációs koefficiens.
Elôidézett és felerôsített oszcillációk az agyi elektromos tevékenységben A vonatkozó közlésekben elválasztják az elôidézett (induced) oszcillációkat a felerôsített (enhanced) ritmustól. [Utóbbit kiváltott (evoked) aktivitásként
is említik. Sajnos, a definíciók és megfogalmazások a különbözô publikációkban korántsem egységesek.] Az elôidézett ritmus olyan oszcillációkat jelent, amelyeket, nevének megfelelôen, ingerek idéznek elô vagy befolyásolnak, de hatásuk nem egy korábban már aktív ritmus megváltoztatását jelenti. A felerôsített ritmus viszont különbözô frekvenciatartományokban (delta, théta, alfa, béta, gamma) definiálható fáziskötött komponenseket tartalmaz2. A nyers EEG-szakaszok megfelelô sávban történt szûrése után vizsgálható, hogy a kiváltott potenciálok korai (exogén, az inger fizikai paramétereitôl függô) komponenseit követô késôi (endogén, az ingerfeldolgozáshoz kapcsolódó pszichés tevékenységgel korreláló) összetevôkkel a fenti frekvenciatartományokban milyen növekedés vagy csökkenés jár együtt. Az így elválasztott frekvenciatartományok egyes sávjaiban és a különbözô latenciáknak megfelelôen helyzet- és feladatfüggô változások tapasztalhatók2. Egy inger által kiváltott potenciál tartalmazhat elôidézett ritmust, vagy az elôidézett ritmus követheti is a kiváltott potenciált. (Ennek megfelelôen például az ijesztô ingerre bekövetkezô szívritmusváltozás is elôidézett ritmus.) Az EEG-ben néhány Hz-tôl akár 80 Hz-ig ismertté váltak elôidézett ritmusok, amelyek a kiváltó ingert követôen változó ideig fennmaradhatnak3. Ugyanakkor az egyes frekvenciatartományú ritmusok lehetnek felerôsítettek is, amikor a kiváltó ingerhez viszonyítva fáziskötötten jelennek meg. Az elôidézett ritmusok jellegzetessége, hogy nem vizsgálhatók a szokásos lineáris átlagolási technikával, mert ez utóbbi a nem fáziskötött elemeket eltávolítja az eredménybôl4. Ez a megkülönböztetés azért lényeges, mert a nem fáziskötött tevékenység is érzékeny a belsô és külsô hatásokra, ezért ennek elemzésére megfelelô módszereket kell alkalmazni. Egyszerû lehetôség a sávszûrt aktivitás analízise, amikor az ingerekkel összefüggô eseményfüggô szinkronizáció (event-related synchronization, ERS) vagy eseményfüggô deszinkronizáció (event-related desynchronization, ERD) válik megfigyelhetôvé5. Ez a módszer hasznosnak bizonyult többek között figyelmi és memóriateljesítmények vizsgálatára6, 7. Az eseményfüggô szinkronizáció az adott sáv teljesítményének (relatív) növekedésével jár együtt, mert azt feltehetôleg a részt vevô neuronpopuláció szinkrón aktivitásnövekedése okozza. Az eseményfüggô deszinkronizáció idején a folyamat ellentétes irányú8. A frekvenciatartományok teljesítményének idôbeli változása az úgynevezett wavelet (hullámocska) -analízis segítségével válik követhetôvé. A módszer elônye, hogy igen jó a felbontása az idô-
394 Molnár: A kognitív folyamatokkal összefüggô EEG-szinkronizáció
frekvencia tartományban, és nem szükséges elôfeltétele az elemzett adatsor stacionaritása. Az alábbiak során a szinkronizáció jelenségét és ennek vonatkozó funkcionális jelentôségét az egyes frekvenciasávoknak megfelelôen vesszük végig, függetlenül attól, hogy az elôidézett vagy a felerôsített ritmusok kategóriájába tartozó jelenségrôl van-e szó. GAMMA-AKTIVITÁS
Az 1980-as évek végétôl igen nagyszámú publikáció jelent meg elsôsorban az elôidézett gamma-ritmusra vonatkozólag, amely folyamat a mai napig tart. Ennek hátterében az a (természetesen már korábban megfogalmazott) kérdés vetôdik fel, hogy milyen neuronalis mechanizmus áll a perceptuális teljesítmények egységes képet eredményezô aktivása mögött. A vizuális rendszert (ahol az egyik alapvetô megfigyeléssorozat született) véve példának, nem volt érthetô, hogy bizonyos ingertulajdonságokra (ingerorientáció, mozgás, szín stb.) érzékeny, de egymástól elkülönült helyzetû neuron(csoport)ok által detektált ingeregyüttes (például egy mozgó tárgy) képe miképpen hoz létre egységes (Gestalt) vizuális élményt. A mikroelektródokkal végzett mérések szerint e különbözô sajátosságokra érzékeny neuronok elektromos tevékenysége az inger hatására a gamma-tartományban szinkronizálódik. A feltételezések szerint ez a Gestalt kialakulásának alapja, illetve az ingertulajdonságok összekapcsolásának (binding) mechanizmusa9. Többen próbálták a fentiekhez képest általánosítani a gamma-aktivitás funkcionális jelentôségét. A spontán gamma-tevékenységet befolyásolja mind a figyelmi állapot, mind pedig az általános aktivációs szint10. Akusztikus ingerekkel kiváltott 40 Hz-es válasz sokcsatornás magnetoencefalográfia (MEG) regisztrátumban történt elemzése alapján az inger feldolgozásával összefüggésben a szinkronizált 40 Hz-es aktivitás növekedését tapasztalták az ingert követô 100-200 ms-os idôtartományban igen nagy (occipitalis, frontális, temporalis) területeknek megfelelôen11. Elôbbi szerzôk szerint a 40 Hz-es aktivitás „belsô oszcillátor” tevékenységére utal, amelynek az inger által történt megváltoztatása idézi elô a tér-idô koherencia növekedését. Ezt a mechanizmust e szerzôk egy feltételezett thalamocorticalis eredetû pásztázó funkcióval hozzák kapcsolatba, ami összekötné a gamma-sávban szinkronizált kérgi szigetek aktivitását. Az egyes, a fentiek során neuronalis szigetekként definiált sejtcsoportok aktivitásának integrációjában a szerzôk többsége a fáziskötött szinkronizációnak tulajdonítja a legfontosabb szerepet12. A lokálisnak
mondott integráció mintegy 10 mm-en belül található sejtek reciprok kapcsolatokon alapuló szinkronizácóját jelenti13. Ennél jóval nagyobb területek (különbözô lebenyek) corticocorticalis, thalamocorticalis összeköttetéseken alapuló szinkronizációja is megvalósulhat14, amely például állatkísérletben a kondicionált jelzôingerre kialakuló potenciálok megnövekedett koherenciájával igazolható15. Míg a gamma-szinkronizáció valószínûleg a figyelmi és tanulási mechanizmusokban játszik fontos szerepet12, addig a lassabb frekvenciáknak (l. késôbb) a memóriateljesítmények megvalósulásában lehet például nagy jelentôsége. Az említett nagy távolságok szinkronizációját a béta-sáv, a lokális sejtegyüttesekét a gamma-sáv látszik biztosítani16. Mivel a kiváltott potenciál egyes késôi, endogén komponensei, illetve az ezek változásai jól megfeleltethetôk bizonyos pszichés funkcióknak, várható lenne, hogy az ezekkel összefüggô, különbözô tartományba tartozó frekvenciaváltozások e sávok funkcionális jelentôségére vonatkozóan azokat alátámasztó információkat nyújtsanak. A szakirodalmi adatok azonban korántsem egységesek. A kiváltott potenciál egyik legismertebb komponensével, a P3hullámmal (amely egyes ingerekkel kapcsolatos döntéshozatallal, ingerkategorizációval stb. hozható összefüggésbe) egy idôben gamma-szinkronizáció-csökkenést vagy -növekedést egyaránt megfigyeltek17. Az N1-hullám egyes jellegzetességeivel (amplitúdónövekedés) összefüggésbe hozott szelektív figyelmi mechanizmusoknak valószínûleg a fokozott gamma-szinkronizáció feleltethetô meg17. ALFA- ÉS THÉTA-RITMUS
Az alfa- és théta-sávok változásai egymástól különbözô kognitív folyamatokkal hozhatók kapcsolatba. Általánosságban elmondható, hogy pozitív korreláció figyelhetô meg a kognitív erôfeszítés (például memóriafeladatban mért) eredményessége, valamint az alfa-sáv teljesítménycsökkenése (deszinkronizáció), illetve a théta-sáv szinkronizációja (teljesítménynövekedés) között. (Minden esetben mérlegelendô körülmény, hogy az egyes sávok csúcsai nagymértékben függenek az életkortól és más körülményektôl. Így például egy idôs, rossz memóriateljesítményû személyen a feladathelyzetben tapasztalt 7 Hz-es csúcsdeszinkronizáció alfa-, és nem théta-frekvencia-változásnak tartható, azaz szükséges a funkcionális szempontú értékelés.) Az alfa-sávnak megkülönböztethetô alsó (mintegy 7–10 Hz-es), illetve felsô (10–12 Hz-es) része. Az elkülönítést nagymértékben nehezíti, hogy ezek határai számos tényezôtôl (életkor, elektródpozíció, sôt, a kognitív feladatokban mért eredményesség
Clin Neurosci/Ideggy Szle 2005;58(11–12):393–401.
395
stb.) függenek. Az alsó alfa-sáv változása elsôsorban figyelmi folyamatokkal kapcsolatos: tónusos teljesítménynövekedése látható például álmos állapotból éber állapotba kerüléskor. Az alsó alfa-sáv fázisos, az egész skalpra kiterjedô deszinkronizációja tapasztalható egy adott feladat által kiváltott figyelmi fokuszáláskor. A felsô alfa-sáv deszinkronizációja kisebb kiterjedésû és feladatspecifikus (például szemantikus) feldolgozási folyamatokkal hozható összefüggésbe1. Összefüggéseket találtak a théta-szinkronizáció mértéke, illetve a munkamemória, különösképpen az epizodikus memóriateljesítmény változásai között1. Állatkísérletek során igazolták, hogy a thétaritmus a hippocampusban oszcillátoros ritmusnak tartható, teljesítménye a memóriafolyamatokban a bevéséssel korrelál18. A memóriafeladat nehezítésekor a théta-sáv teljesítménye nô, de tekintve, hogy a théta ilyen természetû változása igen sokféle feladatban megfigyelhetô, elképzelhetô, hogy ez a jelenség nem specifikus tényezôk (figyelmi terhelés, a feladat nehézsége, kognitív megterhelés) hatása1. DELTA-RITMUS
A mûtermékektôl nehezen elválasztható jellege magyarázza, hogy a többi frekvenciával összevetve kevés a delta-sávú aktivitásra vonatkozó adat. Harmony és munkatársai a verbális munkamemóriát terhelô, valamint aritmetikai mûveletek kapcsán a delta-sáv változását a munkamemória aktiválódásának jeleként értékelték19. A számoláskor frontálisan növekvô delta-aktivitás a feldolgozási folyamatra irányuló tartós figyelmi állapot megnyilvánulásának tartható20. Basar a kiváltott delta-választ egyértelmûen kognitív teljesítménnyel (szignáldetekció, döntési folyamatok) hozza összefüggésbe2.
natkozásairól korábban az Ideggyógyászati Szemlében is több tanulmányt közöltünk22, 23. Az alábbiakban két új, a szinkronizáció lineáris és nemlineáris módszerrel történô vizsgálatára kidolgozott módszert, ezek szakirodalmi vonatkozásait, valamint az e módszerekkel egy vizsgálatsorozatban tett megfigyeléseinket ismertetjük. E módszerek, illetve a komplexitás kvantitatív jellemzésére kidolgozott eljárások közös jellegzetessége, hogy nem a hagyományos idô- és frekvenciatartományban értelmezhetôk, hanem az úgynevezett állapottérben megjelenített, a vizsgált adatsor (EEG-) elemeibôl képzett trajektóriumának tulajdonságait elemzik. Az eljárás részleteit tekintve korábbi közleményeinkre utalunk22, 23. ÓMEGA-KOMPLEXITÁS
Az Ω-érték meghatározásakor egy csatornák közötti kovarianciamátrix alapján téri fôkomponenselemzés történik24. A komponensekhez tartozó normalizált sajátértékek azt fejezik ki, hogy egy komponens önmagában az eredeti változók varianciájának hány százalékát hordozza. A normalizált sajátértékek Shannon-féle entrópiája egyenlô az Ω logaritmusával. A Shannon-féle (információs) entrópia a bizonytalanságot számszerûsíti. Ha a rögzített változók (ez az EEG-technikát alapul véve az EEGcsatornák számát jelenti) leírásához sok komponensre – vagyis sok információra – van szükség, akkor a bizonytalanság nagy, az entrópia is nagy, és az ómega-komplexitás értéke is nagy. Egymástól teljesen független (ahol például minden csatornán fehér zaj jelenik meg) jelek (EEG-csatornák) esetén az ómega értéke az EEG-csatornák számának értéke lesz. Az egyes csatornák közötti nagymértékû szinkronizáció viszont kismértékû ómega-komplexitással jár együtt.
Komplexitás és szinkronizáció
SZINKRONIZÁCIÓS VALÓSZÍNÛSÉG
A mind morfológiai, mind funkcionális értelemben extrém módon bonyolult emberi központi idegrendszer mûködésének jellemzésére az elmúlt mintegy két évtizedben új matematikai eljárások jelentek meg21. Ezt a helyzetet az elektrofiziológiai módszerek mûvelôi jól kihasználták, kamatoztatva e metodológia fentiekben leírt elônyeit. Az új eljárások mind módszertani értelemben, mind pedig az interpretáció vonatkozásában közvetlenül kapcsolódnak a szinkronizáció jelenségköréhez, és támaszkodnak arra a tényre, hogy az idegrendszer mûködésében a nemlineáris jellegzetességek a korábban feltételezettnél jóval nagyobb fontossággal bírnak. E kérdés elméleti és klinikai elektrofiziológiai vo-
A szinkronizációs valószínûség az idôsorok közötti interdependenciát hivatott számszerûsíteni25. Mind a lineáris, mind a nemlineáris szinkronizációra érzékeny. A szinkronizációs valószínûség értéke azt fejezi ki, hogy amennyiben az egyik idôsor (EEGcsatorna jelének pontjai) szabadon választott i és j idôpontokban hasonló állapotban van, akkor menynyire valószínû, hogy a többi idôsor is i idôponthoz hasonló állapotban lesz j idôpontban. A rendszer két idôpillanatban meghatározott állapotának hasonlóságát a fázistérbeli távolságuk alapján mondhatjuk hasonlónak vagy eltérônek. Amennyiben két állapotot jellemzô fázistérbeli pont távolsága egy kritikus távolságnál kisebb, akkor a két állapot ha-
396 Molnár: A kognitív folyamatokkal összefüggô EEG-szinkronizáció
sonló. Az idôsorok közötti szinkronizációs valószínûség (S) maximális értéke 1 (az adatsorok közötti tökéletes szinkronizáció), míg S=0 a teljes aszinkronitást jelenti.
Az EEG-szinkronizáció klinikai jelentôsége Amennyiben bizonyítottnak vehetô a különbözô frekvenciasávokban realizálódó szinkronizáció jelentôsége a kognitív funkciók épségét tekintve, úgy nem meglepô feltevés, hogy az élettani szinkronizáció megszûnése, megszakítása e teljesítmények romlását okozza. Ennek éppen az EEG szempontjából legfeltûnôbb példái a generalizált epilepsziás rohamtípusok, amikor a lokális integrációs ritmusokat elnyomva, azok felett egy sokkal nagyobb, az idegrendszer kiterjedt területeit magában foglaló kóros szinkrón aktivitás válik dominánssá, ami talán a tudatzavar alapja. Egyes szerzôk feltételezik, hogy szkizofrén betegek feltöredezett percepciós élményei mögött a szinkronizáció zavara állhat26. Több más, fenti (és egyéb) módszerekkel végzett vizsgálat eredménye támasztja alá a szinkronizációs mechanizmusok, illetve ezek zavarának klinikai jelentôségét. A szinkronizációs valószínûség epilepsziás rohamok elôtti növekedése talán értékesíthetô jel a rohamok elôre jelezhetôségének sokat vitatott kérdését tekintve27. Alzheimer-kórban csökkent mértékû EEG-szinkronizációt találtak az alfa2-, béta2- és gamma-frekvencia-sávokban, ami e kórképben a neuronalis rendszerek összekapcsolódásának zavarára utal28. Alkoholisták esetében regionális különbségek nélkül növekedett a szinkronizációs valószínûség a théta- és gamma-sávokban29, aminek interpretációjakor a szerzôk az idegrendszeri folyamatok deszinkronizációjának kontrollokétól eltérô hiányát hangsúlyozzák. Az éberségi (vigilancia-) szint emelkedését és az érési folyamatokat az ómega-komplexitás növekedése kíséri. Az ómega-komplexitás mérésének pszichiátriai, gyógyszerhatástani, pszichofiziológiai lehetôségeirôl öszszefoglaló értékelést Wackermann nyújtott30. Az alábbiakban egy vizsgálatsorozat részeként folytatott mérés eredményeit ismertetjük, a címben megfogalmazott kérdések szempontjából releváns megfigyelésekkel.
Saját vizsgálatunk MÓDSZEREK
A vizsgálatban 12 egészséges személy (közülük hat nô) vett részt (átlagéletkoruk 22 év), akiknek sem a
vizsgálat idején, sem korábban neurológiai vagy pszichiátriai megbetegedésük nem volt. Nem szedtek olyan gyógyszert, amely az EEG-t befolyásolta volna. A vizsgálatról, amelyben önként, pénzjuttatás ellenében vettek részt, részletes felvilágosítást kaptak. Az EEG-t a Neuroscan Nuamp erôsítôrendszerével, DC 40 Hz-es frekvenciaátvitellel, a 10-20as rendszer 19 csatornáján vezettük el. A személyek a mérés alatt elektromosan és akusztikusan árnyékolt, gyengén megvilágított szobában, kényelmes székben ültek. Földként a bal fülcimpára, referenciaként az orrhegyre helyezett elektródot használtunk. A kognitív kiváltott potenciálok több típusa (P3, CNV) mellett két számolási helyzetben vezettünk el EEG-t. (A kiváltott potenciálokkal kapcsolatos megfigyeléseinket jelen tanulmányban nem ismertetjük.) Az EEG mellett a mellkas bal oldalán, a kulcscsont felett rögzített elektróddal elvezettük az EKG-t is. Ennek változását MATLAb programmal, az R-R hullámok közötti idôkülönbség elemzésével, statisztikai varianciaanalízissel értékeltük. A számolási helyzetekben a vizsgált személy 1,5 méter távolságban ült egy 17”-es LCD monitor elôtt. Visuskorrekcióra egy személy sem szorult. Az összeadáshelyzetben a személy egy kétjegyû számot látott, amely két másodpercig tûnt fel a képernyôn. Ezután négy másodpercig egyszerre négy, egyjegyû számjegy jelent meg, amelyeket a személynek össze kellett adnia. Amennyiben ezek összege meghaladta az elôzô kétjegyû számot, úgy a személynek ezt gombnyomással jeleznie kellett. Ezt követôen a ciklus fenti idôviszonyokkal ismétlôdött két percen át. A kivonási helyzetben két másodpercig megjelenô háromjegyû számot látott a személy. Ebbôl az ingeradó program hetet vont ki, mutatva az eredményt, amely ismét két másodpercig volt látható. A sorozatba 20%-os gyakorisággal hibát építettünk, amelyet a személynek gombnyomással kellett jeleznie. A ciklus egy percen át tartott. Mindkét helyzetben a személy az esetleges hibáról (vörös színû képernyô-felvillanás) és az összteljesítményrôl (a sorozat végén) visszajelzést kapott. Az EEG és a hibák száma mellett a reakcióidôket is mértük. Minden személyrôl három-három összeadási, illetve kivonási helyzetben történt elvezetés, amelyek mindegyikét felhasználtuk az adatelemzés során. Az ismételt próbák folyamán az ingeradási helyzetet úgy alakítottuk ki, hogy ismétlés nem fordulhatott elô. A fenti helyzet közben folyamatosan elvezetett EEG-bôl úgy készítettünk szakaszokat, hogy azok ne tartalmazzák a számok megjelenésével (on) és eltûnésével (off) kapcsolatos vizuális kiváltott po-
Clin Neurosci/Ideggy Szle 2005;58(11–12):393–401.
397
–0,1
delta: 0,5–4 Hz
théta: 4–8 Hz
alfa-1: 8–11 Hz
béta-1: 14–25 Hz
béta-2: 25–35 Hz
EREDMÉNYEK
–0,1
alfa-2: 11–14
személyek látták a kétféle helyzetben megjelenô számsorozatokat, de azokkal kapcsolatban feladatuk nem volt. Ennek felvétele a feladathelyzet elôtt történt. A különbségtérképek képzésekor a kontrollhelyzet értékeit vontuk ki a feladathelyzetben tapasztalt értékekbôl. Minden számolt értékbôl csoport-nagyátlagot készítettünk.
Az 1. ábrán az összeadás-feladatban és a kontrollhelyzetben regisztrált EEG frekvenciaspektrumainak különbsége látható. A delta- és különösen a théta-sávban frontális többlet alakult ki, míg az alfa-1- és az alfa-2-sávokban bitemporalis, de kis kiterjedésû növekedés látható a feladathelyzetben, oldalkülönbség nél–0,1 kül. A béta-1- és a béta-2delta: 0,5–4 Hz théta: 4–8 Hz alfa-1: 8–11 Hz sávokban a feladathelyzet teljesítményemelkedést nem okozott. A kivonáshelyzetben (2. ábra) a feladat kis kiterjedésû, oldalkülönbség nélküli bitemporalis emelkedést okozott –0,1 az alfa-1-, az alfa-2-, a alfa-2: 11–14 béta-1: 14–25 Hz béta-2: 25–35 Hz béta-1- és a béta-2-sávok2. ábra. A kivonásfeladatban és a kontrollhelyzetben regisztrált EEG-frekvencia ban. A delta- és théta-sáspektrumainak különbsége. Kalibráció: µV. (Az egyes sávok eltérô, de az összeadási vokban nem láttunk váltofeladattal azonos kalibrációja teszi lehetôvé a két feladatban mért adatok összeveté- zást. sét.) A 3. ábrán az ómegakomplexitásnak és a szinktenciálokat. Automatikus és vizuális mûtermékszû- ronizációs valószínûségnek az összeadás- és a kirés után az így kialakított EEG-szakaszokból frek- vonáshelyzetekben elvezetett EEG-szakaszokból venciaspektrumokat (delta: 0,5–4 Hz, théta: 4–8 számított értékei láthatók. A kontrollhoz képest az Hz, alfa-1: 8–11 Hz, alfa-2: 11–14 Hz, béta-1: ómega-komplexitás értéke szignifikánsan csökkent 14–25 Hz, béta-2: 25–35 Hz), valamint ómega- (F=9,0774; p=0,0131) az összeadás-feladatban, de komplexitást és szinkronizációs valószínûséget szá- a kivonáshelyzet nem okozott szignifikáns váltomítottunk. A statisztikai elemzés során a kontroll- zást. A szinkronizációs valószínûség mind az öszhelyzetet a feladathelyzettel varianciaanalízis segít- szeadáskor, mind a kivonáskor szignifikáns mértékségével hasonlítottuk össze. Kontrollként azt az ben nôtt a kontrollhoz viszonyítva (F=10,1765; EEG-t használtuk, amelynek elvezetése közben a p=0,0097; illetve F=6,1831; p=0,0322). 1. ábra. Az összeadás-feladatban és a kontrollhelyzetben regisztrált EEG-frekvencia spektrumainak különbsége. Kalibráció: µV. (Az egyes sávok eltérô, de a kivonási feladattal azonos kalibrációja a két feladatban mért adatok összevetését teszi lehetôvé.)
398 Molnár: A kognitív folyamatokkal összefüggô EEG-szinkronizáció
Az összeadáshelyzetben és kivonáshelyzetben elvezetett EEG-bôl számított szinkronizációs valószínûségértékek különbségtérképe látható a 4. ábrán. Az összeadáshelyzetben a szinkronizáció feltûnô, nagymértékû emelkedése látható a frontális, valamint a bal oldali centrális, temporoparietalis területnek megfelelôen. Ezzel ellentétben a kivonáshelyzetben enyhe, a bal centrotemporalis régiónak megfelelô növekedés észlelhetô. Enyhe szinkronizációs valószínûségnövekedés mindkét helyzetben a jobb temporalis területnek megfelelôen is látható. A pulzusszám a kontrollhelyzethez képest mind az összeadási, mind pedig a kivonási helyzetben szignifikánsan növekedett (mindkét esetben átlagosan mintegy 70-rôl 75-re; F=9,2838, p=0,011)). MEGBESZÉLÉS
A vizsgált mûveletek során nem elsôsorban a számolással kapcsolatos agyi területek mûködésváltozását kívántuk elemezni, hanem tartós figyelmi helyzetet teremtettünk, amelyben munkamemóriateljesítményt aktiváltunk. Az összeadási helyzetben észlelt frontális théta- és kisebb mértékû delta-többlet a helyzettel kapcsolatos fokozott kognitív erôfeszítésre, elsôsorban munkamemória-aktivációra utalhat. Az alkalmazott kivonáshelyzet kevésbé terheli meg a munkamemóriát, mert az összeadáshoz képest kevesebb adat tárolására van szükség, és a folyamatot a hibák megjelenése is megszakítja. További nehezítô tényezô az összeadásnál, hogy nem kötöttük meg az egyidejûleg megjelenô négy összeadandó szám megtekintésének irányát, azaz sorrendjét. A fenti frekvenciaspektrum-változások lokalizációja szintén a munkamemória szerepére utal31. A delta-sáv növekedése (szemmozgási) mûtermék is lehet, azonban ezek többszörös szûrése és hiányuk a kivonási helyzetben valószínûsíti, hogy a deltasáv emelkedése nem mûtermék eredetû, hanem más adatokat alátámasztva19 az összeadási mûvelettel függ össze. Az összeadáskor csökkenô ómega-komplexitás és növekvô szinkronizáció egyaránt arra utal, hogy a mûvelethez kapcsolódóan – feltehetôen a munkamemória aktivációjának következtében – emelkedik az egyes idegrendszeri területek integratív aktivitása, nô a különbözô neuronalis rendszerek közötti kooperáció. Bár a szinkronizációs valószínûséget tekintve ez a kivonáshelyzetben is megfigyelhetô volt, az ómega-komplexitás ez utóbbi feladathelyzetben nem változott. A szinkronizációval kapcsolatos komplexitásadatok tehát – noha ezek számítá-
Ómega-komplexitás 4,4
A
4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6
Kivonás
Összeadás*
Szinkronizációs valószínûség 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15
B
Kivonás* Kontrollhelyzet
Összeadás* Feladathelyzet
3. ábra. A Az ómega-komplexitásnak és B a szinkronizációs valószínûségnek az összeadás- és a kivonáshelyzetekben elvezetett EEG-szakaszokból számított értékei *Szignifikáns eltérés.
+0,7
0
összeadás
kivonás
4. ábra. Az összeadás- és a kivonáshelyzetekben elvezetett EEG-bôl számított szinkronizációs valószínûségértékek különbségtérképe (a feladathelyzetbôl kivonva a kontrollhelyzetben mért értékeket)
sakor nem választottuk el az egyes frekvenciasávokat – a frekvenciaspektrumok théta- (és delta-) sávjára vonatkozó megfigyeléseket támasztják alá. Mindezek alapján úgy tûnik, az általunk alkalma-
Clin Neurosci/Ideggy Szle 2005;58(11–12):393–401.
399
zott helyzetben az összeadási mûvelet provokatívabb volt a kívánt kognitív erôfeszítést illetôen. A kivonási helyzet közismert stresszor jellege miatt várható lehetett volna, hogy ekkor a pulzusszám növekedése az összeadási helyzetben tapasztalt értéket meghaladja. A két helyzet között azonban nem találtunk jelentôs különbséget a szívfrekvencia változását tekintve, azaz a személyek erôfeszítése, igénybevétele a fenti vegetatív idegrendszeri paraméter alapján nem tért el egymástól.
A szinkronizáció összefoglaló értékelése Bár általánosan elfogadottnak tûnik a neuronalis szinkronizáció jelentôsége a kognitív folyamatok mechanizmusában32, 33, valószínû, hogy önmagában nem elegendô azok értelmezéséhez. Bizonyos frekvenciatartományok fáziskötött tranziens szinkronizációját más frekvenciatartományok szétválása kíséri, amely feltétele a feldolgozási folyamat(ok) gördülékeny lezajlásának34. Emellett valószínûnek látszik, hogy (legalábbis a gamma-ritmust tekintve) maga a szinkronizáció is csak 100–300 ms-os periódusokra szorítkozik12. Ezáltal egy térben-idôben folyamatosan változó rendszer képe rajzolódik ki,
amelynek a kisebb vagy nagyobb részeit az aktuálisan lezajló folyamat (pszichés mûködés) megvalósulásának, igényének megfelelôen a szinkronizáció kapcsolja össze. Úgy tûnik, bizonyítottnak vehetô, hogy a fázisszinkronizáció a nagy területeket átfogó integráció lényeges eleme. Továbbra is nyitott kérdés azonban, hogy ez a kiterjedt régiókat integráló típusú szinkronizáció elengedhetetlen feltétele-e a tág értelemben vett kognitív teljesítmények megvalósulásának? Vannak-e összefüggések, kölcsönhatások az egyes frekvenciatartományok sávjai között, és miként módosíthatják ezek a pszichés mûködéseknek az EEG-vel való összefüggéseire vonatkozó álláspontokat? Az e kérdésekre adott válaszok mind az alapkutatásban, mind pedig klinikai szempontból jelentôsen tágíthatnák, esetleg pontosíthatnák a kognitív funkciók mechanizmusairól kialakított nézeteket. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A számolási mûveletekkel kapcsolatos eredmények értelmezéséhez dr. Csépe Valéria (MTA Pszichológiai Kutatóintézet, Budapest) hasznos szempontokat nyújtott. Pályázati támogatás: OTKA T032852, OTKA T034151, OTKA T048338, NKFP 1B/020/04
IRODALOM 1. Klimesch W. EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis. Brain Res Rev 1999;169-5. 2. Basar E. Brain Function and Oscillations. Vol. II. Integrative Brain Function. Neurophysiology and Cognitve Processes. Berlin: Springer; 1999. 3. Bullock TH. Introduction to induced rhythms: a widespread, heterogeneous class of oscillations. In: Basar E, Bullock TH (eds.) Induced Rhythms in the Brain. Boston: Birkhäuser; 1992. p. 1-26. 4. Makeig SM. Auditory event-related dynamics of the EEG spectrum and effects of exposure to tones. Electroenceph Clin Neurophysiol 1993;86:283-93. 5. Pfurtscheller G. EEG event-related desynchronization (ERD) and event-related synchronization (ERS). In: Niedermeyer E, Lopes da Silva FH (eds.). Electroencephalography: Basic Pprinciples, Clinical Applications, and Related Fields, 4th ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins; 1999. p. 958-67. 6. Krause CM, Lang AH, Laine M, Kuuisto MJ, Pörn B. Event-related EEG desynchronization and synchronization during an auditory memory task. Electroenceph Clin Neurophysiol 1996;98:319-26. 7. Klimesch W, Doppelmayr M, Yonelinas A, Kroll NEA, Lazara M, Röhm D, et al. Theta synchronization during episodic retrieval: neural correlates of conscious awareness. Cogn Brain Res 2001;12:33-8. 8. Suffczynski P, Kalitzin S, Pfurtscheller G, Lopes da Silva
FH. Computational model of thalamo-cortical networks: dynamical control of alpha rhytms in relation to focal attention. Int J Psychophysiol 2001;43:25-40. 9. Gray CM, Engel AK, Singer W. Oscillatory response in the cat visual cortex exhibits intercolumnar synchronization which reflects global stimulus properties. Nature 1989;338: 334-7. 10. Lakatos P, Szilágyi N, Pincze Zs, Rajkai Cs, Ulbert I, Karmos Gy. Attention and arousal related modulation of spontaneous gamma-activity in the auditory cortex of the cat. Cognitive Brain Res 2004;19:1-9. 11. Llinás RR, Ribary U. Rostrocaudal scan in human brain: a global characteristic of the 40 Hz response during sensory input. In: Basar E, Bullock TH (eds.). Induced rhythms in the brain. Boston: Birkhäuser; 1992. p. 147-54. 12. Varela F, Lachaux JP, Rodrigez E, Martinerie J. The brainweb: phase synchronization and large-scale integration. Nature Rev Neuroci 2001;2:229-39. 13. Girard P, Hupé JM, Bullier J. Feedforward and feedback connections between areas V1 and V2 of the monkey have similar rapid conduction velocities. J Neurosci 2001;85: 1328-31. 14. Bressler SL. Large-scale cortical networks and cognition. Brain Res 1995;20:288-304. 15. Roelfsema PR, Engel AK, Konig P, Singer W. Visuomotor integration is associated with zero time-lag synchronization among cortical areas. Nature 1997;385:157-61. 16. Von Stein A, Rappelsberger P, Sarnthein J, Petsche H.
400 Molnár: A kognitív folyamatokkal összefüggô EEG-szinkronizáció
17. 18. 19.
20.
21. 22.
23. 24.
Synchronization between temporal and parietal cortex during multimodal object processing in man. Cereb Cortex 1999;9:137-50. Fell J, Fernández G, Klaver P, Elger CE, Fries P. Is synchronized neuronal gamma activity relevant for selective attention? Brain Res Rev 2003;42:256-72. Burgess A, Gruzelier GH. Short duration synchronization of human theta rhythm during recognition memory. Neuro Report 1997;8:1039-42. Harmony T, Fernández T, Gersenowies J, Galán L, Fernández-Bouzas A, Aubert E, et al. Specific EEG frequencies signal general common cognitive processes as well as specific task processes in man. Int J Psychophysiol 2004;53:207-16. Harmony T, Fernández T, Silva J, Bernal J, Diaz-Comas L, Reyes A, et al. EEG delta activity: An indicator of attention to internal processing during performance of mental tasks. Int J Psychophysiol 1996;24:161-71. Molnár M. Brain complexity as revealed by non-linear and linear electrophysiology. Int J Psychophysiol 1999;34:1-3. Molnár M, Gács Gy, Újvári G, Skinner EJ, Karmos Gy. Kéreg alatti ischaemiás károsodás által okozott EEG-változások káoszelméleti elemzése. Ideggy Szle 1997;50(56):195-202. Molnár M. Nemlineáris módszerek az EEG elemzésében. Ideggy Szle 2000;53(9-10):326-35. Wackernmann J. Beyond mapping: estimating complexity of multichannel EEG recordings. Acta Neurobiol Exp 1996;56:197-208.
25. Stam CJ, Van Dijk BW. Synchronisation likelihood: an unbiased measure of generalized synchronisation in multivariate data sets. Physica D 2002;163:236-51. 26. Tononi G, Endelman GM. Schizophrenia and the mechanisms of conscious integration. Brain Res Rev 2000; 31:391-400. 27. Stam JC. Chaos, continuous EEG, and cognitive mechanisms: a future for clinical neurophysiology. Am J END Technol 2003;43:211-27. 28. Stam CJ, Walsum WCAM, Pijnenburg YA, Berendse HW, De Munck JC, Scheltens P, et al. Generalized synchronization of MEG recordings in Alzheimer’s disease: evidence for involvement of the gamma band. J Clin Neurophysiol 2002;19:562-74. 29. De Bruin, EA, Bijl S, Stam CJ, Böcker KBE, Kenemans JL, Verbaten MN. Abnormal EEG synchronization in heavily drinking students. Clin Neurophysiol 2004;115:2048-55. 30. Wackermann J. Towards a quantitative characterisation of functional states of the brain: from the non-linear methodology to the global linear description. Int J Psychophysiol 1999;34:65-80. 31. Baddeley AD, Wilson BA, Watts FN (eds.). Handbook of memory disorders. Chichester: Wiley & Sons; 1995. 32. Freeman WJ. Neurodynamics. London: Springer; 2000. 33. Sannita WG. Stimulus-specific oscillatory responses of the brain: a time/frequency-related coding process. Clin Neurophysiol 2000;111:565-83. 34. Rodrigez E. Perception’s shadow: long-distance synchronization of human brain activity. Nature 1999;239:430-33.
6th CONGRESS OF THE FEDERATION OF EUROPEAN PSYCHOPHYSIOLOGY SOCIETIES Budapest, 2006. május 31–június 3. A konferencia fô témakörei: – Kiváltott potenciálok és az érzômûködés pszichofiziológiája (látás, hallás, testérzések, egyéb). – Kiváltott potenciálok és a figyelem, valamint az automatikus folyamatok pszichofiziológiája. – Mozgatórendszerek, Parkinson-kór. – Oszcillátoros agyi dinamika a kognitív folyamatokban. – A tanulás, a memória és más kognitív folyamatok pszichofiziológiája. – A figyelem és a viselkedésszervezôdés pszichofiziológiája. – A nyelv, az olvasás és a számolási képesség pszichofiziológiája. – Tudat, agymûködési elméletek, agymodellek. – Az öregedés pszichofiziológiája. – A normális fejlôdés, illetve a fejlôdési rendellenességek pszichofiziológiája. – Idegi plaszticitás, neuronális modellezés. – Keringési (cardiovascularis), elektrodermális és légzési pszichofiziológia. – Új fejlemények a pszichofiziológiai folyamatok vizsgálatának módszertanában. – Modern képalkotó eljárások (MEG, PET, fMRI). – Állatmodellek a pszichofiziológiában. – Pszichofarmakológia, droghasználat, alkoholizmus. – A stressz, a szorongás, az agresszió és az emóciók pszichofiziológiája. – Az alvás és rendellenességeinek pszichofiziológiája. – A neurológiai rendellenességek pszichofiziológiája (epilepszia, stroke, fejfájások, fájdalom stb.). – A pszichiátria pszichofiziológiai problémái (Alzheimer-kór, depresszió, szkizofrénia, autizmus, táplálkozási zavarok stb.). Célközönség: A pszichofiziológia, pszichológia, pszichiátria, neurológia, neuropszichológia, orvosbiológiai mérnöki munka, illetve a modellezés területén dolgozó kutatók és klinikus szakemberek. A szervezôbizottság elnöke: Dr. Molnár Márk, MTA Pszichológiai Kutatóintézet, e-mail:
[email protected], http://www.feps2006.com
Clin Neurosci/Ideggy Szle 2005;58(11–12):393–401.
401
