Biofizikalne osnove snimanja aktivnosti živčanog tkiva

Osnovni koncepti• Električna aktivnost neurona stvara struje koje

prolaze kroz živčano i okolno tkivo (npr. u glavi)

• Te struje mogu doseći i površinu lubanje / skalpa u formi promjena električnih polja (promjene napona) i magnetskih polja koje možemo mjeriti neinvazivnim putem

• Izmjerene promjene napona na površini lubanje -electroencefalogram (EEG).

• Izmjerene promjene magnetskih polja na skalpu -magnetoencefalogram (MEG).

Električni dipol

• čine ga dva jednaka, meñusobno razmaknuta naboja suprotnog predznaka +q i -q

• opisujemo ga električnim dipolnim momentom: vektor usmjeren od negativnog prema pozitivnom kraju, iznosa (p) jednakog umnošku naboja q i njihove udaljenosti (a): p = q a

• dakle, električni dipol je to jači što su naboji većeg iznosa i razmaknutiji

Električno polje uzbuñenog neurona sliči polju dipola u smjeru širenja akcijskog potencijala

• Ako promatramo više neurona, pojedini se dipoli vektorski zbrajaju.

• Potencijali na površini tijela proporcionalni su projekcijama ukupnog električnog dipolnog momenta organa na vektor položaja mjesta kojeg promatramo.

Električna aktivnost u korteksu• Akcijski potencijal

– Pre-sinaptički

– Aksonalni

– Uglavnom nije moguće mjeriti pomoću EEG/MEG

• Ekscitatorni post-sinaptičkipotencijal (EPSP)– Post-sinaptički

– Dendritska

– Mjerljiva pomoću EEG/MEG

• Apikalni dendriti suparalelno orijentirani kroz kortikalni stup

• Smatra se da apikalnidendriti najjače doprinose EEG/MEG signalu

• Aksoni su više razbacani, što dovodi do poništavanja struja iz presinaptičkihpotencijala

• Postsinaptička aktivnost(EPSP) se zbraja, stvarajući velike dipole

EEG i MEG signali• EPSP paralelnih dendrita u

kortikalnim stupovima stvara:– Primarnu struju (naš signal

od interesa)

– sekundarnu/prostornu struju• Mjerljiva pomoću EEG

• Okolno tkivo utječe

– Magnestko polje okomito na struju

• Mjerljivo pomoću MEG

• Okolno tkivo ne utječe

Primarne struje

Prostorne struje

Inducirano magnetskopolje“Pravilo desne ruke"

EEG snimanje

EEG ritmovi

Evocirani potencijali

Evocirani potencijali

MEG signali

• MEG mjeri fluktuacije magnetskog polja mozga u terminima učestalosti (Hz) i jakosti (T)

• 10 fT (10-15) do several pT (10-12)

• Magnetsko polje Zemlje ~ .5 mT

• Zahtijeva – Vrlo osjetljiv magnetometar (SQUID)

– Zaštitu od vanjskog elektromagnetskog šuma

SQUID• Superconducting

Quantum Interference Device (SQUID)

Tangencijalne struje proizvode magnetsko polje mjerljivo izvan na površini glave

Radijalne struje ne proizvode magnetska polja na površini glave

Stoga, MEG mjeri samo tangencijalne dipole

Prostorna razlučivost• Jedna sinapsa na dendritima stvara struju oko ~20 fA-m

(femto = 10-15)

• EEG/MEG signali su tipično ~ 10 nA-m (nano = 10-9)

• Stoga, EEG/MEG signali su sumirana aktivnost ~ 500,000 – 1,000,000 neurona

• ~ 1-5 mm2 površine korteksa predstavlja donju granicu prostone razlučivosti.

• U praksi, postoji inverzni problem koje bitno ograničava prostornu razlučivost EEG/MEG signala.

Prednosti i mane EEG & MEG

Osjetljiva samo na tangecijalne dipole

Osjetljiva na tangecijalne i radijalne dipole

Orijentacija dipola

Zahtijeva kompletno mirovanje

Dozvoljava lagane kretnjeEksperimentalna fleksibilnost

~ 1 mm~ 1 cmProstorna razlučivost

~ 1 ms~ 1 msVremenska rezolucija

Jako dobra, nema “prljavštine” zbog lubanje, kože, itf

Loša

Lubanja, koža,itd bitno utječe

Kvaliteta signala

Mjeri mag. Polje izazvanih primarnih strujama

Jačina polja izazvanog sekundarnim strujama

Što signal predstavlja?

SkupJeftinCijena

Vrlo slab (10 fT), težak za Snažan signal (10 mV), lagan za detekciju

Intenzitet signala

MEGEEG