Az elektroenkefalográfia (EEG) tágabb értelemben véve egy pszichofiziológiai mérőeljárás, melynek segítségével a pszichés működés élettani hátterét vizsgálhatjuk meg; szűkebb értelemben az elektroenkefalográf egy elektrofiziológiai mérőeszköz, mely az idegsejtek elektromos aktivitásának regisztrálására szolgál valós időben. Az EEG-vel elvezethető jel az elektroenkefalogram, amely egy komplex, több komponensű periodikus görbeként írható le. bélyegkép|jobbra|200px|Bemutató a SZTE Pszichológiai Intézet Grastyán Endre EEG laboratóriumában
Történeti háttér
Az elektromos agystimulációval történő agyi funkciók lokalizálásának fordulópontját Gustav Fritsch és Eduard Hitzig (német természettudósok) 1870-ben megjelenő publikációja jelentette, amelyben leírták, hogy kutyák agykérgének egy részét stimulálva mozgást indukáltak az állatokban. 1875-ben Richard Caton (brit fiziológus) elektromos aktivitást vezetett el majmok és nyulak agyából, amikor fényingerrel kísérletezve kimutatta, hogy az ingerlés hatására az idegsejtek elektromos aktivitása megváltozott; az elektromos feszültséget galvanométerrel regisztrálta. 1929-ben Hans Berger (osztrák pszichiáter) megalkotta az EEG-t - az emberi fejbőrre helyezett elektromos rögzítő berendezés segítségével arra kereste a választ, hogy a különböző pszichológiai állapotok és fiziológiai állapotok között milyen kapcsolat áll fenn. Berger nevéhez köthető az első alvási görbék regisztrálása; az alfa és béta aktivitás leírása; vizsgálta a hypoxia hatását az agyműködésre, valamint agyi rendellenességekhez köthető betegséget is lokalizált, ugyanakkor az EEG rutinszerű használata csak az 1930-as évektől terjedt el.
Az EEG regisztrálása
Az elektroenkefalogram regisztrálásának két módja lehetséges. Az egyik egy invazív eljárás, melynek során a koponyán át fúrt lyukon keresztül néhány mikron csúcsátmérőjű mikroelektródát helyeznek el az agyszövetben. Ezt a módszert általában állatkísérletek során alkalmazzák, bár manapság egyre gyakrabban használják embereken is, főleg epilepsziás betegeknél az operáció előtt az epilepsziás góc pontos beazonosítására. Ilyenkor a kemény agyhártyába (dura mater) helyezik el az elektródákat. Ezt az eljárást elektrokortikográfiának (ECoG/ECG), szubdurális EEG-nek (sdEEG), vagy intracranialis EEG-nek nevezik (icEEG). Az ECG előnye a skalpról elvezetett EEG-vel szemben az, hogy a kis feszültségű, magas frekvenciájú komponensek tisztán elvezethetőek.
A másik, noninvazív technikát általában embereken alkalmazzák, amikor a hajas fejbőrre kis ellenállású, fémből készült makroelektródákat helyeznek el a nemzetközi 10-20-as rendszer szerint.
A nemzetközi 10-20-as rendszer egy standardizált szabvány az elektródák elhelyezését illetően, amely négy anatómiai referenciapontot jelöl ki a skalpon (nasion~orrnyereg, inion~occipitális területen lévő kiemelkedés, és két preauriculárisnpont), és ezen referenciapontok között az elektródákat 10, illetve 20%-os távolsággal helyezik el. A 10-20-as rendszerben az elvezetések helyét nagybetűvel jelölik (F~frontális, P~parietális, C~centrális, T~temporális, O~occipitális), és a betűket követő páros számok a jobb, míg a páratlan számok a bal agyféltekére utalnak, a kis z betű pedig az elvezetés középvonali helyzetére. Ugyanakkor manapság egyre elterjedtebb a módosított 10-10-es rendszer használta, amely esetben az elektródákat 10%-os távolsággal helyezik el a referenciapontoktól.
A vizsgálatok során 31, 63 vagy 123 elektródával dolgoznak, de akár kétszáznál több csatornán is történhet az elvezetés. Csecsemőkön végzett EEG során 21-nél kevesebb elektródát alkalmaznak, melynek száma függ a csecsemő életkorától és fejnagyságától.
Az EEG vizsgálatok alatt mindig két elektróda közötti potenciálkülönbséget mérnek, ahol a mérések lehetnek bipolárisak, amikor a koponya két különböző pontján regisztrált görbét egymáshoz viszonyítva értékelik, és lehetnek unipolárisak, amikor a potenciálváltozásokat egy indifferens vagy inaktív elektróddal felvett görbével hasonlítják össze. Inaktív (referencia) elektródának nevezik azokat az elvezetéseket, amelyek nem közvetítenek idegi aktivitást (a test valamelyik a koponyától távoli pontja, például a fülcimpa), aktívnak pedig azokat, amelyek alatt „EEG-generátor neuronok helyezkednek el”.
Az EEG regisztrálása során az analóg görbéket digitális jellé alakítják át, így matematikai elemzéssel az EEG-görbét különböző frekvenciájú komponensekre bonthatják. A folyamatban meghatározzák az EEG-jel amplitúdóját egy frekvenciatartományban.
Az EEG mérésének neurális alapja
Az agyi elektromos aktivitás a központi idegrendszer elektrofiziológiás tulajdonságain alapszik. A skalpról elvezetett EEG nagy mennyiségű neuron által generált „összegzett” elektromos aktivitást reprezentál. Az idegsejtekben létrejövő akciós potenciál - amely egy diszkrét elektromos jel - az axonon végigfutva a szinapszisoknál elősegíti különböző neurotranszmitterek felszabadulását. A neurotranszmitterek a preszinaptikus neuronból a szinaptikus résen át a posztszinaptikus sejt dendritjének membránján található receptorokhoz kötődnek. A neurotranszmitterek a posztszinaptikus neuron membránjában újabb akciós potenciált eredményeznek, és ez az extracelluláris posztszinaptikus potenciál az, amely EEG-vel felfogható. Ezek a posztszinaptikus potenciálok hosszabb ideig tartanak, mint az akciós potenciálok, amelyek a minden-vagy-semmi elv alapján működnek, és mivel az EEG-vel fokozatos jellegű változásokat lehet mérni, sokkal valószínűbb, hogy a posztszinaptikus potenciálváltozások állnak az EEG keletkezésének hátterében, semmint az akciós potenciálok. Úgy tűnik, hogy az EEG hullámok az agykéreg felszínéhez képest merőlegesen elhelyezkedő (III., IV., V. réteg) piramissejtek által kibocsátott szinaptikus potenciálváltozások által jönnek létre. Az oszlopokba szerveződő piramissejtek más oszlopokkal oldalirányú kapcsolatot létesítenek, és az EEG szempontjából ezek a vertikális kapcsolatok lesznek meghatározóak.
A felszabaduló neurotranszmitetterek egy része serkentő jellegű: a pozitív töltésű nátriumionok átengedésével depolarizálják a posztszinaptikus neuront (EPSP/EPPs~excitatory postsynaptic potential) – ilyenkor a sejt belseje pozitívabb lesz mint a külseje. A neurotranszmitterek egy másik része pedig gátló jellegű: vagy kiengedik a sejtből a pozitív töltésű káliumionokat, vagy beengedik a sejtbe a negatív töltésű kloridionokat, melynek következtében a sejtmembrán hiperpolarizálódik (IPSP/IPPs~inhibitory postsynaptic potential) – vagyis a posztszinaptikus neuron belseje negatívabb lesz, mint a külseje.
Különböző éberségi állapotokhoz tartozó frekvencia-spektrumok
A különböző frekvencia és amplitúdó tartományokba eső komponensek jelenlétét az egyén éberségi állapota határozza meg. Általában azt mondhatjuk, hogy fokozott éberség mellett magas frekvenciájú EEG-görbék jellemzőek, alváskor pedig egyre inkább lassuló és nagyobb amplitúdójú delta-hullámok dominálnak. Ugyanakkor, míg fiatal gyerekeknél éber állapotban a lassú hullámok jelenléte normális, addig felnőtteknél az éber állapotban megfigyelhető lassú hullámok kóros folyamatokra utalnak. Két típusú alvást különböztetünk meg az alvás mélysége, a jellemző agyi elektromos aktivitás és a szemmozgások alapján. Az egyik a NREM (Non Rapid Eye Movement) vagy lassú-hullámú alvás, amely négy fázisra osztható (1., 2., 3. 4. fázis), a másik pedig a REM (Rapid Eye Movement) típusú alvás, amelyet gyors szakkádikus szemmozgások jellemeznek. A REM és NREM alvás az éjszaka folyamán ciklikusan változik: az alvás NREM szakasszal kezdődik, és fokozatosan mélyül, majd kb. 45 perc elteltével felszínesebbé válik. Elalvást követően kb. 90 perccel jelentkezik az első REM szakasz, amely kb. 10-20 percig tart. Az éjszaka előrehaladtával a NREM fázisok rövidülnek, és a kevésbé mély, REM fázisok hosszabbá válnak, de a ciklus kb. 90 perces marad. Egy éjszaka alatt kb. 4-5 ciklus zajlik le.
Az agyi elektromos hullámok mintázata az alvás során a következőképpen alakul: amikor a személy lehunyja a szemét és ellazul, az alfa-hullámok dominálnak, majd az alvás első fázisában (NREM) az EEG-hullámok szabályossága megbomlik, és az alfa-hullám az amplitúdó csökkenésével eltűnik, és a theta-aktivitás válik dominánssá. A NREM második fázisát rövid, 12–16 Hz-es alvási orsók és K-komplexek (időnként megjelenő éles kiemelkedések az agyhullámokban) jellemzik. A NREM alvás harmadik és negyedik szakaszában 1–4 Hz-es, nagy amplitúdójú, kis frekvenciájú delta-hullámok jelennek meg – az alvásból ilyenkor vagyunk a legnehezebben ébreszthetőek. A REM alvásban fűrészfogas (gyors, szabálytalan) EEG hullámok jellemzőek, és az EEG jel deszinkronizációja miatt paradox alvásnak is nevezik.
Az agyi elektromosság hullámai thumb|278x278px|alt=Illusztráció|EEG-hullámok Delta-hullám – (0,5 – 4 Hz) Théta-hullám – (4–7 Hz) Alfa-hullám – (8–12 Hz) Mu-hullám – (7,5 – 12,5 Hz) SMR-hullám – (12,5 – 15,5 Hz) Béta-hullám – (15–30 Hz) Gamma-hullám – (>30 Hz)
A különböző állapotokban kimutatható hullámok általános jellemzése Delta-hullám: 1–4 Hz-es, nagy amplitúdójú, kis frekvenciájú hullám, főleg a bal oldali temporális kéreg felett domináns. Felnőtteknél mély NREM alvásban jelentkezik, éber állapotban egyes kognitív folyamatok alatt is jellemző – de általában az EEG-regisztrálások kevesebb, mint 1%-t teszik ki. Felnőtteknél a túlzott mértékű delta-aktivitás abnormálisnak számít, valamilyen enkefalopátiára utal. Gyerekeknél 10 éves korig éber állapotban a delta hullámok kevesebb mint 10%-t teszik ki az agyi elektromos aktivitásnak, ami normálisnak számít. Théta-hullám: 4–7 Hz-es frekvenciájú, változó amplitúdójú és morfológiájú hullám. Csecsemő-és kisgyermekkorban alvás előtt és alvás alatt jelentkezik; éber állapotban felnőtteknél időszakosan, rendszertelenül fordul elő, főként a frontális, frontocentrális területeken. A frontális területeken elvezethető theta-aktivitás növelhető feszült koncentráció, érzelmek, és mentális feladatok elvégzése közben, valamint hiperventiláció esetén. Feltehetően éber állapotban az emléknyomok konszolidációját reprezentálja. Felnőtteknél, éber állapotban a kontingensen jelentkező theta-aktivitás abnormálisnak tekinthető. Mu-hullám: lokalizációját tekintve centrálisan elvezethető alfa-frekvenciájú hullám (általában 8–10 Hz), amely a szenzomotoros kéreg nyugalmi állapotát reprezentálja. Bár hasonlít az alfa-aktivitásra, a mu-hullám nem a szemek felnyitásakor blokkolódik, hanem kontralaterális mozdulatok végrehajtásakor. Alfa-hullám: éber állapotban bilaterális posterior területek felől elvezethető 8–12 Hz-es alaphullám, általában az occipitális területek felett magasabb amplitúdóval. Az alfa-ritmus szemcsukáskor, nyugalmi állapotban occipitális területek felett fokozódik. Az alfa-hullám a fejlődés során 3 éves kortól jelenik meg; a hullám amplitúdója változékony, de felnőtteknél általában 50 μV alatti. Mivel az alfa-hullám leginkább a becsukott szemű, de éber nyugalmi állapottal korrelál, azt feltételezik, hogy a vigilitás fokozódásakor a figyelmi folyamatok (különösen a vizuális és mentális erőfeszítések) blokkolják, elnyomják az alfa-aktivitást, és egy kisebb amplitúdójú, nagyobb frekvenciájú hullám lesz a dominánsabb (béta-hullám). Ezt a folyamatot deszinkronizációnak nevezik, általában pedig akkor beszélünk deszinkronizációról ha egy nagyobb amplitúdójú és kisebb frekvenciájú hullámot egy kisebb amplitúdójú de nagyobb frekvenciájú komponens vált fel.