Της Μαρίας Δήμα,
Διαφέρει ο ψυχισμός από τον νου; Πώς μπορούμε να αποκτήσουμε αυτεπίγνωση της συνειδητότητας και της ύπαρξής μας; Μπορούμε να παρέμβουμε στη λειτουργία του ίδιου μας του εγκεφάλου; Αυτά τα ερωτήματα προβληματίζουν τον ανθρώπινο νου επί αιώνες. Σήμερα, οι νέες τεχνολογίες ενισχύουν την κατανόησή μας σχετικά με τον ανθρώπινο εγκέφαλο, και ανοίγουν τον δρόμο σε καινοτόμες θεραπευτικές προσεγγίσεις.
Πολλά όργανα του σώματός μας, έχουν τη δυνατότητα να παραγάγουν ηλεκτρικά σήματα, τα οποία μπορούμε να καταγράψουμε και να αναλύσουμε. Ίσως οι περισσότεροι από εμάς είμαστε περισσότερο εξοικειωμένοι με το ηλεκτροκαρδιογράφημα, το οποίο μετρά την ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς. Τα νευρικά κύτταρα του εγκεφάλου, επίσης παραγάγουν ηλεκτρικά σήματα, τα οποία καταγράφονται μέσω του ηλεκτροεγκεφαλογράφου (ΗΕΓ).
Η ιστορία του ηλεκτροεγκεφαλογράφου ξεκινά το 1924, από τον Γερμανό ψυχίατρο Hans Berger. Όπως εξιστορεί ο ίδιος, το 1983 κατά τη διάρκεια της στρατιωτικής του θητείας στον Γερμανικό στρατό, ήρθε αντιμέτωπος με τον θάνατο, όταν έπεσε από το άλογό του και βρέθηκε μόλις λίγα μέτρα από μια ιππηλατή άμαξα που κινείτο προς το μέρος του. Μετά από αυτήν τη σχεδόν θανατηφόρα εμπειρία, παρατήρησε κάτι περίεργο: την ίδια ακριβώς μέρα, έλαβε ένα γράμμα από την αδερφή του, η οποία του εξέφραζε την ιδιαίτερη ανησυχία της για εκείνον, δίχως να έχει επίγνωση του παραπάνω περιστατικού. Αυτή ήταν η πρώτη επικοινωνία του με την οικογένειά του μετά την έναρξη της θητείας του. Ο Berger θεώρησε εξαιρετικά απίθανο να οφείλεται σε καθαρή σύμπτωση το παραπάνω συμβάν, και το απέδωσε σε μια μορφή «τηλεπάθειας» μεταξύ εκείνου και της αδερφής του. Αυτό ήταν το έναυσμα για να ξεκινήσει τη μελέτη του αναφορικά με την ηλεκτροφυσιολογία του ανθρώπινου εγκεφάλου. Κατά τη διάρκεια των μελετών του, τοποθετούσε ηλεκτρόδια στο κεφάλι των ασθενών του, τα οποία ήταν συνδεδεμένα με ένα γαλβανόμετρο (όργανο με το οποίο μπορεί να διαπιστωθεί η ύπαρξη ή να μετρηθεί η ένταση ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα). Η καταγραφή των ηλεκτρικών σημάτων αποτυπώνονταν σε ένα χαρτί, και έτσι αποτυπώθηκαν για πρώτοι φορά οι ρυθμοί α (ή ρυθμοί Berger), και β του εγκεφάλου.
Πώς λειτουργεί, όμως, ένας σύγχρονος εγκεφαλογράφος; Τα ηλεκτρόδια τα οποία χρησιμοποιούνται για την καταγραφή τοποθετούνται στην επιφάνεια του τριχωτού της κεφαλής (εξωκρανιακά), ώστε να καταγραφούν τα μικρά, σταθερά εναλλασσόμενα ηλεκτρικά δυναμικά του εγκεφάλου. Ο εγκέφαλός μας αποτελείται από την φαιά ουσία, που βρίσκεται επιφανειακά και περιέχει τα κυτταρικά σώματα των νευρώνων και την λευκή ουσία που διαθέτει τους άξονες αυτών. Κατά την επικοινωνία των νευρώνων, είτε διεγερτικά είτε ανασταλτικά σήματα διαδίδονται συνήθως από τον νευράξονα του προσυναπτικού νευρώνα στους δενδρίτες του μετασυναπτικού νευρώνα. Το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, επομένως, αποτελεί μια ανώδυνη και αναίμακτη διαδικασία, κατά την οποία μετρώνται αθροιστικά τα διεγερτικά και ανασταλτικά μετασυναπτικά δυναμικά ενέργειας από την περιοχή του εγκεφαλικού φλοιού — και κυρίως των στιβάδων Ι (μοριακή) και ΙΙ (έξω κοκκιώδης), και των δενδριτικών πλεγμάτων μεταξύ των νευρώνων.
Η θεμελιώδης αρχή του εγκεφαλογράφου βασίζεται στο ότι, κατά τη μεταβίβαση του σήματος από τον προσυναπτικό στον μετασυναπτικού νευρώνα, πραγματοποιούνται τοπικά αλλαγές στο ιοντικό φορτίο εκατέρωθεν της κυτταρικής μεμβράνης, το οποίο ανάλογα με την ένταση του μπορεί να αποτελέσει ένα δυναμικό ενέργειας. Τα δυναμικά ενέργειας από το σύνολο των δενδριτών συγκεντρώνονται στην περιοχή του εκφυτικού κώνου, με αποτέλεσμα να παράγεται μία κοινή απάντηση από τον νευρώνα. Για τη μέτρηση του σήματος, τα ηλεκτρόδια είτε τοποθετούνται απευθείας στο κρανίο του ασθενούς είτε χρησιμοποιείται μία κάσκα ηλεκτροδίων. Στη δεύτερη περίπτωση, είναι επιπλέον απαραίτητη η ενίσχυση των ηλεκτροδίων με μία γέλη, η οποία θα αυξήσει την αγωγιμότητα κατά τη διάρκεια της μέτρησης.
Πώς, όμως, είναι δυνατή η απόκτηση σημάτων από κάθε περιοχή του εγκεφάλου, όταν τα ηλεκτρόδια τοποθετούνται μόνο στο άνω μέρος της κεφαλής και πως αποκωδικοποιείται η προέλευση του κάθε σήματος; Τα ζητήματα που προκύπτουν είναι γνωστά ως το εμπρόσθιο πρόβλημα (forward problem) και το πρόβλημα των πηγών (inverse problem). Στην πρώτη περίπτωση, μελετώνται οι επιμέρους περιοχές του εγκεφάλου, καθώς λόγω της κατασκευής του κρανίου μας, η τοποθέτηση των ηλεκτροδίων είναι δυνατή μόνο στην άνω επιφάνεια του. Υπολογιστικά, το πρόβλημα μπορεί να επιλυθεί μέσω διαφόρων μοντέλων προσομοίωσης του εγκεφάλου, τα οποία ελέγχουν πώς θα γίνει η καταμέτρηση των σημάτων από τους σένσορες, μόλις ενεργοποιηθεί μία συγκεκριμένη περιοχή. Κατά τη διαδικασία αυτή, ο εγκέφαλος είναι δυνατόν να διαμερισματοποιηθεί στα επιμέρους στοιχεία του, δηλαδή φαιά, λευκή ουσία και εγκεφαλονωτιαίο υγρό, και για το κρανίο από ένα έως τέσσερις χώρους. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η εφαρμογή δύο μεθόδων, είτε των μοντέλων BEM (Binary Element Model), στα οποία μελετάται κάθε διαμέρισμα του εγκεφάλου (φαιά, λευκή ουσία και κρανίο), είτε των μοντέλων FEM (Finite Element Model), στα οποία ολόκληρος ο εγκέφαλος διαχωρίζεται σε τμήματα, τα οποία διερευνώνται ξεχωριστά. Το πρόβλημα των πηγών (inverse problem), βασίζεται στην ικανότητά μας να εντοπίσουμε την συγκεκριμένη περιοχή του εγκεφάλου, η οποία αφού ενεργοποιηθεί παρήγαγε ένα συγκεκριμένο σήμα. Το παραπάνω πρόβλημα επιλύεται μέσω του υπολογιστικού μοντέλου Lead Field, και που φανερώνει τι σήμα δίνει στους σένσορες κάθε σημείο του εγκεφάλου.
Σε ένα ηλεκτροεγκεφαλογράφημα παρουσιάζονται διάφορες συχνότητες. Ανάλογα με το εύρος της συχνότητας, τα κύματα χωρίζονται σε διαφορετικές κατηγορίες. Τα δ κύματα (0-4Hz), εμφανίζονται συνήθως κατά τη διάρκεια του βαθύ ύπνου. Όμως, μπορεί να είναι εμφανή και σε ασθενείς με κάποιο όγκο ή σε ασθενείς με εγκεφαλοπάθειες. Τα θ κύματα (5-8 Hz) είναι παρόντα κατά τη διάρκεια του ελαφρύ ύπνου και σχετίζονται με καταστάσεις βαθιάς χαλάρωσης και διαλογισμού. Ο ρυθμός α (8-13 Hz) εμφανίζεται όταν το άτομο είναι ξύπνιο, αλλά σε χαλαρή και ήρεμη κατάσταση, ενώ τα κύματα β (12-30 Hz) παρουσιάζονται όταν το άτομο βρίσκεται σε εγρήγορση, όπως κατά την επίλυση κάποιου νοητικού προβλήματος. Τέλος, τα κύματα γάμμα (30-100 Hz) έχουν συνδεθεί έχουν συνδεθεί με υψηλότερες νοητικές διεργασίες, σε καταστάσεις αυξημένης εστίασης, όπως η αντίληψη, η μνήμη και η προσοχή.
Το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα στην ιατρική έχει ποικίλες εφαρμογές. Χρησιμοποιείται για τη διάγνωση διαφόρων ασθενειών, όπως εγκεφαλοπάθειες, παθήσεις του ύπνου, εγκεφαλικών όγκων ή εγκεφαλικών τραυματισμών. Επίσης, αποτελεί χρήσιμο εργαλείο για την εντόπιση επιληπτικών κρίσεων, τη διάγνωση εγκεφαλικού επεισοδίου, καθώς και για τη διαπίστωση ότι ένας ασθενής βρίσκεται σε κώμα ή είναι εγκεφαλικά νεκρός. Τα τελευταία χρόνια, η χρήση του ηλεκτροεγκεφαλογράφου έχει επεκταθεί σημαντικά στο πεδίο της βιοϊατρικής τεχνολογίας. Χρησιμοποιείται για παράδειγμα, στη διάγνωση της διαταραχής διάσπασης προσοχής (ADHD), ενώ είναι δυνατόν να ενσωματωθεί σε ρομποτικά προσθετικά μέλη, τα οποία εκτελούν την επιθυμητή κίνηση μέσω εντολών που λαμβάνονται από τον ηλεκτροεγκεφαλογράφο. Τέτοιες συσκευές δύνανται να αξιοποιηθούν από ασθενείς με νευρολογικές διαταραχές ή από άτομα που παρουσιάζουν διαταραχές στο συντονισμό των κινήσεων έπειτα από πρόσφατο έμφραγμα του μυοκαρδίου. Επιπλέον, η συγκεκριμένη τεχνολογία έχει βρει εφαρμογές σε τομείς όπως η νευροψυχολογία, όπου χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας σε διάφορες γνωστικές και συναισθηματικές καταστάσεις. Αυτές οι εξελίξεις καθιστούν το ηλεκτροεγκεφαλογράφο ένα θεμελιώδες εργαλείο, όχι μόνο για τη διάγνωση νευρολογικών διαταραχών, αλλά και για την προώθηση της έρευνας στη νευρολογία και την ανάπτυξη καινοτόμων θεραπευτικών προσεγγίσεων.
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- EEG Signal Processing for Biomedical Applications, MDPI, διαθέσιμο εδώ
- EEG Normal Waveforms, NIH, διαθέσιμο εδώ
- Electroencephalogram (EEG), NHS, διαθέσιμο εδώ
- Electroencephalogram (EEG), clevelandclinic, διαθέσιμο εδώ
- Electroencephalography (EEG) and Event-Related Potentials (ERP’s) with Human Participants, pubmed, διαθέσιμο εδώ
- The History of EEG, imotions, διαθέσιμο εδώ
