Метод вызванных потенциалов: виды, основные понятия, описание процедуры

Амплитуда вызванного потенциала имеет тенденцию быть низкой, варьируя от менее чем один микровольт до нескольких, по сравнению с десятками микровольт для электроэнцефалографии (ЭЭГ), милливольтами для электромиографии (ЭМГ) и часто близкими к 20 милливольтам для электрокардиограммы (ЭКГ). Чтобы разрешить эти потенциалы низкой амплитуды на фоне продолжающейся ЭЭГ, ЭКГ, ЭМГ и других биологических сигналов и окружающего шума, обычно требуется усреднение сигналов. Сигнал привязан ко времени стимула, и большая часть шума происходит случайным образом, что позволяет усреднять шум с усреднением повторных ответов.

Импульсы и сигналы

Сигналы могут быть зарегистрированы от коры головного мозга, ствола головного мозга, спинного мозга и периферических нервов. Обычно термин «вызванный потенциал» зарезервирован для ответов, включающих запись или стимуляцию структур центральной нервной системы. Таким образом, вызванные сложные двигательные потенциалы действия или потенциалы чувствительных нервов, используемые в исследованиях нервной проводимости, обычно не рассматриваются как вызванные потенциалы, хотя они соответствуют приведенному выше определению.

Сенсорные вызванные потенциалы

Они регистрируются из центральной нервной системы после стимуляции органов чувств, например, визуально вызванные потенциалы, появившиеся по причине мигающего света или изменяющегося рисунка на мониторе, слуховые потенциалы, вызванные с помощью щелчкового или тонального стимула, представленного через наушники, или тактильный или соматосенсорный потенциал, вызванный тактильной или электрической стимуляцией сенсорного или смешанного нерва на периферии. Сенсорные вызванные потенциалы широко использовались в клинической диагностической медицине с 70-х годов прошлого века, а также в интраоперационном нейрофизиологическом мониторинге, известном как хирургическая нейрофизиология. Именно благодаря ей метод вызванных потенциалов стал реальностью.

Виды

Существует два вида вызванных потенциалов в широко распространенном клиническом использовании:

• Слуховые вызванные потенциалы, обычно регистрируемые на коже головы, но возникающие на уровне ствола мозга.
• Визуально вызванные потенциалы и соматосенсорные вызванные потенциалы, которые происходят в результате электрической стимуляции периферического нерва.

Аномалии

Лонг и Аллен сообщили об аномальных потенциалах мозга (BAEP), вызванных слуховыми потенциалами у женщины-алкоголички, которая оправилась от приобретенного синдрома центральной гиповентиляции. Эти исследователи выдвинули гипотезу, что ствол мозга их пациентки был отравлен, но не разрушен ее хроническим алкоголизмом. Метод вызванных потенциалов головного мозга позволяет с легкостью диагностировать подобные вещи.

Общее определение

Вызванный потенциал - это электрический ответ мозга на сенсорный стимул. Риган построил аналоговый анализатор рядов Фурье для записи гармоник вызванного потенциала в мерцающий (синусоидально модулированный) свет. Вместо того чтобы интегрировать синусоидальные и косинусные продукты, Риган подавал сигналы на двухпроцессорный рекордер через фильтры нижних частот. Это позволило ему продемонстрировать, что мозг достиг стационарного режима, в котором амплитуда и фаза гармоник (частотных составляющих) отклика были примерно постоянными во времени. По аналогии с установившимся откликом резонансного контура, который следует за начальным переходным откликом, он определил идеализированный установившийся вызванный потенциал как форму отклика на повторяющуюся сенсорную стимуляцию, в которой частотные составляющие отклика остаются постоянными со временем в амплитуде и фазе.

Хотя это определение подразумевает серию идентичных временных сигналов, более полезно определить метод вызванных потенциалов (SSEP) в терминах частотных компонентов, которые являются альтернативным описанием формы сигнала во временной области, поскольку разные частотные компоненты могут иметь совершенно разные свойства. Например, свойства высокочастотного мерцания SSEP (пиковая амплитуда которого составляет около 40-50 Гц) соответствуют свойствам впоследствии обнаруженных магноцеллюлярных нейронов в сетчатке обезьяны макаки, тогда как свойства среднечастотного мерцания SSEP (пик амплитуды которого составляет около 15–20 Гц) соответствуют свойствам парвоцеллюлярных нейронов. Поскольку SSEP может быть полностью описан в терминах амплитуды и фазы каждого частотного компонента, он определен количественно более однозначно, чем усредненный переходный вызванный потенциал.

Нейрофизиологический аспект

Иногда говорят, что SSEP получаются посредством стимулов с высокой частотой повторения, но это не всегда правильно. В принципе, синусоидально-модулированный стимул может вызывать SSEP, даже если его частота повторения низкая. Из-за высокочастотного спада SSEP высокочастотная стимуляция может привести к почти синусоидальной форме волны SSEP, но это не относится к определению SSEP. Используя zoom-FFT для записи SSEP с теоретическим пределом спектрального разрешения ΔF (где ΔF в Гц - это обратная величина длительности записи в секундах), Риган обнаружил, что амплитудно-фазовая изменчивость SSEP может быть достаточно малой. Ширина полосы составляющих частотной составляющей SSEP может находиться на теоретическом пределе спектрального разрешения, по крайней мере, до 500 секунд длительности записи (в данном случае 0,002 Гц). Все это является частью метода вызванных потенциалов.

Значение и применение

Этот метод позволяет одновременно регистрировать несколько (например, четыре) SSEP из любого заданного местоположения на коже головы. Различные сайты стимуляции или разные стимулы могут быть помечены с немного разными частотами, которые практически идентичны частотам мозга (вычисленных с помощью метода вызванных потенциалов мозга), но легко разделяются анализаторами ряда Фурье.

Например, когда два непатентованных источника света модулируются на несколько разных частотах (F1 и F2) и накладываются друг на друга, в SSEP создаются множественные нелинейные компоненты перекрестной модуляции частоты (mF1 ± nF2), где m и n являются целыми числами. Эти компоненты позволяют исследовать нелинейную обработку в мозге. Путем пометки частоты две наложенные решетки, пространственная частота и свойства настройки ориентации механизмов мозга, которые обрабатывают пространственную форму, могут быть изолированы и изучены.

Стимулы различных сенсорных модальностей также могут быть помечены. Например, визуальный стимул мерцал в Fv Hz, и одновременно представленный слуховой тон был модулирован по амплитуде Fa Hz. Существование (2Fv + 2Fa) компонента в вызванном магнитном ответе мозга продемонстрировало область аудиовизуальной конвергенции в мозге человека, и распределение ответа по голове позволило локализовать эту область мозга. В последнее время частотная пометка была расширена от исследований сенсорной обработки до исследований избирательного внимания и сознания.

Развертка

Метод развертки представляет собой подвид метода вызванных потенциалов вп. Например, график зависимости амплитуды отклика от контрольного размера диаграммы направленности шахматной доски стимула может быть получен за 10 секунд, что гораздо быстрее, чем при усреднении по временной области для регистрации вызванного потенциала для каждого из нескольких контрольных размеров.

Схематическое изображение

В первоначальной демонстрации этой техники продукты синуса и косинуса подавались через фильтры нижних частот (как при записи SSEP) при просмотре схемы точных проверок, чьи черные и белые квадраты менялись местами шесть раз в секунду. Затем размер квадратов постепенно увеличивался, чтобы получить график зависимости амплитуды вызванного потенциала от контрольного размера (отсюда и слово «развертка»). Последующие авторы внедрили технику развертки, используя компьютерное программное обеспечение для увеличения пространственной частоты решетки в серии небольших шагов и вычисления среднего значения во временной области для каждой дискретной пространственной частоты.

Одной развертки может быть достаточно, или же может потребоваться усреднение графиков за несколько разверток. Усреднение 16 разверток может улучшить отношение "сигнал / шум" на графике в четыре раза. Техника развертки оказалась полезной для измерения быстро адаптирующихся зрительных процессов, а также для записи детей, где продолжительность обязательно короткая. Норсия и Тайлер использовали технику для документирования развития остроты зрения и контрастной чувствительности в течение первых лет жизни. Они подчеркнули, что при диагностике аномального зрительного развития, чем точнее нормы развития, тем резче можно отличить аномальное от нормального, и с этой целью документально подтверждено нормальное зрительное развитие у большой группы детей. В течение многих лет техника развертки использовалась в клиниках детской офтальмологии (в виде электродиагностики) по всему миру.

Преимущества метода

О сущности метода вызванных потенциалов мы уже поговорили, теперь стоит сказать о его преимуществах. Этот метод позволяет SSEP напрямую контролировать стимул, который вызывает SSEP без сознательного вмешательства экспериментального субъекта. Например, скользящее среднее значение SSEP может быть организовано так, чтобы увеличивать яркость стимула шахматной доски, если амплитуда SSEP падает ниже некоторого заранее определенного значения, и уменьшать яркость, если она поднимается выше этого значения. Амплитуда SSEP затем колеблется около этого заданного значения. Теперь длина волны (цвет) стимула постепенно изменяется. Полученный чертеж зависимости яркости стимула от длины волны представляет собой график спектральной чувствительности зрительной системы. Сущность метода вызванных потенциалов (вп) неотделима от графиков и диаграмм.

Электроэнцефалограммы

В 1934 году Адриан и Мэттью заметили, что потенциальные изменения затылочной ЭЭГ могут наблюдаться при стимуляции светом. Доктор Цыганек разработал первую номенклатуру для компонентов затылочной ЭЭГ в 1961 году. В течение того же года Hirsch и его коллеги зарегистрировали визуально вызванный потенциал (VEP) на затылочной доле (снаружи и внутри). В 1965 году Шпельманн использовал стимуляцию шахматной доски для описания ВЭП человека. Шикла и его коллеги завершили попытку локализации структур в первичном зрительном пути. Хэллидей и его коллеги закончили первые клинические исследования, записав задержанные VEP у пациента с ретробульбарным невритом в 1972 году. С 1970-х годов до сегодняшнего дня было проведено большое количество обширных исследований для улучшения процедур и теорий, и этот метод также был опробован на животных.

Недостатки

В наши дни стимул рассеянного света редко используется из-за высокой изменчивости как внутри, так и между субъектами. Однако этот тип выгодно использовать при тестировании младенцев, животных или людей с плохой остротой зрения. В шахматном и решетчатом рисунках используются светлые и темные квадраты и полосы соответственно. Эти квадраты и полосы равны по размеру и представлены по одному изображению на экране компьютера (в рамках проведения процедуры метода вызванных потенциалов).

Размещение электрода чрезвычайно важно для получения хорошего ответа VEP без артефактов. В типичной (с одним каналом) установке один электрод расположен на 2,5 см выше иона, а электрод сравнения расположен на Fz. Для более подробного ответа два дополнительных электрода могут быть размещены на 2,5 см справа и слева от унции.

Слуховой метод вызванных потенциалов головного мозга

Он может использоваться для отслеживания сигнала, генерируемого звуком через восходящий слуховой путь. Вызванный потенциал генерируется в улитке, проходит через улитковый нерв, через улитковое ядро, верхний оливковый комплекс, латеральный лемнискус, к нижнему колликулюсу в среднем мозге, к медиальному коленчатому телу и, наконец, к коре головного мозга. Так и работает метод вызванных потенциалов ЦНС, осуществленный с помощью звука.

Слуховые вызванные потенциалы (AEP) являются подклассом потенциалов, связанных с событиями (ERP). ERP - это реакции мозга, которые привязаны ко времени к какому-либо событию, например, такому как сенсорный стимул, психическое событие (распознавание целевого стимула) или пропуск стимула. Для AEP «событие» - это звук. AEP (и ERP) представляют собой очень малые потенциалы электрического напряжения, исходящие из мозга, записанные с кожи головы в ответ на слуховой раздражитель, такой как различные тоны, речевые звуки и т. д.

Слуховые вызванные потенциалы ствола мозга - это небольшие AEP, которые регистрируются в ответ на слуховой раздражитель от электродов, помещенных в кожу головы.

AEP служат для оценки функционирования слуховой системы и нейропластичности. Они могут быть использованы для диагностики нарушений обучаемости у детей, помогая в разработке специализированных образовательных программ для людей с проблемами слуха или познания. В рамках клинической психологии метод вызванных потенциалов используется довольно часто.