في كل ثانية تستيقظ فيها، ينتج دماغك دفقاً مستمراً من النشاط الكهربائي. وتوجد ضمن هذا الدفق إشارات صغيرة قابلة للتكرار تحدث كاستجابة مباشرة لأحداث معينة من حولك: مثل نقرة، أو وميض ضوء، أو لمسة على الجلد.
تُسمى هذه الاستجابات بالجهود المستثارة، وهي من بين القياسات الأكثر دقة وتوقيتاً في علم الأعصاب.
ما هو الجهد المُستثار؟
الجهد المستثار هو تغير متميز وقابل للقياس في جهد تخطيط كهربية الدماغ (EEG) يحدث فورًا بعد حافز خارجي. تشير كلمة "مستثار" إلى المسبب السببي: حدث شيء ما، واستجاب الدماغ. وفي الوقت نفسه، يشير "الجهد" إلى فرق الجهد الكهربائي الذي ينشأ بين أقطاب التسجيل الموضوعة على فروة الرأس.
ما يجعل هذه الإشارة مفيدة علميًا هي خاصية تسمى التوقيت المرتبط بالمثير. تتبع الاستجابة العصبية المثير بتأخر قصير يمكن التنبؤ به بشكل معقول، ويتم قياسها دائمًا بالإشارة إلى لحظة بدء المثير.
من الناحية العملية، يقوم الباحث الذي يقدم نغمة عبر سماعات الرأس أو يعرض نمطًا مرئيًا وامضًا على الشاشة بمحاذاة كل حقبة من حقب تخطيط كهربية الدماغ مع اللحظة الدقيقة التي تم فيها تقديم المثير. ويُعتبر أي تغير كهربائي متسق يظهر بعد نقطة المحاذاة تلك بفترة وجيزة جزءًا من الاستجابة المستثارة.
يختلف هذا تمامًا عن النشاط التلقائي المستمر للدماغ. فالدماغ ينتج مجالات كهربائية باستمرار، بغض النظر عما إذا كان المثير موجودًا أم لا.
الجهد المستثار هو استجابة صغيرة مرتبطة بالوقت تعلو فوق الخلفية المعتادة. ويستمر النشاط التلقائي سواء حدث مثير أم لا. بينما يظهر الجهد المستثار فقط بسبب حدوث مثير.
يمكن إثارة الجهود المستثارة بطريقتين عريضتين:
المدخلات الحسية الطبيعية: مثل صوت، أو نمط مرئي، أو لمسة.
التحفيز التجريبي المباشر للقشرة المخية: على سبيل المثال النبضات المغناطيسية المستخدمة في التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة.
مصدر الجهود المستثارة
الجهد المستثار المسجل من فروة الرأس هو مجموع النشاط الكهربائي لمجموعات كبيرة من الخلايا العصبية القشرية.
المصدر الرئيسي لهذا النشاط المجمع هو جهد ما بعد المشبك. عندما ترسل خلية عصبية إشارة إلى أخرى، تتعرض الخلية العصبية المستقبلة لتغير كهربائي صغير عند مشابكها العصبية. جهد ما بعد المشبك هذا هو العملة الأساسية للتواصل العصبي.
في القشرة المخية، أكبر المساهمين وأكثرهم تنظيمًا هي الخلايا الهرمية، وهي فئة من الخلايا العصبية الاستثارية التي تشكل ترتيبات طبقية عبر السطح القشري. يتيح هذا الانتظام الهندسي لجهود ما بعد المشبك الخاصة بها أن تتجمع في مجالات كهربائية متماسكة.
بعد ذلك، تنتشر هذه المجالات المحلية عبر أنسجة الدماغ المحيطة، وتمر عبر السائل النخاعي الذي يحمي الدماغ، وتنتقل عبر الجمجمة، لتصل أخيرًا إلى فروة الرأس.
أنواع اختبارات الجهود المستثارة
يعتمد نوع اختبار الجهود المستثارة المختار على النظام الحسي أو المسار العصبي الخاضع للفحص. وتستخدم كل طريقة مثيرًا مختلفًا وتسجل النشاط من مواقع يتم اختيارها لالتقاط الاستجابة ذات الصلة.
على الرغم من أن الإجراءات تشترك في مبدأ عام، إلا أن تحضيرها، وأنماط أشكال الموجات الخاصة بها، واستخداماتها السريرية تختلف. والفئات الرئيسية هي الاختبارات البصرية، والسمعية، والجسدية الحسية.
الجهود المستثارة البصرية (VEP)
تقيم الجهود المستثارة البصرية النشاط الكهربائي المتولد على طول المسار البصري، من العينين عبر الأعصاب البصرية والهياكل البصرية نحو الجزء الخلفي من الدماغ. يقدم بروتوكول شائع شاشة ذات أنماط، على الرغم من أن المثير الدقيق يمكن أن يختلف وفقًا لإعداد الاختبار. وتسجل الأقطاب الكهربائية الموجودة على فروة الرأس استجابة الدماغ أثناء تركيز الشخص على الهدف البصري.
يمكن أن يساعد اختبار VEP في تقديم معلومات وظيفية عندما تكون الأعراض البصرية غير مفسرة أو عندما يقيم الأطباء خللًا محتملًا في المسارات البصرية العصبية أو المركزية. النتيجة ليست قياسًا مباشرًا لحدة البصر، ولا ينفي التسجيل الطبيعي وجود كل اضطرابات العين أو اضطرابات الدماغ. ويمكن لعوامل مثل الانتباه، والتثبيت البصري، والتصحيح الانكساري، ووضوح المثير أن تؤثر على شكل الموجة.
اختبار الجهود المستثارة السمعية لجذع الدماغ (BAEP)
تقيس الجهود المستثارة السمعية لجذع الدماغ الاستجابات الكهربائية المتولدة أثناء انتقال الصوت عبر العصب السمعي ومسارات جذع الدماغ. تُقدم عادةً نقرات أو أصوات قائمة على النغمات عبر سماعات الأذن، وتسجل أقطاب فروة الرأس سلسلة من الاستجابات التي تحدث خلال فترة قصيرة بعد كل صوت. ويحتوي شكل الموجة على عدة قمم يمكن أن يوفر توقيتها معلومات حول التوصيل عبر أجزاء متتالية من المسار السمعي.
يكون اختبار BAEP مفيدًا عندما يلزم تقييم وظيفة المسار السمعي دون الاعتماد كليًا على الاستجابة السلوكية للشخص. ويمكن استخدامه في تقييمات عصبية مختارة، وتقييمات السمع، والحالات التي يكون فيها التعاون محدودًا. ونظرًا لأن التسجيل حساس لمستوى المثير، وحالات الأذن، ووضع الأقطاب الكهربائية، والضوضاء الكهربائية، يجب مراعاة النتائج جنبًا إلى جنب مع معلومات السمع والمعلومات العصبية الأخرى.
الجهود المستثارة الجسدية الحسية (SSEP)
تقيم الجهود المستثارة الجسدية الحسية المسارات التي تنقل الإحساس من أحد الأطراف نحو الحبل الشوكي والدماغ. يتم إرسال نبضات كهربائية خفيفة إلى عصب محيطي، غالبًا عند المعصم أو الكاحل، بينما يتم تسجيل الاستجابات عند نقاط متعددة على طول المسار. ويمكن أن تساعد الإشارات الناتجة في تقييم ما إذا كان التوصيل سليمًا عبر الأعصاب المحيطية، والهياكل الشوكية، والمسارات الحسية المركزية.
يعد اختبار SSEP ذو أهمية خاصة عندما يحتاج الأطباء إلى معلومات وظيفية حول سلامة الحبل الشوكي أو المسار الحسي. ويمكن استخدامه أيضًا أثناء إجراءات جراحية مختارة لمراقبة وظيفة المسار بمرور الوقت. لا يقيس الاختبار كل جانب من جوانب الإحساس، ويجب تمييز الاستجابة غير الطبيعية عن التأثيرات الناجمة عن درجة الحرارة، أو وضع الطرف، أو أمراض الأعصاب المحيطية، أو الأدوية، أو التداخل الفني.
التحديات والمتغيرات في قياس الجهود المستثارة
إن إشارة المجموعات العصبية التي تحدد الجهد المستثار تكون دائمًا مدمجة داخل النشاط الكهربائي التلقائي المستمر للدماغ، وعادة ما تكون تلك الخلفية أكبر من الاستجابة التي تحيط بها.
يخلق هذا تحديًا عمليًا. فإذا كان تخطيط كهربية الدماغ التلقائي أكبر من الاستجابة المستثارة، فإن التجربة الفردية غالبًا لا يمكنها الكشف عن الإشارة المرتبطة بالمثير بوضوح.
الحل الكلاسيكي هو متوسط الإشارة حيث يتم تقديم نفس المثير عدة مرات. يتم محاذاة كل حقبة من حقب تخطيط كهربية الدماغ مع اللحظة الدقيقة لبدء المثير، ويتم حساب متوسط التجارب الناتجة معًا.
تنجو الاستجابة المستثارة، التي تحدث بنفس زمن الاستجابة في كل تجربة، من عملية حساب المتوسط. بينما يميل النشاط التلقائي، غير المتزامن مع المثير، إلى التلاشي والالغاء.
تحليل التجربة الفردية ومعالجة الإشارات
على الرغم من أن حساب المتوسط كان النهج القياسي لعقود من الزمن، إلا أنه ليس الطريق الوحيد. فباستخدام طرق معالجة الإشارات المناسبة، يصبح تحليل التجربة الفردية ممكنًا.
أفادت دراسة أجراها بشار وآخرون حول النشاط التلقائي بتردد 40 هرتز والجهود المستثارة السمعية بأن طريقة تحليل الإشارات المطبقة مكنت من فحص التجربة الفردية لحقب تخطيط كهربية الدماغ والجهد المستثار المشتركة بدلاً من طلب شكل موجة متوسط كبير. وتكمن أهمية نهج التجربة الفردية في أنها تحافظ على التباين بين تجربة وأخرى والذي يمحوه حساب المتوسط.
وأشار مؤلفو تلك الدراسة أيضًا إلى إمكانية توسيع طريقتهم لتشمل دراسات العمليات المعرفية، حيث قد تتغير الإشارة ذات المغزى من تجربة إلى أخرى.
تأثير حالة الدماغ السابقة للمثير
يمكن أن تشكل حالة الدماغ السابقة للمثير حجم الاستجابة التي تليها. استكشفت دراسة تحفيز مغناطيسي عبر الجمجمة شملت أربعة ذكور بالغين أصحاء سريريًا هذه الصلة. سجل الباحثون تخطيط كهربية الدماغ وتخطيط كهربية العضل أثناء إرسال نبضات مغناطيسية إلى القشرة الحركية اليسرى عند 100% من عتبة الحركة، وهي شدة النبضة التي تثير استجابة عضلية بشكل موثوق، وبمعدل 0.1 هرتز.
وقد وجدوا:
ارتباطًا سلبيًا ملحوظًا (-0.22) مع قوة ألفا العالية
ارتباطًا إيجابيًا ملحوظًا (+0.17) مع قوة غاما
أقوى ارتباط (0.27) مع نسبة غاما المنخفضة إلى ألفا العالية
فسر المؤلفون هذه الارتباطات كمؤشرات محتملة للاستثارة القشرية. فالدماغ الذي يعمل في حالة نشطة، مع نشاط غاما أكبر نسبيًا ونشاط ألفا أقل، قد يستجيب بقوة أكبر لنبضة التحفيز. أما الدماغ الذي تسيطر عليه إيقاعات ألفا الأبطأ فقد يظهر استجابة أصغر.
لكن الارتباطات كانت متواضعة، واقتصرت العينة على أربعة مشاركين فقط. وتشير النتائج إلى وجود علاقة حقيقية بين نطاقات التردد السابقة للمثير وحجم الاستجابة المستثارة، لكن لا يمكنها الوقوف بمفردها كنموذج حاسم.
ما الذي يتم استثارته بالفعل؟
التحدي الأساسي الثاني هو تحديد ما يتم استثارته بالضبط في المقام الأول.
ليست كل الجهود المصنفة كـ "مستثارة" تنتج ناتجة تمامًا عن المثير المقصود. فالعديد من تقنيات تحفيز الدماغ تحمل آثارًا جانبية حسية مدمجة يمكنها في حد ذاتها إثارة استجابات دماغية.
يعد التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) دراسة حالة مفيدة. يستخدم TMS نبضات مغناطيسية وجيزة لإثارة مجموعات من الخلايا العصبية في منطقة قشرية مستهدفة. لكن الملف المغناطيسي ينتج أيضًا نقرة عالية الصوت، وتخلق النبضة إحساسًا جسديًا على فروة الرأس.
كلا الأثرين المحيطيين هما حدثان حسيان في حد ذاتهما. فالنقرة تنشط النظام السمعي، وإحساس فروة الرأس ينشط النظام الجسدي الحسي.
تم إثبات أهمية هذا الغموض في تجربة أجريت عام 2019 شملت 17 شابًا صحيحًا. أرسل الباحثون تحفيز TMS حقيقي فوق منطقتين قشريتين، القشرة الجدارية الخلفية اليسرى والتلفيف الجبهي العلوي، وسجلوا الاستجابات لتحفيز وهمي واقعي يحاكي النقرة وإحساس فروة الرأس دون إنتاج نبضة عبر الجمجمة. وطبقوا الاحتياطات القياسية، بما في ذلك وضع طبقة رغوية أسفل الملف وتغطية الضوضاء السمعية.
ومع ذلك، وعلى الرغم من هذه التدابير، فإن الجهود القشرية المستثارة بواسطة TMS الحقيقي تشبه إلى حد كبير الجهود المستثارة بواسطة TMS الوهمي الواقعي. وتطابقت الميزات الزمنية والمكانية لكل من المكونات المبكرة والمتأخرة للاستجابة.
هذا لا يعني أن الجهود المستثارة غير صالحة. بل يعني أن الاستجابة المسجلة ليست تلقائيًا الاستجابة للمثير المقصود. وخلص مؤلفو الدراسة إلى أن شروط التحكم متعددة الحواس المحيطية مطلوبة في تصميمات TMS-EEG لفصل المكونات عبر الجمجمة عن المكونات غير القشرية. ويمتد هذا المنطق إلى أي طريقة تحفيز ذات آثار جانبية حسية تحتاج إلى تحكم يعزل المسار المستهدف.
لماذا تكتسب الجهود المستثارة أهمية كبيرة
الحذر المنهجي المذكور أعلاه ليس سببًا لتجاهل الجهود المستثارة. بل هو جزء من سبب بقائها مفيدة. فالإشارة التي يمكن ضبط توقيتها وتسجيلها والتحكم فيها بدقة هي إشارة يمكن تطبيقها واستخدامها.
عبر مجالات البحث والمجالات السريرية، تُستخدم الجهود المستثارة بشكل شائع لـ:
اختبار ما إذا كانت المسارات الحسية سليمة
مراقبة استجابات الدماغ أثناء الإجراءات الطبية
تصميم واجهات الدماغ والحاسوب
المنطق الكامن وراء اختبار المسار الحسي هو أنه إذا انتقل مثير على طول مسار صحي من العضو الحسي إلى الدماغ، فيجب أن تظهر استجابة مرتبطة بالوقت عند زمن الاستجابة المتوقع. وقد يشير تأخر الاستجابة أو غيابها إلى وجود خلل في مكان ما على طول ذلك المسار.
لماذا تشكل الإشارات المرتبطة بالمثير علم الأعصاب التطبيقي
في علم الأعصاب، تظهر الجهود المستثارة أن استجابة الدماغ للعالم الخارجي يمكن قياسها من خلال تغيرات كهربائية دقيقة التوقيت على فروة الرأس. تنشأ هذه الإشارات من آلاف الخلايا العصبية القشرية التي تعمل معًا، مما يجعلها نافذة موثوقة على نشاط الدماغ على مستوى المجموعات العصبية بدلاً من إطلاق أي خلية فردية.
نفس خاصية التوقيت التي تجعلها قابلة للتعريف تخلق أيضًا التحدي العلمي الأساسي: إيقاعات الدماغ التلقائية عادة ما تكون أكبر، لذا فإن فصل الاستجابة المحددة يتطلب تجارب متكررة أو تحليلًا دقيقًا للتجربة الفردية. يحتاج الباحثون أيضًا إلى شروط تحكم عندما يجلب التحفيز آثارًا جانبية حسية، لأن الاستجابة المسجلة قد تعكس تلك الإضافات بدلاً من المثير المقصود وحده.
وقبل أن يصل المثير، يمكن لحالة الدماغ المستمرة أن تشكل مدى كبر الاستجابة، مع ربط نطاقات التردد الأسرع باستجابات أقوى في الدراسات التي تمت مراجعتها. يشير هذا إلى أن الدماغ ليس سلبيًا فحسب؛ بل إن إيقاعه الداخلي في لحظة الإدخال يؤثر على ما يتم قياسه.
علاوة على ذلك، يمكن للأدوات العملية مثل واجهات الدماغ والحاسوب استخدام الخصائص المرتبطة بالتردد للجهود المستثارة للمراقبة في الوقت الفعلي، مثل اكتشاف التعب من خلال التغيرات في قوة تخطيط كهربية الدماغ. ومع ذلك، فإن أقوى الأدلة تدعم خصائص الإشارة الأساسية، بينما لا تزال العديد من الاستخدامات الأوسع واعدة ولكنها لم تُثبت بالكامل بعد.
المراجع
Başar, E., Rosen, B., Başar-Eroglu, C., & Greitschus, F. (1987). The associations between 40 Hz-EEG and the middle latency response of the auditory evoked potential. International Journal of Neuroscience, 33(1-2), 103-117. https://doi.org/10.3109/00207458708985933
Zarkowski, P., Shin, C. J., Dang, T., Russo, J., & Avery, D. (2006). EEG and the variance of motor evoked potential amplitude. Clinical EEG and neuroscience, 37(3), 247-251. https://doi.org/10.1177/155005940603700316
Conde, V., Tomasevic, L., Akopian, I., Stanek, K., Saturnino, G. B., Thielscher, A., ... & Siebner, H. R. (2019). The non-transcranial TMS-evoked potential is an inherent source of ambiguity in TMS-EEG studies. Neuroimage, 185, 300-312. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2018.10.052
الأسئلة الشائعة
ما هو الجهد المستثار؟
الجهد المستثار هو تغير متميز وقابل للقياس في جهد تخطيط كهربية الدماغ يحدث فورًا بعد حافز خارجي واستجابة له (مثل الضوء، أو الصوت، أو اللمس). وهو "مرتبط بالمثير"، مما يعني أن له تأخرًا يمكن التنبؤ به يتبع المثير.
كيف تختلف الجهود المستثارة عن نشاط الدماغ التلقائي؟
النشاط التلقائي هو تدفق مستمر ومتواصل للمجالات الكهربائية للدماغ ويحدث بغض النظر عن المثيرات الخارجية. والجهد المستثار هو استجابة صغيرة دقيقة التوقيت لحدث معين تعلو فوق هذا النشاط الخلفي.
لماذا يتم استخدام متوسط الإشارة في أبحاث تخطيط كهربية الدماغ؟
عادةً ما يكون نشاط الدماغ التلقائي أكبر من الاستجابة المستثارة الصغيرة، مما يجعل من الصعب رؤيتها في تجربة واحدة. ويؤدي تقديم المثير عدة مرات وحساب متوسط الحقب إلى إلغاء النشاط التلقائي العشوائي غير المتزامن بينما ينجو الجهد المستثار المتسق والمرتبط بالمثير.
هل تحليل التجربة الفردية للجهود المستثارة ممكن؟
نعم. في حين أن حساب متوسط الإشارة هو أمر تقليدي، فإن طرق معالجة الإشارات المتقدمة تسمح بتحليل التجربة الفردية. وهذا النهج، كما نوقش في دراسة أجراها بشار وآخرون، ذو قيمة عالية لأنه يحافظ على التباين بين تجربة وأخرى والذي يمحوه حساب المتوسط، وهو أمر مفيد بشكل خاص لدراسة العمليات المعرفية المتغيرة.
ما الدور الذي تلعبه حالة الدماغ السابقة للمثير؟
يؤثر نشاط الدماغ المستمر فورًا قبل المثير على حجم الاستجابة اللاحقة. وتشير دراسة تحفيز مغناطيسي عبر الجمجمة إلى أن حالة ما قبل المثير "النشطة" (التي تتميز بقوة غاما أعلى وقوة ألفا أقل) ترتبط باستجابة أقوى وأكثر استثارة.
تُعد Emotiv شركة رائدة في تقنيات الأعصاب، تساعد على تطوير أبحاث علم الأعصاب من خلال أدوات EEG وبيانات الدماغ سهلة الوصول.
إخلاء مسؤولية طبي: المعلومات المقدمة على هذا الموقع هي لأغراض تعليمية وإعلامية فقط ولا يُقصد بها أن تكون نصيحة طبية أو صحية. قد يحتوي هذا المحتوى على أخطاء ولا ينبغي الاعتماد عليه لاتخاذ قرارات صحية أو طبية أو نمط حياة تغير مجرى الحياة. احرص دائمًا على استشارة طبيبك أو أي مقدم رعاية صحية مؤهل آخر بشأن أي أسئلة قد تكون لديك بخصوص أي حالة طبية أو علاج.
كريستيان بورغوس
