تحلیل فرکانس به عنوان سنگ بنای تفسیر دادههای عصبی عمل میکند و به پژوهشگران امکان میدهد تا شکل موجهای پیچیده را به اجزای دورهای تجزیه کنند. دانشمندان با درک این ریتمهای زمینهای، میتوانند حالات مغزی و یافتههای تشخیصی را بهتر توصیف کنند.
آنالیز فرکانسی چیست؟
آنالیز فرکانسی نوسانات الکتریکی خام را به مولفههای فرکانسی تشکیلدهندهشان ترجمه میکند و ساختار ریتمیک دادههای عصبی را آشکار میسازد.
هنگام ثبت از طریق EEG، سیگنال خام به صورت نوسانات ولتاژ آشفته در طول زمان ظاهر میشود و تشخیص الگوهای ظریف را دشوار میسازد. با این حال، محققان با استفاده از تبدیلهای ریاضی، این نما را به یک طیف فرکانسی منتقل میکنند که در آن امواج مختلف مغزی به پیکهای متمایز و قابل اندازهگیری تبدیل میشوند.
این تغییر برای neuroscience مدرن و تشخیصهای کمّی بنیادی است.
باندهای فرکانسی استاندارد
ریتمهای EEG به تعداد محدودی باند نامگذاریشده گروهبندی میشوند که هر کدام بر اساس تعداد چرخههای رخداده در ثانیه، یا هرتز (Hz)، تعریف میشوند.
فعالیت دلتا (۴ هرتز یا کندتر) به صورت امواج کند و غالباً با دامنه بالا ظاهر میشود. این امواج در طول خواب عمیق کاملاً طبیعی هستند. با این حال، مشاهده دلتای برجسته در یک فرد بالغ بیدار میتواند یک هشدار جدی باشد که معمولاً با آسیب ساختاری، اختلال متابولیک، یا brain dysfunction منتشر مرتبط است.
فعالیت تتا (۴ تا ۸ هرتز) اغلب در زمان خوابآلودگی نشان داده میشود و همچنین در حالات مدیتیشن نیز گزارش شده است. تتای منتشر میتواند منعکسکننده یک حالت گذار طبیعی بین بیداری و خواب باشد. هنگامی که تتا به جای انتشار گسترده، به طور مکرر در یک ناحیه موضعی از پوست سر ظاهر میشود، شک به وجود یک ضایعه ساختاری کانونی در زیر آن ناحیه را برمیانگیزد.
فعالیت آلفا (۸ تا ۱۳ هرتز) ریتم شاخص بیداری همراه با آرامش است که بیشتر در پشت سر قابل مشاهده بوده و به عنوان ریتم غالب خلفی شناخته میشود. ویژگی بصری تعیینکننده آن این است که در لحظه باز کردن چشمها توسط فرد، ضعیف یا صاف میشود.
این صرفاً یک ویژگی بصری تصادفی نیست. Research با استفاده از تحریک جریان متناوب جمجمهای، تکنیکی که جریان الکتریکی نوسانی ضعیفی را به پوست سر اعمال میکند، نشان داد که تحریک قشر پسسری در فرکانس آلفای فردی خود شخص، به طور قابل اندازهگیری قدرت آلفای ثبتشده در EEG را افزایش میدهد، با اثراتی که پس از پایان تحریک نیز باقی میمانند.
این یافته از این ایده حمایت میکند که آلفا یک الگوی بصری دلخواه نیست، بلکه یک نوسان واقعی و از نظر فیزیولوژیکی واقعی است که میتواند از خارج تعدیل شود و دلیل اینکه پزشکان با آن به عنوان یک biomarker قابل اعتماد برای عملکرد قشر مغز رفتار میکنند را تقویت میکند.
فعالیت بتا (۱۳ تا ۳۰ هرتز) سریع و دارای دامنه کم است. این فعالیت معمولاً با هوشیاری، anxiety، و برخی داروهای آرامبخش، به ویژه بنزودیازپینها و باربیتوراتها افزایش مییابی، که آن را به ریتمی تبدیل میکند که پزشکان اغلب در کنار تاریخچه دارویی بیمار تفسیر میکنند.
فعالیت گاما (بالای ۳۰ هرتز) به ندرت در یک خوانش بصری روتین بررسی میشود. بیشتر EEG recordings استاندارد فیلتری را اعمال میکنند که این محدوده را به طور خاص حذف یا تضعیف میکند، زیرا با آرتیفکتهای عضلانی و نویز الکتریکی همپوشانی دارد و تفسیر چشمی آن را در بالین بیمار نامطمئن میسازد. گاما در محیطهای تحقیقاتی با پردازش قشری مرتبط دانسته شده است، اما ابزاری نیست که در تشخیص بصری استاندارد استفاده شود.
نوسانات فرکانس بالا، که به محدوده موجک (۸۰ تا ۲۵۰ هرتز) و محدوده موجک سریع (۲۵۰ تا ۱۰۰۰ هرتز) تقسیم میشوند، حتی فراتر از آن چیزی هستند که یک ردیابی روتین پوست سر بتواند به طور بصری تفکیک کند. Research done in Mayo Clinic با استفاده از الکترودهای کاشته شده مستقیم در لوب گیجگاهی نشان داد که موجکها، که در میانگین تقریبی ۱۱۶ هرتز متمرکز هستند، در نواحی مغزی ایجادکننده تشنج در مقایسه با نواحی کنترل افزایش مییابند.
با این حال، موجکهای سریع تقریباً به طور انحصاری روی الکترودهای سیمی فوقالعاده ظریف شناسایی شدند، نه روی ماکروالکترودهای بالینی استاندارد که در مانیتورینگ متداول داخل جمجمهای استفاده میشوند. این تمایز به این معنی است که نوسانات فرکانس بالا ممکن است ارزش تشخیصی واقعی برای مکانیابی بافت مولد تشنج داشته باشند، اما این ارزش در حال حاضر به تجهیزات ثبت تهاجمی بستگی دارد، نه به آنچه که یک متخصص مغز و اعصاب میتواند در یک EEG استاندارد پوست سر ببیند.
باند | فرکانس (هرتز) | ویژگی بصری کلیدی |
|---|---|---|
دلتا | ۴ هرتز یا کندتر | دامنه بالا، غیرطبیعی در حالت بیداری |
تتا | ۴–۸ هرتز | خوابآلودگی، کانونی بودن نشاندهنده ضایعه است |
آلفا | ۸–۱۳ هرتز | خلفی، با باز شدن چشمها مسدود میشود |
بتا | ۱۳–۳۰ هرتز | سریع، دامنه کم، هوشیاری |
گاما | بالای ۳۰ هرتز | فیلتر شده، از نظر بصری غیرقابل اعتماد |
نوسانات فرکانس بالا | ۸۰–۲۵۰، ۲۵۰–۱۰۰۰ هرتز | فقط ثبت تهاجمی |
چگونه الگوهای ریتمیک طبیعی را در EEG تشخیص دهیم
بخش بزرگی از آموزش بصری EEG شامل یادگیری ظاهر healthy brain activity در حالات مختلف هوشیاری است، به طوری که الگوهای غیرطبیعی در تضاد با آن متمایز شوند.
در طول بیداری همراه با آرامش، ریتم آلفای خلفی بر بخش پشتی پوست سر غالب است و در لحظهای که فرد چشمان خود را باز میکند و توجه بصری را به کار میگیرد، مسدود یا ضعیف میشود. این پاسخ باز کردن چشم یکی از قابل اعتمادترین و واضحترین نشانگرهای بصری است که یک متخصص مغز و اعصاب در طول یک ثبت روتین بررسی میکند.
وقتی شخص به خوابآلودگی میرود، ریتم آلفا محو شده و فعالیت تتا برجستهتر میشود. شکل موجهای متمایزی شروع به ظهور میکنند، از جمله امواج ورتکس، که شکلهای گذرا و تیز هستند که در نزدیکی بالای سر دیده میشوند.
با عمیقتر شدن خواب، دوکهای خواب ظاهر میشوند که انفجارهای کوتاهی از فعالیت ریتمیک در محدوده ۱۲ تا ۱۴ هرتز هستند، در کنار کمپلکسهای K، که شکل موجهای تیز و بزرگی هستند که ردیابی را قطع میکنند. در عمیقترین مراحل خواب با موج کند، فعالیت دلتا با دامنه بالا به الگوی غالب تبدیل میشود، همان باند دلتایی که اگر در طول بیداری دیده شود غیرطبیعی خواهد بود.
یک الگوی اضافی دیگر که ارزش شناخت دارد، ریتم مو (mu) است، یک نوسان مرکزی در محدوده آلفا که روی نواحی حرکتی پوست سر ثبت میشود. برخلاف آلفای خلفی، ریتم مو زمانی که فرد حرکت میکند یا حتی تصور حرکت میکند، ناهمگام یا صاف میشود. این یک نوع طبیعی در نظر گرفته میشود و نمونه مفیدی از این است که چگونه یک محدوده فرکانسی یکسان بسته به اینکه کجا ظاهر میشود و چه چیزی باعث ناپدید شدن آن میشود، میتواند معانی متفاوتی داشته باشد.
ریتمهای غیرطبیعی و آنچه فاش میکنند
هنگامی که یک متخصص مغز و اعصاب یک خط پایه بصری برای فعالیت طبیعی داشته باشد، انحرافات از آن خط پایه به سیگنال تشخیصی تبدیل میشوند.
کند شدن به ظهور فعالیت دلتا یا تتا در جایی اشاره دارد که به طور معمول انتظار ریتمهای سریعتری میرود، چه در یک ناحیه کانونی و چه به صورت منتشر در سراسر پوست سر. این الگو در زمینه سکته مغزی دارای اهمیت بالینی است.
الگوهای صرعمانند، شامل اسپایکها، امواج تیز، و تخلیههای اسپایک-موج، همچنان به عنوان استاندارد طلایی بصری برای شناسایی فعالیت تشنج در حین تکامل آن روی ردیابی باقی میمانند.
الگوهای دورهای، مانند تخلیههای دورهای جانبی یا عمومی، به طور بصری با ظاهر تکراری و با فواصل منظم خود شناخته میشوند. معنای بالینی آنها به طور قابل توجهی متفاوت است، گاهی نشاندهنده فعالیت تشنج هستند، و گاهی منعکسکننده encephalopathy متابولیک، یک اختلال عملکرد مغزی ناشی از اختلالات در شیمی بدن.
سلسله مراتب پشت فرکانسهای امواج مغزی
یک خط تحقیقاتی مجزا، توضیحی مفهومی برای اینکه چرا یک ردیابی EEG واحد اغلب چندین فرکانس را روی هم قرار گرفته نشان میدهد، به جای یک ریتم تمیز، ارائه میدهد.
ثبتهای انجام شده از auditory cortex of awake macaque monkeys رابطه ساختارمندی بین باندهای فرکانسی را نشان داد: فاز ریتم کندتر دلتا، دامنه فعالیت تتا را تعدیل میکند و فاز تتا به نوبه خود دامنه فعالیت گاما را تعدیل میکند.
به عبارت ساده، به نظر میرسد امواج کندتر ریتمی را تعیین میکنند که حاکم بر میزان قدرت بروز امواج سریعتر است و این رابطه شکل میدهد که یک گروه از نورونها چقدر به محرکهای ورودی در هر لحظه پاسخگو هستند.
این یک چارچوب واقعاً مفید برای درک EEG به عنوان یک سیگنال لایهبندی شده به جای یک موج واحد است. این کمک میکند تا توضیح دهیم چرا دلتا، تتا و گاما به طور مکرر در یک ثبت به جای ظهور به صورت انفرادی، همزیستی دارند.
مزایا و محدودیتهای آنالیز بصری EEG
آنالیز فرکانسی بصری با چندین نقطه قوت عملی شناخته میشود:
تشخیص سریع تشنج در بالین بیمار
علائم هشداردهنده اولیه ایسکمی مغزی
نشانگرهای انسفالوپاتی
درجهبندی تقریبی شدت کما
محدودیتهای خود روش بصری نیز به همان اندازه مهم است که به وضوح بیان شود. تخمین فرکانس با چشم به طور ذاتی ذهنی است و توافق بین خوانندگان مختلف که یک ردیابی را بررسی میکنند، کامل نیست.
تغییرات ظریف در فرکانس، الگوهای غیرطبیعی کوتاه، و هر چیزی که بالاتر از محدودهای رخ میدهد که معمولاً توسط فیلترینگ استاندارد حفظ میشود، ممکن است کاملاً نادیده گرفته شوند.
آنالیز فرکانسی بصری بهتر است به عنوان یک اکتشافی بالینی ارزشمند ساخته شده بر اساس تشخیص الگوی دیرینه درک شود، نه به عنوان یک ابزار تشخیصی کاملاً تایید شده. رویکردهای محاسباتی برای signal processing، از جمله کوپلینگ بینفرکانسی و آنالیزهای نوسان فرکانس بالا، به طور فزایندهای شکافهایی را پر میکنند که بازرسی بصری به تنهایی نمیتواند به آنها دست یابد.
چرا آنالیز بصری EEG به عنوان استاندارد بالینی باقی میماند
خواندن EEG با چشم به معنای مرتب کردن یک ردیابی ولتاژ ممتد به باندهای فرکانسی قابل تشخیص و مقایسه آنچه دیده میشود با یک کتابخانه ذهنی از الگوهای طبیعی و غیرطبیعی است.
تضعیف ریتم آلفا با باز شدن چشم، تتا و دوکها که فرود به خواب را نشان میدهند، دلتا که نشاندهنده خواب عمیق سالم یا یک علامت هشداردهنده در بیمار بیدار است: این قوانین بصری ستون فقرات تفسیر بالینی EEG را تشکیل میدهند و تحقیقات تایید میکنند که حداقل یکی از آنها، یعنی ریتمیک بودن آلفا، منعکسکننده یک نوسان قشری واقعی و قابل تعدیل خارجی است تا یک الگوی تصادفی.
آنالیز فرکانسی بصری همچنان به عنوان نقطه شروع برای تفسیر بالینی EEG عمل میکند زیرا سریع است، به تجهیزات تخصصی فراتر از خود ثبت نیاز ندارد و بر ریتمهای فیزیولوژیکی واقعی استوار است. با این حال، دسترسی آن مرزهای مشخصی دارد و این مرزها به طور فزایندهای توسط همان روشهای محاسباتی ترسیم میشوند که مدتها بدون آنها کار میکرد.
آینده آنالیز فرکانسی
پیشرفتها در قابلیتهای پردازش بلادرنگ به زودی امکان پایش طیفی آنی را فراهم میکند و فاصله بین وقوع و آنالیز را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد. این تکامل احتمالاً الگوریتمهای یادگیری ماشین را برای شناسایی خودکار امضاهای فرکانسی مشخصه ادغام خواهد کرد و به طور بالقوه ناهنجاریهایی را که ناظران انسانی ممکن است نادیده بگیرند، پرچمگذاری میکند. چنین پیشرفتهایی نویدبخش سریعتر و دقیقتر کردن مداخلههای تشخیصی بلادرنگ است.
قدرت محاسباتی بیشتر همچنین امکان تغییر به سمت بومیسازی منبع با وضوح بالا را فراهم میسازد و از مشاهدات در سطح پوست سر فراتر رفته تا فعالیت ریتمیک عمیق مغز را به صورت سه بعدی تجسم کند. با به بلوغ رسیدن این روشها، آنها درک دقیقتری از ارتباطات مغزی ارائه خواهند داد و بینشهایی را درباره مکانیسمهای اساسی شرایط پیچیده روانپزشکی عصبی ارائه میدهند. این مسیر به سمت یک رویکرد جزئیتر برای مراقبت از بیمار اشاره دارد.
در نهایت، استانداردسازی خطول لوله تحلیلی بینپلتفرمی به یک هنجار تبدیل خواهد شد و تضمین میکند که یافتهها میتوانند به طور قابل اعتمادی در مراکز تحقیقاتی بینالمللی تکرار شوند. با پر کردن شکاف بین تولیدکنندگان سختافزار و academic researchers، معیارهای جامعهمحور باعث ثبات فنی در تفسیر سیگنالهای نوروفیزیولوژیک خواهند شد.
این محیط مشارکتی نوآوری را در نحوه درک ما از تعامل پیچیده ریتمهای مغز تقویت خواهد کرد.
فرکانسهای امواج مغزی درباره ذهن بیدار و استراحتکننده شما چه چیزی را فاش میکنند
شمارش چرخههای موج در ثانیه روی یک ردیابی EEG، دریچهای مستقیم به این موضوع میدهد که آیا مغز در خواب عمیق است، با آرامش هوشیار است یا تحت فشار قرار دارد. الگوهایی مانند محو شدن ریتم آلفا هنگام باز شدن چشمها تایید میکنند که این ریتمها برچسبهای انتزاعی نیستند، بلکه نوسانات واقعی و عملکردی مرتبط با چگونگی پردازش جهان توسط ما هستند. این رویکرد بصری، که با دههها مشاهده بالینی اصلاح شده است، یک خط موجی را به یک خوانش کاربردی از حالات مغزی تبدیل میکند که زندگی روزمره را تحت تاثیر قرار میدهند.
با این حال، این روش مرزهای مشخصی دارد: نمیتواند انفجارهای سریع و فرکانس بالایی را که ممکن است منابع تشنج را مشخص کنند یا یک رویداد در حال نزدیک شدن را پیشبینی کنند، شناسایی کند؛ وظایفی که به آنالیز کامپیوتری نیاز دارند. تحقیقات همچنین نشان میدهند که امواج مغزی کندتر با امواج سریعتر هماهنگ میشوند و سیگنالی لایهبندی شده ایجاد میکنند که توضیح میدهد چرا یک ردیابی واحد بسیار پیچیده به نظر میرسد.
تشخیص این سلسله مراتب، EEG را از یک خط موجی به نقشهای از نحوه تعامل سرعتهای مختلف امواج مغزی تبدیل میکند و مشاهده مستقیم را با اعماقی که فناوری تنها اکنون شروع به کاوش در آنها کرده است، تلفیق میکند.
منابع
Zaehle, T., Rach, S., & Herrmann, C. S. (2010). Transcranial alternating current stimulation enhances individual alpha activity in human EEG. PloS one, 5(11), e13766. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0013766
Worrell, G. A., Gardner, A. B., Stead, S. M., Hu, S., Goerss, S., Cascino, G. J., Meyer, F. B., Marsh, R., & Litt, B. (2008). High-frequency oscillations in human temporal lobe: simultaneous microwire and clinical macroelectrode recordings. Brain : a journal of neurology, 131(Pt 4), 928–937. https://doi.org/10.1093/brain/awn006
Lakatos, P., Shah, A. S., Knuth, K. H., Ulbert, I., Karmos, G., & Schroeder, C. E. (2005). An oscillatory hierarchy controlling neuronal excitability and stimulus processing in the auditory cortex. Journal of neurophysiology, 94(3), 1904-1911. https://doi.org/10.1152/jn.00263.2005
پرسشهای متداول
یک متخصص مغز و اعصاب واقعاً با نگاه کردن به یک EEG چه چیزی میبیند؟
یک متخصص مغز و اعصاب یک خط ممتد را میبیند که نشاندهنده تغییرات ولتاژ در طول زمان است و به طور بصری تعداد چرخههای موجی را که در هر ثانیه تکرار میشوند، میشمارد. آنها این ریتم را با باندهای فرکانسی شناخته شده مطابقت میدهند که به آنها اجازه میدهد فعالیت مغز را بدون نیاز به کامپیوتر برای انجام تجزیه و تحلیل ریاضی تفسیر کنند.
چرا فعالیت دلتا در یک فرد بالغ بیدار مایه نگرانی است؟
امواج دلتا الگوهای کند و با دامنه بالا هستند که در طول خواب عمیق کاملاً طبیعی هستند. دیدن آنها در یک فرد بالغ بیدار اغلب یک هشدار جدی تلقی میشود زیرا معمولاً نشاندهنده مشکلی مانند آسیب ساختاری مغز یا یک اختلال متابولیک موثر بر عملکرد مغز است.
ویژگی بصری کلیدی ریتم آلفا چیست؟
ریتم آلفا فرکانس بدون فعالیت مغز در طول بیداری همراه با آرامش است که بیشتر در پشت سر قابل مشاهده است و ویژگی تعیینکننده آن این است که در لحظهای که فرد چشمان خود را باز میکند، ناپدید یا صاف میشود. این پاسخ قابل اعتماد به توجه بصری تایید میکند که آلفا یک نوسان فیزیولوژیکی واقعی است، نه فقط یک الگوی بصری تصادفی.
چگونه یک فرکانس مشابه میتواند معانی متفاوتی در یک EEG داشته باشد؟
معنای یک ریتم بر اساس جایی که روی پوست سر ظاهر میشود و آنچه باعث ناپدید شدن آن میشود تغییر میکند. به عنوان مثال، ریتمی در محدوده آلفا در پشت سر که با باز شدن چشم مسدود میشود، آلفای خلفی طبیعی است، اما ریتم مو (mu)، که یک نوسان در محدوده آلفا روی نواحی حرکتی است، زمانی که فرد حرکت میکند یا حرکت را تصور میکند، صاف میشود.
«کند شدن» چیست و چرا از نظر بالینی اهمیت دارد؟
کند شدن به ظهور امواج کندتر دلتا یا تتا در نواحی اشاره دارد که انتظار ریتمهای سریعتری میرود، چه در کل مغز و چه در یک جهت. این الگوی بالینی مهم است زیرا میتواند نشاندهنده کاهش جریان خون به بافت مغز باشد و آن را به یک نشانگر نویدبخش در شرایطی مانند سکته مغزی حاد تبدیل کند.
محدودیت ساختاری کلیدی آنالیز بصری EEG چیست؟
یک محدودیت عمده این است که ثبتهای استاندارد EEG فعالیتهای سریع بالای ۳۰ هرتز را فیلتر میکنند، به این معنی که یک متخصص مغز و اعصاب به سادگی نمیتواند نوسانات فرکانس بالا را ببیند که ممکن است به محلیسازی بافت مولد تشنج کمک کند. شناسایی این سیگنالها به تجهیزات ثبت تهاجمی نیاز دارد و مرز سختی را برای آنچه روش بصری میتواند تشخیص دهد ایجاد میکند.
چرا آنالیز بصری همچنان روش استاندارد برای خواندن EEG باقی مانده است؟
این روش به عنوان استاندارد بالینی باقی میماند زیرا روشی سریع و کاربردی است که به تجهیزات اضافی فراتر از ثبت EEG نیاز ندارد و بر اساس ریتمهای فیزیولوژیکی واقعی مغز ساخته شده است. این روش به عنوان نقطه شروع ضروری برای تفسیر عمل میکند، حتی در شرایطی که محدودیتهای آن توسط تکنیکهای محاسباتی جدیدتر که قادر به تکرار آنها نیست، تعریف میشود.
Emotiv یک شرکت پیشرو در فناوری عصبی است که با ابزارهای در دسترس EEG و دادههای مغزی به پیشبرد پژوهشهای علوم اعصاب کمک میکند.
کریستین بورگوس
