בכל שנייה שאתה ער, המוח שלך מייצר זרם מתמשך של פעילות חשמלית. בתוך הזרם הזה מוטמעים אותות קטנים הניתנים לשחזור, המתרחשים בתגובה ישירה לאירועים ספציפיים סביבך: נקישה, הבהוב של אור, מגע על העור.
תגובות אלו נקראות פוטנציאלים מעוררים, והן בין המדידות המתוזמנות בצורה המדויקת ביותר במדעי המוח.
מהו פוטנציאל מעורר?
פוטנציאל מעורר (evoked potential) הוא שינוי מובחן ומדיד במתח ה-EEG המתרחש מיד לאחר גירוי חיצוני. המילה "מעורר" מתייחסת לגורם הסיבתי: משהו קרה, והמוח הגיב. בינתיים, "פוטנציאל" מתייחס להפרש הפוטנציאל החשמלי המתפתח בין אלקטרודות הרישום על הקרקפת.
מה שהופך את האות הזה לשימושי מבחינה מדעית הוא תכונה הנקראת תזמון נעול-גירוי (stimulus-locked). התגובה העצבית עוקבת אחר הגירוי בעיכוב קצר וצפוי למדי, והיא נמדדת תמיד ביחס לרגע תחילת הגירוי.
במונחים מעשיים, חוקר המציג צליל דרך אוזניות או מציג תבנית חזותית מהבהבת על מסך מיישר כל תקופת EEG לרגע המדויק שבו ניתן הגירוי. כל שינוי חשמלי עקבי המופיע זמן קצר לאחר נקודת היישור הזו נחשב לחלק מהתגובה המעוררת.
זה שונה לחלוטין מהפעילות הספונטנית המתמשכת של המוח. המוח מייצר שדות חשמליים ברציפות, ללא קשר לשאלה אם קיים גירוי.
פוטנציאל מעורר הוא תגובה קטנה ונעולת-זמן הרוכבת על גבי הרקע הרגיל. פעילות ספונטנית נמשכת בין אם מתרחש גירוי ובין אם לאו. פוטנציאל מעורר מופיע רק מכיוון שהתרחש גירוי.
ניתן לעורר פוטנציאלים מעוררים בשתי דרכים כלליות:
קלט חושי טבעי: צליל, תבנית חזותית, מגע.
גירוי ניסויי ישיר של הקורטקס: למשל הפולסים המגנטיים המשמשים בגירוי מגנטי transcranial (TMS).
מאיפה מגיעים פוטנציאלים מעוררים
פוטנציאל מעורר הנרשם מהקרקפת הוא הפעילות החשמלית המצטברת של אוכלוסיות גדולות של נוירונים קורטיקליים.
המקור העיקרי לפעילות מצטברת זו הוא הפוטנציאל הפוסט-סינפטי. כאשר נוירון אחד שולח אות לאחר, הנוירון המקבל חווה שינוי חשמלי קטן בסינפסות שלו. פוטנציאל פוסט-סינפטי זה הוא המטבע הבסיסי של תקשורת עצבית.
בקורטקס, התורמים הגדולים והמסודרים ביותר הם תאי פירמידה, סוג של נוירונים מעוררים היוצרים סידורים שכבתיים על פני השטח הקורטיקלי. הסדירות הגיאומטרית הזו מאפשרת לפוטנציאלים הפוסט-סינפטיים שלהם להצטבר לשדות חשמליים קוהרנטיים.
לאחר מכן, שדות מקומיים אלה מתפשטים דרך רקמת המוח הסובבת, עוברים דרך נוזל המוח והשדרה המרפד את המוח, נעים דרך הגולגולת, ולבסוף מגיעים לקרקפת.
סוגי בדיקות פוטנציאלים מעוררים
סוג בדיקת הפוטנציאלים המעוררים הנבחר תלוי במערכת החושית או במסלול העצבי הנבדק. כל שיטה משתמשת בגירוי שונה ומקליטה פעילות ממיקומים שנבחרו כדי ללכוד את התגובה הרלוונטית.
למרות שההליכים חולקים עיקרון משותף, ההכנה שלהם, דפוסי צורת הגל והשימושים הקליניים שלהם שונים. הקטגוריות העיקריות הן בדיקות ראייתיות, שמיעתיות וסומטוסנסוריות.
פוטנציאלים מעוררים חזותיים (VEP)
פוטנציאלים מעוררים חזותיים מעריכים את הפעילות החשמלית הנוצרת לאורך מסלול הראייה, מהעיניים דרך עצבי הראייה ומבני הראייה לעבר החלק האחורי של המוח. פרוטוקול נפוץ מציג מסך עם דפוס, אם כי הגירוי המדויק יכול להשתנות בהתאם למסגרת הבדיקה. אלקטרודות על הקרקפת מתעדות את תגובת המוח בזמן שהאדם מתמקד במטרה החזותית.
בדיקת VEP יכולה לעזור לספק מידע תפקודי כאשר תסמינים חזותיים אינם מוסברים או כאשר קלינאים מעריכים פגיעה אפשרית במסלולי הראייה האופטיים או המרכזיים. התוצאה אינה מדד ישיר לחדות הראייה, ורישום תקין אינו שולל כל הפרעה בעיניים או במוח. גורמים כגון קשב, קיבוע ראייתי, תיקון רפרקטיבי ובהירות הגירוי יכולים להשפיע על צורת הגל.
בדיקת פוטנציאלים מעוררים שמיעתיים של גזע המוח (BAEP)
פוטנציאלים מעוררים שמיעתיים של גזע המוח מודדים תגובות חשמליות הנוצרות כאשר קול עובר דרך עצב השמיעה ומסלולי גזע המוח. נקישות או צלילים מבוססי טון מוצגים בדרך כלל דרך אוזניות, ואלקטרודות קרקפת מתעדות סדרה של תגובות המתרחשות תוך פרק זמן קצר לאחר כל צליל. צורת הגל מכילה מספר שיאים שתזמונם יכול לספק מידע על הולכה דרך חלקים רצופים של מסלול השמיעה.
בדיקת BAEP שימושית כאשר יש צורך להעריך את תפקוד מסלול השמיעה מבלי להסתמך לחלוטין על התגובה ההתנהגותית של האדם. היא עשויה לשמש בהערכות נוירולוגיות נבחרות, הערכות שמיעה ובמצבים בהם שיתוף הפעולה מוגבל. מכיוון שהרישום רגיש לרמת הגירוי, מצבי האוזן, מיקום האלקטרודות ורעש חשמלי, יש לשקול את התוצאות לצד מידע שמיעתי ונוירולוגי אחר.
פוטנציאלים מעוררים סומטוסנסוריים (SSEP)
פוטנציאלים מעוררים סומטוסנסוריים מעריכים מסלולים הנושאים תחושה מגפה לעבר חוט השדרה והמוח. פולסים חשמליים קלים מועברים לעצב היקפי, לעתים קרובות בפרק כף היד או בקרסול, בעוד התגובות נרשמות במספר נקודות לאורך המסלול. האותות המתקבלים יכולים לעזור להעריך האם ההולכה נשמרת דרך עצבים היקפיים, מבני עמוד השדרה ומסלולי תחושה מרכזיים.
בדיקת SSEP רלוונטית במיוחד כאשר קלינאים זקוקים למידע תפקודי על שלמות חוט השדרה או מסלול התחושה. היא יכולה לשמש גם במהלך הליכים כירורגיים נבחרים כדי לנטר את תפקוד המסלול לאורך זמן. הבדיקה אינה מודדת כל היבט של התחושה, ויש להבחין בין תגובה חריגה לבין השפעות הנגרמות מטמפרטורה, תנוחת הגפה, מחלת עצבים היקפיים, תרופות או הפרעות טכניות.
אתגרים ומשתנים במדידת פוטנציאלים מעוררים
אות האוכלוסייה המגדיר פוטנציאל מעורר מוטמע תמיד בתוך הפעילות החשמלית הספונטנית המתמשכת של המוח, ורקע זה בדרך כלל גדול יותר מהתגובה שהוא מקיף.
זה יוצר אתגר מעשי. אם ה-EEG הספונטני גדול מהתגובה המעוררת, ניסוי בודד לרוב אינו יכול לחשוף את האות נעול-הגירוי בבירור.
הפתרון הקלאסי הוא מיצוע אותות (signal averaging) שבו אותו גירוי מוצג פעמים רבות. כל תקופת EEG מיושרת לרגע המדויק של תחילת הגירוי, והניסויים המתקבלים ממוצעים יחד.
התגובה המעוררת, המתרחשת באותו עיכוב בכל ניסוי, שורדת את תהליך המיצוע. הפעילות הספונטנית, שאינה מסונכרנת לגירוי, נוטה להתבטל.
ניתוח ניסוי בודד ועיבוד אותות
למרות שמיצוע היה הגישה הסטנדרטית במשך עשורים, זהו אינו המסלול היחיד. בעזרת שיטות עיבוד אותות מתאימות, ניתוח ניסוי בודד (single-trial) הוא אפשרי.
מחקר של באשאר ושות׳ (Başar et al.) לגבי פעילות ספונטנית של 40 הרץ ופוטנציאלים מעוררים שמיעתיים דיווח כי שיטת ניתוח האותות המיושמת אפשרה בדיקת ניסוי בודד של תקופות EEG ופוטנציאל מעורר משולבות, במקום לדרוש צורת גל ממוצעת גדולה. לגישות של ניסוי בודד יש חשיבות מכיוון שהן שומרות על השונות בין ניסוי לניסוי שמיצוע מוחק.
מחברי אותו מחקר ציינו גם כי ניתן להרחיב את השיטה שלהם למחקרים על תהליכים קוגניטיביים, שבהם האות המשמעותי עשוי להשתנות מניסוי אחד למשנהו.
השפעת מצב המוח שלפני הגירוי
מצב המוח שלפני הגירוי (pre-stimulus state) יכול לעצב את גודל התגובה שבאה בעקבותיו. מחקר גירוי מגנטי transcranial של ארבעה גברים בוגרים בריאים קלינית בחן את הקשר הזה. חוקרים רשמו EEG ואלקטרומיוגרפיה תוך העברת פולסים מגנטיים לקורטקס המוטורי השמאלי ב-100% מסף המוטורי, עוצמת הפולס המעוררת באופן אמין תגובת שריר, ובקצב של 0.1 הרץ.
הם מצאו:
מתאם שלילי משמעותי (0.22−) עם עוצמת אלפא-גבוהה
מתאם חיובי משמעותי (0.17+) עם עוצמת גמא
המתאם החזק ביותר (0.27) עם היחס בין גמא-נמוכה לאלפא-גבוהה
המחברים פירשו מתאמים אלה כאינדיקטורים אפשריים לעוררות קורטיקלית. מוח הפועל במצב מופעל, עם יחסית יותר פעילות גמא ופחות אלפא, עשוי להגיב בצורה נמרצת יותר לפולס גירוי. מוח הנשלט על ידי מקצבי אלפא איטיים יותר עשוי להראות תגובה קטנה יותר.
אך המתאמים היו צנועים, והמדגם כלל ארבעה משתתפים בלבד. הממצאים מצביעים על קשר אמיתי בין פסי תדרים שלפני הגירוי לבין גודל התגובה המעוררת, אך הם אינם יכולים לעמוד בפני עצמם כמודל מוגמר.
מה בעם בעצם מעורר?
אתגר ליבה שני הוא לקבוע מה בדיוק מעורר מלכתחילה.
לא כל פוטנציאל המכונה "מעורר" מופק אך ורק על ידי הגירוי המיועד. לטכניקות גירוי מוחיות רבות יש תופעות לוואי תחושתיות מובנות שיכולות בעצמן לעורר תגובות מוחיות.
גירוי מגנטי transcranial (TMS) הוא מקרה בוחן שימושי. TMS משתמש בפולסים מגנטיים קצרים כדי לעורר אוכלוסיות של נוירונים באזור קורטיקלי ממוקד. אך הסליל המגנטי מייצר גם נקישה חזקה, והפולס יוצר תחושה פיזית על הקרקפת.
שתי ההשפעות ההיקפיות הללו הן אירועים תחושתיים בפני עצמם. הנקישה מפעילה את מערכת השמיעה, ותחושת הקרקפת מפעילה את המערכת הסומטוסנסורית.
המשמעות של עמימות זו הודגמה בניסוי משנת 2019 שבו השתתפו 17 צעירים בריאים. חוקרים העבירו TMS אמיתי מעל שני אזורים קורטיקליים, הקורטקס הפריאטלי האחורי השמאלי והפיתול המצחי העליון, ורשמו תגובות לגירוי דמה (sham) מציאותי שחיקה את הנקישה ואת תחושת הקרקפת מבלי לייצר פולס transcranial. הם נקטו באמצעי זהירות סטנדרטיים, כולל שכבת קצף מתחת לסליל ומיסוך רעש שמיעתי.
עם זאת, למרות אמצעים אלה, הפוטנציאלים הקורטיקליים שעוררו על ידי TMS אמיתי דמו מאוד לפוטנציאלים שעוררו על ידי ה-TMS הדמה המציאותי. המאפיינים הזמניים והמרחביים התאימו הן לרכיבים המוקדמים והן לרכיבים המאוחרים של התגובה.
זה לא אומר שפוטנציאלים מעוררים אינם תקפים. זה אומר שתגובה מוקלטת אינה אוטומטית התגובה לגירוי המיועד. מחברי המחקר הסיקו כי נדרשים תנאי בקרה רב-חושיים היקפיים במערכי TMS-EEG כדי להפריד בין רכיבים transcranial ללא-transcranial. ההיגיון מתרחב לכל שיטת גירוי עם תופעות לוואי תחושתיות הזקוקה לבקרה שמבודדת את מסלול המטרה.
מדוע פוטנציאלים מעוררים חשובים
הזהירות המתודולוגית שלעיל אינה סיבה לפסול פוטנציאלים מעוררים. היא חלק מהסיבה לכך שהם נותרו שימושיים. אות שניתן לתזמן, לרשום ולבקר במדויק הוא אות שניתן ליישם.
במחקר ובשדות הקליניים, פוטנציאלים מעוררים משמשים בדרך כלל כדי:
לבחון האם מסלולים תחושתיים שלמים
לנטר תגובות מוחיות במהלך הליכים רפואיים
לעצב ממשקי מוח-מחשב
ההיגיון מאחורי בדיקת מסלול תחושתי הוא שאם גירוי נע לאורך מסלול בריא מאיבר החוש אל המוח, תגובה נעולת-זמן צריכה להופיע בעיכוב הצפוי. תגובה מאוחרת או חסרה עשויה להצביע על הפרעה אי שם לאורך אותו מסלול.
מדוע אותות נעולי-גירוי מעצבים את מדעי המוח המעשיים
במדעי המוח, פוטנציאלים מעוררים מראים שניתן למדוד את תגובת המוח לעולם החיצון באמצעות שינויים חשמליים מתוזמנים במדויק בקרקפת. אותות אלה נובעים מאלפי נוירונים קורטיקליים הפועלים יחד, מה שהופך אותם לצוהר אמין לפעילות המוח ברמת האוכלוסייה, ולא לירי של תא בודד כלשהו.
אותה תכונת תזמון שהופכת אותם לניתנים לזיהוי יוצרת גם את אתגר הליבה המדעי: מקצבי מוח ספונטניים הם בדרך כלל גדולים יותר, ולכן הפרדת התגובה הנעולה דורשת ניסויים חוזרים ונשנים או ניתוח קפדני של ניסוי בודד. חוקרים זקוקים גם לתנאי בקרה כאשר הגירוי מביא עמו תופעות לוואי תחושתיות, מכיוון שהתגובה המוקלטת עשויה לשקף תוספות אלה ולא את הגירוי המיועד בלבד.
עוד לפני שגירוי מגיע, מצבו המתמשך של המוח יכול לעצב את גודל התגובה, כאשר פסי תדר מהירים יותר קשורים לתגובות חזקות יותר במחקרים שנסקרו. זה מצביע על מוח שאינו פסיבי פשוט; המקצב הפנימי שלו ברגע הקלט משפיע על מה שנמדד.
יתרה מכך, כלים מעשיים כמו ממשקי מוח-מחשב יכולים להשתמש בתכונות נעולות-התדר של פוטנציאלים מעוררים לניטור בזמן אמת, כגון זיהוי עייפות באמצעות שינויים בעוצמת ה-EEG. ובכל זאת, הראיות החזקות ביותר תומכות בתכונות האות הבסיסיות, בעוד ששימושים רחבים יותר נותרו מבטיחים אך לא הוכחו במלואם.
מקורות
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
שאלות נפוצות
מהו פוטנציאל מעורר?
פוטנציאל מעורר הוא שינוי מובחן ומדיד במתח ה-EEG המתרחש מיד לאחר גירוי חיצוני ובתגובה אליו (כגון אור, קול או מגע). הוא "נעול-גירוי", כלומר יש לו עיכוב צפוי בעקבות הגירוי.
במה שונים פוטנציאלים מעוררים מפעילות מוחית ספונטנית?
פעילות ספונטנית היא זרם חשמלי מתמשך ורציף של המוח המתרחש ללא קשר לגירויים חיצוניים. פוטנציאל מעורר הוא תגובה קטנה ומתוזמנת במדויק לאירוע ספציפי הרוכבת על גבי פעילות רקע זו.
מדוע משתמשים במיצוע אותות במחקר EEG?
פעילות מוחית ספונטנית היא בדרך כלל גדולה יותר מהתגובה המעוררת הקטנה, מה שמקשה על ראייתה בניסוי בודד. הצגת הגירוי מספר פעמים ומיצוע התקופות גורמים לפעילות הספונטנית האקראית והבלתי מסונכרנת להתבטל, בעוד שהפוטנציאל המעורר העקבי, נעול-הגירוי, שורד.
האם ניתוח ניסוי בודד של פוטנציאלים מעוררים הוא אפשרי?
כן. בעוד שמיצוע אותות הוא מסורתי, שיטות מתקדמות לעיבוד אותות מאפשרות ניתוח ניסוי בודד. גישה זו, כפי שנדונה במחקר של באשאר ושות׳, היא בעלת ערך רב מכיוון שהיא שומרת על השונות בין ניסוי לניסוי שמיצוע מוחק, דבר שימושי במיוחד לחקר תהליכים קוגניטיביים משתנים.
איזה תפקיד משחק מצב המוח שלפני הגירוי?
הפעילות המתמשכת של המוח מיד לפני גירוי משפיעה על גודל התגובה שבאה בעקבותיו. מחקר גירוי מגנטי transcranial מציע שמצב "מופעל" שלפני הגירוי (המאופיין בעוצמת גמא גבוהה יותר ועוצמת אלפא נמוכה יותר) נמצא במתאם עם תגובה חזקה ומעוררת יותר.
Emotiv היא מובילה בתחום הנוירוטכנולוגיה המסייעת לקדם מחקר במדעי המוח באמצעות כלי EEG נגישים וכלי נתוני מוח.
הבהרה רפואית: המידע המסופק באתר זה נועד למטרות חינוכיות ואינפורמטיביות בלבד ואינו מיועד לשמש כייעוץ רפואי או בריאותי. תוכן זה עלול להכיל שגיאות ואין להסתמך עליו לצורך קבלת החלטות משנות חיים בנושאי בריאות, רפואה או סגנון חיים. פנה תמיד לקבלת ייעוץ מהרופא שלך או מכל גורם רפואי מוסמך אחר בכל שאלה שעשויה להיות לך בנוגע למצב רפואי או לטיפול.
כריסטיאן בורגוס
