צפיפות הספק ספקטרלית, או PSD, היא הכלי שמפרק אותות EEG ומספר לך כמה אנרגיה כל אחת מהמהירויות, או התדרים האלה, תורמת להקלטה הכוללת. ברגע שאתה יכול לקרוא תרשים PSD, אתה קורא סוג של מקצב מוחי, תרשים שמראה אילו קצבים דומיננטיים ואילו דועכים אל הרקע.
מהי צפיפות הספק ספקטרלית ב-EEG?
חשבו על אות ה-EEG הגולמי כאקורד המנוגן על ידי תזמורת שבה כל כלי נגינה הוא תדר שונה של גל מוח. אי אפשר לדעת לפי השמיעה בלבד כמה תורם כל כלי נגינה.
PSD פותר זאת על ידי חישוב משרעת האות בריבוע בכל תדר וממוצע של אותה מדידה לאורך פרק זמן של הקלטה. התוצאה היא עקומה עם תדר על ציר אחד והספק על הציר השני, המראה בדיוק כיצד הפעילות החשמלית של המוח מתפלגת על פני מקצבים איטיים ומהירים.
PSD דוחס תקופת הקלטה שלמה לתוך עקומה אחת, כך שהוא מוסר מידע על האיזון הכולל של התדרים במהלך אותו חלון זמן במקום לעקוב אחר האופן שבו התערובת משתנה משנייה לשנייה. זה חיוני מכיוון שמצב המוח של אדם יכול להשתנות במהירות, אך תרשים PSD סטנדרטי ממצע את השינויים הללו.
חוקרים שהשוו בין מערכות ברמה רפואית לבין headset מסוג EEG לצרכנים השתמשו בשיטת חישוב ספציפית למיצוע זה, הנקראת הפריודוגרמה המותאמת של ולץ' (Welch's modified periodogram), אשר מפרקת את ההקלטה למקטעים חופפים וממצעת את הספקטרום שלהם כדי להפיק אומדן PSD נקי יותר ופחות רועש.
סוג זה של שלב עיבוד אותות הוא נוהג מקובל להפקת עקומת PSD המשקפת את פעילות המוח הבסיסית ולא תנודות אקראיות.
חישוב צפיפות הספק ספקטרלית צעד אחר צעד
חישוב PSD כולל בדרך כלל רצף של החלטות לגבי איכות האות ועיבוד האות ולא פקודה בודדת. תחילה בודקים בהקלטה נתונים חסרים, ערוצים שאינם מתאימים וארטיפקטים בולטים. לאחר מכן, האנליסטים בוחרים מקטעים, מסירים או ממדלים מגמות איטיות בעת הצורך, מפעילים חלון (window), מעבירים את הנתונים לתחום התדר ומבצעים התאמת קנה מידה (scaling) לתוצאה.
יש לבחון את הספקטרום שמתקבל לצד סדרת הזמן המקורית, ובמידת הצורך, לצד הערות לגבי תנועה, הפרעות באלקטרודות, פעילות עיניים, פעילות שרירים או אירועים ניסויים. השוואה זו מסייעת להבחין בין דפוס מקצבי אמיתי לבין הפרעה חולפת שמייצרת במקרה הספק ספקטרלי.
ניתן לארגן תהליך עבודה מעשי בשלבים הבאים:
אימות קצב הדגימה, תוויות הערוצים, נקודת הייחוס ומשך ההקלטה.
זיהוי תקופות (epochs) שניתנות לשימוש וטיפול בארטיפקטים או במקטעים שנפסלו.
בחירת אורך המקטע, מידת החפיפה, החלון וטווח התדרים.
אמידה והתאמת קנה מידה של ה-PSD, ולאחר מכן בחינת שיאים והספק מוגבל-פס.
תיעוד הפרמטרים כך שניתן יהיה לשחזר ולהשוות את התוצאה.
שלבים אלה הופכים את החישוב לניתן למעקב. הם גם מונעים מצב שבו מתייחסים לספקטרום שנראה אטרקטיבי מבחינה חזותית כבלתי תלוי בבחירות הקדם-עיבוד והאמידה שיצרו אותו.
שיטות נפוצות: פריודוגרמה ושיטת ולץ'
פריודוגרמה מחשבת את גודל התמרת פורייה בריבוע עבור מקטע נבחר. היא פשוטה ויכולה לספק מרווח תדרים נומינלי עדין כאשר המקטע ארוך, אך האומדן שלה עשוי להשתנות באופן משמעותי מרווח תדרים (bin) אחד למשנהו. שונות זו רלוונטית במיוחד עבור הקלטות ביולוגיות רועשות.
שיטת ולץ' מחלקת את האות למקטעים חופפים, מחילה חלון על כל מקטע, מחשבת פריודוגרמה עבור כל אחד מהם וממצעת את התוצאות. מיצוע מניב בדרך כלל אומדן חלק יותר ובעל שונות נמוכה יותר, בעוד שהמקטעים הקצרים יותר עשויים להפחית את רזולוציית התדר. האיזון הטוב ביותר תלוי בשאלה אם הניתוח מדגיש שיאים צרים, פסים רחבים או פעילות ממוצעת יציבה.
ההבדל אינו קוסמטי בלבד. ספקטרום חלק יותר עשוי להקל על השוואה בין דפוסים רחבים, אך מיצוע מוגזם עלול לטשטש שינויים קצרי מועד או ממוקמים באופן צר. עבור EEG המשתנה בזמן, גישת זמן-תדר עשויה להתאים יותר מאשר PSD יחיד לאורך כל ההקלטה.
כיצד נראה ספקטרום EEG תקין במצב מנוחה
אם תושיבו אדם מבוגר בריא, תבקשו ממנו להירגע ותקליטו את ה-EEG שלו, לעקומת ה-PSD שתתקבל תהיה צורה מוכרת. ההספק הוא הגבוה ביותר בתדרים הנמוכים ביותר ויורד בהתמדה ככל שהתדר עולה, מה שמייצר ירידה דמוית 1/f.
עקומה יורדת זו משקפת את הרכיב הא-מחזורי (aperiodic) שתואר לעיל, ותלילותה נלכדת על ידי מספר בודד הנקרא המעריך הספקטרלי (spectral exponent), הנכתב לעיתים כ-β. ירידה תלולה יותר פירושה מעריך שלילי גדול יותר; ירידה מתונה יותר פירושה שההספק מפוזר באופן שווה יותר בין התדרים.
מעל ירידת רקע זו, מוח במנוחה עם עיניים עצומות מייצר בדרך כלל בליטה בולטת סביב 8 עד 12 הרץ, שיא האלפא. בליטה זו חזקה בדרך כלל בחלק האחורי של הראש. פתחו את עיניו של אותו אדם, ושיא האלפא הזה יתכווץ באופן ניכר.
השוואה ישירה שבוצעה על ידי Ratti et al. בין מערכות EEG ברמה רפואית לבין רצועות ראש לצרכנים תיעדה בדיוק דפוס זה: בכל המערכות שנבדקו, החותם המקצבי הגדול ביותר בנתונים היה מקצב אלפא אחורי שהגיב באופן צפוי למצבי עיניים עצומות לעומת עיניים פתוחות.
אותה השוואה העלתה גם שאלה מעשית יותר: אם מקליטים את אותו אדם פעמיים, בשני ביקורים נפרדים, האם עקומת ה-PSD נראית אותו הדבר?
התשובה הייתה תלויה במידה רבה באיכות הציוד. מערכות ברמה רפואית הפיקו נתוני PSD של אלקטרודת Fp1 (אלקטרודת Fp1 ממוקמת על המצח והייתה האלקטרודה האחת שהייתה משותפת לכל ארבע המערכות שנבדקו) שהיו עקביים בין הביקורים, בעוד שמערכת לצרכנים הראתה את השונות היחסית הגבוהה ביותר בין מפגשי בדיקה למפגשי בדיקה חוזרת. הדבר מלמד אותנו שעקומת PSD יציבה אינה רק תכונה של המוח, אלא גם תכונה של מידת הזהירות שבה נקלט האות.
כיצד הרדמה משנה את החותם הספקטרלי של המוח
ה-PSD הסטטי הופך לאינפורמטיבי במיוחד כאשר מצב המוח משתנה באופן דרמטי, ואין דוגמה ישירה יותר מהרדמה. מחקר משנת 2019 מאת Colombo et al. הקליט EEG במצב מנוחה אצל מתנדבים בריאים לפני ובמהלך הרדמה באמצעות שלושה חומרים שונים: קסנון, פרופופול וקטמין.
לאחר כל מפגש, החוקרים שאלו האם לאדם היה זיכרון כלשהו של חוויה מודעת במהלך תקופת חוסר התגובה, ובכך הבחינו בין מצבים שבהם דווח על מודעות לבין מצבים שבהם היא נראתה חסרה או בלתי נגישה לשליפה.
המעריך הספקטרלי עקב מקרוב אחר הבחנה זו. קסנון ופרופופול, שניהם חומרים הקשורים לאובדן חוויה מודעת, גרמו לירידה משמעותית במעריך הספקטרלי השלילי בקרב כל נבדק, כלומר עקומת ה-PSD הפכה לתלולה יותר באופן ניכר. נראה כי התללה זו בטווח הרחב של 1 עד 40 הרץ משמשת כמדד להיעדר חוויה מודעת ולא רק לחוסר תגובה פשוט.
קטמין הציג תמונה שונה. אף על פי שהנבדקים היו מחוסרי תגובה התנהגותית תחת קטמין, הם בדרך כלל שומרים על חוויה מודעת מסוימת, ודעיכת ה-PSD הכוללת נראתה דומה לערנות רגילה. היוצא מן הכלל היחיד היה שיטוח של העקומה ספציפית בטווח של 20 עד 40 הרץ, פרט המתיישב עם מנגנון הפעולה הייחודי של קטמין בהשוואה לשני החומרים האחרים.
אולי הראיה המשכנעת ביותר הייתה מתאם בין מעריך ספקטרלי זה לבין מדד נפרד שנגזר באופן עצמאי בשם Perturbational Complexity Index, או PCI, המופק מטכניקה שונה המגרה את המוח ומודדת עד כמה התגובה המתקבלת מורכבת. המתאם הגבוה בין שתי מדידות שונות מאוד אלו תומך ברעיון שהמעריך הספקטרלי אינו דפוס מקרי אלא סמן אמיתי הקשור לעצם קיומה של מודעות.
כיצד ADHD משנה את ספקטרום ההספק של ה-EEG
אותה ירידה א-מחזורית המשתנה תחת הרדמה מציגה הבדלים גם אצל ילדים עם ADHD. מחקר על ילדים בגילאי 3 עד 7, שהשווה בין ילדים עם ADHD לעמיתיהם עם התפתחות טיפוסית, מדד את השיפוע הספקטרלי ואת ה-offset (גובה העקומה הא-מחזורית) לצד מדדים מסורתיים יותר כמו תדר שיא האלפא ויחסי הספק בין פסים (band power ratios).
ילדים עם ADHD שטרם טופלו בתרופות הראו הספק אלפא גבוה יותר, ערכי offset א-מחזוריים גדולים יותר ושיפועים ספקטרליים תלולים יותר בהשוואה לילדים בעלי התפתחות טיפוסית. ראוי להתעכב על דפוס התללה זה, מכיוון שהוא מהדהד את אותו כיוון שינוי שנצפה במחקר ההרדמה, אף על פי שברור כי שני המצבים אינם ברי השוואה בחומרתם או במנגנון שלהם.
השיפוע הספקטרלי נמצא גם במתאם עם יחס תטא/בטא המסורתי ששימש במחקרי ADHD במשך שנים, מה שמצביע על כך שהשיפוע לוכד מידע חופף תוך שהוא עשוי להציע סמן נקי ומקיף יותר.
פרט נוסף מחזק ממצא זה. ילדים עם ADHD שטופלו בתרופות מעוררות הראו, גם לאחר תקופת התנקות (washout) של 24 שעות שבמהלכה ההשפעות הפעילות של התרופה היו אמורות להתפוגג, שיפועים ו-offsets שנראו דומים לאלה של הקבוצה בעלת ההתפתחות הטיפוסית.
הדבר מעלה את האפשרות שהדפוס הספקטרלי המשתנה ב-ADHD אינו קבוע, אם כי המחקר מציג זאת כרמז ולא כהשפעת טיפול מאומתת. מכיוון שבמחקרים קודמים קושר השיפוע הספקטרלי גם לתפקודים ניהוליים ולאיזון בין פעילות מוחית מעוררת למעכבת, החוקרים מציעים כי השיפוע המשתנה עשוי לשקף משהו משמעותי לגבי המצב הבסיסי, ולא להוות ארטיפקט סטטיסטי של חישוב יחס התטא/בטא.
קבוצה | שיפוע ספקטרלי | הספק אלפא | Offset |
|---|---|---|---|
התפתחות טיפוסית | שיפוע תקין | הספק תקין | Offset תקין |
ADHD, ללא טיפול תרופתי קודם | שיפוע תלול יותר | הספק גבוה יותר | Offset גדול יותר |
ADHD, מטופל במעוררים | דומה לטיפוסי | לא דווח | דומה לטיפוסי |
שימוש בצפיפות הספק ספקטרלית לסיווג התקפים אפילפטיים
מודעות וקשב אינם התחומים היחידים שבהם PSD סטטי מתגלה כמועיל. סיווג אפילפסיה מציע דוגמה חישובית ואוטומטית יותר.
גישה אחת המירה הקלטות EEG אפילפטיות למה שהחוקרים כינו דיאגרמות אנרגיה של צפיפות ספקטרום הספק, שהן בעצם ייצוגים חזותיים של ה-PSD, ולאחר מכן הזינה תמונות אלו לרשת עצבית קונבולוציונית עמוקה (CNN), סוג של מודל למידת מכונה המתאים היטב לזיהוי דפוסים בנתונים דמויי תמונה.
המודל אומן למיין מקטעי EEG לארבע קטגוריות:
בין-התקפי (בין התקפים)
שני חלונות קדם-התקפיים שונים (30 דקות ו-10 דקות לפני תחילת ההתקף)
מצב ההתקף עצמו
באמצעות שימוש במאגר נתוני אפילפסיה ציבורי, שיטה זו הגיעה לדיוק סיווג ממוצע של מעל 90 אחוז בכל ארבע הקטגוריות. התוצאה מאשרת כי הצורה הכוללת של ה-PSD הסטטי נושאת די מידע מבחין כדי שאלגוריתם יוכל להבדיל באופן מהימן בין מצבים מוחיים בעלי חשיבות קלינית אלה, ללא צורך במעקב אחר שינויים מאומתים מרגע לרגע באות.
יישומי מחקר של צפיפות הספק ספקטרלית
צורת עקומת צפיפות ההספק הספקטרלית שימשה לחקירת מגוון רחב של מצבי מוח, החל מירידה קוגניטיבית ועד למדיטציה ממוקדת. המחקרים הבאים השתמשו בטכנולוגיית Emotiv כדי ללכוד חותמות ספקטרליות אלו.
הבחנה בירידה קוגניטיבית באמצעות PSD במצב מנוחה
מחקר של EEG במצב מנוחה בדק האם צפיפות הספק ספקטרלית יכולה להבחין בין אנשים בריאים לבין אלו עם ליקוי קוגניטיבי. באמצעות headset מדגם Emotiv Epoc X בעל 14 ערוצים, החוקרים ניתחו PSD במהלך שתי דקות של מצב מנוחה בעיניים עצומות בקרב קבוצת ביקורת בריאה, אנשים עם ליקוי קוגניטיבי קל (MCI) וחולי דמנציה.
המחברים מדווחים כי ה-EEG הבדיל ביעילות בין חולי דמנציה לבין ביקורות בריאות, אך לא הראה הבדלים מובהקים בין קבוצת ה-MCI לקבוצה הבריאה. הדבר מצביע על כך שבעוד של-PSD הסטטי יש פוטנציאל מבטיח לזיהוי ירידה קוגניטיבית מתקדמת, הוא ניצב בפני אתגרים בזיהוי בשלבים מוקדמים, כפי שצוין במחקר על ליקוי קוגניטיבי.
השוואה בין אלקטרודות רטובות ויבשות למדידת PSD
סוג האלקטרודה המשמשת לקליטת EEG יכול להשפיע על צפיפות ההספק הספקטרלית המתקבלת. מחקר אחד השווה ישירות את ה-PSD שהתקבל מאלקטרודות רטובות ויבשות באמצעות שני מכשירי Emotiv: ה-Epoc X (רטוב) וה-Insight (יבש). ההקלטות נלקחו מאלקטרודות טמפורליות ואנטריור-פרונטליות לפני ואחרי משימת גירוי שמיעתי.
בהשוואה בין סוגי אלקטרודות נצפה כי אחוז הירידה ב-PSD לאחר הגירוי היה גבוה יותר עבור אלקטרודות רטובות מאשר עבור יבשות, מה שמדגיש שיקול מעשי עבור חוקרים המתכננים פרוטוקול מבוסס PSD.
שינויי PSD במהלך שירת מנטרות
צפיפות הספק ספקטרלית שימשה גם לחקירת פעילות המוח במהלך תרגולים מדיטטיביים. מחקר על מתרגלים מנוסים בדק את ההשפעה של שירת המנטרה "OM" על ה-EEG, שהוקלט באמצעות מכשיר Emotiv Flex בעל 32 ערוצים.
המחברים חישבו את ה-PSD באמצעות שיטת ולץ' ומצאו עליות מובהקות בהספק על פני פסי תדרים מרובים במהלך השירה, כולל אלפא, גמא, בטא ודלתא. המחקר על שירת מנטרות מדווח כי שינויי PSD אלה מצביעים על מצב של רגיעה ומיקוד עמוקים יותר במהלך התרגול.
השפעת קפאין על ספקטרום ההספק של ה-EEG
ההשפעה של חומר מעורר נפוץ על הפרופיל הספקטרלי של המוח נלכדה במחקר פיילוט תוך שימוש במערכת Emotiv Flex. חוקרים הקליטו EEG מאלקטרודות מרכזיות לפני ואחרי שהמשתתפים צרכו מנה מתונה של קפאין. ניתוח צפיפות ההספק הספקטרלית גילה עלייה מובהקת בדיכוי הספק אלפא מוחלט ובהגברת הספק בטא.
מחברי מחקר הפיילוט על קפאין מדווחים כי שינויי PSD אלה, שאושרו כתנודות אוסצילטוריות אמיתיות, מצביעים על עוררות קורטיקלית מוגברת הניתנת לזיהוי באמצעות חיישנים לבישים.
יחד, מחקרים אלה ממחישים את הרבגוניות של צפיפות הספק ספקטרלית ככלי ללכידת תמורות בפעילות המוח הקשורות לקוגניציה, לעוררות ולקשב ממוקד. אף שהממצאים מצביעים על דפוסים ספקטרליים עקביים במצבים שונים, הם נגזרו מאוכלוסיות מדגם ספציפיות, לעיתים קרובות קטנות, ובתנאים מבוקרים. המחקר אינו קובע כי PSD לבדו יכול לאבחן מצב כלשהו או לחזות את מצבו של אדם, אך הוא כן מצביע על כך שהמדד רגיש למגוון שינויים עצביים בעלי משמעות.
מלכודות נפוצות בעת פירוש PSD
עקומת PSD מהימנה רק במידת המהימנות של ההקלטה שממנה הופקה, וכמה סוגיות מעשיות עלולות לעוות את צורת העקומה הזו בדרכים שאין להן שום קשר לתפקוד המוח הבסיסי.
ארטיפקטים הם החשש המיידי ביותר. מצמוצי עיניים ותנועות שרירים מייצרים אותות חשמליים משלהם הנקלטים על ידי אלקטרודות הקרקפת, במיוחד באתרים קדמיים (פרונטליים).
ההשוואה בין מערכות EEG לצרכנים למערכות ברמה רפואית מצאה כי מכשירים לצרכנים היו מועדים יותר לזיהום מסוג זה, ורצועת ראש צרכנית אחת בפרט הראתה עלייה רחבת-פס בהספק לרוחב כל הספקטרום, חותם המתיישב עם ארטיפקט של שרירים ומצמוצים ולא עם מקצב עצבי אמיתי. לפיכך, ניקוי קפדני של הנתונים ובחירת מקטעים בעלי מיעוט ארטיפקטים לפני חישוב ה-PSD הם שלב הכרחי, ולא רשות.
הולכת נפח (Volume conduction) היא מגבלה נוספת הנדונה בהרחבה במחקרי EEG באופן כללי; מכיוון ששדות חשמליים מתפשטים דרך רקמות והגולגולת לפני שהם מגיעים לקרקפת, מקור פעילות יחיד במוח יכול להירשם במספר אלקטרודות סמוכות בו-זמנית, מה שמטשטש את הדיוק המרחבי
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
