Elke seconde dat je wakker bent, produceren je hersenen een continue stroom van elektrische activiteit. In die stroom liggen kleine, reproduceerbare signalen besloten die optreden als directe reactie op specifieke gebeurtenissen om je heen: een klik, een flikkering van licht, een aanraking van de huid.
Deze reacties worden geëvoceerde potentialen genoemd, en ze behoren tot de meest nauwkeurig getimede metingen in de neurowetenschap.
Wat is een geëvoceerde potentiaal?
Een geëvoceerde potentiaal is een duidelijke, meetbare verandering in de EEG-spanning die direct optreedt na een externe stimulus. "Geëvoceerd" verwijst naar de causale trigger: er gebeurde iets en de hersenen reageerden. Ondertussen verwijst "potentiaal" naar het elektrische potentiaalverschil dat ontstaat tussen de registratie-elektroden op de hoofdhuid.
Wat dit signaal wetenschappelijk nuttig maakt, is een eigenschap die we stimulus-locked (stimulus-gekoppelde) timing noemen. De neurale reactie volgt de stimulus met een korte, redelijk voorspelbare vertraging en wordt altijd gemeten ten opzichte van het moment waarop de stimulus begint.
In de praktijk lijnt een onderzoeker die een toon via een koptelefoon presenteert of een visueel patroon op een scherm flitst, elk EEG-tijdvak uit op het exacte moment waarop de stimulus werd toegediend. Elke consistente elektrische verandering die kort na dat uitlijnpunt verschijnt, wordt beschouwd als onderdeel van de geëvoceerde reactie.
Dit is fundamenteel anders dan de voortdurende spontane activiteit van de hersenen. De hersenen produceren continu elektrische velden, ongeacht of er een stimulus aanwezig is.
Een geëvoceerde potentiaal is een kleine, tijd-gekoppelde reactie die bovenop de gebruikelijke achtergrondactiviteit meelift. Spontane activiteit gaat door, of er nu een stimulus optreedt of niet. Een geëvoceerde potentiaal verschijnt alleen omdat er een stimulus heeft plaatsgevonden.
Geëvoceerde potentialen kunnen op twee manieren worden uitgelokt:
Natuurlijke zintuiglijke input: een geluid, een visueel patroon, een aanraking.
Directe experimentele stimulatie van de cortex: bijvoorbeeld de magnetische pulsen die worden gebruikt bij transcraniële magnetische stimulatie.
Waar geëvoceerde potentialen vandaan komen
Een vanaf de hoofdhuid geregistreerde geëvoceerde potentiaal is de opgetelde elektrische activiteit van grote populaties corticale neuronen.
De primaire bron van deze opgetelde activiteit is de postsynaptische potentiaal. Wanneer het ene neuron een signaal naar het andere stuurt, ervaart het ontvangende neuron een kleine elektrische verandering bij zijn synapsen. Deze postsynaptische potentiaal is de basisvaluta van neurale communicatie.
In de cortex zijn de piramidecellen de grootste en meest geordende bijdragers. Dit is een klasse van exciterende neuronen die gelaagde structuren vormen over het corticale oppervlak. Dankzij die geometrische regelmaat kunnen hun postsynaptische potentialen worden opgeteld tot coherente elektrische velden.
Vervolgens verspreiden deze lokale velden zich door het omringende hersenweefsel, passeren het hersenvocht dat de hersenen beschermt, reizen door de schedel en bereiken uiteindelijk de hoofdhuid.
Soorten geëvoceerde potentialen-onderzoeken
Het type geëvoceerde potentialen-onderzoek dat wordt gekozen, hangt af van het zintuiglijke systeem of de zenuwbaan die wordt onderzocht. Elke methode gebruikt een andere stimulus en registreert activiteit van locaties die zijn gekozen om de relevante reactie op te vangen.
Hoewel de procedures een gemeenschappelijk principe delen, verschillen hun voorbereiding, golfvormpatronen en klinische toepassingen. De belangrijkste categorieën zijn visuele, auditieve en somatosensorische tests.
Visual Evoked Potentials (VEP)
Visuele geëvoceerde potentialen beoordelen de elektrische activiteit die wordt gegenereerd langs de visuele baan, van de ogen via de oogzenuwen en visuele structuren naar de achterkant van de hersenen. Een algemeen protocol presenteert een patroon op een scherm, hoewel de exacte stimulus kan variëren afhankelijk van de testomgeving. Elektroden op de hoofdhuid registreren de reactie van de hersenen terwijl de persoon zich concentreert op het visuele doel.
VEP-onderzoek kan helpen bij het verstrekken van functionele informatie wanneer visuele symptomen onverklaard zijn of wanneer artsen mogelijke beschadiging van de oogzenuw of centrale visuele banen beoordelen. Het resultaat is geen directe meting van de gezichtsscherpte, en een normale registratie sluit niet elke oog- of hersenaandoening uit. Factoren zoals aandacht, visuele fixatie, refractiecorrectie en de helderheid van de stimulus kunnen de golfvorm beïnvloeden.
Brainstem Auditory Evoked Potentials (BAEP)-onderzoek
Hersenstam auditief geëvoceerde potentialen meten elektrische reacties die worden gegenereerd wanneer geluid door de gehoorzenuw en hersenstambanen reist. Kliks of toongeluiden worden doorgaans via een koptelefoon aangeboden, en hoofdhuid-elektroden registreren een reeks reacties die binnen een korte periode na elk geluid optreden. De golfvorm bevat verschillende pieken waarvan de timing informatie kan geven over de geleiding door opeenvolgende delen van de gehoorbaan.
BAEP-onderzoek is nuttig wanneer de functie van de gehoorbaan moet worden beoordeeld zonder volledig te vertrouwen op de gedragsreactie van een persoon. Het kan worden gebruikt bij geselecteerde neurologische evaluaties, gehooronderzoeken en situaties waarin de medewerking beperkt is. Omdat de registratie gevoelig is voor het stimulusniveau, de toestand van het oor, de plaatsing van de elektroden en elektrische ruis, moeten de resultaten in samenhang met andere gehoor- en neurologische informatie worden bekeken.
Somatosensory Evoked Potentials (SSEP)
Somatosensorische geëvoceerde potentialen evalueren de banen die het gevoel van een ledemaat naar het ruggenmerg en de hersenen geleiden. Milde elektrische pulsen worden afgegeven aan een perifere zenuw, vaak bij de pols of enkel, terwijl reacties op verschillende punten langs de route worden geregistreerd. De resulterende signalen kunnen helpen beoordelen of de geleiding behouden is door perifere zenuwen, ruggenmergstructuren en centrale sensorische banen.
SSEP-onderzoek is met name relevant wanneer artsen functionele informatie nodig hebben over de integriteit van het ruggenmerg of de sensorische banen. Het kan ook worden gebruikt tijdens geselecteerde chirurgische ingrepen om de baanfunctie in de loop van de tijd te bewaken. De test meet niet elk aspect van het gevoel, en een abnormale reactie moet worden onderscheiden van effecten veroorzaakt door temperatuur, positie van de ledematen, perifere zenuwziekte, medicijnen of technische interferentie.
Uitdagingen en variabelen bij het meten van geëvoceerde potentialen
Het populatiesignaal dat een geëvoceerde potentiaal definieert, is altijd ingebed in de voortdurende spontane elektrische activiteit van de hersenen, en die achtergrond is doorgaans groter dan de reactie die het omringt.
Dit zorgt voor een praktische uitdaging. Als het spontane EEG groter is dan de geëvoceerde reactie, kan een enkele meting (trial) het stimulus-gekoppelde signaal vaak niet duidelijk onthullen.
De klassieke oplossing is signaaluitmiddeling (signal averaging), waarbij dezelfde stimulus vaak wordt herhaald. Elk EEG-tijdvak wordt uitgelijnd op het exacte moment van het begin van de stimulus, en de resulterende metingen worden samen gemiddeld.
De geëvoceerde reactie, die bij elke meting met dezelfde latentie optreedt, blijft behouden bij het uitmiddelen. De spontane activiteit, die niet is gesynchroniseerd met de stimulus, heeft de neiging elkaar op te heffen.
Single-Trial Analyse en Signaalverwerking
Hoewel uitmiddelen al decennia de standaardaanpak is, is het niet de enige manier. Met de juiste signaalverwerkingsmethoden is single-trial analyse (analyse van één enkele meting) mogelijk.
Een studie van Başar et al. over 40 Hz spontane activiteit and auditief geëvoceerde potentialen meldde dat de toegepaste signaalanalysemethode inspectie van afzonderlijke metingen van gecombineerde EEG- en geëvoceerde potentiaaltijdvakken mogelijk maakte, in plaats van een grote uitgemiddelde golfvorm te vereisen. Single-trial benaderingen zijn belangrijk omdat ze de variabiliteit tussen metingen behouden die door uitmiddelen wordt gewist.
De auteurs van die studie merkten ook op dat hun methode zou kunnen worden uitgebreid naar onderzoeken naar cognitieve processen, waarbij het betekenisvolle signaal van de ene meting naar de volgende kan veranderen.
Invloed van de pre-stimulus hersentoestand
De pre-stimulus toestand van de hersenen kan de grootte van de daaropvolgende reactie beïnvloeden. Een transcraniële magnetische stimulatiestudie bij vier klinisch gezonde volwassen mannen onderzocht dit verband. Onderzoekers registreerden EEG en elektromyografie terwijl ze magnetische pulsen afgaven aan de linker motorische cortex op 100% motorische drempel (de pulsintensiteit die betrouwbaar een spierreactie uitlokt) en met een frequentie van 0,1 Hz.
Ze vonden:
Significante negatieve correlatie (−0,22) met hoog-alfa power
Significante positieve correlatie (+0,17) met gamma power
Sterkste correlatie (0.27) met de verhouding tussen laag-gamma en hoog-alfa
De auteurs interpreteerden deze correlaties als mogelijke indicatoren van corticale prikkelbaarheid. Hersenen in actieve toestand, met relatief meer gamma-activiteit en minder alfa-activiteit, reageren mogelijk krachtiger op een stimulatiepuls. Hersenen die worden gedomineerd door tragere alfaritmes vertonen mogelijk een kleinere reactie.
Maar de correlaties waren bescheiden en de steekproef bestond uit slechts vier deelnemers. De bevindingen suggereren een reële relatie tussen pre-stimulus frequentiebanden en de grootte van de geëvoceerde reactie, maar ze kunnen niet op zichzelf staan als een vaststaand model.
Wat wordt er nu eigenlijk geëvoceerd?
Een tweede kernuitdaging is het vaststellen van wat er in de eerste plaats precies wordt geëvoceerd.
Niet elke potentiaal die als "geëvoceerd" wordt bestempeld, wordt puur door de beoogde stimulus geproduceerd. Veel hersenstimulatietechnieken brengen ingebouwde zintuiglijke bijwerkingen met zich mee die zelf hersenreacties kunnen uitlokken.
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een nuttige casestudy. TMS maakt gebruik van korte magnetische pulsen om populaties neuronen in een gericht corticaal gebied te stimuleren. Maar de magnetische spoel produceert ook een luide klik, en de puls veroorzaakt een fysieke sensatie op de hoofdhuid.
Beide perifere effecten zijn op zichzelf staande zintuiglijke gebeurtenissen. De klik activeert het auditieve systeem en de sensatie op de hoofdhuid activeert het somatosensorische systeem.
Het belang van deze ambiguïteit werd aangetoond in een experiment uit 2019 met 17 gezonde jonge individuen. Onderzoekers pasten echte TMS toe op twee corticale gebieden, de linker posterieure pariëtale cortex en de gyrus frontalis superior, en registreerden de reacties op een realistische schijnstimulatie (sham) die de klik en de hoofdhuid-sensatie nabootste zonder een transcraniële puls te produceren. Ze pasten standaard voorzorgsmaatregelen toe, waaronder een schuimlaag onder de spoel en auditieve ruismaskering.
Ondanks deze maatregelen leken de corticale potentialen die door echte TMS werden opgewekt echter sterk op de potentialen die door de realistische sham-TMS werden opgewekt. De temporele en spatiële kenmerken kwamen overeen voor zowel vroege als late componenten van de reactie.
Dit betekent niet dat geëvoceerde potentialen ongeldig zijn. Het betekent dat een geregistreerde reactie niet automatisch de reactie is op de beoogde stimulus. De auteurs van het onderzoek concludeerden dat perifere multisensorische controlecondities vereist zijn in TMS-EEG-ontwerpen om transcraniële van niet-transcraniële componenten te scheiden. Deze logica geldt voor elke stimulatiemethode met zintuiglijke bijwerkingen die een controle vereist om de doelbaan te isoleren.
Waarom geëvoceerde potentialen belangrijk zijn
De bovenstaande methodologische voorzichtigheid is geen reden om geëvoceerde potentialen af te wijzen. Het is juist een van de redenen waarom ze nuttig blijven. Een signaal dat nauwkeurig kan worden getimed, geregistreerd en gecontroleerd, is een signaal dat kan worden toegepast.
Binnen het onderzoek en de klinische praktijk worden geëvoceerde potentialen veelvuldig gebruikt om:
Te testen of zintuiglijke banen intact zijn
Hersenreacties te bewaken tijdens medische procedures
Brain-computer interfaces te ontwerpen
De logica achter het testen van zintuiglijke banen is dat als een stimulus langs een gezonde route van het zintuig naar de hersenen reist, er een tijd-gekoppelde reactie zou moeten verschijnen met de verwachte latentie. Een vertraagde of afwezige reactie kan wijzen op een verstoring ergens langs die route.
Waarom stimulus-gekoppelde signalen de praktische neurowetenschappen vormgeven
In de neurowetenschappen laten geëvoceerde potentialen zien dat de reactie van de hersenen op de buitenwereld kan worden gemeten via nauwkeurig getimede elektrische veranderingen op de hoofdhuid. Deze signalen ontstaan uit duizenden corticale neuronen die samenwerken, waardoor ze een betrouwbaar venster bieden op hersenactiviteit op populatieniveau, in plaats van het vuren van een enkele cel.
Dezelfde timingeigenschap die hen herkenbaar maakt, zorgt ook voor de belangrijkste wetenschappelijke uitdaging: spontane hersenritmes zijn meestal groter, dus het scheiden van de gekoppelde reactie vereist herhaalde metingen of zorgvuldige single-trial analyse. Onderzoekers hebben ook controlecondities nodig wanneer stimulatie zintuiglijke bijwerkingen met zich meebrengt, omdat de geregistreerde reactie die extra's kan weerspiegelen in plaats van de beoogde stimulus alleen.
Nog voordat een stimulus arriveert, kan de voortdurende toestand van de hersenen bepalen hoe groot de reactie wordt, waarbij snellere frequentiebanden in de beoordeelde onderzoeken in verband werden gebracht met sterkere reacties. Dit wijst op hersenen die niet louter passief zijn; hun interne ritme op het moment van input beïnvloedt wat er wordt gemeten.
Bovendien kunnen praktische hulpmiddelen zoals brain-computer interfaces de frequentie-gekoppelde eigenschappen van geëvoceerde potentialen gebruiken voor real-time monitoring, zoals het detecteren van vermoeidheid via veranderingen in EEG-power. Toch ondersteunt het sterkste bewijs de basale signaaleigenschappen, terwijl veel bredere toepassingen veelbelovend blijven maar nog niet volledig zijn bewezen.
Referenties
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
Veelgestelde vragen
Wat is een geëvoceerde potentiaal?
Een geëvoceerde potentiaal is een duidelijke, meetbare verandering in EEG-spanning die onmiddellijk optreedt na en als reactie op een externe stimulus (zoals licht, geluid of aanraking). Het is "stimulus-gekoppeld", wat betekent dat het een voorspelbare vertraging heeft die volgt op de stimulus.
Hoe verschillen geëvoceerde potentialen van spontane hersenactiviteit?
Spontane activiteit is de voortdurende, continue stroom van elektrische velden van de hersenen die optreedt ongeacht externe stimuli. Een geëvoceerde potentiaal is een kleine, nauwkeurig getimede reactie op een specifieke gebeurtenis die bovenop deze achtergrondactiviteit meelift.
Waarom wordt signaaluitmiddeling gebruikt in EEG-onderzoek?
Spontane hersenactiviteit is doorgaans groter dan de kleine geëvoceerde reactie, waardoor deze in een enkele meting moeilijk te zien is. Door de stimulus meerdere keren aan te bieden en de tijdvakken uit te middelen, wordt de willekeurige, niet-gesynchroniseerde spontane activiteit opgeheven, terwijl de consistente, stimulus-gekoppelde geëvoceerde potentiaal overblijft.
Is single-trial analyse van geëvoceerde potentialen mogelijk?
Ja. Hoewel signaaluitmiddeling traditioneel is, maken geavanceerde signaalverwerkingsmethoden single-trial analyse mogelijk. Deze benadering, zoals besproken in een studie van Başar et al., is zeer waardevol omdat het de variabiliteit tussen metingen behoudt die door uitmiddelen wordt gewist, wat met name nuttig is voor het bestuderen van veranderende cognitieve processen.
Welke rol speelt de pre-stimulus hersentoestand?
De voortdurende activiteit van de hersenen direct voorafgaand aan een stimulus beïnvloedt de grootte van de daaropvolgende reactie. Een transcraniële magnetische stimulatiestudie suggereert dat een "geactiveerde" pre-stimulustoestand (gekenmerkt door een hogere gamma power en lagere alfa power) correleert met een sterkere, meer prikkelbare reactie.
Emotiv is een leider in neurotechnologie die helpt om neurowetenschappelijk onderzoek vooruit te helpen met toegankelijke EEG- en hersendatatools.
Medische disclaimer: De informatie op deze website is uitsluitend bedoeld voor educatieve en informatieve doeleinden en is niet bedoeld als medisch of gezondheidsadvies. Deze inhoud kan fouten bevatten en er mag niet op worden vertrouwd om levensveranderende keuzes te maken op het gebied van gezondheid, medische zaken of levensstijl. Vraag altijd advies aan uw arts of een andere gekwalificeerde zorgverlener met eventuele vragen over een medische aandoening of behandeling.
Christian Burgos
