Auditoryjne potencjały wywołane (AEP)

Czym są słuchowe potencjały wywołane (AEP)?

Słuchowe potencjały wywołane to powiązane czasowo odpowiedzi elektryczne generowane przez układ nerwowy po stymulacji słuchowej. Małe elektrody umieszczone na skórze głowy rejestrują te odpowiedzi, podczas gdy komputer uśrednia powtarzane próby, aby oddzielić sygnał związany z bodźcem od bieżącej aktywności elektrycznej.

Metoda ta może dostarczyć informacji nawet wtedy, gdy dana osoba nie jest w stanie udzielić wiarygodnej odpowiedzi behawioralnej. Dlatego AEP są stosowane w audiologii, neurologii, badaniach naukowych oraz w wybranych sytuacjach monitorowania pacjenta.

Jak działają słuchowe potencjały wywołane

Typowy zapis rozpoczyna się od powtarzających się dźwięków podawanych przez słuchawki lub inny kontrolowany przetwornik. Dźwięk przemieszcza się przez ucho i aktywuje struktury neuronowe, które przenoszą informacje do mózgu; powstała aktywność elektryczna jest wykrywana na skórze głowy.

Ponieważ każda pojedyncza odpowiedź jest niewielka, wielokrotne prezentacje i uśrednianie sygnału pomagają ujawnić spójną falę. Latencja, amplituda i powtarzalność tego przebiegu fali są następnie analizowane w odniesieniu do postawionego pytania badawczego.

Sam zapis nie mierzy bezpośrednio zdolności słyszenia w taki sam sposób jak audiogram behawioralny. Zamiast tego mierzy fizjologiczne odpowiedzi związane ze stymulacją słuchową.

Rodzaje słuchowych potencjałów wywołanych

AEP są powszechnie grupowane według przybliżonego czasu, w którym występują ich odpowiedzi po stymulacji. Wczesne odpowiedzi są związane z szybkim przewodzeniem przez ślimak i pień mózgu, podczas gdy odpowiedzi o średniej i późnej latencji odzwierciedlają stopniowo późniejsze przetwarzanie neuronowe. Dokładne nazwy, parametry rejestracji i zastosowania różnią się w zależności od laboratoriów.

Poniższe ogólne porównanie pomaga odróżnić główne kategorie bez traktowania ich jako testów zamiennych:

Kluczowe komponenty AEP: N1, P2 i N1c

Najbardziej wyrazistymi falami rejestrowanymi na skórze głowy w odpowiedzi na dźwięk są ujemne wychylenie osiągające szczyt przy około 100 milisekundach (N1) oraz dodatnie wychylenie przy około 180 milisekundach (P2).

Poza głównymi komponentami AEP, badanie z udziałem muzyków pomogło wyodrębnić specyficzny podkomponent o nazwie N1c, który osiąga szczyt przy około 138 ms i uważa się, że odzwierciedla przetwarzanie wysokości widmowej dźwięku.

Używając modelowania ekwiwalentnego dipola prądowego, metody szacującej lokalizację aktywności mózgu na podstawie rozkładu potencjałów na skórze głowy, naukowcy przypisali N1c i P2 do przestrzennie rozdzielnych obszarów wtórnej kory słuchowej, która leży tuż obok pierwotnego obszaru odbiorczego słuchu. Wtórna kora integruje bardziej złożone cechy dźwięku niż prosta detekcja częstotliwości.

Badanie wykazało, że zarówno N1c, jak i P2 były większe u wysoko wyszkolonych skrzypków i pianistów w porównaniu z osobami niebędącymi muzykami, niezależnie od tego, czy bodźcem był dźwięk skrzypiec, pianina, czy ton czysty. To wzmocnienie odzwierciedlało długoterminową neuroplastyczną przebudowę stymulowaną przez ćwiczenie precyzyjnej dyskryminacji wysokości tonu. Wzmocnienie N1c było szczególnie wyraźne w prawej półkuli, co jest zgodne ze znaną specjalizacją prawych neuronów słuchowych w analizie wysokości widmowej.

Kiedy więc czepek EEG rejestruje fale N1c i P2, podsłuchuje populacje neuronów we wtórnej korze słuchowej, których właściwości odpowiedzi zostały ukształtowane przez wymagania wykonywanego zadania. To zależne od doświadczenia dostrajanie jest wyraźnym przykładem tego, jak korowe AEP stanowią odczyt strukturalnej zdolności mózgu do adaptacji.

Odpowiedź o średniej latencji (MLR) a łączność mózgowa

Podczas gdy komponenty takie jak N1 i P2 rejestrują późniejsze etapy przetwarzania korowego, wcześniejszy impuls aktywności korowej pojawia się w przedziale od 10 do 50 milisekund po dźwięku. Jest to odpowiedź o średniej latencji (MLR), która odzwierciedla początkowy napływ informacji wzgórzowo-korowych i pierwsze synapsy w pierwotnej korze słuchowej.

Zamiast występować w izolacji, MLR jest głęboko zintegrowana z tłem aktywności mózgu. Badania przeprowadzone przez Başara i wsp. wykazały ścisły związek między tą wczesną odpowiedzią a spontanicznymi oscylacjami o częstotliwości 40 Hz, naturalnie obecnymi w zapisie EEG.

Działając w paśmie częstotliwości gamma, ten rytm 40 Hz pomaga koordynować aktywność w rozległych sieciach neuronowych. Ponieważ amplituda MLR waha się w zależności od konkretnej fazy tych bieżących oscylacji, przetwarzanie sensoryczne okazuje się aktywnym, dynamicznym dialogiem, w którym nadchodzący dźwięk oddziałuje z istniejącym wcześniej stanem mózgu, zamiast przechodzić przez pasywny układ.

Ten ciągły mechanizm „bramkowania” oznacza, że identyczny dźwięk może wywołać nieco inne początkowe odpowiedzi korowe w zależności od precyzyjnego momentu, w którym dociera. W konsekwencji nowoczesne techniki analizy sygnałów pozwalają badaczom oceniać te interakcje w pojedynczych próbach, rzucając światło na to, jak uwaga i stan poznawczy modulują najwcześniejsze etapy przetwarzania słuchowego w mózgu.

Jak sen zmienia słuchowe potencjały wywołane

Przebiegi fal AEP są niezwykle wrażliwe na to, czy czuwamy, czy śpimy. Na przykład, Colrain i wsp. rejestrując potencjały słuchowe podczas czuwania oraz w stadium 1 i stadium 2 snu NREM, udokumentowali systematyczne zmiany w czasie i wielkości fal korowych.

Okazało się, że gdy mózg przechodził ze stanu spokojnego czuwania do stadium 2 snu, amplituda N1 (ujemność przy ~100 ms) znacząco spadała. Podczas gdy głośny dźwięk w stanie czuwania może wywołać wyraźną falę N1, ten sam dźwięk w stadium 2 wywołuje znacznie mniejszą odpowiedź.

Późniejsze fale również ulegają przekształceniu. Fala ujemna, która w stanie czuwania osiągała szczyt przy około 250 ms, przekształciła się w wolniejszą falę ujemną osiągającą szczyt przy 300 ms (zwaną N300), gdy tło EEG przeszło z dominacji rytmu alfa do dominacji rytmu theta przy przejściu do stadium 1.

Podobnie, fala dodatnia osiągająca szczyt wokół 300 ms (P300) w stanie czuwania przesunęła się na później, stając się falą P450 w stadium 2 snu. Ponadto w stadium 2 pojawił się zupełnie nowy komponent, N550, który był większy w odpowiedzi na rzadkie, nieoczekiwane bodźce niż na te częste. Według autorów był to znak, że pewien poziom różnicowania bodźców utrzymuje się nawet we wczesnej fazie snu, choć niekoniecznie jest powiązany ze świadomą uwagą.

Te zależne od stanu zmiany ilustrują, że AEP są wskaźnikiem ogólnego poziomu pobudzenia mózgu w czasie rzeczywistym. Kiedy neurolodzy i badacze snu mierzą AEP, pośrednio mierzą integralność wzgórzowo-korowych bramek mózgu. Brak tłumienia fali N1 podczas snu może na przykład wskazywać na stan nadmiernego pobudzenia, podczas gdy wyolbrzymiona fala N550 może odzwierciedlać nadreaktywny cykl snu.

Obiektywne badania słuchu przy użyciu technologii AEP

Jednym z najdłużej stosowanych zastosowań klinicznych AEP są badania słuchu. Tradycyjna audiometria wymaga od pacjenta podniesienia ręki lub naciśnięcia przycisku po usłyszeniu tonu, co jest niemożliwe w przypadku niemowląt, osób w śpiączce lub kogoś podejrzewanego o symulowanie utraty słuchu. AEP oferują w pełni obiektywną alternatywę, ponieważ odpowiedź mózgu może być wykryta bez jakichkolwiek dobrowolnych zachowań pacjenta.

Technika spektralno-fazowa zaproponowana przez Sayersa i wsp. idzie o krok dalej niż zwykła ocena kształtu fali. Badacze wykazali, że gdy dźwięk jest wyraźnie słyszalny (ponadprogowy), kąty fazowe składowych Fouriera sygnału EEG stają się bardzo spójne z jednej próby na drugą.

Dla kontrastu, gdy dźwięku nie ma, wartości faz rozkładają się równomiernie, niczym losowo rozrzucone wskazówki zegara. W miarę wzrostu intensywności dźwięku fazy skupiają się coraz ściślej wokół preferowanego kierunku. Testując statystycznie, czy to skupienie faz przekracza próg, klinicysta może obiektywnie zdecydować, czy układ słuchowy wykrył bodziec.

Ponieważ podejście to opiera się na nieodłącznym efekcie synchronizacji wywołanym usłyszanym dźwiękiem, nie zależy ono od uwagi ani współpracy słuchacza. Może być stosowane z klikami lub trzaskami tonowymi, a ta sama logika uśredniania, która wyodrębnia AEP, gwarantuje również, że spontaniczne wahania EEG nie zakłócą pomiaru fazy.

Dlatego metoda ta może otworzyć drogę do w pełni zautomatyzowanych, obiektywnych badań przesiewowych słuchu u wrażliwych grup pacjentów, od noworodków na oddziałach położniczych po pacjentów niekontaktujących na oddziałach intensywnej terapii.

Ocena podatności neurorozwojowej za pomocą AEP

Poza oceną słuchu, AEP są badane jako potencjalne biomarkery integralności kory mózgowej w schorzeniach psychiatrycznych. W jednym z wczesnych badań wykorzystano zapisy EEG i AEP u dzieci o wysokim ryzyku genetycznym schizofrenii – posiadających rodzica chorującego na schizofrenię – w porównaniu z dopasowaną grupą kontrolną o niskim ryzyku.

Dzieci z grupy wysokiego ryzyka wykazywały krótsze latencje w swoich słuchowych potencjałach wywołanych, co oznacza, że odpowiedzi ich mózgu pojawiały się szybciej niż u grupy kontrolnej. Taki wzorzec szybszego przetwarzania niekoniecznie jest lepszy; w rzeczywistości odzwierciedlał on wyniki zgłaszane wcześniej u dzieci psychotycznych oraz u dorosłych ze schizofrenią.

Badacze zaobserwowali również, że grupa wysokiego ryzyka miała więcej aktywności beta o wysokiej częstotliwości i mniej szybkich fal alfa w spoczynkowym EEG, wraz z większą ilością bardzo wolnej aktywności delta o niskim napięciu – co w połączeniu sugeruje zmieniony stan pobudzenia kory mózgowej.

Autorzy zasugerowali, że wzorzec krótszych latencji AEP, wraz z anomaliami EEG, może stanowić neurofizjologiczny znacznik podatności na schizofrenię. Co istotne, wyraźnie zaznaczyli, że odkrycie to wymaga potwierdzenia w badaniach podłużnych (longitudinalnych), zanim będzie mogło zostać wykorzystane do leczenia profilaktycznego.

Przyszłość słuchowych potencjałów wywołanych

Przyszły rozwój prawdopodobnie skupi się na poprawie spójności rejestracji, redukcji artefaktów oraz ułatwieniu porównywania protokołów między laboratoriami.

Lepsza kalibracja bodźców i standaryzowane raportowanie mogłyby pomóc w odróżnieniu rzeczywistych różnic fizjologicznych od różnic wywołanych przez sprzęt lub metody analizy. Metody przetwarzania sygnałów mogą również poprawić wykrywanie odpowiedzi w zaszumionych zapisach, chociaż wymagają one starannej walidacji.

Badania w coraz większym stopniu koncentrują się na tym, jak AEP odnoszą się do uwagi, uczenia się, percepcji mowy i zmieniających się stanów mózgu. Analizy pojedynczych prób, zapisy o wysokiej gęstości oraz połączone pomiary fizjologiczne mogą dostarczyć bogatszych informacji niż same tradycyjne, uśrednione przebiegi fal. Metody te wciąż jednak napotykają wyzwania związane z powtarzalnością, zmiennością osobniczą oraz oddzieleniem aktywności związanej z bodźcem od ciągłej aktywności mózgu.

Najbardziej użyteczny postęp zachowa równowagę między zaawansowaniem technicznym a przejrzystością kliniczną. Metoda dająca bardziej skomplikowany wynik nie staje się automatycznie bardziej informacyjna, jeśli jej założenia są trudne do zweryfikowania. W związku z tym jasne standardy odniesienia, dostępne procedury kontroli jakości i ostrożna interpretacja pozostaną niezbędne w miarę rozwoju AEP w ramach szerszej analizy danych EEG i praktyki neuronaukowej.

Co słuchowe potencjały wywołane mówią o adaptacyjności i stanie mózgu

Słuchowe potencjały wywołane oferują odczyt w czasie rzeczywistym tego, jak mózg przekształca dźwięk w znaczenie, pokazując, że proces ten nigdy nie jest stały ani pasywny.

Zmiany przebiegu fal obserwowane u wyszkolonych muzyków dowodzą, że nawet krótkie przetwarzanie sensoryczne jest stale kształtowane przez doświadczenie, podczas gdy efekty bramkowania oscylacji 40 Hz przypominają nam, że reakcja mózgu na identyczny klik zależy od momentu neuronowego, w którym on dociera.

Badania nad snem idą jeszcze dalej, pokazując, że ten sam dźwięk wywołuje dramatycznie różne sygnatury elektryczne w zależności od poziomu pobudzenia, co czyni AEP wiarygodnym wskaźnikiem globalnego stanu mózgu, a nie jego statycznym obrazem.

Pomiary te mają realną wartość, szczególnie w przypadku obiektywnych badań przesiewowych słuchu u niemowląt oraz pacjentów niekontaktujących, którzy nie mogą zgłosić tego, co słyszą, a podejście oparte na agregacji faz oferuje praktyczną, odporną na artefakty drogę do zautomatyzowanych testów.

We wszystkich tych zastosowaniach AEP najlepiej sprawdzają się jako metoda pomocnicza, która zyskuje na znaczeniu tylko wtedy, gdy jest połączona z oceną kliniczną i innymi źródłami danych.

Bibliografia

1. Shahin, A., Bosnyak, D. J., Trainor, L. J., & Roberts, L. E. (2003). Enhancement of neuroplastic P2 and N1c auditory evoked potentials in musicians. The Journal of Neuroscience, 23(13), 5545-5552. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.23-13-05545.2003

2. 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

3. Colrain, I. M., Di Parsia, P., & Gora, J. (2000). The impact of prestimulus EEG frequency on auditory evoked potentials during sleep onset. Canadian journal of experimental psychology = Revue canadienne de psychologie experimentale, 54(4), 243–254. https://doi.org/10.1037/h0087344

4. McA. Sayers, B., Beagley, H. A., & Riha, J. (1979). Pattern analysis of auditory-evoked EEG potentials. Audiology, 18(1), 1-16. https://doi.org/10.3109/00206097909072614

5. Itil, T. M., Hsu, W., Saletu, B., & Mednick, S. (1974). Computer EEG and auditory evoked potential investigations in children at high risk for schizophrenia. American Journal of Psychiatry, 131(8), 892-900. https://doi.org/10.1176/ajp.131.8.892

Często zadawane pytania

Czym są słuchowe potencjały wywołane (AEP) i jak są wykrywane?

Słuchowe potencjały wywołane (AEP) to niewielkie wahania napięcia w aktywności elektrycznej mózgu, rejestrowane ze skóry głowy za pomocą elektroencefalogramu (EEG), które występują w precyzyjnie określonych punktach czasowych po dotarciu dźwięku do ucha. Powstają one ze zsynchronizowanych potencjałów postsynaptycznych w populacjach neuronów wzdłuż całej drogi słuchowej, od stacji przekaźnikowych w pniu mózgu po korę słuchową.

Dlaczego uśrednianie sygnału jest konieczne, aby zobaczyć AEP w zapisie EEG?

Potencjały AEP są znacznie mniejsze niż bieżąca, podstawowa aktywność mózgu, dlatego zazwyczaj są niewidoczne w surowym zapisie EEG. Poprzez wielokrotne prezentowanie tego samego dźwięku – setki lub tysiące klików, tonów lub sylab mowy – i uśrednianie segmentów EEG, losowa aktywność tła znosi się wzajemnie, pozostawiając falę, która jest powiązana czasowo z bodźcem.

Co reprezentują komponenty N1, P2 i N1c i skąd pochodzą?

N1 to wychylenie ujemne osiągające szczyt około 100 milisekund, a P2 to wychylenie dodatnie około 180 milisekund, przy czym oba są kompozytami wielu nakładających się podkomponentów. Podkomponent N1c, osiągający szczyt w okolicach 138 ms, oraz komponent P2 zostały przypisane do przestrzennie rozdzielnych obszarów wtórnej kory słuchowej, która integruje bardziej złożone cechy dźwięku niż zwykła detekcja częstotliwości.

Jak trening muzyczny zmienia słuchowe potencjały wywołane?

Wykazano, że komponenty N1c i P2 są większe u wysoko wyszkolonych skrzypków i pianistów w porównaniu z osobami niebędącymi muzykami, niezależnie od tego, czy bodźcem był ton skrzypiec, ton pianina, czy ton czysty. To wzmocnienie odzwierciedla długotrwałą neuroplastyczną przebudowę napędzaną przez ćwiczenie precyzyjnego różnicowania wysokości tonu i było szczególnie wyraźne w prawej półkuli, co jest zgodne ze specjalizacją prawych neuronów słuchowych w analizie wysokości widmowej.

Co to jest odpowiedź o średniej latencji (MLR) i dlaczego ma znaczenie?

Odpowiedź o średniej latencji (MLR) to wczesny impuls aktywności korowej występujący w przedziale od 10 do 50 milisekund po dźwięku, odzwierciedlający początkowy rzut informacji wzgórzowo-korowych i pierwsze synapsy w pierwotnej korze słuchowej. Jej amplituda waha się w zależności od fazy bieżących oscylacji gamma o częstotliwości 40 Hz, co pokazuje, że przetwarzanie dźwięku nie jest pasywnym łańcuchem typu feedforward, lecz interakcją między nadchodzącym sygnałem a istniejącym wcześniej kontekstem neuronowym.

Jak słuchowe potencjały wywołane zmieniają się podczas snu?

Gdy mózg przechodzi ze stanu spokojnego czuwania do stadium 2 snu NREM, komponent N1 znacznie zmniejsza swoją amplitudę, podczas gdy późniejsze fale zmieniają swój kształt – fala P300 przesuwa się w czasie, stając się P450, i pojawia się nowy komponent N550, który jest większy w przypadku rzadkich, nieoczekiwanych bodźców. Te zależne od stanu zmiany służą jako wskaźnik ogólnego poziomu pobudzenia mózgu i integralności jego wzgórzowo-korowych bramek w czasie rzeczywistym.

W jaki sposób AEP umożliwiają obiektywne badania słuchu bez konieczności aktywnej reakcji pacjenta?

Tradycyjna audiometria wymaga od pacjenta naciśnięcia przycisku po usłyszeniu tonu, co jest niemożliwe u niemowląt, pacjentów w śpiączce lub osób podejrzewanych o symulowanie ubytku słuchu. AEP stanowią obiektywną alternatywę: gdy dźwięk jest wyraźnie słyszalny, kąty fazowe składowych Fouriera w EEG stają się wysoce spójne z próby na próbę, a klinicyści mogą statystycznie zbadać, czy skupienie faz przekracza próg, aby określić, czy układ słuchowy zarejestrował bodziec.