Điện thế gợi trong Điện não đồ (EEG)

Điện thế gợi là gì?

Điện thế gợi là một sự thay đổi rõ rệt, có thể đo lường được trong điện áp EEG xảy ra ngay sau một kích thích bên ngoài. Từ "gợi" (evoked) đề cập đến tác nhân gây ra: một điều gì đó đã xảy ra và não bộ đã phản hồi. Trong khi đó, "điện thế" (potential) đề cập đến sự chênh lệch điện thế phát triển giữa các điện cực ghi trên da đầu.

Điều làm cho tín hiệu này hữu ích về mặt khoa học là một đặc tính được gọi là định thời khóa kích thích (stimulus-locked). Phản ứng thần kinh theo sau kích thích với một khoảng trễ ngắn, có thể dự đoán được một cách hợp lý và luôn được đo lường dựa trên thời điểm bắt đầu kích thích.

Về mặt thực tế, một nhà nghiên cứu phát một âm thanh qua tai nghe hoặc nhấp nháy một mẫu hình ảnh trên màn hình sẽ căn chỉnh mọi kỷ nguyên EEG theo thời điểm chính xác kích thích được đưa ra. Bất kỳ sự thay đổi điện học nhất quán nào xuất hiện ngay sau điểm căn chỉnh đó đều được coi là một phần của phản ứng gợi.

Điều này về cơ bản khác với hoạt động tự phát đang diễn ra của não. Não tạo ra các trường điện liên tục, bất kể có kích thích hay không.

Điện thế gợi là một phản ứng nhỏ, bị khóa thời gian, đè lên trên hoạt động nền thông thường. Hoạt động tự phát vẫn tiếp tục cho dù kích thích có xảy ra hay không. Điện thế gợi chỉ xuất hiện vì có kích thích xảy ra.

Điện thế gợi có thể được kích hoạt theo hai cách rộng rãi:

1. Đầu vào giác quan tự nhiên: một âm thanh, một mẫu hình ảnh, một cái chạm.

2. Kích thích thực nghiệm trực tiếp lên vỏ não: Ví dụ như các xung từ trường được sử dụng trong kích thích từ xuyên sọ.

Nguồn gốc của Điện thế gợi

Điện thế gợi ghi trên da đầu là tổng hoạt động điện của các quần thể lớn tế bào thần kinh vỏ não.

Nguồn chính của hoạt động tổng hợp này là điện thế sau synap. Khi một tế bào thần kinh gửi tín hiệu đến một tế bào thần kinh khác, tế bào thần kinh nhận sẽ trải qua một sự thay đổi điện học nhỏ tại các synap của nó. Điện thế sau synap này là đơn vị cơ bản của truyền thông thần kinh.

Ở vỏ não, các tế bào đóng góp lớn nhất và có trật tự nhất là các tế bào hình tháp, một loại tế bào thần kinh kích thích tạo thành các sắp xếp phân lớp trên bề mặt vỏ não. Tính tuần hoàn hình học đó cho phép các điện thế sau synap của chúng cộng lại thành các trường điện nhất quán.

Sau đó, các trường cục bộ này lan truyền qua mô não xung quanh, đi qua dịch não tủy đệm cho não, đi qua hộp sọ và cuối cùng đến da đầu.

Các loại xét nghiệm điện thế gợi

Loại xét nghiệm điện thế gợi được lựa chọn tùy thuộc vào hệ thống giác quan hoặc con đường thần kinh được kiểm tra. Mỗi phương pháp sử dụng một kích thích khác nhau và ghi lại hoạt động từ các vị trí được chọn để thu nhận phản ứng liên quan.

Mặc dù các quy trình có chung một nguyên lý, nhưng sự chuẩn bị, các dạng sóng và ứng dụng lâm sàng của chúng lại khác nhau. Các danh mục chính là xét nghiệm thị giác, thính giác và cảm giác thân thể.

Điện thế gợi thị giác (VEP)

Điện thế gợi thị giác đánh giá hoạt động điện được tạo ra dọc theo con đường thị giác, từ mắt qua dây thần kinh thị giác và các cấu trúc thị giác về phía sau não. Một quy trình phổ biến là hiển thị một màn hình có hoa văn, mặc dù kích thích chính xác có thể thay đổi tùy theo môi trường thử nghiệm. Các điện cực trên da đầu ghi lại phản ứng của não trong khi cá nhân tập trung vào mục tiêu thị giác.

Xét nghiệm VEP có thể giúp cung cấp thông tin chức năng khi các triệu chứng thị giác không giải thích được hoặc khi các bác sĩ lâm sàng đang đánh giá khả năng bị suy giảm của các con đường thị giác trung ương hoặc dây thần kinh thị giác. Kết quả không phải là phép đo trực tiếp độ sắc nét của thị giác, và một bản ghi bình thường không loại trừ mọi bệnh lý về mắt hoặc rối loạn não bộ. Các yếu tố như sự chú ý, sự cố định thị giác, điều chỉnh tật khúc xạ và độ rõ nét của kích thích có thể ảnh hưởng đến dạng sóng.

Xét nghiệm điện thế gợi thính giác thân não (BAEP)

Điện thế gợi thính giác thân não đo lường các phản ứng điện được tạo ra khi âm thanh truyền qua dây thần kinh thính giác và các con đường thân não. Các âm thanh dạng click hoặc dạng âm thường được truyền qua tai nghe, và các điện cực da đầu ghi lại một loạt các phản ứng xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn sau mỗi âm thanh. Dạng sóng chứa một số đỉnh mà thời gian của chúng có thể cung cấp thông tin về sự dẫn truyền qua các phần liên tiếp của con đường thính giác.

Xét nghiệm BAEP hữu ích khi cần đánh giá chức năng con đường thính giác mà không phụ thuộc hoàn toàn vào phản ứng hành vi của một người. Nó có thể được sử dụng trong các đánh giá thần kinh được lựa chọn, đánh giá thính lực và các tình huống mà sự hợp tác bị hạn chế. Vì bản ghi nhạy cảm với mức kích thích, tình trạng tai, vị trí đặt điện cực và nhiễu điện, nên kết quả phải được xem xét cùng với các thông tin thính lực và thần kinh khác.

Điện thế gợi cảm giác thân thể (SSEP)

Điện thế gợi cảm giác thân thể đánh giá các con đường truyền cảm giác từ một chi về phía tủy sống và não. Các xung điện nhẹ được truyền đến một dây thần kinh ngoại biên, thường là ở cổ tay hoặc cổ chân, trong khi các phản ứng được ghi lại tại một số điểm dọc theo đường đi. Các tín hiệu kết quả có thể giúp đánh giá xem sự dẫn truyền có được bảo tồn qua các dây thần kinh ngoại biên, cấu trúc tủy sống và các con đường cảm giác trung ương hay không.

Xét nghiệm SSEP đặc biệt phù hợp khi các bác sĩ lâm sàng cần thông tin chức năng về tính toàn vẹn của tủy sống hoặc con đường cảm giác. Nó cũng có thể được sử dụng trong các quy trình phẫu thuật được lựa chọn để theo dõi chức năng con đường theo thời gian. Xét nghiệm không đo lường mọi khía cạnh của cảm giác, và một phản ứng bất thường phải được phân biệt với các tác động do nhiệt độ, vị trí chi, bệnh thần kinh ngoại biên, thuốc hoặc nhiễu kỹ thuật gây ra.

Thách thức và các biến số trong việc đo lường Điện thế gợi

Tín hiệu quần thể xác định một điện thế gợi luôn được nhúng bên trong hoạt động điện tự phát đang diễn ra của não, và nền đó thường lớn hơn phản ứng mà nó bao quanh.

Điều này tạo ra một thách thức thực tế. Nếu EEG tự phát lớn hơn phản ứng gợi, một thử nghiệm đơn lẻ thường không thể tiết lộ rõ ràng tín hiệu bị khóa kích thích.

Giải pháp cổ điển là trung bình hóa tín hiệu, trong đó cùng một kích thích được trình bày nhiều lần. Mỗi kỷ nguyên EEG được căn chỉnh theo thời điểm chính xác bắt đầu kích thích, và các thử nghiệm kết quả được tính trung bình với nhau.

Phản ứng gợi, xảy ra ở cùng một độ trễ trong mỗi thử nghiệm, sẽ tồn tại qua quá trình trung bình hóa. Hoạt động tự phát, không đồng bộ với kích thích, có xu hướng triệt tiêu lẫn nhau.

Phân tích thử nghiệm đơn lẻ và xử lý tín hiệu

Mặc dù trung bình hóa là phương pháp tiếp cận tiêu chuẩn trong nhiều thập kỷ, nhưng đó không phải là con đường duy nhất. Với các phương pháp xử lý tín hiệu thích hợp, việc phân tích thử nghiệm đơn lẻ là hoàn toàn khả thi.

Một nghiên cứu của Başar và các đồng nghiệp về hoạt động tự phát 40 Hz và điện thế gợi thính giác báo cáo rằng phương pháp phân tích tín hiệu được áp dụng cho phép kiểm tra thử nghiệm đơn lẻ đối với các kỷ nguyên kết hợp EEG và điện thế gợi, thay vì yêu cầu một dạng sóng trung bình lớn. Các phương pháp tiếp cận thử nghiệm đơn lẻ quan trọng vì chúng bảo tồn tính biến thiên giữa các thử nghiệm mà phương pháp trung bình hóa đã xóa bỏ.

Các tác giả của nghiên cứu đó cũng lưu ý rằng phương pháp của họ có thể được mở rộng sang các nghiên cứu về các quá trình nhận thức, nơi tín hiệu có ý nghĩa có thể thay đổi từ thử nghiệm này sang thử nghiệm tiếp theo.

Tác động của trạng thái não trước kích thích

Trạng thái trước kích thích của não có thể định hình kích thước của phản ứng theo sau. Một nghiên cứu kích thích từ xuyên sọ trên bốn nam giới trưởng thành khỏe mạnh về mặt lâm sàng đã khám phá mối liên hệ này. Các nhà nghiên cứu đã ghi lại EEG và điện cơ trong khi truyền các xung từ đến vỏ não vận động bên trái ở mức 100% ngưỡng vận động, cường độ xung kích hoạt phản ứng cơ một cách đáng tin cậy, và với tốc độ 0.1 Hz.

Họ phát hiện:

• Tương quan âm đáng kể (−0.22) với công suất alpha cao

• Tương quan dương đáng kể (+0.17) với công suất gamma

• Tương quan mạnh nhất (0.27) với tỷ lệ gamma thấp trên alpha cao

Các tác giả giải thích các mối tương quan này là các chỉ số có thể có của khả năng kích thích vỏ não. Một bộ não hoạt động ở trạng thái kích hoạt, với hoạt động gamma tương đối nhiều hơn và hoạt động alpha ít hơn, có thể phản ứng mạnh mẽ hơn với một xung kích thích. Một bộ não bị chi phối bởi nhịp alpha chậm hơn có thể cho thấy phản ứng nhỏ hơn.

Nhưng các mối tương quan này ở mức khiêm tốn, và mẫu chỉ có bốn người tham gia. Các phát hiện gợi ý một mối quan hệ thực sự giữa các băng tần số trước kích thích và kích thước phản ứng gợi, nhưng chúng không thể đứng riêng lẻ như một mô hình đã được thiết lập hoàn toàn.

Điều gì thực sự đang được gợi ra?

Thách thức cốt lõi thứ hai là xác định chính xác điều gì thực sự được gợi ra ngay từ đầu.

Không phải mọi điện thế được dán nhãn "gợi" đều được tạo ra hoàn toàn bởi kích thích dự kiến. Nhiều kỹ thuật kích thích não đi kèm với các tác dụng phụ về giác quan tích hợp mà bản thân chúng có thể kích hoạt các phản ứng của não.

Kích thích từ xuyên sọ (TMS) là một nghiên cứu điển hình hữu ích. TMS sử dụng các xung từ ngắn để kích thích các quần thể tế bào thần kinh ở vùng vỏ não mục tiêu. Nhưng cuộn dây từ cũng tạo ra một tiếng click lớn, và xung từ tạo ra một cảm giác vật lý trên da đầu.

Cả hai tác động ngoại biên này đều là các sự kiện giác quan theo cách riêng của chúng. Tiếng click kích hoạt hệ thống thính giác, và cảm giác da đầu kích hoạt hệ thống cảm giác thân thể.

Ý nghĩa của sự mơ hồ này đã được chứng minh trong một thí nghiệm năm 2019 liên quan đến 17 cá nhân trẻ khỏe mạnh. Các nhà nghiên cứu đã truyền TMS thực trên hai vùng vỏ não, vỏ não đỉnh sau bên trái và hồi trán trên, và ghi lại các phản ứng đối với một kích thích giả thực tế mô phỏng tiếng click và cảm giác da đầu mà không tạo ra xung xuyên sọ. Họ đã áp dụng các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn, bao gồm một lớp xốp bên dưới cuộn dây và làm nhiễu tiếng ồn thính giác.

Tuy nhiên, bất chấp những biện pháp này, các điện thế vỏ não được gợi ra bởi TMS thực rất giống với các điện thế được gợi ra bởi TMS giả thực tế. Các đặc điểm thời gian và không gian phù hợp cho cả các thành phần sớm và muộn của phản ứng.

Điều này không có nghĩa là các điện thế gợi là không hợp lệ. Nó có nghĩa là một phản ứng được ghi lại không tự động là phản ứng đối với kích thích dự kiến. Các tác giả nghiên cứu kết luận rằng các điều kiện kiểm soát đa giác quan ngoại biên là cần thiết trong các thiết kế TMS-EEG để tách biệt các thành phần xuyên sọ khỏi các thành phần không xuyên sọ. Logic này mở rộng cho bất kỳ phương pháp kích thích nào có tác dụng phụ về giác quan cần một biện pháp kiểm soát để cô lập con đường mục tiêu.

Tại sao điện thế gợi lại quan trọng

Sự thận trọng về phương pháp luận ở trên không phải là lý do để bác bỏ điện thế gợi. Đó là một phần lý do tại sao chúng vẫn hữu ích. Một tín hiệu có thể được định thời, ghi lại và kiểm soát một cách chính xác là một tín hiệu có thể được áp dụng.

Trong các lĩnh vực nghiên cứu và lâm sàng, điện thế gợi thường được sử dụng để:

• Kiểm tra xem các con đường giác quan có còn nguyên vẹn hay không

• Theo dõi phản ứng của não trong các thủ thuật y tế

• Thiết kế giao diện não-máy tính

Logic đằng sau việc kiểm tra con đường giác quan là nếu một kích thích truyền dọc theo một con đường khỏe mạnh từ cơ quan giác quan đến não, một phản ứng bị khóa thời gian sẽ xuất hiện ở độ trễ dự kiến. Một phản ứng bị trì hoãn hoặc vắng mặt có thể chỉ ra sự gián đoạn ở một nơi nào đó dọc theo con đường đó.

Tại sao các tín hiệu khóa kích thích định hình khoa học thần kinh thực tiễn

Trong khoa học thần kinh, điện thế gợi cho thấy phản ứng của não đối với thế giới bên ngoài có thể được đo lường thông qua các thay đổi điện học được định thời chính xác tại da đầu. Các tín hiệu này phát sinh từ hàng ngàn tế bào thần kinh vỏ não hoạt động cùng nhau, khiến chúng trở thành một cửa sổ đáng tin cậy để quan sát hoạt động của não ở cấp độ quần thể thay vì hoạt động của bất kỳ tế bào riêng lẻ nào.

Chính đặc tính định thời giúp chúng có thể nhận diện được cũng tạo ra thách thức khoa học cốt lõi: các nhịp não tự phát thường lớn hơn, vì vậy việc tách biệt phản ứng bị khóa đòi hỏi các thử nghiệm lặp đi lặp lại hoặc phân tích thử nghiệm đơn lẻ cẩn thận. Các nhà nghiên cứu cũng cần các điều kiện kiểm soát khi kích thích mang lại các tác dụng phụ về giác quan, bởi vì phản ứng ghi lại được có thể phản ánh những yếu tố bổ sung đó chứ không chỉ riêng kích thích dự kiến.

Trước khi một kích thích đến, trạng thái đang diễn ra của não có thể định hình mức độ lớn của phản ứng, với các băng tần số nhanh hơn liên kết với các phản ứng mạnh hơn trong các nghiên cứu được xem xét. Điều này chỉ ra một bộ não không chỉ đơn thuần là thụ động; nhịp nội tại của nó tại thời điểm đầu vào ảnh hưởng đến những gì được đo lường.

Hơn nữa, các công cụ thực tế như giao diện não-máy tính có thể sử dụng các thuộc tính khóa tần số của điện thế gợi để theo dõi thời gian thực, chẳng hạn như phát hiện mệt mỏi thông qua các thay đổi trong công suất EEG. Tuy nhiên, bằng chứng mạnh mẽ nhất vẫn hỗ trợ các đặc tính tín hiệu cơ bản, trong khi nhiều ứng dụng rộng rãi hơn vẫn đầy hứa hẹn nhưng chưa được chứng minh đầy đủ.

Tài liệu tham khảo

1. 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

2. 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

3. 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

Câu hỏi thường gặp

Điện thế gợi là gì?

Điện thế gợi là một sự thay đổi rõ rệt, có thể đo lường được trong điện áp EEG xảy ra ngay sau và phản hồi lại một kích thích bên ngoài (chẳng hạn như ánh sáng, âm thanh hoặc xúc giác). Nó được "khóa kích thích", nghĩa là nó có một khoảng trễ có thể dự đoán được sau kích thích.

Điện thế gợi khác với hoạt động não tự phát như thế nào?

Hoạt động tự phát là dòng điện trường liên tục, đang diễn ra của não xảy ra bất kể kích thích bên ngoài. Điện thế gợi là một phản ứng nhỏ, được định thời chính xác đối với một sự kiện cụ thể, đè lên trên hoạt động nền này.

Tại sao trung bình hóa tín hiệu được sử dụng trong nghiên cứu EEG?

Hoạt động não tự phát thường lớn hơn phản ứng gợi nhỏ, khiến nó khó nhìn thấy trong một thử nghiệm đơn lẻ. Việc trình bày kích thích nhiều lần và tính trung bình các kỷ nguyên làm cho hoạt động tự phát ngẫu nhiên, không đồng bộ bị triệt tiêu lẫn nhau trong khi điện thế gợi nhất quán, bị khóa kích thích vẫn tồn tại.

Phân tích thử nghiệm đơn lẻ của điện thế gợi có khả thi không?

Có. Mặc dù trung bình hóa tín hiệu là phương pháp truyền thống, các phương pháp xử lý tín hiệu tiên tiến cho phép phân tích thử nghiệm đơn lẻ. Cách tiếp cận này, như đã thảo luận trong một nghiên cứu của Başar và các đồng nghiệp, rất có giá trị vì nó bảo tồn tính biến thiên giữa các thử nghiệm mà phương pháp trung bình hóa xóa bỏ, điều này đặc biệt hữu ích cho việc nghiên cứu các quá trình nhận thức đang thay đổi.

Trạng thái não trước kích thích đóng vai trò gì?

Hoạt động đang diễn ra của não ngay trước khi có kích thích sẽ ảnh hưởng đến kích thước của phản ứng sau đó. Một nghiên cứu kích thích từ xuyên sọ gợi ý rằng trạng thái trước kích thích "được kích hoạt" (đặc trưng bởi công suất gamma cao hơn và công suất alpha thấp hơn) tương quan với một phản ứng mạnh hơn, dễ kích thích hơn.