Analiza spoczynkowego EEG zwykle wystarcza na potrzeby wspomagania diagnozy za-burzeń pracy mózgu, czy też zaza-burzeń snu. Przedmiotem badań współczesnej neurofizjo-logii pozostają aktualnie znacznie bardziej skomplikowane w swej naturze procesy, jak na przykład wyższe funkcje poznawcze, działanie pamięci, zarówno krótko- jak również długotrwałej, czy korelaty emocji.
Nieprzetworzony sygnał EEG jest bardzo zgrubną miarą aktywności mózgu. Zazwyczaj reakcja na pojedynczy bodziec jest mała względem pozostałych aktywności zachodzą-cych w podobnym czasie i jednocześnie zawartych w zapisie EEG. Potencjały wywołane
Rozdział 2. Powstawanie i charakterystyka sygnału EEG 13
(ang. Event Related Potential, ERP) to bioelektryczne odpowiedzi mózgu, obserwowane w sygnale EEG na podawane bodźce. Stanowią cenne narzędzie nieinwazyjnego badania ludzkiego mózgu. Poprzez podawanie zaburzenia o kontrolowanych parametrach, moż-liwa jest obserwacja dynamiki reakcji oraz charakteru odpowiedzi mózgu. Uzyskiwane wyniki znajdują liczne zastosowania w badaniach poznawczych oraz diagnostycznych układu nerwowego [13, 14].
Klasyczne podejście do wyodrębnienia manifestacji elektrycznej podanego bodźca polega na uśrednieniu wielu fragmentów sygnału, zawierających odpowiedź na dane pobudzenie.
Technika ta opiera się na założeniu, że zawarta w EEG odpowiedź mózgu s(t) na każdy z kolejnych bodźców jest niezmienna. Innymi słowy występuje zawsze w tym samym mo-mencie czasu, oraz skutkuje pojawieniem się w sygnale struktury o ustalonym kształcie.
Jednocześnie zakłada się, że EEG odzwierciedlające pozostałe zachodzące procesy może zostać potraktowane jak nieskorelowany z odpowiedzią na bodziec proces stochastycz-ny n(t) o średniej równej zeru. Wówczas wynik uśredniania można przedstawić poprzez równanie:
w którym i numeruje kolejne N powtórzeń prezentacji bodźca. Łatwo stwierdzić, że czynnik zależny od n(t) staje się pomijalnie mały dla dostatecznie dużych wartości N . W klinicznej neurofizjologii jako potencjał wywołany ERP rozumie się właśnie uśrednio-ną odpowiedź na podawany bodziec [14]. Jakkolwiek możliwa jest interpretacja ERP w dziedzinie częstości, jednak analiza potencjałów wywołanych opiera się w dużej mierze na rozpoznawaniu tzw. załamków, czyli przejściowych wzrostów lub spadków amplitudy sygnału w uśrednionym przebiegu czasowym [13]. Dalsza analiza oparta jest na wielo-letnich doświadczeniach badaczy wynikających z obserwacji korelacji między latencją (pozycją w czasie ustalaną względem wystąpienia bodźca) i amplitudą dodatnich (po-zytywnych, P) i ujemnych (negatywnych, N) załamków uzyskanych przebiegów ERP, a behawioralnym bądź klinicznym stanem pacjenta. Przykładowy kształt ERP wraz z najważniejszymi załamkami przedstawiony został na rysunku 2.4.
Należy zauważyć, że oprócz aktywności, która jest fazowo związana z bodźcem, sygnał EEG zawiera często aktywność, która jest związana z bodźcem, ale nie jest to ścisły związek fazowy. Tego typu efekty widoczne są jako przejściowy spadek lub wzrost mo-cy w określonym paśmie częstości i są zwykle nazywane odpowiednio desynchronizacją (ERD) i synchronizacją (ERS) związaną z bodźcem [21–23]. Dla przykładu, pokazano, że kodowanie informacji o dźwięku wywołuje rozległe ERS w paśmie alfa, zaś wydobywaniu
Rozdział 2. Powstawanie i charakterystyka sygnału EEG 14
tej informacji z pamięci towarzyszy ERD w tym paśmie [24]. W ogólności, zmiany zwią-zane z bodźcem w pasmach teta, alfa i beta wydają się różnicować pomiędzy zmiennymi zadania, takimi jak zapamiętywanie i wydobywanie z pamięci, obciążenie pamięci i cha-rakterystyki bodźca [25]. Funkcjonalne aspekty ERD/ERS w różnych pasmach częstości są obecnie przedmiotem poszerzonych badań, nie są jednak istotne z punktu widzenia niniejszej pracy.
Jeszcze innym przejawem elektrycznej aktywności mózgu, którą można rejestrować przy pomocy aparatury EEG, są tzw. potencjały wywołane stanu ustalonego SSEP [26]. Po-wstają one w odpowiedzi na powtarzane ze stałą częstością bodźce słuchowe, wzrokowe lub czuciowe. Efektem takiej stymulacji jest pojawienie się w określonych obszarach kory mózgowej wzrostu amplitudy rejestrowanego sygnału w częstości korespondującej z czę-stością prezentowanego bodźca. Najczęściej wzrost amplitudy obserwowany jest również w odpowiednich częstościach harmonicznych. W zależności od charakteru stymulacji, zarejestrowane odpowiedzi nazywane są wzrokowymi potencjałami wywołanymi stanu ustalonego (ang. Steady State Visually Evoked Potentials, SSVEP) [27], słuchowymi potencjałami wywołanymi stanu ustalonego (ang. Auditory Steady State Evoked Po-tentials, ASSR) [28] lub czuciowymi potencjałami wywołanymi stanu ustalonego (ang.
Somatosensory Steady State Evoked Potentials, SSSEP) [29]. Szczegółowa charaktery-styka tych zjawisk i mechanizmy leżące u ich podstaw wciąż nie są dobrze poznane.
Ze względu na unikalne właściwości SSEP są szeroko wykorzystywane w badaniach pod-stawowych i zastosowaniach klinicznych. Zjawisko SSVEP umożliwia charakterystykę preferowanych częstości dynamicznych procesów zachodzących w korze. Stosuje się je w badaniach dotyczących poznawczych funkcji mózgu (uwaga wzrokowa, pamięć robocza,
Rysunek 2.4. Schemat załamków rozpoznawanych w słuchowych potencjałach wywołanych, na podstawie [3]. Skala czasu logarytmiczna. Najwcześniejsze (do 12 ms) składowe egzogenne to tzw. potencjały pniowe, oznaczane jako fale I–VII. Litery „P” i
„N” oznaczają odpowiednio dodatnie i ujemne wychylenia związane z późniejszymi załamkami.
Rozdział 2. Powstawanie i charakterystyka sygnału EEG 15
rywalizacja obuoczna) [30] oraz w badaniach klinicznych (starzenie, zaburzenia neuro-degeneracyjne, patologie oftalmiczne, schizofrenia, depresja, autyzm, migrena, lęk, pa-daczka) [31]. Znalazło również zastosowanie w projektowaniu interfejsów mózg-komputer (ang. Brain-Computer Interface, BCI) [32]. ASSR mogą być stosowane jako metoda dia-gnostyczna w audiologii [33], podczas gdy SSSEP znalazły zastosowanie w neurologii [34]. W porównaniu do potencjałów wywołanych SSEP charakteryzują się wyższym sto-sunkiem sygnału do szumu i są mniej podatne na zakłócenia o niskiej częstości, takie jak mrugnięcia. SSEP są powszechnie stosowane w badaniach neuropsychologicznych do badania procesów poznawczych i monitorowania uwagi pacjenta [34]. Oprócz ERP i ERD/ERS, są jednym z podstawowych zjawisk wykorzystywanych w aplikacjach BCI [35–40]. SSEP mogą również pomóc w lepszym poznaniu mechanizmów neuronalnych odpowiedzialnych za ich występowanie, które natomiast mogą zapewnić wgląd w funk-cjonowanie mózgu.