Egzamin pisemny z Sygnałów Bioelektrycznych odbędzie się we wtorek 15 maja 2018 w godz. 9.45 – 11.00 w sali 1.03.Na egzamin ustny będzie można się zapisać po egzaminie pisemnym. Egzamin

Egzamin

Egzamin pisemny z Sygnałów Bioelektrycznych odbędzie się we wtorek 15 maja 2018 w godz.

9.45 – 11.00 w sali 1.03.

Na egzamin ustny będzie można się zapisać po egzaminie pisemnym.

Rytmy EEG

- Komórkowe i sieciowe mechanizmy generacji różnych wzorców w sygnałach EEG - Znaczenie różnych rytmów w procesowaniu informacji

- Wstępujące i zstępujące układy neuromodulacyjne kontrolujące rytmy EEG

- Transformacja normalnych wzorców aktywności w wyładowania epileptyczne

Fazy snu i czuwania w EEG

Rodzaje aktywności w EEG u człowieka. Różne wzorce aktywności związane są z różnymi stanami mózgu.

Sen i czuwanie – rytm okołodobowy

Obszary i drogi związane z rytmem okołodobowym u kręgowców. Drogi wzrokowe są zaangażowane w kontrolę rytmu okołodobowego. Pierwszorzędowym centrum kontroli jest jądro nadskrzyżowaniowe (SCN – suprachiasmic nucleus). SC – superior colliculus.

Rytm okołodobowy w jądrach nadskrzyżowaniowych

A, C. Korelacja aktywności jądra nadskrzyżowaniowego z cyklem okołodobowym u szczura (zwierze nocne). Autoradiogramy uzyskane metodą 2-deoxyglukozy (2DG). B, D – przekroje histologiczne pokazujące położenie jądra nadskrzyżowaniowego.

day night

Sen pasywny

Stan pobudzenia mózgu (arousal) jest związany z aktywnością tworu siatkowatego stymulowanego sygnałami sensorycznymi i pobudzającymi niespecyficzne jądra wzgórza, które wywołują ogólne pobudzenie kory. Uszkodzenie tworu siatkowatego wywołuje sen głęboki i blokuje stan pobudzenia wywołany stymulacja sensoryczną.

Teoria pasywna snu: sen – brak pobudzenia

REM - sen aktywny

Skany mózgu wykonane metodą Pozytronowej Tomografii Emisyjnej (PET) w stanie czuwania (awake), snu lekkiego (asleep) i snu REM. Obszary aktywne pokazane są kolorem czerwonym i żółtym, obszary

nieaktywne - kolorem niebieskim. Obraz PET w fazie REM wygląda podobnie do obrazu w stanie czuwania.

W fazie REM występuje ogólny wzrost aktywności neuronalnej, temperatura mózgu i metabolizm są takie same lub wyższe niż w stanie czuwania. Tętno wzrasta, zanika napięcie mięśni, za wyjątkiem mięśni

okołoocznych, ucha środkowego i przepony. Następuje również obniżenie mechanizmów

homeostatycznych: oddech jest nieczuły na zmianę CO

we krwi, a ciało przyjmuje temperaturę otoczenia.

Struktura snu

Sen składa się z naprzemiennych okresów snu głębokiego i płytkiego. Sen REM jest związany jest ze zmodyfikowanym stanem pobudzenia – wzrasta częstość serca lecz obniża się pobudzenie mięśni szkieletowych. W tej fazie snu występują ruchy gałek ocznych oraz marzenia senne. U ludzi długość jednego cyklu od non-REM do REM wynosi ok. 90-110 minut. Cykl powtarza się 4 do 6 razy w ciągu nocy. U dzieci występuje więcej snu głębokiego i fazy REM. U osób starszych sen jest płytszy, a wybudzenia częstsze.

Fazy snu

Zapisy EEG, EOG (elektrookulogram) i EMG (elektromiogram) w różnych fazach snu człowieka, Sen non-REM składa się z czterech faz. Faza 1 charakteryzuje się spowolnieniem EEG, faza 2 – wysokoamplitudowymi

kompleksami K i niskoamplitudowymi wrzecionami, W fazie 3 i 4 wystepuja wolne fale o duzej amplitudzie (delta). Faza REM charakteryzuje się zawartoscia wysokich czestosci w EEG, ruchami oczu i obnizeniem napiecia mięsni.

Mechanizmy snu

Schematyczny model grup neuronów i połączeń regulujących sen REM.

Rola snu

Rola snu: długość snu a masa ciała

mięsożerne roślinożerne

wszystkożerne zwierzęta lądowe

U zwierząt lądowych długość snu jest odwrotnie proporcjonalna do masy ciała - małe

zwierzęta śpią najwięcej. Proponowana rola snu: zachowanie energii? Małe zwierzęta mają duże wydatki energetyczne (termoregulacja, lokomocja), a mało rezerw energii. Sen jest

‘najwydajniejszym’ odpoczynkiem. Ale dlaczego nie jest to ‘zwykły’ odpoczynek?

Rola snu: konsolidacja pamięci

Konsolidacja pamięci proceduralnej w zależności od ilości snu. Z: Sleep-dependent memory consolidation. Robert Stickgold, Nature, Vol 437, 2005. „These results leave little doubt that sleep contributes to the consolidation of memories, especially their enhancement.”

gryzoń słoń

Różne typy pamięci. Deklaratywna (przywoływana) i niedeklaratywna

(nieświadoma). Pamięć deklaratywna może być epizodyczna (‘impreza była dobra!’) albo semantyczna (‘po zimie przychodzi wiosna’). Pamięć proceduralna –

przywoływana automatycznie (np. jak się parzy herbatę).

Memory consolidation The idea that either REM or NREM sleep is ‘absolutely required’ for memory consolidation has received much attention recently. I and others have reviewed this issue elsewhere and concluded that this is unlikely to be the case. Z:

Jerome M. Siegel, Clues to the functions of mammalian sleep, Nature, Vol 437, 2005

rozpoznanie orientacji linii ukośnych w tle linii pionowych

pisanie numerycznej sekwencja znaków np. 4-3-2-1-4 na klawiaturze

rysowanie linii na ekranie palmtopa pokonując ‘siłę’ działającą na linie

Rola snu: konsolidacja pamięci

a. Przebieg eksperymentu. b. Wyniki test pamięci deklaratywnej (różnica pomiędzy zapamiętywaniem słów przed snem i po snie). Lista zawierała 46 par słów, których trzeba był się nauczyć przed snem na poziomie przynajmniej 60%. Test przed i po snie polegal na odtworzeniu sparowanego wyrazu w podanej słowa. c. Wynik zadania pamięci proceduralnej (wystukiwanie

nauczonych sekwencji). Z : Marshall et al., Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature 444, 610–613 (2006).

gryzoń

Stymulacja elektryczna mozgu z czestoscia 0.75 Hz we wczesnej fazie NREM powoduje

poprawe pamieci deklaratywnej (lecz nie proceduralnej).

Rola snu – ‘sprzątanie’ mózgu

Marzenia senne

- Występują głównie w fazie REM snu. Sny pamięta 74% badanych wybudzonych w fazie REM vs. 10% wybudzonych w innych fazach. Nowsze badania: pamięć snu po fazie nie-REM sięga do 70 %.

-Allan Hobson (1977): sny są epifenomenem (produkt uboczny biochemicznej pracy mózgu) i nie mają funkcji adaptacyjnej.

-Calvin S. Hall (Western Reserve University) zebrał ponad 50,000 opisów snu w latach 1940- 1985 i opisal w The content analysis of dreams. Zawartość snów wiążę się z tym, co robimy w stanie czuwania (‘continuity hypothesis’).

-Mark Blechner (2001): podczas snów generowane są nowe pomysły poprzez losowe zestawienia myśli.

-LaBerge and DeGracia (2000): kombinacja nieświadomych i świadomych procesów (‘mental recombination’) – poprawia procesowanie informacji.

Carl Jung (1974): najważniejsze sny są produktem ‘nieświadomości zbiorowej’. Zawiera ona doświadczenia rasy ludzkiej w postaci "archetypów”. Główne archetypy Junga: anima/animus (żeńska/męska natura), cień (druga strona osobowości), persona (własny obraz zewnętrzny), dziecko, mędrzec, wielka matka, szatan, spryciarz (lis), bohater. Archetypy pojawiają się w snach, mitach oraz wizjach.

Archetyp bohatera Archetyp mędrca

Archetyp spryciarza

Generatory rytmów EEG – wrzeciona, kompleksy K i wolna oscylacja

Wrzeciona snu

składają się z dwóch rytmów. Rosnące i malejące

wrzecionowate fale o częstości 7-14 Hz, trwające 1-2

sekundy, występujące z częstością wolnej oscylacji 0.2-0.5 Hz.

Zapis u człowieka pochodzi z elektrod powierzchniowych podczas II fazy snu.

Zapis u naturalnie śpiącego kota

pochodzi z elektrod

implantowanych.

Wzgórze (thalamus)

Wzgórze – struktura podkorowa, odpowiada za wstępną analizę bodźców zmysłowych i

przesyłanie ich do kory mózgowej (oprócz węchu)

Generatory rytmów EEG – wzgórze

Wrzeciona generowane są we wzgórzu. Komórki przekaźnikowe wzgórza (Relay cells, Thalamocortical, TC) dostają wejścia sensoryczne (np. z siatkówki). Aksony komórek TC docierają do IV warstwy kory, a warstwa VI wysyła projekcje zwrotne do wzgórza, co tworzy pętlę korowo-wzgórzową. Komórki

siatkowate wzgórza (nucleus Reticularis thalami, nRT, Reticular cells, RE) tworzące ‘płaszcz’ otaczający wzgórze, są GABAergiczne i unerwiają gęsto komórki TC. W ten sposób zapewniają hamowanie ‘do przodu’ (feedforward) na drodze kora-wzgórze i hamowanie zwrotne (feedback) pomiędzy TC i RE.

Wzgórze i kora są pod kontrolą różnych układów modulujących m.in. cholinergicznego (ACh),

noradrenergicznego (NE), serotoninergicznego (5-HT), histaminergicznego (HA).

Badania in vitro

Komora in vitro pozwalająca na zapisy wewnątrzkomórkowe ze skrawków mózgu.

Manipulator z prawej strony służy do utrzymania elektrod, manipulatory z lewej strony służą

do aplikacji leków. Skrawki są utrzymywane w temperaturze 35

C przez 12 godzin.

Dwa rodzaje aktywności komórek wzgórza

Zapisy wewnątrzkomórkowe z komórek TC ukazujące dwa rodzaje aktywności. Niektóre komórki generują rytmiczne salwy potencjałów czynnościowych. Wstrzyknięcie prądu depolaryzującego zamienia salwy w pojedyncze potencjały czynnościowe. Usunięcie prądu przywraca wolny rytm.

Podobne własności wykazują komórki RE. Zmiany na poziomie pojedynczego neuronu odzwierciedlają

zmiany w EEG – rytmiczne salwy podczas rytmów snu i aktywność toniczna w czasie czuwania.

Oddziaływanie TC - RE

Równoczesne zapisy wewnątrzkomórkowe z neuronów TC i RE pokazują, że salwa potencjałów czynnościowych w

pojedynczej komórce RE wywołuje hamujące potencjały

postsynaptyczne w komórkach TC, mogące wywołać salwę po wyjściu z hiperpolaryzacji (E) .

Pojedyncza komórka TC w ciele

kolankowatym bocznym. Rozgałęzienia aksonu dochodzą do jądra siatkowatego, a akson główny początkuje drogę do kory wzrokowej.

Pojedyncza komórka RE w jądrze

siatkowatym. Aksony komórek RE unerwiają wyłącznie komórki TC.

TC RE

TC

RE

Oddziaływanie TC – RE cd

Salwa potencjałów czynnościowych w komórce RE wywołuje hamujące potencjały postsynaptyczne (IPSP) w komórce TC, mogące wywołać salwę po wyjściu z hiperpolaryzacji (rysunek D). Salwa w komórce TC wywołuje serię pobudzających potencjałów postsynaptycznych (EPSP) i wyładowanie w komórce RE (rysunek H). Wyładowanie w komórkach RE, inicjuje kolejny cykl oscylacji. Dwusynaptyczny obwód jest generatorem wrzecion in vitro.

TC RE

Generacja wrzecion i wyładowań epileptycznych

A. Potencjał polowy we wzgórzu. W sygnale przefiltrowanym widoczne są wrzeciona oraz wolna oscylacja. B. Generacja wrzecion in vitro w pętli RE – TC. Komórki RE hiperpolaryzują dużą liczbę komórek TC. Komórki TC wychodząc z hiperpolaryzacji odpalają salwę potencjałów czynnościowych, która aktywuje komórki RE i powoduje u nich odpalanie salwy i inicjację kolejnego cyklu. C. Blokada receptorów GABA_A powoduje dezinhibicję komórek RE i ich silniejsze wyładowania. Dłuższe salwy RE aktywują receptory GABA_B co prowadzi do wydłużenia hiperpolaryzacji, silniejszych salw w komórkach TC i synchronizacji aktywności.

W doświadczeniach in vitro, wrzeciona generowane są poprzez rytmiczne

oddziaływanie komórek RE z

komórkami TC. Izolowane komórki jądra siatkowatego wzgórza (RE) nie są w stanie generować rytmicznej

aktywności o częstości wrzecion.

Blokada receptorów GABA

prowadzi do transformacji wrzecion w

wyładowania przypominające

epileptyczne napady nieświadomości.

TC RE

TC

RE

Transformacja wrzecion w wyładowania epileptyczne in vivo

Systematyczna aplikacja penicyliny (blokera receptora GABA

) do kory kota prowadzi do transformacji

wrzecion w napady epileptyczne typu

‘iglica i fala’ (spike-wave).

Górny sygnał jest potencjałem polowym, dolny wykres ukazuje autokorelogram. Przy każdym rysunku podany jest czas od początku aplikacji penicyliny.

Transformacja wrzecion w aktywność epileptyczną w wyniku

rozległej aplikacji penicyliny do kory kota. Przed aplikacją stymulacja wzgórza (nucleus centralis medialis, NCM) prowadzi do odpowiedzi normalnej, po aplikacji – do patologicznej.

Generator wrzecion in vivo – jądro siatkowate wzgórza

Zapis górny: potencjał polowy w jądrze siatkowatym wzgórza (RE) po odcięciu

połączeń z korą, wzgórzem i pniem mózgu. Widoczne wrzeciona oraz wolna oscylacja.

Poniżej: zapisy EEG z kory po przecięciu połączeń kory ze wzgórzem. Widoczne fale delta, lecz wrzeciona są nieobecne.

In vivo generatorem wrzecion jest jądro siatkowate wzgórza.

Komórki RE są hamujące i są połączone zarówno

poprzez aksony, jak i złącza dendro-dendrytyczne.

Hipoteza generatora RE opiera się na:

1. Jądra RE pozbawione wejść generują wrzeciona oraz wolną oscylację.

2. Wrzeciona we wzgórzu i

korze zanikają po przecięciu

połączeń z RE.

Generator wrzecion in vivo – jądro siatkowate wzgórza

Symulacje komputerowe połączonych komórek RE. Oddziaływania pomiędzy dwoma komórkami RE generuje aktywność rytmiczną z przedziału 6-9 Hz.

Symulacje komputerowe sieci 100 połączonych komórek RE. Pokazane zapisy z 10 komórek oraz ich uśredniony potencjał błonowy. W wyniku aktywacji 20%

synaps NE/5HT (noradrenaliny/serotoniny) potencjał oscyluje w częstości 10-16 Hz. Wyłączenie aktywacji prowadzi do hiperpolaryzacji i zaniku aktywności, co może odpowiadać sytuacji in vitro.

Próba rozwikłania paradoksu istnienia różnych generatorów wrzecion in vivo i in vitro została podjęta z pomocą modelu komputerowego.

Gdy potencjał spoczynkowy komórek RE w modelu odpowiadał sytuacji in vitro (-65 mV – -85 mV), komórki nie były w stanie podtrzymać aktywności, gdyż potencjał spoczynkowy był zbyt blisko potencjału równowagi dla receptora GABA

(~ -80 mV).

Depolaryzacja komórek RE do

potencjału odpowiadającego sytuacji in vivo (-60 mV – -70 mV) wywołuje oscylacje o częstości wrzecion.

Depolaryzacja in vivo (symulowana w modelu) jest spowodowana działaniem neuromodulatorów – serotoniny i

noradrenaliny.

in vitro in vivo

Generator wrzecion – pełny obwód RE - TC - Cx

Góra: obwód trzech rodzajów komórek: RE komórki jądra siatkowatego wzgórza (reticular thalamic nucleus), TH-cx (komórki

wzgórzowo-korowe (thalamocortical), Cx komórki kory (cortex). Zapis EEG ukazuje wrzeciona i wolna oscylację.

Poniżej: zapisy wewnątrzkomórkowe u uśpionych kotów. W trakcie generacji

wrzeciona komórki TC odpalają salwy tylko w niektórych cyklach.

W nienaruszonym obwodzie RE-TC- Cx, komórki TC przyczyniają się do generacji wrzecion. Świadczy o tym m.in. fakt, że długość hyperpolaryzacji w komórkach TC ma wpływ na

częstość wrzecion. Bez komórek TC,

wrzeciona nie byłyby widoczne w

powierzchniowych zapisach EEG.

Generator wrzecion – pełny obwód RE - TC - Cx

Rola komórek kory polega na czasowo-przestrzennej

synchronizacji indywidualnych generatorów wrzecion we

wzgórzu.

Czasowo-przestrzenne mapy aktywności we wzgórzu. Strzałka wskazuje 1s. Każda kolumna reprezentuje 8 mm (8 elektrod) wzgórza, a kolor wskazuje wartość lokalnego potencjału polowego (mV). Po usunięciu kory mózgowej kota, aktywność wrzecion jest zachowana lecz ich synchronizacja maleje. Dolne panele pokazują korelację aktywności dla wszystkich możliwych par elektrod in vivo i w symulacji komputerowej.

Korowe napady nieświadomości

Podczas napadów

nieświadomości u kota,

komórki TC we wzgórzu są w stanie hieperpolaryzacji i nie wykazują aktywności.

Wskazuje to na korowy generator napadów.

Zapis pierwszy: napad nieświadomości u kota manifestujący się aktywnością ‘iglica-fala’ w EEG. Zapis drugi: aktywność komórki w korze motorycznej. Zapis trzeci: aktywność neuronu wzgórza. W trakcie napadu komórka wzgórza wykazuje toniczną hiperpolaryzację, z której wychodzi po zakończeniu napadu.

TC

Komórka piramidalna kory

EEG

‘Wzgórzowe’ napady nieświadomości w modelu pętli korowo-wzgórzowej

Zablokowanie receptora GABA_A we wzgórzu powoduje zmianę częstości oscylacji z 11 na 4 Hz i wydłużenie salw w komórkach RE oraz TC. W komórkach kory (PY i IN) następuje jedynie zmiana częstości. Potencjał polowy (field potentials) kory nie przypomina

‘iglicy i fali’.

‘Korowe’ napady nieświadomości w modelu pętli korowo-wzgórzowej

Blokada receptora GABA_A w korze prowadzi do transformacji wrzecion w synchroniczną aktywność ‘iglica i fala’ o częstości 3 Hz.

Generatory rytmów EEG – wolna oscylacja

A. Wolna oscylacja (~ 0.9 Hz) u kota widoczna w powierzchniowym i głębinowym EEG oraz zapisy wewnątrzkomórkowe z neuronu w korze motorycznej i z neuronu wzgórza. W części B widać powiększenia cyklu. Maksimum w EEG odpowiada potencjałom

czynnościowym w komórkach korowych. Po maksimum występuje krótka sekwencja wrzeciona w EEG. Komórka wzgórza generuje salwę z opóźnieniem 150-200 ms w stosunku do aktywności komórek kory.

Wolna oscylacja to rytm o częstości poniżej 1 Hz

Generatory rytmów EEG – wolna oscylacja cd

Dezorganizacja wolnej oscylacji w wyniku zablokowania synaps wewnątrz-korowych. Wykresy ukazują

sekwencyjne korelacje wzajemne (cross-correlation) zapisów wewnątrzkomórkowych z przedniej i tylnej części mózgu kota. Na schemacie mózgu widać położenie elektrod i miejsce aplikacji lidocainy (strzałka). Po aplikacji korelacje wzajemne maleją i tracą wyraźne centralne maksimum, co wskazuje na desynchronizację aktywności.

Wolna oscylacja jest zjawiskiem sieciowym (generatorem jest sieć neuronów kory, a nie

pojedyncze komórki lub lokalny obwód). Świadczą o tym: a) występowanie rytmu w korze po

usunięciu wzgórza, b) zanik rytmu we wzgórzu po usunięciu kory, c) zakłócenie rytmu po

zablokowaniu połączeń wewnątrz-korowych

Generatory rytmów EEG – kompleksy-K

Zapisy głębinowe (EEG) i wewnątrzkomórkowe z komórek TC i RE ukazujące ostrą iglicę, wolną falę i oscylacje wrzecionowatą.

Zespół grafoelementów składający się z ostrej iglicy, wolnej fali i

wrzeciona nazywa się kompleksem-K.

Wolna oscylacja grupuje rytmy EEG snu

A. Kompleksy-K w zapisie 3 fazy snu u człowieka. Oba kompleksy K są ‘umieszczone’ w wolnej oscylacji (~0.6 Hz). B. Uśredniony kompleks-K. C. Widmo mocy z elektrody C3. Trzy zakresy częstości zaznaczone zaznaczone są w okienku oraz w części D rysunku.

Wolna oscylacja łączy rytmy korowe w czasie snu (wrzeciona,

kompleksy-K i fale delta)

Generatory rytmów EEG – fale delta

Fale delta (3 - 4 Hz) pogrupowane wolną oscylacją (0.3 – 0.4 Hz). A. Zapis z komórki wzgórza. B. Od góry do dołu: zapis zewnątrzkomórkowy z komórki kory, lokalny potencjał polowy i zapis EEG. Kawałki sygnału oznaczone ‘*’ są pokazane w powiększeniu poniżej. C. Autokorelogramy dwóch komórek

korowych. Obie komórki wykazują wolną oscylacje, a komórka b dodatkowo wykazuje rytm delta.

Fala delta jest rytmem o częstości 1- 4 Hz występującym w 3 i 4 fazie snu. Istnieją dwa rodzaj fal delta – jeden z nich generowany jest w korze i nie zanika po usunięciu

wzgórza (mechanizm nieznany). Drugi rodzaj fal delta generowany jest we wzgórzu i nie zanika po usunięciu kory (mechanizm dobrze poznany).

komórka wzgórza

komórka kory LFP - kora EEG - kora

komórka kory - powiększenie

Generatory rytmów EEG – fale delta cd

A. Generacja fali delta w komórkach TC. B. Oscylacje delta w komórkach TC wywołane prądem

hiperpolaryzującym. Im większa hiperpolaryzacja (1 - 4), tym więcej cykli fal delta. Prąd depolaryzujący (strzałki) zatrzymuje oscylację, a jego usunięcie ją przywraca.

Wzgórzowa fala delta jest generowana wewnątrz komórek TC w wyniku

oddziaływania prądu wapniowego I

i prądu

I

aktywowanego hiperporalyzacją.

Wrzeciona i fale delta – zależność od potencjału błonowego w komórkach TC

Potencjał błonowy komórek TC odpowiada za przejście od wrzecion do fal delta. A-C ukazują zapisy wewnątrzkomórkowe komórki TC i EEG z obszaru kory motorycznej u kota. A. Brak rytmu w EEG jest związany z aktywnością toniczną komórki przy wysokim potencjale (-58 mV). B. Hiperpolaryzacja komórki (-64 mV) prowadzi do pojawienia się wrzecion (8 -10 Hz) w EEG pogrupowanych wolną oscylacją (~ 0.8 Hz). C. Dalsza hiperpolaryzuja (-75 mV) komórki zmienia wrzeciona w fale delta (3 - 4 Hz) również pogrupowane wolną oscylacją (~ 0.8 Hz).