MEDICINA
Gordana Tomljenović
Vek elektroencefalografije
Otkriće moždanih ritmova
Od kako je prvi EEG zapis moždanih talasa, 1924. godine, označio prekretnicu u medicini onog doba, elektroencefalografija je dala neprocenjiv doprinos neuronauci, razumevanju širokog spektra čovekovih kognitivnih sposobnosti
Osnovna neurofiziološka metoda koja registruje električnu aktivnost mozga, elektroencefalografija (EEG), u proteklih sto godina je revolucionarno unapredila naučno znanje o ljudskom mozgu, potpuno izmenivši načine na koje medicina proučava CNS (centralni nervni sistem). Od kako je prvi EEG zapis moždanih talasa, 1924. godine, označio prekretnicu u medicini onog doba, elektroencefalografija je dala neprocenjiv doprinos neuronauci, to jest razumevanju čovekovih kognitivnih sposobnosti (spoznaje stvarnosti, rasuđivanja), sve od percepcije pa do pamćenja. Takođe zahvaljujući specifičnom zapisu koji je rezultat EEG, elektroencefalogramu, ova metoda je sve vreme i nezamenjivo dijagnostičko oruđe u neurologiji, budući da na bezbedan i neinvazivan način obezbeđuje detekciju, definisanje i vođenje lečenja različitih moždanih poremećaja, uključujući epilepsiju. Beleženjem moždanih talasa, elektroencefalografija može da registruje ne samo fiziološka stanja, kao što su budnost i spavanje, već i patološke promene kao što su epilepsija, encefalopatija, moždani udar i druga oštećenja mozga.
Hans Berger |
Otkriće EEG
Gledajući unatrag kroz istoriju istraživanja mozga, vizualizacije moždanih procesa bila je jedan od osnovnih ciljeva istraživača. Prvi zapis moždanih talasa, ili nervnih oscilacija kod čoveka, načinio je nemački psihijatar Hans Berger, 6. jula 1924. godine, i to kod 17-godišnjeg dečaka koji je bio podvrgnut neurohirurškom zahvatu. Iako su mnogi naučnici u to doba već uspevali da realizuju električne snimke na životinjskom mozgu, ono što je izdvajalo Bergera - i što je, zahvaljujući njegovom radu, izrodilo modernu neuronauku - bila je Bergerova rešenost da otkrije fizičke osnove čovekove psihičke energije i čovekovih mentalnih sposobnosti. A svemu je doprineo i jedan “telepatski događaj”…
Kao 19-godišnjak, Hans Berger je (1893. godine) tokom manevarske vojne obuke pao s konja i umalo bio zgažen. Iako veoma daleko od mesta tog događaja, njegova sestra je istog dana, zbog lošeg predosećaja, poslala telegram sa pitanjem da li je sve u redu sa njenim bratom. Za mladog Bergera, uverenog da je svoje misli smrtnog straha nekako preneo na sestru, bio je to nesumnjiv slučaj „spontane telepatije“, te je odlučio da studira psihijatriju i da pokuša da otkrije na koji način misli mogu da putuju među ljudima. U svom životnom traganju za naučnom osnovom telepatije Berger je, međutim, dospeo u ćorsokak, ali su njegovi uporni pokušaji na tom naučnom putu dali neprocenjiv doprinos modernoj medicini i nauci: izumeo je uređaj koji očitava električnu aktivnost mozga.
Električnu aktivnost u moždanim hemisferama životinja, par decenija ranije, prvi su otkrili i predstavili britanski fiziolog Ričard Kejton (1875) i poljski fizičar Adolf Bek (1890), pritom ih detektujući nekom vrstom preteče EEG-a, elektrodama direktno postavljenim na površinu mozga eksperimentalnih životinja. Berger je, međutim, kroz niz eksperimenata tokom svoje rane karijere, merio zapreminu mozga i temperaturu, da bi proučavao promene pri čovekovim mentalnim procesima kao što su intelektualni rad, pažnja, ili želja. Zatim se okrenuo i pokušajima da snimi električnu aktivnost ljudskog mozga; koristeći pojačalo (sa vakuumskom cevi) za električne signale, nakon nebrojenih pokušaja, uočio je moždane talase. Ali, iako je prve njihove tragove u ljudskom mozgu snimio 1924. godine, Berger je svoje istraživačke rezultate objavio tek pet godina kasnije. U međuvremenu je, pun sumnji u sebe u vezi sa izvorom i prečišćavanjem otkrivenih signala, radeći gotovo u izolaciji i do granice iscrpljenosti, posmatrao otkrivenu ritmičku električnu aktivnost snimivši na stotine zapisa, na više osoba, uključujući i svoju decu. Ubeđen da ti zapisi registruju aktivnost koja potiče iz mozga, skovao je termin „elektroencefalogram“. I, konačno uveren u ispravnost svojih rezultata, 1929. godine je u časopisu “Arhiv psihijatrije” objavio seriju radova pod naslovom „O elektroencefalogramu čoveka“.
Istraživačka zajednica je ipak nastavila da sumnja u rezultate Bergerovih istraživanja, i protekla je puna decenija pre nego što je bilo ko od drugih naučnika počeo da koristi EEG u sopstvenom istraživanju. Hans Berger je kasnije nominovan za Nobelovu nagradu, 1940. godine, ali je nikad nije dobio, s obzirom na to da nagrada te godine, po izbijanju Drugog svetskog rata i zbog nemačke okupacije Norveške, nije dodeljena ni u jednoj kategoriji.
Moždani talasi i funkcije mozga
Pri istovremenoj aktivnosti velikog broja moždanih nerava nastaje električni signal koji je dovoljno jak da se trenutno širi kroz provodno tkivo mozga, lobanje i kože glave.
Ritmični ili ponavljajući obrasci nervne aktivnosti u centralnom nervnom sistemu (mozgu) nazivaju se nervnim oscilacijama, ili moždanim talasima. Nervno tkivo inače može da generiše oscilatornu aktivnost na mnogo načina, vođenu ili mehanizmima unutar pojedinačnih neurona ili interakcijama između neurona. U pojedinačnim neuronima, oscilacije mogu da se jave kao oscilacije membranskog potencijala, ili kao ritmički obrasci akcionih potencijala, pri čemu su oboje važni za stvaranje i prenošenje nervnih signala. Na nivou takozvanih nervnih ansambala, to jest velikih populacija ćelija nervnog sistema uključenih u određene nervne aktivnosti, sinhronizovana aktivnost velikog broja neurona može da dovede do makroskopskih oscilacija uočljivih na elektroencefalogramu.
Takođe, sa otkrićem EEG-a i detektovanjem nervnih oscilacija (moždanih talasa), pokazano je da nervna aktivnost mozga oscilira na određenim frekvencijama, pri čemu oscilatorna aktivnost neurona uglavnom proizlazi iz povratnih veza između nervnih ćelija. Ta interakcija između neurona u velikim populacijama može da dovede do oscilacija na frekvenciji različitoj od frekvencije pri pokretanju pojedinačnih neurona. Prvi otkriven primer ovih makroskopskih nervnih oscilacija jeste alfa aktivnost, koju je uočio i Hans Berger. Berger je, već u svojim prvim EEG snimcima 1924. Godine, primetio da preovlađuju nervne oscilacije mozga u rasponu od osam do 12 puta u sekundi (to jest od 8 do 12 Hz), koje su nazvane alfa oscilacijama - alfa moždanim talasima, koji su isprva nazvani Bergerovim talasima. Termine alfa i beta (moždani talasi) ovaj naučnik je upotrebio 1929. godine, u već pomenutim naučnom radu „O elektroencefalogramu čoveka“.
Od otkrića alfa ritmova, istraživači su nastojali da otkriju i kako i zašto neuroni osciluju. Tehnološka unapređivanja EEG-a omogućila su da se, pre svega, detektuje mnogo širi opseg frekvencija od alfa opsega, od veoma niskog (1 do 4 Hz) pa sve do značajno višeg (30 do140 Hz). Pokazano je, takođe, i da su nervne oscilacije prisutne kod svih sisara, kao i da su široko rasprostranjene u različitim regionima mozga te da su različiti frekventni opsezi kod čoveka povezani sa različitim stanjima svesti. Neuronaučnici su različite frekvencije moždanih talasa uspeli da povežu sa specifičnim moždanim funkcijama kao što su obrada informacija, percepcija, svest i pamćenje tokom budnog stanja, stanja sanjanja i meditacije… Nesumnjivo je pokazano da su neuronske oscilacije važne za efikasnu komunikaciju između specijalizovanih regiona mozga, to jest da su sve čovekove misli, emocije i ponašanja rezultat komuniciranja neurona u mozgu. Štaviše, neprestano su prisutne sve frekvencije nervnih oscilacija, ali ona koja u određenom trenutku dominira ukazuju na određenu vrstu moždane aktivnosti.
Precizna klasifikacija nervnih oscilacija prvi put je napravljena početkom osamdesetih godina prošlog veka (1974, prema rumunskom neuronaučniku M. Steriade), budući da su u to vreme oscilatorne granice između različitih moždanih talasa - alfa, beta, delta, teta i gama - uglavnom bile proizvoljno određivane. Prema najnovijim istraživanjima, najsporiji, delta talasi, koji imaju najniže frekvencije (0,5-4 Hz) karakteristični su za frontalni režanj, prednji cingularni korteks, parijetalni režanj i potiljačni režanj, i vezuju se za pažnju, emocije i dubok san (ili iscrpljenost). Teta moždani talasi (frekvencije od 4 do8 Hz) beleže se u prednjem cingularnom korteksu, hipotalamusu, entorinalnom korteksu, amigdali i hipokampusi, a povezuju se sa radnom memorijom i vizuelnim i jezičkim sistemima, i pamćenjem novih informacija. Alfa talasi, koji osciliraju na 8-12 Hz, javljaju se u parijetalnom i potiljačnom režnju i smatraju se odgovornim za kontrolu pamćenja i pažnje. Beta talasi (12-30 Hz) su karakteristični za motorni korteks, koji kontroliše planiranje i izvršenje pokreta, pažnju, i drugo. Najbrži, gama talasi (od 25 do 140 Hz), zastupljeni u regionima mozga kao što su amigdala, strijatum, hipotalamus i entorinalni korteks, učestvuju u kogniciji, formiranju pamćenja, pažnji i drugim funkcijama…
KOMUNICIRAĆEMO BEZ IZGOVORENE REČI? |
Da li će Veštačka inteligencija, zahvaljujući EEG, možda imati više uspeha u istraživanju fenomena telepatije od Hansa Bergera, koji je tome posvetio svoj kompletan naučni život? Da li bi sistemi AI mogli da budu osposobljeni da “čitaju misli” osobe na osnovu EEG zapisa? Jedno južnokorejsko istraživanje dubokog učenja (AI), koje je u februaru 2023. predstavljeno na 37. AAAI konferenciji o AI u Njujorku (SAD), pokazalo je da se neki aspekti mentalne aktivnosti zaista mogu dekodirati iz EEG-a.
U toj studiji se napominje da je prevođenje zamišljenog govora u ljudski glas, a na osnovu aktivnosti ljudskog mozga, veoma izazovno istraživačko pitanje koje bi moglo da obezbedi nova sredstva ljudske komunikacije putem moždanih signala. Autori pomenute studije predložili su sopstveni NeuroTalk model, koji pretvara neinvazivne moždane signale zamišljenog govora u sopstveni glas korisnika. Njihov dekoder za automatsko prepoznavanje govora doprineo je dekomponovanju fonema generisanog govora, demonstrirajući potencijal rekonstrukcije glasa iz zamišljenih reči. Ovi rezultati ukazali su na potencijal sinteze govora iz EEG signala, ne samo iz govora već i iz moždanih signala zamišljenog govora. Autori studije zaključuju da je “moguć svet u kome ćemo moći međusobno da komuniciramo a da pritom ne izgovorimo ni reč”. |
EEG u dijagnostici i lečenju
Da bi se snimila električna aktivnost mozga, određeni broj elektroda se postavljaju na površinu glave, što EEG čini neinvazivnom tehnikom, dostupnom i za ambulantnu upotrebu. Nedostatak metode je, pak, u tome što je relativno neprecizna - meri samo kumulativnu aktivnost velikog broja neurona na površini mozga, što je signal koji je dodatno zamućen lobanjom i mišićima između mozga i elektroda. Pojedinačni neuroni ili njihove manje mreže, kao i dublje regije mozga, nedostupni su za EEG i obično zahtevaju invazivne dijagnostičke tehnike. Ali, uprkos ograničenjima, iz očitavanja EEG-a se mogu dobiti veoma dragoceni podaci; štaviše, u prilog tome je i činjenica da se različite populacije neurona međusobno sinhronizuju na načine koji ne bi bili tako očigledni da je fokus na previše sitnim detaljima.
Već u prvoj deceniji primene elektroencefalografije, istraživači su primetili upadljive razlike između EEG zapisa u budnom stanju i u snu, kao i specifične EEG zapise kod obolelih od neuroloških oboljenja. Ali, kao jedan od prelomnih trenutaka u istoriji elektroencefalografije zabeležen je decembar 1934. godine, kad je grupa bostonskih lekara na EEG primetila ritmičnu pojavu šiljastog talasa kod pacijenata sa takozvanom „petit mal“ epilepsijom, vrstom epilepsije sa iznenadnim kratkotrajnim gubicima svesti. Tada je prvi put uočeno da su simptomi tokom epileptičnog napada u potpunoj korelaciji sa snimljenim moždanim signalom. Elektroencefalografija je potom veoma brzo evoluirala u glavni neurološki klinički alat, a prva klinička EEG laboratorija formirana je 1937. godine u SAD, u Opštoj bolnici u Masačusetsu.
Danas je elektroencefalografija nezaobilazna metoda za merenje električne aktivnosti mozga kod pacijenata kod kojih postoji sumnja na neurološke poremećaje, i već se uobičajeno koristi za dijagnozu epilepsije, poremećaja spavanja i praćenje lečenja neuroloških oboljenja. S obzirom na to da EEG kontinuirano očitava električnu aktivnost centralnog nervnog sistema, za medicinu je nezamenjiv “prozor” u živi ljudski mozak. Pritom, EEG snimanje može da bude kratko, najčešće oko 30 minuta, ali kod pacijenata kod kojih se prate efekti terapije ono može da traje i danima.
BEOGRADSKI SMARTING |
Prvobitna EEG oprema bila je glomazna i zahtevala je posebne laboratorijske uslove. Današnji uređaji su manji i jeftiniji, ali se i dalje koriste samo u laboratoriji ili bolnici. Sve to je, medutim, promenila beogradska kompanija „mBrainTrain”, (o kojoj je Planeta pisala još 2017. godine, http://www.planeta.org.rs/79/intro.php?page=medicina01), okupljena oko ideje da se promeni paradigma merenja EEG signala - da čovek čija se moždana aktivnost posmatra bude slobodan, da može da se kreće i opusti, da zaboravi da je ispitanik. Za savremenu medicinu i komfor pacijenta to je od velikog značaja, ali naučna ideja ove kompanije je bila da se omogući puna realizacija nemerljivog potencijala EEG, ne samo u medicine već i u svakodnevnom životu. Iako već veoma impresivan, niz dosadašnjih primena EEG-a samo je vrh ledenog brega u poredenju sa mogućnostima koje tek otvara Smarting, mobilni EEG uređaj kompanije “mBeainTrain”, koji može da se koristi u slobodnom okruženju, na više ispitanika koji su u interakciji i međusobno i sa okruženjem, kao uredaj koji u realnom vremenu obezbeđuje i praćenje moždanih aktivnosti i neurofeedback...
Smarting je mali mobilni EEG vrhunskog kvaliteta koji snimljene signale šalje na PC ili na mobilni telefon, te korisnik i u realnom vremenu može da analizira pristigle podatke. Težak svega 50 gr, nosi se kao kapa. Potpuno je „imun” na elektromagnetna zračenja, tako da je njegov zapis potpuno čist, bez obzira na ometanja iz okoline, i kvalitetniji je od zapisa klasičnih medicinskih EEG uređaja koji su tehnološki već zastareli. Mobilnost
i jednostavnost upotrebe Smartinga omogućava dovoljno duga merenja - u bilo kom okruženju i u bilo koje doba - za detekciju rizika za pojavu nekih bolesti, za ranu detekciju abnormalnih moždanih aktivnosti, za direktnu kvantifikaciju koja bi mogla da rešava probleme stresa, radne (ne)produktivnosti i mnoge druge, kao i za „trening" delova centralnog nervnog sistema oštećenih patološkim promenama (moždanim udarom, pre
svega). U ovom poslednjem slučaju, na primer, oporavak nakon moždanog udara postiže se retreniranjem motornog korteksa kako bi se omogućilo zdravom delu tkiva da preuzme funkciju oštećenog dela mozga.
Smarting je namenjen istraživanjima u neuromonitoringu i neurofeedback-u, ali i u terapijske svrhe, odnosno neurorehabilitaciji i kognitivnom antiaging-u. Ovaj pametni uređaj već ima više desetina korisnika u 15 najrazvijenih zemalja sveta, a mahom je reč o vrhunskim svetskim naučno-istraživačkim laboratorijama (na Oksford univerzitetu u Velikoj Britaniji, Univerzitetu Luven u Belgiji, “Maks Plank” institutu u Nemačkoj… U našoj zemlji ga koriste univerziteti u Beogradu, Novom Sadu, Kragujevcu i Novom Pazaru.
|
Elektroencefalografija je dijagnostički zlatni standard za potvrđivanje epilepsije, kao i za razlikovanje epileptičnih od drugih vrsta napada, kao što su psihogeni neepileptični napadi, sinkope (nesvestice), subkortikalni poremećaji kretanja i neki oblici migrene. Ova metoda je, takođe, od velikog značaja za dijagnostiku i terapiju brojnih drugih oboljenja, kao što su tumori na mozgu, oštećenje mozga usled povreda glave, moždane disfunkcije različitih uzroka, upale mozga (encefalitis), poremećaji spavanja… Kod pacijenata u komi može da pomogne u prognozi, ili da posluži kao dodatni test za potvrđivanje moždane smrti. U intenzivnoj nezi, elektroencefalografija može da se koristi za praćenje dejstva sedativa/anestezije kod pacijenata u medicinski indukovanoj komi, a u slučajevima kad se nakon srčanog zastoja sumnja na značajnu povredu mozga, EEG može da pruži dragocene prognostičke informacije.
EEG u neuronauci
I neuronauka, koja istražuje strukturu i funkcije mozga i svoja znanja široko primenjuje za dijagnostikovanje neuroloških poremećaja, takođe beleži vek razvoja. U tom vremenu je, sa razvojem istraživačkih metoda, njen fokus postepeno prelazio sa strukture mozga na moždane funkcije. S obzirom na činjenicu da reakcija moždanog nerva čini jezgro ljudske kognicije, sve bolja identifikacija nervnog odgovora mozga doprinosila je identifikaciji važnih čovekovih kognitivnih funkcija, razvoju inteligentnih algoritama i unapređenju medicinskog razvoja u vezi sa neurološkim bolestima.
Kad je reč o najsavremenijim istraživačkim alatima neuronauke, danas su, uz elektroencefalografiju (i intrakranijalnu elektroencefalografiju - iEEG), dostupne i nove slikovne metode - funkcionalna magnetna rezonanca (fMRI), magnetoencefalografija (MEG), pozitronska emisiona tomografija (PET), kao i optogenetske metode. Ipak, EEG/iEEG je najčešće korišćen alat za funkcionalno snimanje mozga zbog svoje dobre vremenske rezolucije i niske cene EEG opreme. Uprkos tome što električni signali uhvaćeni EEG-om imaju, pak, lošu prostornu rezoluciju, pa i odnos signal-šum jer prolaze kroz lobanju, EEG je neinvazivna tehnologija i, zahvaljujući tome, ima značajno širok spektar primene. Otuda se EEG/iEEG sve vreme primenjuje i u neuronaučnim istraživanjima, što je dovelo do velikih otkrića o načinima na koje mozak obrađuje informacije u mnogim kognitivnim domenima - kako percipira svet oko sebe, kako fokusira pažnju, kako komunicira uz pomoć jezika, ili kako obrađuje emocije. Sa napretkom na polju računarstva i tehnologije, EEG očitavanja moždanih aktivnosti bivala su sve sofisticiranija, prepoznajući i znake iznenađenja, zadovoljstva ili frustracije. Jedan od primera za to je EEG merenje pažnje osoba dok gledaju TV, pa se pomoću neuronskih signala snimljenih kod gledalaca može predvideti da li će neka emisija postati televizijski hit.
U naučnim istraživanjima, EEG se danas često koristi u kombinaciji sa mašinskim učenjem. Elektroencefalografski podaci se prethodno obrađuju, a zatim se prosleđuju algoritmima za mašinsko učenje; algoritmi se potom obučavaju da prepoznaju različite bolesti poput šizofrenije, epilepsije ili demencije, a sve više se koriste i za proučavanje mogućnosti predviđanja epileptičnih napada. Takođe, upotrebom mašinskog učenja EEG podaci mogu automatski da se analiziraju. Cilj ovih istraživanja je da se izgrade algoritmi koji bi lekarima pružali podršku u njihovoj kliničkoj praksi.
Budućnost EEG
Neki od istraživača, koji se danas osvrću na prvih 100 godina EEG-a, predviđaju da će elektroencefalografija u budućnosti biti korišćena za dijagnostiku i kreiranje ciljanih terapija za moždane poremećaje. Drugi veruju da će svima pristupačni mobilni EEG uređaji biti široko korišćeni za poboljšanje kognitivnih funkcija. Takve mogućnosti su svakako velike. Jedna grupa američkih naučnika uz pomoć EEG istražuje, na primer, da li pamćenje može da se poboljša neinvazivnom stimulacijom mozga. Istraživanje je još u povoju, ali u okviru njega ima i obećavajućih signala - jedna studija je otkrila da neinvazivna stimulacija mozga na gama frekvenciji od 25 Hz poboljšava pamćenje i prenos neurotransmitera kod Alchajmerove bolesti.
Tvorac EEG-a, Hans Berger, kasnije tokom života je napisao da moždani talasi koje je otkrio nisu dali odgovor na pretpostavljeni telepatski prenos misli koji je on pokušavao da istraži i pokaže jer moždani talasi nisu mogli da putuju dovoljno daleko da stignu do njegove sestre. Neki od naučnika, međutim, ističu, da i danas ima odjeka te ideje. Savremene digitalne tehnologije već su, naime, počele bežično da povezuje mozak čoveka sa “mozgom” kompjutera. Reč je konceptu povezivanja mozga sa spoljnim uređajima, Brain - Computer Interface tehnologiji. Nova BCI (ili BMI - Brain-Machine Interface) tehnologija tokom proteklih decenija je bila usmerena na istraživanje, mapiranje, asistiranje, povećanje ili “popravku” ljudskih kognitivnih ili senzorno-motornih funkcija. Ona je već korišćena da se pomogne osobama sa invaliditetom da bez uključivanja perifernih nerava i mišića, koristeći samo kontrolne signale generisane elektroencefalografskom (EEG) aktivnošću, komuniciraju sa okolinom ili kontrolišu telesne proteze. Nakon niza godina eksperimentisanja na životinjama, prvi neuroprotetski uređaji implantirani ljudima pojavili su se već sredinom 1990-ih, čime su istraživači demonstrirali da je samo uz pomoć misli moguća kontrola nad kompjuterskim kursorima, robotskim udovima i sintisajzerima govora.
Gordana Tomljenović
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
