Kiedy neurony przekazują sobie informacje, ludzki mózg generuje fale elektromagnetyczne. Na podstawie częstotliwości tych fal możemy badać procesy psychiczne, jakość snu, a nawet stany epileptyczne. Do monitorowania pola elektrycznego mózgu służy technika zwana elektroencefalografią (w skrócie: EEG).
Po co mózg generuje potencjały elektryczne?
Neuron, czyli pojedyncza komórka nerwowa, komunikuje się z innymi neuronami za pomocą swoich zakończeń nerwowych. Wśród nich wyróżniamy akson, który odbiera sygnały od innych komórek. Akson zawsze występuje pojedynczo, ale potrafi przyjąć tysiące sygnałów jednocześnie.
Kiedy sygnałów jest wystarczająco dużo, wzbudzany jest potencjał czynnościowy i komórka może przekazać informację dalej. Do przekazywania informacji służą dendryty – krótsze i bardziej liczne zakończenia nerwowe. Jeden neuron ma ich kilka, średnio ok. 5-7. [1] Pomiędzy dendrytami jednej, a aksonem drugiej komórki istnieje połączenie. Jest to mała szczelina zwana synapsą. To właśnie tam dzieje się biochemiczna i elektryczna magia.
Animacja przedstawiająca przewodzenie impulsów nerwowych
Istnieją dwa rodzaje synaps – synapsy chemiczne i synapsy elektryczne. Te pierwsze działają dzięki przekazywaniu sobie substancji chemicznych, które nazywamy neuroprzekaźnikami. Serotonina, dopamina, oksytocyna czy acetylocholina to najpopularniejsze neuroprzekaźniki, ale ich działanie trwa długo, do 50 milisekund [2] czyli tysięcznych części sekundy.
Dla naszego mózgu to wieczność! Synapsy elektryczne są dużo szybsze. Potrafią przekazać sygnał już w ciągu 1-4 milisekund. Niezależnie od typu synapsy, przekazanie sygnału wywołuje zmianę potencjału elektrycznego na powierzchni błony komórkowej neuronu i to właśnie ona odpowiada za powstawanie pola elektromagnetycznego.
Oczywiście jedna komórka nerwowa nie mogłaby wiele zdziałać. Zmiany potencjału elektrycznego w obrębie jednej synapsy wynoszą ok. 110 miliwoltów. Żeby powstało wystarczająco silne pole, które przeniknie przez kości czaszki, skórę głowy i ludzkie włosy, potrzeba setek tysięcy neuronów przekazujących sobie sygnały w tej samej chwili. Mówimy wtedy, że neurony działają synchronicznie. Skóra i kości nie są jednak dobrymi przewodnikami prądu. Potencjały, które rejestrujemy na powierzchni czaszki, mają maksymalnie kilka do kilkunastu mikrowoltów, znacznie częściej są to jednak dziesiąte lub setne części mikrowolta.
Powstawanie pola elektromagnetycznego w ludzkim mózgu oraz rozchodzenie się pola na powierzchni czaszki
Badanie pola elektrycznego ludzkiego mózgu
Sygnały przekazywane pomiędzy neuronami mogą mieć różną intensywność, częstotliwość oraz mogą być przekazywane w różnych częściach mózgu. W zależności od tych czynników wyróżniamy różne długości fal pola elektromagnetycznego [1]:
- Fale Alfa – to fale o długości ok. 8-12 Hz. Pojawiają się w stanie fizycznej relaksacji, gdy mamy zamknięte oczy.
- Fale Beta – fale o długości 12-25 Hz. Są to fale wysoce zdesynchronizowane – to dobrze, bo desynchronizacja świadczy o wysokiej aktywności różnych populacji neuronów w odrębnych rejonach mózgu. Stąd fale beta kojarzymy ze skupieniem i wzmożonym wysiłkiem umysłowym, choć występują one zawsze, kiedy mamy otwarte oczy (mówimy wtedy, że jesteśmy w trakcie czuwania).
- Fale Delta – długie fale (1-4 Hz) występujące najczęściej w trakcie snu. W badaniach klinicznych stanowią wyznacznik głębokości snu pacjenta.
- Fale Gamma – to bardzo szybkie, krótkie fale (powyżej 25 Hz). Ich rola jeszcze nie jest dobrze poznana. Przypuszczamy, że mogą odpowiadać za bardzo szybkie ruchy gałek ocznych (tzw. mikrosakad) lub pozwalają synchronizować aktywność oddalonych od siebie struktur mózgu.
- Fale Theta – pasmo fal o długości 4-8 Hz, które są wyznacznikiem obciążenia pamięci roboczej, zatem świadczą o wysiłku intelektualnym. Odpowiadają również za przekazywanie informacji pomiędzy obszarami mózgu położonymi daleko od siebie.
Do badania pola elektrycznego ludzkiego mózgu służy elektroencefalograf. Jest to urządzenie, które rejestruje fale elektryczne z powierzchni czaszki przy pomocy elektrod umieszczonych na głowie pacjenta. Potencjały generowane przez neurony są tak małe, że do rejestracji sygnału niezbędny jest wzmacniacz.
Sprzęt do badania elektroencefalograficznego (EEG)
Jak przebiega badanie EEG?
Na głowie pacjenta umieszczany jest odpowiedniego rozmiaru elastyczny czepek. Miejsca do umieszczenia elektrod są na nim wyraźnie zaznaczone, dzięki czemu możemy dokładnie określić lokalizację elektrod na głowie badanej osoby. Na tej podstawie będziemy później wnioskować o rozkładzie potencjałów elektrycznych na powierzchni czaszki. W zależności od celu badania możemy poprosić pacjenta o wykonanie jakiegoś zadania, np. o policzenie ile razy na ekranie pojawi się imię i nazwisko badanej osoby. W trakcie badania mózg pacjenta świetnie przystosuje się do instrukcji i będzie reagował na pożądane imię i nazwisko szybciej niż na inne [1]. Ten efekt będziemy mogli zaobserwować w postaci podwyższonych potencjałów w zapisie EEG.
Źródła:
- Dharani, K. (2015). Dendrites and Primary Thoughts. The Biology of Thought, A Neuronal Mechanism in the Generation of Thought–A New Molecular Model, str. 109-122.
- Dunant, Y., Gisiger, V. (2017). Ultrafast and Slow Cholinergic Transmission. Different Involvement of Acetylcholinesterase Molecular Forms. Molecules, 22(8), 1300.
- Kotlewska, I. (2018). Elektroencefalografia (badania EEG). SlideShare.
- Kotlewska, I., Nowicka, A. (2015). Present self, past self and close-other: Event-related potential study of face and name detection. Biological Psychology, 110, 201-211.