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编号:1577
神经生物学ppt课件:7脑的电活动睡眠与觉醒.ppt
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    参见附件(3420KB)。

    脑的群电活动

    (Ensemble Electric Activity)

    与睡眠觉醒节律

    罗非 教授

    北京大学基础医学院神经生物学系

    电话: 82801010; Email: fluo@bjmu.edu.cn

    Website: http://nri.bjmu.edu.cn/ANnet

    Before we start...

    * 动作电位是脑内唯一可以快速远距离传递的信号

    * 神经元相互结合成电网络，同时也可按某种节律同步放电

    * 群电活动可以通过表面或深部电极加以记录

    Brain is Electric......

    * 脑内的电信号有

    * 膜电位

    * 动作电位

    * 突触后电位

    * And a lot more......

    脑使用电信号的优势...

    * 电信号的时间精度(temporal accuracy)远超化学信号

    * 有可能进行多点(multi-site)的实时(real-time)记录

    * 有可能进行无创(non-invasive)检测

    * 适合进行高级分析

    Before we start...

    * 我们一生中1/3的时间将在睡眠中度过

    * 吃饭和娱乐也会占据另外的1/3时间

    * 在剩余1/3的生命中

    * 童年和各种教育占据1/3

    * 老年时期占据另外1/3

    * 因此，只有大约1/9的生命，大约不足10年时间，可以用于有效的工作

    Before we start...

    * 睡眠的大部分时间都被浅睡或梦境占据

    * 通常在整个夜晚，只有不足30分钟是真正的深睡眠

    * 事实上，我们在所谓清醒的日间也很少有真正清醒、没有做白日梦或注意力分散的时候

    因此:

    * 我们有必要了解下述两类过程

    * 睡眠和觉醒

    * 梦与非梦

    What we will learn

    * 脑电图

    * 脑的状态：睡眠与觉醒

    脑电图(Electroencephalogram, EEG)

    * EEG简介

    * EEG的记录

    * EEG的计算机辅助分析

    * EEG在基础和临床医学中的应用

    * 事件相关电位

    EEG简介

    * EEG的定义

    * 通过放置在头皮表面的多个电极所记录到的一组场电位

    EEG的历史

    * Richard Caton, 利物浦内科医生

    * 将电极直接放在暴露的动物脑表面，发现存在电信号，发表于1875年

    * 1887年, Caton通过干扰落在动物眼中的光线，检测到脑电的负向波动

    History of EEG

    * Dr. Hans Berger, 奥地利精神病学家

    * 首次记录人体脑电

    * 十八世纪20年代早期，利用移动感光纸和闪动光点记录脑电，发现每秒10次的常规波动

    * 由于这是他第一个从人类EEG中分离出来的波，他将此波动命名为?波

    * 1929年，Berger发表了该结果，这是有关人类脑电的第一篇论文

    History of EEG

    * Dr. Hans Berger的谨慎精神

    * Berger在自己和其它许多人身上反复记录

    * 通过同步记录心电和头部血压变化，排除了由血循环造成波动假相的可能性

    * 将电极放在皮肤以下记录，排除了波动来自皮肤的可能性

    History of EEG

    * Dr. Hans Berger

    * 十八世纪30年代，首先命名了?波和?波

    * 第一个采用EEG作为脑电图的缩写名称

    * 提出?波幅度小于?波

    * 指出?波与集中注意力和惊跳反应有关

    History of EEG

    * Dr. Hans Berger

    * 1931年，发现?波在睡眠、全身麻醉、使用可卡因等情况下消失

    * 发现脑损伤造成颅内高压的患者?波幅度减低

    * 发现癫痫患者的高幅脑电波

    * 发现Alzheimer's病和多发性硬化患者存在EEG改变

    History of EEG

    * Dr. Hans Berger

    * Carl Zeiss基金会注意到Berger的一系列发现

    * 赠送给他电子放大器和特质的示波器，并为他配备了助手

    History of EEG

    * Dr. Hans Berger

    * 发现癫痫病人在发作后脑波几乎变平； ?波随着意识的恢复而恢复

    * 脑波在出生两月后采出现，与脑内神经元髓鞘化的过程一致

    Dr. Hans Berger

    EEG的本质

    * 未知部分

    * 动作电位、兴奋性突触后电位、抑制性突触后电位等电位活动的总和(Eccles, 张香桐, Jung 等)

    * 已知部分

    * 大群神经元的同步放电

    EEG的本质

    EEG的记录

    * 电极的放置

    * 国际标准10 - 20 系统(Jasper, 1958)

    * Gibbs系统(Illinois system)

    EEG的记录

    * 参考电极

    * 单极与双极记录

    * 遥控EEG记录

    * 24小时跟踪

    EEG的参数：频率

    * 定义：单位时间(秒)内波的个数

    * 单位: 赫兹(Herz, Hz)

    * EEG频率的分类

    * ?波: 7.5-13 Hz

    * ?波: 14-30 Hz

    * ?波: 3.5-7.5 Hz

    * ?波: 0.4-3 Hz

    频率与波幅

    脑波的起源

    * 两种可能的振荡控制

    * 中心指挥型

    * 凑呜曲型

    脑波的起源

    * 简单的细胞环路即可产生振荡

    脑波的起源

    * 甚至单个细胞在外来刺激下也会产生振荡

    脑波的起源

    * 目前认为，神经细胞的内在特性(intrinsic properties)及其相互间的突触连接决定了神经网络的振荡特性

    EEG的参数：波幅

    EEG的参数：波形

    * 正常波形

    EEG的参数：波形

    EEG的参数：波形

    * 病理波形

    EEG的参数：波形

    * 人工假相: 技术问题或外部干扰所致，一般较为短暂

    * 可能因电极移动、接触不良、肌肉或头部运动、出汗等造成

    EEG解释的困难

    * 每个通道的皮层电位是脑内大量神经元活动组合的反映

    * 源的贡献随着其与电极距离的缩短而非线性地增大

    * 在向头皮传递过程中受脑膜、头骨和皮肤影响可能会衰减或扭曲

    计算机辅助下的EEG分析

    * 在计算机协助下，可以

    * 生成脑电地形图

    * 声称三维重构影像

    * 进行功率谱分析

    * 以及其它许多分析

    绘制意识之图

    数字化的EEG

    * 模/数转换(A/D converter)

    * 采样间隔(sampling time interval): 0.005 - 0.01 s

    * 实时(real time)记录

    * 定量EEG: 可用于显示、滤波、频率及波幅分析、以及彩色地形图

    EEG脑地形图

    功率谱分析

    EEG与基础医学研究

    EEG与基础研究

    * EEG与运动功能

    * 成人: no无肯定的关系

    * 儿童: 脑电高频者 fast reaction time反应时间较短

    * EEG与情绪

    * 正性情绪时左侧额叶EEG活动增加

    * 负性情绪时右侧额叶EEG活动增加

    EEG与基础研究

    * EEG与IQ

    * 没有肯定的关系

    * EEG与感觉

    * 听阈在?波较强时比其它时候更低(听觉更敏锐)

    * 刺激复杂性增加时?波抑制增加

    EEG与基础研究

    * EEG与感觉

    * 听觉辨别任务难度增加时?波抑制增加

    * EEG与注意

    * 当任务不要求注意环境时, (例如心算)比要求注意环境时顶叶?波增加

    EEG的临床应用

    * 癫痫

    * 由于神经元混沌式活动导致的惊厥

    * 睡眠障碍

    * 脑肿瘤

    诱发电位(Evoked Potential)与事件相关电位(Event-Related Potential)

    Definition

    * 指对神经系统某一特定部位(包括从感受器到大脑皮层)给予相宜的刺激，或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工，在该系统和脑的相应部位产生可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反应。

    EP/ERP的特性

    * 空间特性: 只能在特定的空间范围内检测到

    * 时间特性: 具有特定的波形和强度分布

    * 相位特性: 刺激和反应之间存在锁时(time-locked)关系

    EP / ERP的起源

    * 大部分源于大脑皮层, 因为皮层神经元有特殊的层状排列

    * 部分可能反映了脑干神经元的活动

    * EP / ERP均反映了脑内神经元群体的活动

    EP/ERP的采集：平均策略

    * 平均技术的原理

    * 由于刺激与EP之间存在锁时关系

    * 而背景噪音与刺激之间的关系是随机的

    * 多次叠加可以消除噪音影响，增大信噪比

    * 再除以叠加次数就可以使EP保持原大小而大大削弱噪音

    EP / ERP的种类

    * 外源性刺激相关的诱发电位 (EP)

    * 感觉 (visual or VEP, auditory or AEP, somatosensory or SEP)

    * 运动(电或磁刺激诱发)

    * 内源性事件相关诱发电位 (ERP)

    * 记忆和思维相关电位: P300

    * 语言相关电位: N400

    * 准备或预期相关: CNV

    短潜伏期体感诱发电位 (SLSEP)

    * 几乎不受意识状态影响

    * 外周及中枢通路都很清楚

    * 成分之间的关系及其传导途径也较清楚

    * 在临床各科室有广泛的应用

    短潜伏期体感诱发电位(SLSEP)

    脑干听觉诱发电位 (BAEP)

    * 主要用于耳科学

    * 用于各种听觉检测中

    * 用于了解听神经及脑干通路活动

    * 用于诊断影响这些通路的功能性或结构性疾病

    脑干听觉诱发电位(BAEP)

    运动诱发电位 (MEP)

    * 在运动区及其传出通路上施加电或磁刺激

    * 在下游通路上记录诱发电位

    * 可利用经颅磁刺激(Transcranial Magnetic stimulation, TMS)

    * 应用：客观、定量地反映中枢运动功能

    运动诱发电位(MEP)

    ERP与EP的区别

    * ERP研究中要求被试的主动参与

    * 用于ERP研究的刺激不能单调

    * 至少需要两种模式、序列或种类的刺激

    * ERP的外源性成分与刺激的物理性质相关, 而内源性成分(如P300, N400等)则与认知活动相关

    P300简介

    * 最经典、最早发现且研究最广泛的ERP

    * 波形在顶叶中线附近最明显

    * 主要反映脑对外部信息的认知过程

    P300: 应用

    * P300与反应时：无必然联系

    * P300与智能：操作智能越低，P300的潜伏期越长，幅度越低

    * P300与测谎：从植物神经生理到神经电生理变化

    * P300与临床：主要用于各种原因而致的认知障碍的病人，可以为智能障碍及其程度提供神经电生理的依据；神经精神药物的药效学和药理学指标

    ERP的定量化与参数提取

    * 波幅(Amplitude)

    * 潜伏期(Latency)

    * 波峰间期(Inter-Peak Latency)

    * 波幅比值和峰间期比值 (Ratio)

    * 波面积 (Area under Curve)

    ERP的临床解释

    * 首先建立正常值数据库

    * 理解各种参数的生理学和病理生理学意义

    * 潜伏期: 反映传导功能

    * 幅度: 参与放电的神经元

    * 成分缺失: 严重损伤的存在

    * 进一步还需研究EP活动的来源

    ERP的多通道记录

    * ERP长于说明事件在脑内发生的时刻，却无法有效地说明他们发生的位置

    ERP的脑地形图

    * P300在头皮表面电场分布的2D地形图

    * 利用内插值法可以计算出头皮上任何一点在任何时刻的电位

    ERP的生物电模型

    * 研究的真正目的是了解脑内, 而不是头皮上发生了什么

    * 脑内每一个电活动均可在头皮表面投影成某种地形图

    * 逆问题：源分析建模

    逆问题的进展

    * 使用高密度(例如128导联) ERP记录已降低测量误差

    * 使用磁力数字化装置定位ERP记录电极在头皮上的位置

    获得被试头部的磁共振影像......（后略) ......