Sygnał EEG i rytmy mózgowe

EEG nie rejestruje impulsów nerwowych — potencjały czynnościowe trwają ok. 1 ms, zbyt krótko, by zsumowały się do mierzalnego sygnału na powierzchni głowy. Właściwym źródłem są postsynaptyczne potencjały gradientowe (PSP) (wprowadzenie) — powolne (dziesiątki–setki ms), sumujące się zmiany potencjału w dendrytach.

Gdy neuron presynaptyczny uwalnia neuroprzekaźnik pobudzający (np. glutaminian), kanały jonowe w błonie dendrytycznej otwierają się i jony Na⁺ wpływają do wnętrza komórki. Okolice dendrytu stają się naładowane ujemnie ("sink" — pochłaniacz prądu), a dalsze elementy komórki — dodatnio ("source" — źródło prądu). Powstaje dipol elektryczny.

Komórki piramidalne mają charakter otwarty (open field): długie dendryty apikalne biegną prostopadle do kory, a ciało komórki leży głębiej. Dipol ma więc oś prostopadłą do powierzchni głowy — konfigurację idealnie wykrywalną przez elektrody naskalpowe. Neurony niepiramidalne (interneurony) mają konfigurale zamknięte (closed field) i ich pola elektryczne znoszą się nawzajem.

Aby sygnał był mierzalny z zewnątrz, dipole muszą być zsynchronizowane — setki tysięcy neuronów muszą wykazywać PSP w tym samym czasie i w tym samym kierunku. Synchronizacja ta pojawia się podczas rytmicznej aktywności oscylacyjnej (fale EEG) lub podczas odpowiedzi na bodziec zewnętrzny (potencjały wywołane).

Delta (0,5–4 Hz) — najwolniejsze fale o największej amplitudzie (75–200 μV). Dominują w głębokim śnie wolnofalowym (stadia N3). U noworodków dominują nawet podczas czuwania. Patologiczne u dorosłych w pełnym czuwaniu (w senności i płytkim śnie N1 delta jest prawidłowa) — mogą wskazywać na uszkodzenie mózgu, encefalopatię metaboliczną lub nowotwór wewnątrzczaszkowy.

Theta (4–8 Hz) — pojawiają się podczas medytacji, hipnozy, marzeń sennych (REM) oraz głębokich emocji. Theta jest wskaźnikiem obciążenia pamięci roboczej — im trudniejsze zadanie poznawcze, tym wyższy indeks theta w okolicach czołowych. Kluczowa rola w kodowaniu epizodycznym (hipokamp).

Alfa (8–12 Hz) — u większości dorosłych pojawiają się po zamknięciu oczu i w stanie spokojnego czuwania. Dominują w okolicach potylicznych. Otwarcie oczu powoduje desynchronizację alfa (zanik rytmu alfa) — zjawisko znane jako reakcja Bergera. Alfa jest odwrotnie związana z aktywnością sensoryczną w obszarach przetwarzających: im silniejszy rytm alfa, tym mniejsze przetwarzanie sensoryczne w danym regionie. Alfa pełni jednak aktywną rolę hamującą — może wzrastać w obszarach, które mają być wyciszone (np. kora wzrokowa podczas zadania słuchowego), nie jest więc wyłącznie rytmem „bezczynności". Nie obserwuje się go u dzieci poniżej 3. r.ż.

Beta (12–25 Hz) — związane ze wzmożonym wysiłkiem umysłowym i stanem normalnego czuwania. Beta maleje z wiekiem — co koreluje ze spadkiem sprawności poznawczej. Lokalizacja zmienna, często centralna i frontalna.

Gamma (30–70 Hz i wyżej) — najszybsze i najtrudniejsze do rejestracji ze względu na podatność na artefakty mięśniowe. Związane z integracją sensoryczną — wiązaniem cech zmysłowych w jedną percepcję. Fale gamma obserwuje się podczas uwagowego przetwarzania złożonych bodźców i we wczesnym etapie rozpoznawania obiektów.

Podstawowym narzędziem analizy rytmów EEG jest transformata Fouriera, która rozkłada złożony sygnał na sumę sinusoid o różnych częstotliwościach, amplitudach i fazach. Kluczowe pojęcia:

FFT (Fast Fourier Transform) — algorytm numeryczny obliczający dyskretną transformatę Fouriera w czasie O(N log N) zamiast O(N²). Wynikiem jest widmo częstotliwościowe: wykres amplitudy lub mocy sygnału jako funkcja częstotliwości.

PSD (Power Spectral Density) — gęstość mocy widmowej, wyrażona w μV²/Hz. Pokazuje, jak moc sygnału rozkłada się po różnych częstotliwościach. Integracja PSD w przedziale danego pasma daje całkowitą moc w tym paśmie.

Ograniczenie FFT: klasyczna transformata Fouriera zakłada stacjonarność sygnału — analizuje cały odcinek jako całość, tracąc informację o tym, kiedy dana częstotliwość się pojawiła. Dla stacjonarnych sygnałów tła (np. zapis spoczynkowy) jest to akceptowalne. Dla sygnałów dynamicznych potrzebna jest analiza czasowo-częstotliwościowa.

Filtrowanie pasmowe: aby wyizolować aktywność w konkretnym paśmie, stosuje się filtry (górnoprzepustowy, dolnoprzepustowy lub pasmowy). Przykład: chcąc zbadać wpływ relaksacji na rytm alfa, filtrujemy (preprocessing) sygnał do 8–12 Hz i porównujemy moc alfa między warunkami.

Przykład badawczy: Aby porównać, czy widok tatrzańskich szczytów czy karaibskiej plaży bardziej relaksuje pracowników, można: zaprezentować zdjęcia, odfiltrować sygnał do pasma alfa (8–12 Hz) i porównać moc sygnału alfa w obu warunkach. Wyższa moc alfa → silniejszy stan relaksu.