previous pauseresume next

ماهيت سیگنال‌های مغزي

تصویرکوچک: 

گفته می‌شود كه مغز انسان حاوي حدود ١٨٠ميليارد سلول است كه از اين تعداد حدود ٥٠ميليارد سلول‌های نورون هستند و مابقي آن‌ها را سلول‌های جانبي با عملكردهاي گوناگون تشكيل می‌دهند. همچنين گفته می‌شود كه دندریت‌های برخي از اين نورون‌ها با ١٥هزار نورون ديگر در ارتباط هستند. بدين ترتيب مغز انسان يك شبكه بسيار پيچيده و درهم‌تنیده از نورون‌هاست كه در هرلحظه میلیون‌ها نورون در آن در حال تحريك شدن و توليد میدان‌هایی در اطراف خود می‌باشند. علی‌رغم اين پيچيدگي وصف‌ناپذیر، تـاكنون نواحي مشخصي از مغز شناسایی‌شده‌اند كه به اعمال خاص حسي، حركتي، بينايي، حافظه و برخي ديگر از اعمـال ارادي و غیرارادی منتسب‌اند. به‌طور اجمال گفته می‌شود كه نحوه تحريك نورون‌های مغزي و توليد میدان‌های الكترومغناطيسي در اطرافشـان بـدين ترتيـب است كه وقتي يك نورون توسط نورون‌های ديگر طي سلسله‌ای از فعل‌وانفعالات يوني و انتشار پتانسیل‌های عمـل به تحــريك درمی‌آیند پتانسیل‌های تحريكي پَس سيناپسي (EPSP) در انتهاي شاخه‌های دندريتي آن توليد می‌شوند . براثر ايـن پتانسـيل غشاء بخش دندريتي نورون موقتاً دپلاريزه شده و پتانسيل آن نسبت به پتانسيل بدنة سلولِ نورون و پايه دندریت‌ها منفی‌تر می‌شود. وجود اين اختلاف‌پتانسیل موجب پديد آمدن يك جريان الكتريكي, در محيط ،Volume Conductorاز بخش تحريك نشـده بدنـة سلول و پاية دندریت‌ها به سمت بخش‌های تحريك شدة انتهايي دندریت‌ها می‌شود. برخي از خطوط جريان کوتاه‌ترین مسير ممكن را با انتشار درون تنة نورون طي می‌کنند. از سـوي ديگـر قـانون بقـاي بـار ايجاب می‌کند كه حلقة جريان از خارج از نورون بسته شود. اين عمل ممكن است حتي در نقاط بسيار دور از Volume Conductor صورت گيرد. اصطلاحاً به جرياني كه درون سلول نورون تشكيل می‌شود جريان اوليه گفته می‌شود و به حلقة جرياني كه در خـارج از سلول بسته می‌شود، جريان ثانويه جريان برگشت و يا جريان Volume Conductorگفته می‌شود. اين دو نوع جريان باعث ايجاد میدان‌های الكتريكي و مغناطيسي می‌شوند كه تا سطح جمجمه انتشار می‌یابند. اما با توجه به ابعاد بسيار كوچـك نورون‌ها بـراي آنكـه بتوان اين میدان‌ها را اندازه‌گیری كرد بايد تعداد قابل‌توجهی نورون همزمان تحريك شوند و میدان‌هایی همسو توليد كنند. به همين علت است كه دانشمندان معتقدند كه منشأ اصلي سیگنال‌های ثبت‌شده از روي سر نورون‌های هرمي قشر مغز هسـتند كـه بـا توجـه بـه بدنـة بلندشان كه در يك ناحیه كوچك به‌طور موازي و هم‌جهت در كنار يكديگر و عمود بر سطح مغز قرارگرفته‌اند, قادر به توليـد میدان‌های الكتريكي و مغناطيسي قابل‌اندازه‌گیری می‌باشند. علت ديگري كه براي اين مدعا عنوان می‌شود طولانی‌تر بـودن مـدت پتانسیل‌های ایجادشده توسط EPSP نسبت به پتانسیل‌های عمل زودگذر تولیدشده در آكسون سـاير نورون‌هاست. عـلاوه بـر ايـن برخـي محاسبات تقريبي و همچنين ثبت‌هایی كه مستقيماً از روي سطح قشر مغز انجام‌شده است نيز مؤيد اين نظريه است.طبيعي است كه EEGتنها قادر به‌اندازه گيري میدان‌های الكتريكي تولیدشده در مغز است. در چند سال اخير روش ديگري تحت عنوان MEG مطرح‌شده است كه قادر به اندازه‌گیری میدان‌های مغناطيسي مذكور است، اما با توجه به مشكلات موجود بر سر راه ثبت میدان‌های مغناطيسي بسيار ضعيف مغز، اين دستگاه‌ها بسيار پرهزينه می‌باشند، لـذا MEG هنوز به‌اندازه EEGمتداول نشده است.

سیگنال‌های مغناطیسی (MEG):
برخلاف EEG و ECoG که در آن‌های پتانسیل‌های ناشی از میدان‌های الکتریکی ثبت می‌گردد، در MEG به ثبت اثر مغناطیسی نورون‌ها پرداخته می‌شود. به علت کوچکی میدان مغناطیسی ایجادشده توسط فعل‌وانفعالات نورون در مغز سیستم سیگنال‌های باید سیسنمی‌بسیار حساس باشد در عمل روی چنین ثبت حساسی از موارد ابررسانا کمک گرفته می‌شود و همچنین اتاقی که دستگاه در آن قرار دارد حفاظت مغناطیسی می‌شود. با توجه به اینکه میدان مغناطیسی تولیدشده توسط یک منبع جریان طبق قانون دست راست‌بر جهت جریان عمود است بنابراین ازنقطه‌نظر تولید سیگنال در MEG جریان‌های نورونی شعاع اثر ناچیز در میدان مغناطیسی ایجادشده اطاف سر خواهند داشت و در مقابل بیشتر میدان مغناطیسی توسط جریان‌های مماسی در مغز ایجاد خواهد شد. این خاصیت خود نشان می‌دهد که MEG در مقابل EEG از این ضعف برخوردار است که اثرهای جریان‌های شعاعی در مغز را نمی‌تواند در برداشته باشد.البته به این نکته نیز باید توجه کرد که هرچند EEG هر دو نوع جریان را در بردارد ولی اثر جریان‌های شعاعی به شکل قویی‌تر نمایان می‌شوند بنابراین MEG در مقابل EEG اثر جریان‌های مماسی را باکیفیت بهتری در بر خواهد داشت.

سیگنال‌های الکتریکی( الکتروکرتیکوگرافی ) ECOG:
معمولاً در ثبت ECOGیک صفحه‌ی الکترودی زیر جمجمه و روی قشر مغز قرار داده می‌شود. اگرچه به این روش نمی‌توان نرخ آتش تک‌تک نورون‌ها را اندازه گرفت و اینکه مانند EEG اندازه‌گیری میدان الکتریکی جمعیت نورون‌ها ممکن است ولی هم( SNR نسبت سیگنال به نویز) و هم رزولوشن مکانی آن از EEGبالاتر است. چراکه مستقیم از قشر مغز ثبت می‌شود تلفات و پخش‌شدگی ناشی از عبور از بافت و پوست سر را ندارد. معولا ECOG برای یافتن آن نواحی از سر که دچار حملات صرع می‌شوند ثبت می‌شود. حال‌آنکه تحقیقاتی نیز روی BCIتوسط دانشگاه میشیگان و با استفاده از این سیگنال انجام‌شده است . از دیدگاه حسگرهای زیستی موانع زیادی در دسترسی به فعالیت الکتریکی نورون‌های مغز وجود دارد که طبیعتاً در مورد EEGاین موانع از همه کمتر است چراکه مطابق با نتایج پژوهش گروه نیل اسکوایر در %۳۱از پژوهش‌های BCI از سیگنال EEG استفاده‌شده است.

سیگنال‌های مغزی (الکروانسفالوگراف) EEG:
(نوار مغزی)، ثبت فعالیت الکتریکی مغز است، این تکنیک شامل اخذ سیگنال توسط الکترودهای سطحی، بهبود سیگنال (معمولاً تقویت و حذف نویز)، چاپ سیگنال و آنالیز آن می‌شود. آنچه روی کاغذ چاپ می‌شود، الکتروانسفالوگرام نامیده می‌شود.
در این روش ثبت، تعدادي الكترود بر روي نقاط مختلف پوست سر و گردن فرد قرار داده می‌شود تا امواج ارسالي در اثر فعالیت‌های نورون‌های مغز را ثبت كند. این الكترودها كه از یكي از جنس‌های نقره، پلاتین و ... ساخته می‌شوند به دو صورت خشك و یا همراه با ژل روي پوست سر قرار میگرند و در طي آزمایش به ثبت امواج دریافتي می‌پردازند. روش ثبت (EEG) در ابتدا بهترین روش براي تشخیص تومور، سكته مغزي و سایر مشكلات مربوط به مغز بود كه هم‌اکنون با پیشرفت علم تصویربرداری پزشکی از مغزي ازجمله MRI CTscan , fMRI , یا سیستم تصویربرداری هسته‌ای مانندPET سیگنال‌های مغزی مزیت خود را ازدست‌داده‌اند ولي فراموش نکنیم تمامی روش‌های تصویربرداری از مغز هم به خاطر وارد شدن اشعه وهم رادیو داروهای مصرفی که برای بدن بیش‌ازحد زیان‌آور می‌باشند هزینه‌های استفاده بالا برای بیمار هنوز هم در موارد زیادي سیگنال‌های مغزی کاربردهای فراوانی دارند .
نتایج حاصل از انسفالوگرافی را نمی‌توان به‌صورت مستقیم و تنها با مشاهده سیگنال موردبررسی و تفسیر قرارداد و از روی آن ناهنجاری را تشخیص داد. معمولاً طیف فرکانسی این سیگنال حاوی اطلاعات مفیدی است که کاربردهای تشخیصی تحقیقاتی زیادی دارد ازجمله موارد زیر:
 ۱.کمک به تشخیص و تعیین محل آسیب مغزی سربرال
 ۲.کمک به مطالعه صرع حملات گذرای برگشت‌پذیر عمل مغز دچار مشکل با حس نامنظم فعالیت حرکتی نظیر تشنج
 ۳.کمک به تشخیص اختلالات روانی
 ۴.کمک به مطالعه خواب

BCI Systems