A lassú alvási oszcillációk intrakortikális generátorainak elemzése krónikusan beépített multielektróddal epilepsziás páciensekben

Csercsa Richárd

Témavezető: Dr. Ulbert István2007. január 22.

Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információs Technológiai Kar

CélkitűzésCélkitűzés

A lassú hullámú alvás vizsgálata emberben, ehhez krónikusan beépített multielektród elvezetéseket használva.

Egy Matlab-alapú, mezőpotenciál- és multiunit-elemző program kifejlesztése.

Ennek képesnek kell lennie a különböző állapotok detektálására, CSD és MUA térképek készítésére, valamint fázis hisztogramok kiszámítására.

AlvásAlvási szakaszoki szakaszokNemNem-REM: -REM:

1. szakasz: alfa hullámok, izomrángások (5-10%)

2. szakasz: alvási orsók, K-komplexumok (45-55%)

3. szakasz: delta hullámok (3-8%)

4. szakasz: delta hullámok, 2 Hz alatti lassú oszcillációk, lehetséges éjszakai felrettenések, alvajárás (10-15%)

REM: REM:

- gyors szemmozgás

- ébrenléthez hasonló hullámok (paradox fázis)

- izomernyedtség

- álom

SLOW WAVE SLEEP

LASSÚHULLÁM

ÚALVÁS

Lassú hullámú alvás Lassú hullámú alvás (SWS)(SWS)

Nem-REM alvás 3., 4. szakasza (mély alvás)

Memória konszolidáció

Epilepsziás rohamok gyakran SWS-ben alakulnak ki

Az agykéreg távolabbi területei között is nagy a korreláció SWS-ben

Távolság (mm)

ÉBER & REM

SWSSWS

Ko

rrel

áció

SWSSWS macsk macskáábanbanFelszín pozitív, mély negatív potenciál: depolarizációs fázis (up state)Felszín negatív, mély pozitív potenciál: hiperpolarizációs fázis (down state)

Depolarizációs fázis: gyors oszcillációk megjelenése, sok akciós potenciálHiperpolarizációs fázis: gyors oszcillációk hiánya, kevés akciós potenciál

mély felszín

mély

Intracelluláris jel

hiperpol.depol. hiperpol.depol.

0.2 sMezőpotenciál

ElektródaElektróda

kimenetikábel

test

hegy

regisztráló kontaktus szúrt csatorna

hisztológiai metszet

kortikális rétegek

Szúrt csatorna hisztológiája

Elektróda sematikus rajza

Rajzszög elektróda

MűtétMűtét

grid

rajzszög

du

ra

MRI

MRI felvételek

Fényképa műtétről

Elektródaháló elhelyezkedése

rajzszög

rajzszög

SzoftverfejlesztésSzoftverfejlesztés SpikeSolution Magony

Andorral

30 hónapos munka

Matlab

Nyitó képernyő

Állapot-detekció - Hilbert-Állapot-detekció - Hilbert-transzformációtranszformációA jel fázisát mutatja. A detekció folyamata:

1. Szűrés 0.5-3 Hz között,

2. Hilbert transzformáció.

-π π0

0

DOWN UP

DOWN UP

DOWN

Eredeti jel

Szűrt jel

Hilbert-transzformált

Állapot-detekció - MUAÁllapot-detekció - MUASok közeli sejt aktivitását mutatja, de a posztszinaptikus

potenciálok nem vesznek részt benne.

A detekció folyamata:

1. Egyenirányítjuk a jelet,

2. Meghatározunk egy küszöb értéket, ami fölött up-, és alatta down-state.

UP DOWN

Ez a detekció nem szolgáltat információt az oszcilláció fázisáról.

MUA

Detektált állapotok

küszöbszint

Állapot-detekció - Gamma-Állapot-detekció - Gamma-oszcillációoszcillációAz up-state fázisra jellemző.

A detekció folyamata:

1. Szűrés gamma sávban (20-100 Hz),

2. Négyzetes átlag 50 ms-os ablakkal, hogy megkapjuk a gamma oszcilláció teljesítményét,

3. A kapott jel hisztogramja bimodális lesz,

4. A két csúcs közötti völgyben állapítjuk meg a küszöbértéket, ami fölött up-, alatta down-state.

DOWN UP

Eredeti jel

Szűrt jel

Négyzetes átlag

Detektált állapotok

Bimodális hisztogram

CSD – Áram Forrás CSD – Áram Forrás SűrűségSűrűség

Neuronpopuláció transzmembrán áramainak összegzése egy adott környezetben.

• Sink (nyelő, piros): áram be a sejtekbe – szinaptikus depolarizáció (Na+ beáramlás) vagy source kiegyenlítő árama.

• Source (forrás, kék): áram ki a sejtekből – hiperpolarizáció (K+ ki-, vagy Cl- beáramlás) vagy sink kiegyenlítő árama.

-50 0 50 100 150 200

2

4

6

8

10

12

14-3

-2

-1

0

1

2

3

ms

felszín

mély

idő

csatornák száma

Fázis PSTHFázis PSTH

0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

Megmutatja, hogy az események (esetünkben a sejtaktivitás) a lassú oszcilláció mely fázisába esnek.

A piros görbe a lassú oszcillációt, a kék oszlopok a sejtaktivitás hisztogramját ábrázolják.

ese

mén

yszá

m

fázis

Biológiai eredményekBiológiai eredmények

2-

4-

6-

8-

10-

12-

14-

15-

18-

+256 µV

2 s

+4 µV

2 s

Mezőpotenciál MUA

DOWN UP DOWN UP

felszín

mélyidő

csa

torn

ák

szá

ma

Mezőpotenciál, MUAMezőpotenciál, MUAZöld görbe: mezőpotenciál up-state-re átlagolva,

piros görbe: soksejt-aktivitás.

ms-700.0 -450.0 -200.0 50.0 300.0 550.0

µV 0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

-5.0

-10.0

-15.0

-20.0

-25.0

DOWN UP DOWN

idő

amp

litú

dó

CSD, MUA térképCSD, MUA térkép

-600 -400 -200 0 200 400 600

2

4

6

8

10

12

14

16

18 -10

-5

0

5

10

-600 -400 -200 0 200 400 600

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

CSD térkép

MUA térkép

I - II

III - IV

V

VI

I - II

III -IV

V

VI

DOWN UP DOWN

DOWN UP DOWN ms

ms

kérg

i ré

teg

ekké

rgi

réte

gek

idő

forrás

nyelő

Idő-frekvencia analízisIdő-frekvencia analízisGamma oszcilláció (20-50 Hz) csak up-state-ben látható

-1000 0 1000

10

20

30

40

50-1000 0 1000

10

20

30

40

50-1000 0 1000

10

20

30

40

50-1000 0 1000

10

20

30

40

50-1000 0 1000

10

20

30

40

50

-1000 0 1000

10

20

30

40

50-1000 0 1000

10

20

30

40

50-1000 0 1000

10

20

30

40

50-1000 0 1000

10

20

30

40

50-1000 0 1000

10

20

30

40

50

III - IV

V VI

I - IIHz

ms

DOWN UP

idő

frek

ven

cia

kérgi rétegek

MUA-Fázis PSTHMUA-Fázis PSTH

5 10 15 20 25 30 350

5

10

15

20

25

30

35

40

45

5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

120

140

5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

5 10 15 20 25 30 350

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 5 10 15 20 25 30 350

50

100

150

200

0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30 350

5

10

15

20

25

30

35

5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

90

I - II

V

III - IV

VI

DOWN UP DOWN

es

em

én

ys

zám

fázis

kérgi rétegek

ÖsszefoglalásÖsszefoglalás• Mély, nem-REM alvás alatt, lassú (2 Hz alatti) oszcilláció

mutatható ki emberben is intrakortikálisan,

• Erre az oszcillációra felszíni pozitív és negatív mezőpotenciál-komponensek váltakozása jellemző.

• A felszíni pozitív mezőpotenciál-komponensek alatt a mélyben negativitás észlelhető, valamint a kéreg összes rétegében gyors gamma oszcilláció és fokozott sejttüzelés. A CSD középső rétegbeli sinkkel, felszíni source-szal jellemezhető; a macska analógiájára ezt up-state-nek nevezzük.

• A felszíni negatív mezőpotenciál-komponensek alatt a mélyben pozitivitás észlelhető, valamint a kéreg összes rétegében a gyors gamma oszcilláció és a sejtaktivitás hiánya. A CSD középső rétegbeli source-szal, felszíni sinkkel jellemezhető; a macska analógiájára ezt down-state-nek nevezzük.

• Ezek alapján kijelenthetjük, hogy elsőként sikerült kimutatnunk ezen oszcilláció jelenlétét emberben, melynek részeredményeit a 2006. júliusi FENS Idegtudományi Forumon poszter formájában is bemutattuk.

KöszönetnyilvánításKöszönetnyilvánítás

Dr. Karmos Dr. Ulbert Dr. Wittner Boldizsár György István Luca Edit

Köszönjük a Köszönjük a figyelmet!figyelmet!

Magony Dombovári Grand Kottra Andor Balázs László Péter