Egzamin

1
Egzamin
Egzamin pisemny z Sygnalów Bioelektrycznych
odbedzie sie we wtorek 15 maja 2018 w godz. 9.45
11.00 w sali 1.03. Na egzamin ustny bedzie
mozna sie zapisac po egzaminie pisemnym.
2
Rytmy EEG

• Komórkowe i sieciowe mechanizmy generacji
  róznych wzorców w sygnalach EEG
• Znaczenie róznych rytmów w procesowaniu
  informacji
• Wstepujace i zstepujace uklady neuromodulacyjne
  kontrolujace rytmy EEG
• Transformacja normalnych wzorców aktywnosci w
  wyladowania epileptyczne

3
Fazy snu i czuwania w EEG
Rodzaje aktywnosci w EEG u czlowieka. Rózne
wzorce aktywnosci zwiazane sa z róznymi stanami
mózgu.
4
Sen i czuwanie rytm okolodobowy
Obszary i drogi zwiazane z rytmem okolodobowym u
kregowców. Drogi wzrokowe sa zaangazowane w
kontrole rytmu okolodobowego. Pierwszorzedowym
centrum kontroli jest jadro nadskrzyzowaniowe
(SCN suprachiasmic nucleus). SC superior
colliculus.
5
Rytm okolodobowy w jadrach nadskrzyzowaniowych
day
night
A, C. Korelacja aktywnosci jadra
nadskrzyzowaniowego z cyklem okolodobowym u
szczura (zwierze nocne). Autoradiogramy uzyskane
metoda 2-deoxyglukozy (2DG). B, D przekroje
histologiczne pokazujace polozenie jadra
nadskrzyzowaniowego.
6
Sen pasywny
Teoria pasywna snu sen brak pobudzenia
Stan pobudzenia mózgu (arousal) jest zwiazany z
aktywnoscia tworu siatkowatego stymulowanego
sygnalami sensorycznymi i pobudzajacymi
niespecyficzne jadra wzgórza, które wywoluja
ogólne pobudzenie kory. Uszkodzenie tworu
siatkowatego wywoluje sen gleboki i blokuje stan
pobudzenia wywolany stymulacja sensoryczna.
7
REM - sen aktywny
W fazie REM wystepuje ogólny wzrost aktywnosci
neuronalnej, temperatura mózgu i metabolizm sa
takie same lub wyzsze niz w stanie czuwania.
Tetno wzrasta, zanika napiecie miesni, za
wyjatkiem miesni okoloocznych, ucha srodkowego i
przepony. Nastepuje równiez obnizenie mechanizmów
homeostatycznych oddech jest nieczuly na zmiane
CO2 we krwi, a cialo przyjmuje temperature
otoczenia.
8
Struktura snu
Sen sklada sie z naprzemiennych okresów snu
glebokiego i plytkiego. Sen REM jest zwiazany
jest ze zmodyfikowanym stanem pobudzenia
wzrasta czestosc serca lecz obniza sie pobudzenie
miesni szkieletowych. W tej fazie snu wystepuja
ruchy galek ocznych oraz marzenia senne. U ludzi
dlugosc jednego cyklu od non-REM do REM wynosi
ok. 90-110 minut. Cykl powtarza sie 4 do 6 razy w
ciagu nocy. U dzieci wystepuje wiecej snu
glebokiego i fazy REM. U osób starszych sen jest
plytszy, a wybudzenia czestsze.
9
Fazy snu
Zapisy EEG, EOG (elektrookulogram) i EMG
(elektromiogram) w róznych fazach snu czlowieka,
Sen non-REM sklada sie z czterech faz. Faza 1
charakteryzuje sie spowolnieniem EEG, faza 2
wysokoamplitudowymi kompleksami K i
niskoamplitudowymi wrzecionami, W fazie 3 i 4
wystepuja wolne fale o duzej amplitudzie (delta).
Faza REM charakteryzuje sie zawartoscia wysokich
czestosci w EEG, ruchami oczu i obnizeniem
napiecia miesni.
10
Mechanizmy snu
Schematyczny model grup neuronów i polaczen
regulujacych sen REM.
11
Rola snu
12
Rola snu dlugosc snu a masa ciala
miesozerne
roslinozerne
wszystkozerne
zwierzeta ladowe
U zwierzat ladowych dlugosc snu jest odwrotnie
proporcjonalna do masy ciala - male zwierzeta
spia najwiecej. Proponowana rola snu zachowanie
energii? Male zwierzeta maja duze wydatki
energetyczne (termoregulacja, lokomocja), a malo
rezerw energii. Sen jest najwydajniejszym
odpoczynkiem. Ale dlaczego nie jest to zwykly
odpoczynek?
13
Rola snu konsolidacja pamieci
rozpoznanie orientacji linii ukosnych w tle linii
pionowych
gryzon
slon
Rózne typy pamieci. Deklaratywna (przywolywana) i
niedeklaratywna (nieswiadoma). Pamiec
deklaratywna moze byc epizodyczna (impreza byla
dobra!) albo semantyczna (po zimie przychodzi
wiosna). Pamiec proceduralna przywolywana
automatycznie (np. jak sie parzy herbate).
pisanie numerycznej sekwencja znaków np.
4-3-2-1-4 na klawiaturze
rysowanie linii na ekranie palmtopa pokonujac
sile dzialajaca na linie
Memory consolidation The idea that either REM or
NREM sleep is absolutely required for memory
consolidation has received much attention
recently. I and others have reviewed this issue
elsewhere and concluded that this is unlikely to
be the case. Z Jerome M. Siegel, Clues to the
functions of mammalian sleep, Nature, Vol 437,
2005
Konsolidacja pamieci proceduralnej w zaleznosci
od ilosci snu. Z Sleep-dependent memory
consolidation. Robert Stickgold, Nature, Vol 437,
2005. These results leave little doubt that
sleep contributes to the consolidation of
memories, especially their enhancement.
14
Rola snu konsolidacja pamieci
Stymulacja elektryczna mozgu z czestoscia 0.75 Hz
we wczesnej fazie NREM powoduje poprawe pamieci
deklaratywnej (lecz nie proceduralnej).
gryzon
a. Przebieg eksperymentu. b. Wyniki test pamieci
deklaratywnej (róznica pomiedzy zapamietywaniem
slów przed snem i po snie). Lista zawierala 46
par slów, których trzeba byl sie nauczyc przed
snem na poziomie przynajmniej 60. Test przed i
po snie polegal na odtworzeniu sparowanego wyrazu
w podanej slowa. c. Wynik zadania pamieci
proceduralnej (wystukiwanie nauczonych
sekwencji). Z Marshall et al., Boosting slow
oscillations during sleep potentiates memory.
Nature 444, 610613 (2006).
15
Rola snu sprzatanie mózgu
16
Marzenia senne

• Wystepuja glównie w fazie REM snu. Sny pamieta
  74 badanych wybudzonych w fazie REM vs. 10
  wybudzonych w innych fazach. Nowsze badania
  pamiec snu po fazie nie-REM siega do 70 .
• Allan Hobson (1977) sny sa epifenomenem (produkt
  uboczny biochemicznej pracy mózgu) i nie maja
  funkcji adaptacyjnej.
• Calvin S. Hall (Western Reserve University)
  zebral ponad 50,000 opisów snu w latach 1940-
  1985 i opisal w The content analysis of dreams.
  Zawartosc snów wiaze sie z tym, co robimy w
  stanie czuwania (continuity hypothesis).
• Mark Blechner (2001) podczas snów generowane sa
  nowe pomysly poprzez losowe zestawienia mysli.
• LaBerge and DeGracia (2000) kombinacja
  nieswiadomych i swiadomych procesów (mental
  recombination) poprawia procesowanie
  informacji.
• Carl Jung (1974) najwazniejsze sny sa produktem
  nieswiadomosci zbiorowej. Zawiera ona
  doswiadczenia rasy ludzkiej w postaci
  "archetypów. Glówne archetypy Junga
  anima/animus (zenska/meska natura), cien (druga
  strona osobowosci), persona (wlasny obraz
  zewnetrzny), dziecko, medrzec, wielka matka,
  szatan, spryciarz (lis), bohater. Archetypy
  pojawiaja sie w snach, mitach oraz wizjach.

Archetyp bohatera
Archetyp medrca
Archetyp spryciarza
17
Generatory rytmów EEG wrzeciona, kompleksy K i
wolna oscylacja
Wrzeciona snu skladaja sie z dwóch rytmów.
Rosnace i malejace wrzecionowate fale o czestosci
7-14 Hz, trwajace 1-2 sekundy, wystepujace z
czestoscia wolnej oscylacji 0.2-0.5 Hz. Zapis u
czlowieka pochodzi z elektrod powierzchniowych
podczas II fazy snu. Zapis u naturalnie spiacego
kota pochodzi z elektrod implantowanych.
18
Wzgórze (thalamus)
Wzgórze struktura podkorowa, odpowiada za
wstepna analize bodzców zmyslowych i przesylanie
ich do kory mózgowej (oprócz wechu)
19
Generatory rytmów EEG wzgórze
Wrzeciona generowane sa we wzgórzu. Komórki
przekaznikowe wzgórza (Relay cells,
Thalamocortical, TC) dostaja wejscia sensoryczne
(np. z siatkówki). Aksony komórek TC docieraja do
IV warstwy kory, a warstwa VI wysyla projekcje
zwrotne do wzgórza, co tworzy petle
korowo-wzgórzowa. Komórki siatkowate wzgórza
(nucleus Reticularis thalami, nRT, Reticular
cells, RE) tworzace plaszcz otaczajacy wzgórze,
sa GABAergiczne i unerwiaja gesto komórki TC. W
ten sposób zapewniaja hamowanie do przodu
(feedforward) na drodze kora-wzgórze i hamowanie
zwrotne (feedback) pomiedzy TC i RE. Wzgórze i
kora sa pod kontrola róznych ukladów modulujacych
m.in. cholinergicznego (ACh), noradrenergicznego
(NE), serotoninergicznego (5-HT),
histaminergicznego (HA).
20
Badania in vitro
Komora in vitro pozwalajaca na zapisy
wewnatrzkomórkowe ze skrawków mózgu. Manipulator
z prawej strony sluzy do utrzymania elektrod,
manipulatory z lewej strony sluza do aplikacji
leków. Skrawki sa utrzymywane w temperaturze 35oC
przez 12 godzin.
21
Dwa rodzaje aktywnosci komórek wzgórza
Zapisy wewnatrzkomórkowe z komórek TC ukazujace
dwa rodzaje aktywnosci. Niektóre komórki generuja
rytmiczne salwy potencjalów czynnosciowych.
Wstrzykniecie pradu depolaryzujacego zamienia
salwy w pojedyncze potencjaly czynnosciowe.
Usuniecie pradu przywraca wolny rytm. Podobne
wlasnosci wykazuja komórki RE. Zmiany na poziomie
pojedynczego neuronu odzwierciedlaja zmiany w EEG
rytmiczne salwy podczas rytmów snu i aktywnosc
toniczna w czasie czuwania.
22
Oddzialywanie TC - RE
TC
RE
Pojedyncza komórka TC w ciele kolankowatym
bocznym. Rozgalezienia aksonu dochodza do jadra
siatkowatego, a akson glówny poczatkuje droge do
kory wzrokowej.
TC
RE
Równoczesne zapisy wewnatrzkomórkowe z neuronów
TC i RE pokazuja, ze salwa potencjalów
czynnosciowych w pojedynczej komórce RE wywoluje
hamujace potencjaly postsynaptyczne w komórkach
TC, mogace wywolac salwe po wyjsciu z
hiperpolaryzacji (E) .
Pojedyncza komórka RE w jadrze siatkowatym.
Aksony komórek RE unerwiaja wylacznie komórki TC.
23
Oddzialywanie TC RE cd
TC
RE
Salwa potencjalów czynnosciowych w komórce RE
wywoluje hamujace potencjaly postsynaptyczne
(IPSP) w komórce TC, mogace wywolac salwe po
wyjsciu z hiperpolaryzacji (rysunek D). Salwa w
komórce TC wywoluje serie pobudzajacych
potencjalów postsynaptycznych (EPSP) i
wyladowanie w komórce RE (rysunek H). Wyladowanie
w komórkach RE, inicjuje kolejny cykl oscylacji.
Dwusynaptyczny obwód jest generatorem wrzecion in
vitro.
24
Generacja wrzecion i wyladowan epileptycznych
W doswiadczeniach in vitro, wrzeciona generowane
sa poprzez rytmiczne oddzialywanie komórek RE z
komórkami TC. Izolowane komórki jadra
siatkowatego wzgórza (RE) nie sa w stanie
generowac rytmicznej aktywnosci o czestosci
wrzecion. Blokada receptorów GABAA prowadzi do
transformacji wrzecion w wyladowania
przypominajace epileptyczne napady nieswiadomosci.
RE
TC
RE
TC
A. Potencjal polowy we wzgórzu. W sygnale
przefiltrowanym widoczne sa wrzeciona oraz wolna
oscylacja. B. Generacja wrzecion in vitro w petli
RE TC. Komórki RE hiperpolaryzuja duza liczbe
komórek TC. Komórki TC wychodzac z
hiperpolaryzacji odpalaja salwe potencjalów
czynnosciowych, która aktywuje komórki RE i
powoduje u nich odpalanie salwy i inicjacje
kolejnego cyklu. C. Blokada receptorów GABAA
powoduje dezinhibicje komórek RE i ich silniejsze
wyladowania. Dluzsze salwy RE aktywuja receptory
GABAB co prowadzi do wydluzenia hiperpolaryzacji,
silniejszych salw w komórkach TC i synchronizacji
aktywnosci.
25
Transformacja wrzecion w wyladowania epileptyczne
in vivo
Systematyczna aplikacja penicyliny (blokera
receptora GABAA) do kory kota prowadzi do
transformacji wrzecion w napady epileptyczne typu
iglica i fala (spike-wave).
Górny sygnal jest potencjalem polowym, dolny
wykres ukazuje autokorelogram. Przy kazdym
rysunku podany jest czas od poczatku aplikacji
penicyliny.
Transformacja wrzecion w aktywnosc epileptyczna w
wyniku rozleglej aplikacji penicyliny do kory
kota. Przed aplikacja stymulacja wzgórza (nucleus
centralis medialis, NCM) prowadzi do odpowiedzi
normalnej, po aplikacji do patologicznej.
26
Generator wrzecion in vivo jadro siatkowate
wzgórza
In vivo generatorem wrzecion jest jadro
siatkowate wzgórza. Komórki RE sa hamujace i sa
polaczone zarówno poprzez aksony, jak i zlacza
dendro-dendrytyczne. Hipoteza generatora RE
opiera sie na 1. Jadra RE pozbawione wejsc
generuja wrzeciona oraz wolna oscylacje. 2.
Wrzeciona we wzgórzu i korze zanikaja po
przecieciu polaczen z RE.
Zapis górny potencjal polowy w jadrze
siatkowatym wzgórza (RE) po odcieciu polaczen z
kora, wzgórzem i pniem mózgu. Widoczne wrzeciona
oraz wolna oscylacja. Ponizej zapisy EEG z kory
po przecieciu polaczen kory ze wzgórzem. Widoczne
fale delta, lecz wrzeciona sa nieobecne.
27
Generator wrzecion in vivo jadro siatkowate
wzgórza
Próba rozwiklania paradoksu istnienia róznych
generatorów wrzecion in vivo i in vitro zostala
podjeta z pomoca modelu komputerowego. Gdy
potencjal spoczynkowy komórek RE w modelu
odpowiadal sytuacji in vitro (-65 mV -85 mV),
komórki nie byly w stanie podtrzymac aktywnosci,
gdyz potencjal spoczynkowy byl zbyt blisko
potencjalu równowagi dla receptora GABAA( -80
mV). Depolaryzacja komórek RE do potencjalu
odpowiadajacego sytuacji in vivo (-60 mV -70
mV) wywoluje oscylacje o czestosci wrzecion.
Depolaryzacja in vivo (symulowana w modelu) jest
spowodowana dzialaniem neuromodulatorów
serotoniny i noradrenaliny.
Symulacje komputerowe polaczonych komórek RE.
Oddzialywania pomiedzy dwoma komórkami RE
generuje aktywnosc rytmiczna z przedzialu 6-9 Hz.
in vitro
in vivo
Symulacje komputerowe sieci 100 polaczonych
komórek RE. Pokazane zapisy z 10 komórek oraz ich
usredniony potencjal blonowy. W wyniku aktywacji
20 synaps NE/5HT (noradrenaliny/serotoniny)
potencjal oscyluje w czestosci 10-16 Hz.
Wylaczenie aktywacji prowadzi do hiperpolaryzacji
i zaniku aktywnosci, co moze odpowiadac sytuacji
in vitro.
28
Generator wrzecion pelny obwód RE - TC - Cx
W nienaruszonym obwodzie RE-TC-Cx, komórki TC
przyczyniaja sie do generacji wrzecion. Swiadczy
o tym m.in. fakt, ze dlugosc hyperpolaryzacji w
komórkach TC ma wplyw na czestosc wrzecion. Bez
komórek TC, wrzeciona nie bylyby widoczne w
powierzchniowych zapisach EEG.
Góra obwód trzech rodzajów komórek RE komórki
jadra siatkowatego wzgórza (reticular thalamic
nucleus), TH-cx (komórki wzgórzowo-korowe
(thalamocortical), Cx komórki kory (cortex).
Zapis EEG ukazuje wrzeciona i wolna
oscylacje. Ponizej zapisy wewnatrzkomórkowe u
uspionych kotów. W trakcie generacji wrzeciona
komórki TC odpalaja salwy tylko w niektórych
cyklach.
29
Generator wrzecion pelny obwód RE - TC - Cx
Rola komórek kory polega na czasowo-przestrzennej
synchronizacji indywidualnych generatorów
wrzecion we wzgórzu.
Czasowo-przestrzenne mapy aktywnosci we wzgórzu.
Strzalka wskazuje 1s. Kazda kolumna reprezentuje
8 mm (8 elektrod) wzgórza, a kolor wskazuje
wartosc lokalnego potencjalu polowego (mV). Po
usunieciu kory mózgowej kota, aktywnosc wrzecion
jest zachowana lecz ich synchronizacja maleje.
Dolne panele pokazuja korelacje aktywnosci dla
wszystkich mozliwych par elektrod in vivo i w
symulacji komputerowej.
30
Korowe napady nieswiadomosci
EEG
Podczas napadów nieswiadomosci u kota, komórki TC
we wzgórzu sa w stanie hieperpolaryzacji i nie
wykazuja aktywnosci. Wskazuje to na korowy
generator napadów.
Komórka piramidalna kory
TC
Zapis pierwszy napad nieswiadomosci u kota
manifestujacy sie aktywnoscia iglica-fala w
EEG. Zapis drugi aktywnosc komórki w korze
motorycznej. Zapis trzeci aktywnosc neuronu
wzgórza. W trakcie napadu komórka wzgórza
wykazuje toniczna hiperpolaryzacje, z której
wychodzi po zakonczeniu napadu.
31
Wzgórzowe napady nieswiadomosci w modelu petli
korowo-wzgórzowej
Zablokowanie receptora GABAA we wzgórzu powoduje
zmiane czestosci oscylacji z 11 na 4 Hz i
wydluzenie salw w komórkach RE oraz TC. W
komórkach kory (PY i IN) nastepuje jedynie zmiana
czestosci. Potencjal polowy (field potentials)
kory nie przypomina iglicy i fali.
32
Korowe napady nieswiadomosci w modelu petli
korowo-wzgórzowej
Blokada receptora GABAA w korze prowadzi do
transformacji wrzecion w synchroniczna aktywnosc
iglica i fala o czestosci 3 Hz.
33
Generatory rytmów EEG wolna oscylacja
Wolna oscylacja to rytm o czestosci ponizej 1 Hz
A. Wolna oscylacja ( 0.9 Hz) u kota widoczna w
powierzchniowym i glebinowym EEG oraz zapisy
wewnatrzkomórkowe z neuronu w korze motorycznej i
z neuronu wzgórza. W czesci B widac powiekszenia
cyklu. Maksimum w EEG odpowiada potencjalom
czynnosciowym w komórkach korowych. Po maksimum
wystepuje krótka sekwencja wrzeciona w EEG.
Komórka wzgórza generuje salwe z opóznieniem
150-200 ms w stosunku do aktywnosci komórek kory.
34
Generatory rytmów EEG wolna oscylacja cd
Wolna oscylacja jest zjawiskiem sieciowym
(generatorem jest siec neuronów kory, a nie
pojedyncze komórki lub lokalny obwód). Swiadcza o
tym a) wystepowanie rytmu w korze po usunieciu
wzgórza, b) zanik rytmu we wzgórzu po usunieciu
kory, c) zaklócenie rytmu po zablokowaniu
polaczen wewnatrz-korowych
Dezorganizacja wolnej oscylacji w wyniku
zablokowania synaps wewnatrz-korowych. Wykresy
ukazuja sekwencyjne korelacje wzajemne
(cross-correlation) zapisów wewnatrzkomórkowych z
przedniej i tylnej czesci mózgu kota. Na
schemacie mózgu widac polozenie elektrod i
miejsce aplikacji lidocainy (strzalka). Po
aplikacji korelacje wzajemne maleja i traca
wyrazne centralne maksimum, co wskazuje na
desynchronizacje aktywnosci.
35
Generatory rytmów EEG kompleksy-K
Zespól grafoelementów skladajacy sie z ostrej
iglicy, wolnej fali i wrzeciona nazywa sie
kompleksem-K.
Zapisy glebinowe (EEG) i wewnatrzkomórkowe z
komórek TC i RE ukazujace ostra iglice, wolna
fale i oscylacje wrzecionowata.
36
Wolna oscylacja grupuje rytmy EEG snu
Wolna oscylacja laczy rytmy korowe w czasie snu
(wrzeciona, kompleksy-K i fale delta)
A. Kompleksy-K w zapisie 3 fazy snu u czlowieka.
Oba kompleksy K sa umieszczone w wolnej
oscylacji (0.6 Hz). B. Usredniony kompleks-K. C.
Widmo mocy z elektrody C3. Trzy zakresy czestosci
zaznaczone zaznaczone sa w okienku oraz w czesci
D rysunku.
37
Generatory rytmów EEG fale delta
Fala delta jest rytmem o czestosci 1- 4 Hz
wystepujacym w 3 i 4 fazie snu. Istnieja dwa
rodzaj fal delta jeden z nich generowany jest w
korze i nie zanika po usunieciu wzgórza
(mechanizm nieznany). Drugi rodzaj fal delta
generowany jest we wzgórzu i nie zanika po
usunieciu kory (mechanizm dobrze poznany).
komórka wzgórza
komórka kory
LFP - kora
EEG - kora
komórka kory - powiekszenie
Fale delta (3 - 4 Hz) pogrupowane wolna
oscylacja (0.3 0.4 Hz). A. Zapis z komórki
wzgórza. B. Od góry do dolu zapis
zewnatrzkomórkowy z komórki kory, lokalny
potencjal polowy i zapis EEG. Kawalki sygnalu
oznaczone sa pokazane w powiekszeniu ponizej.
C. Autokorelogramy dwóch komórek korowych. Obie
komórki wykazuja wolna oscylacje, a komórka b
dodatkowo wykazuje rytm delta.
38
Generatory rytmów EEG fale delta cd
Wzgórzowa fala delta jest generowana wewnatrz
komórek TC w wyniku oddzialywania pradu
wapniowego IT i pradu Ih aktywowanego
hiperporalyzacja.
A. Generacja fali delta w komórkach TC. B.
Oscylacje delta w komórkach TC wywolane pradem
hiperpolaryzujacym. Im wieksza hiperpolaryzacja
(1 - 4), tym wiecej cykli fal delta. Prad
depolaryzujacy (strzalki) zatrzymuje oscylacje, a
jego usuniecie ja przywraca.
39
Wrzeciona i fale delta zaleznosc od potencjalu
blonowego w komórkach TC
Potencjal blonowy komórek TC odpowiada za
przejscie od wrzecion do fal delta. A-C ukazuja
zapisy wewnatrzkomórkowe komórki TC i EEG z
obszaru kory motorycznej u kota. A. Brak rytmu w
EEG jest zwiazany z aktywnoscia toniczna komórki
przy wysokim potencjale (-58 mV). B.
Hiperpolaryzacja komórki (-64 mV) prowadzi do
pojawienia sie wrzecion (8 -10 Hz) w EEG
pogrupowanych wolna oscylacja ( 0.8 Hz). C.
Dalsza hiperpolaryzuja (-75 mV) komórki zmienia
wrzeciona w fale delta (3 - 4 Hz) równiez
pogrupowane wolna oscylacja ( 0.8 Hz).