Elektroencefalogram: historia pewnego sygnału

Początki badania bioelektryczności sięgają okresu jedności nauk przyrodniczych. W roku 1786 Luigi Galvani wykonał słynne doświadczenie: jednoczesne dotknięcie mięśnia wypreparowanej kończyny żaby dwoma (połączonymi ze sobą) różnymi metalami wywołuje skurcz. Mimo błędnej interpretacji, doświadczenie to wpłynęło stymulująco na badania elektryczności -- prawidłową interpretację podał Alessandro Volta w roku 1796. Minęło 50 lat, nim do istoty ,,elektryczności zwierzęcej'' zbliżył się Du Bois-Reymond, wykazując w roku 1848, że aktywności w nerwie obwodowym towarzyszy niezmiennie zmiana potencjału na jego powierzchni.

Pierwszy opis czynności elektrycznej mózgu [5] pojawił się w roku 1875 w sprawozdaniu z grantu przyznanego przez British Medical Association. Richard Caton wykazał korelację między prostymi czynnościami (ruch głową, przeżuwanie) a zmianą potencjału w odpowiednich obszarach kory mózgowej kotów i królików. Zawarte w raporcie zdanie ,,feeble currents of varying directions pass through the multiplier when the electrodes are placed on two points of external surface...'' stanowiło ponadto pierwszy opis elektroencefalogramu. Jednak publikacje Catona w czasopiśmie czysto medycznym przeszły nie zauważone.

Rysunek: Adolf Beck (1863-1942) w szatach rektora Uniwersytetu we Lwowie; w rękach trzyma napisaną wspólnie z Cybulskim ,,Fizjologię Człowieka'', na palcu złoty sygnet z napisem Bene merenti facultas medica, ofiarowany przez Uniwersytet w 40-lecie pracy naukowej. Portret pędzla S. Batowskiego (1934)

W roku 1886 23-letni Adolf Beck rozpoczął pracę na wydziale fizjologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie pod kierunkiem profesora Cybulskiego. W roku 1890 obronił rozprawę doktorską Oznaczenie lokalizacyi w mózgu i rdzeniu za pomocą zjawisk elektrycznych [2]. Podobnie jak inni, zajmujący się podówczas podobną tematyką, nie wiedział o wcześniejszych pracach Catona. Mimo tego, rozprawa jego stanowiła znacznie głębsze studium problemu lokalizacji funkcji sensorycznych w mózgu jak i samego elektroencefalogramu (odkrył m. in. jego desynchronizację w odpowiedzi na bodźce). Wyniki te opublikował w najszerzej czytanym piśmie fizjologicznym -- Centerblatt für Physiologie [1]. Jego krótki artykuł rozpętał burzę pretensji do palmy pierwszeństwa -- m. in. Ernest Fleischl von Marxow dowodził, że obserwacje czynności elektrycznej mózgu spisał wcześniej w liście złożonym w ...sejfie Cesarskiej Akademii Nauk w Wiedniu (był to pono zwyczaj podówczas nierzadki na niektórych uniwersytetach Europy). Beck odpowiedział skromnie, że technikę badania potencjałów nerwów i konstrukcję elektrod opracował Du Bois-Reymond, więc zastosowanie znanej techniki do rozwiązania nowego problemu nie zasługuje na miano odkrycia. Stwierdził ponadto, że motywem podjęcia tych eksperymentów był konkurs ogłoszony w październiku 1888 przez prof. Cybulskiego, który jest w związku z tym autorem idei. Dyskusję uciął Caton, cytując publikacje swoich wspomnianych powyżej prac.

Rysunek B.2: Napoleon Nikodem Cybulski (1854-1919)

Głównym celem opisywanych dotychczas badań było wykorzystanie elektrofizjologii do lokalizacji funkcji w mózgu. Wróćmy jednak do ,,ubocznego'' ich efektu, czyli elektroencefalogramu, dla którego Beck zaproponował nazwę aktywny prąd niezależny, w odróżnieniu od prądów wywołanych stymulacją. Ogromne postępy w zakresie jego badania i interpretacji poczynił wspomniany już profesor Napoleon Nikodem Cybulski, choć wieloletni brak funduszy na sprzęt fotograficzny odebrał mu szansę na pierwszeństwo w opublikowaniu zdjęcia elektroencefalogramu (rys. B.3).

Rysunek: Fotografia napadu epileptycznego wywołanego drażnieniem kory mózgowej psa. Kolejność w czasie: panel górny, potem dolny, od prawej do lewej. Sygnały (od dołu): znacznik czasu (1 Hz), bodziec, elektrokortikogram (ECoG, potencjał z powierzchni kory), oddech. Początek napadu widać w ECoG po wyłączniu bodźca z prawej strony górnego panelu i w panelu dolnym w postaci silnie zwiększonej amplitudy w niskich częstościach. Zdjęcie z pracy Prądy czynnościowe kory mózgowej, Cybulski i Jeleńska-Macieszyna 1914 [6]

Eksperymenty te prowadzono na odsłoniętych mózgach zwierząt. Pierwszy zapis elektroencefalogramu człowieka (z powierzchni czaszki swego syna) uzyskał w roku 1925 Hans Berger, jednak wyniki trzymał w tajemnicy aż do skompletowania bogatego materiału, który opublikował w 1929 w artykule Über das Elektrenkephalogramm des Menschen [3]. Artykuł ten stanowi wielką klasykę elektroencefalografii klinicznej, rozpoczął również serię corocznych (do 1938) publikacji Bergera o niemal jednobrzmiących tytułach. Berger potwierdził występowanie w mózgu człowieka większości efektów opisywanych u zwierząt, odrzucił jednak zaproponowaną przez Włodzimierza Włodzimierzowicza Prawdzicz-Niemińskiego (który pierwszy opublikował w 1912 zdjęcie elekteoencefalogramu) nazwę ,,elektrocerebrogram'' jako barbarzyński zlepek greki i łaciny.

Historię początków encefalografii opisuje bliżej (po angielsku) książka Mary Brazier [5].

$\star\star\star$

Obecnie, dzięki postępowi fizyki i technologii, dostępnych jest szereg technik obrazowania czynności i struktury mózgu, jak: tomografia komputerowa (CT), magnetyczny rezonans jądrowy (strukturalny i funkcjonalny -- MRI, fMRI), pozytonowa tomografia emisyjna (PET) i magnetoencefalografia (MEG).

Elektroencefalogram (EEG) wyróżnia się spośród nich, poza najdłuższą historią aplikacji klinicznych, wysoką rozdzielczością czasową, relatywnie niskim kosztem oraz faktem, że nie obciąża pacjenta szkodliwym promieniowaniem. W dniu dzisiejszym technologia zapisu EEG zapewnia wystarczające próbkowanie w czasie i przestrzeni: $10^2$-$10^4$ Hz i do ok. 128 obserwowanych jednocześnie odprowadzeń (elektrod na czaszce). Wiele do zrobienia pozostaje natomiast w dziedzinie analizy i interpretacji otrzymanych w ten sposób danych. Znajduje tu zastosowanie większość opisanych w tej książce metod.