روایت مغز: اختراع دستگاه EEG و کشف امواج الفای مغزی

الکتروانسفالوگرافی، تکنیک ثبت و تفسیر فعالیت الکتریکی مغز است. سلول‌های عصبی مغز باعث ایجاد ایمپالس‌های الکتریکی می‌شوند که از لحاظ ریتم در الگوهای مشخصی نوسان می‌کنند. در سال ۱۹۲۹ دانشمند آلمانی هانس برگر نتایج اولین تحقیقات خود را رد زمینه به کارگیری الکتروانسفالوگرافی منتشر کرد. ضبط تولید شده توسط چنین ابزاری الکتروانسفالوگرام ، معمولاً اختصار EEG نامیده می شود.

به منظور ثبت فعالیت الکتریکی مغز، ۸ الی ۱۶ جفت الکترود به پوست سر وصل می‌شود. هر جفت الکترود سیگنال‌هایی را به یکی از چندین کانال دستگاه الکتروانسفالوگراف منتقل می‌کنند. این سیگنال‌ها از تفاوت ولتاژ بین جفت الکتروها حاصل می‌شوند. نوسان ریتمیک اختلاف پتانسیل‌ها به صورت یک سری قله‌ها و فرورفتگی‌هایی در یک نمودار خطی توسط دستگاه ترسیم می‌شود.

الکتروانسفالوگرافی یک فرد بالغ سالم در یک وضعیت کاملاً آگاهانه اما آرام، موج‌های نوسانی که مرتب تکرار شونده به نام موج‌های آلفا تشکیل می‌شود.

هنگامی که فرد هیجان زده یا مبهوت است، امواج آلفا جای خود را به امواج نامنظم سریع ولتاژ پایین می‌دهند. هنگام خواب یا در حالت کما، امواج مغزی بسیار کند می‌شوند. سایر وعیت‌های غیر طبیعی نیز الگوهای خاص را در EEG به خود اختصاص می‌دهند. به عنوان مثال، امواج آهسته نامنظم با نام امواج دلتا از مجاورت منطقه موضعی آسیب دیده حاصل می‌شوند.

الکتروانسفالوگرافی وسیله‌ای برای مطالعه نحوه عملکرد مغز و ردیابی ارتباطات بین بخشی از سیستم عصبی مرکزی و بخش دیگر بدن می‌باشد. با این حال، اثربخشی آن به عنوان یک ابزار تحقیقی محدود است ، زیرا تنها یک نمونه کوچک از فعالیت‌های الکتریکی سطح مغز ثبت می‌کند. بسیاری از کارکردهای پیچیده‌تر مغزی، مانند عملکردهایی که زمینه ساز احساسات و اندیشه فرد هستند، تا کنون در الگوهای EEG جای نداشته‌اند.علاوه بر این، الکتروانسفالوگرافی در تشخیص بیماری‌های روانی نیز اثر بخشی لازم را نداشته است.

هانس برگر (Hans Berger)

هانس برگر فرزند پل فردریش برگر (Paul Friedrich Berger) و آنا روکرت (Anna Rückert)، در سال ۱۸۷۳ در کوبرگ (Coburg) متولد شد. او پس از اتمام تحصیلات ابتدایی خود، در سال ۱۸۹۲ وارد دانشگاه جنا (Jena) شد. پس از یک ترم تحصیل در رشته نجوم این رشته را ترک کرد و برای گذراندن یک سال خدمت در سواره نظام ثبت نام کرد. در طی یکی از تمرینات خود، اسب او به طور ناگهانی رم کرده و او در این واقعه زخمی شد. خواهرش، کیلومترها دور از او، احساس کرد که برادرش در خطر است و اصرار داشت که پدرشان از احوال هانس باخبر شود. خوشبختانه در این حادثه به برگر آسیب نرسید، اما این واقعه تأثیر زیادی بر او گذاشت. پس از اتمام خدمت سربازی، او درگیر این فکر بود که چگونه مغز او توانسته بود سیگنالی را به خواهرش منتقل كند؛ بنابراین برای تحصیل در پزشکی با هدف كشف مبانی فیزیولوژیكی نوعی از “انرژی روانی” به جنا بازگشت.

در سال ۱۸۹۷ دستیار اوتو بنزوانگر (Otto Binswanger) در کلینیک روان پزشکی دانشگاه شد. وی در سال ۱۹۱۲ به عنوان پزشک ارشد و در سال ۱۹۱۹ مدیر و استاد روان پزشکی منصوب شد.

موضوع اصلی پژوهش‌های برگر بررسی ارتباط بین فعالیت عینی مغز و پدیده‌های روانی ذهنی بود. وی در مطالعات خود در مورد گردش خون در مغز (۱۹۰۱سال) تلاش‌های خود را برای درک این رابطه از طریق ثبت پلتیسوگرافی از پالس‌های مغزی شرح می‌دهد. او تاثیرات ضربان قلب، تنفس، عملکردهای وازوموتور و موقعیت سر و بدن را بر روی پالس‌های مغزی بررسی کرد. برگر همچنین تأثیر تعدادی از داروها مانند کافور، دیجیتوکسین، کافئین، کوکائین و مورفین را نیز بر روی نبض‌های مغزی بررسی کرده است؛ هر چند نتایج این تحقیقات ناامیدکننده بود.

بعد از سال ۱۹۰۷، برگر تلاش کرد تا ارتباطی بین دمای مغز و فرآیندهای روانی پیدا کند. مطابق نتایج منتشر شده توسط برگر در سال ۱۹۱۰، این آزمایشات نیز به بن بست رسیدند.

بعد از انجام یک سری آزمایشات ناامیدکننده که هدف آن‌ها اندازه گیری گردش خون و دمای مغز بود، برگر پس از بازگشت از جنگ جهانی اول، وقت خود را به طور عمده به اندازه گیری فعالیت الکتریکی مغز اختصاص داد.

در سال ۱۹۳۸، برگر بازنشسته شد. منابع در دسترس حاکی از آن است که نازی‌ها با توجه به روابط خصمانه خود، در همان سال‌های ابتدایی با ممنوعیت کامل هر گونه فعالیت در حیطه EEG، برگر را مجبور به بازنشستگی کردند. برگر علیرغم فشارهای قابل توجهی که از سوی همکاران خود در دانشگاه به او وارد می‌شد، به یکی از سازمان‌های نازی نپیوست؛ اما عضو سازمان SS بود که گمان می‌رود به منظور محافظت از خود این کار را انجام داده است. او پس از درگیری طولانی مدت با افسردگی بالینی و عفونت شدید پوستی، در اول ژوئن سال۱۹۴۱ در دفتر خود به زندگی خود پایان داد.

آزمایشات و تحقیقات برگر

در مسیر توسعه الکتروانسفالوگرافی، کارهای ریچارد کاتون (Richard Caton)ونمینسکی (Nemminski) الهام بخش کاتون بود. کاتون در سال ۱۸۷۵ توانسته بود پتانسیل‌‌های الکتریکی را در قشر در معرض حیوانات اندازه گیری کند، در ثبت گرافیکی این پدیده ناکام مانده بود. نمینسکی در سال ۱۹۱۳ توانست اولین الکتروانسفالوگرام به وسیله گالوانومتر اینتهوون* از روی جمجمه سگ‌های سالم ثبت کند.

شاید این مطلب نیز بریا شما مفید باشد: روایت مغز: ثبت امواج مغزی

اولین تلاش‌های برگر برای اندازه گیری فعالیت الکتریکی مغز، بر پایه مطالعات او درباره جریان خون مغزی بود. در سال ۱۹۰۲، برگر تلاش کرد تا کارهای پیشین کاتون را تکرار کند. کاتون از یک الکترومتر مویرگی Lippmann استاندارد برای اندازه گیری فعالیت الکتریکی سطح قشر مغز استفاده کرده بود. الکترومتر مویرگی در اواخر قرن نوزدهم، یکی از وسایل مورد استفاده در حوزه فیزیولوژی بود. این الکترومتر از یک ستون جیوه که در محلول اسید سولفوریک رقیق به خالت معلق قرار داشت، تشکیل شده بود. با عبور جریان از این ستون، انحنای منیسک جیوه نوسان پیدا کرده، و لنز میکروسکوپ منیسک قوی را برای ثبت اطلاعات به صورت تصویری بزرگ می‌کند.*

اولین تلاش برگر با موفقیت چندانی روبه رو نشد زیرا او توانست تنها یک بار در یک سری از پنج آزمایش پالس الکتریکی از مغز سگ را مشاهده کند. او به منظور تمرکز بر روی اندازه گیری نسبتاً ساده جریان خون مغزی، تلاش‌های خود برای ثبت جریان الکتریکی مغز را رها کرد. این مطالعه در مورد جریان خون، باعث شد تا برگر دوباره با مشکل به وجود آمده در ثبت فعالیت الکتریکی مواجه شود و در نتیجه او توجه خود را به مؤلفه قابل اندازه گیری دیگر انرژی مغز یعنی گرما معطوف کرد. پس از چندین سال دوباره برگر مطالعه در مورد فعالیت الکتریکی مغز را از سر گرفت.

اولین بیماری که در مطالعه‌های برگر شرکت کرد، یک دانشجو ۱۷ ساله به نام زادل (Zedel) بود که به منظور برداشتن تومور مغزی، دو عمل جراحی کرانیوستومی را پشت سر گذاشته بود و در نتیجه بر روی سولکوس مرکزی و قسمت خاکستری مربوط به بخش حسی و حرکتی مجاور آن، دو نقص جمجمه‌ای دیده می‌شد. برگر در سال ۱۹۲۴ الکترودهای خاک رس Du-BoisReymond خود را از محرک الکتریکی جدا کرده و آن‌ها را به یک گالوانومتر رشته‌ای* Edelmann (حساسیت ۱ mV/cm) متصل کرد. از این دستگاه بطور معمول برای ثبت داده‌های الکتروکاردیوگرام در بیمارستان دانشگاه استفاده می‌شد.

پس از انجام چند اصلاح فنی در مورد تغییر وضعیت الکترودها، استفاده از رشته‌های گالوانومتر مختلف و تنظیم دستگاه، اولین آزمایش موفقیت آمیز ثبت شد. بزرگنمایی بیشتر جریان‌های قشر کوچک با استفاده از یک گالوانومتر کوچک یک کابوس فنی بود. هنگامی که برگر تلاش می‌کرد با جاری ساختن جریان بیشتر به آهنربا الکتریکی*، حساسیت گالوانومتر را افزایش دهد، سر و صدای الکتریکی کاذب بیشتر شده یا رشته کوارتز گران قیمت را خرد می‌کرد.

اولین موارد ثبت شده از فعالت‌های الکتریکی انسان زیاد چشمگیر نبودند. سایه‌های خشن نوسانات دقیقه‌ای رشته گالوانومتر در کاغذ عکاسی ثبت شده بود. (شکل ۲) هیچ اثری از امواج بزرگ آلفا، مجموعه‌های قله‌ها و فرو رفتگی‌ها و یا دیگر اشکال موجی شکل مشخصی که در طی سال‌های بعدی کشف شد، وجود نداشت.

Image result for Berger’s earliest electroencephalograms — شکل دو

در سال ۱۹۲۶، برگر یک گالوانومتر دو سیم پیچ حساس‌تر (با حساسیت ۱۳۰ mV/cm) خریداری کرد و با این کار توانست جریان الکترودهای با پالس پایین نیز اندازه گیری شود. برگر با بسیاری از الکترودهای سوزنی سطحی و اپیدورال آزمایشات خود را با بیماران دارای نقص جمجمه تکرار کرد. نتایج او در بیماران و افراد بدون نقص جمجمه به ویژه در مردان طاس بهبود یافته بود. *

تا بهار سال ۱۹۲۹، برگر صدها EEG را از بیماران مبتلا به نقص جمجمه و کارمندان کلینیک روان پزشکی و همچنین ده ها EEG از پسرش کلاوس و خودش تهیه کرده بود. او همچنین ثبت الکتروانسفالوگرام را در بیماران مبتلا به صرع، زوال عقل، تومورهای مغزی و سایر اختلالات عصبی روانی آغاز کرد.

علی رغم سرعت شتاب بخش در تحقیقات برگر، او هنوز از “تردیدهای جزئی در مورد اهمیت” EEG نگران بود. نهایتاً در آوریل سال ۱۹۲۹، تقریباً پنج سال پس از ثبت اولین EEG انسانی، برگر تردیدهای خود را درباره EEG کنار گذاشت و اولین گزارش تحقیقاتی خود را با عنوان در مورد الکتروانسفالوگرام ارائه داد.

برگر در پژوهش‌های خود خاطرنشان می‌کرد که EEG نوزادان و خردسالان با بزرگسالان تفاوت‌هایی دارد. در سال ۱۹۳۱ او دستگاه رشته Edelman را به آمپلی فایر Siemens مجهز کرد. بسیاری از گزارش‌های برگر جاکی از کنترل‌های گسترده‌ای بودند که ثابت می‌کند EEG ثبت شده کاذب نیست، و از ایمپالس‌های عضله ناشی نمی‌شود و واقعاً نمایانگر فعالیت قشر مغزی است.

در طول دهه آینده، برگر مجموعه‌ای از ۱۴ مقاله علمی را درمورد الکتروانسفالوگرافی منتشر کرد. در این مقالات، برگر به مبانی نوروفیزیولوژیک EEG انسان، اهمیت روان دشناختی الگوهای مختلف EEG و کاربردهای بالینی EEG پرداخته است.

امواج مغزی

امواج مغزی الگوهای فعالیت الکتریکی مغزی هستند. آن‌ها در تمامی جنبه‌های عملکرد مغز از جمله افکار، احساسات و رفتارها بسیار مهم تلقی می‌شوند .فعالیت مغز معمولاً با ترکیبی از امواج مغزی مشخص می‌شود. بسته به فعالیت انجام شده در حین اندازه گیری امواج، موج خاصی برحسته‌تر از دیگر امواج خواهد بود. این تعادل از این نظر اهمیت داد که در صورت عدم توازن امواج مغزی، ممکن است سلامتی فرد نظر عاطفی، عصبی و جسمی در خطر قرار بگیرد. با اختراع EEG و کشق امواج مغزی، اطلاعات مفید در مورد وضعیت روحی و روانی قابل تهیه است که می‌تواند در تشخیص صرع، بیماری‌های مربوط به خواب، آلزایمر و سایر موارد کمک کننده باشد.

پنج نوع مختلف امواج مغزی وجود دارد، که به ترتیب فرکانس کم به زیاد عبارتند از:

امواج دلتا: کندترین امواج مغزی هستند. زمان مدیتیشن و خواب بدون رویا ایجاد می‌شوند. زمانی که بدن در حالت بهبودی و احیا است، در این حالت قرار دارد.
امواج تتا: این امواج نیز در خواب و هنگام آرام بودن فرد رخ می‌دهد و نشانگر تمرکز درونی هستند و رویاها و تصاویر زنده در این حالت بروز می‌یابند.
امواج آلفا: امواج آلفا زمان آرامش و تقکر فرد رخ می‌دهد و نشان دهنده حالت استراحت است.
امواج بتا: رایج‌ترین امواج در حالت بیداری هستند. زمان هوشیاری فرد و هنگام تمرکز بر روی مسائل قابل تشخیصند.
امواج گاما: سریع‌ترین موج است و در این حالت بدن در بالاترین هوشیاری خود قرار دارد.

امواج مغزی با سلامت فرد ارتباط تنگاتنگی دارد. به عنوان مثال، هنگامی که قسمت‌های خاصی از مغز بیش از حد برانگیخته می‌شود، فرد ممکن است دچار اضطراب، کابوس یا سایر مشکلات مربوط به خواب، تکانشگری و پرخاشگری شود. از طرف دیگر برانگیختگی پایین مغزی با افسردگی، درد مزمن و بی خوابی ارتباط دارد. اگر ریتم‌های مغزی ناپایدار باشند، فرد ممکن است حالت‌هایی از وسواس اجباری را تجربه کند، به صرع مبتلا شود یا دچار حملات هراس شود.

برگر اظهار داشت كه EEG پيچيده از دو نوع امواج اساسي تشكيل شده است: موج بزرگ‌تر آلفاي ۱۰۰ µsec كه با فعاليت‌های ذهني هوشیاری ارتباط دارد و امواج کوچک‌تر بتا ۳۵ µsec كه با فعاليت‌هاي متابوليک قشر مغز همراه است.

این تجزیه و تحلیل از EEG انسان از نظر امواج آلفا و بتا می‌تواند در تبیین نتایج آزمایشات روانشناسی-فیزیکی برگر و همچنین الگوهای EEG مشخصه در تشنج کلاسیک گرندمال استفاده شود. شکل ۴ توصیف برگر از EEG و تقسیم آن به اجزای آلفا و بتا در کاربردهای بالینی و تحقیقاتی اهمیت زیادی دارد. در سال ۱۹۳۴، لرد آدریان فیزیولوژیست معروف کمبریج به “امواج آلفا” نام “امواج برگر” را داد.

به رسمت شناختن اختراع برگر

ادگار داگلاس آدریان (Edgar Douglas Adrian) و برایان متیوز (Brian Matthews) در سال ۱۹۲۶، یک الکتروکاردیوگراف الکترومغناطیسی که با جوهر کار می‌کند را اختراع کرده بودند که از یک تقویت کننده با ظرفیت سه مرحله‌ای استفاده می‌کرد.* در نتیجه با مطالعه تحقیقات برگر، در اوایل سال ۱۹۳۴، موفق به ثبت یک EEG و تایید مشاهدات برگر، از جمله ریتم‌های آلفا و اثر مسدودکننده در بروز امواج به دنبال باز شدن چشم شدند. با این کار اهمیت اکتشافات برگر در حوزه الکتروانسفالوگرافی در مجامع بین المللی در سال ۱۹۳۷ به رسمیت شناخته شد و تا سال ۱۹۳۸، الکتروانسفالوگرافی توسط دانشمندان برجسته این حوزه به در حیطه‌های کاربرد عملی در تشخیص، درمان و تحقیق در ایالات متحده، انگلیس و فرانسه استفاده شد.

سخن پایانی

الکترونسفالوگرافی به عنوان یک ابزار تشخیصی در صدمات جدی سر، تومورهای مغزی، عفونت‌های مغزیپف اختلالات خواب، صرع و انواع بیماری‌های نورو دژنراتیو سیستم عصبی استفاده می‌شود. الکتروانسفالوگرافی همچنین در ارزیابی بیماران مشکوک به مرگ مغزی مفید است. این مورد به ویژه در امر پیوند اهمیت خود را نشان می‌دهد. محرومیت از خواب و سایر آزمایشات تحریکی، از جمله تحریک نوری (نور) و هایپر ونتیلیشن می‌توان نتایج آزمون را تحت تاثیر قرار دهد.