CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE NHAN DANG TIN HIEU DIEN NAO 1.1 Tổng quan về tín hiệu điện não 1.1 EEG la gi EEG là phương pháp ghi lại hoạt động điện của não. Thông thường đây là phương pháp không xâm lấn (không gây ảnh hưởng đến đối tượng). Trong phương pháp này, một số điện cực được đặt dọc theo đa đầu, đo dao động điện áp ở các vị trí khác nhau (Hình 7. EEG được phát hiện bởi Berger năm 1924 bằng 1 dụng cụ đo dòng điện với l điện cực bề mặt trên đầu con trai ông và ghi lại được | mẫu nhịp nhàng những dao động điện.
=m tm ees ` ° * © MG ` ` ằ Bạt r. Thiét lap ghi tín hiệu EEG 1.2 Tai sao phải thu nhận tín hiệu EEG Não bộ của con người là một tô chức phức tạp, tinh vi nhất của hệ thần kinh. Thông qua các giác quan như mắt, tai, da, bộ não tiếp thu các thông tin về thị giác, thính giác, xúc giác. để từ đó nhận thức ra đối tượng, xử lý và giải đáp thông tin qua các hình thức vận động.
Do vậy bộ não giữ vai trò quan trọng trong hoạt động toàn diện, đa dạng của con người, giúp con người thích ứng với các hoàn cảnh xã hội. Ngày nay, khi thế giới ngày càng phát triển thì các bệnh về não cũng ngày càng phát triển như: các bệnh về động kinh, viêm não, u não. Do vậy, tìm hiều về cấu trúc của não bộ cũng như cách thức não bộ truyền nhận thông tin là một lĩnh vực chứa nhiều tiềm năng đem tới những phát kiến khoa học lớn. Để thực hiện được việc đó, một trong những việc đầu tiên và quan trọng nhất là phải thu nhận được những tín Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin - ĐHTN http://Irc.vn hiệu/thông tin do não bộ sản sinh.
Một số phương pháp khác nhau ghi lại hoạt động của não (Hình 7. Một số phương pháp thu thập thông tin của não - _ Điện não đồ (Electroencephalography - EEG), - Chụp quang phổ cận hồng ngoại chức năng (Functional Near-Infrared Spectroscopy - fNIRS), - Điện nao x4m lan (Electro-corticography - ECoG), - Chup cat lép (Computed Topography - CT) - _ Từ não dé (Magnetoencephalography - MEG), - Chup cat lép phat xa positron (Positron emission tomography - PET) - Chup cong huong tir chic nang (functional magnetic resonance imaging - fMRI). Các phương pháp thu tín hiệu hình ảnh từ não như CT, PET, MRI thường có thiết kế cồng kènh, giá thành rất cao. Phương pháp điện não xâm lắn ECoG cho tín hiệu có độ tin cậy cao, chất lượng và độ phân giải tốt tuy nhiên lại là phương pháp xâm lấn, không dễ thực hiện và đòi hỏi phải có can thiệp y khoa để mở hộp sọ đặt điện cực thu tín hiệu.
So với các phương pháp này, điện não đồ EEG cho kết quả là tín hiệu điện não có độ phân giải và chất lượng tốt. Thiết bị thu EEG thường nhỏ gọn, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin - ĐHTN http://Irc.vn có thé di chuyên linh hoạt và giá thành thấp. Tín hiệu điện não EEG là một phương thức phương thức được sử dụng phô biến nhất thu nhận tín hiệu đầu vào cho các ứng dụng giao diện não - máy tính, phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội nếu được triển khai áp dụng tại Việt Nam. Nguồn gốc của tín hiệu EEG Vỏ não là nguồn gốc của các hoạt động điện của não thu được từ bề mặt của da đầu, các dạng khác nhau của hoạt động điện và dẫn tới trường điện thế được tạo ra bởi các tế bào thần kinh vỏ não.
Sự sắp xếp của các tế bào ở các khu vực khác nhau trên vỏ não là khác nhau, mỗi vùng có kiểu hình thái khác nhau. Hầu hết các tế bào vỏ não được sắp xếp thành các cột, trong các cột này các neuron được phân bố đọc theo trục chính của các cây dạng nhánh, song song với mỗi cây khác và trực giao với bề mặt vỏ não. Vỏ não gồm các lớp khác nhau, các lớp này là không gian của cấu trúc các tế bào thần kinh đặc biệt, với các trạng thái và chức năng khác nhau trong đáp ứng xung điện. Té bao than kinh pyramidal 1a thành phần cấu tạo chủ yếu của vỏ não.
Điện thế EEG ghi được từ các điện cực được đặt tiếp xúc với lớp đa đầu là sự tổng hợp các thay đổi về điện thế ngoài của tế bào pyramidal. Màng tế bào pyramidal không bao giờ trong trạng thái nghỉ bởi vì nó bị tác động liên tiếp bởi hoạt động sinh ra do các neuron khác có các liên kết synaptic (mối nối giữa một axon và tế bào kế tiếp mà chúng trao đổi thông tin được gọi là synapse). Các liên kết synaptic có thê là kích thích hoặc ức chế sự thay đôi tương ứng tính thâm thấu của màng tế bào đối với ion K và ion CI làm phát sinh dòng điện. Điện thế postsynaptic (phần synapse cạnh tế bào kế tiếp) kích thích là tổng hợp của dòng đi vào trong màng tế bào gây ra bởi các ion dương và dòng đi ra ngoài màng tế bảo tạo dọc theo phần mở rộng của tế bào extra-synaptic.
Điện trường bên ngoài tế bào là hàm của điện thế xuyên màng. Mặc dù các điện thế bên ngoài tế bào riêng rẽ là nhỏ nhưng tổng điện thế của chúng cũng đáng kế đối với nhiều tế bào. Điều này là do các neuron pyramidal được kích hoạt tức thời lớn hơn hoặc nhỏ hơn cách mà liên kết synaptic và các thành phần Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin - DHTN http://Irc.vn dọc trục của dòng bên ngoài màng được thêm vào, trong khi đó các thành phần nằm ngang lại có xu hướng làm giảm điện thế này. Ngoài ra các nguồn khác cũng góp phan tao ra tín hiệu EEG.
Sự giảm điện thế màng tế bào tới mức giới hạn xấp xỉ 10 mV nhỏ hơn điện thế tái khử cực tại trạng thái nghỉ của mảng tế bào. Điện thế hoạt động của các neuron não là nguồn gốc của EEG, chúng góp phần nhỏ trong việc tạo ra tín hiệu EEG ghi được tại bề mặt của não. Do chúng thường hoạt động không đồng bộ trong cùng một thời gian đối với một số lượng lớn các sợi trục, các sợi trục này di chuyên theo nhiều hướng tương đối với bề mặt vỏ não. Nguyên nhân khác là phần của màng tế bảo bị khử cực bởi điện thế hoạt động tại các thời điểm cố định nhỏ hơn so với thành phần của màng tế bào được kích thích bởi một EPSP và điện thế hoạt động tổn tại trong thời gian ngắn hơn( cỡ 1 - 2ms) so với của EPSPs hoặc IPSPs là 10 - 250ms.
Qua các điểm trình bày ở trên thì EEG thu được tại bề mặt da đầu có thé coi là kết quả của nhiều thành phần tích cực, trong đó điện thế của postsynaptic từ tế bao pyramidal là thành phần chính tạo ra tín hiệu điện não.3 mô tả các dao động điện áp gây ra bởi các tế bào thần kinh pyramidal. Trên cùng bên trái là kết quả của điện não đồ, dạng sóng ở giữa cho thấy những thay đổi trong trường điện thế trường bên trong, phía dưới bên trái hiển thị đao động của một noron pyramidal. SN, — MEG pick-up J7 EEG Sectrode_l| 1 Sy ƒ +— Scalp 2 The local EEG | \W2UWWWSÉW%.— suuli 3 en pl Naar PON : *- Dura Mater The Extracellular LFP Primary > i aX % “yp Intracellular = Pes wird I mt fut: =|) Tt | current (MEG) Secondary | Volume > =z current (EEG) 8 | | | I i Psi ht" ! — Intracellular recording AUS is -63 mV Pyramidal cells Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin - ĐHTN http://Irc. Quá trình hình thành tín hiệu EEG tie no ron hình chop 1.4 Các dạng sóng EEG cơ bản Năm 1924, nhà tâm thần học người Áo tên là Hans Berger là người đầu tiên ghi được EEG.
Ông nhận thấy trên bản ghi EEG bình thường, nhịp của các sóng điện não gồm có vài loại sóng có thê phân biệt theo tần số. Đây còn gọi là các dạng sóng đặc trưng sinh lý. Human Brainwaves Hình 1. Nhận dạng các dạng sóng theo tân số 1.
Song nay thấy rõ nhất ở phần phía sau của não người, vốn là nơi xử lý các tín hiệu thị giác, tức là vùng chẩm (occipital region) ở cả 2 bên, ít ở vùng đỉnh và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin — ĐHTN http://Irc.vn giảm dần về phía thái đương Vì vậy, đôi khi người ta còn gọi nhịp alpha là nhịp trội 6 phia sau (the posterior-dominant rhythm). Có nhiều giả thuyết giải thích cơ chế này.V simonov (1956) cho rang alpha có vai trò lớn trong cơ chế điều chỉnh giữa nội môi và ngoại môi của chức năng ngăn cản các tín hiệu đi vào não. Theo Bunch alpha có vai trò điều chỉnh đồng bộ của các tín hiệu vào và ra khỏi não; D. Shmelkin (1955) thấy alpha luôn đi cùng với trạng thái cân bằng liên quan đền hưng phấn và ức chế.
Sóng alpha trở nên rõ nhất khi nhắm mắt lại, bị triệt tiêu khi mở mắt. Như vậy sóng alpha là dấu hiệu cho biết não đang ở tình trạng không chú ý (inattentive brain), và đang chờ để được kích thích. Thực tế là có một vai tac gia đã gọi nó là “nhịp chờ doi” ("waiting rhythm"). Đây là nhịp sóng chủ yếu thấy được trên người lớn bình thường và thư giãn — sóng hiện diện trong hầu hết các thời kỳ của cuộc đời, nhất là khi trên 30 tuổi, khi ấy sóng này chiếm ưu thế trên đường ghi EEG lúc nghỉ ngơi.
————-© —~~-~ Alpha 10 Hz, biên độ thấp. Na MK ah /\ \ Nah ahah anh nnhn\ant AWW Wy Alpha 10Hz, bién d6 cao. Ww \WW W "=xWI wn WWWW~- WN \ Í\ Alpha 10Hz, xuất hiện từng chùm.2 Song Beta (B) Dạng sóng không ổn định, có tần số từ 13-35 Hz, có bién dé dudi 30uV. Song Beta là sóng nhanh ở phía trước, phân bố điển hình ở vùng trán và giảm dần ở thái dương và đỉnh chẩm.
Sóng Beta liên quan đến trạng thái hưng phấn của thân kinh. Song Beta sẽ nỗi bật lên khi dung thuốc an thần gây ngủ. Sóng có thể mất hoặc suy giảm ở vùng có tổn thương vỏ não. Nhịp beta thường được coi là nhịp bình thường, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin - ĐHTN http://Irc.vn nó là nhịp chiếm ưu thế ở những bệnh nhân đang thức tỉnh cảnh giác hoặc lo sợ, hoặc khi mở mắt.
—/Ẵ WA vw WA Wr yas Hinh 1.3 Song Theta (0) Dạng sóng hình cung hay hình thang, tan sé tir 4-8Hz.