Badania EEG

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego realizuje we współpracy z kliniką BUDZIK dwa projekty naukowe, których celem jest opracowanie metody oceny stanu świadomości pacjentów przebywających w Klinice w oparciu o zapisy EEG.

 
Dlaczego?
Żeby terapia czy rehabilitacja miały sens, konieczna jest metoda oceny ich postępów -- inaczej nie wiemy czy pomaga. Jeśli terapia ma usunąć ból, pytamy pacjenta czy mniej boli. Jeśli walczymy ze stanem zapalnym, mierzymy temperaturę. A jeśli chcemy pomóc w przywróceniu świadomości -- co zmierzyć, jak spytać? Kiedy pacjent odzyska zdolność komunikacji (potocznie mówi się o tych przypadkach “wybudzenie”) sukces jest oczywisty -- choć nawet wtedy trudno ocenić, co najbardziej pomogło.  Niestety wciąż nie potrafimy obiektywnie ocenić małych zmian w działaniu mózgu, które składają się na końcowy sukces. Potrzebne jest opracowanie nowej metody diagnostycznej, która pozwoli na monitorowanie zmian stanu pacjenta podczas rehabilitacji i dobór odpowiedniego programu leczenia.

Dlaczego EEG?
Jest wiele metod badania aktywności mózgu, ale większość z nich jest droga i trudna w stosowaniu u dzieci z zaburzeniami świadomości. Na przykład funkcjonalny jądrowy rezonans magnetyczny (fMRI, od angielskiego functional Magnetic Resonance Imaging) wymaga przewiezienia pacjenta do ośrodka, w którym jest specjalistyczny i drogi skaner, a w przypadku pacjentów w stanach zaburzeń świadomości często uśpienia na czas badania. EEG można rejestrować przy łóżku pacjenta, za pomocą stosunkowo tańszej aparatury. Za to niezmiernie trudna jest interpretacja zarejestrowanych sygnałów, potrzebne są do tego nowe metody matematyczne.
 
Dlaczego Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego?
Zespół realizujący Projekt tworzył wcześniej pierwsze w Polsce interfejsy mózg-komputer. Jak się okazuje, opracowane do tych celów metody matematyczne można w sporej części wykorzystać również w ocenie zapisów EEG pacjentów w stanach zaburzeń świadomości. Sprawdziliśmy to w trakcie współpracy naukowej z jednym z najlepszych w świecie ośrodków zajmujących się diagnostyką osób cierpiących na zaburzenia świadomości, belgijskim Coma Science Group prowadzonym przez profesora Stevena Laureysa.  W jej ramach, między innymi, opracowaliśmy już wspólnie zręby metod analizy zapisów EEG snu, oraz nauczyliśmy się najnowszej metody oceny klinicznej wprowadzanej w świecie przez neurologów -- Coma Recovery Scale-Revised.
 
Co badamy?
Zdrowy mózg pracuje inaczej w czasie snu niż w trakcie czuwania, co można zaobserwować w zapisie EEG. W zapisach całonocnych szukamy śladów rytmów okołodobowych, ponieważ ich występowanie uznawane jest za oznakę powracania prawidłowych funkcji. Uzupełnieniem tej informacji jest stężenie hormonów w -- ich poziom powinien się zmieniać w zależności od pory dnia. Ale najważniejszym wskaźnikiem jest świadoma reakcja na bodźce. Podczas badań próbujemy zarejestrować charakterystyczne wzorce aktywności mózgu odpowiedzialne za świadomą percepcję. Nawet jeśli jej nie widać w zachowaniu, może ona zachodzić w mózgu. Trzeba “tylko” znaleźć sposób na jej odczytanie.
 
Badania są realizowane w ramach opisanych poniżej projektów, finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki:
 
Interfejs mózg-komputer do diagnozy i komunikacji w zaburzeniach świadomości (NCN OPUS 9, UMO-2015/17/B/ST7/03784)
 
Interfejs mózg-komputer (ang. brain-computer interface, BCI) to system zapewniający komunikację opartą o odczyt aktywności mózgu, bez pośrednictwa mięśni. Konstruowane początkowo z myślą o zapewnieniu kontaktu z pacjentami w stanie zamknięcia, w ostatnich latach zyskały szeroką popularność w zastosowaniach multimedialnych, co przyczyniło się do postępu w tej dziedzinie.
 
Śpiączka to stan głębokiego zaburzenia świadomości, zewnętrznie przypominający śmierć mózgu, w którym pacjent nie reaguje nawet na bardzo silne bodźce. Jest najczęściej powodowany przez urazy mózgu oraz choroby i zatrucia powodujące jego uszkodzenia. Dzięki postępom medycyny, intensywnej terapii i neurologii, coraz więcej pacjentów przeżywa pierwsze dni po urazie czy zatruciu. Szacuje się, że w Polsce w śpiączkę zapada nawet do 5 tyś. dzieci rocznie. Najczęściej śpiączki trwają do kilkunastu dni, po czym pacjenci wybudzają się - jednak kilkaset dzieci nie wybudza się w pełni ze śpiączki, tylko przechodzi w stan wegetatywny lub minimalnej świadomości i trwa w nim nawet wiele lat. Z myślą o takich pacjentach powstała klinika “Budzik” (http://www.klinikabudzik.pl), gdzie hospitalizowane dzieci przechodzą intensywny proces rehabilitacji.
 
Mechanizmy generujące świadomość są jednymi z największych, do dziś nierozwiązanych tajemnic neuronauki. Diagnoza neurologiczna sugeruje, iż poziom świadomości u pacjentów zaburzeniami świadomości po urazach mózgu (w śpiączce, stanie wegetatywnym, lub stanie minimalnej świadomości), jest znacząco różny. Niektórzy z nich wykonują ruchy mimowolne, większość otwiera oczy i wykazuje minimalne reakcje na głos opiekunów. Główne pytania, jakie zadają sobie lekarze i rodzice to: Czy dziecko słyszy i rozumie? Dlaczego tylko niektóre dzieci reagują na rehabilitację? Co o tym decyduje? Jakie są szanse na wybudzenie? Współczesna medycyna nie jest w stanie jednoznacznie odpowiedzieć na żadne z tych pytań.
 
W czerwcu 2008 Kierownik Projektu przeprowadził pierwszy w Polsce publiczny pokaz działania interfejsów mózg-komputer, i do dzisiaj prowadzi jedną z najsilniejszych w Kraju grup zajmujących się tą tematyką; poza międzynarodowymi publikacjami i udziałem w jednym z pierwszych projektów UE poświęconych interfejsom mózg-komputer (BRAIN w 7 PR), zespół zaprezentował najszybszy na targach CeBIT 2012 system BCI, oparty o nowatorskie urządzenie BCI Appliance. W roku 2010, w ramach ogólnoeuropejskiej akcji COST BM0605 “Consciousness: A Transdisciplinary, Integrated Approach”, Zespół nawiązał współpracę z Coma Science Group, prowadzoną przez prof. Stevena Laureysa najsilniejszą w Europie grupą pracującą nad zagadnieniami zaburzeń świadomości.
 
Wymienione powyżej okoliczności dają realne szanse na sukces projektu, mającego na celu adaptację metodologii, algorytmów i oprogramowania opracowywanego na potrzeby interfejsów mózg-komputer do oceny stanu świadomości dzieci hospitalizowanych w klinice "Budzik"  w różnych stanach zaburzeń świadomości w sposób maksymalizujący szansę nawiązania komunikacji z pacjentami w dających nadzieję przypadkach. Oparcie Projektu o grupę dzieci w wieku 10-16 lat stawia wyższe wymagania w zakresie prostoty konstruowanych interfejsów mózg-komputer, ale większa plastyczność mózgu dzieci zwiększa szansę na zaobserwowanie elektrofizjologicznych korelat procesu odzyskiwania świadomości, co jest niezmiernie ważne w kontekście badań podstawowych.
 
Ponadto podjęte w ramach Projektu próby dają szansę na ogromne osiągnięcie, jakim byłoby wykazanie możliwości stabilnego i powtarzalnego nawiązania komunikacji z dziećmi w stanie zamknięcia za pośrednictwem interfejsu mózg-komputer. Opracowanie stabilnej metody oceny stanu świadomości w oparciu o powtarzalne wskaźniki elektrofizjologiczne oraz procedury kwalifikacji i postępowania w kierunku nawiązania kontaktu z pacjentami w stanie zamknięcia lub minimalnej świadomości wymaga rozwiązania szeregu podstawowych problemów z dziedziny neuroinformatyki, inżynierii biomedycznej i analizy sygnałów. Sukces stanowić będzie przełom w leczeniu i opiece nad pacjentami w stanach zaburzeń świadomości.
 
 
Identyfikacja wzorców elektroencefalograficznych w zapisach czynności spoczynkowej u dzieci z zaburzeniami świadomości (NCN PRELUDIUM 9, UMO-2015/17/N/ST7/03769)
 
Dzięki rozwojowi technik intensywnej terapii medycznej możliwe stało się ratowanie ludzkiego życia nawet w na pozór beznadziejnych przypadkach, takich jak udary i uszkodzenia mózgu w wyniku wypadków komunikacyjnych. W ekstremalnych przypadkach u takich chorych udaje się podtrzymać funkcje życiowe, ale zapadają oni w śpiączkę, czyli stan głębokiego zaburzenia świadomości, zewnętrznie przypominający śmierć mózgu, w którym pacjent nie reaguje nawet na bardzo silne bodźce. Najczęściej śpiączki trwają do kilkunastu dni, po czym pacjenci wybudzają się -- ale niestety nie wszyscy; niektórzy przechodzą w stan wegetatywny lub minimalnej świadomości, i trwają w nim latami. Na tym polu niestety medycyna wydaje się bezsilna -- nie potrafimy prognozować szans na wybudzenie ani oceniać obiektywnie skutków podejmowanych terapii i rehabilitacji. Przyczyna tego stanu leży w niskim poziomie zrozumienia podstawowych mechanizmów działania mózgu, wśród których największym wyzwaniem jest zagadka świadomości. Do dziś nie wiemy w jaki sposób świadomość jest generowana w  ludzkim mózgu ani też jakie jego obszary są kluczowe dla jej obecności. W wyniku badań naukowych udało się zaobserwować, iż zaburzenia świadomości nie stanowią jednorodnej jednostki chorobowej, lecz są bardzo zróżnicowane, zarówno pod względem poziomu zachowanej świadomości jak i obserwowanych objawów. Obecnie naukowcy poszukują wskaźników, na podstawie których możliwa byłaby trafna diagnoza osób w stanie głębokich zaburzeń świadomości, co znacznie wspomogłaby diagnostykę i umożliwiło odpowiedni dobrów leczenia oraz rehabilitacji.
 
Celem niniejszego projektu jest opracowanie metod analizy czynności elektrycznej mózgu, mierzonej za pomocą elektroencefalogramu (EEG), które umożliwią wyodrębnienie wskaźników wspomagających obiektywną ocenę stopnia zaburzeń świadomości u dzieci hospitalizowanych w klinice “Budzik”. Oparcie badań nad procesami odzyskiwania świadomości na pacjentach w wieku 6-18 lat daje większą szansę na wyodrębnienie korelat badanych zjawisk niż u pacjentów dorosłych ze względu na większą plastyczność mózgu dzieci. Ponadto klinika “Budzik” prowadzi unikalny w Kraju program kompleksowej rehabilitacji, ułatwiający monitorowanie zmian w mózgach pacjentów podczas 12-miesięcznych pobytów w Klinice. Poniżej wyjaśnimy bliżej naukową stronę Projektu.
 
Badania mózgu w stanie pourazowych zaburzeń świadomości (disorders of consciousness, DOC), do których zalicza się przede wszystkim śpiączkę, stan minimalnej świadomości (minimally conscious state, MCS) oraz stan wegetatywny (vegetative state, VS, ostatnio nazywany raczej UWS - unresponsive wakefulness syndrome), dają nadzieję na lepsze zrozumienie neuronalnych korelat świadomości oraz są szczególnie istotne z perspektywy klinicznej. Większość badań poruszających ten problem u osób dorosłych opiera się głównie na danych neuroobrazowych pochodzących z funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) lub elektorencefalografu (EEG). Głównymi problemami związanymi z metodą fMRI są zarówno koszty badań, jak i problemy związane z transportem oraz koniecznością anestezji pacjentów z DOC. Również większość ośrodków klinicznych nie jest wyposażona w sprzęt MRI o rozdzielczości wystarczającej do badań funkcjonalnych. Z tego względu zdecydowano się oprzeć Projekt o nieinwazyjny pomiar EEG, według opisanego poniżej podejścia:

1. Paradygmat badań podłużnych: dotychczasowe badania w tej dziedzinie skupiały się przede wszystkim na różnicowaniu stanu pacjentów MCS i VS i nie były dotychczas podjęte próby badania dynamiki procesu zmian stanu świadomości w czasie. W związku  tym, zdecydowano się na wykorzystanie badań wykonywanych w paradygmacie podłużnym (co dwa miesiące). Większa plastyczność mózgu młodych pacjentów oraz fakt, że przebywające w Klinice dzieci przechodzą intensywny proces rehabilitacji, dodatkowo zwiększają szanse na prześledzenie procesu wybudzania.
2. Badanie spoczynkowego EEG: większość opisanych w literaturze badań dotyczących EEG u osób z DOC opiera się na analizie paradygmatów funkcjonalnych, które wymagają implementacji złożonych procedur eksperymentalnych, a uzyskane dotychczas wyniki nie są jednoznaczne w ocenie stanu świadomości. Podjęte zostały jednak próby różnicowania pacjentów MCS i VS na podstawie analizy rytmów okołodobowych oraz spontanicznej aktywności spoczynkowej EEG. Uwieńczone wspólną publikacją badanie przeprowadzone wspólnie przez Wydział Fizyki UW i zespół Stevena Laureysa z Uniwersytetu w Liège pokazało, że profile EEG u pacjentów MCS, czyli mających częściowo zachowaną świadomość, są bardziej złożone niż u osób w stanie wegetatywnym, i tym samym bardziej przypominają profil osoby zdrowej. Niestety ze względu na niejednorodną grupę pacjentów oraz obecność w opracowanej analizie arbitralnego elementu oceny wzrokowej profili, nie udało się znaleźć zestawu wskaźników bezpośrednio korelujących ze stanem świadomości.
3. Rozwój i adaptacja zaawansowanych algorytmów analizy sygnałów oraz statystyki.

 
W ramach Projektu planowane jest opracowanie nowej i obiektywnej metodologii, bazującej na zaawansowanych metodach analizy sygnału EEG, pozwalającej na parametryzację profili EEG oraz znalezienie zestawu wskaźników korelujących z oceną behawioralną i pozwalających prześledzić proces wybudzania. Konstrukcja profili EEG opiera się o parametryzację zapisów algorytmem matching pursuit,  rozwijanym na Wydziale Fizyki UW. Do estymacji kierunków i siły połączeń pomiędzy obszarami mózgu, zarówno podczas wielogodzinnych zapisów potencjalnie zawierających epizody snu, jak i EEG spoczynkowego, wykorzystana zostanie opracowana na Wydziale Fizyki UW kierunkowa funkcja przejścia (directed transfer function, DTF).