Csercsa Richárd Témavezető: Dr. Ulbert István 2007. január 22.

1. Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információs Technológiai Kar A lassú alvási oszcillációk intrakortikális generátorainak elemzése krónikusan beépített multielektróddal epilepsziás páciensekben Csercsa Richárd Témavezető: Dr. Ulbert István 2007. január 22.

2. Célkitűzés • A lassú hullámú alvás vizsgálata emberben, ehhez krónikusan beépített multielektród elvezetéseket használva. • Egy Matlab-alapú, mezőpotenciál- és multiunit-elemző program kifejlesztése. • Ennek képesnek kell lennie a különböző állapotok detektálására, CSD és MUA térképek készítésére, valamint fázis hisztogramok kiszámítására.

3. Alvási szakaszok • Nem-REM: • szakasz: alfa hullámok, izomrángások (5-10%) • szakasz: alvási orsók, K-komplexumok (45-55%) • szakasz: delta hullámok (3-8%) • szakasz: delta hullámok, 2 Hz alatti lassú oszcillációk, lehetséges éjszakai felrettenések, alvajárás (10-15%) • REM: • gyors szemmozgás • ébrenléthez hasonló hullámok (paradox fázis) • izomernyedtség • álom SLOW WAVE SLEEP LASSÚHULLÁMÚALVÁS

4. Lassú hullámú alvás (SWS) • Nem-REM alvás 3., 4. szakasza (mély alvás) • Memória konszolidáció • Epilepsziás rohamok gyakran SWS-ben alakulnak ki • Az agykéreg távolabbi területei között is nagy a korreláció SWS-ben SWS SWS Korreláció ÉBER & REM Távolság (mm)

5. SWS macskában Felszín pozitív, mély negatív potenciál: depolarizációs fázis (up state) Felszín negatív, mély pozitív potenciál: hiperpolarizációs fázis (down state) Depolarizációs fázis: gyors oszcillációk megjelenése, sok akciós potenciál Hiperpolarizációs fázis: gyors oszcillációk hiánya, kevés akciós potenciál felszín mély depol. depol. hiperpol. hiperpol. Intracelluláris jel mély 0.2 s Mezőpotenciál

6. Elektróda Szúrt csatorna hisztológiája Rajzszög elektróda Elektróda sematikus rajza kimeneti kábel kortikális rétegek test hisztológiai metszet regisztráló kontaktus szúrt csatorna hegy

7. Műtét MRI felvételek Fénykép a műtétről rajzszög dura grid rajzszög Elektródaháló elhelyezkedése MRI rajzszög

8. Szoftverfejlesztés • SpikeSolution Magony Andorral • 30 hónapos munka • Matlab Nyitó képernyő

9. Állapot-detekció - Hilbert-transzformáció DOWN • A jel fázisát mutatja. A detekció folyamata: • Szűrés 0.5-3 Hz között, • Hilbert transzformáció. DOWN UP DOWN UP Eredeti jel Szűrt jel Hilbert-transzformált

10. Állapot-detekció - MUA • Sok közeli sejt aktivitását mutatja, de a posztszinaptikus potenciálok nem vesznek részt benne. • A detekció folyamata: • Egyenirányítjuk a jelet, • Meghatározunk egy küszöb értéket, ami fölött up-, és alatta down-state. küszöbszint MUA UP DOWN Detektált állapotok Ez a detekció nem szolgáltat információt az oszcilláció fázisáról.

11. Állapot-detekció - Gamma-oszcilláció Bimodális hisztogram • Az up-state fázisra jellemző. • A detekció folyamata: • Szűrés gamma sávban (20-100 Hz), • Négyzetes átlag 50 ms-os ablakkal, hogy megkapjuk a gamma oszcilláció teljesítményét, • A kapott jel hisztogramja bimodális lesz, • A két csúcs közötti völgyben állapítjuk meg a küszöbértéket, ami fölött up-, alatta down-state. Eredeti jel Szűrt jel Négyzetes átlag Detektált állapotok DOWN UP

12. CSD – Áram Forrás Sűrűség • Neuronpopuláció transzmembrán áramainak összegzése egy adott környezetben. • Sink (nyelő, piros): áram be a sejtekbe – szinaptikus depolarizáció (Na+ beáramlás) vagy source kiegyenlítő árama. • Source (forrás, kék): áram ki a sejtekből – hiperpolarizáció (K+ ki-, vagy Cl- beáramlás) vagy sink kiegyenlítő árama. felszín csatornák száma mély idő ms

13. Fázis PSTH Megmutatja, hogy az események (esetünkben a sejtaktivitás) a lassú oszcilláció mely fázisába esnek. A piros görbe a lassú oszcillációt, a kék oszlopok a sejtaktivitás hisztogramját ábrázolják. eseményszám fázis

14. Biológiai eredmények felszín csatornák száma idő DOWN UP mély DOWN UP Mezőpotenciál MUA

15. Mezőpotenciál, MUA Zöld görbe:mezőpotenciál up-state-re átlagolva, piros görbe:soksejt-aktivitás. DOWN UP DOWN amplitúdó idő

16. CSD, MUA térkép DOWN UP DOWN CSD térkép MUA térkép I - II III - IV V VI nyelő kérgi rétegek forrás DOWN UP DOWN ms I - II III -IV V VI kérgi rétegek ms idő

17. Idő-frekvencia analízis Gamma oszcilláció (20-50 Hz) csak up-state-ben látható III - IV kérgi rétegek I - II Hz DOWN UP frekvencia ms idő V VI

18. MUA-Fázis PSTH III - IV kérgi rétegek I - II DOWN UP DOWN eseményszám fázis V VI

19. Összefoglalás • Mély, nem-REM alvás alatt, lassú (2 Hz alatti) oszcilláció mutatható ki emberben is intrakortikálisan, • Erre az oszcillációra felszíni pozitív és negatív mezőpotenciál-komponensek váltakozása jellemző. • A felszíni pozitív mezőpotenciál-komponensek alatt a mélyben negativitás észlelhető, valamint a kéreg összes rétegében gyors gamma oszcilláció és fokozott sejttüzelés. A CSD középső rétegbeli sinkkel, felszíni source-szal jellemezhető; a macska analógiájára ezt up-state-nek nevezzük. • A felszíni negatív mezőpotenciál-komponensek alatt a mélyben pozitivitás észlelhető, valamint a kéreg összes rétegében a gyors gamma oszcilláció és a sejtaktivitás hiánya. A CSD középső rétegbeli source-szal, felszíni sinkkel jellemezhető; a macska analógiájára ezt down-state-nek nevezzük. • Ezek alapján kijelenthetjük, hogy elsőként sikerült kimutatnunk ezen oszcilláció jelenlétét emberben, melynek részeredményeit a 2006. júliusi FENS Idegtudományi Forumon poszter formájában is bemutattuk.

20. Köszönetnyilvánítás Dr. Karmos Dr. Ulbert Dr. Wittner Boldizsár György István Luca Edit Magony Dombovári Grand Kottra Andor Balázs László Péter Köszönjük a figyelmet!