Kroppen består af et kompleks netværk af celler, son skal kunne arbejde sammen, for at sikre vores overlevelse. Dette kræver at cellerne er i stand til at kommunikere med hinanden. Denne kommunikation mellem celler kan foregå på 2 måder:
Kemisk kommunikation ved diffusion af molekyler (vandre fra høj koncentration til lav koncentration). En celle kan udskille et molekyle, som vil diffundere til omkring liggende celler, hvor det kan virke som signalstof. Dette er en smart, men dog langsommelig proces. I kroppen ville en simpel diffusionsproces fra fødder til hoved kunne tage op til flere døgn, derfor ville det være meget lidt hensigtsmæssigt for vores overlevelse, hvis kommunikationen mellem fjerne celler skulle foregå via diffusion. Heldigvis sørger vores blod- og lymfatiske kredsløb for at flytte kemiske signalstoffer rundt i hele kroppen, så diffusionsprocessen kun behøver at foregå over meget korte afstande, fra vores små kapillærer (vores allermindste blodkar) og ud i det omkringliggende væv. Dette gør det muligt for os at transportere hormoner, næringsstoffer mm. rundt i kroppen i løbet af få sekunder.
Der er heldigvis også en endnu hurtigere proces, hvormed cellerne kan kommunikere med hinanden. Nemlig vha. af elektricitet! Elektriske signaler virker lynhurtigt og er grunden til at vi hurtigt og koordineret kan bevæge kroppen som respons til de sanseindtryk vi måtte få fra vores omgivelser. F.eks. ved at omdanne synet af en stor gren på cykelstien til en hurtig og elegant undvigelsesmanøvre. Elektrofysiologi er netop begrebet man bruger om cellers evne til at udnytte elektriske signaler til at kommunikere over både store og små afstande.
Vores hjerne udfører sine funktioner ved hjælp af elektrofysiologi. Når ladede partikler, kaldet ioner, bevæger sig, dannes der små strømkilder i cellerne, hvilket genererer elektriske signaler. Som du sikkert har observeret derhjemme, bevæger elektricitet sig meget hurtigt; du har sandsynligvis bemærket, at lyset tændes øjeblikkeligt, når du trykker på kontakten. På samme måde bevæger et elektrisk signal i kroppen sig hurtigt langs en celle. Denne karakteristika muliggør koordinering af begivenheder mellem celler og er derfor afgørende for næsten alle kroppens funktioner.
Hjernen og nervesystemet kan forenklet betragtes som et elektrisk kredsløb, analogt med dem vi bruger, når vi tænder elektriske apparater derhjemme. I de elektriske kredsløb, vi er bekendt med fra elektronik og elinstallationer i hjemmet, involverer bevægelse af elektroner i metalledninger. I kroppen er det derimod ladede partikler, kaldet ioner, der bevæger sig ind, ud eller langs celler. De overordnede principper og fysiske love er dog i stor udstrækning de samme i begge situationer. For at strøm kan flyde, kræves et sammenhængende elektrisk kredsløb og en strømkilde. De følgende afsnit vil kort gennemgå generelle fysiske begreber. Hvis du allerede har god viden om dette, kan du vælge at springe dette afsnit over.
For at kunne forstå, hvordan kroppen fungere som et elektrisk kredsløb, er der nogle grundbegreber som er vigtige at kende til. Disse er strømstyrke, spændingsforskel, modstand og resistivitet.
Strømstyrke (I): Er et mål for mængden af elektrisk ladning, der passerer gennem en elektrisk leder pr. tidsenhed. Den måles i ampere (A) og repræsenterer den rate, hvormed ladningsbærende partikler, som elektroner, bevæger sig i en leder som konsekvens af en pålagt spænding. Jo højere strømstyrke, desto mere elektrisk ladning passerer gennem lederen i løbet af en given tid. Den matematiske definition af strømstyrke (I) er givet ved:
Hvor q er mængden af ladede partikler og t er tiden.
Spændingsforskel (U): I et elektrisk kredsløb løber strømmen fra et højt potentiale til et lavere potentiale. Forskellen i potentiale mellem to punkter i kredsløbet kaldes for spændingen og betegnes med bogstavet U. Vi kan tænke på spændingen som den kraft der får de ladede partikler til at bevæge sig igennem kredsløbet.
Hvis vi forestiller os en ladet partikel der bevæger sig i et elektrisk felt fra A til B. Så udfører det elektriske felt et arbejde Aelektrisk der svarer til ladningens tab af potentiel energi Epotentiel. Vi kan derfor skrive:
Dette er ganske enkelt loven om energibevarelse. Ændringen i potentiel energi, ΔEpotentiel, for en ladet partikel med ladningen Image, er givet ved
Vi kan derfor definere spændingen som:
Spændingen er således defineret som ændringen i elektrisk potentiel energi per ladningsmængde. Spænding har enheden volt eller Joule per Coulomb (V=J/C).
Elektrisk modstand/resistans: Betegnes med bogstavet R og er et mål for den modstand et materiale har mod elektrisk strøm. Når elektroner eller andre ladede partikler bevæger sig igennem et stof vil der forekomme sammenstød med andre atomerne i stoffet. Dette vil forårsage at noget af den elektriske energi som de elektrisk ladet partikler bærer vil blive omsat til af varme. Dette kan sammenlignes med vindmodstand og rullemodstanden, der gør at din cykel hurtigt vil miste fart, hvis ikke du tilføjer ny energi ved at træde i pedalerne. Den elektriske modstand måles i enheden ohm som er volt pr. ampere (Ω=VA). Der er altså en proportionalitet mellem spændingsfald, strømstyrke og resistans. Denne proportionalitet kaldes også for ohms lov.
Ohms lov er ikke generelt gældende, men kan i mange tilfælde bruges til at beskrive sammenhængen mellem spændingsforskel, strømstyrke og modstand.
Den elektriske modstand i et materiale afhænger af materialets tværsnits areal A, dets længde l og dets resistivitet ρ.
Resistiviteten (ρ): En materialekonstant, som angiver et materiales modstand mod den elektriske strøm. Resistiviteten måles i ohm meter Ωm, og angiver, hvor godt et materiale leder eller isolerer elektrisk strøm. Matematisk er sammenhængen mellem modstand og resistivitet givet ved:
Hvor l er længden af materialet i den retning, hvor strømme bevæger sig og A er tværsnitsarealet. Forskellen i resistivitet bruges f.eks. til at retningsbestemme bevægelsen af elektrisk ladning, da den elektriske strøm foretrækker at løbe i retninger, hvor resistiviteten er lav.
Konduktiviteten (σ): Er den reciprokke af resistiviteten (σ=1/ρ), og dermed modsat resistiviteten et udtryk for, hvor godt et materiale leder strøm. Konduktivitet måles i Siemens pr. meter (S/m) og angiver, hvor effektivt et materiale tillader elektrisk strøm at passere igennem det. Materialer med høj konduktivitet leder elektrisk strøm godt, mens materialer med lav konduktivitet fungerer som isolatorer.
Kroppens konduktivitet varierer mellem forskellige vævstyper på grund af deres sammensætning og indhold af vand, elektrolytter og andre ledende elementer. Væsker i kroppen, især den væske der er udenfor cellerne (ekstracelluære væske) og den inden i cellerne (intracellulære væske), spiller en afgørende rolle i at muliggøre elektrisk ledning. Forskellen i konduktivitet i kroppens væv er afgørende for hvordan strømmens retning. De elektriske ladninger i kroppen vil have størst tendens til at bevæge sig i den retning, hvor konduktiviteten er størst. På mikroskopisk niveau vil dette være i nervecellernes længderetning, mens det på makroskopisk niveau vil være afhængigt af vævstypen.
Kondensator: Er en elektriske komponent, som er i stand til at oplagre elektrisk energi. En kondensators evne til at lagre ladning kaldes for den kapacitans og måles i Farad (F). Kondensatoren virker ved at oplagre elektrisk ladning på den ene side af et isolerende materiale, hvor ladning ikke kan passere. Denne egenskab har cellemembranen, som gør det muligt for cellen af skabe en spændingsforskel mellem dens indre og ydre. Netop denne egenskab er den drivende kraft for elektrofysiologien.
Nerveceller, også kendt som neuroner, fungerer som elektriske ledere i nervesystemet. De er specialiserede celler, der er ansvarlige for at overføre elektriske signaler og information i form af impulser gennem kroppens nervesystem. Nerveceller spiller en afgørende rolle i transmissionen af information mellem forskellige dele af kroppen. Den elektriske ledningsevne i nerveceller spiller en central rolle i kroppens evne til at sende information hurtigt og præcist. Dette er afgørende for funktioner som muskelkontraktion, sanseopfattelse, bevægelse og komplekse kognitive processer. Nerveceller kan have meget forskellig længe og størrelse afhængig af hvor i kroppen vi finder dem. De nerveceller som løber fra din rygmarv til dine tåspidser, er omtrent en meter lange, mens andre nerveceller kun er få mikrometer (μm). Nerveceller har dog en karakteristisk struktur, som består af 3 overordnet komponenter: dendritter, cellekrop (soma) og axon.
Nervecellen kan sammenlignes med en radio. Den modtager, integrerer og behandler de indkomne signaler og kan tilmed sende signaler videre til andre nerveceller.
Dendritter kan sammenlignes med mikrofoner, der strækker sig ud fra nervecellen. Disse mikrofoner modtager signaler fra andre celler. Signalerne dendritterne modtager fra omkringliggende celler er små kemiske budbringere, kaldet neurotransmitter, der binder sig til dendrittens overfalde og udløser et elektriske signal, der flyder langs dendritterne, og bærer information videre til cellekroppen.
Cellekroppen fungerer som cellens kontrolcenter. Her sker integrationen (sammenkoblingen) af de modtagne signaler fra de mange dendritter. Cellekroppen beslutter, om den samlede effekt af de indkommende signaler er tilstrækkelig til at udløse et aktionspotentiale. Aktionspotential er et kraftigere elektrisk signal, der sendes gennem axonet.
Axonet kan nu betragtes som cellens motorvej, der overfører det elektriske signal videre ud til axonterminalerne. Når det elektriske signal har nået enden af axonet, vil der udsendes et kemisk eller elektrisk signal videre til de omkring liggende celler. De fleste axoner er isoleret med et fedtlag, som gør at strømmen løber hurtigere langs membranen, dette er særligt nyttigt når cellen skal flytte signaler over længere distancer, f.eks. fra hjernen til kroppen.
Beskrivelsen af hvordan signaler løber i nervecellerne følger generelle principper inden for den gren af fysisk som kaldes for el-lære. Cellemembranen, der adskiller den indre og ydre del af cellen har en elektrisk spænding kaldet membranpotentiale. I hvile sørger cellemembranen for at nervecellen er mere negativt ladet indvendigt i forhold til cellens ydre omgivelse. Cellemembranen indeholder ionkanaler, der fungerer som porte, der kan åbnes eller lukkes. Disse ionkanaler tillader specifikke ioner, såsom natrium (Na+), kalium (K+), og calcium (Ca2+), at bevæge sig gennem membranen. I hvilefasen er mange af natriumkanaler lukkede. Kaliumkanaler er dog delvist åbne, hvilket tillader en lille mængde kalium at strømme ud af cellen, hvilket bidrager til den negative ladning indvendigt. Når en stimulus modtages, åbnes natriumkanaler hurtigt, og natrium strømmer ind i cellen.
Da natrium ioner er positivt ladede, vil det ændre membranpotentialet og skabe en såkaldt depolarisering af cellemembranen. Den store influx af natrium ioner vil forårsage en forskydning af andre positive ioner på indersiden af membranen, dette vil medføre at det ændrede membranpotentialet spreder sig langs membranen, lidt ligesom en bølge i vandet. Typisk forekommer der lokale ændringer i membranpotentialet flere steder i dendritterne på samme tid, hvis de møder hinanden, summeres de således at afvigelsen fra hvile membranpotentialet bliver endnu større. Dette kan sammenlignes med spændingskilder i en serieforbindelse.
Membranen kan simplificeret beskrives ved et elektrisk kredsløbsdiagram bestående af en parallelforbindelse af en modstand og en kondensator. Modstanden repræsenterer ionernes nedsatte evne til at passere membranen (Passage sker kun gennem ion kanaler) mens kondensatoren repræsenterer membranens evne til at isolere ionerne på den respektive side af membranen (når kanalerne lukkes).
Vores hjerne indeholder 80-100 milliarder neuroner. Hver enkelt af disse neuroner kan betragtes som en lille dynamisk strømkilde, hvor strømmen afspejler neuronens aktivitet. Overraskende nok er det faktisk muligt at måle elektrisk aktivitet fra hjernen ved hjælp af elektroder man sætter uden på hovedet. Det er en måleteknik som kaldes EEG (elektroencephalografi) og som har stor udbredelse f.eks. når man skal karakterisere søvn.
Alle hjernens neuroner er aktive hele tiden, så derfor kan vi ikke adskille aktiviteten fra den enkelte neuron baseret på målinger fra et lille antal elektroder uden på hovedet. Så hvordan skal vi egentlig forstå de elektriske signaler vi kan måle uden på hovedet? Der er to grundlæggende forudsætninger for at signalerne fra neuroner aggregerer til noget der kan måles uden på hovedet: 1) der skal være en stor mængde neuroner der har synkroniseret aktivitet (tænk på det som stemmer i et kor, hvor alle synger det samme), og 2) de synkroniserede neuroner skal have samme rummelige orientering inde i hjernen (tænk på det som hvis en gruppe mennesker skal skubbe en stor ting, så er det vigtigt at alle skubber i den samme retning).
Antallet af elektroder, man bruger til at lave et EEG, afhænger af, hvad man gerne vil forsøge at måle og hvor præcist man har brug for at kunne lokaliseret signalet. Dog kræver det minimum 3 elektroder at lavet et EEG:
Man måler det elektriske potentiale mellem måle-og referenceelektroden, derfor er placeringen af disse vigtige for sensitivitetsområdet, mens jordelektroden bruges til at undertrykke den elektriske støj, som er fælles for de 3 elektroder. Det elektriske potentiale, som måles mellem to elektroder, afhænger af, hvilken vinkel og afstand man måler en strømkilde fra. Derfor er det, hvis man ønsker at lokalisere strømkilden, nyttigt at have flere elektroder. På den måde kan man bruge elektrodernes placering og forskellen i det målte signal mellem dem til at regne sig frem til, hvor strømkilden kunne befinde sig.
De elektrofysiologiske karakteristika ved søvn er dog mere globale og er i høj grad synkroniseret mellem de forskellige hjerneregioner. Derfor kan ændringerne i elektrisk hjerneaktivitet i princippet måles ved brug af kun 3 elektroder, så længe afstanden mellem elektroderne er tilstrækkelig. EEG-apparater kan derfor se meget forskellige ud, fra en hue med 128 elektroder til en enkelt elektrode på hver side af hovedet. Elektrodernes opbygning er også forskellige fra apparat til apparat, men fælles for dem er at de måler elektriske potentialer på kroppen overflade, som er resultatet af de elektriske strømme, som løber i kroppen. Denne påvirkning omsættes så til et elektrisk signal, som forstærkes og gemmes. Hvilket elektrode set-up der er mest optimalt afhænger af, hvad, hvem og hvor man ønsker at måle.
De elektriske signaler som måles fra hovedets overflade, er kontinuerte ændringer i den samlede elektriske aktivitet i hjernen. Med andre ord er det vi måler en uafbrudt bølgegang i spændingsforskellen mellem elektroderne, som er resultatet af den reelle sum af aktiviteter i millioner af nerveceller. Afhængig af, hvor på hovedet vi placerer elektroderne, vil signalet størrelse og fortegn være forskelligt. Når man studerer et EEG-signal, er man både interesseret i intensiteten og mønsteret af signalet. Intensiteten, altså størrelsen af spændingsforskellen, giver et billede af, hvor mange nerveceller, som er aktive og hvordan elektroder ligger i forhold til det aktive område. Mønsteret er et udtryk for, hvor synkroniseret nervecellerne er samt hvor ofte der løber en strøm gennem den (frekvensen, hvorved de er aktive).
Intensiteten fra et EEG-målt på ydersiden af hovedet har typisk en amplitude i mikrovolt (μV). Der er derfor tale om meget svage signaler, som nemt kan blive overskygget af omkringliggende støjkilder og muskelaktivitet, der er op imod 1000 gange kraftigere. Dette er en af de største begrænsninger ved EEG-målinger, da selv små bevægelser kan overdøve signalet.
Frekvensen af det mønster som fremgår på et EEG, ligger i intervallet 0,5 til 100 Hz. Frekvensen er stærkt afhængig af graden af hjerneaktivitet og ændres f.eks. markant mellem vågen- og søvntilstand. Det meste af tiden i vågentilstand er signalet eller ”hjernebølgerne” uregelmæssigt og uden noget synligt mønster, dog er det tydeligt at udsvingene er hyppigere og nedbryder vi disse udsving i frekvenser, ses det som hovedregel at jo mere vågen/koncentreret vi er, jo højere vil den målte frekvensen være.
Hjerneaktivitet kan beskrives som bølger, der er karakteriseret ved deres frekvens (antallet af bølger per tidsenhed, Hz eller s-1
) og deres amplitude (udsvinget/højden på bølgerne). Typisk er den hjerneaktivitet vi måler en kompleks sammensætning af mange forskellige frekvenser. Ved at sortere signalet i individuelle frekvenser eller frekvensbånd (intervaller af frekvenser) kan det være nemmere at overskue og analysere indholdet af signalet. Dette kan sammenlignes med at isolere, hver ingrediens i en ret for at se hvad retten består af. Oftest vil de ingredienser som udgør den største del af retten være lettest at spotte, svarende til de frekvenser med den største amplitude. Dog kan der være ingredienser, som skiller sig meget ud, som også fremstår tydelig trods deres beskedne mængde. På samme måde kan frekvenser, som adskiller sig meget også fremstå tydelige. Nedenfor ses en illustration af, hvordan sammensætningen af 2 forskellige frekvenser kan se ud. Øverst til venstre ses to sinuskurver med en frekvens på henholdsvis 2 Hz (rød) og 5 Hz (grøn). Øverst til højre ses det resulterende signal for summen af de to frekvenser. Her kan det umiddelbart være svært at spotte de to frekvenser i signalet. De nederst 2 plot viser til venstre to sinuskurver med frekvenserne 1 Hz (lilla) og 10 Hz (gul) og til højre ses det sammensatte signal. Her er det umiddelbart lettere at spotte de to frekvenser. Dog er det ved biologiske signaler oftest svært at gennemskue indholdet af frekvenser med det blotte øje. Heldigvis findes der matematiske metoder som kan nedbryde signaler i deres frekvens komponenter. Disse tilgange kaldes for tids-frekvens analyser og anvender såkaldte Fourier Transformationer, der er navnet for de matematiske operationer. Fourier Transformationerne er meget nyttige og flittigt anvendte inden for signal behandling. Man kan næste vove at påstå at, principperne bag Fourier Transformationerne danner grundlag for en stor del den måde vi kommunikere og oplever verden på.
Ved at anvende Fourier Transformationen på et komplekst signal, f.eks. et EEG-signal opnår man såkaldte spektrogrammer. Et spektrogram er 3 dimensional, fordi det både angiver tid, frekvens og amplitude. I et spektrogram angiver x-aksen tiden, y-aksen frekvensen og farven effekten/amplituden af frekvensen, hvor mørkeblå betyder ’ingen effekt’, grøn ’nogen effekt’ og gul-rød ’mere effekt’. Figuren under viser et billede af et spektrogram af en tone med en frekvens, som stiger fra 0 til 500 Hz i løbet af 2 sekunder. Tonen er ikke 100 % ren og vil derfor indeholde frekvenser, som både er en smule større og en smule mindre end den ”rene frekvens”.
Fordelene ved at kunne nedbryde et signal i dets frekvens komponenter er mange. Bl.a. gør det, det muligt at isolere og vurdere individuelle kilder som bidrager til signalet, filtrere de uønskede frekvenser/støj fra ved at anvende filtre og rekonstruere signalet uden ”støjende” frekvenser. Dette er særligt nyttigt når man måler elektriske signaler fra kroppen, fordi de interessante signaler oftest er meget svage og derfor nemt forstyrres af ydre støjkilder, som f.eks. elnettet, der udsender elektriske signaler med en karakteristisk frekvens på 50 Hz. Denne form for støj er mulig at ”fjerne” fra signalet ved brug af et frekvensspecifikt filter.
Ved at måle EEG på sovende personer har man kunnet karakterisere hjernens aktivitets mønstre under søvnen. Man har via disse målinger af den elektriske aktivitet i hjernen fundet ud af at søvnen forekommer i cyklusser af ca. 90 min, hvor man i hver cyklus gennemgår 4 forskellige søvnstadier, der hver har deres karakteristiske EEG-signal. De 4 stadier kan opdeles i to kategorier: Non-Rapid-Eye-Movement/NREM (uden-hurtige-øjnebevægelser) og Rapid-Eye-Movement/REM (Med-hurtige-øjnebevægelser). NREM-kategorien udgør 3 af de fire stadier, mens REM udgør det sidste stadie. Nedenfor forekommer en kort beskrivelse af de 4 stadier:
NREM1: Beskriver overgangen fra at være vågen til at falde i søvn. NREM1 er det stadie af søvnen, hvor man døser hen. Typisk har dette stadie kun en varighed af nogle få minutter, og hvis man vågner fra NREM1 uden at have passeret de yderligere stadier, vil man oftest ikke tro at man har sovet. Stadiet er karakteriseret ved lav-intense bølger dvs. i frekvensspektret fra 4-8 Hz. I NREM1 vil der samtidig være en undertrykkelse af den aktivitet (frekvensspektret 8-12 Hz), som ellers typisk er kraftigt i den vågen-periode der leder op til søvnen.
NREM2: Opstår i forlængelse af NREM1 søvn og er kendetegnet ved blandet lavfrekvent aktivitet, sammen med nogle særlig bølgeforme kaldet sleep spindles og K-komplekser. Sleep spindles er korte intervaller (<0.5s) med højere frekvens (11-16 Hz), mens K-komplekser er defineret ved en skarp bølge. NREM2 kaldes også let søvn, da der i dette stadie ikke skal særlig meget til for at blive vækket.
NREM3: Dette stadie kalder man i daglig tale for dyb søvn, da det er den tilstand, hvor man sover ”tungest” og er længst væk fra bevidstheden. Der skal relativt meget til at blive vækket fra denne søvntilstand, men hvis det sker, vil man typisk opleve at være meget omtåget ved opvågning. NREM3 søvn er domineret af høj-intense, lav-frekvente bølger (0,5-2 Hz) kaldet delta bølger.
REM: Det fjerde stadie er karakteriseret ved hurtige øjenbevægelser/øjenrulninger og kaldes også for drømmesøvn, fordi man mener at det er i dette stadie man drømmer. På en EEG-måling vil REM søvn fremstå som blandet frekvenser med lav amplitude. Herudover kendetegnes REM søvn ved en meget lav muskelaktivitet (slap krop).
I løbet af en søvncyklus forekommer alle søvnstadierne i den nævnte rækkefølge. I de først par søvncyklusser vil NREM3 være den mest dominerende type, hvorefter REM og NREM2 søvn vil udgøre mere og mere. Når man laver EEG-målinger under søvn, ønsker man oftest at bestemme strukturen af søvnen, hermed fordelingen og rækkefølgende af søvnstadier i nattens løb. Derfor opdeler man tit det målte EEG-signaler i tidsintervaller (f.eks. 30 sekunder), hvor man ud fra de bestemte karakteristika score hvert tidsinterval til at tilhøre et specifikt stadie. Man kan herefter lave et diagram, kaldet et hypnogram, som er søvnstadierne som funktion af søvntiden. Hypnogrammer bruges bl.a. til at vurdere kvaliteten af en persons søvn samt til at undersøge for ændringer i søvnmønstret, der kan være en konsekvens af søvnlidelser eller andre helbredsmæssige årsager. På nedstående figur ses et teoretisk hypnogram for en ung og rask person. Strukturen i søvnmønstret vil ændre sig med alderen, hvor man typisk vil se en høj procentdel af REM søvn hos meget små børn og et fald i den dybe søvn hos ældre mennesker. Det er ganske normalt at have korte opvågninger mellem hver cyklus, nogle gange vil disse opvågninger være så korte at personen ikke selv husker/registrere dem.
