Wykorzystanie jednoczesnych rejestracji słuchowych potencjałów korowych i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego do badania procesów ośrodkowej części układu słuchowego –

O to l a r yngo l og i a Po l s k a t o m 6 5 , n r 3 , ma j - c ze r w i e c 2 011

171PRACE ORYGINALNE / ORIGINALS

Application of simultaneous auditory evoked potentials and functional magnetic resonance recordings for examination of central auditory system – preliminary results

1 2,3, Tomasz Wolak2 3, Patrycja Naumczyk2, Piotr Bogorodzki3, Andrzej Senderski1 1 2

SUMMARY Processing of auditory information in central nervous system

bases on the series of quickly occurring neural processes that cannot be sepa-

the auditory evoked potentials, characterized by good temporal resolution, and the functional magnetic resonance imaging with excellent spatial resolution

-ings method for the investigation of information processing at different levels

Five healthy volunteers, aged 22–35 years, partici-

scanner from Siemens and 64-channel electrophysiological system Neuro-

have been worked out by determining voltage distributions of AEP on skull -

tivations were determined on the basis of deviant to standard and standard

-

with N1 wave dipoles modeled based on auditory potentials generated by

The results showed that applied paradigm is suitable for investi-

of more complex nervous processes in central auditory system with good

-

simultaneous auditory evoked potentials and functional magnetic resonance recordings, auditory evoked potentials, functional magnetic resonance

/Received:

3

/

adres pocztowy:

e-mail

O t o l a r yngo l og i a Po l s k a t o m 6 5 , n r 3 , ma j - c ze r w i e c 2 011

PRACE ORYGINALNE / ORIGINALS172

Ośrodkowy system słuchowy to ciągle w niewielkim stopniu poznana część układu nerwowego. O ile pro-cesy przetwarzania dźwięków na niższych piętrach opracowywania informacji poznane są już dosyć dobrze, nadal niewiele wiemy o tym, jak informacja akustycz-na analizowana jest w wyżej położonych ośrodkach mózgowych. Obecnie wiele faktów wskazuje, że prze-twarzanie słuchowe w korze mózgowej realizowane jest najprawdopodobniej w tzw. ciągach przetwarzania (processing streams). Ciągi te tworzą dwa niezależne systemy pól korowych, w których informacja akustycz-na docierająca z receptora i niżej położonych ośrod-ków mózgowych jest najpierw rozdzielana, a następnie sukcesywnie przetwarzana [1]. Teoria opracowywania informacji akustycznej w obrębie ciągów przetwarzania to obecnie wiodąca hipoteza uznawana przez większość autorytetów badających procesy słyszenia. W litera-turze przedmiotu pojawiają się jednak coraz częściej opinie kwestionujące przetwarzanie słuchowe w dwóch niezależnych systemach pól korowych. Dane, głównie z badań elektrofizjologicznych, wskazują bowiem, że nie można mówić o ich pełnej i odrębnej funkcjonal-ności [2]. Poznanie neurofizjologicznych mechanizmów związanych z opracowywaniem informacji akustycznej w wyższych ośrodkach mózgowych wymaga dalszych, bardziej szczegółowych badań w tej dziedzinie.

Brak wiedzy na temat funkcjonowania układu słuchowego na poziomie ośrodkowym powoduje, iż nieznana jest również etiologia wielu chorób i zaburzeń mowy i słyszenia. Do dziś nie do końca wiadomo na przykład, jakie neurofizjologiczne mechanizmy nie-prawidłowo funkcjonują w centralnych zaburzeniach słuchu, co powoduje powstawanie szumów usznych czy też jakie są przyczyny dysleksji lub jąkania. Nie wiadomo również, w których dokładnie strukturach i na jakim poziomie ośrodkowego układu słuchowego dochodzi do zmian patofizjologicznych w tych choro-bach. Brak jest odpowiedzi na pytanie, jaki związek z powstawaniem niektórych zaburzeń mowy i słyszenia o charakterze ośrodkowym mają procesy poznawcze czy emocjonalne bezpośrednio niezwiązane z aku-stycznym przetwarzaniem. Wiele pytań rodzi się także w związku z nowymi metodami terapii i rehabilitacji chorób słuchu i mowy o podłożu ośrodkowym. Nie znając dobrze mechanizmów funkcjonowania wyż-szych pięter układu nerwowego związanych z mową i słyszeniem, trudno jest precyzyjnie wskazać, gdzie zachodzą wywoływane pod ich wpływem zmiany oraz jaki dokładnie jest ich efekt.

Fakty wymienione powyżej powodują, że naukowcy z różnych dziedzin coraz częściej poszukują nowych narzędzi badawczych, które pozwolą nam lepiej zro-zumieć funkcjonowanie ośrodkowej części układu słuchowego oraz odpowiedzieć przynajmniej na część

z pytań postawionych powyżej. Metodami najczęściej wykorzystywanymi w badaniach wyższych funkcji słuchowych są obecnie różnego rodzaju techniki neu-romonitoringu i neuroobrazowania. Wymienić tutaj można chociażby elektroencefalografię (electroencephalography, EEG), metodę potencjałów wywołanych (event-related potentials, ERP), czy też mało popularną jeszcze w naszym kraju – magnetoencefalografię (mag-netoencephalography, MEG) [3–5]. Badania ośrodkowej części układu słuchowego prowadzi się też za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego ( functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI) oraz pozytronowej tomografii emisyjnej (Positron Emission Tomography, PET) [6–7]. Wszystkie wymienione metody stwarzają olbrzymie możliwości w poznaniu złożonych mechani-zmów przetwarzania dźwięków. Niestety ich zastoso-wanie ma pewne ograniczenia. W przypadku EEG czy MEG, czyli metod o bardzo dobrej (liczonej w milise-kundach) rozdzielczości czasowej, takim ograniczeniem jest stosunkowo słaba (liczona w centymetrach) roz-dzielczość przestrzenna tych technik [8]. Wynika ona, jak w przypadku EEG, ze znacznego rozproszenia pola elektrycznego generowanego przez komórki nerwowe, wówczas gdy przechodzi ono przez czaszkę i tkanki mózgu [9]. Problemu słabej rozdzielczości przestrzen-nej pozbawione są pozytronowa tomografia emisyjna i funkcjonalny rezonans magnetyczny. Pozwalają one badać aktywne obszary mózgu oddalone od siebie nawet o kilka milimetrów. Niestety, zarówno fMRI, jak i PET opierają się na monitorowaniu stosunkowo wolnych zmian hemodynamicznych tkanki mózgo-wej, mają zatem znacznie ograniczoną rozdzielczość czasową [10]. Przy zastosowaniu tego typu technik obserwowanie pracy mózgu w czasie rzeczywistym jest znacznie utrudnione.

W ostatnim dziesięcioleciu na całym świecie trwają więc intensywne badania, w których próbuje łączyć się różnego rodzaju metody neuroobrazowania oraz usiłuje opracować techniki, dzięki którym możliwe będzie obserwowanie wybranych procesów nerwowych zarówno z dobrą dokładnością czasową, jak i prze-strzenną. W tym celu rejestracje EEG łączy się na przykład z pozytronową tomografią emisyjną (PET) [11]. Podejmowane są też próby, w których EEG reje-struje się razem z magnetoencefalografią (MEG) [12]. Techniką najczęściej stosowaną i zdobywającą coraz szersze zastosowanie są jednak jednoczesne rejestra-cje EEG i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (simultaneous electroencephalography and functional magnetic resonance recordings, EEG-fMRI). Pozwalają one na bieżąco obserwować zmieniające się aktywno-ści bioelektryczne mózgu oraz precyzyjnie wyznaczać w przestrzeni mózgu związane z nimi zmiany utle-nowania. Jak dotąd badania jednoczesnej rejestracji



EEG-fMRI wykonuje się standardowo jedynie w kilku ośrodkach na świecie. Są one wykorzystywane głów-nie w diagnostyce epilepsji [13]. Technikę EEG-fMRI stosuje się też w badaniach snu oraz innych, jeszcze mało poznanych stanów świadomości [14]. Jednoczesne rejestracje EEG-fMRI to także metoda, którą coraz częściej używa się do badania procesów związanych z percepcją bólu [15].

Oprócz jednoczesnych rejestracji z EEG, badania czynnościowe fMRI prowadzone są też równocześnie z rejestracjami potencjałów wywołanych (simultaneous event-related potentials and functional magnetic reso-nance recordings, ERP-fMRI). Potencjały wywołane to metoda ściśle związana z EEG, która umożliwia rejestrację odpowiedzi bioelektrycznych mózgu na różnego rodzaju bodźce. Dzięki ocenie poszczególnych składowych (komponent) tych odpowiedzi pozwala ona badać złożone procesy nerwowe na kolejnych piętrach wybranych analizatorów. Niestety z powodu ścisłej re-lacji z EEG, metoda ERP posiada wiele niedoskonałości charakterystycznych dla elektroencefalografii. Jest nią między innymi słaba rozdzielczość przestrzenna. Chcąc ją poprawić, badania potencjałów wywołanych łączy się więc coraz częściej z badaniami czynnościowymi. Uzyskuje się dzięki temu możliwość bardzo dokładnego obserwowania dynamiki czasowej oraz lokalizacji prze-strzennej procesów percepcyjnych i poznawczych, an-gażowanych na kolejnych piętrach analizy informacji.

Jednoczesne rejestracje ERP-fMRI, podobnie jak klasyczne badania potencjałów, prowadzi się, wyko-rzystując bodźce o różnej modalności, przede wszyst-kim stymulacje wzrokowe [16–18]. Od kilkunastu lat w niektórych ośrodkach na świecie (głównie w USA, Kanadzie oraz Niemczech) prowadzone są również doświadczenia, w których badania czynnościowe wy-konuje się jednocześnie z rejestracjami słuchowych potencjałów korowych (simultaneous auditory evoked potentials and functional magnetic resonance recordings, AEP-fMRI). Połączenie obu metod wykorzystuje się przede wszystkim, by poznać funkcjonalne znacze-nie i przebieg czasowo-przestrzenny procesów w po-szczególnych fragmentach drogi słuchowej [19, 20]. Jednoczesne wykorzystanie obu technik to również doskonałe narzędzie pozwalające zrozumieć związek pomiędzy złożonymi procesami poznawczymi, takimi jak na przykład uwaga czy pamięć, a przetwarzaniem słuchowym [21–23].

W Polsce badania z wykorzystaniem techniki jed-noczesnych rejestracji słuchowych potencjałów ko-rowych i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego nie były jak dotąd wykonywane. Naukowe Centrum Obrazowania Biomedycznego przy Instytucie Fizjologii i Patologii Słuchu w Warszawie jest pierwszą w kraju placówką, w której rozpoczęto tego typu doświadczenia. W prezentowanej pracy przedstawiono wstępne wyni-ki badań z wykorzystaniem techniki jednoczesnych

rejestracji AEP-fMR, których celem było wdrożenie metody do oceny funkcjonowania ośrodkowej części układu słuchowego.

W przeprowadzonych badaniach wzięło udział 5 zdro-wych (pozbawionych problemów audiologicznych i neu-rologicznych) ochotników w wieku 22–35 lat.

Rejestracje słuchowych potencjałów korowych, wy-konywane w trakcie badań równoczesnych, przeprowa-dzano z wykorzystaniem 64-kanałowego systemu do stymulacji i rejestracji elektrofizjologicznej – Neuroscan firmy Compumedic, przystosowanego do pracy w polu rezonansu magnetycznego. Badania strukturalnego i czynnościowego rezonansu magnetycznego wyko-nywane były za pomocą wysokopolowego skanera 3T Trio TIM firmy Siemens.

Schemat badawczy, jaki wykorzystano w ekspe-rymencie jednoczesnych rejestracji AEP-fMRI, był następujący: badanym prezentowano bodźce dźwię-kowe, które podawane były w dwóch różnych, 30-se-kundowych blokach – w tzw. blokach standard oraz w blokach odd-ball [24]. Bloki standard składały się wyłącznie z tonów o częstotliwości 1000 Hz, natomiast bloki odd-ball, oprócz tonów standardowych, zawie-rały rozmieszczone losowo w każdym bloku rzadziej występujące tzw. bodźce dewiant. Ich częstotliwość wynosiła 2000 Hz. Zadaniem osób badanych było zwracanie uwagi na rzadsze bodźce poprzez liczenie ich w pamięci. Liczbę tych bodźców należało podać po zakończeniu badania. Pojedynczy blok standard składał się wyłącznie z 10 tonów standard, natomiast blok odd-ball oprócz 7 tonów standardowych zawierał 3 tony dewiant. W ciągu całego badania każdy z bloków powtarzany był 10-krotnie. Pozwoliło to zarejestrować 30 odpowiedzi bioelektrycznych mózgu na bodźce de-wiant i 170 odpowiedzi na bodźce standard.

Przed rozpoczęciem właściwego eksperymentu jed-noczesnej rejestracji każdy z badanych miał wykony-wane standardowe badanie strukturalne MR. Badanie to przeprowadzono z wykorzystaniem sekwencji T1. Jego celem było wykluczenie z dalszych badań osób z nieprawidłowym obrazem morfologicznym mózgo-wia. U żadnego z badanych nie stwierdzono tego typu nieprawidłowości. Po przeprowadzeniu badania struk-turalnego przystępowano do wykonania właściwego ba-dania jednoczesnej rejestracji AEP-fMRI, w którym do rejestracji sygnału BOLD wykorzystano sekwencję T2 Single Shot-EPI. Wykonywane razem z badaniem AEP badanie czynnościowe fMRI przeprowadzano zgodnie ze schematem tzw. rzadkiej rejestracji (sparse aquisition) [25]. W ciągu całego badania pojedyncze skany objętości całego mózgu wykonywano na przemian z podawaniem bodźców słuchowych. W każdym bloku (zarówno bloku standard, jak i bloku odd-ball) najpierw podawano dwa



kolejne tony, po których następowała krótka przerwa, i dopiero wówczas rozpoczynało się dwusekundowe skanowanie. Rozmieszczenie bodźców akustycznych na przemian z okresami skanowania umożliwiało pre-zentowanie wszystkich tonów w ciszy oraz zapobiegło maskowaniu mózgowej odpowiedzi na nie przez hałas skanera. Badanie słuchowych potencjałów korowych (AEP) wykonywane było u każdego badanego dwukrot-nie: raz poza polem skanera MR i drugi raz łącznie z badaniem czynnościowym fMRI. Miało to na celu porównanie odpowiedzi bioelektrycznych mózgu na

bodźce dźwiękowe w warunkach optymalnych i w trak-cie jednoczesnej rejestracji.

Uzyskane w trakcie jednoczesnych rejestracji AEP-fMRI oraz w badaniach poza pomieszczeniem skanera dane elektrofizjologiczne poddano ściśle określonej i złożonej analizie. Z sygnału EEG usu-wane były najpierw wysokoamplitudowe (rzędu mi-liwoltów) artefakty indukowane przez zmieniające się w trakcie skanowania fMRI gradienty pola mag-netycznego (gradient artifact). Kolejnym krokiem „oczyszczania” sygnału EEG z artefaktów było re-

Tabela I.

-

Ryc. 1.



dukowanie zakłóceń związanych z pracą serca (ba-listocardiogram artifacts) [25].

Po wstępnym „oczyszczeniu” i przygotowa-niu sygnału EEG dalsza procedura analizy słu-chowych potencjałów korowych była podobna jak w klasycznym badaniu. Sygnał ciągły segmento-wano na pojedyncze przedziały obejmujące frag-menty: 100 ms przed i 700 ms po podaniu bodź-ca. Następnie dokonywano korekcji linii bazowej wszystkich wyodrębnionych przedziałów oraz od-rzucano te, które miały znaczne (powyżej ± 150 μV) wartości sygnału. Pozostałe przedziały uśredniano względem umieszczonych w zapisie markerów oznacza-

jących momenty czasowe pojawienia się każdego bodź-ca, a obliczone potencjały filtrowano w paśmie 1–30 Hz w celu wygładzenia ich z niepotrzebnych wysokich częstotliwości. Ostatnim etapem analizy słuchowych potencjałów korowych było cyfrowe przeliczenie odnie-sienia względem sygnału referencyjnego, jakim była średnia wartość sygnału zarejestrowana ze wszystkich odprowadzeń EEG.

Otrzymane w trakcie jednoczesnych rejestracji AEP-fMRI słuchowe potencjały korowe zarejestrowane z wielu odprowadzeń wykorzystywano do modelowania trójwymiarowych (3D) rozkładów napięcia poszcze-gólnych składowych na wirtualnym modelu głowy

Ryc. 2.



(3D brainmapping) (Ryc. 2). Słuchowe potencjały koro-we zarejestrowane z wielu odprowadzeń wykorzystano też do modelowania wewnątrzmózgowych elektrycz-nych źródeł (tzw. dipoli) komponenty N1 potencjałów wywołanych (source localization). Analizę tę przepro-wadzono za pomocą programu Curry 5.0.

Oprócz danych elektrofizjologicznych ściśle okre-ślonej i złożonej analizie poddano także dane struk-turalne MR i czynnościowe fMRI uzyskane w trak-cie jednoczesnych rejestracji AEP-fMRI. Były one analizowane za pomocą programu SPM8 (www.fil.ion.uci.ac.uk/spm/software/spm8). Uzyskane obrazy opracowywano z zastosowaniem standardowych pro-cedur. W otrzymanych obrazach mózgu wykonywano najpierw korekcję artefaktów ruchowych, następnie dokonywano normalizacji przestrzennej obrazu móz-gu a później wygładzającej filtracji przestrzennej za pomocą filtru Gaussa. Kolejnym krokiem było mo-delowanie zmian sygnału BOLD (blond oxygen level dependent), które przeprowadzono, wykorzystując do tego celu metodę Uogólnionego Modelu Liniowego (General Linear Model, GLM) oraz standardową funkcję odpowiedzi hemodynamicznej (hemodynamic response function, HRF). Analizy końcowe przeprowadzono z uwzględnieniem następujących kontrastów: standard vs dewiant oraz dewiant vs standard.

WynikiZastosowany schemat badawczy, wykonane procedury usuwania artefaktów generowanych w trakcie jedno-czesnych rejestracji AEP-fMRI oraz przeprowadzone analizy sygnału EEG pozwoliły uzyskać korowe odpo-wiedzi elektryczne mózgu (fale P1, N1, P2) na bodźce standardowe (1000 Hz), których morfologia, amplituda i latencja były bardzo podobne – praktycznie we wszyst-kich odprowadzeniach – do słuchowych potencjałów korowych rejestrowanych poza polem magnetycznym (Tab. I, Ryc. 1).

Na podstawie wartości amplitud potencjałów re-jestrowanych ze wszystkich odprowadzeń, u każdej z osób badanych wykonywano też modelowanie prze-strzenne rozkładu napięcia – 3D brainmapping – kom-ponent N1 i P2 na wirtualnym modelu głowy. Rozkłady składowych odpowiedzi uzyskanych w trakcie jedno-czesnych rejestracji (AEP-fMRI) były bardzo podobne do tych uzyskiwanych w badaniach AEP wykonanych na zewnątrz pomieszczenia skanera rezonansu mag-netycznego (MR) (Ryc. 2).

Zastosowany schemat badawczy pozwolił uzyskać, oprócz odpowiedzi na bodźce standardowe (1000 Hz), także odpowiedzi elektryczne mózgu – potencjały wywo-łane – na bodźce dewiant (2000 Hz). W badaniach AEP przeprowadzonych na zewnątrz skanera MR uzyskano

Ryc. 3.



odpowiedzi, w których obecne były zarówno fale N1, P2, jak i P3 (P300). Nie były to co prawda zbyt wyraźne od-powiedzi, ale były one rejestrowane we wszystkich od-prowadzeniach (Ryc. 3). Średnie wartości amplitud i la-tencji tych odpowiedzi zostały umieszczone w tabeli II. Wyraźnych odpowiedzi na bodźce dewiant nie udało się uzyskać w trakcie jednoczesnego badania AEP--fMRI. Rejestrowane fale N1, P2 i P3 miały niewielką amplitudę i były widoczne jedynie w kilku odprowa-dzeniach (Ryc. 3).

Oprócz mapowania na wirtualnym modelu głowy, dokonywano również mapowania przestrzennego fal N1, zarejestrowanych w odpowiedziach na bodźce standard (1000 Hz), na rzeczywistych, stworzonych na podstawie obrazów strukturalnych MR modelach głowy osób badanych (Ryc. 4B). Następnie na pod-stawie uzyskanych rozkładów oraz z wykorzystaniem stworzonych modeli głowy wyznaczano (modelowano) dwa symetryczne wewnątrzmózgowe źródła aktywno-ści (dipole) komponenty N1. W trakcie modelowania

Tabela II.

Ryc. 4.



zastosowano metodę tzw. rotujących dipoli (rotating dipoles) [26]. Wyznaczone dipole komponenty N1 nakładano następnie na obrazy strukturalne MR mózgu danej osoby. W większości przypadków di-

pole zamodelowane w okolicach 50–120 ms, czyli wówczas gdy amplitudy komponenty N1 osiągały swoje maksimum, lokalizowały się w okolicach kory słuchowej (Ryc. 4A).

Tabela III.

X YKontrast

t

t

Podane w tabeli pobudzenia uzyskano dla p≤

Ryc. 5.



W przeprowadzonym eksperymencie badania słu-chowych potencjałów wywołanych (AEP) wykonywano jednocześnie z rejestracją czynnościową – fMRI. Ana-liza danych czynnościowych wykazała, że wówczas kiedy osoby badane odbierały bodźce standardowe (1000 Hz), aktywowała się u nich przede wszystkim pierwszorzędowa kora słuchowa (Ryc. 5A, Tab. III). Natomiast gdy odbierane i analizowane były bodź-ce dewiant (2000 Hz), a osoba badana podejmowa-ła decyzję, że słyszany bodziec jest dla niej ważny, aktywowały się rejony przedniego zakrętu obręczy i przedniej części wyspy. Aktywne były również oko-lice płata ciemieniowego (dolny płacik ciemieniowy) (Ryc. 5B, Tab. III).

Analizując dane z jednoczesnych rejestracji AEP--fMRI, u każdego z badanych dipole fali N1 dla odpo-wiedzi na bodźce standard (1000 Hz) wyznaczano nie tylko metodą rotujących dipoli, lecz również metodą tzw. ruchomych dipoli (moving dipoles) [26]. Metodę ruchomych dipoli zastosowano, gdyż w porównaniu z modelowaniem za pomocą rotujących dipoli pozwalała

ona na wyznaczenie nie tylko położenia, ale również zmian w czasie generatorów potencjału N1. Podobnie jak w metodzie rotujących dipoli, źródła aktywności bioelektrycznej komponenty N1 wyznaczano na pod-stawie odpowiedzi elektrycznych zarejestrowanych ze wszystkich odprowadzeń oraz z wykorzystaniem strukturalnych modeli głowy osób badanych (Ryc. 6B). Tak jak w metodzie rotujących dipoli modelowane di-pole nakładano również na obrazy strukturalne MR. W trakcie modelowania przyjęto też identyczne jak poprzednio założenia. Modelowano dwa położone sy-metrycznie dipole komponenty N1. Przeprowadzona analiza wykazała, że dipole te w kolejnych przedziałach czasowych od ok. 50–120 ms (Ryc. 6A), przemieszczały się z okolic wzgórza do okolic kory słuchowej (Ryc. 6C). Opracowując wyniki, dokonywano też integracji danych elektrofizjologicznych i czynnościowych. Na obrazy strukturalne MR każdej z osób badanych nakładano nie tylko dipole fal N1 wyznaczone dla odpowiedzi na bodźce standard, lecz także aktywacje czynnościowe fMRI, uzyskane w trakcie detekcji tego rodzaju bodź-

Ryc. 6.



ców. Miejsca aktywacji czynnościowych pokrywały się z wyznaczonymi dipolami komponent N1 (Ryc. 6C).

W prezentowanej pracy przedstawiono wstępne wyniki eksperymentu z wykorzystaniem metody jednoczesnej rejestracji słuchowych potencjałów korowych i funk-cjonalnego rezonansu magnetycznego. Eksperyment ten rozpoczyna serię doświadczeń mających na celu opracowanie metod umożliwiających obserwację zmian i poznanie złożonych procesów neurofizjologicznych w obrębie ośrodkowej części układu słuchowego.

W eksperymencie jako schematu doświadczalnego użyto specjalnie zmodyfikowanej dla potrzeb jedno-czesnych rejestracji AEP-fMRI procedury odd-ball. Założono, że procedura ta pozwoli oceniać i badać pro-cesy opracowywania informacji akustycznej zarówno na niższym, jak i na wyższym poziomie przetwarza-nia. Procedura miała umożliwiać generację korowych potencjałów słuchowych, takich jak: fale P1, N1, P2, P3, które jak wiadomo są bioelektrycznym markerem procesów przetwarzania informacji w kolejnych ośrod-kach drogi słuchowej, począwszy od wzgórza aż do wyższych ośrodków korowych [27–30]. Założono, że analiza poszczególnych fal w odpowiedziach elektrycz-nych mózgu na bodźce standardowe (1000 Hz) pozwoli badać procesy przetwarzania dźwięków w pierwszo-, drugorzędowych i asocjacyjnych polach kory słuchowej. Prezentowane rzadziej bodźce dewiant, na które osoby badane zwracały uwagę, miały natomiast angażować bardziej złożone procesy poznawcze. Przyjęto, że ich markerem będzie fala P3, pojawiająca się w odpowie-dzi na bodźce dewiant. Komponenta ta jest składową endogenną potencjałów wywołanych i sądzi się, że reprezentuje proces kategoryzacji bodźca [31]. Są też badania, które pokazują istotne korelacje składowej P3 z procesami uwagi czy też pamięci [32]. U podłoża fali P3 leży więc najprawdopodobniej nie jeden, lecz kilka złożonych procesów poznawczych [31]. W prezentowanej pracy przyjęto, że amplituda i latencja fali P3 będą za-tem dobrymi parametrami, które w obiektywny sposób pozwolą dokonać oceny wyższych procesów nerwowych związanych ze słyszeniem.

Uzyskane wyniki pokazują, że użyty w badaniach i specjalnie przystosowany do jednoczesnych rejestra-cji schemat eksperymentalny spełnił swoją funkcję i może być użyty do badania procesów zachodzących w ośrodkowej części układu słuchowego. Pomimo iż podawane bodźce nie były prezentowane w sposób ciągły jak w klasycznym badaniu odd-ball, otrzymano słuchowe potencjały korowe, które były bardzo dobrze wyrażone. W odpowiedziach na bodźce standardowe uzyskanych podczas jednoczesnych rejestracji AEP--fMRI wszystkie ze składowych (fale P1, N1 oraz P2) miały takie same latencje, identyczną morfologię i jedy-

nie nieznacznie zredukowane amplitudy w porównaniu z odpowiedziami zarejestrowanymi w badaniach poza pomieszczeniem skanera MR (Ryc. 1, Tab. I). Uzyskane odpowiedzi były też bardzo podobne do tych obserwo-wanych przez innych badaczy w doświadczeniach pro-wadzonych zarówno w sposób klasyczny, jak i łącznie z rejestracją czynnościową (fMRI) [33, 34]. Oprócz do-brze wyrażonych odpowiedzi elektrycznych na bodźce standardowe, w prezentowanych badaniach uzyskano też istotne aktywacje czynnościowe na częściej poda-wane bodźce (Ryc. 5A, Tab. III). Były one zlokalizowane w korze słuchowej. Tego typu odpowiedzi obserwowano wielokrotnie w badaniach czynnościowych fMRI oraz podczas jednoczesnych rejestracji AEP-fMRI, wówczas gdy badani biernie słuchali prezentowanych dźwięków [19, 33, 35]. Rejon pierwszorzędowej kory słuchowej, jak wiadomo, odpowiedzialny jest za percepcję (odbiór) i przetwarzanie wrażeń dźwiękowych [36]. Wiadomo również, że składowe odpowiedzi elektrycznych na bodźce akustyczne, począwszy od N1, są markerem świadomych procesów związanych z analizą cech bodź-ca [37]. Uzyskane wyniki elektrofizjologiczne i funkcjo-nalne pozwalają więc stwierdzić, że badani świadomie analizowali (słyszeli) prezentowane stymulacje i nie angażowali w ich przetwarzanie złożonych procesów poznawczych.

W przeprowadzonych badaniach potencjały wywo-łane przez bodźce rzadkie – dewiant – rejestrowano je-dynie w rejestracjach AEP wykonywanych na zewnątrz pomieszczenia skanera rezonansu magnetycznego. Od-powiedzi uzyskane w trakcie jednoczesnych rejestracji (AEP-fMRI) były słabo wyrażone. Efekt tego typu spowo-dowany był najprawdopodobniej tym, iż liczba bodźców dewiant użytych w paradygmacie badawczym była zbyt mała. W klasycznych badaniach AEP prowadzo-nych z wykorzystaniem procedury odd-ball zaleca się uśrednienie ok. 40–50 próbek [34]. W prezentowanym eksperymencie, chcąc skrócić czas badania wydłużony okresami skanowania i w celu poprawienia komfortu osób badanych, liczbę tonów dewiant ograniczono do 30. Przy tak niekorzystnym stosunku sygnału do szumu, jaki występuje w trakcie jednoczesnych reje-stracji, wyodrębnienie odpowiedzi elektrycznych mózgu na bodźce rzadkie okazało się niemożliwe [13–15, 25]. W kolejnych badaniach niezbędne jest uwzględnienie tego faktu oraz takie zmodyfikowanie procedury, aby liczba bodźców rzadkich była większa. Liczba zapre-zentowanych bodźców dewiant oraz bloków, w których podawano te bodźce, okazała się natomiast wystar-czająca, by uzyskać istotne aktywacje czynnościowe. W warunkach, kiedy badani podejmowali decyzje, że słyszany bodziec jest w jakimś sensie dla nich ważny, aktywowały się rejony przedniego zakrętu obręczy i przedniej części wyspy. Aktywacje tego typu opisy-wano już w literaturze. Obserwowano je wielokrotnie podczas różnego typu zadań wymagających zaangażo-



wania poznawczego lub emocjonalnego w wykonywane zadanie [38–39]. W odpowiedziach na bodźce dewiant, oprócz okolic wyspy i przedniego zakrętu obręczy, aktywne były również rejony w okolicy płata ciemienio-wego (dolny płacik ciemieniowy). Tego typu aktywacje obserwowano z kolei w doświadczeniach, w których, za pomocą techniki fMRI, potencjałów wywołanych oraz połaczenia obu tych metod, poszukiwano źródeł generacji potencjału P3 [40–42].

W prezentowanej pracy na podstawie rozkładów prze-strzennych uzyskiwanych na rzeczywistych modelach głowy osób badanych podjęto też próbę wyznaczenia wewnątrzmózgowych źródeł aktywności elektrycznej mózgu – dipoli fali N1. Przeprowadzono w tym celu modelowanie źródeł komponenty N1, między innymi za pomocą metody rotujących dipoli. Metoda ta zakłada możliwość zmiany wyłącznie orientacji przestrzennej i siły wyznaczanych wewnątrzmózgowych źródeł ak-tywności bioelektrycznej [26]. Przed przystąpieniem do wyznaczenia źródeł komponenty N1 założono występo-wanie dwóch dipoli tej składowej. Na podstawie danych literaturowych, które mówią o kilku generatorach fali N1 przyjmujących międzypółkulową lokalizację, przy-jęto też, że dipole N1 umiejscowione będą symetrycznie w obu półkulach [43]. W wyniku modelowania źródeł fali N1 w przedziale 50–120 ms wyznaczono dipole, które lokalizowały się w okolicach kory słuchowej. Wynik ten był podobny do tego, który uzyskali Scarff i wsp. (2004), stosując podobną procedurę badawczą [33]. Wewnątrzmózgowe źródła komponenty N1 w obrębie kory słuchowej opisywali też inni autorzy. Były one umiejscowione w obrębie górnego zakrętu skroniowego, w zakręcie Heschla [28, 44] oraz skojarzeniowym ob-szarze słuchowym – planum temporale [43].

Opracowując dane uzyskane w trakcie jednoczes-nych rejestracji, przeprowadzono też pełną integrację wyników badania elektrofizjologicznego, funkcjonal-nego i strukturalnego. W tym celu modelowano także wewnątrzmózgowe źródła aktywności bioelektrycznej komponenty N1. Do modelowania źródeł, zamiast metody rotujących dipoli, tym razem wykorzystano jednak tech-nikę ruchomych dipoli. Zakłada ona możliwość zmiany orientacji przestrzennej, siły oraz położenia w przestrze-ni wyznaczanych wewnątrzmózgowych źródeł aktywno-ści bioelektrycznej [26]. Dipole komponenty N1 mogły być więc wyznaczone nie tylko w przestrzeni mózgowej, lecz także zamodelowane precyzyjnie w czasie. W wyniku przeprowadzonego modelowania obliczono dipole fali N1, które wyznaczane w kolejnych punktach czasowych trwania potencjału przemieszczały się z okolic wzgó-rza do okolic kory słuchowej (Ryc. 6C). Zamodelowana w czasie i przestrzeni „wędrówka” dipoli pokrywała się z fragmentami drogi słuchowej, które – jak wiadomo – biegną z okolic podkorowych wzgórza (ciała kolan-kowatego przyśrodkowego) do pierwszorzędowej kory słuchowej [36]. Oprócz modelowania dipoli komponenty

N1 dla bodźców standardowych (1000 Hz), które mapo-wano na obrazy strukturalne, na zdjęcia MR nakładano również aktywacje czynnościowe uzyskane w odpowiedzi na tego rodzaju bodźce. Aktywacje te lokalizowały się w okolicach kory słuchowej i pokrywały z dipolami fali N1 wyznaczonymi w punktach czasowych, w których amplituda komponenty N1 osiągała swoje maksimum (Ryc. 6C). Wynik ten potwierdza, podobnie jak analiza za pomocą metody rotujących dipoli, że generator fal N1 mieści się w korze słuchowej [28, 33, 45].

W prezentowanej pracy planowano również zin-tegrowanie dipoli, wyznaczonych dla odpowiedzi na bodźce dewiant oraz znacznie liczniejszych aktywacji czynnościowych, które obserwowano w odpowiedzi na tego rodzaju bodźce (Ryc. 5B). Większa liczba ak-tywacji czynnościowych, którą obserwowano, zwią-zana była z zaangażowaniem w opracowanie bodźców dewiant bardziej złożonych procesów poznawczych. Zintegrowanie wyników badania elektrofizjologicz-nego i czynnościowego pozwalałoby więc precyzyjnie określić, które z obserwowanych procesów wystąpiły w czasie wcześniej, a które później. Do precyzyjne-go przestrzennie badania czynnościowego dołączona zostałaby precyzyjna informacja o czasie i kolejności aktywacji. Niestety w przeprowadzonych badaniach nie uzyskano wyraźnych potencjałów wywołanych na bodźce dewiant. Wydaje się, że kolejne eksperymen-ty, w których zwiększona zostanie liczba tego typu bodźców, pozwolą dokonać takiej analizy. Stworzy to możliwość badania złożonych procesów nerwowych w obrębie ośrodkowej części układu słuchowego na wszystkich piętrach opracowywania informacji.

Wnioski1. Otrzymane wyniki potwierdziły rezultaty uzyskane

w innych ośrodkach na świecie i pokazały, że zare-jestrowanie zmian czynnościowych i bioelektrycz-nych mózgu w odpowiedzi na bodźce akustyczne jest możliwe pomimo niekorzystnych warunków technicznych specyficznych dla jednoczesnych re-jestracji elektrofizjologicznych i czynnościowych.

2. Zastosowany schemat badawczy okazał się odpo-wiedni do badania procesów przetwarzania infor-macji akustycznej na poziomie kory słuchowej. Badanie wyższych procesów słuchowych wymaga udoskonalenia dotychczasowego schematu ba-dawczego lub opracowania nowych schematów doświadczalnych.

3. Uzyskane wyniki pokazują, że metoda jednoczes-nych rejestracji słuchowych potencjałów korowych i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego umoż-liwia badanie z dobrą rozdzielczością czasowo--przestrzenną złożonych procesów nerwowych związanych ze słyszeniem zachodzących w obrębie ośrodkowej części układu słuchowego.



1. Rauschecker JP. Cortical Processing Streams and Central

Auditory Plasticity. W: Cacace A, McFarland D, red. Contro-

versies in Central Auditory Processing Disorder. San Diego:

Plural Publishing; 2008. s. 61–82.

2. Zatorre RJ, Bouffard M, Ahad P, Belin P. Where is ‚where’ in

the human auditory cortex? Nat Neurosci 2002; 5(9): 905–909.

3. Deng S, Srinivasan R. Semantic and acoustic analysis of

speech by functional networks with distinct time scales.

Brain Res. 2010; 30: 1346: 132–44.

4. Spironelli C, Penolazzi B, Angrilli A. Gender differences in

reading in school-aged children: an early ERP study. Dev

Neuropsychol. 2010; 35(4): 357–375.

5. Phillips C, Pellathy T, Marantz A, Yellin E, Wexler K, Po-

eppel D, McGinnis M, Roberts T. Auditory cortex accesses

phonological categories: an MEG mismatch study. J Cogn

Neurosci. 2000; 12(6): 1038–1055.

6. Corina DP, Richards TL, Serafini S, Richards AL, Steury K,

Abbott RD, Echelard DR, Maravilla KR, Berninger VW. fMRI

auditory language differences between dyslexic and able

reading children. Neuroreport. 2001; 8;12(6): 1195–1201.

7. Lee JS, Lee DS, Oh SH, Kim CS, Kim JW, Hwang CH, Koo J,

Kang E, Chung JK, Lee MC. PET Evidence of Neuroplasti-

city in Adult Auditory Cortex of Postlingual Deafness. J Nucl

Med. 2003; 44: 1435–1439.

8. Davidson R, Jackson DC, Larson ChL. Human Electroen-

cephalography. W: Cacioppo JT, Tassinary LG, Berntson

GG, red. Handbook of Psychophysiology 2nd ed. Cam-

bridge: Cambridge University Press; 2000. s 27–52.

9. Nunez PL, Srinivasan R. Electric fields of the brain: the neu-

rophysics of EEG. 2nd ed. USA: Oxford University Press;

2006. s. 3–52

10. Elliott LL. Functional brain imaging and hearing. J. Acoust.

Soc. Am. 1994; 96: 1397–1408.

11. Gamma A, Lehmann D, Frei E, Iwata K, Pascual-Marqui RD,

Vollenweider FX. Comparison of simultaneously recorded

[H215O]-PET and LORETA during cognitive and pharmaco-

logical activation. Hum Brain Mapp. 2004; 22(2): 83–96.

12. Pantazis D, Simpson GV, Weber DL, Dale CL, Nichols TE,

Leahy RM. A novel ANCOVA design for analysis of MEG data

with application to a visual attention study. Neuroimage.

2009; 44 (1):164–174.

13. Walker MC, Chaudhary UJ, Lemieux L. EEG-fMRI in adults

with focal epilepsy. W: Mulert C, Lemieux L, red. EEG-fM-

RI: physiological basis, technique and applications. Berlin:

Springer-Verlag; 2009. s 309–326.

14. Laufs H. Brain Rythms. W: Mulert C, Lemieux L, red. EEG-

fMRI: physiological basis, technique and applications. Ber-

lin: Springer-Verlag; 2009. s 263–278.

15. Iannetti GD, Mouraux A. Combining EEG and fMRI in Pain

Research. W: Mulert C, Lemieux L, red. EEG-fMRI: physi-

ological basis, technique and applications. Berlin: Springer-

Verlag; 2009. s 365–384.

16. Di Russo F. i wsp. Cortical sources of the early components

of the visual evoked potential. Human Brain Mapping.

2002;15(2): 95–111.

17. Whittingstall K. i wsp. Evaluating the spatial relationship

of event-related potential and functional MRI sources in the

primary visual cortex. Human Brain Mapping. 2007; 28(2):

134–142.

18. Becker R, Ritter P, Villringer A. Visual System. W: Mulert C,

Lemieux L, red. EEG-fMRI: physiological basis, technique

and applications. Berlin: Springer-Verlag; 2009. s 401–417.

19. Mulert C, Jager L, Propp S, Karch S, Stormann S, Pogarell

O i wsp. Sound level dependence of the primary auditory

cortex: simultaneous measurment with 61-channel EEG

and fMRI. Neuroimage. 2005. 28 (1): 49–58.

20. Thaerig S, Behne N, Schadow J, Lenz D, Scheich H, Brech-

mann A, Hermann CS. Sound level dependence of audi-

tory evoked potentials: simultaneous EEG recording and

low-noise fMRI. International Journal of Psychophysiology

67(3): 235–241.

21. Horovitz SG, Skudlarski P, Gore JC. Correlations and dis-

sociations between BOLD signal and P300 amplitude in an

auditory oddball task: a parametric approach to combining

fMRI and ERP. Magnetic Resonance Imaging. 2002; 20(4):

319–325.

22. Mulert C, Seifert CL, Leicht G, Kirsch V, Ertl M, Karch S,

Moosmann M, Lutz J, Moller HJ, Hegerl U, Pogarell O, Jager

L. Single-trial coupling of EEG and fMRI reveals the involve-

ment of early anterior cingulate cortex activation in effortful

decision making. 2008. Neuroimage 42:158–168.

23. B nar CG, Schön D, Grimault S, Nazarian B, Burle B, Roth

M, Badier JM, Marquis P, Liegeois-Chauvel C, Anton JL.

Single-trial analysis of oddball event-related potentials in

simultaneous EEG-fMRI. 2007. Human Brain Mapping.

28(7): 602–613.

24. Huettel SA, McCarthy G. What is odd in the oddball task?

Prefrontal cortex is activated by dynamic changes in re-

sponse strategy. Neuropsychologia. 2004; 42: 379–386.

25. Herrman ChS, Debener S. Simultaneous recording of EEG

and BOLD responses: A historical perspective. International

Jouranal of Psychophysiology. 2008; 67: 161–168.

26. Pizzagalli DA. Electroencephalography and high-density elec-

trophysiological sources localization. W: Cacioppo J, Tassi-

nary LG, Berntson GG, red. Handbook of Psychophysiology.

New York: Cambridge University Press; 2007. s. 56–84.

27. Kotchoubey B. Event-related potentials, cognition, and be-

havior: a biological approach. Neurosci Biobehav Rev. 2006;

30(1):42–65.

28. Zouridakis G, Simos PG, Papanicolaou AC. Multiple bilate-

rally asymmetric cortical sources account for the auditory

N1m component. Brain Topogr. 1998; 10(3): 183–9.

29. Crowley KE, Colrain IM. A review of the evidence for P2

being an independent component process: age, sleep and

modality. 2004; 115: 732–744.

30. Linden DE. The P300: where in the brain is it produced and

what does it tell us? Neuroscientis. 2005; 11(6): 563–576.

31. Polich, J. Updating P300: An integrative theory of P3a and

P3b. Clinical Neurophysiology, 2007; 118(10): 2128–2148.

32. Kok A. On the utility of P3 amplitude as a measure of pro-

cessing capacity. Psychophysiology. 2001; 38: 557–577.



33. Scarff CJ, Reynolds A, Goodyear BG, Ponton CW, Dort JC,

Eggermont JJ. Simultaneous 3-T fMRI and high-density re-

cording of human auditory evoked potentials. Neuroimage.

2004; 23: 1129–1142.

34. McPherson DL, Ballachanda B, Kaff W. Middle and long la-

tency auditory evoked potentials. W: Roester R, Valente M,

Hosford-Dunn H, red. Audiology. Diagnosis. 2nd ed. New

York: Thieme Medical Publishers; 2008. 471–502.

35. Harms MP, Guinan JJ, Sigalovsky IS, Melcher JR. Short-

term sound temporal envelope characteristics determine

multisecond time patterns of activity In human auditory

cortex as show by fMRI. Journal of Neurophysiology. 2005;

93: 210–222.

36. Hudspeth AJ. Hearing. W: Kandel ER, Schwartz JH, Jessell

TM, red. Principles of neural science. McGraw-Hill, Health

Professions Division; 2000. s. 590–613.

37. Näätänen R, Kujala T, Winkler I. Auditory processing that

leads to conscious perception: a unique window to central

auditory processing opened by the mismatch negativity and

related responses. Psychophysiology. 2011; 48: 4–22.

38. Bush G, Luu P, Posner MI. Cognitive and emotional in-

fluences in anterior cingulate cortex. Trends Cogn Sci.

2000; 4(6): 215–222.

39. Hayter AL, Langdon DW, Ramnani N. Cerebellar contri-

butions to working memory. Neuroimage. 2007; 1; 36(3):

943–954.

40. Linden DE, Prvulovic D, Formisano E, Völlinger M, Zanella

FE, Goebel R, Dierks T. The functional neuroanatomy of

target detection: an fMRI study of visual and auditory odd-

ball tasks. Cerebral Cortex. 1999; 8: 815–823.

41. Soltani M, Knight RT. Neural origins of the P300. Crit Rev

Neurobiol. 2000; 14: 199–224.

42. Mulert C, Jager L, Schmitt R, Bussfeld P, Pogarell O, Mol-

ler HJ. Integration of fMRI and simultaneous EEG: towards

a comprehensive understanding of localization and time-

course of brain activity in target detection. Neuroimage.

2004; 22: 83–94.

43. Godey B, Schwartz D, de Graaf JB, Chauvel P, Liégeois-

Chauvel C. Neuromagnetic source localization of auditory

evoked fields and intracerebral evoked potentials: a com-

parison of data in the same patients. Clin Neurophysiol.

2001; 112(10): 1850–1859.

44. Liegeois-Chauvel C, Musolino A, Badier JM, Marquis P,

Chauvel P. Evoked potentials recorded from the auditory

cortex in man: evaluation and topography of the middle la-

tency components. Electroencephalogr Clin Neurophysiol.

1994; 92: 204–214.

45. Näätänen R, Picton T. The N1 wave of the human electric

and magnetic response to sound: a review and an analysis

of the component structure. Psychophysiology. 1987; 24(4):

375–425.

Documents

Wykorzystanie jednoczesnych rejestracji słuchowych potencjałów korowych i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego do badania procesów ośrodkowej części układu słuchowego –