Điện não đồ (Electroencephalography – EEG)

Nguyên lý hoạt động

Hoạt động điện của não được tạo ra bởi sự giao tiếp giữa các neuron. Sự giao tiếp này tạo ra các dòng điện nhỏ. EEG ghi lại tổng điện thế của một nhóm lớn neuron hoạt động đồng bộ. Các điện cực trên da đầu dù được những dao động điện áp nhỏ này, thường có biên độ từ vài microvolt ($\mu V$) đến khoảng 100 $\mu V$. Các tín hiệu này sau đó được khuếch đại và hiển thị dưới dạng các dạng sóng. Cụ thể hơn, EEG đo lường sự khác biệt điện thế giữa các điện cực khác nhau, phản ánh hoạt động điện của các vùng não bên dưới. Các dạng sóng EEG thay đổi theo trạng thái của não, ví dụ như thức, ngủ, hoặc trong các tình trạng bệnh lý như động kinh. Việc phân tích các dạng sóng này cung cấp thông tin quan trọng về chức năng não.

Các loại sóng não

EEG thường được đặc trưng bởi các loại sóng não khác nhau, mỗi loại có một tần số và biên độ đặc trưng, phản ánh trạng thái não khác nhau. Một số loại sóng não chính bao gồm:

• Sóng Delta (δ): (0.5 – 4 Hz) – Thường thấy trong giấc ngủ sâu, và ở trẻ sơ sinh. Chúng cũng có thể xuất hiện trong các tình trạng bệnh lý như tổn thương não.
• Sóng Theta (θ): (4 – 8 Hz) – Liên quan đến buồn ngủ, thư giãn sâu, thiền định, và một số giai đoạn của giấc ngủ. Sóng theta cũng đóng vai trò trong việc xử lý trí nhớ và cảm xúc.
• Sóng Alpha (α): (8 – 13 Hz) – Xuất hiện khi thư giãn, nhắm mắt, và tỉnh táo nhưng không tập trung. Chúng thường bị ức chế khi mở mắt hoặc khi tập trung vào một nhiệm vụ nào đó.
• Sóng Beta (β): (13 – 30 Hz) – Liên quan đến trạng thái tỉnh táo, tập trung, suy nghĩ tích cực và giải quyết vấn đề. Có thể tăng lên trong trạng thái lo lắng hoặc căng thẳng. Sóng beta được chia thành các dải tần số nhỏ hơn, mỗi dải có liên quan đến các chức năng nhận thức khác nhau.
• Sóng Gamma (γ): (> 30 Hz) – Liên quan đến xử lý thông tin ở mức độ cao, nhận thức, và học tập. Sóng gamma được cho là có vai trò trong việc liên kết thông tin từ các vùng não khác nhau.

Ứng dụng của EEG

EEG được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực y tế và nghiên cứu, bao gồm:

• Chẩn đoán động kinh: Phát hiện các bất thường trong hoạt động điện của não có thể chỉ ra động kinh.
• Đánh giá rối loạn giấc ngủ: Giúp xác định các giai đoạn khác nhau của giấc ngủ và chẩn đoán các rối loạn giấc ngủ.
• Theo dõi tình trạng hôn mê và chết não: Đánh giá hoạt động của não ở bệnh nhân hôn mê.
• Nghiên cứu về nhận thức: Khám phá hoạt động của não liên quan đến các quá trình nhận thức khác nhau.
• Giao diện não-máy tính (BCI): Điều khiển các thiết bị bên ngoài bằng suy nghĩ.

Ưu điểm của EEG

• Không xâm lấn.
• Độ phân giải thời gian cao (mili giây), cho phép theo dõi hoạt động của não theo thời gian thực.
• Chi phí tương đối thấp.
• Di động và dễ sử dụng.

Nhược điểm của EEG

• Độ phân giải không gian thấp, khó xác định vị trí chính xác của hoạt động não. Điều này là do tín hiệu EEG bị ảnh hưởng bởi các mô và xương sọ.
• Dễ bị nhiễu từ các nguồn bên ngoài như cử động cơ hoặc thiết bị điện. Việc chuẩn bị da đầu kỹ lưỡng và che chắn có thể giúp giảm thiểu nhiễu.
• Chỉ ghi lại hoạt động từ vỏ não, không thể ghi lại hoạt động từ các vùng sâu hơn của não.

Kết luận

EEG là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt để nghiên cứu và chẩn đoán hoạt động của não. Mặc dù có một số hạn chế, EEG vẫn là một phương pháp quan trọng trong khoa học thần kinh và y học lâm sàng.

Quy trình thực hiện EEG

Trước khi bắt đầu ghi EEG, da đầu được làm sạch và các điện cực được đặt trên da đầu theo hệ thống chuẩn quốc tế 10-20. Hệ thống này đảm bảo vị trí đặt điện cực được đồng nhất giữa các lần ghi và giữa các phòng thí nghiệm khác nhau. Một chất dẫn điện (gel hoặc kem) được sử dụng để cải thiện tiếp xúc giữa điện cực và da đầu. Số lượng điện cực sử dụng có thể thay đổi tùy thuộc vào mục đích của việc ghi EEG, thường từ 20 đến 256 điện cực.

Sau khi đặt điện cực, bệnh nhân được yêu cầu thư giãn và nhắm mắt. Kỹ thuật viên sẽ ghi lại hoạt động não trong các điều kiện khác nhau, bao gồm cả khi nghỉ ngơi, khi thực hiện một nhiệm vụ nhận thức hoặc khi tiếp xúc với các kích thích bên ngoài (như ánh sáng hoặc âm thanh). Quá trình ghi EEG thường kéo dài từ 20 đến 40 phút.

Phân tích dữ liệu EEG

Dữ liệu EEG được hiển thị dưới dạng các dạng sóng biểu diễn sự thay đổi điện áp theo thời gian. Các dạng sóng này được phân tích để xác định các bất thường trong hoạt động điện của não. Việc phân tích có thể bao gồm:

• Phân tích tần số: Xác định biên độ của các loại sóng não khác nhau (delta, theta, alpha, beta, gamma).
• Phân tích dạng sóng: Nhận dạng các dạng sóng đặc trưng cho một số tình trạng bệnh lý, chẳng hạn như sóng nhọn hoặc sóng đa gai trong động kinh.
• Bản đồ não: Biểu diễn hoạt động não trên một hình ảnh hai chiều hoặc ba chiều của da đầu.

Các biến thể của EEG

Ngoài EEG truyền thống, còn có một số biến thể của kỹ thuật này, bao gồm:

• Điện não đồ video (Video-EEG): Kết hợp EEG với ghi hình video để đồng bộ hóa hoạt động não với hành vi của bệnh nhân. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong chẩn đoán động kinh.
• Điện não đồ theo dõi dài ngày (Ambulatory EEG): Ghi lại hoạt động não trong thời gian dài (24 giờ hoặc hơn) trong khi bệnh nhân sinh hoạt bình thường.
• Điện não đồ mật độ nguồn (EEG source localization): Sử dụng các thuật toán toán học để ước tính vị trí của các nguồn hoạt động não bên trong não.

So sánh EEG với các kỹ thuật hình ảnh não khác

EEG có độ phân giải thời gian cao hơn so với các kỹ thuật hình ảnh não khác như fMRI và PET, nhưng độ phân giải không gian thấp hơn. EEG phù hợp để nghiên cứu các quá trình não diễn ra nhanh chóng, trong khi fMRI và PET phù hợp hơn để xác định vị trí chính xác của hoạt động não. fMRI đo lường hoạt động não dựa trên lưu lượng máu, trong khi PET sử dụng chất đánh dấu phóng xạ để theo dõi hoạt động trao đổi chất của não.

• Niedermeyer, E., & Lopes da Silva, F. H. (Eds.). (2005). Electroencephalography: Basic principles, clinical applications, and related fields. Lippincott Williams & Wilkins.
• Nunez, P. L., & Srinivasan, R. (2006). Electric fields of the brain: The neurophysics of EEG. Oxford University Press.
• Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S. A., & Hudspeth, A. J. (2013). Principles of neural science. McGraw-Hill.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào EEG có thể phân biệt giữa các loại sóng não khác nhau (Delta, Theta, Alpha, Beta, Gamma)?

Trả lời: EEG phân biệt các loại sóng não dựa trên tần số của chúng, được đo bằng Hertz (Hz). Sóng Delta có tần số thấp nhất (0.5-4 Hz), tiếp theo là Theta (4-8 Hz), Alpha (8-13 Hz), Beta (13-30 Hz) và Gamma (trên 30 Hz). Mỗi loại sóng này tương ứng với một trạng thái não khác nhau.

Giới hạn của độ phân giải không gian trong EEG là gì và làm thế nào các nhà nghiên cứu đang cố gắng khắc phục hạn chế này?

Trả lời: Độ phân giải không gian của EEG bị hạn chế bởi hiệu ứng làm mờ do hộp sọ và các mô khác. Điều này gây khó khăn trong việc xác định chính xác nguồn gốc của hoạt động điện não. Để khắc phục hạn chế này, các nhà nghiên cứu đang sử dụng các kỹ thuật như địa hóa nguồn EEG (EEG source localization), kết hợp EEG với các kỹ thuật hình ảnh khác (như fMRI), và sử dụng số lượng điện cực lớn hơn với mật độ cao hơn (high-density EEG).

Ngoài chẩn đoán động kinh và rối loạn giấc ngủ, EEG còn được ứng dụng trong những lĩnh vực nào khác?

Trả lời: EEG còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm nghiên cứu về nhận thức (ví dụ: chú ý, trí nhớ, ngôn ngữ), theo dõi độ sâu gây mê, đánh giá tổn thương não sau chấn thương, phát triển giao diện não-máy tính (BCI), và nghiên cứu về rối loạn tâm thần kinh như ADHD và tự kỷ.

Các yếu tố nào có thể gây nhiễu cho tín hiệu EEG và làm thế nào để giảm thiểu các nhiễu này?

Trả lời: Nhiễu trong tín hiệu EEG có thể đến từ nhiều nguồn, bao gồm cử động cơ (như nháy mắt, nuốt), nhiễu điện từ từ thiết bị điện tử gần đó, và các tạo tác từ mồ hôi hoặc chuyển động của điện cực. Để giảm thiểu nhiễu, bệnh nhân được yêu cầu giữ yên lặng nhất có thể trong quá trình ghi. Kỹ thuật viên cũng có thể sử dụng các kỹ thuật lọc tín hiệu để loại bỏ nhiễu.

EEG có ưu điểm gì so với các kỹ thuật hình ảnh não khác như fMRI và MEG?

Trả lời: Ưu điểm chính của EEG là độ phân giải thời gian cao, cho phép ghi lại hoạt động não ở mức mili giây. Điều này làm cho EEG phù hợp để nghiên cứu các quá trình não diễn ra nhanh chóng. EEG cũng có chi phí thấp hơn và di động hơn so với fMRI và MEG. Hơn nữa, EEG là một kỹ thuật hoàn toàn không xâm lấn, không sử dụng bức xạ ion hóa hoặc từ trường mạnh.