V elektrofyziologii je evokovaný potenciál nebo evokovaná odezva elektrický potenciál zaznamenaný z nervového systému člověka nebo jiného zvířete po představení podnětu, odlišný od spontánních potenciálů zjištěných elektroencefalografií (EEG), elektromyografií (EMG) nebo jinou elektrofyziologickou metodou záznamu.
Evokované potenciální amplitudy bývají nízké, pohybují se od méně než mikrovoltu po několik mikrovoltů, v porovnání s desítkami mikrovoltů pro EEG, milivolty pro EMG a často se blíží voltu pro EKG. K vyřešení těchto nízkoamplitudových potenciálů na pozadí probíhajících EEG, EKG, EMG a dalších biologických signálů a okolního šumu je obvykle vyžadováno zprůměrování signálu. Signál je časově uzamčen na podnět a většina šumu se vyskytuje náhodně, což umožňuje zprůměrování šumu s zprůměrováním opakovaných odpovědí.
Signály mohou být zaznamenávány z mozkové kůry, mozkového kmene, míchy a periferních nervů. Obvykle je termín „evokovaný potenciál“ vyhrazen pro odezvy zahrnující buď záznam ze struktur centrálního nervového systému, nebo jejich stimulaci. Takto evokované potenciály složené motorické akce (CMAP) nebo potenciály senzorické nervové akce (SNAP) používané ve studiích vedení nervů (NCS) nejsou obecně považovány za evokované potenciály, i když splňují výše uvedenou definici.
Senzoricky evokované potenciály (SEP) jsou zaznamenávány z centrálního nervového systému po stimulaci smyslových orgánů (například vizuálně evokované potenciály vyvolané blikajícím světlem nebo měnícím se obrazcem na monitoru; sluchově evokované potenciály cvaknutím nebo tónovým stimulem prezentovaným prostřednictvím sluchátek) nebo hmatovým nebo somatosenzoricky evokovaným potenciálem (SSEP) vyvolaným hmatovou nebo elektrickou stimulací smyslového nebo smíšeného nervu na periferii. Jsou široce používány v klinické diagnostické medicíně od 70. let a také v intraoperativním neurofyziologickém monitoringu (IONM), známém také jako chirurgická neurofyziologie.
Existují tři druhy evokovaných potenciálů v širokém klinickém použití: sluchově evokované potenciály, obvykle zaznamenané z pokožky hlavy, ale pocházející na úrovni mozkového kmene; vizuálně evokované potenciály a somatosenzoricky evokované potenciály, které jsou vyvolány elektrickou stimulací periferního nervu. Viz níže.
Long a Allen nahlásili abnormální mozkový kmen vyvolávající potenciály (BAEP) u alkoholičky, která se zotavila z Ondinina prokletí. Tito vyšetřovatelé předpokládali, že mozkový kmen jejich pacientky byl otráven, ale ne zničen jejím chronickým alkoholismem.
Vyvolaný potenciál v rovnovážném stavu
Vyvolaný potenciál je elektrická reakce mozku na smyslový podnět. Regan sestrojil analogový analyzátor Fourierovy řady pro záznam harmonických evokovaného potenciálu na blikající (sinusoidálně modulované) světlo, ale místo integrace sinusových a kosinových produktů je vložil do dvouperaového záznamníku přes lowpass filtry. To mu umožnilo prokázat, že mozek dosáhl ustáleného stavu, ve kterém amplituda a fáze harmonických (frekvenčních složek) odezvy byly v čase přibližně konstantní. Analogicky s ustáleným stavem odezvy rezonančního obvodu, který následuje po počáteční přechodné odezvě, definoval idealizovaný ustálený evokovaný potenciál (SSEP) jako formu odezvy na opakovanou smyslovou stimulaci, ve které základní frekvenční složky odezvy zůstávají v čase konstantní jak v amplitudě, tak ve fázi. Ačkoli tato definice implikuje sérii identických časových křivek, je užitečnější definovat SSEP z hlediska frekvenčních složek, které jsou alternativním popisem časové doménové křivky, protože různé frekvenční složky mohou mít zcela odlišné vlastnosti Například vlastnosti vysokofrekvenčního blikajícího SSEP (jehož vrcholová amplituda se blíží 40–50 Hz) odpovídají vlastnostem následně objevených magnocelulárních neuronů v sítnici makaka, zatímco vlastnosti středofrekvenčního blikajícího SSEP (jehož amplitudový vrchol se blíží 15–20 Hz) odpovídají vlastnostem parvocelulárních neuronů. Vzhledem k tomu, že SSEP může být kompletně popsán z hlediska amplitudy a fáze každé frekvenční složky, může být kvantifikován jednoznačněji než zprůměrovaný přechodný evokovaný potenciál.
Někdy se říká, že SSEPs jsou vyvolány pouze podněty s vysokou frekvencí opakování, ale to není obecně správné. V zásadě může sinusově modulovaný podnět vyvolat SSEP, i když je jeho frekvence opakování nízká. Vzhledem k vysokofrekvenčnímu vychýlení SSEP může vysokofrekvenční stimulace vyvolat téměř sinusovou vlnovou formu SSEP, ale to není podstatné pro definici SSEP.
Použitím zoom-FFT pro záznam SSEPs na teoretické hranici spektrálního rozlišení ΔF (kde ΔF v Hz je převrácená doba trvání záznamu v sekundách) Regan a Regan zjistili, že amplituda a fázová variabilita SSEP může být dostatečně malá, aby šířka pásma základních frekvenčních složek SSEP mohla být na teoretické hranici spektrálního rozlišení až do doby záznamu nejméně 500 sekund (v tomto případě 0,002 Hz).
Opakovaná smyslová stimulace vyvolává magnetickou reakci mozku v ustáleném stavu, kterou lze analyzovat stejně jako SSEP.
Technika „simultánní stimulace“
Tato technika umožňuje současně zaznamenat několik (např. čtyři) SSEPů z libovolného místa na hlavě. Různá místa stimulace nebo různých podnětů mohou být označena mírně odlišnými frekvencemi, které jsou prakticky totožné s mozkem, ale snadno odděleny analyzátory Fourierovy řady. Například když jsou dvě neostrá světla modulována na mírně odlišných frekvencích (F1 a F2) a překryta, vytvoří se v SSEP více nelineárních složek křížové modulace frekvence (mF1 ± nF2), kde m a n jsou celá čísla. Tyto složky umožňují zkoumat nelineární zpracování v mozku. Frekvenčním označením dvou překrytých mřížek lze izolovat a studovat prostorové vlastnosti ladění frekvence a orientace mozkových mechanismů, které zpracovávají prostorovou formu. Lze také označit stimuly různých smyslových modalit. Například vizuální podnět byl blikán na Fv Hz a současně prezentovaný zvukový tón byl amplitudově modulován na Fa Hz. Existence (2Fv + 2Fa) složky v evokované magnetické mozkové odezvě demonstrovala audiovizuální konvergenční oblast v lidském mozku a rozložení této odezvy nad hlavou umožnilo lokalizaci této mozkové oblasti. V poslední době bylo frekvenční značení rozšířeno ze studií smyslového zpracování na studie selektivní pozornosti a vědomí.
Technika sweepu je technika hybridní frekvenční domény/časové domény. Graf například amplitudy odezvy v porovnání s velikostí kontrolního diagramu stimulačního šachovnicového vzoru lze získat za 10 sekund, což je mnohem rychleji, než když se pro záznam evokovaného potenciálu pro každou z několika kontrolních velikostí používá průměrování časové domény.
V původní ukázce techniky byly sinusové a kosinové produkty přiváděny přes lowpass filtry (jako při záznamu SSEP ) při prohlížení obrazce jemných kontrol, jejichž černé a bílé čtverce si vyměnily místo šestkrát za sekundu. Pak byla velikost čtverců postupně zvětšována tak, aby vznikl graf evokované potenciální amplitudy v porovnání s velikostí kontrolního diagramu (odtud „sweep“). Následující autoři implementovali techniku sweepu pomocí počítačového softwaru pro zvýšení prostorové frekvence mřížky v sérii malých kroků a pro výpočet časového doménového průměru pro každou diskrétní prostorovou frekvenci.
Jeden sweep může být dostačující nebo může být nutné zprůměrovat grafy získané v několika sweepech s průměrovačem spouštěným cyklem sweepu. Průměr 16 sweepů může zlepšit poměr signálu a šumu grafu čtyřnásobně.
Technika sweepu se ukázala jako užitečná při měření rychle se přizpůsobujících vizuálních procesů a také pro záznam od dětí, kde doba záznamu je nutně krátká. Norcia a Tyler použili tuto techniku pro zdokumentování vývoje zrakové ostrosti a kontrastní citlivosti během prvních let života. Zdůraznili, že při diagnostice abnormálního vizuálního vývoje, čím přesnější jsou vývojové normy, tím ostřeji může být abnormál odlišen od normálního, a za tímto účelem zdokumentovali normální vizuální vývoj u velké skupiny kojenců. Po mnoho let se technika sweepu používala na pediatrických očních klinikách (elektrodiagnostika) Worldwide.
Tato technika umožňuje SSEP přímo ovládat podnět, který vyvolá SSEP bez vědomého zásahu experimentálního subjektu. Například průběžný průměr SSEP může být uspořádán tak, aby se zvýšila svítivost šachovnicového podnětu, pokud amplituda SSEP klesne pod nějakou předem stanovenou hodnotu, a aby se snížila svítivost, pokud stoupne nad tuto hodnotu. Amplituda SSEP se pak pohybuje okolo této předem stanovené hodnoty. Nyní se postupně mění vlnová délka (barva) podnětu. Výsledný graf svítivosti podnětu versus vlnová délka je graf spektrální citlivosti vizuálního systému.
V roce 1934 si Adrian a Matthew všimli, že potenciální změny okcipitálního EEG lze pozorovat při stimulaci světlem. Ciganek vyvinul první nomenklaturu pro okcipitální EEG komponenty v roce 1961. Během téhož roku Hirsch a jeho kolegové zaznamenali vizuální evokovaný potenciál (VEP) na okcipitálním laloku (zevně i zevnitř) a zjistili, že amplitudy zaznamenané podél kalcininové trhliny jsou největší. V roce 1965 Spehlmann použil šachovnicovou stimulaci k popisu lidských VEP. Pokus o lokalizaci struktur v primární vizuální dráze byl dokončen Sziklou a kolegy. Halliday a jeho kolegové dokončili první klinické výzkumy pomocí VEP záznamem zpožděných VEP u pacienta s retrobulbární neuritidou v roce 1972. Od 70. let do současnosti byla prováděna široká škála rozsáhlého výzkumu ke zlepšení postupů a teorií.
Stimul difúzního světelného záblesku se používá jen zřídka kvůli vysoké variabilitě uvnitř a mezi subjekty. Je však prospěšné používat tento typ stimulu při testování kojenců nebo jedinců se špatnou zrakovou ostrostí. Šachovnicové a mřížkové vzory používají světlé a tmavé čtverce a pruhy. Tyto čtverce a pruhy mají stejnou velikost a jsou prezentovány po jednom prostřednictvím televize nebo počítačové obrazovky.
Umístění elektrod je extrémně důležité pro vyvolání dobré VEP odezvy bez artefaktu. Jedna elektroda je umístěna 2,5 cm nad inionem a referenční elektroda je umístěna na Fz. Pro detailnější odezvu lze umístit další dvě elektrody 5 cm napravo a nalevo od Oz.
Nomenklatura VEP se určuje pomocí velkých písmen uvádějících, zda je vrchol kladný (P) nebo záporný (N), následovaný číslem, které udává průměrnou latenci vrcholu pro danou vlnu. Například P50 je vlna s pozitivním vrcholem přibližně 50 ms po nástupu stimulace.
Průměrná amplituda VEP vln se obvykle pohybuje mezi 5 a 10 mikrovolty.
Sluchově evokovaný potenciál může být využit k vysledování signálu generovaného zvukem vzestupnou zvukovou dráhou. Vyvolaný potenciál je generován v hlemýždi, prochází kochleárním nervem, přes kochleární jádro, komplex superior olivary, laterální lemniscus, k dolnímu kolikulu ve středním mozku, k mediálnímu genikulárnímu tělu a nakonec do mozkové kůry.
Sluchově evokované potenciály (AEP) jsou podtřídou potenciálů souvisejících s událostmi (ERP). ERP jsou mozkové reakce, které jsou časově uzamčeny na nějakou „událost“, jako je smyslový podnět, mentální událost (jako je rozpoznání cílového podnětu) nebo vynechání podnětu. U AEP je „událostí“ zvuk. AEP (a ERP) jsou velmi malé potenciály elektrického napětí pocházející z mozku zaznamenané z pokožky hlavy jako odpověď na sluchový podnět, jako jsou různé tóny, zvuky řeči atd.
Somatosensory evokovaný potenciál
Somatosensory Evoked Potentials (SSEPs) se používají v neuromonitoringu k posouzení funkce míchy pacienta během operace. Zaznamenávají se stimulací periferních nervů, nejčastěji holenního nervu, středního nervu nebo ulnárního nervu, typicky elektrickým stimulem. Odezva se pak zaznamenává z pokožky hlavy pacienta.
Vzhledem k nízké amplitudě signálu, jakmile se dostane k pokožce hlavy pacienta, a relativně vysokému množství elektrického hluku způsobeného EEG na pozadí, EMG svalu hlavy nebo elektrickými přístroji v místnosti, musí být signál zprůměrován. Použití zprůměrování zlepšuje poměr signálu a šumu. Obvykle musí být na operačním sále použito více než 100 a až 1000 průměrů, aby byl evokovaný potenciál adekvátně vyřešen.
Dvěma nejvíce sledovanými aspekty SSEP jsou amplituda a latence vrcholů. Nejvíce převládající vrcholy byly studovány a pojmenovány v laboratořích. Každý vrchol je ve svém názvu označen písmenem a číslem. Například N20 odkazuje na negativní vrchol (N) při 20 ms. Tento vrchol je zaznamenán z mozkové kůry při stimulaci středního nervu. S největší pravděpodobností odpovídá signálu, který se dostane do somatosenzorické kůry. Při použití při intraoperačním sledování je latence a amplituda vrcholu vzhledem k výchozímu stavu po intubaci pacienta zásadní informací. Dramatické zvýšení latence nebo snížení amplitudy jsou indikátory neurologické dysfunkce.
Během chirurgického zákroku může velké množství použitých anestetických plynů ovlivnit amplitudu a latenci SSEPs. Jakákoli halogenovaná látka nebo oxid dusný zvýší latenci a sníží amplitudu odezvy, někdy až do bodu, kdy odezvu již nelze zjistit. Z tohoto důvodu se obvykle používá anestetikum s využitím méně halogenované látky a více intravenózního hypnotika a narkotika.
Konvenční SSEPs monitorují fungování části somatosenzorického systému, která se podílí na pocitech, jako je dotek a vibrace. Část somatosenzorického systému, která přenáší signály bolesti a teploty, je monitorována pomocí laserem evokovaných potenciálů (LEP). LEP jsou evokovány aplikací jemně zaměřeného, rychle stoupajícího tepla na holou kůži pomocí laseru. V centrálním nervovém systému mohou detekovat poškození spinothalamického traktu, laterálního mozkového kmene a vláken přenášejících signály bolesti a teploty z thalamu do mozkové kůry. V periferním nervovém systému jsou signály bolesti a tepla přenášeny podél tenkých (C a A delta) vláken do míchy a LEP mohou být použity k určení, zda se neuropatie nachází v těchto malých vláknech na rozdíl od větších (dotek, vibrace) vláken.
Somatosensory evokované potenciály zajišťují sledování dorzálních kolon míchy. Senzoricky evokované potenciály mohou být také použity při operacích, které vystavují mozkové struktury riziku. Účinně se používají k určení kortikální ischemie při operacích karotické endarterektomie a k mapování senzorických oblastí mozku při operacích mozku.
Elektrická stimulace pokožky hlavy může v mozku vyvolat elektrický proud, který aktivuje motorické dráhy pyramidových traktů. Tato technika je známá jako monitorování transkraniálního elektrického motorického potenciálu (TcMEP). Tato technika účinně vyhodnocuje motorické dráhy v centrálním nervovém systému během operací, které tyto struktury vystavují riziku. Tyto motorické dráhy, včetně laterálního kortikospinálního traktu, se nacházejí v laterální a ventrální funiculi míchy. Protože ventrální a dorzální mícha mají oddělený přívod krve s velmi omezeným vedlejším tokem, je možným chirurgickým následkem syndrom přední míchy (paralýza nebo paréza s určitou zachovanou smyslovou funkcí), proto je důležité mít monitorování specifické pro motorické trakty a také monitorování dorzální kolony.
Transkraniální magnetická stimulace versus elektrická stimulace je obecně považována za nevhodnou pro intraoperační sledování, protože je citlivější na anestezii. Elektrická stimulace je příliš bolestivá pro klinické použití u probuzených pacientů. Tyto dvě modality se tedy doplňují, elektrická stimulace je volbou pro intraoperační sledování a magnetická pro klinické použití.
Motoricky evokované potenciály (MEP) jsou zaznamenávány ze svalů po přímé stimulaci exponované motorické kůry, nebo transkraniální stimulaci motorické kůry, buď magnetické nebo elektrické. Transkraniální magnetický MEP (TCmMEP) potenciálně nabízí klinické diagnostické aplikace. Transkraniální elektrický MEP (TCeMEP) se již několik let široce používá pro intraoperační sledování funkční integrity pyramidového traktu.
Během devadesátých let se objevily pokusy monitorovat „motorické evokované potenciály“, včetně „neurogenních motorických evokovaných potenciálů“ zaznamenaných z periferních nervů, po přímé elektrické stimulaci míchy. Vyšlo najevo, že tyto „motorické“ potenciály byly téměř zcela vyvolány antidromickou stimulací smyslových cest – i když záznam byl ze svalů (antidromická stimulace smyslových cest spouští myogenní reakce prostřednictvím synapsí na úrovni kořenového vstupu). TCMEP, ať už elektrický nebo magnetický, je nejpraktičtější způsob, jak zajistit čistě motorické reakce, protože stimulace smyslové kůry nemůže vést k sestupným impulsům za první synapsí (synapse nemohou být zpětně vystřeleny).
Europoslanci indukovaní TMS byli použiti v mnoha experimentech v kognitivní neurovědě. Protože amplituda europoslanců koreluje s motorickou excitabilitou, nabízejí kvantitativní způsob testování role různých typů zásahů do motorického systému (farmakologický, behaviorální, léze…) Europoslanci indukovaní TMS tak mohou sloužit jako index skryté motorické přípravy nebo usnadnění, např. indukované zrcadlovým neuronovým systémem, když vidí jiné jednání někoho jiného. Europoslanci jsou navíc používáni jako reference pro úpravu intenzity stimulace, kterou musí TMS poskytnout, když se zaměřují na kortikální oblasti, jejichž odezva nemusí být tak snadno měřitelná, např. v kontextu terapie založené na TMS.
Postup Evoked Potentials
Elektrody je třeba připevnit k různým bodům pokožky hlavy. Hlava se měří standardizovanou měřicí technikou EEG, aby se určila správná místa (každé místo odpovídá typu EP, který se bude měřit – např. dvě místa na zadní straně lebky pro zrakovou kůru, atd.), která jsou označena psacím nástrojem podobným velmi silné tužce. Každé z těchto míst se potře odlučovačem oleje, aby se odstranil kožní olej, pak se na každé místo přiloží a přitlačí elektroda namočená v liberálním množství vodivého gelu (přibližně konzistence měkkého másla) a přilepí se páskou lepicí pásky.
Pro vizuální evokovaný potenciál (VEP) se umístí před obrazovku počítače, která ukazuje vzor bílých a černých čtverců jako šachovnice, a červenou tečku uprostřed, na kterou máte zaměřit oči s minimálním pohybem. Procedura se provádí po jednom oku, přičemž oko, které není testováno, je zablokováno páskou přes oko. Během vlastní procedury se tyto čtverce střídají (z bílých se stanou černé, z černých se stanou bílé) rychlostí několika krát za sekundu, což vyvolává odezvy ve zrakové kůře, kterou zachytí elektrody vaší lebky. Protože počítač řídí přesné načasování změn čtvercových barev a v odpovídajících elektrodách přijímá přesné načasování elektrické odezvy, je schopen přesně určit dobu, za kterou se vizuální podnět dostane do zrakové kůry.
Pro somatosenzorické evokované potenciály (SEP) se aplikují další elektrody, a to stejným způsobem, jak bylo popsáno výše.
Pro horní SEP (paže) jsou na vnitřní straně zápěstí, blíže k palci, připevněny dvě stimulační elektrody. Tyto elektrody přijímají časované elektrické impulzy, které vyvolají mimovolní záškub palce. Další senzorová elektroda se aplikuje na zadní stranu ramene, blízko k bodu uchycení klíční kosti. Podobně jako u VEP počítač časuje elektrické impulsy (které přicházejí v rychlosti několika sekund) a získává odezvy od příslušné lebeční elektrody, čímž určuje přesnou dobu, za kterou se podnět dostane do mezibodu na vašem rameni, a poté do mozku. Totéž se pak opakuje na druhé paži.
U dolního SEP (nohou) se dvě stimulační elektrody připevní na vnitřní stranu vašeho kotníku, a to takovým způsobem, že dojde k mimovolnímu záškubu palce u nohy. Další senzorové elektrody se umístí na zadní stranu kolena (blíže k vnější straně), na páteř dolní části zad a na páteř horní části zad. Elektrické impulzy se pak vysílají v rychlosti několika sekund a odezvy se zaznamenávají stejným způsobem jako výše.
U mozkového sluchového potenciálu evokovaného (BAEP) se podnět dodává prostřednictvím sluchátek. Zkoušené ucho přijímá cvakavý zvuk, a to několikrát za sekundu, zatímco druhé ucho přijímá statickou elektřinu. Další senzorové elektrody jsou umístěny na zadní straně ušních lalůčků. Načasování je stanoveno jako výše.
Evokované stanovení potenciálního signálu
V mozku se děje mnoho věcí najednou, takže je obtížné určit, kdy evokovaný potenciál z určitého podnětu přichází jen z jednoho podnětu. Technika používaná k zesílení signálu se nazývá průměrování signálu. Stimul v každém testu evokovaného potenciálu se aplikuje mnohokrát (jeden až dva tisíce krát), a protože všechno ostatní kromě evokovaného potenciálu se signálem nesouvisí, děje se to v různých náhodných časech vzhledem k podnětu, zatímco potenciál, který je podnětem evokován, se vždy vyskytuje ve stejnou dobu vzhledem k podnětu. To umožňuje počítači vybrat a zesílit jeden konzistentní vrchol nebo řadu vrcholů, které jsou způsobeny aplikovaným podnětem.
Aby se zlepšila účinnost této techniky, doporučuje se uvolnit se a nehýbat se, aby se snížila hlučnost signálu a aby byla metoda průměrování účinnější s menším počtem iterací podnětu.