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BREVE INTRODUCCIÓN A LA

ELECTROENCEFALOGRAFÍA CUANTITATIVA

 


Dr. Luis Núñez Jaramillo. / División de Ciencias de la Salud. Universidad de Quintana Roo

 

 

 

INTRODUCCIÓN

El primer reporte acerca del registro de actividad eléctrica cerebral fue publicado en 1929 por Hans Berger. En los años 30s y 40s existió un creciente interés por esta técnica, ya que nos proporcionaba información directa acerca de la función eléctrica del cerebro, por lo que potencialmente podría ayudarnos a revelar los misterios que encierra su funcionamiento. Sin embargo, esta expectativa fue reduciéndose al comprobar que, mediante análisis visual, el electroencefalograma (EEG) servía básicamente para comprobar la existencia de algunas patologías tales como la epilepsia o el daño cerebral por trauma (Cantor, 1999).


La interpretación visual del EEG ha permitido correlacionar las funciones y disfunciones del sistema nervioso central con determinados patrones de actividad electroencefalográfica (Speckmann et al, 2011). Sin embargo, sin omitir la importancia clínica del EEG, cabe señalar que el análisis visual del los registros electroencefalográficos proporciona poca información acerca de la forma en que el cerebro regula funciones complejas como el aprendizaje, la memoria, la atención, e incluso la ocurrencia de la plasticidad sináptica durante la recuperación tras daño cerebral (Cantor, 1999).


En este sentido, el desarrollo de la tecnología digital en los 60s y 70s permitió el desarrollo del análisis cuantitativo de las señales de EEG, con lo que se abría la posibilidad de estudiar y cuantificar muchos parámetros más a partir de un registro de EEG (Cantor, 1999).


En este texto abordaremos brevemente las bases neurofisiológicas del EEG, así como la forma en que se lleva a cabo el análisis cuantitativo de este registro de la actividad eléctrica del cerebro.

 

CÓMO SE GENERAN LAS SEÑALES ELÉCTRICAS EN EL CEREBRO

El sistema nervioso central contiene dos tipos celulares, la glia y las neuronas. Las neuronas están encargadas de recibir y transmitir impulsos eléctricos, integrando de esta manera la información que reciben y emitiendo una respuesta acorde a la misma, mientras que las células gliales cumplen funciones de apoyo, protección, alimentación y regulación de las neuronas. Las neuronas pueden contar con varias dendritas (zonas en las que se recibe información) y un axón que pude ramificarse para generar múltiples contactos sinápticos (Speckmann et al, 2011; Kandel, 2000).


Debido a la concentración diferencial de iones dentro y fuera de la membrana de la neurona, esta tiene un potencial eléctrico (Kandel, 2000). La carga eléctrica en la parte externa de la membrana plasmática ha sido arbitrariamente determinada como 0, por lo que el potencial en reposo de una neurona es de de entre -60 y -70 mV. (Speckmann et al, 2011; Kandel, 2000). El potencial de membrana de una neurona puede cambiar rápida y significativamente, lo que puede ser empleado como un mecanismo para enviar señales.  Estos potenciales pueden variar como respuesta a la estimulación proveniente de otras neuronas. Los cambios pueden incrementar (hiperpolarización) o decrementar (depolarización) el potencial de membrana de las neuronas. Debido a que una depolarización acerca el potencial de membrana al umbral que se requiere para disparar un potencial de acción se dice que los estímulos que producen este cambio son excitatorios (Kandel, 2000).


Los potenciales generados de manera aislada por una sinapsis excitatoria son de aproximadamente 5 mV, insuficientes para genera un potencial de acción en la neurona postsináptica. Este es generado por la sumación (temporal / espacial) de varios potenciales de acción, logrando un potencial de aproximadamente 20 a 30 mV, lo suficiente para disparar un potencial de acción, los cuales muy rápidos (alrededor de 1 mseg).  El EEG registrado a nivel del cuero cabelludo es el resultado de la suma de millones de potenciales de acción simultáneos (tanto inhibitorios como excitatorios) (Cantor, 1999).


La actividad registrada en el EEG es la suma de del flujo extracelular de corriente de muchas neuronas, teniendo predominancia en este registro el flujo de corriente extracelular producido por la actividad de neuronas corticales cercanas al sitio de registro del electrodo (Westbrook, 2000). La actividad registrada a nivel cortical en el EEG es generada principalmente por la actividad sináptica en las neuronas piramidales de la corteza, generada por los circuitos talamo-corticales y cortico-corticales (Saper, 2000; Westbrook, 2000, Herrera Morales, 2002).


Debido a que los electrodos están colocados sobre el cuero cabelludo es difícil definir la participación de estructuras subcorticales en el registro obtenido. Éste es el llamado problema inverso del EEG, “conociendo la distribución y el voltaje en la superficie del cuero cabelludo, se trata de conocer el origen y magnitud de las fuentes de corriente cerebrales que expliquen dicha distribución” (Santiago Rodríguez, 2002). Éste problema presenta la dificultad de que un mismo patrón de distribución de la actividad eléctrica registrada sobre el cuero cabelludo puede ser originada por diferentes fuentes de corriente. Este problema puede ser abordado mediante diferentes estrategias, entre las que destaca la tomografía eléctrica, la cual consiste en la construcción de un modelo tridimensional de la localización de las fuentes de corriente. Éste modelo se basa en cálculos matemáticos que contemplan la información registrada en todos los electrodos utilizados durante el registro (Santiago Rodríguez, 2002).


La magnitud de la actividad eléctrica registrada en el EEG (µV) es mucho menor que la actividad eléctrica generada por una sola neurona (mV) porque es filtrada y atenuada al pasar por las diferentes capas de tejido que separan la superficie cortical del electrodo de registro (Westbrook, 2000).


ONDAS DE ACTIVIDAD DEL EEG

Las ondas de actividad de EEG son el resultado de la suma de billones de potenciales de acción simultáneos (Cantor, 1999). Estas ondas tienen dos características fundamentales (Figura 1):


-Frecuencia.- Hace referencia a la periodicidad con que se repite una onda. Está expresada en Hz, donde una onda con una frecuencia de 1 Hz es aquella que se repite 1 vez cada segundo (Cantor, 1999).


-Amplitud.- Este término nos indica la magnitud en el cambio de voltaje, y se define como el voltaje expresado en microvolts, medido desde el punto más alto hasta el punto más bajo de una onda. Mientras mayor sea la amplitud, más energía está invertida en esa onda específica (Cantor, 1999).


                          amplitud y fecuencia
Figura 1.- Amplitud y frecuencia de las ondas registradas en el EEG.

De esta manera, el registro de EEG está compuesto por “una secuencia de oscilaciones en la diferencia de voltaje entre dos electrodos a través del tiempo” (Fernández Harmony et al, 2001).


Las ondas registradas en el EEG han sido clasificadas con base en su frecuencia. Las principales bandas de frecuencia son las siguientes:


-Delta.- Abarca las ondas que presentan una frecuencia de 1-4 Hz. Se presenta durante los primeros años de vida en el humano, y va desapareciendo conforme madura el sistema nervioso. En el adulto se encuentra principalmente durante las fases 3 y 4 del sueño de ondas lentas (Herrera Morales, 2002). Sin embargo, se presenta también cuando se pone atención a procesos internos como son la realización de cálculos mentales o la memorización (Fernández et al, 1998).


-Theta.-Abarca las ondas que presentan una frecuencia de 4 a 7 Hz (tesis OV, art talita en ingles. Se presenta durante la infancia, así como en estados de adormecimiento y sueño (fses 1 y 2 del sueño de ondas lentas) (Herrera Morales, 2002), y también se ha asociado con la ejecución de procesos cognitivos (Fernández Harmony et al, 2001).


-Alpha.- Abarca las ondas que presentan una frecuencia de 8 a 13 Hz. Se presenta en la vigiliaprincipalmente en áreas posteriores, aunque puede verse también en áreas anteriores y centrales (Fernández Harmony et al, 2001; Herrera Morales, 2002). Es el tipo de banda que predomina en el sujeto adulto en reposo y con los ojos cerrados. Generalmente “desaparece” al abrir los ojos. También se ve atenuado por la realización de tareas que requieran atención (Fernández Harmony et al, 2001; Herrera Morales, 2002).


-Beta.- Abarca las ondas que presentan una frecuencia de 14 a 13 Hz. Es frecuente que se presente con la actividad mental y con la apertura de ojos en vigilia Se encuentra en las regiones centrales y frontales principalmente, aunque también se ha observado en regiones posteriores (Herrera Morales, 2002).

 

COLOCACIÓN DE ELECTRODOS Y TIPOS DE MONTAJE

Para llevar a cabo un registro de EEG se colocan electrodos sobre el cuero cabelludo en las regiones que se desea registrar. El sistema de distribución de electrodos más utilizado es el sistema intenacional 10/20, el cual consiste en una distribución de los electrodos basada en procentajes del 10% o 20% de distancias medidas en el cráneo de la persona  a la que se le realiza el estudio, por lo que contempla el tamaño y forma de la cabeza, de manera que la zona que registre cada electrodo es comparable entre los registros realizados a diferentes personas (Fernández Harmony et al, 2001; Herrera Morales, 2002). La nomenclatura de los electrodos nos permite distinguir la ubicación del mismo. Las letras nos ubican en la zona de la corteza que registran:

  • Fp-frontoparietal
  • F-frontal
  • C-central
  • T-temporal
  • P-Parietal
  • O-Occipital

El número que le sigue a la letra indica el hemisferio cerebral en el que es colocado, quedando los números nones colocados en el hemisferio izquierdo, y los números pares en el hemisferio derecho (Cantor, 1999)
Entre estos electrodos y el cuero cabelludo se utiliza como intermediario un gel o un pasta que facilita la conducción de la señal eléctrica (Fernández Harmony et al, 2001).


Además de los electrodos de registro se colocan electrodos de referencia, generalmente en los lóbulos de las orejas o en los mastoides cortocircuitados. Para definir el punto de referencia ideal se busca una región cercana a la zona de registro, pero donde se reduzca al mínimo la detección de actividad eléctrica proveniente del cerebro. Al restarle a la señal del electrodo de registro la señal registrada en la referencia se obtiene un registro libre de artefactos.  El uso de una referencia nos permite eliminar el “ruido” de la señal del EEG. A este montaje se le denomina montaje referencial o polar. Otro tipo de montaje es el bipolar, en el que se compara la actividad de dos electrodos de registro contiguos (Fernández Harmony et al, 2001).


El registro referencial o unipolar tiene la desventaja de que no hay un sitio de referencia ideal, dado que todos los sitios cercanos a las zonas de registro de EEG están contaminadas con algo de ruido proveniente de señales eléctricas cerebrales o musculares (Cantor, 1999), pero tiene la ventaja de que conserva a información completa de la actividad eléctrica registrada en cada electrodo. Por otra parte, el montaje bipolar no presenta el problema de contaminación que presenta el registro referencial, ya que compara la actividad en dos electrodos colocados sobre el cuero cabelludo y elimina la actividad común entre ambos, dejando solo la diferencia entre estos, por lo que la desventaja principal de este tipo de montaje es que se pierde mucha información. Sin embargo, el montaje bipolar es muy útil en la clínica, ya que permite localizar fácilmente en qué sitio se origina alguna señal específica observada en el registro (Cantor, 1999), por ejemplo, actividad paroxística indicativa de un foco epiléptico.


EEG CUANTITATIVO

Como se mencionó con anterioridad, si bien en un EEG podemos encontrar una gran cantidad de información acerca cómo se encuentra la actividad eléctrica del cerebro en un determinado momento, es muy poca la información que se puede extraer mediante un análisis visual. En este sentido, el análisis cuantitativo del EEG amplía considerablemente el alcance de este estudio. Se han intentado llevar a cabo diferentes mediciones en los registros. Hasta el momento, las medidas que han demostrado ser más sensibles al estado del sujeto son las realizadas en el dominio de la frecuencia (Fernández Harmony et al, 2001).


Con base en lo que acabamos de revisar acerca de cómo se generan las ondas de actividad eléctrica en el cerebro, podemos definir el registro de EEG como un cambio de potencial eléctrico a través del tiempo (Lopes da Silva, 2011). Este cambio en el potencial eléctrico es visible como ondas con diferentes frecuencias. Los análisis cuantitativos que frecuentemente se llevan a cabo parten de transformar el registro de EEG, expresado como voltaje (µV, eje Y) en función del tiempo (seg, eje X), en una gráfica de potencia (µV2, eje Y) en función de la frecuencia (Hz, eje X) (Fernández Harmony et a, 2001). El método matemático más utilizado para llevar a cabo esta transformación es la Transformanda Rápida de Fourier (Cantor, 1999) (ver Figura 2).

 

señal egg
Figura 2.- La señal obtenida en el EEG representada inicialmente en una gráfica de amplitud (µV, eje Y) a través del tiempo (segundos, eje X) es convertida, mediante el uso de la transformada rápida de Fourier (TRF) en una gráfica donde se representa la potencia (µV2, eje Y) en función del tiempo (segundos, eje X). En el eje X se encuentran representadas las 4 principales bandas de frecuencia (Delta, Theta, Alpha y Beta).

De esta manera, la información que obtenemos habla de la energía (potencia) invertida en diferentes frecuencias. Este análisis puede hacerse mediante un análisis de banda estrecha en el que se cuantifica la potencia invertida en una frecuencia discreta, o mediante un análisis de banda ancha, en el que se cuantifica la actividad en las bandas de actividad eléctrica mencionadas anteriormente (delta, theta, alfa, beta) (Fernández Harmony et al, 2001).


Cuando se realiza un análisis de banda ancha las medidas realizadas con mayor frecuencia son:

Potencia absoluta: Cada una de las bandas de frecuencia mencionadas con anterioridad (delta, theta, alpha, beta) comprenden en realidad un margen de frecuencias. Por ejemplo, definimos como onda con alfa a aquella onda cuya frecuencia se encuentra entre los 8 y los 13 Hz. La potencia absoluta nos indica cuál es la potencia invertida en todo el rango de frecuencias que abarca esta banda y, en una gráfica de potencia en función de la frecuencia se podría definir como el área entre la curva  de la potencia y el eje de las X delimitada a ambos lados por las frecuencias que limitan la banda de frecuencia a estudiar. En la Figura 3 se puede observar lo que representaría la potencia absoluta de Theta. (Fernández Harmony et al, 2001; Herrera Morales, 2002).


                            
Figura 3.- Gráfica de potencia en función de frecuencia en la que se ha sombreado el área bajo la curva que representa la potencia invertida en el rango de frecuencias abarcado por la banda Theta.

Potencia Relativa: Esta medida nos indica, de la potencia total invertida en todas las bandas de frecuencia qué proporción está dedicada a la frecuencia de interés. Retomando la Figura 3, para calcular la potencia relativa de theta tendríamos que tomar como 1 el valor del área bajo toda la curva (abarcando todas las frecuencias analizadas) y con respecto a este número calcularíamos qué proporción representa el área sombreada (la potencia invertida en Theta. Por ejemplo, una potencia relativa de Theta de 0.25 indicaría que la cuarta parte de la potencia total de ese gráfico corresponde a ondas cuya frecuencia se encuentra en el rango de Theta (Fernández Harmony et al, 2001; Herrera Morales, 2002).


Una característica importante del EEG cuantitativo es la posibilidad de comparar la actividad eléctrica cerebral de un sujeto contra una norma empatada por edad y sexo (Cantor, 1999). Esto abre una gama importante de posibilidades tanto en el área de la investigación básica como en el campo clínico.


REFERENCIAS:

-Cantor, DS (1999) “An overview of quantitative EEG and its applications to neurofeedback.” In:  Introduction to quantitative EEG and Neurofeedback. Editores: Evans, JR y Abarbanel, A. Academic Press. San Diego, California, pp 3-27.
-Fernández T, Harmony T, Silva J, Galán L, Díaz-Comas L, Bosch J, Rodríguez M, Fernández-Bouzas A, Yáñez G, Otero G and Marosi E. (1998) Relationship of specific EEG frequencies at specific brain areas with performance. Neuroreport. 9(16):3681-3687.
-Fernández Harmony T, González Garrido AA. (2001) “EEG y cognición.” En: Texto de Neurociencias cognitivas. Compliadores: Alcaráz Romero VM, Gumá Díaz E. Editorial El Manual Moderno. México D.F. pp 351-370.
-Herrera Morales WV (2002) Neuro-retroalimentación en niños con trastornos de aprendizaje. Tesis para obtener el grado de Maestra en Ciencias (Neurobiología). Centro de Neurobiología. Universidad Nacional Autónoma de México. 98 pp.
-Kandel ER (2000)” Nerve cells and behavior.” In: Principles of Neural Sciecce. 4th edition. Editores: Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM.  McGraw-Hill. pp 19-35.
-Lopes da Silva FH. (2011) “EEG analysis: theory and practice.” In: Niedermeyer´s Electroencephalography: Basic principles, clinical applications and related fields. 6ta edición. Editores: Niedermeyer E, Schomer DL y Lopes da Silva  FH. Lippincott Williams & Wilkins. USA. pp 1147-1178
-Santiago Rodríguez E (2002) Análisis del origen y la propagación de las fuentes de corriente, de las características morfológicas, espectroscópicas y del flujo sanguíneo cerebral en pacientes con epilepsia del lóbulo temporal. Tesis para obtener el grado de Doctor en Ciencias Biomédicas. Instituto de Neurobiología. Universidad Nacional Autónoma de México. 129 pp.
-Saper CB, (2000). ”Brain stem modulation of sensation. Movement, and consciousness.” In: Principles of Neural Sciecce. 4th edition. Editores: Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM.  McGraw-Hill. pp 889-909.
-Speckmann EJ, Elger, CE, Gorji A. (2011) “Neurophysiologic basis of EEG and DC potentials.” In: Niedermeyer´s Electroencephalography: Basic principles, clinical applications and related fields. 6ta edición. Editores: Niedermeyer E, Schomer DL y Lopes da Silva  FH. Lippincott Williams & Wilkins. USA. pp 17-32
-Westbrook GL, (2000). “Seizures and Epilepsy.” In: Principles of Neural Sciecce. 4th edition. Editores: Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM.  McGraw-Hill. pp 910-935.