¿Cómo se pueden reproducir fielmente las señales neuronales mediante electrodos en el cuero cabelludo?

EEG se ha registrado a partir de finales de los años 20, por personas que no tenían ni idea de electricidad. Si bien la fuerza del EEG es ciertamente débil, es fácilmente observable incluso con una tecnología comparativamente primitiva.

Lo primero que debe tener en cuenta es que EEG mide el campo agregado. No ve neuronas individuales. Ve la actividad sincronizada de grandes poblaciones neuronales de neuronas: decenas, cientos de miles de neuronas como mínimo, y probablemente más del orden de decenas y cientos de millones de neuronas. Esta actividad agregada crea actividad del orden de microvoltios. Luego, esta actividad se transmite (a través de la técnica del amplificador diferencial ) a amplificadores potentes. Los amplificadores EEG modernos tienen impedancias de entrada muy grandes y, por lo tanto, pueden amplificar estas señales débiles. Sin embargo, solo observa la acción masiva de grandes grupos de neuronas, no, por ejemplo, potenciales de acción individuales de células individuales.

A continuación, el análisis de EEG directo es comparativamente poco informativo por muchas razones, incluidas las que menciona: que el cuero cabelludo, el cráneo y el otro tejido intermedio atenúan la señal. Por lo tanto, muy a menudo, se aplica un preprocesamiento extensivo, como el promedio de muchas grabaciones. Sin embargo, al menos dos características ya son visibles en el EEG de vigilia. El primero es la estructura de ley de potencia del espectro de frecuencia (aunque esto se ve reforzado por las características de filtrado del tejido; el tejido filtra las frecuencias más altas más que las bajas). La segunda es la onda alfa, que es un gran patrón de actividad que proviene principalmente de las áreas visuales. Sin embargo, esta es una característica muy tosca; poco nos dice más allá de si el sujeto tiene los ojos abiertos y está atento, o los tiene cerrados/está desatento.

Por último, de hecho, generalmente se supone que las fuentes profundas (como las áreas subcorticales) no son detectadas por el EEG (sino, por ejemplo, por MEG).

Una buena introducción al tema es el libro Electroencefalografía de Niedermeyer y Lopes da Silva.

Respuesta corta
Las pequeñas señales eléctricas de EEG deben amplificarse y reducirse el ruido para que sean detectables. Las técnicas de reducción de ruido incluyen promediado matemático y técnicas de procesamiento de señales como el filtrado.

Antecedentes
La actividad neuronal es eléctrica y genera diferencias de potencial alrededor de cada neurona. Los cambios de potencial generan campos eléctricos . Estos campos eléctricos son los que captan los electrodos de EEG (Fig. 1).

^{Fig. 1. Campo eléctrico generado por una neurona (arriba) y el campo electromagnético correspondiente (abajo). El primero se detecta con EEG, el segundo con MEG. Fuente: Picton (2002)}

Los tejidos intermedios ( duramadre y el cráneo) no son muy conductores y, de hecho, hacen que esos potenciales se debiliten . Peor aún, los campos eléctricos se difunden en su camino hacia el cuero cabelludo, lo que significa que los parches de neuronas adyacentes no se pueden distinguir de manera confiable en el cuero cabelludo. En otras palabras, la resolución espacial del EEG es muy pobre . La pequeña amplitud de los potenciales simplemente necesita amplificación de señal para hacerlos medibles. Sin embargo, como @ user49102 señala muy bien, el ruido de fondo se amplifica con él. Por lo tanto, puede ser necesario el sombrero mágico de un electrofisiólogo para extraer la señal en el cuero cabelludo del ruido mediante el uso de técnicas de reducción de ruido comopromediado y filtrado de señales . Un ejemplo notable en el que se utiliza el promedio de señales es el potencial relacionado con eventos o ERP. Se presenta repetidamente un estímulo (p. ej., un destello de luz) y el EEG cronometrado se mide repetidamente y se promedia fuera de línea. El ruido aleatorio se reduce mediante el proceso de promediación y se pueden extraer respuestas claras de ERP sin necesidad de filtrar mucho. Un ejemplo especializado es el potencial evocado visual o VEP (Fig. 2):

^{VEP. Fuente Creel (2015)}

Su pregunta sobre si las células del cuero cabelludo (células de la piel) tienen sus propias respuestas eléctricas. Bueno, sí y no. Las células de la piel no generan potenciales de acción y solo presentan potenciales de membrana estables. Por lo tanto, si los electrodos los recogen, solo generarán una compensación estable, es decir, un cambio de línea de base. Nada de que preocuparse. Las neuronas presentan diferencias de potencial activo a través de sus potenciales de acción, y eso es lo que se capta: diferencias de voltaje.

La baja resolución espacial y la señal débil significan que no se puede medir la actividad de las neuronas individuales. En cambio, la señal bruta de muchos miles de neuronas se mide colectivamente . A su vez, cuando esas neuronas se disparan al azar, cancelarán las respuestas de las demás y se obtendrá poca señal. Las respuestas más robustas se obtienen cuando el cerebro genera potenciales oscilatorios sincronizados , por ejemplo, durante el sueño de ondas lentas (Roth, 2009) .

Si bien EEG tiene una resolución espacial deficiente de EEG, sobresale en el dominio temporal . Las respuestas de unos pocos milisegundos se pueden medir de forma fiable (Fig. 2). Como comparación, fMRI tiene una resolución temporal del orden de segundos.

<sub>Referencias
- Creel, Potenciales Evocados Visuales , En: Webvision La Organización de la Retina y el Sistema Visual (2015)
- Picton, Int J Bioelectromagnetismo (2002); 4 (2): 225 - 8
- Roth, J Clin Sleep Med (2009); 5 (2 suplementos): S4–S5</sub>