ÖZET
Çalışmanın amacı uyku sırasında uygulanan ağrısız dokunsal uyaranlara karşı beyinde oluşan elektrofizyolojik yanıtları incelemektir.
Çalışmaya 15 sağlıklı gönüllü birey (8 kadın, yaş ortalamaları: 22,13±1,41) katılmıştır. Kayıtlar, NuAmps 40 kanallı kayıt sistemi, pnömatik uyarıcı ünitesi (Somatosensory Stimulus Generator 4-D Neuroimaging), Embedded Microcontroller Stimulation Unit (EMISU), video kayıt sistemi ve analiz bilgisayarı gibi ek teknik donanım kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sabit basınçta (140 kPa) ağrısız uyaranlar sağ el işaret ve orta parmaklarına uygulanmıştır. Parmaklardan birine seyrek uyaran olarak uygulama yapılmıştır (%25). Sürekli elektroensefalografi (EEG), elektrookülografi (EOG), elektromiyografi (EMG) kayıtları Amerikan Uyku Tıbbı Akademisi (AASM) kurallarına göre uyku evrelerine ayrılmıştır. Somatosensoriyel öncelikli alanlar olarak C3 ve C4 elektrotlarında meydana gelen yanıtlar incelenmiştir. İstatistiksel analizlerde bağımlı gruplarda t testi kullanılmıştır.
Yüzeyel ve derin uykuda hem seyrek hem de sık uygulanan uyaranlara karşı N100, P200, N300, P450, N550, P900 ve Ngeç dalga formları açıkça gözlenmiştir. Sağ elde, her iki uyarana karşı elde edilen yanıtlar birbirine benzer olarak bulunmuştur.
Uykuda beyin yanıtlılığı sürmekte ancak elektrofizyolojik yanıt paterni değişiklik göstermektedir. Ayrıca, uykuda yönlendirilmiş dikkat, uyaran ayırt etme, çalışan bellek gibi süreçlerin istemli olarak kullanılamaması her iki uyarana karşı olan yanıtın birbirine benzer olmasına neden olmaktadır.
Giriş
Tarih boyunca uyku ile ilgili çalışmalara rastlamak mümkündür. Richard Caton’ın tavşan beyninde elektriksel ritimlerin varlığını göstermesinden sonra Hans Berger insan beyninde yaptığı çalışmalar ile uyku ve uyanıklık arasındaki farkları göstermiştir. 1938 yılında Loomis ve ark.’nın yaptıkları çalışmalar ile polisomnografinin (PSG) temeli atılmıştır (1).
PSG ile uykuda meydana gelen fizyolojik, psikolojik, patolojik değişiklikleri ve uykunun yapısını araştırmak mümkündür. PSG’de elektroensefalografi (EEG), elektrookülografi (EOG) ve elektromiyografi (EMG) uyku evrelerinin belirlenmesinde kullanılan temel bileşenlerdir. Bu bileşenlerin dışında solunumsal parametreler, kan basıncı, horlama, vücut pozisyonu gibi parametreler ise uyku bozukluklarının tanımlanmasında kullanılmaktadır (2). PSG sistemi ile alınan kayıtlar standart uyku skorlama yöntemi ile evrelere ayrılır. Günümüzde uyku evrelerini belirlemede Amerikan Uyku Tıbbı Akademisi (AASM, American Academy of Sleep Medicine) kuralları kullanılmaktadır (3).
Uyanıklık, uyku, koma, anestezi gibi farklı bilinç durumlarında beynin kendiliğinden (spontan) gelişen elektriksel etkinlikleri elektroensefalografi ile takip edilebilir. Beynin Etiği kitabında doğum, fetusun 5-6 haftalık döneminde (40-43 gün) beynin ilk elektriksel aktivitesinin saptanmasıyla tanımlanırken; ölüm ise tüm dünyada beynin elektriksel aktivitesinin durması ile tanımlanmaktadır (4).
Beyin dinamik çalışan ve iç, dış uyaranlarla uyarılabilir bir organdır. Beynin işlerliğini anlamak için beş duyuya ait uyaranlarla bilişsel işlevleri ölçmeye ait deney desenleri ile elektrofizyolojik yanıtlardaki değişim incelenebilir. En sık kullanılan deney desenleri uyarılma potansiyelleri ve olay ilişkili potansiyellerdir. Olay ilişkili potansiyellerden en sık kullanılan ise seyrek uyaran deney desenidir (5). Dokunsal uyaranlar ile yapılan çalışmalar daha çok ağrılı uyaranlar, laser uyaranı veya vibrasyondan oluşmaktadır (6,7).
Uyanık süreçlerde uygulanarak temel veri gruplarının oluştuğu ve klasik kullanımda olan bu ölçümlerin uyku, anestezi altında beyin, koma vb. farklı bilinç durumlarında kullanılması ile beynin bilgi işlemleme araştırmaları son yıllarda hız kazanmıştır. Uyku sırasında beynin dış dünya ile iletişiminin kesilmediği ve uyanıklıktan farklı olarak işlendiği bilinmektedir (8). Literatürde uykuda bilgi işlemleme ile yapılan çalışmalarda genellikle uyarılma potansiyelleri ve olay ilişkili potansiyeller kullanılmakta ve uyku sırasında uyaranlara verilen beyin yanıtları temel alınarak incelenmektedir.
Bu çalışmada amaç; uyku süreçlerinde seyrek uyaran deney desenine karşı beyin yanıtlarının incelenmesidir.
Gereç ve Yöntem
Çalışma için Dokuz Eylül Üniversitesi Girişimsel Olmayan Araştırmalar Etik Kurulu’ndan izin alınmıştır. Çalışmaya sağ eli baskın 15 sağlıklı gönüllü (8 kadın, yaş ortalaması: 22,13±1,41) katılmıştır. Katılımcılar Dokuz Eylül Üniversitesi Tıp Fakültesi, Biyofizik Anabilim Dalı, Uyku Dinamiği Araştırma Laboratuvarı’nda bir gece uyumuşlardır ve ilk gece kayıtlarıdır. Gönüllülere uygulanan testler; Edinburgh El Tercihi Testi, uyku kalitelerini ve gündüz aşırı uykululuk durumlarını değerlendirmek için ise Pittsburgh Uyku Kalite İndeksi (PUKİ), Epworth Uyku Skalası, ruhsal açıdan çalışmaya katılmalarına engel olabilecek sorunları belirlemek amacıyla STAI Form TX-1 (Anlık Anksiyete Ölçeği) ve SCL-90R (Belirti Tarama) testleri uygulanmıştır. Herhangi bir nörolojik, psikiyatrik, kronik ve uyku bozukluğu tanısı alan bireyler çalışmadan dışlanmıştır.
Katılımcılar elektromanyetik dalga ve sesten yalıtılmış özel bir odada uyumuşlardır. Kayıt sırasında oda, katılımcıların bilgisi ve izni dahilinde kamera ile izlenmiştir.
Kayıtlar, NuAmps 40 kanallı kayıt sistemi, gömülü mikrokontrollü uyarı ünitesi (Embedded Microcontroller Stimulation Unit-EMISU), pnömatik uyarıcı ünitesi (Somatosensory Stimulus Generator 4-D Neuroimaging), video kayıt sistemi ve EEG bonesi, analiz bilgisayarı gibi ek teknik donanım kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Katılımcıların kafalarına uygun büyüklükteki EEG kepi (Quick Cap, Neuromedical Supplies) kullanılmış ve uluslararası Jasper 10-20 sistemine göre bireylerin kafalarına yerleştirilmiştir. Kepte bulunan elektrotlar ile saçlı deri arasındaki iletkenliği sağlamak için elektrojel (ECI Electro-Gel, ElectroCap International, Inc., ABD) kullanılmıştır. EEG elektrotları kulak memelerine takılan elektrotlar ile referanslanmıştır [(A1+A2)/2]. Kayıt sırasında elektrotların empedansları ortalama 5 kOhm civarında tutulmuştur. Sürekli EEG kaydı 1 kHz’lik örneklem hızı ile alınmıştır.
Ağrısız dokunsal uyaranlar için pnömatik uyarıcı ünitesi (4-D Neuroimaging Somatosensory Stimulus Generator) kullanılmıştır. Uyaranların uygulanabilmesi için parmağa temas yüzeyinde ortalama 8-9 mm çapında hareketli zar bulunan klipsler kullanılmıştır. Bu zar katılımcıların sağ el işaret ve orta parmak pulpalarına gelecek şekilde yerleştirilmiştir. Klipsler izole oda dışında bulunan pnömatik uyarıcı ünitesine, ünite ise kuru hava tüpüne bağlıdır. MATLAB programında hazırlanmış deney desenine göre katılımcılara ağrısız dokunsal uyaranlar uygulanmıştır. Çalışmada seyrek uyaran deney deseni kullanılmıştır. Katılımcılara her bir blokta 120 uyaran gönderilmiştir ve blok gece boyunca tekrarlanmıştır. Uyaranlar ileti yollarının aynı olması nedeniyle el işaret ve orta parmağına uygulanmıştır. Uyaranların %25’i seyrek uyaran olarak bir parmağa, %75’i sık uyaran olarak diğer parmağa uygulanmıştır. Uyaranlar arası süre (ISI) 3-3,5 saniye olarak seçkisiz şekilde düzenlenmiştir (Şekil 1).
EEG kayıtları kayıt sonrası değerlendirilmiştir. Uyku kayıtlarının skorlaması uluslararası Amerikan Uyku Tıbbı Akademisi (AASM, American Academy of Sleep Medicine) kurallarına göre yapılmıştır. Otuz saniyelik zaman dilimleri göz ile tek tek incelenmiş ve evreler belirlenmiştir. N1 ve N2 yüzeyel uyku, N3 ise derin uyku olarak değerlendirilmiştir. Evreleme işleminden sonra evrelere denk gelen seyrek ve sık uyaranlar ayrılmıştır. Her bir uyku evresi için uyaran öncesi 500 ms ve uyaran sonrası 2000 ms’lik kısmı içine alan süpürümler oluşturulmuştur. Söz konusu süpürümlerde EOG kanalında genliği ±100 µV’dan yüksek genliğe sahip sinyaller ayıklanmıştır. Bütün katılımcılar için elde edilen kayıtlar yatay eksen temel alınarak düzeltilmiş ve 0,5-30 Hz bant geçiren filtre ile filtrelenmiştir. Daha sonra her bir katılımcı ve uyku evresi için ortalama dosyaları oluşturulmuştur. On beş katılımcıya ait seyrek ve sık uyaranlara ait grup ortalamaları ayrıca oluşturulmuştur. Elektrofizyolojik yanıtların genliklerinin ölçümünde 0-2000 ms arasındaki en büyük genlikli yanıtlar μV cinsinden ölçülmüş ve değerlendirilmiştir.
İstatistiksel analizlerde SPSS 16 programı, bağımlı gruplarda t testi kullanılmıştır. Kayıtlar kafa üzerinde 40 kanaldan alınmıştır. Ancak ağrısız dokunsal uyaranlar açısından öncelikli alanlar olan C3 ve C4 elektrotlarına ait olay ilişkili potansiyeller incelenmiştir.
Bulgular
Çalışmada tüm gece uyku kayıtları elde edilmiştir. Ortalama uyku süresi yedi buçuk saat olup, en kısa kayıt süresi altı, en uzun kayıt süresi sekiz saattir. Sağ ele uygulanan seyrek ve sık uyaranlara karşı oluşan yanıtların genlik değerleri yüzeyel ve derin uykuda kendi içinde incelenmiştir. Oluşan elektrofizyolojik beyin yanıtlarında yedi bileşen belirgin olarak ortaya çıkmıştır. Bu bileşenler; N100, P200, N300, P450, N550, P900 ve Ngeç’tir (Şekil 2).
a) Yüzeyel Uyku
b) Derin Uyku
Tartışma
Literatürde uyanıklık sürecinde seyrek uyaran deney deseninin kullanıldığı çalışmalarda görülen P300 bileşeninin uyku başlangıcı ile kaybolduğu ve yerine NREM’de yerini uykuya özel bileşenler olan P220, N350, P450, N550 ve P900’a bıraktığı bildirilmiştir (9-11). Çalışmada literatür ile uyumlu beyin yanıtları gözlenmiştir. Uyku sürecinde beyin dinamiklerinde meydana gelen değişikliklerin uyanıklıktaki ile aynı olmadığı, beyin ile dış çevre arasındaki fonksiyonel kopukluklar ile ilgili farklı teorilerin ileri sürüldüğü bildirilmiştir (12). Uykuda, duyusal uyaranlara karşı farklılıkların oluşma nedeni olarak, uyaranlara ilgi ve dikkatin uykuda tam olarak ayrılamaması gösterilmiştir (13,14). Aynı uyaranın tekrar tekrar uygulandığı çalışmada N1 yanıtının genliğinde azalma olduğu gösterilmiştir (14). Magnetoensefalografi (MEG) ile yapılan bir çalışmada ise N100 bileşenin işitsel uyaranlara özel karakteristik kodlama ile ilgili olduğu iddia edilmiştir (15). Uyku iğciklerinin bulunduğu Evre 2’de N100 genliğinin küçüldüğü de belirtilmiştir (16).
P200 bileşenin yavaş dalga uykusu sırasında diğer evrelere göre daha büyük olduğu gösterilmiş ve altında yatan mekanizmanın uykunun derinleşmesi ile arttığı yorumu yapılmıştır (17,18). P220 genliğinin gece boyunca stabil bir halde görüldüğü belirtilmiştir (19). Literatürde seyrek uyaran deney deseninin kullanıldığı çalışmalarda, bu yanıtın hedef olmayan işitsel uyaranlara karşı daha zayıf olarak ortaya çıktığı, hedef uyaranlara karşı ise daha büyük genlikli elde edildiği bildirilmiştir. Hedef olmayan uyaranlara karşı daha zayıf P200 elde edilmesinin nedeni olarak, aynı uyaranın kısa aralıklarla ve sıkça tekrarlanması olabileceği bildirilmiştir (20). Çalışmada seyrek ve sık uyaranlara karşı oluşan P200 yanıtının genliğinde anlamlı farklılık bulunmamıştır.
Olay ilişkili potansiyel çalışmalarında Evre 1, Evre 2 ve yavaş dalga uykusunda iki negatif bileşen olan N300 ve N550 bileşenleri kayıt edilmiştir (21). N300 yanıtı uyaranın anlamsal içeriği ile ilişkili bulunurken, N550 yanıtı ise uyaranın fiziksel özelliği ile ilişkili bulunmuştur (22). Uyku yoksunluğu sonrasında yapılan bir çalışmada N300, N550 bileşenlerinin genliklerinin arttığı gösterilmiştir. Bu nedenle bu dalga formlarındaki genlik artışının, baskılayıcı süreçleri yansıtıyor olabileceği yorumu yapılmıştır (23). N300 bileşeninin uyaranın özelliklerine ve yoğunluğuna duyarlı olduğu ileri sürülmüştür (24). Katılımcılara kendi isimlerinin ve diğer kelimelerin olduğu deney deseninde NREM’de N350 ve N550 yanıtlarının hedef uyaranlarda hedef olmayan uyaranlardan büyük bulunmuştur. Bu sonuç uykuda uyaranları tanıma kapasitesini içerdiğinin kanıtı olarak gösterilmiştir (25).
N550 yanıtı K-komplekslerinin negatif bileşeni olarak kabul edilmiştir. Bunun nedeni olarak da K-kompleksleri ortalamadan çıkarıldığında bu bileşenin büyük ölçüde küçüldüğü ya da yok olduğu belirtilmiştir (26,27). N550 yanıtının, K-komplekslerinin negatif bileşeni ile ilişkili olduğu ve K komplekslerinin de özellikle yavaş dalga uykusu öncesinde sıklaştığı bildirilmiştir (28). Bazı çalışmalarda kısa ISI sürelerinde K-komplekslerinin ortaya çıkmadığı gösterilmiştir (29,30). Uyaranlar arası süre kısa olduğunda N550 genliğinin zayıfladığı ve 1,5 saniyelik uyaranlar arası süre ile N550 yanıtının ortaya çıkmadığı belirtilmiştir (31). N550 bileşenlerinin K-kompleksleri ile bağlantılı olduğunu ileri sürmüşlerdir (32). N550’nin uyaranın miktarı ile ilgili olduğu ileri sürülmüştür (33). Yavaş dalga uykusunda ve Evre 2’de N550 bileşeninde farklılıklar olduğu bildirilmiş ve farklı kaynaklar ile farklı yollar izlendiği, farklı aktivitelerin yansıtıldığı ileri sürülmüştür (34).
P450 bileşeninin, N550 yanıtı varlığında görüldüğü bildirilmiştir (35). Başka bir çalışmada P450 yanıtının kararlı bir bileşen olmadığı, N350 ve N550 arasında basitçe bulunduğu, N550 yanıtı net bir şekilde ortaya çıkmadığında P450 yanıtının da görülmediği belirtilmiştir (18). P450 bileşeni genliğinin uyaran özeliklerinden ve dikkatten etkilendiği gösterilmiştir (35). P450 bileşeni genliğinin uyaran özeliklerinden ve dikkatten etkilenmediği gösterilmiştir (11,36). Evre 1 ve Evre 2’de uyarandan 400 ms sonra ortaya çıkan pozitif bileşenin (P450) uyanıklıktaki P300 olduğu ileri sürülmüştür (35). NREM’de P300 bileşeninin olamayacağını öne sürülmüştür. P450, K-kompleksinin bileşeni olarak kabul edilmiştir (37).
N550 ve P900 bileşenlerinin benzer topografik dağılıma sahip olduğu gösterilmiştir (38,39). N550 ve P900 bileşenlerinin topografik dağılımları ile ilgili çalışmada bu bileşenlerin farklı evrelerde farklı desenlere sahip olduğu gösterilmiş ve bu bileşenlerin farklı kaynaklara sahip olduğu iddia edilmiştir. P900 genliğinin uyku derinleştikçe arttığı raporlanmıştır (34).
Ağrısız dokunsal uyaranlar ile yapılan çalışmada farklı frekans bantlarında yanıtlar incelenmiştir (5). Delta frekans bandında (0,5-3,5 Hz) hedef ve hedef olmayan uyaranlar arasında anlamlı farklılık olduğu, ancak teta frekans bandında (4-7 Hz) hedef ve hedef olmayan uyaranlara karşı oluşan yanıtlar arasında anlamlı farklılık olmadığı belirtilmiştir. Aynı çalışmada santral bölgede meydana gelen yanıtların en büyük genliğe sahip olduğu, santral ve frontal bölgelerde meydana gelen yanıtların genliklerinin oksipital, pariyetal ve temporal bölgelerde meydana gelen yanıtların genliklerinden daha büyük olduğu öne sürülmüştür (40).
Erken latanslı somatosensoriyel uyarılma potansiyellerine karşı oluşan yanıtların ve olay ilişkili potansiyel uyaranlarına karşı oluşan yanıtların bilişsel işlemlemeyi yansıttığı belirtilmiştir (41).
Uyanıklık ve uykuda katılımcıların sol işaret parmağına ağrılı (14-16 mA) ve ağrısız (3-4 mA) uyaranların uygulandığı çalışmada N20, P30, N130, P240 bileşenleri incelenmiştir. N130 ve P240 bileşenlerinin sadece ağrılı uyaranlara uygulandığında görüldüğü ve uyku sırasında genliklerinde küçülme olduğu gösterilmiştir. N20 ve P30 bileşenlerinin ise uyaranın özelliğinden etkilenmediği uyku ve uyanıklıkta genlikleri arasında fark olmadığı belirtilmiştir (42).
Elektriksel uyaranın uygulandığı bir çalışmada uyku ve uyanıklık süreçleri incelenmiştir. Uyanıklıkta iki farklı oturum yapılmış ve bir oturumda katılımcıların uyaranları saymaları istenirken diğer oturumda uyaranlara dikkat etmemeleri istenmiştir. Söz konusu iki oturumda iki hemisferde benzer sonuçlara ulaşıldığı ve dikkat koşulunda diğer koşula göre yanıtların ortaya çıkma sürelerinde anlamlı farklılık olduğu öne sürülmüştür. Uyku sürecinde kontrol grubunun yanıtlarının ortaya çıkma sürelerinin diğer gruba göre daha erken olduğu ve ağrı bileşeni ile uyku sırasında kortikal aktivasyonun önemli derecede azaldığı bulunmuştur (43).
Yüksek ve düşük tonların uygulandığı bir çalışmada bir gruptan uyumadan önce hedef seslerde ellerini kaldırmaları istenirken, diğer grubun ise sesleri sadece dinlemeleri istenmiştir. Bu çalışmada Evre 1’in başlarında hedef uyaranlara karşı oluşan yanıtlarda P300 bileşeni görülürken Evre 2’de görülmediği belirtilmiştir (11).
Literatürde bazı olay ilişkili potansiyel çalışmalarında Evre 1 dışında P300 bileşeni gösterilememiştir (44,45). Bastuji ve ark. yaptıkları bir çalışmada Evre 1’de P300 olduğunu ileri sürmüşlerdir (43). Sıklığı ve yoğunluğu çok farklı iki uyaran tipiyle yapılan bir çalışmada uyanıklıktaki P300 bileşeninin zayıflamış halde Evre 2’de görüldüğü belirtilmiştir (45).
Sonuç
Dokunsal olay ilişkili potansiyel uyaranlarına karşı oluşan yanıtlar tüm kafada yaygın bir şekilde gözlenmiştir. Uykuda beyin yanıtlılığı sürmekte ancak elektrofizyolojik yanıtların oluşum biçimleri değişiklik göstermektedir. Ayrıca, uykuda yönlendirilmiş dikkat, uyaran ayırt etme, çalışan bellek gibi süreçlerin istemli olarak kullanılamaması seyrek ve sık uyaranlara karşı olan yanıtların birbirine benzer olmasına neden olmaktadır.
Teşekkür
Yazarlar, deney deseninin hazırlanmasındaki katkılarından ötürü Çağdaş Güdücü ve Uğraş Erdoğan’a, kayıtların alınmasındaki desteklerinden ötürü Ecem Olçum’a, Merve Tetik’e ve Ö. Tuğçe Bezircioğlu’na teşekkür etmektedirler.
