Nghiên cứu thiết bị thu nhận và xử lý sóng điện não

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------BÙI TIẾN DŨNG

Bùi Tiến Dũng

KỸ THUẬT Y SINH

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ THU NHẬN VÀ XỬ LÝ SÓNG ĐIỆN NÃO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT Y SINH

KHÓA 2009

Hà Nội – 2011


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các từ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
Chương I NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ SÓNG ĐIỆN NÃO ............................. 4
1.1 Sơ lược về lịch sử của máy điện não ...................................................................... 4
1.2 Khái niệm về điện sinh lý não. ............................................................................... 5
1.3 Điện sinh học tế bào ............................................................................................... 6
1.4 Hoạt động sinh lý của Neuron ................................................................................ 8

1.4.1Tín hiệu thần kinh.............................................................................................. 9
1.4.2 Hưng phấn và ức chế ...................................................................................... 11
1.4.3 Điện thế màng và hoạt động hóa học ............................................................. 12
1.4.4 Điện thế sau khớp thần kinh ........................................................................... 13
1.4.5 Dòng hoạt động .............................................................................................. 14
1.4.6 Nguồn gốc của nhịp vỏ não ............................................................................ 14
1.5 Hệ thống lưới ở thân não ...................................................................................... 16
1.5.1 Con đường một chiều (sens unique) hay con đường độc nhất ....................... 16
1.5.2 Nhiều con đường (sens multiple) hay con đường có nhiều hướng ................ 17
1.5.3 Hệ thống lưới xuống ....................................................................................... 18
1.6 Hoạt động của tín hiệu điện não ........................................................................... 19
1.7 Chết não ................................................................................................................ 22
1.7.1 Chết não và cái chết của con người ................................................................ 22
1.7.2 Tiêu chuẩn để chẩn đoán chết não ................................................................. 23
1.7.3 Thực trạng chẩn đoán chết não Việt nam ....................................................... 25
Chương 2 CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ THU NHẬN VÀ XỬ LÝ SÓNG ĐIỆN NÃO ....... 29
2.1 Sơ đồ chung của một thiết bị thu sóng điện não ................................................... 29
2.2 Bộ khuếch đại vi sai .............................................................................................. 30
2.2.1 Bộ khuếch đại vi sai một chiều ...................................................................... 30
2.2.2 Bộ khuếch đại INA ......................................................................................... 32
2.3 Mạch lọc tích cực .................................................................................................. 35
2.3.2 Mạch lọc thông thấp ....................................................................................... 41
2.3.2 Mạch lọc thông cao ........................................................................................ 44


2.3.3 Mạch lọc triệt dải (Notch Fillters) .................................................................. 45
2.4 Cở sở thiết kế khối DRL (Driver Right Leg)........................................................ 48
2.5 Khối ghi và hiển thị tín hiệu ................................................................................. 50
2.6 Cơ sở thiết kế mạch biến đổi tương tự số ............................................................. 51
2.7 Cơ sở thiết kế một số mạch khác .......................................................................... 52

2.7.1 Mạch bảo vệ đầu vào ...................................................................................... 52
2.7.2 Mạch cách ly .................................................................................................. 53
2.7.3 Mạch nguồn cung cấp..................................................................................... 55
CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU NHẬN VÀ XỬ LÝ
SÓNG ĐIỆN NÃO ......................................................................................................... 58
3.1 Tổng quan ............................................................................................................. 58
3.2 Sơ đồ khối thiết bị thu sóng điện não ................................................................... 59
3.3 Tính tốn thiết kế các khối.................................................................................... 61
3.3.1 Mạch bảo vệ ................................................................................................... 61
3.3.2 Các bộ khuếch đại .......................................................................................... 61
3.3.3 Bộ lọc ................................................................................................................. 62
3.3.3 Thiết kế mạch DRL ........................................................................................ 64
3.3.4 Ghép nối máy tính .......................................................................................... 64
3.3.5 Bộ Vi xử lý ..................................................................................................... 65
3.3.6 Mạch nguồn .................................................................................................... 68
Chương 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA THIẾT BỊ ............... 73
4.1 Xác định trở kháng vào ......................................................................................... 73
4.2 Dòng xuyên qua bệnh nhân .................................................................................. 75
4.3 Hệ số nén tín hiệu đồng pha ................................................................................. 76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 80
Phụ lục: MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ THIẾT BỊ .............................................................. 81

 
 


LỜI CAM ĐOAN
 
 Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung đã được đề cập trong luận văn được viết dựa

trên kết quả nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Đức
Thuận. Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ nguồn và sử
dụng đúng luật bản quyền quy định.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung của cuốn luận văn.
Học viên

Bùi Tiến Dũng
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
EEG

Điện não đồ

DRL

Mạch phản hồi về chân phải

MFTD

Bộ lọc thời gian trễ phẳng cực đại

INA

Bộ khuếch đại đo

CMRR

Hệ số nén tín hiệu đồng pha


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
 

Hình 1.1 Các điện thế trên neuron. .................................................................................. 8
Hình 1.2 Cấu tạo của neuron ............................................................................................ 9
Hình 1.3 Sơ đồ khử cực lan truyền gây nên điện thế và dòng hoạt động tại chỗ .......... 10
Hình 1.4 Điều kiện neuron dẫn truyền tín hiệu .............................................................. 10
Hình 1.5 Mẫu của khớp thần kinh loại hoạt động và kích thích. ................................... 11
Hình 1.6 Cấu trúc của khớp thần kinh ........................................................................... 11
Hình 1.7 Cấu trúc của một neuron vận động gồm các đuôi gai và sợi trục ................... 12
Hình 1.8 Điện thế màng ghi liên tục trong quá trình vi điện cực vào và
ra khỏi màng ................................................................................................................... 13
Hình 1.9 Biểu đồ trình bày dịng K+ và Na+ xun qua bề mặt của màng
neuron trong trạng thái nghỉ ........................................................................................... 13

Hình 1.10 Điện thế sau khớp là hiện tượng chậm .......................................................... 14
Hình 1.11 Biểu đồ diễn tả tồn bộ hiện tượng lý hóa trong q trình dẫn
truyền các xung động của một sợi trục .......................................................................... 14
Hình 1.12 Cơ chế của sự tạo nhịp .................................................................................. 15
Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống lưới phát động lên vỏ não qua đồi thị .................................. 16
Hình 1.14 Sơ đồ sự hoạt động các hệ thống các con đường .......................................... 17
Hình 1.15 Sơ đồ các đường cắt trên vật thí nghiệm trong nghiên cứu cơ
chế của giấc ngủ ............................................................................................................. 19
Hình 1.16 Các dạng sóng não cơ bản ............................................................................. 20
Hình 2.1 Sơ đồ khối cơ bản của máy ghi tín hiệu sóng não .......................................... 29
Hình 2.2 Sơ đồ mạng Wilson ......................................................................................... 30
Hình 2.3 Bộ khuếch đại vi sai ........................................................................................ 30
Hình 2.4 Sơ đồ chi tiết của bộ khuếch đại đầu vào vi sai .............................................. 31
Hình 2.5 Bộ khuếch đại đo ............................................................................................. 33
Hình 2.6 Dạng lý tưởng của đáp tuyến biên độ đối với các bộ lọc ................................ 37
Hình 2.7 Đáp tuyến biên dạng điển hình của bộ lọc thơng thấp thực tế ........................ 37
Hình 2.8 Đáp tuyến biên độ thực và cách xác định tần số cắt, dải thông, dải
triệt đối với các bộ lọc thông thấp, thơng cao, thơng dải và triệt dải. ............................ 38
Hình 2.9 Dạng cơ bản của đáp tuyến biên độ bộ lọc Butterworth và Chebyshev ......... 39
Hình 2.10 Dạng tổng quát đáp tuyến biên độ của bộ lọc thời gian trễ phẳng cực đại ... 40
Hình 2.11 Bộ lọc thơng thấp 1 cực ................................................................................ 41
Hình 2.12 Đáp tuyến biên độ tần số ở ví dụ 2-11 .......................................................... 42


Hình 2.13 Mạch lọc thơng thấp dùng hồi tiếp âm .......................................................... 42
Hình 2.15 Mạch lọc thơng thấp 3 cực ............................................................................ 44
Hình 2.16 Mạch lọc thơng cao đối với loại 1 cực, 2 cực và 3 cực................................. 44
Hình 2.17 Mạch lọc triệt dải .......................................................................................... 46
Hình 2.18 Sơ đồ mạch lọc triệt dải. ............................................................................... 46
Hình 2.19 Mạch lọc triệt dải dùng nhiều vịng hồi tiếp. ................................................ 47

Hình 2.20 Sơ đồ mạch cầu T-kép................................................................................... 48
Hình 2.21 Mạch lọc triệt dải dùng cầu T-kép ................................................................ 48
Hình 2.22 Sơ đồ mạch DRL ........................................................................................... 50
Hình 2.23 Sơ đồ khối hiển thị tín hiệu trên máy tính..................................................... 50
Hình 2.24 Sơ đồ khối của hệ biến đổi tương tự - số ...................................................... 51
Hình 2.25 Sơ đồ mạch bảo vệ đầu vào........................................................................... 53
Hình 2.26 Sơ đồ cách ly quang dùng LED và photodiode ............................................ 54
Hình 2.27 Sơ đồ mơ tả mạch cách ly dùng biến áp........................................................ 55
Hình 2.28 Sơ đồ khối nguồn .......................................................................................... 56
Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị thu sóng điện não .............................................................. 59
Hình 3.2 Sơ đồ mạch bảo vệ .......................................................................................... 61
Hình 3.3 Sơ đồ tầng khuếch đại đầu vào INA ............................................................... 62
Hình 3.4 Sơ đồ tầng khuếch đại thứ 2 ............................................................................ 62
Hình 3.5 Sơ đồ mạch bộ lọc ........................................................................................... 63
Hình 3.6 Đáp tuyến biên độ ........................................................................................... 63
Hình 3.7 Đáp tuyến pha của bộ lọc ................................................................................ 63
Hình 3.8 Sơ đồ mạch DRL ............................................................................................. 64
Hình 3.9 Sơ đồ mạch ghép nối máy tính và cách ly ...................................................... 64
Hình 3.10 Sơ đồ mạch vi điều khiển .............................................................................. 68
Hình 3.11 Sơ đồ mạch nguồn ....………………………………………………………71
Hình 4.1 Sơ đồ mạch điện xác định trở kháng đầu vào ................................................. 74
Hình 4.2 Sơ đồ xác định dịng điện qua bệnh nhân ....................................................... 75
Hình B1. Mặt trước của thiết bị ..................................................................................... 81
Hình B2. Mặt sau của thiết bị......................................................................................... 81
Hình B3. Mạch tương tự ................................................................................................ 82
Hình B4. Mạch số ......................................................................................................... 82
 


MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ
thuật, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực y học và sinh học
khơng ngừng tăng trưởng. Q trình này dẫn đến xuất hiện một ngành kỹ thuật vô cùng
mới mẻ tại Việt nam đó là ngành Kỹ thuật y sinh. Trên thế giới ngành này đã được phát
triển từ rất lâu và đã phát triển lớn mạnh, nó đóng một vai trị hết sức quan trọng trong
việc nghiên cứu ứng dụng khoa học kỹ thuật phục vụ chăm sóc sức khỏe con người. Ở
nước ta ngành Kỹ thuật y sinh đã có những bước phát triển ban đầu và đang được đầu
tư thỏa đáng để phát triển nhanh bắt kịp với yêu cầu thực tế đặt ra.
Đối với người phương đông, cái chết là phần hồn bước sang cõi âm, một thế giới
bên kia thần bí xa lạ nhưng vẫn có liên hệ với thế giới lồi người, cịn phần xác cịn lại
được trơn cất để trở về với đất. Để chẩn đoán là một người đã chết, trước đây các bác sĩ
căn cứ vào các triệu chứng là ít nhất cả ba cơ quan não, tim mạch, hô hấp ngừng hoạt
động. Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và các tiến bộ trong y, con
người có điều kiện để tìm hiểu sâu sắc hơn danh giới giữa sự sống và cái chết. Các căn
cứ để đưa ra quyết định là chết trước đây trở nên mong manh. Từ sự sống chuyển sang
cái chết là một q trình động và khơng phải chỉ diễn ra trong khoảnh khắc, nhất là
trong điều kiện sự phát triển vượt bậc của Y học như ngày nay. Bệnh nhân luôn được
sự trợ giúp của rất nhiều loại thuốc men và máy móc hỗ trợ. Do đó rất khó quả quyết
rằng lúc nào sự sống chấm dứt và bệnh nhân bắt đầu chết?
Nói chung, tiêu chuẩn chết não trong việc xác nhận sự chết của một người là kết
quả tất yếu của sự phát triển về khoa học kỹ thuật, chính xác hơn là một tiến bộ trong
chẩn đốn về cái chết.
Tuy nhiên các máy điện não sử dụng trong nước hiện nay đều phải nhập ngoại
với giá thành rất cao và chỉ được trang bị ở các bệnh viện tuyến trung ương, việc chẩn
đoán bệnh nhân chết não tại các bệnh viện tuyến dưới hầu như vẫn ấp dụng theo các
tiêu chuẩn trước kia. Điều này có thể gây ra quyết định thiếu chính xác của các bác sĩ,

1 
 

gia đinh bệnh nhân vẫn phải trả tiền cho các dịch vụ y tế tốn kém hoặc gây ra hiện
tượng quá tải ở các bệnh viện tuyến sau và trong một số trường hợp không thể cung
cấp nguồn tạng cho ngành ghép tạng Việt nam đang thiếu trầm trọng nguồn tạng như
hiện nay. Vì vậy, với mục đích để tạo ra một công cụ cận lâm sàng giúp bác sĩ chẩn
đốn chính xác với giá thành rẻ phù hợp với việc chẩn đốn chết não ở tuyến huyện tơi
đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết bị thu nhận và xử lý sóng điện não”. Tồn
bộ luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Những kiến thức cơ bản về sóng điện não
Chương 2: Cơ sở thiết kế thiết bị thu nhận và xử lý sóng điện não.
Chương 3: Tính tốn thiết kế thiết bị thu nhận và xử lý sóng điện não.
Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá độ tin cậy của thiết bị.
Mục tiêu đặt ra là thiết kế thiết bị thu nhận và xử lý được tín hiệu sóng điện não
có thể đo được sự thay đổi điện thế của trường điện được tạo ra bởi các tế bào thần
kinh trong não người. Một tín hiệu điện não đồ bao gồm rất nhiều sóng hình sin liên
tục khác nhau. Những sóng này được nhận biết thơng qua các thành phần tần số chính
và nó thể hiện cho các trạng thái khác nhau của cơ thể như sóng beta (15-30Hz), alpha
(9-14Hz), theta (4-8Hz), delta (1-3Hz). Vì vậy yêu cầu quan trọng nhất của thiết bị là
phải phát điện được các sóng trong dải tần này.
Tín hiệu sóng điện não được tạo ra trên da dầu có biên độ rất nhỏ, biên độ đỉnh –
đỉnh trung bình khoảng 50µV, vì vậy địi hỏi phải khuếch đại khoảng 100dB để có thể
tạo ra tín hiệu nhìn thấy bằng mắt. Thiết bị cũng địi hỏi có khả năng lọc được các
thành phần tần số không mong muốn. Thông thường thiết bị phải sử dụng tất cả các bộ
lọc thông thấp, thông cao hoặc các bộ lọc dải hẹp để loại bỏ nhiễu được tạo ra từ sự
chuyển động của cơ hoặc các yếu tố sinh lý khác, đồng thời loại bỏ được nhiễu từ
nguồn điện lưới (50Hz). Khi đo, ta đặt các điện cực trên da đầu bệnh nhân vì tín hiệu
rất nhỏ nên điện cực thường được làm bằng các vật liệu có độ dẫn tốt như vàng, bạc,
AgCl,… và có thể dùng thêm gel để làm giảm điện trở tiếp xúc.

2 

 


Như vậy, mục tiêu quan trọng nhất mà thiết bị cần đạt được là thu nhận được các
sóng điện não. Qua phân tích các máy điện não hiện đại đang được sử dụng hiện nay,
cùng với tham khảo các nghiên cứu tương tự khác của các nước để đi đến quyết định
sử dụng bộ khuếch đại đầu vào kiểu vi sai (khuếch đại đo) và sử dụng khâu lọc thông
thấp butterworth bậc 3. Sau khi thiết kế chế thử, thiết bị đã đạt được yêu cầu đề ra của
đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Đức Thuận, tập thể các thầy cô
tại khoa Điện tử Viễn thông – Đại học Bách khoa Hà nội và các đồng nghiệp đã giúp
tơi hồn thiện luận văn này.

3 
 


Chương I
NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ SÓNG ĐIỆN NÃO
Điện não đồ là ghi các hoạt động sinh học của tế bào não riêng biệt hay một tập
hợp tế bào não truyền dẫn trực tiếp hoặc gián tiếp qua vỏ não và da đầu. Hình ảnh điện
não ghi được bằng máy điện não phản ánh chức năng sinh lý, bệnh lý của một vùng
bán cầu hoặc toàn bộ não liên quan với các triệu trứng lâm sàng, bổ sung cho chẩn
đoán và theo dõi bệnh.
1.1 Sơ lược về lịch sử của máy điện não
Carlo Matteucci (1811-1868) và Emil Du Toi – Reymond (1818-1896) phát hiện
và ghi được dòng điện não ếch đã mở ra cơ sở nghiên cứu điện sinh lý của hệ thần
kinh.
Richard Carton (1842-1926) ghi được dòng điện ở bán cầu não của khỉ và thỏ. Từ
đó có rất nhiều tác giả nghiên cứu thực nghiệm ở Châu Âu về hoạt động của não.

Hand Berger (1873-1941) ghi điện não thành công vào ngày 6/7/1942 ở bệnh
nhân nhân nam 17 tuổi có ở bán cầu trái bằng điện cực trực tiếp qua lỗ khoan sọ. Từ
năm 1924 đến 1983 với 14 cơng trình, trong đó 5 cơng trình có giá trị của ông được
công bố bao gồm điện não đồ sinh lý và bệnh lý ở người.
Gibbs (1933) đã đề xuất điện não đồ lâm sàng là một ngành riêng, liên quan chặt
chẽ với lâm sàng, mở đầu bằng cuộc nghiên cứu bệnh nhân động kinh năm 1934 ở Mỹ.
Cùng với sự phát triển về kỹ thuật hiện đại, kỹ thuật ghi điện não ln được cải
tiến, từ máy có 4 đường ghi (4 kênh) tăng lên 8, 10, 12, 14, 16, 18, …, 32 đường ghi
với các chương trình khác nhau. Ghi bằng bút nhiệt, bút mực, đến in bằng máy in (điện
não vi tính), camera.
Mặc dù hiện nay đang phát triển các phương pháp thăm dị chẩn đốn cận lâm
sàng hiện đại như siêu âm, chụp mạch, chụp cắt lớp,… nhưng điện não khơng thể thiếu
trong chẩn đốn chức năng của não và ngày càng được phổ biến rộng rãi.
Tại Việt nam, điện não đã được ứng dụng trong lâm sàng ở các trung tâm y tế, ở

4 
 


các bệnh viện của các tỉnh thành trong cả nước, góp phần quan trọng cho chẩn đốn và
theo dõi điều trị bệnh nhân.
1.2 Khái niệm về điện sinh lý não.
Ngay từ những ngày đầu dùng điện não ký phát hiện ra nhịp alpha và beta,
H.Berger đã cố gắng giải tích nguồn gốc của chúng, tác giả cho rằng nhịp alpha và
Beta bắt nguồn từ vỏ não, đó là sự hoạt động toàn thể của vỏ não. Nhưng thời gian sau,
H.Berger đã tiếp thu những ý kiến từ những nghiên cứu của Barence và MC.Culloch la
những hoạt động alpha xuất phát từ những lớp tế bào tầng thứ IV, V, VI của vỏ não,
sóng beta thuộc ba lớp ngồi cùng. H.Berger đi sâu hơn một bước khẳng định rằng
những dao động của điện não đồ bắt nguồn từ các thân tế bào chứ khơng phải từ các
sợi của nó. Một thực tế làm cho ý kiến của tác giả được tin tưởng đó là khi hoạt động

về tinh thần (khi vỏ não hoạt động) sóng alpha bị thay thế bởi các sóng beta.
A.Kormuller phản đối quan niệm cho rằng điện não đồ được biểu hiện như một
hoạt động toàn bộ, tác giả đã ghi được và mô tả những hoạt động điện khác nhau trên
những lĩnh vực khác nhau. Như vậy, điện não đồ được coi như hoạt động cục bộ có
chênh lệch, có nguồn góc từ thân neuron nhưng khác với Berger, tác giả đề cập tới cả
đuôi gai (dendrite) trong việc sinh điện.
Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, nhiều kỹ thuật mới được áp dụng nhất là trong
lĩnh vực cơng nghệ thơng tin, năm 1949 Berger tóm tắt ba khái niệm về điện sinh của
não:
- Sóng alpha biểu hiện nhịp tự động của những tế bào thần kinh nhất là các tế
bào tháp lớn.
- Gian não (diencéphale) là trung tâm điều chỉnh và từ đó phát ra nhịp kích thích
vỏ não.
- Một nguồn xung động được lặp đi lặp lại trong một mạch gồm đồi thị
(thalamus) – vỏ não – đồi thị. Nhịp alpha ghi được tại vỏ não bắt nguồn từ xung động
kể trên.

5 
 


Những hiểu biết lúc này của Berger tuy đã có nhiều tiến bộ đáng kể và q giá
nhưng cịn thiếu nhiều thí nghiệm sâu sắc để xác minh một cách rõ ràng vấn đề tạo
nhịp trong xung động não của gian não và sự phản hồi đồi thị - vỏ não.
Những năm sau, nhiều khám phá quan trọng ra đời như hoạt động của điện của
thân tế bào, của đuôi gai và sợi trục (axon). Trong hội nghị thần kinh – điện não tổ
chức tại Boston (1953) bàn về “Những vấn đề cơ bản và sinh lý điện của não” đã nêu
lên một cách rõ nét ba khái niệm:
- Những sóng của não là những điện thế khu trú, chậm và phân độ của đuôi gai,
ngược lại những thế hiệu sợi trục thì nhanh và hoạt động theo luật “tất cả hặc không”

(tout ou rien), được dẫn truyền dọc theo sợi trục không can thiệp vào điện sinh của não.
- Trên những con vật thí nghiệm có vỏ não cách ly (nghĩa là tách rời khỏi trung
tâm tạo nhịp và mạch phản hồi đồi thị - vỏ não) và trên những con vật có tổ chức thần
kinh sơ đẳng cũng có những hoạt động có nhịp.
- Dịng khử cực bền chắc và liên tục can thiệp vào sự uyển chuyển của điện não
đồ.
Tóm lại, sự tranh luận về nguồn gốc của điện não có thể là: các dao động điện bắt
nguồn từ những điện thế dao động của đuôi gai, vì rằng dịng khử cực của nó là thường
xun và chậm, diện tích đi gai điện sinh của nó gấp 10 lần thân Neuron. Dòng của
sợi trục Neuron là dòng khử cực theo định luật “tất cả hoặc không”, không thường
xuyên, chỉ truyền những tín hiệu khi mà thân Neuron phát ra những kích thích nhất
định. Như vậy chỉ có những hoạt động tại đuôi gai tà tự động và có nhịp mà thơi.
1.3 Điện sinh học tế bào
Ta thấy rằng mọi sinh vật trên trái đất đều được cấu thành từ nhiều kiểu tế bào
khác nhau, tế bào là đơn vị cấu trúc và chức năng của mọi cơ thể sinh vật. Vị trí, chức
năng của tế bào quyết định đến hình dạng bên ngồi của tế bào. Tế bào có nhiều hình
dạng khác nhau: những tế bào ở trong mơi trường lỏng thì có dạng hình cầu, những tế
bào thần kinh lại có nhánh bào tương rất dài để làm nhiệm vụ dẫn truyền xung động

6 
 


thần kinh từ tế bào này sang tế bào kia, tế bào cơ trơn có hình thoi,… Ở người, tế bào
có đường kính thay đổi trong khoảng từ 1µm đến 100µm. Độ dày của màng tế bào cơ
khoảng 0,01 µm. Qua các nghiên cứu thực nghiệm người ta thấy có sự chênh lệch
(gradient) mật độ của các ion giữa trong và ngoài màng tế bào. Sự chênh lệch này tùy
thuộc vào tính thẩm thấu của màng tế bào. Trong trạng thái nghỉ, mặt trong của màng
tế bào tích điện âm, mặt ngồi màng tế bào tích điện dương, trong trạng thái này mật
độ của các ion K+ trong màng tế bào cao gấp 30 lần so với mật độ của nó bên ngồi

màng tế bào. Sự chênh lệch về mật độ các ion giữa trong và ngoài màng tế bào đã tạo
ra một hiệu điện thế, điện thế này được gọi là điện thế nghỉ hay điện thế phân cực (E).
Điện thế này có thể tính thơng qua cơng thức thẩm thấu của Nernst cho dưới đây:
61,5log
Trong đó, Ki+ và Ke+ lần lượt là nồng độ ion K+ trong tế bào và ngoài màng tế
bào. Nếu tỷ số

là 30/1 như đã nói thì điện thế nghỉ của tế bào E sẽ là -90mV trong

màng tế bào tích điện âm, ngồi màng tế bào tích điện dương. Người ta cũng thấy E
giảm đi khi mật độ K+ ngoài màng tế bào tăng lên và không đổi khi nồng độ Na+ và Clngồi màng tế bào tăng lên.
Khi tế bào bị kích thích, sức cản của màng tế bào giảm, màng tế bào trở nên thẩm
thấu hơn đối với Na+. Do có hiệu điện thế chênh lệch và có sự chênh lệch về mật độ
ion, các ion Na+ thẩm thấu rất nhanh và nhiều vào trong màng tế bào, làm cho hiệu
điện thế qua màng bị đảo vọt lên +20mV và được gọi là điện thế hoạt động hay điện
thế khử cực. Khi đó mặt trong màng tế bào sẽ dương tính hơn so với ngoài màng tế
bào, và hiện tượng mất cực tính dương ở ngồi màng tế bào gọi là hiện tượng khử cực.
Nếu mật độ của ion Na+ ở ngồi màng tế bào thấp thì tốc độ và biên độ điện thế hoạt
động cũng sẽ giảm xuống.
Sau khi khử cực xong, tế bào dần trở về trạng thái cần bằng ban đầu (quá trình tái
cực). Sự xâm nhập của ion Na+ ngưng lại, tính thẩm thấu của ion K+ tăng cao làm cho

7 
 


các ion này chuyển ra ngoài màng tế bào cho tới khi có sự cân bằng điện thế qua màng,
và sự cân bằng thẩm thấu của ion K+. Khi ở trạng thái nghỉ các ion K+ sẽ thẩm thấu vào
trong màng tế bào, cịn các ion Na+ do có một lực đẩy tích cực mà chui ra khỏi màng tế
bào, người ta gọi đó là hiện tượng bơm Na+. Như vậy, giữa trong và ngồi màng tế bào

ln duy trì một trạng thái hằng định nội môi.
1.4 Hoạt động sinh lý của Neuron
Neuron là tế bào thần kinh, hình dáng và chia cực của nó có nhiều điểm khác
nhau nhưng nguyên tắc hoạt động cũng như chức năng chung của chúng là thống nhất,
giống nhau.
Có thể xem như Neuron có hai cực: một cực vào tức là đuôi gai (dendrite) hay
cực tiếp thu, một cực ra tức là sợi trục (axon) hay gọi là cực phát. Như trên đã nói,
người ta cho rằng điện thế đo được tại đuôi gai là điện thế chậm và khu trú, là cơ sở
cho các họa động điện ghi được ở điện não đồ, còn loại điện thế tại sợi trục và tại thân
Neuron chỉ ghi được bằng các vi điện cực.
Điện thế trên một neuron không giống nhau, nghĩa là một đoạn khác nhau về giải
phẫu trên một neuron có điện thế khác nhau (hình 1.1), được gọi là điện thế đơn vị
(potential unitaire).
Vi điện cực số 2 được đặt có định tại 1 điểm trên bề
mặt của neuron.
Vi điện cực số 1 di động từ thân neuron tiến dần đến
nơi khởi đầu của sợt trục tuần tự theo vị trí 1A, 1B,
1C, 1D, 1E. Nhìn trên biểu đồ, điện thế trên vi điện
cực 2 không thay đổi trong khi điện thế trên vi điện
cực 1 thay đổi theo từng vị trí, càng gần tới màng
hoặc nơi khởi đầu của sợ trục thì điện thế càng cao.
Hình 1.1 Các điện thế trên neuron.

Để nghiên cứu chi tiết và sâu hơn về hoạt động của neuron cần hiểu một cách
8 
 


khái quát về sinh hóa điện của nó:
Neuron được ngăn cách với môi trường xung quanh bởi một màng mỏng

(membriance). Màng này có một đặc tính ưu việt là thẩm thấu chọn lọc. Nhờ đó, tùy
tình hình màng có thể duy trì thế cân bằng giữa các ion trong và ngoài màng, gây nên
được một điện thế chênh lệch giữa trong và ngồi màng neuron, hoặc tới một ngưỡng
kích thích nào đó làm cho màng cho phép các ion qua lại rồi nhanh chóng hồi phục lại
tình trạng cũ.
Người ta nhận thấy các ion tập trung chủ yếu trong và ngồi màng tế bào gồm 3
ion chính là Na+, K+, Cl-.
Ion Na+ và Cl- tập trung chủ yếu ở ngoài màng tế bào, còn ion K+ ngược lại tập
trung cao ở trong neuron. Khi ở trạng thái nghỉ, điện thế chênh lệch trong và ngoài
màng khoảng +70mV.
Độ tập trung ion của neuron vận động tính ra mEq:
Ion

Trong màng

Ngồi màng

Na+

15

150

K+

150

5,5

Cl-

9

125

1.4.1Tín hiệu thần kinh
Một neuron bao giờ cũng có một điện
thế màng, trong trạng thái nghỉ, điện thế ngoài
màng bao giờ cũng dương so với bên trong
âm. Sự chênh lệch thường là 70mV, trạng thái
này gọi là trang thái phân cực. Tín hiệu thần
kinh sẽ xảy ra tại một nơi nào đó của màng
với điều kiện bất kỳ nguyên nhân nào có khả
Hình 1.2 Cấu tạo của neuron

9 
 


năng làm giảm điện thế màng khoảng 10mV dẫn
tới hiện tượng có một “lỗ” để cho các ion Na+ từ
bên ngoài vào trong và ngược lại ion K+ từ trong ra
ngoài. Hiện tượng màng ngoài bị khử cực tại chỗ
này là nguồn gốc của tín hiệu thần kinh.
Hình 1.3 Sơ đồ khử cực lan truyền gây nên điện thế và
dòng hoạt động tại chỗ

Một tín hiệu xảy ra tại màng của đuôi gai hoặc màng của thân gây nên sự chênh
lệch điện thế tại chỗ với các vùng lân cân, làm giảm điện thế màng tại nơi đó rồi sẽ xảy
ra khử cực, từ đó gây ra dịng điện tạo chỗ (hình 1.3).

Sự khử cực nếu phát triển ra tồn bộ màng của thân và vượt qua được nơi bắt đầu
của sợi trục thì tín hiệu sẽ được sợi trục truyền một cách trọn vẹn cho tới tận cùng, lúc
này neuron mới thực sự đã phóng lực, và tín hiệu đã được dẫn truyền synapse. Nhưng
nếu sự khử cực tại thân neuron yếu không tới được nơi bắt đầu của sợi trục rồi tắt hẳn,
như vậy neuron đã khơng phóng lực (hình 1.4a, b, c).
Hình 1.4 Điều kiện neuron dẫn truyền tín hiệu (a) neuron ở trạng thái
hoạt động hay cực hóa; (b) neuron có nhận được kích thích có khử
cực tại màng. Nhưng vì kích thích yếu nên khơng gây khử cực đến tân
nơi bắt đầu của sợi trục nêu neuron khơng phóng lực hay tín hiệu
khơng được truyền đi; (c) sự khử cực do kích thích gây nên đủ mạnh
do đó lam truyền tới trục, bởi vậy tín hiệu đã được truyền, nói cách
khác neuron đã phóng lực.

Tận cùng của sợi trục thường phình ra làm thành những nút,
trong mỗi nút chứa nhiều bọng, trong bọng chứa nhiều chất môi

10 
 


giới (mesdiator) hóa học, đó là adrenalin và axetycholin. Mỗi
khi tín hiệu được dẫn tới tận cùng của sợi trục, các nút lập tức
phóng ra các chất mơi giới vào môi trường của khớp thần kinh.
Các chất này tới tác động trên màng sau khớp, nếu làm giảm
được điện thế màng tới mức đủ gây nên sự khử cực thì một
dịng điện tại chỗ xuất hiện, nhưng sau đó sự khử cực lại được
tái tạo nhanh chóng và màng neuron trở về trạng thái như lúc
đầu trước khi khử cực (hình 1.5, 1.6).
Hình 1.5 Mẫu của khớp thần kinh loại hoạt động và kích thích. Nút
tận cùng của sợi trục tiếp xúc với các đuôi gai làm thành khớp (a)

khớp thần kinh trong trạng thái khơng có tín hiệu tới màng trước (b)
Huy động các bọng chứa chất môi giới hóa học (c) Tồn thể sự kích thích điện thế sau màng
xảy ra khi các bọng chứa đã xuyên màng
Hình 1.6 Cấu trúc của khớp thần kinh

1.4.2 Hưng phấn và ức chế
Khi một tín hiệu từ neuron đang hoạt
động tới một neuron tiếp nhận, thường một
neuron tiếp nhận ở một trong hai trạng thái
sau: màng của nó đang ở tình trạng khử cực
nhẹ hoặc ở tình trạng quá khử cực, kết qủa sẽ
đưa đến hai trạng thái của màng hoặc neuron:
• Nếu màng của neuron tiếp thu đang ở
trang thái khử cực nhẹ thì chỉ cần 1 tín hiệu
yếu, nhỏ của neuron đang hoạt động cũng đủ

11 
 


gây nên kích thích neuron tiếp thu, nói cách khác chỉ cần một lượng nhỏ chất môi giới
cũng đủ làm cho màng tế bào bị khử cực. Như vậy màng neuron tiếp thu đang ở trạng
thái khử cực nhẹ sẽ giúp cho những tín hiệu yếu cũng dễ dàng phát huy tác dụng của
mình. Người ta cho rằng neuron tiếp thu ở tình trạng hưng phấn.
• Ngược lại, tín hiệu đến đúng lúc màng tế bào đang quá cực hóa, sự chênh lệch
của điện thế màng quá lớn thì dù tín hiệu đó có làm giảm điện thế màng nhưng vẫn
không đạt tới ngưỡng đủ để màng
bị khử cực, như vậy tín hiệu trở
nên ít tác dụng, người ta cho rằng
neuron tiếp thu ở trạng thái ức

chế.
Hình 1.7 Cấu trúc của một neuron
vận động gồm các đuôi gai và sợi
trục (a) khớp không hoạt động mầu
đen (b) khớp hoạt động mầu trắng
(c) khớp ức chế đen viền trắng (d)
khởi đầu của sợi trục (e) nhân
neuron.

Ngày nay, người ta đã khẳng định rằng thân của một neuron có thể liên hệ với sợi
trục của khoảng 1 triệu neuron khác. Trong đó, tùy những chức năng nhất định mà
phân ra 3 loại neuron tới, lẽ dĩ nhiên tạo nên 3 lớp thần kinh khác nhau: Loại tới nhưng
khơng hoạt động, loại kích thích và loại ức chế. (hình 1.7). Neuron có liên hệ phong
phú như trên chủ yếu tại hệ thống lưới của thân não.
1.4.3 Điện thế màng và hoạt động hóa học
Đưa vi điện cực đến vị trí ngồi màng hoặc xuyên màng của một neuron. Nếu
xuyên màng ta thấy kim của điện kế nghiêng về bên âm với điện thế khoảng -70mV
chừng nào vi điện cực còn lưu lại trong màng và neuron ở trạng thái sinh lý (hình 1.8).
12 
 


Hình 1.8 Điện thế màng ghi liên tục trong
quá trình vi điện cực vào và ra khỏi màng;
a) điện thế liên tục b) Tùy vị trí vi điện cực
ở ngồi hoặc xuyên màng neuron, chúng ta
ghi được những điện thế đối chiều nhau

Điện thế màng là do sự tập trung
khác nhau của các ion được duy trì giữa

trong và ngồi màng, hai ion quan trọng
là Na+ ở bên ngoài và K+ ở bên trong
màng neuron. Nhờ hoạt động chuyển
hóa của mình mà màng làm nhiệm vụ
như một chiếc bơm hai chiều đối với
Na+ và K+ (Hình 1.9).
Hình 1.9 Biểu đồ trình bày dịng K+ và Na+
xun qua bề mặt của màng neuron trong
trạng thái nghỉ

1.4.4 Điện thế sau khớp thần kinh
Đó là hiện tượng dao động điện có
bước sóng khoảng 15ms. Những dao
động này có khả năng là dương khi màng
ở trạng thái hưng phấn hoặc khử cực nhẹ,
hoặc là âm khi màng ở trạng thái ức chế
hoặc quá cực hóa (Hình 1.10). Điện thế
sau khớp chỉ có thể xuất hiện bởi sự kích thích của khớp trên cơ sở hóa học mà thơi.
Chất mơi giới tới kích thích màng tế bào gây nên sự trao đổi ion tại chỗ. Người ta nhận
13 
 


thấy càng xa nơi kích thích điện thế càng thấp dần.
Hình 1.10 Điện thế sau khớp là hiện tượng chậm

1.4.5 Dòng hoạt động
Tại nơi điện thế màng thấp nhất
xảy ra khử cực, có nghĩa là một dịng
điện tại chỗ xuất hiện, còn gọi là

điện thế hoạt động. Điện thế này
nhanh chóng gây nên cho vùng xung
quanh một sự chênh lệch điện thế so
với nó và như vậy cũng xảy ra một
dịng điện mỗi lúc một lan rộng theo
hình truyền sóng tròn trên mặt nước
hay sự khử cực truyền lan trên bề
mặt của màng, đây là bản chất của
dịng hoạt động.
Hình 1.11 Biểu đồ diễn tả tồn bộ hiện
tượng lý hóa trong quá trình dẫn truyền
các xung động của một sợi trục

1.4.6 Nguồn gốc của nhịp vỏ não
Giai đoạn trước năm 1955, trong giai đoạn này người ta đã nêu ra được ba khai
niệm chính về nguồn gốc của nhịp vở não là:
- Các sóng của não là biểu hiện của sự tự động cơ bản và có nhịp của các tế bào
vỏ não, chúng chỉ cần một sự kích thích tối thiểu.
- Vỏ não vốn có một sức trì trệ, sở dĩ có các nhịp xuất hiện là nhờ kích thích
nguyên phát của các hạt nhân của đồi thị.

14 
 


- Sóng của vỏ não là biểu hiện của một q trình tuần hồn định kỳ “đồi thị - vỏ
não – đồi thị”.
Giai đoạn sau năm 1955, những ý kiến trên đây chỉ là một trong những nấc thang hiểu
biết về hoạt động của điện não, còn nhiều vấn đề chưa giải thích được, nhiều câu hỏi
cịn tồn tại. Sau này, nhờ phương pháp nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc neuron, về sinh

lý, lý hóa của nó, kết hợp với các tiến bộ của các ngành khoa học khác như tốn học, lý
thuyết và thơng tin, điều khiển học, người ta áp dụng phương pháp ghi sâu bằng vi điện
cực tới những cự li chính xác như tại các đoạn của neuron hoặc tới các trong và ngoài
màng neuron. Nhờ vậy, song song với sự hiểu biết về bản chất của các tín hiệu, của q
trình hoạt động của khớp thần kinh, nhất là bản chất hoạt động của nó đã xác định bước
đầu là có nguồn gốc hóa học. Ngày nay, người ta cũng chỉ mới nêu được nguồn gốc
nhịp vỏ não có thể xuất phát từ sự chuyển hóa của màng đi gai (gấp 10 lần màng của
thân), điện thế màng ở đây là một dao động có bước sóng khoảng 9-10ms rất giống
nhịp của các sóng cơ bản của não và các dao động ở đây là liên tục; trong khi đó điện
thế màng tại sợi trục là dao động 1-2ms, đó là những sóng quá nhanh có tính chất của
những gai, màng của sợi trục hoạt
động theo định luật “tất cả haoawch
không” và chỉ hoạt động khi có tín
hiệu dẫn truyền. Một ý kiến khác
nêu lên có thể chaaos nhận được,
đó là mạch phản hồi do một neuron
phụ mắc trên trục của một neuron
đang hoạt động (Hình 1.12), là cơ
sở chính của sự tạo nhịp của hoạt
động điện của não.
Hình 1.12 Cơ chế của sự tạo nhịp

Người ta làm thí nghiệm trên một phần của vỏ não một con vật đã được tách khỏi

15 
 


não, chỉ cịn dính với màng ni, trên đó vẫn ghi được những hoạt động điện với nhịp
cơ bản tuy rằng khơng cịn liên hệ với mạch “đồi thị - vỏ não – đồi thị”.

1.5 Hệ thống lưới ở thân não
Song song với phương pháp nghiên cứu bằng vi điện cực, phương pháp nghiên
cứu phân đoạn trong tầng của hệ thống thần kinh do Sherrington đề ra để thay phương
pháp cắt bỏ cổ điển trước đây. Nhờ phương pháp phân đoạn từ Bremer đến Magoun rồi
Mouruzzi đã nghiên cứu được chức năng khác nhau của hệ thống lưới nằm ở thân não.
Về vị trí giải phẫu nó có một mối quan hệ vô cùng chặt chẽ với con đường cảm giác đi
lên và con đường vận động đi xuống. Gần đây người ta cịn khám phá ra chức năng của
nó với cơ chế thức tỉnh và giấc ngủ. Chúng ta hãy xem xét những thí nghiệm sau đây:
1.5.1 Con đường một chiều (sens unique) hay con đường độc nhất
Năm 1949, Moruzzi và Magoun dùng điện kích thích trực tiếp hệ thống lưới tại
hành cầu, nhận thấy điện não và hành vi của con vật biểu hiện sự thức tỉnh. Từ đó
người ta cho rằng ở đây có một hệ thống lưới phát động lên (formation resticulesse
activeateuse ascendance = F.R.A.A). Hoạt động của nó phóng chiếu lên vỏ não. Nguồn
cung cấp cho sự hoạt động của hệ thống này là
xung động bắt nguồn từ cảm giác nội tạng và
cảm giác của cơ thể. Các tác giả lập luận rằng
các con đường cảm giác khi tập trung về thân
não chia làm hai nhánh, một nhánh đi vào hệ
thống lưới, nhánh còn lại tiếp tục đi thẳng lên
giao diện cảm giác của vỏ não, từ hệ thống
lưới tới các xung động được phóng lên vỏ não
(hình 1.13).
Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống lưới phát động lên vỏ
não qua đồi thị

Như vậy hoạt động của hệ thống phát động lên giữ vai trò “trường lực của vỏ

16 
 

não”. Khái niệm này cho rằng vỏ não chỉ như một gương phản chiếu một cách bị động
của hệ thống phát động lên mà khơng có hoạt động tích cực, ngược lại đối với hệ thống
lưới nói chung, chúng ta cần biết đến những thực nghiệm khác.
1.5.2 Nhiều con đường (sens multiple) hay con đường có nhiều hướng
Thực nghiệm trên không phải là giải pháp đầy đủ được những vấn đề thực tế
trong đời sống như quá trình về tâm lý – sinh lý, như một tiếng gọi quen thuộc có thể
đánh thức khi ta ngủ, hoặc ngược lại những tín hiệu vơ nghĩa đều đặn có thể gây nên
giấc ngủ sinh lý. Ở đây chúng ta thấy có sự thống nhất với học thuyết của Pavlov.
Những tác giả có tên tuổi đã tiến hành
những cơng trình này như Bremer (1962),
Terzolo,

French,

Hermandez

Peson,

Livingston, Bonvallet và Hugelin, Họ đã
thống nhất đi đến kết luận: có một sự hoạt
động và phụ thuộc qua lại giữa hoạt động
của chất lưới ở thân não và vỏ não.
Một khái niệm do Hugelin và
Bonvallet nêu ra: chất lưới ở thân não có
một chức năng duy nhất, ln ln hoạt
động như một đơn vị thường xuyên đồng
thời các tín hiệu lên và xuống do những
neuron lưỡng cực (có một nhánh đi lên và
một nhánh đi xuống).

Hình 1.14 Sơ đồ sự hoạt động các hệ thống
các con đường

Như vậy, tồn tại một hệ thống vỏ não – chất lưới. Nhờ vậy, nếu vỏ não được
chuẩn bị, có thể ức chế được những xung động quá mạnh từ dưới lên, làm giảm bớt

17 
 


được cường độ tiêu cực của các xung động này. Đây là một cơ chế điều khiển học tự
bảo về một cách tích cực của động vật (hình 1.14).
1.5.3 Hệ thống lưới xuống
Rhines và Magoun phát hiện hệ thống này vào năm 1946 và chia làm hai nhóm
hoặc hai chức năng đối kháng nhau:
a) Hệ thống ức chế xuống (systeb descendant inhibiteur):
- Vị trí: Tổ chức của hệ thống này ở hành tủy, ở ngang và trước bụng của hành
tủy. Từ đây tổ chức này có liên lạc mật thiết với hệ thống lưới tủy sống và đi vào sừng
trước của tủy, rồi liên hệ với tế bào tháp.
- Thực nghiệm: Nếu con vật đang hoạt động với những vận động bình thường, ta
kích thích vùng này thì hoạt động bị đình trệ. Hoặc vừa kích thích vùng hoạt động số
IV vừa kích thích tổ chức này, ta khơng gây nên được một tác động nào; Như vậy hệ
thống này đã ức chế các tín hiệu vận động từ vỏ não xuống và phản xạ gân xương cũng
mất.
b) Hệ thống kích thích xuống (system facilituer descendant)
- Vị trí: rất dài nằm dọc theo thân não, bao bọc hệ thống ức chế xuống.
- Thực nghiệm: nếu kích thích vùng này trong lúc đang tìm phản xạ gân xương,
thấy phản xạ trở nên nhạy và mạnh lên. Nếu kích thích đồng thời với vùng vận động số
IV thấy mọi tác động trở nên mãnh liệt.
Một thực nghiệm cắt ngay dưới hật nhân đỏ và trên hạt nhân tiền đình sẽ gây nên

hiện tượng co cứng mất não. Con đường cắt này đã thực sự giải phóng cho hệ thống
kích thích xuống và đồng thời cắt đứt con đường liên hệ vỏ não với hệ thống ức chế
xuống (Hình 1.15). Trong đó:
Đường cắt A cho ta vật mất vỏ não
Đường cắt B cho ta vật gian não
Đường cắt C cho ta vật gian não sau (đường cắt sau hạt nhân đỏ)

18