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Elektroenzephalogramm (EEG)

Das EEG hat vor allem eine sehr hohe zeitliche Auflösung. Dir räumliche Auflösung liegt bei ca. 1cm und ist damit im Vergleich relativ niedrig.

Das EEG zählt immer öfter zu den bildgebenden Verfahren, obwohl es eigentlich keine direkten Bilder liefert, da sie die räumlichen (anatomischen) Strukturen praktisch kaum wiedergeben können. Als bildgebendes Verfahren zählt es jedoch, weil es inzwischen durch mathematische Verfahren möglich ist auf Hirn-Areale zurück zuschließen.

Exkurs: Bildgebende Verfahren

Bildgebende Verfahren erlauben es anatomische Strukturen möglichst detailliert zu visualisieren. Dabei bekommt jeder Punkt im Körper einen Punkt in einem Koordinatensystem zugewiesen. Nach der Visualisierung kann das Objekt im Idealfall digital aus verschiedenen Perspektiven betrachtet werden. Alternativ werden z.B. beim CT bestimmte Bild-Schnitte gemacht.

Typische Bildgebende Verfahren

  • Sonographie (Schallrefelxion)
  • Computertomographie (Röntgenmessung)
  • Positronen-Emissions-Tomographie (Tracer-Konzentration)
  • Magnetresonanztomographie (Magnetische Resonanz von Wasserstoff)

Geschichte

Richard Caton (1842 – 1926)

Richard Caton entdeckte elektrische Eigenschaften des Gehirns bzw. eine elektrische Aktivität an der Hirnrinde. Er konnte außerdem feststellen, dass sich diese elektrische Aktivität ändert, wenn die einkommenden Reize sich ändern (konkret Lichtintensität).

Adolf Beck (1853–1942)

Adolf Beck wiederholte als erster den Versuch von Caton und verwendete neben der Lichtintensität auch weitere Reize, wie Geräusche. Er konnte dabei feststellen, dass eine elektrische Aktivität nicht nur punktförmig, sondern verteilt über die gesamte Schädeloberfläche auftritt.

Hans Berger (1873 – 1941)

Hans Berger leitete 1929 zum ersten Mal elektrische Signale von der Schädeloberfläche ab und entwickelte das EEG in klassischer Form. Bis zu diesem Zeitpunkt wurde der Begriff Elektrocerebrogramm verwendet. Er schlug als erster den Begriff Enzephalogramm vor.

Grundlagen

Das EEG misst die Summe aller elektrischen Signale im Bereich des Gehirns. Dazu gehören neben Aktionspotentialen und postsynaptischen Potentialen auch Muskelaktivität (z.B. Augen).

Extrazelluläre Feldpotentiale

Zunächst generieren postsynaptische Potentiale extrazelluläre Feldpotentiale, d.h. die Potentiale können auch außerhalb der Zelle gemessen werden. Sobald sie einen erregenden Input erhalten, wird der Zellkörper positiver als die Dendriten. Es entsteht ein elektrisches Feld.

Die extrazellulären Feldpotenziale entstehen letztlich durch die Summation von IPSPs und EPSPs. Um die dadurch entstehenden elektrischen Felder messen zu können ist eine synchrone Aktivierung von ca. 10.000 Neuronen nötig.

⇒ Die extrazellulär registrierten Potentiale werden als Lokale Feld Potentiale (LFPs) bezeichnet.

Bedingungen

Vertikale Anordnung

Vor allem die vertikal angeordneten Pyramidenzellen sind von Bedeutung, da sich das elektrische Feld vertikal zur Zellrichtung ausbreitet. Die horizontal liegenden Zellen können nicht erfasst werden. Außerdem ist es wichtig, dass die Zellen möglichst gleich gerichtet sind. Wenn sie entgegengesetzt liegen, dann heben sich die elektrischen Felder gegenseitig auf.

Offene/Geschlossene Felder

Offene Felder sind parallel und gleichgerichtet angeordnet. Offene Felder können an der Schädeloberfläche gemessen werden.

Geschlossene Felder sind chaotisch angeordnet. Sie zeigen in viele verschiedene Richtungen und beeinflussen ihre gegenseitigen Potentiale so sehr, dass sie an der Schädeloberfläche nicht gemessen werden können.

Technik

Die Messungen werden mit Analog-Digital-Konvertern durchgeführt, um das analoge Signal in ein digitales umzuwandeln. Dieser Arbeitet meist mit einer Abtastrate von 500Hz.

Ein EEG-System besteht aus:

  • Elektroden
  • Vorverstärker
  • Verstärker
  • Filter
  • Datenspeicher

Ableitung

Bezugspunkte

Das Nasion ist die Kule überhalb der Nase, während das Inion die Kule an der Hinterseite des Kopfes darstellt. Diese beiden Punkt bilden zusammen mit den präaurikulären Punkten direkt am Ohr die Referenzpunkt. Wenn eine Linie zwischen Nasion und Inion und zwischen den beiden aurealen Punkten gezogen wird, so befindet sich in der Mitte oben auf dem Schädel ein Schnittpunkt (→ Vertex).

Weitere Punkte

Der Vertex bildet den ersten Messpunkt tex:C_z von dort aus wird in 20%, 20% und 10% Schritten Richtung der Bezugspunkte jeweils ein Punkt markiert, welcher erneut eine Messstelle ergibt (von Bezugspunkt zu Beszugspunkt sind es 100%).

Daraus ergeben sich die Punkte tex:F_z und tex:F_1 Richtung Nasion, sowie tex:P_z und tex:O_1 Richtung Inion. Richtung den präaurikulären Punkten ergibt sich tex:c_3 bzw. tex:t_3 auf der Einen und tex:c_4 sowies tex:c_4 auf der anderen Seite.

Überblick

  • Nasion → Bezugspunkt an der Nase
  • Inion → Bezugspunkt am Hinterkopf
  • Präaurikuläre Punkte → Bezugspunkte an den Ohren
  • Vertex (bzw. Cz) → Bezugspunkt im Zentrum des Schädels (ergibt sich aus den Schnittpunkten)

Systeme

Die Ableitungsorte sind standardisiert nach dem internationalen 10-20 System. Wenn mehrere Elektroden verwendet werden (19, 21, 32, 64, 128, etc.), so wird das Netz immer weiter verdichtet. Die Standardpunkt bleiben jedoch immer (zur Vergleichbarkeit).

Ablauf

Der Ablauf für das Anbringen der Elektroden dauert relativ lange (ca. 20-40min). Zunächst muss die Haut entfettet werden, anschließend müssen zwischen Haut und Elektrode Elektrolyte gebracht werden. Die Elektroden müssen dann mechanisch fixiert werden (z.B. Kappe oder Klebestreifen). Zum Schluss müssen die Impedanzen geprüft werden (systemabhängig, < 5kΩ).

  • Vertex bestimmen
  • Kappe aufesetzen
  • Kopfhaut reinigen
  • Gel anbringen
  • Elektroden anbringen

Referenzierung

tex:Signal_{P}^{Ref} = Potential_{P} - Potential_{Ref}

Unipolare Ableitung

Für alle Spannungsmessungen dient ein bestimmter Referenzpunkt. Dieser kann an der Nase, am Ohr, am Kinn oder auch ein bestimmter Punkt am Schädel (z.B. Vertex) sein.

Vorteile
  • Gut zum Vermessen von Potentialfeldern
  • Elektrodenabstände können gering gewählt werden

Bipolare Ableitung

Alle Spannungsmessungen beziehen sich auf ihre benachbarten Elektroden. Die Elektroden sind in Serie geschaltet. Diese Art der Ableitung findet sich vor allem im klinischen Bereich.

Bei der bipolaren Ableitung gibt es auch die Anwendung mit nur 2 Elektroden (ein Paar). Die Sensitivität kann frei gewählt werden (nah aneinander oder weit weg). Eine praktische Anwendung ist z.B. das EOG. Meist im klinischen Bereich verwendet.

Vorteile
  • Kaum Artefakte (→ Potentialschwankungen von außen)
  • Auffinden eines Herdes gut möglich

Average-Referenz-Ableitung

Die Referenzelektrode bildet einen theoretischen Wert. Jeder Messwert wird mir dem Mittelwert aller Messungen verglichen. Theoretisches Optimum wäre ein Oberflächenmittelwert von Null. Die Mittelwerte lasen sich aus der unipolaren Anordnung berechnen.

Die average reference kann als räumliche Filterung verstanden werden, quasi ein auf Null gesetzter Gleichstrom.

Vorteile/Nachteile
  • Lokalisation der Gehirnaktivität
  • Schlecht für verteilte Effekte

Linked-Mastoid-Ableitung

Bei dieser Methode werden die Signale unterhalb beider Ohren gemittelt oder direkt kurzgeschlossen. Dies soll dazu dienen Vergleiche zwischen links und rechts anzustellen.

Insgesamt ist dieses Verfahren mehr Nachteilig und wird wenn, dann meist nur offline zur Auswertung verwendet.

Vorteile/Nachteil
  • Laterale Effekte sind schwächer
  • Keine Referenzierung möglich
  • Schlechte Lokalisation

Frequenzbänder

Klinische Frequenzbänder

Im klinischen Bereich können aufgrund verschiedener Frequenzbänder im Spontan-EEG sehr grob auf bestimmte behaviorale Strukturen geschlossen werden.

⇒ Z.B. Aufgeregt, Ruhig, Schlafend, etc.

EEG-Rhythmen

Die typischen EEG-Rhythmen werden anhand der Frequenz unterschieden und sind mit bloßem Auge erkennbar.

  • Alpha
    • Frequenzbereich: 8Hz und 13Hz
    • Amplituden: 10μV bis 150μV
    • Ruhiger Wachzustand
    • Vorwiegend Okziptial
  • Beta
    • Frequenzbereich: 13Hz und 30Hz
    • Amplituden: < 25μV
    • Zunehmend mentale Aktivität
    • Gesamte Oberfläche, frontale Dominanz
  • Gamma
    • Frequenzbereich: > 30Hz
    • Amplituden: 1μV bis 10μV
    • Tritt lokal auf, synchronlaufende Netzwerke
  • Theta
    • Frequenzbereich: 4Hz bis 8Hz
    • Auftreten sehr verteilt, abhängig vom Alter
    • Zunahme der Theta-Frequenzen im Alter
  • Delta
    • Frequenzbereich: < 4Hz
    • Amplituden: sehr variabel
    • Tiefschlaf (im Wachzustand quasi nie)
    • Abnahme der Delta-Frequenzen im Alter

Logarithmische Anordnung

Eine logarithmische Einteilung der Frequenzbänder in gleich breite Abschnitte ist eine harmonische und durchaus logische Anordnung (Buzsaki, Science 2004).

Signalanalyse

Ein Signal wird in Spannung in μV (y-Achse) und Zeit in ms (x-Achse) abgebildet. Das Signal kann nun über die Amplituden und die Frequenz beschrieben werden.

Untersuchungsmethoden

  • Spektralanalyse → Untersuchung der Frequenzentypen
  • Phasen-Beziehung → Zeitliche Kopplung der Signale
  • Orts-Analyse (Lokalisation) → Rückschluss auf den Entstehungsort des Signals

Artefakte

Artefakte sind äußere Störsignale. Die möglichen Artefakte werden auch als Commonly Recorded Artifactual Potentials (CRAP) bezeichnet. Folgende Störsignale bzw. allgemein Störungen sind möglich:

  • Blinzeln (Blinks)
  • Muskelartefakte (z.B. im Gesicht)
  • Augenbewegungen (Sakkaden)
  • EKG
  • Schwitzen
  • Elektrodenverschiebung

Amplituden

Bezeichnung

Die Amplituden werden immer in positive (→ P) und negative (→ N) eingeteilt. Die Bezeichnung kann nach zwei Systemeatiken ablaufen.

  • Nach Ordnungtex:P1, P2, ..., P_n bzw. tex:N1, N2, ..., N_n
  • Nach Zeittex:P50, P100, ..., P_{ms} bzw. tex:N50, N100, ..., N_{ms}

Bedeutung

Je früher eine Amplitude auftritt, desto deutlicher und höher ist ihr zugrunde liegender Reiz bzw. desto eher handelt es sich um eine sensorische Komponente (→ obligatory, exogen). Ein Hinweis dafür ist z.B., dass sich frühe Komponenten relativ gut lokalisieren lassen.

Spätere Amplituden sind eher durch die Kognition beeinflusst und liegt in Bereichen um P300/P400 (→ endogen).

Entstehung der ERPs

Die Entstehung des ERP ist abhängig von der Frequenz, der Phasenkopplung (Synchronität der Messungen) und der Power (Mittelwert im Vergleich zur Baseline). Die Bildung der ERPs sind also immer nur ein kleiner Teil des gesamten Prozesses.

Rauschen + Ereignis

Ein übliches Modell geht davon aus, dass dauerhaft ein bestimmtes Rauschen / Spontaktivität vorherrscht, welches zufällig durch aktuelle kognitive Prozesse entsteht. Zusätzlich kommen dann die ereigniskorrelierten Potentiale, welche zusätzlich zum Rauschen auftreten (Additiv).

⇒ Im Folgenden behandelt.

Phase reset

Dieses Modell geht davon aus, dass sich die Schwingungen im Gehirn als Ganzes „bewegen“. Ein bestimmter Reiz löst also bestimmte Schwingungen im Gehirn aus, welche sich zu einer zu messenden Gesamtschwingung addiert. Wenn jetzt ein neuer Reiz dieses System beeinflusst, so ändern sich die Potentiale in bestimmten Bereichen und die zu messende Gesamtschwingung verändert sich erneut.

⇒ Dieses Modell ist zur Zeit recht „modern“.

Amplitude asymmetry

Die amplitude asymmetry bezeichnet die asymmetrische Anordnung der Amplituden, welche nicht immer im Mittel Null ergeben. So kann die Mittelung der Signale durchaus einen Mittelwert abweichend von Null haben, welcher ein langsames ERP ergeben könnte.

Mittelung zum ERP

Um bestimmte Ereignisse aus der Spontanaktivität (→ Rauschen) herauszurechnen wird das event related potential (→ ERP) bzw. das Ereigniskorrelierte Potential (→ EKP) verwendet.

⇒ Die Annahme ist, dass die ereigniskorrelierten Aktivitäten und die Spontanaktivität gleichzeitig auftritt und das Gesamtbild erzeugt.

Vorgang

Dabei werden mehrere Messungen durchgeführt, bei denen ein bestimmtes Ereignis immer exakt wiederholt wird. Alle durchgeführten Vorgänge werden zeitlich gekoppelt, also zeitlich übereinander gelegt. Anschließend werden alle Werte gemittelt. Die Spontanaktivität löst im Idealfall zu 0 auf, da diese zufällig auftritt. Übrig bleibt jedoch das nicht zufällige ereignisekorrelierte Signal.

Anzahl Messungen

Wie viele Messungen (→ Trials) nötig sind um das Rauschen so gut wie nötig herausrechnen zu können, hängt hauptsächlich von der Intensität des Potentials ab, wie stark der Reiz als eine Reaktion im Gehirn auslöst.

Je weniger Trials durchgeführt werden, desto mehr Versuchspersonen sind nötig.

Mit mehr Trials steigt die Genauigkeit der Rechnung jedoch nicht linear, sondern in einer Wurzelfunktion. Ab einem bestimmten Punkt machen also mehr Trials nicht mehr so viel Sinn.

tex:Durchschnitt = \sqrt{N_{Trials}} \cdot Wert

Bestimmte ERPs

Bestimmte ereigniskorrelierte Potentiale haben eine besondere Bedeutung.

P300

Die P300 ist ein positives Signal, welches etwa 300ms nach Präsentation des Reizes vorkommt. Die P300 tritt vor allem dann auf, wenn ein seltener unerwarteter oder aufgabenrelevanter (allgemein „wichtiger“) Reiz präsentiert wird. Sie kann auch als Aufmerksamkeitsmaß verwendet werden.

In Bezug auf einen aufgabenrelevanten Reiz wird die P300 unterteil in P3a und P3b. Die P3a tritt eher frontal auf und zeigt eine Reizneuheit an, während die P3b parietal auftritt und die Reizbedeutung anzeigt.

Mismatch Negativity (MMN)

Die Missmatch Negativity wird auch als N2a bezeichnet und ist eine negative Komponente, welche nach ca. 250ms bis 350ms nach der Reizpräsentation auftritt. Sie tritt vor allem dann auf, wenn sich ein Reiz unerwartet ändert oder unerwartet ausbleibt. Grundsätzlich also, wenn der aktuell präsentierte Reiz von den vorigen abweicht. Die Mismatch Negativity tritt prä-attentiv, also Vorbewusst auf.

In der Entwicklung eines Kindes bildet sich im Laufe der ersten 12 Monate eine lineare Repräsentation der Akustik um in eine verzerrte Repräsentation, welche der Muttersprache entspricht. Dieser Prozess ermöglicht eine bessere Wahrnehmung der Lautkontraste in der Muttersprache.

Anwendung

Mit Hilfe der Mismatch Negativity können z.B. Sprach- und Hörentwicklungen von Kindern untersucht werden. Auch komplexere Regelhaftigkeiten lassen sich untersuchen.

Forscher

Wichtige Forscher in dem Bereich sind Risto Näätäänen (University of Helsinki) und Erich Schröger (Universität Leipzig).

N400

Die N400 tritt ca. 400ms nach der Reizpräsentation im negativen Bereich auf.

Das ERP tritt z.B. auf, wenn Wörter semantisch nicht zu den Sätzen passen. Wird also ein Gegenstand grammatisch korrekt mit einem Adjektiv beschrieben, hat dieses jedoch keinen direkten Sinn (z.B. „Ein freundlicher Tisch“), so tritt die N400 auf.

Die N400 kann im klinischen Bereich verwendet werden (z.B. um Dyslexie festzustellen).

Beurteilung

Vorteile

  • Gut für klinische Grundlagenforschung
  • Relativ günstig (ca. 60.000 € vgl. MRT > 1mio)
  • Sehr hohe zeitliche Auflösung
  • Lokalisationsmöglichkeiten befriedigend (meist 32 bis 128 Elektroden)
  • Nicht-Invasiv
  • Kombination mit anderen Messverfahren möglich (z.B. MRT, MEG, Eyetracker, TMS)
  • Direkte Messung der neuronalen Aktivität

Nachteile

  • Deutlich teurer als Reaktionszeitmessung und evtl. nicht sehr viel mehr Nutzen
  • Räumliche Auflösung sehr schlecht
  • Artefakte sind problematisch (v.a. bei Kindern/Patienten)
  • Mühsames Verfahren (Vorbereitung/Nachbereitung)
  • Keinen exakte Übertragung Zelle / Signal möglich
 
uni-leipzig/psychologie/module/methoden2neuro/5.txt · Zuletzt geändert: 2011/08/01 18:52 (Externe Bearbeitung)
 
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