Elektroenzephalographie (EEG)

Aufzeichnen elektrischer Signale an der Kopfoberfläche:
Das menschliche Hirn in Aktivität untersuchen

Die erste Technik, mit der das menschliche Gehirn in Aktivität untersucht werden kann, wurde von Hans Berger in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts an der Universität Jena entwickelt:
Mit der Elektroenzephalographie (EEG) werden aus dem menschlichen Gehirn stammende elektrische Signale an der Kopfoberfläche aufgezeichnet. Auf diese Weise kann die sich aufsummierende elektrische Aktivität der Nervenzellen nicht-invasiv gemessen werden.

Mittelungstechnik: Berechnen ereigniskorrelierter Hirnpotentiale (EKP)

Mit mathematischen Verfahren kann man aus der im EEG aufsummierten Aktivität Signale einzelner Neuronenverbände extrahieren, die mit einer bestimmten Funktion assoziiert sind.
Seit den 1960er Jahren wird die Mittelungstechnik zur Berechnung so genannter ereigniskorrelierter Hirnpotentiale angewendet (EKP, englisch event-related brain potential, ERP). EKPs sind Potentialänderungen, die zeitlich an ein bestimmtes sensorisches, motorisches, kognitives oder emotionales Ereignis gekoppelt sind. Reproduziert man in einem Experiment bestimmte Ereignisse in einer Vielzahl von Versuchsdurchgängen, so kann man die auf den Ereignistyp bezogenen EKPs extrahieren: durch einfache Mittelung der aufgezeichneten EEG-Epochen, die zeitlich um diese Ereignisse zentriert sind (siehe Abbildung unten). Beispielsweise tritt nach fehlerhaften Antworten in Reaktionszeitexperimenten die error-related negativity auf (ERN, siehe die beiden Abbildungen rechts). Die ERN ist eine negative Potentialänderung von bis zu 15 µV, die etwa 50-100 Millisekunden nach einer fehlerhaften Reaktion ihr Maximum erreicht und eine frontozentrale Verteilung auf der Kopfoberfläche aufweist.

Schematische Darstellung der Messung und Mittelung ereigniskorrelierter Potentiale. Einzelne Wellen werden üblicherweise entsprechend ihrer Polarität und dem zeitlichen Abstand zum auslösenden Ereignis (Latenz) bezeichnet (zum Beispiel N100 = Negativierung nach 100 Millisekunden; P300 = Positivierung nach 300 Millisekunden). Häufig werden negative Potentialausschläge nach oben abgetragen (© MPI für Kognitions- und Neurowissenschaften, Leipzig).

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Voraussetzungen, Stärken und Grenzen der EKP-Messung

Ein EKP kann an der Kopfoberfläche nur messbar sein, wenn einige Bedingungen erfüllt sind. So müssen hinreichend viele Neurone synchronisiert die gleiche Aktivität aufweisen. Damit sich die elektrischen Signale aufsummieren und an die Kopfoberfläche fortgeleitet werden können, müssen sie außerdem geometrisch in einer möglichst parallelen Konfiguration angeordnet sein. Signale von tiefen Strukturen sind schwer messbar. Außerdem ist allein aus der gemessenen Aktivität nicht eindeutig zu bestimmen, wo sich die Quelle des EKPs befindet (inverses Problem). Somit haben EEG und EKP ihre Stärke in der zeitlichen Auflösung, die nahezu unbegrenzt ist. Die räumliche Auflösung ist dagegen relativ gering.

Durch die Mittelung zur Erstellung von EKPs geht auch Information verloren, wie etwa Schwankungen in der Amplitude oder im zeitlichen Ablauf über die einzelnen Ereignisse hinweg.
Heute ist es jedoch möglich, die Dynamik der elektrischen Hirnaktivität über die Dauer des Experiments hinweg und im einzelnen Versuchsdurchgang besser zu analysieren. Zum Beispiel mittels neuer Verfahren zur Quellenseparierung wie der independent component analysis (ICA) und Zeitfrequenzanalysen.

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Ablauf eines EEG-Experiments

Bei einem EEG-Experiment werden der Versuchsperson die Messelektroden am Kopf angelegt. Meist sind die Elektroden in einer Kappe montiert. Um die sehr kleinen Spannungsschwankungen messen zu können, müssen die Übergangswiderstände der Elektroden zur Kopfhaut möglichst niedrig sein. Daher wird ein spezielles Elektroden-Gel appliziert. Idealerweise entfettet die Versuchsperson vor dem Experiment die Kopfhaut durch eine Haarwäsche – ohne Spülungen, Conditioner oder Haarsprays, denn diese wirken isolierend. Für das Experiment setzt sich die Versuchsperson in eine elektrisch und akustisch abgeschirmte Kammer. Dort werden in der Regel Reize wie Bilder und Töne über einen Bildschirm oder Lautsprecher dargeboten, und die Versuchsperson soll bestimmte Aufgaben lösen. Meist werden die Antworten über das Drücken einer Taste abgegeben. Während des Experimentes wird das EEG für die spätere Auswertung aufgezeichnet. Die EEG-Untersuchung ist schmerzfrei und absolut ungefährlich.

 

Technische Ausstattung

Das EEG-Labor ist mit zwei 32-kanaligen EEG-Verstärkern (BrainAmp MR+) ausgestattet, die auch innerhalb des Magnetresonanz-Tomographen einsatzfähig sind. Somit können simultan EEG- und fMRT-Daten erhoben werden. In den EEG-Hauben sind 64 Ag/AgCl-Elektroden montiert, die die Oberfläche des Hirnschädels weitgehend abdecken.

 

Oben: Typischer Verlauf der error-related negativity (ERN) an einer frontozentralen Elektrode.

Unten: Potentialverteilung der ERN auf der Kopfoberfläche. Blaue Farben markieren eine starke Negativierung.

Zu den Bildern siehe auch:
Abschnitt Mittelungstechnik
und Nachwuchsgruppe Kognitive Neurologie