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Beispielbild Empirisches Praktikum Grundlagen des EEG/EKP Neurophysiologie, Messtechnik und Parametrisierung

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Beispielbild

Empirisches Praktikum

Grundlagen des EEG/EKP

Neurophysiologie, Messtechnik und Parametrisierung

2Fachbereich, Titel, Datum

Neurophysiologie

Einzelzellableitungen vs EEG

Beide benutzen die

Methode der Mittelung

(Averaging), aber die

verarbeitete Aktivität

ist auf unterschiedlichem

Level.

Single – Unit =

Aktionspotentials

EEG =

???

3Fachbereich, Titel, Datum

Woher kommt das Signal, das man von der Skalpoberfläche ableiten kann?

Potentiale der EEG-Aktivität beruhen auf...

...elektrochemischer Aktivität der Neurone

...elektrochemischer Aktivität der Muskeln

...elektrische Quellen, die nicht biochemischer Natur sind

Vernachlässigt und/oder kontrolliert man die Artefaktquellen, so beruht das EEG auf den

Ladungsverschiebungen an der Membran der Neurone (Unterschiede in der

Ionenkonzentration)

Dies ist als inhibitorisches oder exzitatorisches postsynaptisches Potential (IPSP, EPSP)

bekannt, der auf der Aufnahme negativer oder positiver Ionen beruht.

EPSPs oder IPSPs, die in grösseren Neuronenverbänden synchron auftreten, generieren

ein elektrisches Feld, welches – trotz Schädelknochen, u.a. – auf der Scalpoberfläche

gemessen werden kann.

Primärer Kandidat für die Generierung des EEG Signals sind – aufgrund ihrer Orientierung,

Ausrichtung und Vernetzung (Interneurone!) - die Pyramidenzellen in den neocorticalen

Zellschichten.

4Fachbereich, Titel, Datum

Ein einfaches Schema zur Generierung des EEG Potentials:

5Fachbereich, Titel, Datum

Ein komplexeres Schema zur Generierung des EEG Potentials:

EPSP

Summation

der EPSPs

Effekt gleicher

Orientierung

6Fachbereich, Titel, Datum

Woher kommt der Grundrhythmus im EEG ?

Eine synchone Aktivierung der

Apikaldendriten wird schon durch

den Thalamus vorgegeben (8-12 Hz).

Diese Aktivierung kann durch

die Aktivierung der aufsteigenden

retikulären Formation unterbrochen

werden.

7Fachbereich, Titel, Datum

Elektroden:

Welches Material?

Welches Elektrolyt?

Welche Befestigung?

Welcher Widerstand?

Und: Welche Referenz?

Da es keinen elektrischen Nullpunkt gibt, können nur Potentialdifferenzen

erfasst werden. Dies erfordert einen Referenzelektrode, die an einer

möglichst ‚neutralen‘ Referenz angebracht wird.

8Fachbereich, Titel, Datum

Möglichkeiten der Verschaltung von Elektroden:

1. Bipolare Ableitung (Differenz zweier aktiver Elektroden)

2. Unipolare Ableitung (Differenz mehrerer aktiver Elektroden gegen eine

gemeinsame Referenz)

+ +

--

0

+ +

--

+3

--

++

EOG

+/-

Differenz-

Potential

9Fachbereich, Titel, Datum

Grundschema der Elektrodenpositionierung: 10-20-System

-Berücksichtigt unterschiedliche Schädelmaße

-Kodiert die Lateralität und Position der Elektroden

10Fachbereich, Titel, Datum

Ein einfaches Schaltbild für physiologische Ableitungen

2 Elektroden

erste Verstärkung

des Eingangssignal

( x 200)

Hauptverstärkung

des Eingangssignal

( Transformation

in Voltbereich)

Filterung

Digitalisierung

Speicherung

11Fachbereich, Titel, Datum

Die ‚bösen‘ Artefakte...

EEG-Potentiale (Alpha ca. 80uV, ERPs: 10uV) werden bedroht durch...

1. Technische Störungen (Netzbrumm, Monitorfrequenz)

2. Bewegungen der Vp (Sprechen, Kopfbewegung, Blase)

3. Kabelwackler

4. Bewegungen der Augen

5. Extrakortikale physiologische Spannungsänderungen

12Fachbereich, Titel, Datum

Typen von Filtern

Hochpaßfilter

Tiefpaßfilter

Bandpaßfilter

Bandsperre

Langsame Drifts

EMG

kombiniert

50 Hz

Hz Hz

Hz Hz

13Fachbereich, Titel, Datum

Prinzip der

Digitalisierung

Durch die

Abtastrate wird

die zeitliche

Exaktheit des EEG

festgelegt.

Sie liegt im

Bereich von 100

Hz bis zu 1kHz!

Gefahr :Zu

niedrige

Abstastrate führt

zu Artefakten

(Aliasing)

14Fachbereich, Titel, Datum

Averaging : X(i) = E(i) + t(i)

15Fachbereich, Titel, Datum

Jetzt mal im Ernst...

Das Mitteln beruht darauf, daß sich die Amplitude des Rauschens

(Störreize, Hintergrund-EEG) mit steigender Anzahl der Trials gegen

0 bewegt. ...wenn dem so sein sollte

Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, daß der wahre Wert (hier: stimu-

lationsbedingte Aktivität) sich herausheben kann.

Gesetz des Signal-Rausch-Verhältnisses: 1 : SQR(n)

mit n=Anzahl der Trials

16Fachbereich, Titel, Datum

Bestimmung von Potentialkomponenten

Ein ereigniskorreliertes Potential (EKP) ist durch eine Folge von

Komponenten charakterisiert, die durch die a) Latenz, b) Amplitude

und c) Topographie gekennzeichnet sind.

Die Komponenten können einander im Laufe der Zeit überlagern

(siehe topographische Änderungen).

Die Parametrierung der Komponenten unterliegt sowohl dem Verlauf

des Potentials, wie auch individuellen Vorlieben.

17Fachbereich, Titel, Datum

Möglichkeiten der Parametrisierung der EKP-Komponenten

18Fachbereich, Titel, Datum

Multikanalableitungen

„Das ist schön und gut, aber was mache ich damit ?“

19Fachbereich, Titel, Datum

Multikanal-

ableitungen

Um eine relative

Verteilung der

Spannungswerte über

dem Skalp zu

erhalten, muß die

Spannung auf einem

Kanal relativ zur

Gesamtspannung

(Summe über alle

Elektroden)

betrachtet werden.

Verteilung kann nicht

betrachtet werden,

wenn nur die lokale

Ausgangsreferenz

berücksichtigt wird.

20Fachbereich, Titel, Datum

Sinn der Multikanalableitungen:

Differenzierung von Verarbeitungszuständen

21Fachbereich, Titel, Datum

Ein Kompendium der wichtigsten EKP-Komponenten

Glaubenssatz 2: Bei 100ms kann eine Unterteilung in exogene

und endogene Komponenten unternommen werden

physikalisch

variierbar

‚psychisch‘

variierbar

22Fachbereich, Titel, Datum

Visuell evozierte Potentiale (VEP)

Komponenten: N1 (80 ms) und P1 (110

ms)

Modulatoren: Kontrast, Luminanz,

Gesichtsfeld, Aufmerksamkeit

Prozess: Visuelle Verarbeitung von

Luminanzunterschieden

Generatoren: Extrastriärer Cortex

(Die M1-Komponente um 60 ms soll aus

V1 stammen)

23Fachbereich, Titel, Datum

Akustisch evozierte Potentiale (AEP)

Komponenten: frühe

Hirnstammantworten (bis 10ms), mittlere

Latenzantworten (10-50ms), und späte

cortikale Antworten (N1 um 100 ms)

Modulatoren: Lautstärke, Frequenz,

Gleichgewicht, Relevanz (ab 40 ms !)

Prozess: Aktivität auf einzelnen Stufen

der Informationsverarbeitung (I-VII:

einzelne Kerngebiete im Hirnstamm, N0 –

Nb: Mittelhirn bis auditiver Kortex, N1:

supratemporaler Kortex, Gyrus

temporalis)

Generatoren: s.o.

24Fachbereich, Titel, Datum

Somatosensorisch

Evozierte Potentiale (SEP)

Chemosensorisch

Evozierte Potentiale (CEP)

Komponenten: langsames Potential ab ca. 400ms

Modulatoren: Intensität des Geruchs oder

Geschmacks

Prozess: ?

Generatoren: ?

Komponenten: frühe

Antworten zwischen 20 and 80

ms. Latenz reflektiert

Leitungsgeschwindigkeit

Modulatoren: Intensität des

Stimulation, Relevanz

Prozess: Rezeptorpotentiale,

subcorticale Quellen und

cortikale Quellen im

somatosensorischen Cortex

(N70)

25Fachbereich, Titel, Datum

EKP – Komponenten der selektiven

Aufmerksamkeit: N2, Nd, MMN..

Komponenten: Negative Potentiale ab ca. 100 ms

Modulatoren: Relevanz oder einfache physikalische

Abweichung

Prozess: Verarbeitungsnegativität/Nd = Einleitung

höherer Verarbeitung aufgrund eines

Selektionsprozesses; MMN/N2= Abweichung vom

Kontext

Generatoren: unklar: evt. frontaler Cortex

26Fachbereich, Titel, Datum

Klasse der P3-Komponenten

Komponenten: Positivierungen ab ca. 250 ms

Modulatoren: Relevanz, Wahrscheinlichkeit,

Komplexität, Speicheraufwand, Abrufleistung

Prozess: P3a (frontal) = Neuheitsdetektor, P3b (parietal)

= „context updating“, P3e = Orientierungsreaktion; evt.

Aber auch Übergang in eine kontrollierte Verarbeiting,

oder ein globaler Hemmungsmechanismus

Generatoren: unklar: evt.frontaler Cortex (P3a) oder

inferiorer Temporalcortex (P3b)

27Fachbereich, Titel, Datum

N400-Effekt: Sprache oder

deklaratives Gedächtnis ?

Komponenten: Relative Negativierung ab ca.

250 ms

Modulatoren: Grad der semantischen

Abweichung innerhalb eines Satzes,

semantische Inkongruenz von Wortpaaren,

arithmetische Inkongruenz

Prozess: Grad der Aktivierungsausbreitung

(automatisch?) in einem semantischen Netzwerk.

Oder kontrollierte postlexikalische Suche.

Generatoren: unklar

28Fachbereich, Titel, Datum

Das Bereitschaftspotential

Komponenten: Relative

präcentrale Negativierung, die

einer willkürlichen Bewegung ca.

1000 ms vorausgeht.

Modulatoren: Exekutive

Hemisphäre, Willkür des

Vorbereitungsprozesses,

Vorbereitete Hand

Prozess: Motorische

Vorbereitung

Generatoren: motorischer

Cortex, SMA

29Fachbereich, Titel, Datum

CNV (Contingent Negative Variation)

Komponenten: Relative präcentrale

Negativierung, die von einem validen

Warnsignal ausgelöst wird..

Modulatoren: Exekutive Hemisphäre,

Validität des Vorbereitungsprozesses,

Vorbereitete Hand

Prozess: Motorische Vorbereitung,

Erwartungshaltung (E & O - Wave)

Generatoren: motorischer Cortex,

SMA, u.a.

30Fachbereich, Titel, Datum

Weiterführende Literatur

Schandry, R : „Grundlagen der Psychophysiologie“, PVU, Kapitel 3 (Messmethodik) & Kapitel 8

(EEG)

Rugg, M.D. & Coles, M.G.H. (Eds.) : „Electrophysiology of Mind“, Oxford University Press, Kapitel 1

(Coles & Rugg: Event-related brain potentials: An introduction) & Kapitel 2 (Rugg & Coles: The ERP

and cognitive psychology)

Rugg, M.D. (Ed.): „Cognitive Neuroscience“, Psychology Press, Kapitel 7 (Kutas & Dale: Electrical

and magnetic readings of mental functions)

Boller, F. & Grafman (Eds.) „Handbook of Neuropsychology: Volume 1“ (2nd edition), Elsevier,

Kapitel 7 (Münte et al.: Event-related brain potentials in the study of human cognition and

neuropsychology)