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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.
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)
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.
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)