Bertram Opitz, UdS 2007 1

Warum EEG/EKP ?

Einpräge-phase

Wieder-erkennen

JA

NEIN

JANEIN

NEIN

JA

Bertram Opitz, UdS 2007 2

Subsequent Memory Effect

später nicht erinnert

später erinnert

Einpräge-phase

Kann man beim Einprbeim Einpräägengenerkennen, an welche Gesichter man sich später erinnert ?

Bertram Opitz, UdS 2007 3

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)und der Thought Translation Device

Niels Birbaumer

Bertram Opitz, UdS 2007 4

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)und der Thought Translation Device

Niels Birbaumer

Bertram Opitz, UdS 2007 5

Warum EEG/EKP ?

Online-Maß

kein offenes Verhalten notwendig

hohe zeitliche Auflösung

Teilaspekte der Informationsverarbeitung aufgrund qualitativ unterschiedlicher Hirnaktivierungen

Bertram Opitz, UdS 2007 6

Hans Berger (1929): Über das Elektroenzephalogramm des Menschen

Bertram Opitz, UdS 2007 7

Typen der EEG-Aktivität

Hans Berger (1924 / 1929):elektrische Potentiale auf der Kopfhaut messbarrhythmische Änderungen

typische Größen:Spannungen: 1 µV – 200 µVFrequenzen: 0.5 Hz – 100 Hzzeitliche Auflösung: 1 ms

Bertram Opitz, UdS 2007 8

Typen der EEG-Aktivität

Bertram Opitz, UdS 2007 9

Typen der EEG-Aktivität

Spontanaktivität

δ - Band .5 – 4 Hz Tiefschlafθ - Band 5 – 7 Hz dösender Wachzustandα - Band 8 – 13 Hz entspannter Wachzustandβ - Band 14 – 30 Hz mental aktivierter Zustandγ - Band 30 – 50 Hz

Bertram Opitz, UdS 2007 10

Typen der EEG-Aktivität

Bertram Opitz, UdS 2007 11

Spontanaktivität

Ereignis-korrelierte AktivitätPotentialverschiebungen des EEG, die wiederholbar und mit gleicher zeitlicher Charakteristik exakt definierten Ereignissen vorangehen oder nachfolgen.

EKP vs. EP ? Evoziertes Potential als Fall des EKP, Reaktion auf einen sensorischen Stimulus

Typen der EEG-Aktivität

Bertram Opitz, UdS 2007 12

MessungMessung = Signal (EKP) + = Signal (EKP) + StStöörsignalrsignal

Bertram Opitz, UdS 2007 13

spontan EEG (Rauschen) um den Faktor 5-20 größerals EKP's (Signal)

Idee: Reaktion Reiz-Signal ist zeitgebunden⇒ also: Latenz und Amplitude konstant⇒ Mittelungsverfahren (averaging) zur

Rauschunterdrückung

Signalextraktion

Bertram Opitz, UdS 2007 14

Signalextraktion

Bertram Opitz, UdS 2007 15

EKP-Komponenten

EKP = Abfolge positiver und negativer Auslenkungen

keine allgemein akzeptierte Definition

Grundrichtungen:(1) physiologisch: EKP-Komponente bestimmt

durch ihre anatomische Quelle

(2) funktional: EKP-Komponente bestimmt durch den assoziierten kognitiven Prozess

EKP-Effekt = Differenz der EKP-Komponentezweier Bedingungen

Bertram Opitz, UdS 2007 16

EKP-Komponenten

Bertram Opitz, UdS 2007 17

Wozu EKP-Komponenten?

ermöglichen vereinheitlichten Sprachgebrauch über einzelne Experimente, Paradigmen und wissenschaftliche Felder hinweg

bilden Basis zur Integration von EKP-Daten mit anderen Maßen der Gehirn-Aktivität

können als Marker für bestimmte kognitive Prozesse dienen

Bertram Opitz, UdS 2007 18

Wie lese ich ein EKP?

•Amplitude

•Polarität

•Latenz

Bertram Opitz, UdS 2007 19

Wie lese ich ein EKP?

•Amplitude

•Polarität

•Latenz

•Topographie

Bertram Opitz, UdS 2007 20

Was lässt sich aus EKPs folgern?

Bertram Opitz, UdS 2007 21

Was lässt sich aus EKPs folgern?

Bedingung A und Bedingung B haben unterschiedliche Auswirkungen.

Bertram Opitz, UdS 2007 22

Was lässt sich aus EKPs folgern?

verschiedene AmplitudenAnnahme: zeigen unterschiedlich starke Aktivierung eines Prozesses an

Bertram Opitz, UdS 2007 23

Was lässt sich aus EKPs folgern?

unterschiedliche Latenz bis zu positiven Maximalwerten X, Ybei bekannter Bedeutung der Peaks weitere Interpretation möglich

Bertram Opitz, UdS 2007 24

Was lässt sich aus EKPs folgern?

verschiedene Onset-Latenzen, d.h. Kurven unterscheiden sich ca. 150 ms nach Reiz-OnsetBestimmung mit statistischem TestZeitwert ist eine obere Schranke

Bertram Opitz, UdS 2007 25

Was lässt sich aus EKPs folgern?

exp. Manipulation zeigt unterschiedliche Effekte an verschiedenen ElektrodenAuslösung verschiedener, zeitlich überlappender neuronaler Prozesse

Bertram Opitz, UdS 2007 26

Hirnstamm

Thalamuskerne

Hirnstamm

Thalamuskerne

primärer Kortex

EKP-KomponentenExogene Komponenten

Bertram Opitz, UdS 2007 27

Die N100

exogene Komponente (modulierbar durch Reizmerkmale), die Eigenschaften von endogenen Komponenten aufweist

erste Verarbeitung auf cortikaler Ebene

auch als N1 bezeichnet

Bertram Opitz, UdS 2007 28

Visuelle N1 und Aufmerksamkeit

Bertram Opitz, UdS 2007 29

Die MMisMMatch-NNegativity (MMN)

Negativierung auf seltene, kleine Abweichungen von Reizmerkmalen (deviants) vom repetitiven Reizumfeld (standard) nach etwa 150 - 200 ms

Bertram Opitz, UdS 2007 30

Die MMN

als Differenz der EKP zwischen deviantdeviant und standardstandard gemessen

Bertram Opitz, UdS 2007 31

Vorteile der MMN

automatisch auslösbar (also auch bei Koma-Patienten)guter Indikator für funktionalen Zustand des Neocortex

Interpretation der MMN: stellt einen Vergleichsprozess zwischen einer Gedächtnisspur und einem gerade präsentierten Stimulus dar

Bertram Opitz, UdS 2007 32

Studie von Fischer et al. (2004)

N=346 komatöse Patienten (Alter: 8-93)

- 125 durch Schlaganfälle- 96 durch Schädel-Hirn-Trauma- 64 durch Anoxie- 54 durch neurochirurgische Komplikationen- 7 durch Enzephalitis

Bertram Opitz, UdS 2007 33

Statistische Auswertung: logistische Regression

10 verschiedene PrädiktorvariablenAlterÄtiologieScore auf Glasgow Coma ScalePupillenreflex (j/n)neurol. Störung (j/n)neurochirurg. Eingriff (j/n)HirnstammpotentialePotentiale mit mittlerer Latenz (j/n)N100 (j/n)MMN (j/n)

komatös nach 1 Jahr (ja vs. nein)

Bertram Opitz, UdS 2007 34

Beispiel: MMN vorhanden vs. nicht vorhanden

Bertram Opitz, UdS 2007 35

Resultate

bester Prädiktor: Pupillenreflex (7.70)2. bester Prädiktor: MMN (4.70)3. bester Prädiktor: N100 (4.15)4. bester Prädiktor: mittlere AEPs (3.58)...… Hirnstammpot. (1.20)

OddsOdds ratiosratios (je gr(je größößer, desto bessere Chancen zum er, desto bessere Chancen zum Aufwachen bei Vorhandensein des Aufwachen bei Vorhandensein des PrPräädiktorsdiktors):):

Bertram Opitz, UdS 2007 36

Die P300

P300 / P3b

· Positive Amplitude mit Latenzzeit 300-600 ms

· Topographie: zentro-parietal

· als Reaktion auf seltene Stimuli

Novelty P3 / P3a

· Positive Amplitude mit Latenzzeit 250-500 ms

· Topographie: fronto-zentral

· als Reaktion auf neue Stimuli

Bertram Opitz, UdS 2007 37

Die P300

Classic Oddball Novelty Oddball

Bertram Opitz, UdS 2007 38

Studie Schall, Catts, Karayanidis & Ward (1999)

P3 bei Schizophrenen reduziert

EKP Komponenten als spezifische Indizes für beeinträchtigte Gehirnfunktion im Zusammenhang mit schizophrenen Symptomen

positive Symptome: temporo-parietaleDysfunktion

negative Symptome: Hypofrontalität

Bertram Opitz, UdS 2007 39

Ergebnisse

große Novel P3

kleine P300

Bertram Opitz, UdS 2007 40

Interpretation

P3a als Wechsel der Aufmerksamkeit– größere P3a stärkere Ablenkbarkeit der

Schizophrenen!!!– Hypofrontalität

P300 als Abgleich des aktuellen Stimulus mit den vorherigen– kleinere P300 schlechtere Reizdiskrimination

der Schizophrenen– temporo-parietale Dysfunktion

Bertram Opitz, UdS 2007 41

Die N400

Negativierung auf semantische Abweichungen um etwa 400 ms

Bertram Opitz, UdS 2007 42

Die N400

... reflektiert Einfluss semantischen Wissens

Bertram Opitz, UdS 2007 43

Die N400

... auch bei Wortpaaren

Bertram Opitz, UdS 2007 44

Episodisches Gedächtnis

Zwei-Prozess-ModellUnterscheidung zwischen bewusster Erinnerung und bloßer Vertrautheit

Ein-Prozess-ModellErinnern und Vertrautheit liegt gleicher neuronaler Prozess zu Grunde, aber unterschiedlich stark

Bertram Opitz, UdS 2007 45

Episodisches Gedächtnis

Vertrautheit: „Den kenne ich, aber keine Ahnung woher“ –The butcher-on-the-bus-phenomenon

Erinnern: „Den kenne ich, und ich weiß auch woher.“ –Räumlicher und zeitlicher Kontext sind abrufbar

Bertram Opitz, UdS 2007 46

Frontaler alt/neu Effekt

Parietaler alt/neu Effekt

altneu

Vertrautheit

Erinnern

Mecklinger (2000)Rugg et al (1998)Curran (2000)

EKP Korrelate von Vertrautheit und Erinnern

Bertram Opitz, UdS 2007 47

Studie von Curran, 2004

Plural-Wiedererkennungs-ParadigmaPluralwort und Singularwort gleichzeitig (z.B. „Katzen-Blume“)Testphase:– Original Plural– Singular als Plural Antwort: „ja“ oder „nein“– Neues Wort

„Ja“ zu Singular als Plural Vertrautheit

Bertram Opitz, UdS 2007 48

Studie von Curran, 2004

Bertram Opitz, UdS 2007 49

Studie von Curran, 2004

Bertram Opitz, UdS 2007 50

Episodisches Gedächtnis

Früher frontaler Alt/Neu-Effekt Vertrautheit

Später parietaler Alt/Neu-Effekt Erinnern

Mit Hilfe der EKP können Teilprozesse des episodischen Erinnerns detailliert untersucht werden