II EEG & EP ELEKTROENZEPHALOGRAPHIE (EEG) UND EREIGNISKORRELIERTE POTENTIALE

Elektroenzephalographie

II. EEG & EP

Elektroenzephalographie (EEG) und Ereigniskorrelierte Potentiale (EKP)

Voraussetzungen

Kenntnisse (i) der Erregungsprozesse an der Nervenzelle, der Informationsübermittlung an Synapsen sowie der Physiologie von Nervenzellverbänden, (ii) der Topographie der Hirnrinde, (iii) der Grundlagen der EEG-Messmethodik und des typischen EEG im Wach- bzw. Schlafzustand und (iiii) der Schlafstadien.

Inhaltsübersicht

1. EEG-Grundlagen

2. EKP- bzw. EP-Grundlagen

2.1 Klassifikation ereigniskorrelierter Potentiale (EKP)

2.2 Methodisches Vorgehen bei der Aufnahme ereigniskorrelierter Potentiale (EKP)

2.3 Klinische Bedeutung exogen evozierter Potentiale (EP)

2.4 Beispiele für endogene ereignisgekoppelte Potentiale

2.4.1 P300

2.4.2 Erwartungspotential / Contingent Negative Variation (CNV)

2.4.3 Bereitschaftspotential (BP)

3. Praktischer Teil EEG / EKP

3.1 Gruppe A: EEG im Wachzustand und Artefakte im EEG

3.1.1 Methodisches Vorgehen

3.1.1.1 Anlegen der Elektroden für die EEG-Messung

3.1.1.2 EEG-Aufnahme

3.1.2 Artefakte

3.1.2.1 Biologische Artefakte

3.1.2.2 Nichtbiologische Artefakte

3.2 Gruppe B: Ereigniskorrelierte Potentiale

3.2.1 Registrierung akustisch evozierter Potentiale

3.2.2 Fragen zu obigen Experimenten (vor dem Praktikum auszuarbeiten)

4. Auswertung

4.1 Auswertung der EEG-Registrierungen

4.2 Auswertung der EKP-Registrierungen

5. Schlaf-EEG

Cave: Die 3 Fragen unter Punkt 3.2.2 sind im Rahmen Ihrer Praktikumsvorbereitungen bereits vor Beginn des Praktikums auszuarbeiten!

Abkürzungen

EEG: Elektro-Enzephalo-Gramm bzw. -Graphie

EKP: Ereignis-korreliertes Potential

EP: evoziertes Potential

AEP: akustisch evoziertes Potential

VEP: visuell evoziertes Potential

SEP: somatosensorisch evoziertes Potential

P300: kognitiv erzeugtes positives Potential nach ca. 300 ms

CNV: Contingent Negative Variation

BP: Bereitschaftpotential

1. EEG-Grundlagen

Mithilfe der Elektroenzephalographie (EEG) kann die Aktivität des menschlichen Gehirns nicht-invasiv untersucht werden. Das Verfahren ermöglicht im Gegensatz zu bildgebenden Verfahren eine zeitliche Auflösung im Millisekunden-Bereich, was für die zerebrale Funktionsdiagnostik von wesentlicher Bedeutung ist. Im Praktikum werden Elektroenzephalogramme im Wachzustand abgeleitet, wobei Artefakte als nicht aus dem Gehirn stammende Potentiale berücksichtigt werden. Die hohe zeitliche Auflösung des EEG wird bei der Aufnahme ereigniskorrelierter Potentiale dazu verwendet, die Dynamik von Verarbeitungsprozessen im Gehirn zu untersuchen. Verschiedene Stadien des Übergangs vom Wachsein zum Schlafen werden anhand charakteristischer EEG-Merkmale unterschieden.

Seit etwa 100 Jahren ist bekannt, dass das Gehirn eine ständige elektrische Aktivität zeigt. Diese ist unterschiedlich, je nachdem, ob man wach ist, schläft oder träumt. Der Psychiater Hans Berger entwickelte ab ca. 1920 ein Verfahren zur Messung elektrischer Aktivität des Gehirns durch Ableitung von der intakten Kopfhaut des Menschen. Berger bezeichnete diese Methode in mehreren Veröffentlichungen ab 1929 als „Elektroenzephalographie“. Das EEG dient v. a. der Diagnostik epileptischer Anfälle. Seit einigen Jahren ist bekannt, dass viele Medikamente, insbesondere solche aus der Gruppe der Psychopharmaka, das EEG beeinflussen können. Darüber hinaus wird ein Erlöschen der elektrischen Hirnaktivität, das so genannte Null-Linien-EEG, als ein Kriterium des Hirntodes benutzt.

Es wird angenommen, dass das EEG die Summation postsynaptischer inhibitorischer und exzitatorischer Hirnpotentiale (IPSP/EPSP) darstellt. Diese werden im EEG sichtbar, wenn große Gruppen von Nervenzellen, deren Dendriten parallel zueinander verlaufen, synchron aktiv sind. Die Potentialschwankungen im EEG werden hauptsächlich durch den Wachheitsgrad bestimmt. Sie variieren in Amplitude und Frequenz. Besonders charakteristische rhythmische Potentialschwankungen im EEG bezeichnet man in Abhängigkeit von der vorherrschenden Frequenz als „Alpha-“, „Beta-“, „Delta-Wellen“ usw., obwohl es sich dabei im streng physikalischen Sinne nicht um Wellen handelt.

Alpha-Rhythmus: Alpha-Wellen herrschen beim wachen Erwachsenen in Ruhe bei geschlossenen Augen vor. Alpha-Wellen bestehen aus regelmäßigen, synchronisierten Wellen, die in der Regel eine Amplitude von 20-100 µV und eine Frequenz von 8-13 Hz haben. Der Alpha-Rhythmus ist in der okzipitalen Region am stärksten ausgeprägt. Eine „Alpha-Blockade“ (Unterbrechung der Alpha-Aktivität) tritt auf, wenn die Augen geöffnet werden, bei erhöhter Aufmerksamkeit oder bei geistiger Aktivität.
Beta-Rhythmus: Beta-Wellen haben eine höhere Frequenz als Alpha-Wellen (zwischen 14 und 30 Hz). Die Amplitude ist kleiner als die der Alpha-Wellen. Der Beta-Rhythmus gilt allgemein als die Wellenform, die immer dann auftritt, wenn das Gehirn „aktiv“ ist.
Theta- und Delta-Rhythmus: Obwohl der Theta-Rhythmus (4 bis 7 Hz) auch im Wachzustand beobachtet werden kann, tritt er in der Regel zusammen mit der Delta-Aktivität (0,5 bis 3,5 Hz) nur während der verschiedenen Stadien des Schlafzustandes auf (s.u.).

Ein normales EEG enthält neben den genannten Komponenten auch höherfrequente Anteile, wie z.B. Gamma-Rhythmen (um 40 Hz). EEG-Aktivität in diesem Frequenzbereich ist allerdings nicht ohne weiteres von Artefakten abzugrenzen. Zu ihrer Registrierung sind spezielle Verfahren, ähnlich der Methodik für evozierte Potentiale (s.u.), erforderlich. Neueren Untersuchungen zufolge entwickelt sich der Gamma-Rhythmus, wenn das Gehirn besonders aktiv ist, z.B. wenn eine Versuchsperson eine schwierige Aufgabe bearbeitet.

2. EKP- bzw. EP-Grundlagen

Abgesehen von der Aufzeichnung der „spontanen“ elektrischen Aktivität des Gehirns ist es möglich, bestimmte elektrische Potentiale im Gehirn auszulösen (zu evozieren). Dies geschieht durch Anwendung unterschiedlicher sensorischer, physikalisch definierter Reize (akustisch, visuell, taktil oder thermisch). Die reizinduzierten Veränderungen des EEG können - dank ihrer zeitlichen Kopplung an den Reiz - mittels Verfahren der digitalen Signalverarbeitung von der spontanen Aktivität abgegrenzt werden. Solche „evozierten Potentiale“ werden gemeinsam mit Antworten auf „innere Ereignisse“ (z.B. Registrieren eines abweichenden Reizes in einer Serie von Standardreizen) auch unter dem Oberbegriff „ereigniskorrelierte Potentiale“ (EKP) zusammengefasst.

2.1 Klassifikation ereigniskorrelierter Potentiale (EKP)

Evozierte Potentiale werden durch äußere (exogene) Reize ausgelöst. Aber auch „innere“ (endogene) Ereignisse bewirken charakteristische Potentialänderungen. Beide Formen können unter dem Oberbegriff "Ereignis-korrelierte Potentiale" (EKP) zusammengefasst werden (engl. "Event-Related Potentials", ERP).

EKP lassen sich demnach definieren als

- Potentiale, die in festem zeitlichen Zusammenhang zu einem externen oder internen Ereignis stehen bzw. als

- Potentiale, die vor, während oder nach einem physikalischen, „psychischen“ oder motorischen Ereignis auftreten.

Das folgende Diagramm gibt einen Überblick über die physiologischen und klinischen Anwendungsmöglichkeiten der Analyse ereigniskorrelierter Potentiale.

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2.2 Methodisches Vorgehen bei der Aufnahme ereigniskorrelierter Potentiale (EKP)

Veränderungen des EEG durch definierte Ereignisse wie z.B. Sinnesreize sind nicht ohne weiteres von den „spontanen“, nicht reizinduzierten Veränderungen des EEG zu unterscheiden. Um die Antworten auf Sinnesreize vom „Spontan-EEG“ trennen zu können, lässt man Reize zu definierten Zeitpunkten wiederholt auftreten und mittelt die auf die jeweiligen Reize folgenden EEG-Abschnitte. Dadurch werden die reizbezogenen EEG-Anteile relativ zu den nicht reizbezogenen Anteilen „verstärkt“. Zur Quantifizierung solcher gemittelter exogen oder endogen evozierter Potentiale werden die Amplituden und die Latenzen herangezogen. Unter „Latenz“ versteht man die Zeit, die - bezogen auf den Reizbeginn - bis zum Auftreten bestimmter charakteristischer Wellen im EEG vergeht.

Die folgende Abbildung zeigt ein in unserem Labor aufgezeichnetes und selektiv gemitteltes exogen evoziertes Potential (EP) und verdeutlicht diese Zusammenhänge.

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Die spezifischen Ausschläge im EEG, also jene Potentialschwankungen, die in unveränderlicher, immer gleicher Form auf den Reiz folgen, werden mit zunehmender Summierung (größer werdender Reizzahl) deutlicher. Mit speziellen Computerprogrammen kann das arithmetische Mittel der summierten Kurven gebildet werden („Averaging“). So werden die EKP im EEG deutlich, obwohl ihre Amplituden relativ klein sind (1 bis 30 µV).

Die Abbildung auf der folgenden Seite zeigt ein typisches EKP nach einem akustischen Reiz. Es wurde durch Mittelung von 192 Einzelepochen-EP, die am Vertex abgeleitet wurden, erhalten. Die mit N (negativ) und P (positiv) bezeichneten Gipfel repräsentieren Aktivität aus Thalamuskernen, dem akustischen Kortex und Assoziationsarealen. In der Abbildung - wie auch in Ihren Registrierungen während des Praktikums - fehlen die sog. Hirnstammpotentiale, die in den ersten 10 ms in verschiedenen Umschaltstationen des akustischen Systems generiert werden. Die Komponenten zwischen 10 und 200 ms entstehen überwiegend in den spezifischen Projektionsarealen des Neokortex. Ihre Amplitude ändert sich vor allem in Abhängigkeit von den physikalischen Charakteristika des Reizes, v.a. seiner Intensität. Diesen exogenen Komponenten werden die endogenen Komponenten gegenübergestellt, die ab ca. 300 ms zu registrieren sind. Sie zeigen Variationen in Abhängigkeit von psychischen Veränderungen und sind nicht mehr von den physikalischen Reiz- und Reaktionsbedingungen allein abhängig.

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(Beachte: Im EEG werden oberflächennahe Negativierungen üblicherweise durch Ausschläge nach oben markiert.)

2.3 Klinische Bedeutung exogen evozierter Potentiale (EP)

Evozierte Potentiale werden in der Klinik als diagnostische Kriterien für otologische, ophthalmologische und neurologische Krankheitsbilder verwendet:

AEP (v.a. Hirnstammpotentiale [frühe AEP, FAEP]): Hörstörungen; v.a. als objektive Audiometrie im Kindesalter („brainstem evoked response audiometry“, BERA).

Achtung: Hirnstammpotentiale unterscheiden sich hinsichtlich ihres zellphysiologischen Entstehens und ihres frühen zeitlichen Auftretens (Latenz <10 ms) von allen anderen EP.

VEP: entzündlich-degenerative Erkrankungen des ZNS. Hier ist insbesondere die Enzephalomyelitis disseminata (Multiple Sklerose) zu nennen. Bei dieser Erkrankung, die mit herdförmiger Entmarkung im ZNS einhergeht, ist die Reizleitungszeit durch den Sehnerven verlängert.

SEP: Schädigungen peripherer Nerven, z.B. durch Kompression; Erkrankungen des Rückenmarks, z.B. raumfordernde Prozesse oder Degeneration von Leitungsbahnen.

2.4 Beispiele für endogene ereignisgekoppelte Potentiale

2.4.1 P300

Die P300-Welle mit einer Latenz von ca. 300 ms (bis 500 ms) ist über dem parietozentralen bis frontalen Kortex besonders ausgeprägt. Verallgemeinernd kann gesagt werden, dass dieses Potential nach einem Ereignis (Reiz) auftritt, dem die Versuchsperson eine Bedeutung zumisst. Beispielhaft für Versuchsbedingungen, unter denen eine P300-Welle registriert werden kann, sind:

- das "Odd ball" Paradigma (wird im Praktikum geprüft):

Die Versuchsperson soll seltene Testtöne (B) von häufigen Kontrolltönen (A) differenzieren und mental markieren, wobei die Testtöne in Frequenz oder Lautstärke von den Kontrolltönen abweichen. Eine Positivierung tritt typischerweise etwa 300 ms nach dem seltenen Reiz auf. Besonders ausgeprägte P300-Potentiale sind zu erwarten, wenn für das korrekte markieren der Testtöne eine Belohnung versprochen wird.

A A A B A B A A A A A A B A

- das "Omitted stimulus" Paradigma:

Unerwartetes Auslassen einzelner Reize in einer Reizfolge. P300 tritt nach dem Zeitpunkt, zu dem das (fehlende) Signal vom Probanden erwartet wurde.

A A A A A A A A A A A A

Klinische Anwendung: In der Diagnostik verspricht man sich von P300-Untersuchungen eine objektive Testung kognitiver Funktionen, die z.B. bei Demenz, Schizophrenie oder hepatischer Enzephalopathie eingeschränkt sein können.

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2.4.2 Erwartungspotential / Contingent Negative Variation (CNV)

Verbindet man zwei Reize zu einem Muster und weist dem ersten Stimulus (S1) eine „warnende“ und dem zweiten (S2) eine imperative Eigenschaft zu, so folgt auf das Potential nach S1 eine langsam zunehmende Negativität (Alltagsbeispiel für derartige Reizmuster: „Gelb-Grün“ an der Ampel, „Auf die Plätze-fertig-los“ in der Leichtathletik). Diese Negativierung wird als Ausdruck kortikaler Verarbeitungsprozesse interpretiert, welche die Effizienz der folgenden Reaktion erhöhen. Eine ausgeprägte CNV korreliert mit guten Leistungen bei Reaktionsprüfungen und Diskriminierungsexperimenten.

Klinische Anwendung: Die Prüfung der CNV ermöglicht Rückschlüsse darüber, ob ein akustischer oder visueller Reiz (S1) wahrgenommen und verarbeitet wurde (Psychiatrie).

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Contingent Negative Variation (CNV): Warten auf einen Ton nach einem Lichtsignal

(Abb. 4 in Tecce, 1972)

2.4.3 Bereitschaftspotential (BP)

Lässt man eine Versuchsperson wiederholt im selbst bestimmten Tempo eine motorische Handlung ausführen (z.B. eine Fingerbewegung) und mittelt die der Handlung vorausgehende (und durch den Handlungsbeginn markierte) EEG-Aktivität, so stellt sich ein langsam ansteigendes, oberflächennegatives Potential dar, das ca. 1 s vor Bewegungsbeginn anfängt und mit dem Bewegungsbeginn abrupt abbricht. Diese als Bereitschaftspotential (BP) bezeichnete Negativierung, die sich besonders über den frontalen, parietalen und limbischen Assoziationskortizes beider Hemisphären ableiten lässt, spiegelt die neuronale Organisation der Bewegungsplanung wider. Etwa 150 ms vor der Bewegung wird das Potential positiver. Lediglich das sich dann anschließende Motorpotential, das ca. 50 ms dauert, ist nur auf der zur Bewegung kontralateralen Seite des Kortex vorhanden.

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Bereitschaftspotential (BP; aus Deecke & Kornhuber, 1977)

3. Praktischer Teil EEG / EKP

Die Teilnehmer(innen) werden in zwei Gruppen aufgeteilt. Eine Gruppe bleibt im Praktikumsraum zur EEG-Messung (Gruppe A). Die andere Gruppe (Gruppe B) geht mit einem Praktikumsassistenten in unser Laboratorium zur Messung ereigniskorrelierter Potentiale (Raum 007). Anschließend tauschen die Gruppen.

3.1 Gruppe A: EEG im Wachzustand und Artefakte im EEG

3.1.1 Methodisches Vorgehen

Verteilen Sie sich bitte auf die zwei vorhandenen Messplätze.

Das EEG wird von der intakten Kopfhaut der Schädeldecke abgeleitet. Bei jeder EEG-Ableitung wird die Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden registriert. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten:

Wenn man zwischen zwei Elektroden auf der Schädelkonvexität misst – sich also unter beiden Elektroden das Potential ändert - spricht man von einer bipolaren Ableitung.
Wird eine der zwei Elektroden an einer entfernten Körperstelle (z.B. an einem Ohrläppchen) angelegt, wo sie ein von Gehirnströmen weitgehend unbeeinflusstes „konstantes“ Potential ableitet, ist die Ableitung unipolar.

Wir werden unipolar ableiten. Im Prinzip kann die Referenzelektrode an jeder Stelle des Körpers angelegt werden. Allerdings muss man darauf achten, dass man nicht andere elektrische Potentiale des Körpers (Herzmuskel [EKG], Skelettmuskel [EMG], Auge [EOG], u.a.) miterfasst. Unter diesem Gesichtspunkt ist das Ohrläppchen am besten geeignet. Da jeder Mensch wie eine Antenne eine Vielzahl elektrischer Wechselfelder, insbesondere das Wechselfeld der Netzspannung (50 Hz) „einfängt“, muss die Versuchsperson zur Abschirmung von diesen Wechselfeldern zusätzlich geerdet werden. Das geschieht durch Anlegen einer Elektrode am anderen Ohrläppchen.

Aufgenommen wird das EEG mit Hilfe des PC-Programms „EEG-Schreiber“, mit dessen Hilfe die Veränderungen aus beiden Kanälen dargestellt werden. Falls nicht bereits aktiv, starten Sie das Programm.

Bitte wählen Sie für die EEG-Verstärker folgende Grundeinstellung:

Verstärkung 20 k ( = 20.000 )
High pass-Filter (HP) in Position 0.5 Hz
Low pass-Filter (LP) in Position 20 Hz
50-Hz-Filter in Position EIN

Die Elektroden werden folgendermaßen mit den Verstärkern verbunden:

Die aktiven Elektroden werden mit den Eingängen „Cz“ bzw. „O1“ verbunden.
Die Referenzelektrode (linkes Ohr) wird mit dem Eingang Referenz verbunden.
Die Erdelektrode (rechtes Ohr) wird mit dem Eingang „Schirm“ verbunden.

3.1.1.1 Anlegen der Elektroden für die EEG Registrierung

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Elektroden-Positionen nach dem internationalen 10-20-System

der Deutschen Gesellschaft für klinische Neurophysiologie (DGKN)

Ableitungspositionen: Die zwei Elektroden werden zentral (Cz) und okzipital links (O1) platziert. Zusätzlich muss von den beiden Ohrläppchen abgeleitet werden (Referenz- und Erdungselektrode). Die Elektroden sollen einen möglichst stabilen mechanischen und elektrischen Kontakt mit der Haut haben.

Versuchspersonen: Bitte wählen Sie aus Ihrer Gruppe zwei Versuchspersonen aus. Bei beiden wird das EEG im Wachzustand registriert (auch zur Registrierung biologischer und nichtbiologischer Artefakte, s.u.). Die Elektroden werden nach dem "10-20''-System platziert.

Mit einem Maßband wird der Abstand Nasion-Inion gemessen. Auf der Hälfte (50%) dieser Distanz soll die Vertex-Elektrode liegen (bitte markieren). Von der Gesamtdistanz Nasion-Inion (z.B. 37 cm) berechnen Sie 10% (in diesem Falle also 3,7 cm). Markieren Sie die Position 10% über Inion für Okzipital-Zentral (Oz).

Messen Sie danach bitte den Kopfumfang (z.B. 58 cm). Bei der Messung des Kopfumfanges ist darauf zu achten, dass das Messband durch die bereits festgelegte Position Oz geht. Berechnen Sie vom erhaltenen Wert 10% des halben Kopfumfanges (hier also 2,9 cm). Um die Position O1 zu ermitteln, tragen Sie von Oz aus den errechneten Wert nach links ab.

Die weiteren Schritte sind folgende:

- Achten Sie darauf, dass die Stellen, an denen die Elektroden platziert werden sollen, frei zugänglich sind. Es sollen möglichst wenige Haare zwischen Kopfhaut und Elektrodenoberfläche liegen.

- Entfetten Sie die Haut an den Stellen, an welchen die Elektroden platziert werden sollen, mit dem bereitstehenden Alkohol.

- Befestigen Sie die Kleberinge an den Elektroden, streichen Sie Elektrodenpaste in die Vertiefung der Elektroden, und kleben Sie diese mit den Kleberingen auf dem Kopf fest.

- Verbinden Sie in der oben beschriebenen Weise die Elektroden mit den Verstärkern. Befestigen Sie an jedem Ohr eine Elektrode; diese Elektroden werden als Referenz- und Erdungselektrode mit dem Verstärker verbunden. Dabei sollte die linke Ohrelektrode als Referenz benutzt werden.

- Starten Sie jetzt bitte das EEG-Schreiber Programm und lassen Sie sich die Bedienung von unseren Mitarbeiter(inne)n erklären.

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Die Abbildung zeigt beispielhaft den Effekt, der im EEG auftritt, wenn die Versuchsperson mit geschlossenen Augen Alpha-Wellen zeigt und dann die Augen öffnet ( grüne Markierung ).

Wenn Sie bisher alles richtig gemacht haben, werden Sie jetzt die elektrische Spontanaktivität in

der Zentralregion und dem linken Okzipitallappen des Gehirns auf dem PC-Monitor sehen. Lassen Sie das Programm laufen, bis alle Messungen durchgeführt sind. Das EEG wird für eine Messzeit von bis zu einer Stunde gespeichert. Wählen Sie im oberen Bereich des Fensters die entsprechende Beschriftung für Ihren jeweiligen Versuch aus. Nach Klicken von markiere EEG im PC-Programm werden die entsprechenden Markierungen gesetzt und in der links angezeigten Mess-Tabelle angegeben.

3.1.1.2 EEG-Aufnahme

1. Die Versuchsperson soll sich entspannen und die Augen schließen (bitte nicht schlafen!).

2. Jetzt beginnen Ihre Versuche.

Registrieren Sie mehrere EEG-Abschnitte, je ca. 10 s, während die Versuchsperson die Augen jeweils geöffnet oder geschlossen hat. Markieren Sie durch Klicken des Icons markiere EEG, wann die Versuchsperson Ihre Anweisungen („Augen auf“, „Augen zu“) ausgeführt hat. Diese Markierungen können Sie nach der Beendigung aller Versuche auswählen und ausdrucken.

3.1.2 Artefakte

Eine Vielzahl von extrazerebralen Spannungsschwankungen (vor allem von Herz- und Skelettmuskel) kann die elektrische Hirnaktivität überlagern und dadurch die Kurven erheblich stören. Solche Artefakte lassen sich jedoch meistens erkennen. Allerdings können Artefakte Hirnpotentialen ähnlich sehen, so dass selbst einem erfahrenen EEG-Auswerter die Interpretation der „abnormen Potentiale“ Schwierigkeiten bereiten kann. Die Quelle solcher Störpotentiale kann in der zu untersuchenden Person selbst liegen (biologische Artefakte); Störungen können aus dem EEG-Gerät stammen oder von extern über den Probanden und über das Ableitsystem sowie über die Elektroden und Anschlüsse eingestreut sein.

In der folgenden Aufgabe wollen wir Formen und Ursachen typischer Artefakte demonstrieren. Die Versuchsperson soll mit geöffneten Augen ruhig liegen. Registrieren Sie folgende Artefakte:

3.1.2.1 Biologische Artefakte

Stellen Sie bitte am Verstärker den Low-pass-Filter (LP) von 20 auf 100 Hz um.

Die Versuchsperson soll nacheinander Folgendes tun:

mit den Augen blinzeln, ohne jedoch den Kopf zu bewegen
mit den Zähnen knirschen
schlucken

Wählen Sie vor jedem Befehl die richtige Beschriftung im Programm und markieren Sie den Zeitpunkt Ihrer Anweisung an den Probanden.

3.1.2.2 Nichtbiologische Artefakte

Um einige Beispiele nichtbiologischer Artefaktes aufzuzeichnen, sollen Sie folgende Versuche durchführen:

Bewegen Sie ein elektrostatisch aufgeladenes Plexiglaslineal in der Nähe der EEG-Elektroden.
Gehen Sie einige Schritte vor dem Probanden auf und ab.
Schalten Sie am EEG-Verstärker kurz den 50 Hz Filter aus.

Die folgende Abbildung zeigt weitere Effekte von biologischen und nichtbiologischen Einflüssen auf das EEG.

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(a) Biologische Artefakte: 1. Lidschlag - 2. Muskelaktivität beim Schlucken - 3. Schwitzen - 4. Bewegung der Beine - 5. Herzschrittmacher - 6. Tremor.

(b) Gerätestörung: 1. Wechselstromstörung durch Ausfall der Erdung - 2. inkorrekte Einstellung der Null-Linie.

(c) Externe Einstreuungen: 1. Bewegung im Raum - 2. Schritte im Raum - 3. Bewegung eines Plexiglaslineals in der Nähe des EEG-Gerätes.

(d) Elektroden und Anschlüsse: 1. Kabelartefakt - 2. wackelnde gemeinsame Elektrode bei bipolarer Ableitung - 3. „Brumm“ durch schlechten Elektrodenkontakt - 4. leitende Verbindung zwischen zwei Elektroden.

Stoppen Sie jetzt die EEG-Aufzeichnung, um Ihre Ergebnisse auszudrucken. Das Programm blendet zwei Icons ein, mit denen Sie auf die jeweiligen Markierungen springen können. Mit Hilfe des Scroll-Balkens an der X-Achse können Sie den entsprechenden Ausdruck zusätzlich positionieren. Wenn Sie den gewünschten Bereich auf dem Monitor sehen, sollen Sie die Kurven ausdrucken.

3.2 Gruppe B: Ereigniskorrelierte Potentiale

3.2.1 Registrierung akustisch evozierter Potentiale

Wir werden Ihnen in diesem Praktikumsteil ein Laboratorium unseres Institutes vorstellen, in dem wir Ihnen die Möglichkeiten der digitalen Datenverarbeitung einschließlich des o.g. Verfahrens der Mittelwertbildung („Averaging“) von Einzelepochen-EP demonstrieren wollen.

Das Labor ist mit einem Computer ausgerüstet, der die elektrischen Potentiale (EEG bzw. EP) aufnimmt und speichert. Für eine AEP-Analyse müssen 100 und mehr Datensätze vom Computer erfasst werden.

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Der Rechner steuert die Datenaufnahme und löst den Tonreiz aus. Das Intervall, das in digitalisierter Form vorliegt, besteht aus einem spontanen Anteil (EEG) und einem evozierten Potential (EP). Die Anzahl der zu registrierenden Intervalle, die Pausenlänge zwischen zwei Intervallen, periodische und zufällige Reihenfolgen usw. können in Abhängigkeit von den Versuchsparadigmen variiert werden.

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Diese Abbildung zeigt das typische Ergebnis eines P300 ‚odd ball‘ Experiments aus dem EEG/EP Praktikum. Oben ist das EP des häufigen Reizes zu sehen und unten der Sonderreiz mit P300.

Um Ihnen einen Eindruck von den vielfältigen Untersuchungsmöglichkeiten mit Hilfe akustisch evozierter Potentiale zu vermitteln, werden wir mit Ihnen zwei Experimente durchführen.

Versuchsperson Nummer 1:

Erzeugung eines akustisch evozierten Potentials, ausgelöst durch 150 aufeinander folgende Töne des Schalldruckpegels von 80 dB und 40 dB im Wechsel, der Frequenz von 2000 Hz und der Dauer von je 1 s. Die Töne werden in zufälligen Abständen von 2,5 bis 3 s dargeboten. Der/die Proband(in) verhält sich passiv und entspannt.

Wir werden anhand dieses Versuches versuchen, die Unterschiede von akustisch evozierten Potentialen unterschiedlicher Reizstärke zu analysieren.

Versuchsperson Nummer 2:

Erzeugung eines endogenen Potentials (P300-Experiment), ausgelöst durch unterschiedliche akustische Reize. Dargeboten werden in zufälliger Reihenfolge zwei verschiedene Töne mit 1500 Hz bzw. 2000 Hz. Der Ton mit 1500 Hz tritt allerdings bedeutend seltener auf und soll von dem Probanden mental markiert werden. Die beiden verschiedenen Töne werden in zufälligen Abständen von 2,5 bis 3 s dargeboten. Der/die Proband(in) soll während des Versuches körperlich entspannt bleiben und die Augen geöffnet haben.

Die Ergebnisse werden Ihnen von unseren Mitarbeitern zur Auswertung ausgedruckt.

3.2.2 Fragen zu obigen Experimenten (vor dem Praktikumstermin auszuarbeiten)

1. Welches ist das grundsätzliche Verfahren, um evozierte Potentiale im EEG sichtbar zu machen?

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2. Wie sieht ein typisches, akustisch evoziertes Potential ohne Hirnstammpotentiale aus; in welcher Größenordnung liegen die Amplituden und Latenzen?

Skizzieren Sie ein evoziertes Potential (Achsen bitte mit Werten und Einheiten beschriften).

3. Wodurch sollte sich in erster Linie unser P300-EKP von einem „normalen“ evozierten Potential unterscheiden?

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4. Auswertung

4.1 Auswertung der EEG-Registrierungen

geschlossene Augen	gemessene Amplitude (µV)	Frequenz (Hz)
Alpha-Wellen
geöffnete Augen	gemessene Amplitude (µV)	Frequenz (Hz)
Beta-Wellen

Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Amplitude und Frequenz.

..................................................................................................................................................

Welche Frequenzen treten unter den folgenden Bedingungen auf, und um welche Wellen nach der gebräuchlichen EEG-Nomenklatur handelt es sich dabei?

- Bei offenen Augen und geistiger Anspannung: .........................................

- Bei geschlossenen Augen in entspanntem Zustand: ......................................

4.2 Auswertung der EKP-Registrierungen

Bestimmen Sie die Amplituden und Latenzen der evozierten Potentiale aus dem Experiment mit unterschiedlichen Schalldruckpegeln. Bitte beschriften Sie Ihre Messergebnisse mit den entsprechenden Einheiten.

Evoziertes Potential

	Latenz N100	Latenz P200	Amplitude N100-P200
Ton 2000 Hz, 80 dB
Ton 2000 Hz, 40 dB

Um welchen Faktor ändert sich der Schalldruck bei einer Zunahme des Schalldruckpegels von 40 dB auf 80 dB? Finden Sie diesen Unterschied im evozierten Potential wieder? Begründen Sie das von Ihnen gefundene Ergebnis.

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Bestimmen Sie die Latenzen der Experimente mit einem endogen evozierten Potential. Beachten Sie dabei, dass Sie für das Experiment zwei Kurven erhalten. Die erste Kurve stellt den Mittelwert aus den häufigen Reizen dar (dieser Reiz sollte von der Versuchsperson nicht beachtet werden). Die zweite Kurve stellt den Mittelwert aus den „Zielreizen“ dar (dieser Reiz sollte von der Versuchsperson markiert werden).

P300-Experiment

	Latenz N100	Latenz P200	Latenz P300	Amplitude N100-P200	Amplitude N100-P300
Ton 2000 Hz (häufig)
Ton 1500 Hz

Wodurch unterscheidet sich der Kurvenverlauf der beiden Kurven aus dem P300-Experiment?

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Welche evozierten Potentiale kennen Sie noch, und wie können sie erzeugt werden?

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Warum ist für die Auswertung evozierter Potentiale eine direkte Betrachtung des EEG nicht möglich?

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5. Schlaf-EEG

In diesem Praktikumsteil sollen Sie erleben, welche Veränderungen während vermehrter Schläfrigkeit und möglicherweise einer Schlafphase im EEG auftreten. Das EEG wird mithilfe eines Computers mit speziell angepasster LABVIEW-Software erfasst und im benachbarten Raum an die Wand projiziert. Während des Versuches sollen sich die Versuchspersonen entspannen, die Augen schließen und versuchen zu schlafen.

Dazu wählen Sie bitte zwei müde Kommilitonen aus und unterstützen Sie unsere Mitarbeiter beim Anlegen der Elektroden.

II EEG & EP ELEKTROENZEPHALOGRAPHIE (EEG) UND EREIGNISKORRELIERTE POTENTIALE

Diese Abbildung zeigt Ihnen die während des Praktikums aufgenommene Schlaf-EEG zweier Studenten. Während in der oberen Kurve zu erkennen ist, dass die Versuchsperson ein entspanntes Alpha-EEG zeigt aber noch nicht schläft, sehen Sie bei der unteren Versuchsperson bereits ein typisches Schlaf-EEG mit markanten Theta-Wellen. Die unter dem EEG dargestellten Amplituden-Spektren bestätigen diese Interpretation.

Während der Einschlafphase kann eine zunehmende Theta-Aktivität in Verbindung mit einem verschwindenden Alpha-Rhythmus beobachtet werden (Stadium 1). Im leichten Schlaf sind keine Alpha-Wellen mehr vorhanden. Es wechseln sich so genannte Spindelwellen (niederfrequente Beta-Wellen) mit Theta-Wellen ab (Stadium 2). Erst im Tiefschlaf (Stadium 3 und 4) tritt die für diese Schlafphase charakteristische Delta-Aktivität (“slow waves“) in Erscheinung. Während des Schlafes werden diese Stadien mehrfach durchlaufen (Schlafzyklus). Zur Beurteilung der Schlaftiefe kann die Weckschwelle oder das EEG dienen. Zieht man das EEG heran, so hat man das Phänomen des REM-Schlafes, auch „paradoxer Schlaf“ genannt, zu berücksichtigen. Im REM-Schlaf, der durch Salven schneller Augenbewegungen (Rapid Eye Movement) charakterisiert ist, lässt sich im EEG eine schnelle und niedrigamplitudige Beta- u. Gamma-Rhythmik beobachten. Das EEG-Muster ähnelt somit dem Wachzustand. In dieser Phase wird aktiv-handelnd geträumt, während in den übrigen Schlafphasen (Non-REM-Schlaf) eher abstrakt geträumt wird. Die Weckschwelle ist während des REM-Schlafes etwa genauso hoch wie im Tiefschlaf. Das submental abgeleitete Elektromyogramm (EMG) zeigt deutlich niedrigere Amplituden als in allen anderen Schlafphasen oder im Wachzustand. Der allgemeine Muskeltonus ist im REM-Schlaf somit besonders niedrig. REM-Phasen treten in der Regel am Ende eines Schlafzyklus (etwa alle 1¹/₂ Stunden) auf, wobei ihre Dauer im Laufe der Nacht von 5-10 auf 20-40 min zunimmt.

Versuchen Sie, während der Registrierung den vorherrschenden Grundrhythmus und charakteristische Elemente (Vertexzacke, K-Komplexe, Schlafspindeln) zu identifizieren.

Welche Wellen traten während des Ermüdungsstadiums auf?

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Welche Wellenarten traten im leichten Schlaf (Stadium 2) auf?

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Welche Wellenformen sind für Tiefschlaf typisch?

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Nennen Sie alle Schlafstadien und den jeweils vorherrschenden Wellentyp:

Schlafstadium nach Kleitman	Schlaftiefe	Rhythmus	besondere EEG-Elemente
wach	-
REM	REM
1
2
3
4

Seminarthemen „EEG & EKP“

1. EEG

Methodik der EEG-Ableitung (unipolar, bipolar). Positionierung der Elektroden beim „10-20“- System. Rhythmen im EEG im Wachzustand (alpha, beta, etc). Unterschiede bei geöffneten gegenüber geschlossenen Augen. Artefakte im EEG und deren Ursachen.

2. Ereigniskorrelierte Potentiale

Messung von exogen evozierten Potentialen (AEP, VEP, SEP), Grundlagen, Latenzen, Amplituden, Mittelungsverfahren. Beschreibung eines Untersuchungsablaufs. Erzeugung von endogen evozierten Potentialen (P300, CNV, BP). Beschreibung der Untersuchungsabläufe.

3. Schlaf

Schlaf-EEG. Beschreibung der einzelnen Schlafstadien und Zuordnung der entsprechenden Muster im EEG. Traumphase und Traumhäufigkeit, Weckschwelle.

Tags: (eeg) und, anteil (eeg), potentiale, (eeg), elektroenzephalographie, ereigniskorrelierte