Krüger, Hartmut: Lokale Feldpotentiale im Elektrokortikogramm und Elektroenzehpalogramm des Menschen: Nachweis, Beschreibungskriterien, Anwendung

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Kapitel 1. Einleitung

Trotz umfangreicher neurobiologischer Forschungstätigkeit ist es bis in die Gegenwart unklar geblieben, wie elementare Vorgänge im Nervensystem unseres Gehirns zu komplexen Prozessen intergriert werden, die wir als wahrnehmendes, denkendes, fühlendes und ganzheitlich reagierendes Individuum alltäglich erleben. Dieser erkenntnistheoretische Rückstand zur integrativen Leistung unseres Gehirns ergibt sich im wesentlichen dadurch, daß sich die moderne neurobiologische Forschung vorwiegend der Untersuchung des einzelnen Neurons und seiner subzellulären und molekularen Bestandteile widmet. Bei aller Würdigung solcher Forschungsvorhaben muß jedoch bezweifelt werden, ob sich aus einer genauen Kenntnis des einzelnen Neurons zwanghaft das Verständnis seiner Rolle in hochgradig vernetzter Anordnung mit anderen Nervenzellen ergibt, bzw. das Gehirn sich letztendlich auf dieser reduktionistischen Basis erklären läßt (ENG1996).

Dieser molekularbiologischen Forschungsorientierung ist es auch geschuldet, daß die Entwicklung auf integrativem Gebiet trotz hoffnungsvoller historischer Ausgangspositionen vergleichsweise vernachlässigt wurde. Bereits Hans Berger (BER1929), der ab Ende der 20er Jahre unseres Jahrhunderts elektrische Phänomene am Kopf des Menschen untersuchte und so die Grundlagen der noch heute klinisch angewandten Elektroenzephalographie (EEG) legte, vermutete, daß intellektuelle Arbeit im menschlichen EEG eine komplexe Widerspiegelung erfährt. Und er führte aus:

”Allzugroße Hoffnungen darf man sich da natürlich von vornherein nicht machen, denn die geistige Arbeit fügt,..., nur ein geringes Mehr zu der ständig und nicht nur im Wachzustand vor sich gehenden Rindenarbeit hinzu. Es wäre aber durchaus möglich, daß dieses Mehr sich bereits in dem Elektrenkepalogramm, das die ständige Tätigkeit des Gehirns begleitet, zu erkennen geben könnte.“ (BER1936)

Andere historische Ansätze gehen auf Wolfgang Köhler (KÖH1930) und Donald Hebb (HEB1949) zurück, wobei Köhler im neuronalen Netz eine holistische Arbeitsweise vermutete und Hebb eine Objektrepräsentation in sogenannten Zellassemblies.

Erst in jüngerer Zeit findet die systemische Betrachtung mit dem ”Konnektivismus“ (RUM1986, MCM1986) eine Wiederbelebung, wonach kognitive Prozesse als Funktionen komplexer Netzwerke aufzufassen sind und nicht in direkter Weise auf die Eigenschaften einzelner Neurone reduziert werden können (ENG1996).


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Bisher stehen keine Methoden zur Verfügung, die es erlauben, größere und komplexere Nervenzellnetze hinsichtlich räumlich-zeitlicher Interaktionen in Relation zu mentalen Leistungen zu analysieren. Bekannte Verfahren fußen auf der Ableitung der sog. Multiunitaktivität (MUA) bzw. der gleichzeitig und gleichortig erfaßten lokalen Feldpotentiale (LFP) mit zwei oder nur wenig mehr Elektroden, vorzüglich angewandt in tierexperimentellen Präparationen (GRA1989, ECK1988, ECK1993B).

Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Aufgabe, solche methodischen Voraussetzungen zum Studium neuronaler Netzwerkeigenschaften am wachbewußten Menschen zu entwickeln, die mit definierten mentalen Leistungen in Beziehung gesetzt werden können.

1.1. Die neuronale Basis kognitiver Prozesse

1.1.1. Die Ordnung im Kopf

Sowohl der ”normale Menschenverstand“ als auch psychologische und physiologische Untersuchungen zeigen, daß der wachbewußte Mensch über zerebrale Repräsentationen verfügt, die ihm für sein gerichtetes Verhalten nicht nur die richtigen Informationen aus dem extrazerebralen Raum ins Bewußtsein spiegeln, sondern zugleich auch Erfahrungswerte aus vergleichbaren Situationen der Vergangenheit und entsprechende motorische Programme. Mit der Sicherheit seines Verhaltens bestätigt sich im Subjekt die Sicherheit seiner zentralen Repräsentationen und die Vorstellung von der Ordnung in seinem Kopf. In dieser, nur dem Subjekt zugänglichen Ordnung des ZNS ist die Organisation der repräsentationalen Prozesse in höchstem Maße determiniert, und sie müssen es sein, um schnell verfügbar Verhaltensprozesse zu intendieren und gegebenenfalls auch schnell zu korrigieren, wenn sich äußere oder innere Handlungsvoraussetzungen ändern.

Für alle fremden Einsichten in das ZNS erweist sich dieser hohe Ordnungsgrad als nicht nachvollziehbar. Anatomisch histologisch sind zwar klare und geordnete Beziehungen z. B. zwischen der Ebene der Rezeptoren und der Ebene primärer Projektionszonen des sensorischen Kortex (”sensorischer Homunculus“), genauso gegeben wie vom Motorkortex zu den peripheren Skelettmuskeln (”motorischer Homuncuklus“), die als Targetstrukturen an bestimmten Gelenken determinierte Bewegungen steuern. Was sich aber im weiten Bereich assoziativer und limbischer Strukturen abspielt und letztendlich anatomisch nur postmortal und individuumsspezifisch determinieren läßt, erhebt äußerlich ein komplexes und variables Verhalten über einen einfachen stereotypen Reflexablauf. Das, was nach Hirninfarkten oder schweren Schädel-Hirntraumen im Bereich assoziativer und limbischer Strukturen an kognitiven Leistungen temporär oder dauerhaft verloren geht, zeigt, daß diese Hirnstrukturen hinsichtlich kognitiver Leistungen an eng umschriebene Areale gebunden sind, die jedoch von Individuum zu Individuum erheblichen


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Modifikationen unterliegen. Die bevorzugte Bindung kognitiver Prozesse an bestimmte Strukturen hat zum Modulkonzept der kognitiven Psychologie geführt. Zum Teil wird Ordnung dieser Module intra vitam sichtbar, wenn während definierter kognitiver Leistungen der regionale zerebrale Blutfluß (ROL1985) oder der regionale Stoffwechsel (RAI1994) sichtbar gemacht werden. Die räumliche Ordnung kognitiver Prozesse zu bestimmten Arealen der Hirnrinde verbleibt nach diesen bildgebenden Verfahren aber in anatomisch-makroskopischer Dimension, und ihre zeitliche Trägheit liegt um Größenordnungen über dem wahren Zeitbedarf dieser kognitiven Prozesse. Die Grundlagen kognitiver Prozesse können mit diesen Verfahren nicht entschlüsselt werden. Sie bestätigen aber den hohen Rang des Neokortex für die Kognition.

1.1.2. Das Chaos im Gehirn

Kognitive Prozesse sind an die Nervenzellen des zentralen Nervensystems gebunden. Ihr Untergang über ein erträgliches Maß hinaus reduziert die Quantität und Qualität der Kognitionen. Ihre zu geringe Aktivierung durch unspezifische aktivierende Systeme ruft in physiologischer Dimension Schlaf, in pathologischer Dimension komatöse Zustände hervor, ihre Übererregung hingegen funktionelle epileptische Entartungen. Allen diesen Zuständen ist die Abwesenheit des Wachbewußtseins gemein. Aber es kann nicht behauptet werden, daß diese Zustandsänderungen auch mit einem Verlust kognitiver Prozesse verbunden sind. Bisher besteht keine Einigkeit darin, was letztendlich unter Kognition im neurophysiologischen Sinne zu verstehen ist. Daher scheint es sinnvoll, die Kognition allgemein an die Existenz von Nervenzellen zu binden, die bevorzugt im Neokortex vernetzt sind und außerhalb oben genannter Extreme sich in einem solchen allgemeinen Erregungsniveau befinden, daß ein einer äußerlich beurteilbaren Situation angemessenes Verhalten des Individuums resultiert.

Beurteilt man in einer solchen Situation die Tätigkeit des neuronalen Apparates mit Methoden, die eine unmittelbare Reflexion seiner Aktivität erlauben, sich z.B. an der mit der Tätigkeit eines Neurons eng korrelierten Potentialgenese orientieren, resultiert ein totales Durcheinander von potentialgenetischen Prozessen. Dabei scheint es relativ gleichgültig, ob für eine solche Expertise eine Makroelektrode benutzt wird, die über ein großes Rindenareal einige Millionen Potentialgeneratoren gleichzeitig empfängt, wie eine subdural implatierte ECoG- oder eine auf dem Skalp aufgesetzte EEG-Elektrode, oder eine Mikroelektrode, die in der Nähe einer Nervenzelle oder in dieser selbst in Position gebracht wurde. Die Vielfalt von Potentialschwankungen auf der einen Seite und die Variabilität der Zellentladung auf der anderen Seite vermitteln keine Ordnung in der Potentialgenese und keine Vorstellungen über zelluläre Vernetzungen zu flüchtigen räumlich-zeitlichen Strukturen, die als mögliches Korrelat mit Kognitionen korrespondieren. Mit EEG- oder ECoG-Elektroden werden dabei im wesentlichen zelluläre Potentialgeneratoren der Hirnrinde erfaßt, die wie Pyramidenzellen aufgrund großer Dendritenbäume offene Potentialfelder generieren und dabei senkrecht zur Oberfläche der Hirnrinde orientiert sind (LOR1992, CRE1983). Mit dieser Erkenntnis reduziert sich die Vielfalt möglicher Quellen für das EEG und ECoG im wesentlichen auf


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Pyramidenzellen, ihnen ähnlich strukturierte Sternzellen und auf Mikrogliazellen, die in der Nachbarschaft dieser Pyramidenzellen, also mit senkrechter Orientierung zur Oberfläche in der Rinde eingelagert sind. Dabei kommt der Polarität eines Potentials keine große Relevanz zu, weil die Verteilung von Quellen und Senken auf den senkrecht zur Oberfläche orientierten Zellen eine in der Mitte des Kortex gelegene Phasenumkehrzone einschließt (CRE1983), so daß oberflächliche Negativierung in den höchsten Kortexschichten auf Senken oder in den tiefsten Kortexschichten auf Quellen beruht. Entsprechend Umgekehrtes gilt für oberflächlich positive Potentiale.

Das Auftreten von langsamen delta -, tau - und alpha - Wellen im EEG oder ECoG (delta -Wellen< 4 Hz, q-Wellen 4...< 8 Hz, alpha -Wellen 8...<14 Hz) deutet auf synchrone Zellaktivitäten im erfaßten Rindenareal, aber sie werden vordergründig im Schlaf, bei relaxierter Wachheit und im Wachkoma beobachtet, in Zuständen also, die eher mit einer Verminderung kognitiver Prozesse einhergehen. Offenbar sind zelluläre Synchronisationen in dieser Bandbreite für kognitive Prozesse nicht typisch. Vielmehr werden mit diesen ”klassischen“ EEG-Bändern Summationen von inhibitorischen postsynaptischen Potentialen (IPSP; 20...400 ms Dauer; 5...10 mV Amplitude) und in gewissen Grenzen noch die langsamen exitatorischen postsynaptischen Potentiale (EPSP, 10...50 ms Dauer; 10...50 mV Amplitude) erfaßt. Desweiteren ist bekannt, daß z.B. alpha -Wellen im EEG nur dann beobachtet werden können, wenn mindestens Kortexareale von 6 cm² Größe und mehr sich in einem einheitlichen Erregungszustand befinden (STE1993).

Umgekehrt zeigen ECoG und EEG Desynchronisationen, wenn die Ebene kognitiver Verarbeitung erhöht wird (arousal, Berger-Effekt, selektive Aufmerksamkeit u.a.), was mit Leistungssteigerungen im beta - (14...<30 Hz) und besonders im gamma -Band (14...<50 Hz; nach Galambos bis 120 Hz; GAL1991) verbunden ist. Hans Berger beobachtete beim Kopfrechnen Frequenzsteigerungen des EEG bis zu 90 Hz (BER1936).

In den klassischen EEG-Bändern wird die obere Frequenz durch Filterung auf 30 bis 70 Hz begrenzt. Der Grund dieser Restriktion liegt in der Ausblendung von Muskelpotentialen, die als Artefakte des orofazialen Systems und der Nackenmuskulatur die höheren Frequenzbereiche im EEG stören. Sieht man von Interferenzerscheinungen im neuronalen Netz ab, so wird durch diese Begrenzung im wesentlichen die Erfassung von elementaren Potentialquellen begünstigt, die entweder an die langsamen Gliazellen gebunden sind (SOM1975) oder an inhibitorische postsynaptische Potentiale, die durch inhibitorische Synapsen bevorzugt an den Somata der Pyramidenzellen erzeugt werden. Obgleich beide, Gliazellen wie inhibitorische Synapsen, für kognitive Prozesse unerläßlich sind, so bestehen zu erregenden postsynaptischen Potentialen, die frequenzmäßig zum gamma -Band gehören, entscheidende örtliche Unterschiede: eine postsynaptisch erregte Pyramidenzelle entwickelt mit Hilfe kollateral erregter Basketzellen eine ”perifokale Hemmzone“ (CRE1983). So eine intrakortikale Hemmzone stellt sich als Zylinder von ca. 500 µm


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Durchmesser um den axialen Erregungsfocus dar. Das würde ungefähr 25000 Pyramidenzellen entsprechen. Die hemmenden Prozesse begleiten folglich die kognitiven Prozesse und umgeben sie mit einem großflächigen Rahmen. Eine Begrenzung des Frequenzbandes mit begünstigter Erfassung inhibitorischer postsynaptischer Potentiale wirkt sich im Ergebnis nachteilig auf die räumliche Auflösung einer EEG- bzw. ECoG-Ableitung aus. Umgekehrt zeigt die ereigniskorrelierte gamma -response im Mittellatenzpotential akustisch evozierter und somatisch evozierter Potentiale (PFU1994) eine wesentlich höhere topographische Relevanz als Signalbestandteile langsamerer Wellen, wobei aber die gamma -responses in weit geringerer Weise ereigniskorreliert sind, als langsamere Wellen.

Unabhängig von möglichen Abbildungsfehlern angewendeter Methoden, die gegeben sind durch nicht adäquate Frequenzbereiche, aber auch durch zufällige Elektrodenpositionen bezogen zu kognitiven Aktivitäten, durch zu große Elektroden mit Summationseffekten, durch die Phasenumkehrzone der Hirnrinde, ist nach Ableitungen mit single oder multi unit Elektroden die neuronale Entladungsfolge des einzelnen neuronalen Elements chaotisch strukturiert. Als Folge universaler Vernetzung sind viele dieser neuronalen Elemente parallel in verschiedenen Informationsverarbeitungsprozessen involviert und auch jedes einzelne Neuron ist offenbar in einer Vielzahl informatorischer Einheiten tätig. Unter dieser Vorstellung ist das einzelne Neuron hinsichtlich bestimmter mentaler Leistungen nicht genau determiniert, indem es, wenn es sich entlädt, stellvertretend für ein bestimmtes Merkmal feuert. Andererseits kann es auch nicht als ein vollkommen naives Element eines neuronalen Netzes interpretiert werden, weil es als Teil kognitiver Module durch Ortskoordinaten determiniert ist. Wodurch aber gewinnt das denkende Subjekt die Sicherheit seiner zentralen Repräsentationen, wenn die einzelnen Bestandteile seines Gehirns, die Nervenzellen, nur bedingt in ihrer Zuordnung zu bestimmten kognitiven Leistungen determiniert sind? Oder welche Merkmale sind es, die dem suchenden Beobachter wenigstens Grundphänomene kognitiver Prozesse im neuronalen Netz entschlüsseln?

1.1.3. Die Bindung zwischen neuronalem Prozeß und mentaler Leistung

Nach einem Vorschlag von Christoph von der Malsburg 1985 (MAL1985) sind mentale Prozesse an kohärente Aktivitäten verschiedenortiger Nervenzellentladungen gebunden, die im wesentlichen durch das Merkmal ”Gleichzeitigkeit“ flüchtig miteinander gekoppelt sind. Von der Malsburg hat seinen Vorschlag damit begründet, daß ein so organisiertes Netz, bezogen auf die Masse seiner naiven Elemente, extreme Kapazitätssteigerungen und damit eine bedeutende Erweiterung seiner plastischen Eigenschaften gewinnt. Inzwischen liegen zu diesem ”Bindungsproblem“ tierexperimentelle Befunde vor, wonach selektive Wahrnehmungen in verschiedenen sensorischen Rindenbereichen an das Auftreten kohärenter Oszillationen gebunden sind. Hervorzuheben sind besonders die Arbeiten vom W. Freeman am Bulbus olfactorius des Kaninchens (FRE1987B), von Ch. Gray und W. Singer am visuellen Kortex der Katze (GRA1989) sowie von R. Eckhorn et al. am visuellen Kortex von Katze und Affe (ECK1993B). Dabei wurden jeweils über die gleiche


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Mikroelektrode sowohl die multi unit activity (MUA) als auch die lokalen Feldpotentiale (LFP) der Umgebung dieser burstenden Neurone erfaßt und korrelationsanalytisch auf kohärente Oszillationen untersucht. Beide Phänomene erwiesen sich in der Zeit als miteinander korreliert, mithin auch nach dem Merkmal kohärenter Oszillationenen als gleichwertig. Als wahrscheinlich summatives Ergebnis vieler zellulärer Einzelereignisse gehören die LFP damit zu einer Ebene oberhalb der zellulären Einzelaktivität. Ihrem Fre-quenzinhalt nach sind sie dem oberen gamma -Band zuzuordnen. In ihrer zeitlichen Ausdehnung reichen sie bis zum 10 ms - Bereich hinunter. Anderseits wurden für gamma -Band-Aktivitäten Oszillationen nachgewiesen, die sich als kohärente räumliche Muster über visuelle Kortexareale von 10 cm² und mehr darstellten und über Distanzen bis zu 48 mm nachweisbar waren (BRE1990). Diese Untersuchungen führten zum Vorschlag, daß Informationen in einem kooperativen Netzwerk verbundener Neurone durch räumlich modulierte Muster synchronisierter gamma -Oszillationen definiert sind. Ausführliche Reviews dazu liegen von Wolf Singer (SIN1993) sowie von Wolf Singer und Charles M.Gray (SIN1995) vor.

Aus signaltheoretischer Sicht haftet diesen Untersuchungen der Nachteil einer zu großen Restriktion des Signalumfangs an. Alle betrachteten Arbeiten unter-sunchen die LFP in Signalen, die mit ca. 10 bis 100 Hz Bandpaßfilterung aus einem wesentlich breitbandigeren Rohsignal (Bandbreite 10kHz) gewonnen wurden. Das Frequenzmaximum ist bei einer solchen Filterung im Bereich von 50 bis 70Hz zu erwarten, wenn ein relativ breitbandiges Signal als Quelle angenommen werden kann. Damit wird das zu untersuchende Nutzsignal auf den unteren bis mittleren Bereich des gamma -Bandes beschränkt. Es ist warscheinlich, daß dadurch eine Verfälschung der LFP in Form bzw. Frequenzumfang auftritt.

Der Beweis dafür, ob sich diese Beziehung zwischen selektiver Wahrnehmung auf der einen Seite und neuronale kohärente Aktivität auf der anderen Seite auch auf den Menschen übertragen läßt, steht indessen noch aus. Methodisch vergleichbare Untersuchungen mit implantierten Mikroelektroden sind am Menschen kaum ausführbar - und dann nur unter strenger medizinischer Indikation. So z.B. zur Vorklärung neurochirurgischer Eingriffe. Auf kohärente Oszillationen orientierte Fragestellungen können folglich nur eingeschränkt durchgeführt werden, womit wissenschaftlich sichere Ergebnisse kaum zu gewinnen sind. Eine Alternative wäre es, lokale Feldpotentiale und auf sie beruhende kohärente Aktivitäten aus Signalen zu gewinnen, die einerseits aus klinischen Routineunter-suchungen in größerem Umfange zur Verfügung stehen, andererseits mit der entsprechenden Bandbreite auch dann abgeleitet werden können, wenn der Patient wachbewußt ist und sich an mentalen Aufgabenstellungen beteiligt. Entsprechende Erkundungen im Hochfrequenzbereich des EEG werden jedoch im allgemeinen als wenig erfolgsversprechend eingestuft, da die Kontamination solcher Signale mit elektromyographischen Artefakten des orofazialen Systems bzw. der Nackenmuskulatur als sehr hoch eingeschätzt wird. Spezielle Unter-suchungen von Eckhorn und Rösler (ECK1995) simultan mit Mikroelektroden in der Hirnrinde und mit EEG-Makroelektroden am Skalp haben am Affen zu keiner schlüssigen


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Korrelation geführt. Sie kommen bei ihren Untersuchungen zu der Feststellung:

”Schnelle Oszillationen sind im EEG nicht sichtbar: Wir haben wahrscheinlich geklärt, warum extrakranial Oszillationen nicht meßbar sind, gleichzeitig intrakranial aber mit großen Amplituden vorhanden sein können. Dazu wurden beim wachen Affen gleichzeitig Mikroelektroden- und EEG-Ableitungen durchgeführt. Hierbei zeigte sich, daß auch bei sehr hohen intrakranial registrierten Oszillatorsignalen in den EEG-Ableitungen keine signifikanten Amplitudenerhöhungen bei derselben Frequenz auftraten. Selbst Kreuzkorrelationen zwischen EEG und internem Signal ergaben keine signifikanten Kohärenzen. Hierfür haben wir eine plausible Hypothese: Die Kohärenz fällt im Kortex parallel zur Oberfläche nach etwa 5 mm auf Werte unterhalb des Rauschlevels ab, d.h. Neurone in 5 mm Abstand können zwar bei entsprechend räumlich ausgedehnten Reizen gleichzeitig Oszillationen zeigen, diese sind aber im Mittel nicht mehr in ihrer Phase gekoppelt. Wenn man die Dicke des Knochens und der Schwarte sowie die Breite selbst kleiner EEG-Elektroden mit berücksichtigt (in einem einfachen Modell), dann ist es plausibel, daß sich bei EEG-Ableitungen Oszillationen verschiedener Phasenlage zu Null herausmitteln. Folgerung: OsziIlationen sind wahrscheinlich auch beim Menschen vorhanden, können mit EEG-Methoden aber nicht gemessen werden. Entsprechend kritisch beurteilen wir auch Kohärenzmessungen anderer Arbeitsgruppen im gamma-Frequenzbereich“ (ECK1995).

und weiter:

”Fazit: Die Projektarbeit hat keine überzeugenden Belege dafür geliefert, daß im EEG systematische Veränderungen des gamma-Bandes auftreten, die eine funktionale Bedeutung für kognitive Prozesse haben. Bisherige Befunde in der Literatur, die angeblich solche Veränderungen im EEG beschrieben haben, sind kritisch zu bewerten. Es handelt sich u.U. um Artefakte, die auf Oberwellen der Alpha-Aktivität, auf spezifische Filterantworten oder auf eine nicht adäquate statistische Behandlung der Daten zurückzuführen sind.“ (ECK1995)


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1.2. Sind LFP im Makropotential des EEG bzw. ECoG enthalten?

1.2.1. Die Probleme mit höherfrequenten Signalanteilen im EEG

Bei einer EEG-Analyse im Hochfrequenzbereich (EEG >30... 50Hz) sind eine Reihe von Störquellen zu beachten, die die originalen hirnspezifischen Potentialschwankungen artefiziell belasten und damit auch den Nachweis von LFP. Die Artefakte können sowohl technisch als auch biologisch verursacht sein. Von den technischen Artefakten sind 50Hz-Netzbrummen und davon abhängige, auf +/- 5Hz scharf begrenzte Oberwellen am augenfälligsten. Technische Artefakte können aber auch durch falsche Dimensionierung von Filtergrenzen und Abtastraten bedingt sein, wodurch Aliasing entsteht.

Biologische Artefakte ergeben sich hauptsächlich durch myogene Aktivitäten im orofazialen System, in der Nackenmuskulatur, in den äußeren Augenmuskeln sowie durch Aktivitäten der Innenohr- und Kopfwendermuskulatur. Diese Artefakte lassen sich begrenzen oder minimieren, indem die Versuchsperson über den Ablauf der Untersuchung informiert und entsprechend beruhigt wird und wenn körperliche Fehlhaltungen der Versuchsperson und ermüdende oder übermäßig aktivierende Versuchsabschnitte durch entsprechende Versuchs-planung vermieden werden. Ein sicherer Nachweis von LFP im EEG ist nur dann gegeben, wenn zugleich auch die Lokalisation der LFP-Quellen bewiesen ist.

1.2.2. Die Vorteile einer Elektrokortikogramm - Ableitung

Beim ECoG wird mit einem größeren Nutzsignal gerechnet. Durch die subdurale bzw. epikortikale Lage der ableitenden Elektroden sind die Abstände zu den kortikalen Generatoren wesentlich geringer, aber die Abstände zu den externen myogenen Artefaktquellen deutlich größer. Um auf der Basis einer Makropotentialableitung LFP nachzuweisen, schien es daher sinnvoll, diesen Nachweis zuerst im hochfrequenten ECoG-Signal zu versuchen. Dazu boten sich interiktale ECoG- Routineableitungen an, die an Patienten mit Epilepsie beispielsweise in Vorbereitung einer epilepsiechirurgischen Intervention im Rahmen eines invasiven Monitoring durchgeführt werden, um die epileptogen aktiven Kortexareale zu erkunden. Zugleich war - bei vorausgesetzt günstiger Lage der Ableitelektroden - die Chance gegeben, die LFP über fokalen und perifokalen Arealen zu vergleichen. Denn sofern Befunde von Modellepilepsien auf den Menschen zu übertragen sind, sind fokale epileptogene Strukturen ständig aktiv, durch paroxysmale Depolarisationsshifts ausgewiesen und durch potente Hemmprozesse eingegrenzt (ELG1984). Ein solcher Vergleich von LFP über fokalen und perifokalen Strukturen könnte folglich neue Wege bei der Suche epileptogener Strukturen im interiktalen Intervall eröffnen.


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1.2.3. Synchronisationen im gamma -Band

Die LFP, zumindestens ihr niederfrequenter Teil (0 bis 100Hz), gehören definitionsgemäß zum gamma -Band, welches nach neuerer Definition den Frequenzbereich von 30 bis 120 Hz umfaßt (z.B. GAL1991). In Untersuchungen von L. Marshall (MAR1996) am Institut für Physiologie der Charité Berlin konnte gezeigt werden, daß es unter den verschiedenen Versuchsparadigmen an verschiedenen Ableitorten und zu verschiedenen Poststimuluszeiten im ERP zu synchronen gamma -Band-Aktivierungen kommt. In akustisch evozierten Potentialen (AEP) kam es im Zusammenhang mit einem mis-match-negativity-Paradigma im Mittellatenzbereich und im geringeren Umfang im Zeitbereich vom 150 bis 200 ms post stimulationem zur Abbildung von g - Antworten im gemittelten ERP. Vergleichbare Ergebnisse liegen auch für SEP (PFU1993, PFU1994) und VEP (TAL1996, TAL1997) vor. Aus diesen ist zu folgern, daß die gamma -Antworten zumindestens zum Teil ereigniskorreliert auftreten.

Die Suche nach g -Antworten in den singulären ERP mit geeigneten Suchmustern zeigte jedoch einen relativ gleichbleibend hohen Anteil an g - Antworten in der gesamten Signalperiode, der also, außer in den oben genannten Bereichen, im gemittelten ERP infolge Phasenverschiebung nicht abgebildet wurde (MAR1997). Mithin kann gefolgert werden, daß die höherfrequente gamma -Band-Aktivität im gesamten untersuchten Kortex allgegenwärtig ist. Sie ist aber mit klassischen Untersuchungsmethoden, wie der ERP-Mittelung, nur sehr schwer zu erfassen, da auf Grund von geringen Phasenverschiebungen oder asynchroner Generierung nur ein geringer Anteil ereigniskorreliert auftritt. Dieser Anteil tritt in bestimmten Regionen zeitlich und örtlich synchronisiert auf und kann für das weiter oben diskutierte Bindungsproblem wesentlich sein. Dabei ist aber zu bedenken,

daß diese Kohärenzen nach Mittelung immer nur einen minimalen Anteil der insgesamt vorhandenen LFP betreffen oder einen relativ hohen Anteil mit stärker wechselnder Auftrittswahrscheinlichkeit, oder

daß nach der zeitichen Dauer dieser Kohärenzen von 50 und mehr Millisekunden entweder stets mehrere der betroffenen LFP in Reihe auftreten oder daß in der Grundgesamtheit aller Einzelpotentiale wechselnde Kopplungswahrscheinlichkeiten dafür verantwortlich sind und

daß bei dem groben Raster der EEG-Elektroden und der Breite der Interpretation nicht auf einen relativ eng definierten Ort der Rinde geschlossen werden kann.

Um kognitive Prozesse in ihrer Vielfalt untersuchen zu können, ist es deshalb erforderlich, Suchstrategien zu entwickeln, die sich primär am aktuellen Zeitverhalten des Makropotentials orientieren und nicht auf äußere Reize oder innere Handlungsrepräsentationen und auf die von innen abhängigen, möglicherweise gemittelten Makropotentialschwankungen. So lange es nicht sicher ist, daß die Basisprozesse tatsächlich stets gleiche Raum-Zeit-Koordinaten im neuronalen


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Netz besetzen, kann die Zeitstruktur eines ”event related potentials“ nur einen orientierenden Rahmen setzen, um das Ergebnis von Suchoperationen am singulären bzw. kontinuierlich erfaßten Signal sekundär nach ereignisbezogen zu ordnen bzw. nach erweiternden Kriterien zu interpretieren.

1.2.4. Die LFP sind eigenständig generierte events neuronaler Informationsverarbeitung

In tierexperimentellen Arbeiten konnte mit Hilfe olfaktorischer (EEC1991), akustischer (EGG1995) und visueller Reizung (ARI1995) gezeigt werden, daß es in spezifischen Bereichen des Gehirns, insbesondere seines Kortex zu synchronen Aktivitäten von MUA und LFP kommt. Dies legt die Annahme nahe, daß die Merkmalsselektion bzw. Musterdiskriminierung hauptsächlich über die Prozesse der Zeitkodierung erfolgt. Nach Überlegungen von K. Engel, P. König und P.Singer (ENG1996) ist es eher unwahrscheinlich, daß eine komplexe Aufgabe wie die Musterdiskriminierung ausschießlich über die Hebb’schen Assemblies verschalteter Neuronengruppen mit starrer Objektrepräsentation realisiert wird. Vielmehr scheint es so zu sein, daß die Musterdiskrimination in verschalteten Neuronengruppen über synchronisierte Entladungen erfolgt, wobei die Zuordnung einzelner Neurone zu den Assemblies nicht fest, sondern den jeweiligen Umständen entsprechend angepaßt ist. Diese Zeitkodierung stellt sich dabei in Form kohärenter Oszillationen dar, wie mit Hilfe histographischer Unter-suchungen von Zeitsignalen in verschieden involvierten Kortexarealen gezeigt werden konnte. Diese Oszillationen existierten dabei mehr oder weniger unabhängig vom externen Stimuluszeitpunkt.

Die Existenz von LFP und erst recht ihrer verschiedenortigen Kohärenz spiegeln mithin kognitive Prozesse bzw. deren Ausbreitung in der Hirnrinde wider, weil sie selbst - als Verursacher oder als Epiphänomen - Träger oder Begleiter dieser Funktion sind. Also müßte es auch von Vorteil sein, sie selbst als Marker zur Analyse zu verwenden und nicht eine willkürliche event-Definition. Natürlich sind dazu ergänzende Paradigmen in Anwendung zu bringen, die eine intimere Beziehung zwischen den zu untersuchenden kognitiven Prozessen und den sie bedingenden operationalen Prozessen im neuronalen Netz und vice versa ermöglichen. Dies kann aber nicht Ziel dieser Arbeit sein, in der es vordergründig um die Suche nach einer geeigneten interaktiven Ebene geht, die möglichst eng mit neuronalen Aktivitäten korreliert.


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1.2.5. Strategie des LFP-Nachweises

LFP werden in enger zeitlicher Korrelation zur MUA generiert (vgl. auch Abb. 3.1). Sofern diese in Schichten des Neokortex generiert werden, ist zu erwarten, daß im Summensignal des ECoG ausreichender Bandbreite, abgeleitet an der Oberfläche des Kortex, auch LFP widergespiegelt werden, denn für diese LFP müssen gleiche Gesetze der Potentialausbreitung ober- und unterhalb der Phasenumkehrzone bis zur Rindenoberfläche als gültig angenommen werden wie für andere, beispielsweise auf der postsynaptischen Ebene. Aufgrund umfangreicher tierexperimenteller Befunde zu sognannten kortikalen Topochronogrammen (PET1988, RAP1993) ist es sogar wahrscheinlich, daß LFP inhärente Subpotentialphänomene des erweiterten gamma -Bandes des ECoG sind. Aus folgenden Überlegungen erscheint es daher sinnvoll, in der weiteren Arbeit nicht mehr vordergründig von LFP, sondern von Subpotentialen (abgekürzt SP) zu sprechen:

  1. Der Nachweis kann nur auf direkter Suche der SP - events im kontinuierlich abgeleiteten Signal basieren, da wie oben ausgeführt, klassische Methoden ihre Schwierigkeiten mit der Erfassung haben. Als probates Mittel für die SP-event - Selektion bietet sich die Berechnung des Kreuzkorrelationkoeffizienten zwischen fortlaufendem ECoG-Signal und einem definierten Suchmuster für die LFP an. Dieses Muster muß so gewählt werden, daß es mindestens den Frequenzinhalt der in der Literatur beschriebenen LFP umfaßt. Die dabei anzu-legenden Signifikanzkriterien zur Definition eines SP-events müssen außerdem so gewählt sein, daß sie die als recht groß zu erwartende Variablität der LFP an der Oberfläche der Hirnrinde berücksichtigen.
  2. Die Bestimmung solcher SP fußt nicht auf der simultanen Erfassung von LFP in Verbindung mit MUA mittels Mikroelektroden vor Ort, sondern die Suchstrategie erfaßt LFP - ähnliche Potentialkonfigurationen, die auf der Rindenoberfläche bzw. auf dem Skalp mit Makroelektroden abgeleitet werden. Die genaue Beschreibung der Quellorte dieser Subpotentiale als eng umschriebene, also lokal generierte Potentiale, die an die alpha -priori gesetzte Makroelektrode gebunden sind, rechtfertigt eine Gleichsetzung von SP und LFP.
  3. Dieses Potential kann in seinem zeitlichen Erscheinen zum zugehörigen Signal als event betrachtet werden. Als ”Potentialphänomen“ steht es aufgrund seiner Variabilität jedoch erst nach einer baslinenormierten und auf einen genauer zu definierenden Triggerzeitpunkt bezogenen Mittelung zur Verfügung.
  4. Der Frequenzinhalt des Suchsignals wird so weit in den hochfrequenten Bereich erweitert, soweit die Möglichkeiten, die durch eine Vielkanalableitung technisch gegeben sind, dies zulassen. Die Gestalt der SP ist folglich von der technisch vorgegebenen Bandbreite abhängig. Sie kann folglich nur eine, durch die technischen Gegebenheiten limitierte Wiedergabe eines ”wirklichen“ Subpotentialphänomens und damit gesuchten LFP’s sein.

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