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

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Kapitel 5. Diskussion

5.1. Hypothese I

Nach Anwendung der beschriebenen Methode sind durch Kreuzkorrelation mit einem vorgegebenen Muster sowohl im ECoG wie im EEG hoher Bandbreite subpotentiale Phänomene selektierbar. Bei der Wahl des Musters wurde in Voruntersuchungen mit verschiedenen Amplituden-Zeit-Annahmen experimentiert, wobei sowohl die zeitliche Länge des Musters, die Bandbreite der EEG-Verstärker sowie die AD-Wandlungsrate verändert wurden. Die Auffindung eines biologisch optimalen Bereichs, der sich beispielsweise durch eine besonders hohe SP-Dichte auswies, gelang nicht.

In Vorversuchen wurden die EEG-Signale mit verschiedenen Suchtemplates einer Breite von 50 bis 1 ms analysiert. Über eine entsprechend hohe Abtastrate (2 oder 20kHz) wurde dafür gesorgt, daß für die Kreuzkorrelation - auch bei den Templates geringerer Breite - genügend Stützstellen (>20) zur Verfügung stehen, um die statistische Sicherheit der Korrelationsaussage (r>0,53; p< 0,01) zu gewährleisten. Sofern mit gleichem Amplituden-Zeit-Template als Suchmuster analysiert wurde, traten nach AD-Wandlung mit 2 bzw. 20 kHz keine gravierenden Unterschiede in Dichte, Form und Amplitude der SP auf. Die Zahl der selektierten SP-events pro Sekunde verhielt sich jedoch umgekehrt proportional zur Breite des Suchtemplates. Die Form der selektierten SP veränderte sich dabei von rein sinusförmigen bei 50 ms Breite über biphasische Potentiale mit steilem Polaritätswechsel bei 10 ms Breite bis hin zu triphasischen SP bei 1ms Breite.

Da für die Entwicklung der Subpotentialanalytik nur Personalcomputer mit 486-Prozessor, MS-DOS-Betriebssystem sowie hinreichender Speicherkapazität auf Festplatten zur Verfügung standen, war es notwendig, ein Optimum zwischen diesen technischen Möglichkeiten und den Anforderungen zu finden, die an eine Beschreibung informationsverarbeitender Prozesse in der Hirnrinde gestellt sind. Nach den allgemeinen Vorstellungen über diese Prozesse im Neokortex mußte an der Forderung festgehalten werden, eine möglichst große Fläche mit vielen regelmäßig angeordneten Ableitpositionen zu erfassen, um ein Mapping mit möglichst hoher räumlicher Auflösung und ohne größere Abstriche im Zeitbereich zu erhalten.

Es war klar, daß sich die Suche nach einer geeigneten methodischen Lösung für eine Makropotentialableitung nicht an Signalen orientieren konnte, die sich unmittelbar aus single oder multi unit - Aktivitäten ergeben. Umso mehr fokussierte sich das Interesse am local field potential (GRA1989). Bisher wurde in tierexperimentellen Untersuchungen überzeugend belegt, daß dieses Potentialphänomen zeitlich sehr hoch mit der multi - unit - Aktivität (ARI1995; ECK1988, ECK1993B; ECK1993A; ENG1990; GRA1989; GRA1992) bzw. mit der SUA (EGG1995;


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MAC1995) korreliert. Folglich ist die Erfassung von LFP zum Nachweis und zum Studium kohärenter Aktivität in der Hirnrinde der MUA vergleichbar gut geeignet.

Diese Erkenntnis ist insofern von Gewicht, als nach einem Vorschlag von Christoph van der Malsburg 1985 (MAL1985) die kohärente Aktivität von verteilten Neuronen Folge eines neuronalen Organisationsprinzips zur subjektiven Merkmalserkennung bzw. Merkmalsselektion ist und sich mithin als Bindeglied zwischen der neuronalen und psychischen Ebene erweist (”binding by synchrony“). Inzwischen liegen tierexperimentelle Ergebnisse vor, die dieses Bindungsprinzip bestätigen und es zu einem allgemeinen Arbeitsprinzip der Hirnrinde erheben. So im visuellen Kortex (ASH1985; BAU1995; BRO1995; ECK1988,1993; ENG1990; KRE1992; KÖN1993; FRI1994, GRA1989), im auditorischen Kortex (EGG1995), im parietalen Kortex (MAC1995), im sensorimotorischen Kortex (MUR1992, SAN1993), im Hippokampus (BUZ1992; GAB1987) und im Bulbus olfactorius (EEC1991). Eine Übersicht hierzu gibt der Review-Artikel von W. Singer ”Synchronization of cortical activity and ist putative role in information processing and learning“ 1993 (SIN1993).

Technisch gesehen ist eine formgerechte Erfassung von LFP bei 400 Hz obere Grenzfrequenz und 2 kHz AD-Wandlungsrate gewährleistet. Bei der zur Verfügung stehenden Rechnerbasis war die Erfassung von maximal 32 Ableitkanälen akzeptabel und die anschließende Auswertung mit zeitlich vertretbarem Aufwand möglich. Nach anfänglicher Verwendung von LFP-Beispielen aus der tierexperimentellen Literatur (GRA1989, SIN1995) mit itterativer Anpassung an selektierte Potential-Phänomene im oberen gamma -Band humaner EEG-Ableitungen, die sich am Zuwachs des Bestimmtheitsmaßes r² zwischen originalen und aus selektierten Potentialphänomenen rekonstruierten EEG-Ableitungen orientierte, wurde die 1. Ableitung der Gausschen Fehlerverteilungsfunktion als mathematisch manipulierbares Modell in die SP-Analytik eingeführt (vgl. 3.1). Die mit diesem Modell gewonnenen Ergebnisse unterschieden sich nicht von Resultaten, die mit den anderen optimierten Suchtemplaten gewonnen wurden.

Das so selektierte Potentialphänomen wurde, geprägt durch den technisch limitierten Verfahrensweg und formal dem LFP ähnlich, als Subpotential (abgekürzt SP), bezeichnet.

Für die Subpotentialanalytik wurden verschiedene Parameter entwickelt, um die SP näher beschreiben zu können. Durch Kreuzkorrelation mit dem Muster entstehen positive und negative ”SP- events“, die auf eine Stützstelle genau (0,5 ms) synchron zur Makropotentialschwankung mitgezeichnet werden können (vgl. z.B: Abb 4.3 oder 4.15). Dadurch sind Voraussetzungen gegeben, die ”Subpotentialdichte“ pro Sekunde, Elektrode und für jede Polarität zu bestimmen, kohärente Beziehungen als ”SP- Zweikanalkopplungen“ zu evaluieren und darüber hinaus auch


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örtliche Wechselbeziehungen zu erfassen, die definierten Verzögerungszeiten in Form ganzzahliger Vielfache des Stützstellenabstandes entsprechen. Die ”SP-Amplitude“ wurde ebenfalls als Parameter eingeführt. Sie ergibt sich aus der Mittelung selektierter ECoG-bzw. EEG-Strecken, die mit dem event-Integralterm (vgl. 3.2) rückgefaltet wurden. Die Entwicklung dieser Operation erwies sich als notwendig, weil die Länge der selektierten Signalstrecken die auftretenden SP-Intervalle um ein Vielfaches übersteigt, was das Mittelungsergebnis durch weitere, sukzessiv erfaßte SP beeinträchtigt. So steht für die Beschreibung der SP-Amplitude ein wesentlich besseres Template zur Verfügung, dem jedoch an dieser Stelle keine Standardabweichung zuzuordnen ist. Aus Gründen einer Datenreduktion wurden positive und negative SP infolge ihrer spiegelbildlichen Ähnlichkeit zu einem gewichteten SP-Template zusammengefaßt (vgl. Abb. 3.6 und 3.9)

Als besonders wichtiger Parameter wird das ”SP-Modul“ gesehen, worunter das Quellgebiet des SP in den x-y-Koordinaten seiner Ableitungsmatrix zu verstehen ist. Dazu wird das an einer Elektrode ermittelte SP-event als Trigger verwendet, um an allen anderen Elektroden des Ableitsystems gleichzeitig auftretende Potentialschwankungen zu erfassen, die nach den definierten Selektionskriterien keine selbständigen SP-events sind. Im Prinzip folgt diese Methode dem spike-triggered averaging welches von Eckhorn und Obermüller 1993 (ECK1993A) angewendet wurde. Werden die dem Triggerzeitpunkt des SP zugehörigen verteilten Potentiale kartiert, die man nach Mittelung und Rückfaltung mit dem Integralterm des Triggers erhält, ergibt sich das Modul des trigger-SP, eine Potentialquellfläche. Im Raster eines Elektrodengrids einer ECoG-Ableitung bzw. einer multi-channel- Ableitung eines Elektroenzephalogramms stellt sich diese in einem konzentrisch zur Elektrode angeordneten Nahfeld sowie in einem oder mehreren davon distant liegenden Fernfeldern dar. Diese Struktur baut sich im Zeitbereich eines SP auf und wieder ab. Mit der dynamischen Entwicklung dieses Feldes ergibt sich für die SP-Quelle zweifelsfrei eine örtliche, streng auf die Position der Triggerelektrode bezogene Lokalisation. Ein solches SP - Quellgebiet wurde als SP-Modul bezeichnet, weil sich in ihm - bei kombinierter Anwendung mit der zeitverzögerten Zweikanalkopplungsanalyse - charakteristische Ortsveränderungen nachweisen lassen.

Um zum SP-Modul einen einfachen, leicht prüfbaren Parameter zu erhalten, wurde für das jeweilige Nahfeldmodul die Fläche berechnet, die von einer Isopotentiallinie umgrenzt wird, welche dem 1/e - ten Teil der Amplitude des SP-Quellpotentials im Triggerkanal entspricht (”lambda - Fläche“).


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Kohärente Ereignisse ohne zeitliche Verzögerung treten mit höchster Wahrscheinlichkeit in den Nahfeldmodulen benachbarter Ableitorte auf. Bei Korrelation mit zeitlich verzögerten Zweikanalkopplungen erweisen sich die anderen Modul-anteile als Ausbreitungsorte kohärenter Aktivität, die nach 2...3 ms das Fernfeldmodul erreichen und aus diesem nach 6...8 ms teilweise wieder in das Nahfeld zurückkehren.

Im vollem Umfange sind diese Parameter gültig, wenn die Analyse auf Datensätze zurückgreift, die mit regelrecht angeordneten Elektrodenarrays (GRID-Elektroden, extendet 10-20 System u.ä.) erhalten wurden. Diese Parameter erwiesen sich für die Beschreibung von Ergebnissen der Subpotentialanalyse als ausreichend, im praktischen Umgang als geeignet und - nach Analyse an invasiven und noninvasiven Ableitungen einer größeren Probandenpopulation - als verläßlich im Hinblick auf inter- und intraindividuelle Variabilitätskoeffizienten, die selten größer waren als ca. 20 % des jeweiligen Mittelwertes.

Die vorangestellten exemplarischen Ergebnisse an ECoG- und EEG-Ableitungen des Menschen, ergänzt durch hier nicht vergegenständlichte Erfahrungen mit Ableitungen an 8 Patienten mit fokaler Epilepsie sowie an 15 hirngesunden Probanden bestätigen die Hypothese I im vollen Umfange, so daß in Übereinstimmung mit dieser formuliert werden kann:

SP sind Potentialphänomene, die in Frequenzbereichen oberhalb des alpha -Bandes des ECoG und EEG mit Suchtemplates nachweisbar, in Amplitude und Dichte bestimmbar, bei Erfassung mit regelrechten Elektrodenanordnungen als lokal generiert definierbar und über verschiedenen Orten nach Merkmalen der Kohärenz beschreibbar sind.

5.2. Hypothese II

Hans Berger berichtete 1936, ”...daß es unter der Einwirkung eines Sinnesreizes und ebenso bei der geistigen Arbeit nicht zu einer Umwandlung der alpha -Wellen in beta -Wellen, sondern zu einer Hemmung der alpha -Wellen und zu einer Zunahme und einem stärkeren Hervortreten der beta -Wellen kommt. Ich sehe also jetzt in den alpha -Wellen die Begleiterscheinungen der Tätigkeit der inneren, in gewissen beta -Wellen, denjenigen von 11 - 24 s Länge [42 - 90 Hz], die Begleiterscheinungen der Tätigkeit der äußeren Hauptzone der Rinde, die besonders innige Beziehungen zu den geistigen Vorgängen hat.“ (BER1936). Berger bezeichnet in seinen Arbeiten alle höherfrequenten Wellen jenseits des alpha -Bandes als beta -Wellen.

Der Begriff ”gamma-Wellen“ wurde für Rhythmen mit Frequenzen oberhalb 30 Hz von H. H. Jasper und H. L. Andrews 1938 (JAS1938) eingeführt, mit den Vorschlägen des ”Terminology Committee


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of the International Federation for Electroencephalography and clinical Neurophysiology“ 1966 aber wieder verlassen. Nach Storm van Leeuwen et al. 1966 (Zitat nach KUH1976) würden die gamma -Wellen keinem praktischen Nutzen dienen.

Inzwischen aber bestätigen viele Studien die frühen Beobachtungen Bergers, wonach bei angestrengter geistiger Arbeit, im Zustand fokussierter Aufmerksamkeit oder während komplizierter motorischer Tätigkeit im desynchronisierten Wellenbild des EEG hochfrequente Oszillationen dominieren, die Frequenzen von 60 Hz und mehr einschließen. Sie sind sowohl im spontanen EEG, ECoG wie im erreigniskorrelierten Potential nach der Applikation sensorischer Reize (GAL1981, MAR1996, TAL1996, TAL1997) nachweisbar. 40 Hz Oszillationen wurden während des motorischen Verhaltens des Menschen beobachtet, wobei ihr Maximum bei Fingerbewegungen über der kontralateralen Handarea gefunden wurde (PFU1993). Bei Finger-, Zehen- und Zungenbewegungen war die gamma -Aktivität streng auf die Phase der Planung und auf die Prüfung der Bewegungsausführung bezogen (PFU1994).

Seit den Untersuchungen von H. Berger ist bekannt, daß im ECoG bzw. EEG unter kognitiver Tätigkeit des Subjekts Anteile enthalten sind, die einen höheren Frequenzgehalt repräsentieren. Daß bis heute elektroenzephalographische Untersuchungen bei psychophysiologischer Aufgabenstellung mit einer restriktiven Bandbreite durchgeführt werden, die unterhalb dieser, für kognitive Tätigkeiten typischen Frequenz liegt, ist der Furcht vor Kontamination des EEG-Signals mit Muskelartefakten geschuldet. Bickford et al. 1964 (BIG1964) konnten beispielsweise die Kontamination elektroenzephalographischer Wellen in akustisch evozierten Potentialen mit bioelektrischen Artefakten durch Muskulatur des orofazialen Systems und des Nackens überzeugend nachweisen. 1974 zeigten O’Donnell et al. (ODO1974) mit Hilfe von Korrelationsrechnungen, das EEG oberhalb des alpha -Bandes durch Muskelartefakte im hohen Maße kontaminiert ist, besonders für Ableitpositionen, die in unmittelbarer Nähe zu größeren Muskelgruppen liegen, und kommen zu dem Schluß, daß das EEG für diesen Bereich nur mit großer Vorsicht zu interpretieren ist. Dem kann nicht widersprochen werden. Aber der korrelative Zusammenhang zwischen EEG und EMG könnte, kehrte man das Ursache-Wirkungs-Verhältnis um, auch im Sinne einer intendierten Aktivität interpretiert werden. Und ein vorsorglicher Ausschluß höherer Frequenzen bietet keinesfalls einen zuverlässigen Schutz gegenüber Störungen durch Muskelartefakte im EEG, denn diese zeigen im klassischen beta - wie auch im alpha -Band Leistungen, die mit den entsprechender EEG-Bändern vergleichbar sind (KÜC1983, S. 60, Abbildungen 2.13 und 2.14).

Für die informationstheoretische Ausschöpfung des EEG im Hochfrequenzbereich mußten deshalb andere Kriterien angewendet werden, um artifizelle Belastungen durch die Muskulatur auszuschließen. Die Annahme von experimentell justierbaren Artefaktschwellen, die sich z.B. an


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der Überschreitung einer Amplitudenschwelle orientieren, erwies sich für die hier durchgeführten Untersuchungen als nützlich. Denn die Spannungsschwankungen der EMG-Aktivität im orofazialen System und Nacken zeichnen sich im Vergleich zu Spannungsschwankungen des EEG durch wesentlich höhere Amplituden aus. Dies trifft besonders für die höherfrequente EMG-Aktivität zu.

Unter Anwendung solcher Ausschlußkriterien, die auch die willentliche Relaxation des Probanden einbezieht, setzte folgerichtig in den Untersuchungen der letzten anderthalb Jahrzehnte eine Öffnung des EEG zu höheren Frequenzbändern ein, die ihren besonderen Niederschlag in der Domäne der 40 Hz Oszillationen und in der Erforschung der gamma -Band-Rhythmen fand, die zwischenzeitlich in tief- (25-35 Hz), mittel- (36 - 59 Hz) und hochfrequente Oszillationen (60 - 120 Hz) eingeteilt werden (GAL1991). Der Vorteil dieser Untersuchungen liegt einerseits in der Differenzierung kleinerer zeitlicher Einheiten, anderseits in der geringeren räumlichen Ausdehnung von lokal korrelierter gamma -Band-Aktivität, die im ECoG von Patienten unter 2 cm lag (MEN1996). Im Vergleich dazu war die räumliche Ausdehnung korrelierter µ -Band-Aktivität (7 - 11 Hz) mit 4 - 6 cm bereits erheblich vergröbert. Langsamere Wellen zeigen mit zunehmender Wellenlänge ein größerwerdendes Areal gleicher Reaktion auf der Schädeloberfläche. Sie weisen somit auf kohärente Massenaktivitäten, die über große Ableitbereiche gleichförmig auftreten. Sofern es sich um delta -Wellen handelt, treten diese typischerweise im Tiefschlaf und im Koma auf, also in Zuständen, die sich durch Abwesenheit bewußter Verarbeitungsprozesse ausweisen. Soweit Synchronisationen im niedrigen Frequenzband bis zu 4 Hz beteiligt sind, wird weithin die Meinung vertreten, daß solche Zustände globaler Synchronisation für die Informationsverarbeitung ungeeignet sind (SIN1993). Auch die dem µ -Rhythmus ähnliche alpha -Aktivität ist eher typisch für einen Zustand verminderter geistiger Anspannung, weshalb von relaxierter Wachheit gesprochen wird.

Bei gesteigerter Aufmerksamkeit kommt es im Wellenbild des EEG zu Desynchronisationen (Berger-Effekt, Arousal, Weckreaktion). Diese sind jedoch mit vielfältigen Synchronisationen im gamma -Band verbunden, und die zeitliche und räumliche Kohärenz unterliegt dabei starken Fluktuationen in Zeit und Raum. Diese Eigenschaften der höherfrequenten Bestandteile legten es folglich nahe, sie mit den psychologischen Merkmalen der höheren Nerventätigkeit in Verbindung zu bringen, unter deren Hintergrund sie das Wellenbild im EEG und ECoG dominieren, wie oben bereits ausgeführt wurde.

Ch. von der Malsburg 1985 (MAL1985) entwickelte in diesem Zusammenhang das Prinzip ”binding by synchrony“, worauf in der Diskussion der Hypothese I eingegangen wurde. Er geht von Kohärenzen im Millisekundenbereich aus. Für ihn sind kognitive Prozesse sowohl räumlich als auch zeitlich kodiert, so daß gleiche Neuronenpopulationen, je nach der unterschiedlichen Abfolge ihrer zeitlichen Aktivierung, in Bezug auf das auslösende ”Triggerereignis“, z.B. für unterschiedliche


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Gedächtnisinhalte zuständig sind. Nur so ist die bis ins hohe Alter bestehende Lernfähigkeit des System einigermaßen plausibel erklärbar, da jede Form fester Verschaltung für Gedächtnisinhalte sehr schnell an die Begrenztheit der neuronalen Ressourcen des Kortex stoßen würde.

Unter dieser Prämisse zeigt sich der Vorteil der Wahl von LFP zur Selektion aktiver Prozesse im Cortex - und für die vorliegende Arbeit der Vorteil für die Selektion von SP mittels LFP-Analoga. Denn die in der jüngeren Literatur verwendeten wavelet-Modelle zur Transformation von EEG-Signalen sind z.B. für die Merkmalsselektion epileptogener Aktivitäten erfolgreich (GAB1996), sind aber aufgrund ihrer geringen Informationsverarbeitungsraten der damit selektierten Prozesse von weit unter 10² bit/s für die Erfassung reichhaltiger kognitiver Tätigkeit zu langsam (TAL1997).

Im einleitend zitierten Abschlußbericht zum DFG-Projekt ”Gehirn und Kognition“ wurde von Eckhorn et al. 1995 (ECK1995) behauptet, daß schnelle Oszillationen im EEG nicht sichtbar wären, weshalb Befunde in der Literatur, die angeblich solche Veränderungen im EEG beschrieben haben, kritisch zu bewerten seien. Es würde sich u.U. um Artefakte handeln, die a) auf Oberwellen der alpha -Aktivität, b) auf spezifische Filterantworten oder c) auf eine nichtadäquate statistische Behandlung der Daten beruhen. Obgleich das Vorhandensein von schnellen Oszillationen auch beim Menschen als wahrscheinlich eingeschätzt wird, sei ihre Messung durch EEG-Methoden nicht möglich. Eckhorn et al. begründen ihre restriktive Haltung damit, daß d) die Kohärenz im Kortex parallel zur Oberfläche nach etwa 5 mm auf Werte unterhalb des Rauschlevels abfalle und daß Neurone über einen Abstand von 5 mm noch gleichzeitige Oszillationen zeigten, die aber im Mittel nicht mehr in ihrer Phase gekoppelt sind.

Obgleich diese Kritik von Eckhorn nicht direkt der hier vorliegenden Arbeit galt, berührt sie doch einige wesentliche Probleme der Arbeit, die diskutiert werden müssen.

ad a)

In der gesamten EEG/ECoG-Literatur wird die Ansicht vertreten, daß die alpha - Aktivität ein eigenständiges Phänomen eines relaxierten Wachzustandes ist. Wenn LFP als Oberwellen der alpha -Wellen zu betrachten sind, müßten sie unter relaxierter Wachheit besonders stark in Erscheinung treten und bei mentalen Leistungen, also unter Abwesenheit der alpha -Wellen, mit wesentlich geringerer Aktivität auftreten oder nicht nachweisbar sein. Es wäre nicht zu erklären, weshalb LFP respektive SP sowohl im ECoG als auch im EEG mit ähnlicher Form, Amplitude und Dichte auftreten, da Oberwellen Reflexionen der erzeugenden Welle an Grenzschichten sind. Es kann jedoch nicht davon ausgegangen werden, daß bei der Aufzeichnung dieser beiden so ähnlichen LFP- respektive SP- Phänomene in EEG und ECoG gleiche Grenzschicht-bzw. Reflexionsbedingungen auftreten, um so ähnliche LFP-respektive SP- Muster zu erzeugen. Die


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Behauptung a) ist folglich zurückzuweisen.

ad b)

Da die dieser Arbeit zugrundeliegenden Rohsignale mit einer Abtastrate von 2 kHz bzw. in den Vorversuchen mit bis zu 20 kHz Abtastrate gewonnen wurden, ist eine Erzeugung von Scheinsignalen (aliasing) aus folgenden Gründen nicht gegeben. Nach dem Abtasttheorem sind digital vorliegende Nutzsignale noch sicher beschreibbar, wenn ihre maximale Frequenz die Hälfte der Abtastrate beträgt, was zwei Abtastpunkten pro Periode entspricht. Für die hier vorliegenden Signale würde das einer Frequenz von 1 kHz entsprechen. Da das EEG/ECoG digital auf 400 Hz obere Grenzfrequenz gefiltert wurde und der Untersuchungsgegenstand SP eine maximale Amplitude für Signalanteile um eine Frequenz von 125 Hz mit stark fallenden Amplituden zu höheren Frequenzen besitzt, ist der unter b) erhobene Einwand nicht gerechtfertigt (siehe Abb. 3.3 und 3.19). Desweiteren verhindern die Filtereigenschaften des gewählten digitalen Butterworth-Filters ein Überschwingen und damit ein Verstärken einzelner Frequenzen im Bereich der Abschneidegrenze über die Ausgangsamplitude hinaus, so daß auch von dieser Seite keine ”Kunstsignale“ produziert werden.

ad c)

Die SP-event-Selektion erfolgte über die Kreuzkorrelation mit einem optimierten Suchtemplate. Dabei waren die Parameter zur Validierung eines events so gewählt, daß sie die Variationsbreite des zu erwartenden Signals gut abdeckten, anderseits aber auch so restriktiv, daß nicht jeder beliebige Signalanteil als SP-event gefunden wurde (vgl. 3.2). Die Methode der Kreuzkorrelation zur Ähnlichkeitsbestimmung ist zwar einfach, aber anerkannt und für nicht zu komplizierte Strukturen hinreichend sicher. Bei dem verwendeten Suchtemplate ist diese Einfachheit gegeben, so daß Kreuzkorrelationskoeffizienten mit dem Originalsignal, die einem p < 0,01 entsprechen, die Annahme eines SP im Originalsignal mit eben dieser Irrtumswahrscheinlichkeit rechtfertigen. Mit gleicher Sicherheit kann auch auf gleichzeitige bzw. zeitlich verzögerte SP in anderen simultan mitgeführten Ableitkanälen gefolgert werden.

ad d)

Eckhorn bezieht sich auf Untersuchungen am visuellen Kortex des Affen. Dem widersprechen Untersuchungen von Murthy und Fetz 1992 (MUR1992) am motorischen und somatosensorischen Kortex des Affen, wobei die SUA oder MUA über eine separate Elektrode als Trigger und die LFP über eine bewegte Elektrode oder über ein fixes Elektrodenarray mit definierten Elektrodenabständen erfaßt wurden. Mit Hilfe des cycle-triggered average of LFP konnten Murthy und Fetz mediolateral im präzentralen Kortex in 800 µm Tiefe und parallel zur Oberfläche noch synchronisierte Oszillationen über Distanzen von 14 mm und mehr nachweisen, wobei die


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Phasenunterschiede zu vernachlässigen waren. Zugleich konnten sie zeigen, daß sich die Polarität der LFP von der Hirnoberfläche zur Tiefe unterhalb 800 µm komplett umkehrt, wobei die SUA oder MUA -Aktivität in der positiven LFP-Phase auftritt. Werden MUA und LFP hingegenüber die gleiche Elektrode erfaßt, ist die MUA stets der negativen Phase des LFP zugeordnet.

Aus diesen Befunden lassen sich für die vorliegende Arbeit zwei wesentliche Folgerungen ableiten:

Die zitierten Distanzen sind ausreichend, um LFP respektive SP direkt an der Hirnoberfläche oder am Skalp zu erfassen. Eine Unterscheidung elektrotonischer Feldausbreitung von kohärenter Aktivität ist schwierig, wenn Phasenunterschiede kaum beweisbar sind, ist aber methodisch nicht problematisch. Denn in jedem Falle würde man mit dem SP ein im ZNS generiertes LFP erfassen.

Die 2. Folgerung ist, daß, je nach Schwerpunkt der Unitaktivität in superfizialen oder tiefen Kortexschichten, an der Oberfläche negative oder positive LFP respektive negative oder positive SP abgeleitet werden können.

Indessen sind mit elektrokortikographischen Methoden in tierexperimentellen Untersuchungen LFP abgeleitet worden, so am Bulbus olfactorius des Kaninchens von Di-Prisco und Freeman 1985 (DIP1985) und mit subduralem Elektrodengrid am visuellen Cortex des Affen von Freeman und Van Dijk 1987 (FRE1987). Daß auch der Mensch LFP generiert, ist magnetenzephalographisch bewiesen. Unter Verwendung der sog. magnetic field tomography war es möglich, lokale magnetische Feldoszillationen von 40 Hz im Thalamus und Kortex von Probanden und Alzheimer-Patienten (RIB1991) sowie am auditorischen Kortex nachzuweisen (LLI1993). LFP-Ableitungen mit der ECoG - bzw. EEG-Methodik liegen indessen nicht vor.

Daß SP keine biologischen Artefakte sind, ergibt sich aus einem Vergleich von simultanen EEG- und ECoG-Ableitungen, die an einem Patienten durchgeführt wurden. Dieser Vergleich schließt Muskelartefakte als Ursprung der SP-events insofern aus, als die SP-Amplituden des ECoG in ihrer Amplitude größer sind als die SP-Amplituden des EEG. Dies entspricht auch der allgemeinen Erfahrung, daß das Signal der Hirnrinde durch die Tiefpaßeigenschaften von Schädelknochen und Skalp eine Abschwächung erfährt (CRE1983). In älteren Quellen wird diese abschwächende Eigenschaft mit einer ”attenuation ratio“ (AR) quantifiziert, die nach Penfield und Jaspers 1954 (PEN1954) für die schnellen Spikes >20, für langsame Wellen >5 betragen soll. Cooper et al. kamen 1965 (COO1965) zu den Ergebnissen, daß nur großflächig synchronisierte kortikale Komponenten in Skap-Ableitungen nachweisbar sind und daß die Abschwächung für nicht kohärente Ereignisse bis zu 5000 zu 1 beträgt, wohingegen kohärente Ereignisse nur ein Verhältnis von 2 zu 1 erreichen. Das hat zu einer allgemeinen Übereinkunft in der EEG-Literatur geführt, daß höhere Frequenzen in Skalpableitungen stärker abgeschwächt werden als niedrige Frequenzen (Tiefpaßeigenschaft des Schädels), obwohl Pfurtscheller et al. (PFU1975) bereits 1975 zeigen konnten, daß die angenommenen Tiefpaßeigenschaften des Liquors, des Knochens


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und des Skalps die Meßergebnisse nicht für den gesamten untersuchten Frequenzbereich erklären können. Auch die hier mitgeteilten Ergebnisse widersprechen einer so weitreichenden Verallgemeinerung, denn für Frequenzen im EEG oberhalb 30 Hz wurde im Vergleich zum ECoG keine weitere Zunahme der AR, sondern eher eine geringer werdende AR gefunden. Der größere Anteil niederfrequenter Bestandteile in den kortikalen SP des ECoG weist ebenfalls auf Filtercharakteristiken des Schädeldaches hin, die nicht dieser Verallgemeinerung entsprechen. Die bisherigen Ergebnisse lassen die Aussage zu, daß die AR nur bis zum beta -Band auf die beschriebene Höhe von ca. 20 wächst, im hochfrequenteren Bereich aber wieder deutlich reduziert wird (vgl. Abb. 4.40).

Die geringere Standardabweichung im EEG könnte die Folge einer höheren SP-Dichte sein, die auf eine geringere räumliche Auflösung im Vergleich zur ECoG-Ableitung hinweist. Die größere Dichte im EEG könnte darauf beruhen, daß die Elektroden mit größeren Durchmessern und größeren Abständen zur Hirnrinde einen größeren Teil des Kortex erfassen.

Daß SP keine technischen Artefakte sind, ergibt sich aus ihrer biologischen Beeinflußbarkeit. Aufgrund der singulären Ergebnispräsentation, die hier ausschließlich der methodischen Demonstration der SP-Analyse dient, sind keine Voraussetzungen für eine breitere Beweisführung gegeben. Das ECoG-Beispiel entstammt aber einer Untersuchungsreihe, der bisher 8 Patienten angehören, wobei mindestens 3 Patienten bei vergleichbarer Elektrodenlage ähnliche Ergebnisse vorweisen. Im gezeigten Beispiel war die biologische Beeinflußbarkeit durch die Verwendung visuell differenzierbarer Selektionskriterien wie das sporadische bzw. episodische Auftreten von spike- und slow wave-Aktivität demonstriert worden, so daß normale Phasen des ECoG mit Phasen verglichen werden konnten, die durch pathologische Wellenphänomene belastet waren. Auch für das EEG-Beispiel sind die gezeigten Ergebnisse typisch für ein größeres Probandenkollektiv, das 15 Personen umfaßt. In dieser Studie wurden während kontinuierlicher Signalaufzeichungen die Einflüsse beim Lösen einer mathematischen Kettenaufgabe bzw. beim aufmerksamen Zuhören eines Hörspiels (mit anschließender Nacherzählung) auf diejenigen bei relaxierter Wachheit bezogen.

Für jede Studie aber gilt, daß sich alle Parameter der SP-Analyse als biologisch beeinflußbar erweisen, wobei in der jeweiligen Untersuchungsreihe ein hohes Maß an signifikanten Veränderungen gefunden wurde. In beiden Anwendungsfeldern waren die momentanen SP-events, die SP-Dichte, das SP-Modul und die SP-Kohärenz mit und ohne Verzögerung auf biologische Einflußfaktoren besonders sensibel. Die SP-Amplitude war nur minimal beeinflußbar, wies aber große interindividuelle und relativ stabile topographische Unterschiede auf, so auch die Leistungen der SP-Templates, dessen maximale Power sehr unterschiedlichen Frequenzen zugeordnet war. Nach bisherigen Erfahrungen liegt die max. SP-Power in EEG-Signalen


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gewöhnlich bei höheren Frequenzen als bei ECoG-Signalen, wenn bei diesem Vergleich epileptogene Aktivitäten ausgeschlossen werden.

Insgesamt kann mit dieser Diskussion die Hypothese II aufrechterhalten werden, die da lautet:

SP sind keine biologischen oder technischen Artefakte, sondern normale Bestandteile des ECoG und des EEG. Als Bestandteile des oberen gamma -Bandes sind sie in allen Parametern durch biologische Prozesse beeinflußbar, die mit der neuronalen und kognitiven Aktivität des Gehirns im Zusammenhang stehen.

5.3. Hypothese III

Im Rahmen dieser Hypothese sind zwei Problemkreise zu diskutieren:

a) Wie werden LFP im Neuropil der Hirnrinde generiert ?

b) Können SP als LFP interpretiert werden?

ad a)

Bis heute ist nicht sicher geklärt, wie die LFP im Neuropil der Hirnrinde generiert werden. Verwendet man die gut zu LFP korrelierte MUA als Trigger und führt man ein sog. spike-triggered averaging mit extrazellulären Feldpotentialen durch, erhält man sog. spike triggered averages of LFPs. Solche LFP zeigen im visuellen Kortex der Katze, daß die spikes generell und mit geringer zeitlicher Verzögerung in der negativen Phase der LFP erscheinen, wenn spikes und LFP mit der gleichen Elektrode erfaßt werden (ECK1993A). Auch im somatosensorischen Kortex der Katze erscheinen single-unit spikes und LFP in dieser Weise streng korreliert und die Unterdrückung der Nervenzellentladung ist mit einer langsamen Positivierung des umgebenden elektrischen Feldes bzw. die primäre Nervenzellentladung und der postinhibitorische Rebound mit einem tief negativen Feldpotential assoziiert (MOR1981). Untersuchungen von Murthy und Fetz 1992 (MUR1992) zeigen, erfaßt man die LFP mit separaten Elektroden und verändert dabei die Ableitposition dieser Elektrode kontinuierlich zu tieferen Schichten des Kortex, daß sich die Phasenbeziehung der LFP zur Nervenzellentladung systematisch von der Oberfläche zur Tiefe ändert und jenseits der Phasenumkehrzone komplett invertiert.

Der eindeutige zeitliche Vorlauf der LFP vor dem Erscheinen erster Spikes favorisiert synaptische Generatoren, die wegen ihrer guten Korrelierbarkeit mit SUA und MUA exzitatorischen Charakters sind. Die triphasische Gestalt und die recht großen LFP-Amplituden (100 - 400 µV; ENG1990, Fig.3; SIN1995, Fig. 1A) könnten sich dadurch erklären, daß die Masse dafür infrage kommender


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erregender Synapsen an dendritischen Spines kontaktiert. Bei gegebenem Besatz mit exzitatorischen Synapsen und auf Grund geringer Volumina und damit extrem hoher elektrischer Widerstände der Spines (spine head resistance ca. 1.1012 Ohm, spine stem resistance ca. 1.109 Ohm; SEG1988) ist es wahrscheinlich, daß sehr große EPSP generiert werden.

Auch die zeitliche Dissoziation von LFP-Phase und unit fire läßt vermuten, daß die LFP bevorzugt im dendritischen Bereich der Neurone entstehen. Ob dafür aber auch AP oder nur EPSP oder beide Potentialphänomene verantwortlich sind? An den spines gibt es sowohl receptor operated channel wie action potential operated channel, die sich in ihrer potentialgenerierenden Eigenschaft wechselseitig fördern (SEG1988).

Nach Untersuchungen mit der current source densitiy -Methode von Mitzdorf (MIT1985) sind die EPSP als Komponenten der zellulären Aktivität im Kortex an der Quellstromdichte und an der Evozierung von Feldpotentialen dominant beteiligt, wobei sich die CSD proportional zur ersten Ableitung der EPSP verhält. Im Neokortex mit seiner laminären Organisation von parallelen Pyramidensomata und vertikal orientierten Dendritenbäumen sind spine-kontaktierende, erregende Synapsen räumlich so verteilt, daß sich offene Senke-Quelle-Konfigurationen und damit im extrazellulären Feld schalenförmige Senke-Quelle-Gradienten ergeben. Indem viele Zellen mit einer solchen offenen Quelle-Senke-Konfiguration in der Volumeneinheit synchron aktviert sind, kann die Generierung von LFP proportional zur 1. Ableitung eines EPSP erwartet werden (EGG1995).

Ein anderes Argument liefert ein Vergleich von LFP mit potentialabhängiger Fluoreszenz. Danach ist das LFP ein Derivat des schnellen ”optical imaging signal“, welches intrazellulären Potentialänderungen entspricht, aber stärker dendritischen als somatischen (GRI1994).

Diesen LFP ist innerhalb der laminären Organisation der Hirnrinde eine ”Nahfeld-Fernfeld“-Organisation zuzuordnen, die simultan wie sukzessive am Ort der Senke durch die negative Phase des LFP, am Ort der Quelle durch die positive Phase des LFP gekennzeichnet ist. So beispielsweise am visuellen Kortex des Kaninchen nach elektrischer Stimulation des Nervus opticus als eindimensionales Chronotopogramm dargestellt (RAP1993, Fig. 2, ”Potential-and CSD-Chronotopogram“).

Daß diese LFP auch an der Hirnoberfläche und am Skalp abgeleitet werden können, wurde bereits diskutiert [ vgl. 5.2, Hypothese II, ad d)], auch welche interpretatorischen Probleme sich für die Entscheidung ergeben, ob es sich hierbei um eine elektrotonisch Ausbreitung singulärer LFP-Phänomene oder um die Generierung kohärent erzeugter LFP-Phänomene handelt.


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Es gilt mithin als erwiesen, daß LFP mit hoher Wahrscheinlichkeit im Bereich der spinebesetzten Dendriten der Pyramidenneurone der Hirnrinde entstehen, wobei überwiegend exzitatorische postsynaptische Potentiale, weniger Aktionspotentiale beteiligt sind, und daß zu ihrer Generation die kohärente Tätigkeit vieler Neurone erforderlich ist. Nach CSD-Untersuchungen (MIT1985) ist dabei an Populationen zu denken, die in der Größenordnung eines Volumens von 1 mm³ liegen (”The LFP consist of the CSDs integrated over a volume of 1 mm³“; EGG1995).

ad b) Können SP als LFP interpretiert werden?

Die Bestimmbarkeit der Quellorte als SP-Modul kennzeichnet das SP als lokales Feldpotential. Sein Nahfeld liegt mehr oder weniger konzentrisch um die Ableitelektrode, seine Größe ist biologisch beeinflußt. Seine Fernfelder sind variabel und ebenfalls abhängig von den entsprechenden biologischen Aktivitäten.

Die Zielvorstellung dieser Methodenentwicklung besteht darin, LFP im ECoG und EEG nachzuweisen und methodisch für Forschung und Diagnostik einzusetzen. Das LFP als Vorlage aus der Literatur ist primär ein mikroelektrophysiologisches Phänomen, welches wahrscheinlich auf EPSP im Dendritenbereich kohärent aktivierter Neurone beruht und in der Zeit hoch mit der single unit bzw. multi unit korreliert. Nach eindimensionalen Chronotopogrammen wird deutlich, daß es innerhalb des laminären Aufbaus der Hirnrinde Nah- und Fernfelder ausbildet. Inwieweit Nah- und Fernfelder Ort oder funktionelle Basis kohärenter Aktivitäten im Mikrobereich sind, ist offensichtlich noch nicht untersucht.

Dem entspricht nach dieser Methodenentwicklung ein SP-Phänomen im ”Semimakrobereich“ einer ECoG-Ableitung. Möglicherweise ist das gewählte Beispiel durch eine epileptische Anamnese vorgeschädigt, aber partielle Bereiche des abgeleiteten Gebietes (vgl. kontinuierliche SP-event-Darstellung Abb 4.3 bis 4.5), die man hinsichtlich Dichte und Kontinuität der SP-Genese als normal bezeichnen könnte, zeigen ein SP-Phänomen, welches ein dem LFP sehr ähnliches Template und Spektrum mit dem Abstrich zeigt, daß es an der Oberfläche des Gehirns mit Makroelektroden abgeleitet eine deutlich geringere Amplitude von 10 - 15 µV besitzt. Die weiteren Unterschiede werden erst durch die Modulanalyse sichtbar: seine Organisation in Nah- und Fernfeld ist, nach gleichen Kriterien definiert und relativiert auf die Potential-Chronotopogramme von Rappelsberger et al. (RAP1993) am Kaninchen ungefähr um 2 Zehnerpotenzen größer (bei Rappelsberger et al. lag der Elektrodenabstand bei 125 µm, in der vorliegenden Arbeit bei 10 x 10 mm).

Dem entspricht nach dieser Methodenentwicklung ein zweites SP-Phänomen im ”Makrobereich“ einer EEG-Ableitung, welches ein dem LFP sehr ähnliches Template und Spektrum mit dem


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Abstrich zeigt, daß es am Skalp eines Menschen mit Makroelektroden abgeleitet eine noch geringere Amplitude von 1,5 - 10 µV besitzt. Weitere Unterschiede werden auch hier erst durch die Modulanalyse sichtbar: seine Organisation in Nah- und Fernfeld ist, nach gleichen Kriterien definiert und relativiert auf die ECoG-Ebene um ca. eine Zehnerpotenz vergrößert (hier liegt der mittlere Elektrodenabstand bei 35 x 37 mm).

Gleiches gilt für die Phase-0-Kohärenz von SP-Zweikanalkopplungen, wenn man die ECoG- und EEG-Ableitung miteinander vergleicht; ein entsprechendes Äquivalent für die LFP wurde in der Literatur nicht beschrieben.

Die wesentlichen Unterschiede zwischen dem LFP- und den beiden SP-Phänomenen reduzieren sich offensichtlich auf den methodisch gewählten Elektrodenabstand, der mal das eine, mal das andere Phänomen hervorbringt. Die Frage ist, ob diesen phänomenalen Unterschieden entsprechende Strukturen des Neuropils beizuordnen wären, die für diese drei verschiedenen lokalen Feldpotentiale verantwortlich sein könnten. Naheliegend ist die Annahme, daß mit dem größeren Elektrodenabstand auch die längeren Konnektivitäten zwischen den Neuronen erfaßt werden.

Eine solche Möglichkeit scheint nach Braitenberg 1978 (BRA1978) nicht ausgeschlossen. Durch das geringere Raster der ECoG-Ableitung werden in der kombinierten Anwendung von Zweikanalkopplungs- und Modulanalyse wahrscheinlich Wechselwirkungen erfaßt, die durch das ”B-System“ der von Braitenberg vorgeschlagenen Klassifizikation interneuronaler Verbindungen des Neocortex vermittelt werden. Braitenberg klassifiziert damit assoziative Verbindungen, die von Pyramidenzellen ausgehen und über sehr kurze Distanzen (Braitenberg: ”local collaterals“, BRA1991) mit den basalen Dendriten der empfangenden Pyramidenzellen vernetzt sind. Analog kann für das Raster der EEG-Ableitung angenommen werden, daß die vermittelten Wechselwirkungen wahrscheinlich über das ”A-System“ der von Braitenberg vorgeschlagenen Klassifizierung interzellulärer Verbindungen des Neocortex realisiert werden, die große Distanzen (Braitenberg: ”long-range cortico-cortical system“, BRA1991) überwinden und am Zielort mit apikalen Dendriten des empfangenden Pyramidenneurons kontaktieren. Die Arbeiten von Braitenberg et al. basieren auf Untersuchungen des Mäusegehirns (BRA1991, S. 192). Ob sich dieses A- und B-System auch auf das menschliche Gehirn mit seinen wesentlich größeren Abmessungen übertragen läßt, ist phylogenetisch nur wahrscheinlich.

Könnte man in diesem Sinne die drei lokalen Feldpotentialphänomene erklären, entstünde in der Tat stets am Spinekontakt des Zielneurons, welches natürlich eine Pyramidenzelle oder ein


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anderes Neuron mit offener Feldstruktur sein müßte, ein LFP - und das SP im ECoG bzw. im EEG wäre demnach auch ein LFP. Daß diesem im ECoG ein viel größeres Modul, im EEG ein noch viel größeres Modul zugeordnet werden muß, könnte mit dem unterschiedlichen Einzugsfeld der verwendeten Semimakro - bzw. Makroelektroden zusammenhängen, die ein wesentlich größeres Areal erfassen, als eine Glasmikroelektrode von 25 µm Durchmesser. Denn die Größenunterschiede der Module dieser drei Feldpotentialkategorien entsprechen in grober Näherung den Größenunterschieden der jeweils verwendeten aktiven Elektrodenoberfläche. Dies würde auch erklären, warum sich die Feldpotentialdichten durch Mittelungseffekte nicht um gleiche Verhältnisse erhöhen.

Diese Diskussion kann zum gegenwärtigen Zeitpunkt keine weitere Klärung herbeiführen, aber sie berechtigt zur Feststellung, daß die Hypothese III zumindest als wahrscheinlich zu deklarieren ist. Sie lautet

Hypothese III

SP sind lokale Feldpotentiale, weil sie - unabhängig von räumlichen Raster der abtastenden Elektroden - stets durch einen vergleichbaren Prozeß generiert werden. Die Unterschiede basieren auf der unterschiedlichen Länge interneuronaler Konnektivitäten.

5.4. Hypothese IV

Die SP-Methodologie, angewandt an multi-channel-Signalen, gestattet über weite Bereiche des Kortex die komplexen neuronalen Interaktionen facettenreich und mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu verfolgen. Als besonders effektiv haben sich dabei kombinierte Anwendungen der SP-Modul- und SP-Zweikanalkopplungsanalyse erwiesen, die zeigen, daß erst durch die auf jeden einzelnen Ableitort bezogene Vielfachauswertung das hohe Maß an Parallelverarbeitung im Kortex offenbar wird. Die dabei zutagegeförderten Erkenntnisse über die Phase-0-Kohärenzen zwischen benachbarten Nahfeldern und die schleifenförmigen Reverberierungen mit relativ konstanten Zeitverzögerungen zwischen dem Nah- und dem Fernfeld können im Rahmen dieser Arbeit nicht diskutiert werden. Zugleich wird aber auch klar, warum eine globalisierte Mehrkanalableitung, möglicherweise durch restriktive Bandbegrenzung auf den traditionellen Bereich mit 30 Hz obere Grenzfrequenz mit geringer räumlicher Auflösung verbunden ist, weil diese Form der EEG-Analyse die Parallelverarbeitung des Gehirns nicht berücksichtigt.

Während der Ausarbeitung der SP-Analyse und während der Fertigstellung dieser Promotionsschrift wurden weitere Anwendungen erprobt, deren Ergebnispuplikationen sich noch in der Phase der Vorbereitung befinden. So wurden Endlos-EEG-Aufzeichnungen während der progressiven Muskelrelaxation, einem psychotherapeutischen Behandlungskonzept, an


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Patientinnen mit Anorexia nervosa analysiert, die mit Signifikanz belegen, daß diese therapeutische Anwendung hauptsächlich den Grad einer primär überhöhten Kohärenz von SP dämpft, nicht aber die SP-Dichte beeinflußt (BAR1998A). In einer Studie mit motorischen Bereitschaftspotentialen von Patientinnen mit Anorexia nervosa wird deutlich, daß sich in der Vorbereitungsphase einer motorischen Aktion mehr die Kohärenzen als die SP-Dichten ändern und daß sich die Patientinnen mit Anorexia nervosa dadurch deutlich von altersadjustierten Vergleichspersonen unterscheiden (WIP1998). Ähnliches gilt für eine Studie mit akustisch evozierten Potentialen an diesen Patientinnen (BAR1998B). In einer anderen Studie wurde die SP-Analyse angewendet, um an Patienten mit unklarem Wachkoma auf sonst nicht evaluierbare Bewußtseinszustände zu schließen (KIN1998). Zwischenzeitlich liegen auch Studien zur Wortgenerierung auf der Basis von Bereitschaftspotentialen vor, wonach sich besonders auffällig die Intervallhistogramme der SP-Generierung über der Wernicke-Region verhielten (RIE1998). In allen diesen Anwendungen wurde die SP-Analyse in definierten Zeitzonen durchgeführt, die der jeweiligen Komponentenstruktur der ereigniskorrelierten Potentiale angepaßt wurden, und mit SP-Phänomenen, die noch nach ihrer Polarität getrennt waren. Weitere ähnlich gelagerte Anwendungen sind in Vorbereitung.

Schwerpunkt der Anwendung der SP-Analyse aber sind ECoG-Ableitungen an Patienten mit Epilepsie, die aufgrund ungenügender Einstellbarkeit mit Antikonvulsiva in der Epilepsiechirurgie eine therapeutische Möglichkeit sehen, ihr Anfallsleiden zu mildern oder zu heilen und sich deshalb in einem prächirurgischen Monitoring befinden. Nach ersten Erfahrungen bestehen berechtigte Hoffnungen, daß mit dieser Methode eine Lokalisation epileptogener Areale aus interiktalen ECoG-Aufzeichnungen gelingt. Denn epileptogene Strukturen markieren sich in dem einen oder anderen SP-Parameter z.B. durch sehr große SP-Amplituden, geringe SP-Dichte, kleine Module, geringe Kohärenz mit den umliegenden Hirngewebsaktivitäten, können aber auch ganz anders strukturiert sein. Zumindest sind immer Unterschiede zum normalen Umfeld zu erkennen. Ein Vergleich von 8 Patienten mit fokaler neokortikaler Epilepsie macht aber deutlich, daß es offenbar verschiedene Epilepsieformen gibt, sofern die nähere Charakterisierung der epileptogenen Struktur von diagnostischem Wert ist, und daß es offensichtlich von Vorteil sein könnte, wenn die Pharmakotherapie nach solchen Merkmalen eingestellt wird.

Dieser Untersuchungsansatz ist nicht nur wegen seiner Orientierung auf inter-iktale Phasen der ECoG-Überwachung vorteilhaft, denn diese sind im Monitoring immer verfügbar, und das Gehirn des Patienten zeigt nur über epileptischen Strukturen die abnormale Aktivität. Dieser Ansatz ist auch deshalb vorteilhaft, weil kognitive Beanspruchungen des Patienten während der ECoG-Aufzeichnung in zusätzlicher Weise die epileptischen Strukturen demarkieren, die gewöhnlich nicht in kognitiven Aktivitäten involviert sind.


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Es ist zu erwarten, daß Anwendungen der SP-Analyse an Systemen mit erhöhter Kanalzahl (64 und mehr) und an magnetenzephalographischen Ableitungen gleicher Bandbreite für die noninvasive Kognitionsforschung und für die invasive neurologische Diagnostik am Menschen von großem Vorteil sind. Der anfallende Rechenaufwand erfordert jedoch größere und schnellere Rechnersysteme mit entsprechenden Informationsspeichern.

Alle die gewonnenen Erfahrungen lassen sich in Übereinstimmung mit Hypothese IV wie folgt zusammenfassen:

Hypothese IV:

Die SP-A ist in ihrer Orientierung auf hochfrequente lokale Feldpotential-events eine wertvolle Ergänzung der traditionellen EEG- und ECoG-Ableitung und besonders geeignet für die noninvasive Kognitionsforschung sowie für die invasive neurologische Diagnostik am Menschen.


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