Riewe,
Dagmar:
Widerspiegelung der Sprachproduktion im Hochfrequenzbereich des EEG Pilotstudie zur Anwendbarkeit der Subpotentialanalyse für die Erforschung kognitiver Prozesse

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Kapitel 2. Methode

2.1. Probanden

Die vorliegende Studie bezieht sich auf eine Gruppe von 28 gesunden Versuchspersonen, vornehmlich Medizinstudenten, davon 15 männliche und 11 weibliche Rechtshänder sowie jeweils ein Linkshänder. Die Probanden waren 18 bis 24 Jahre alt, das Durchschnittsalter lag bei 21 Jahren. Die Muttersprache aller Probanden war Deutsch. Neurologische bzw. zerebrale Störungen lagen nach dem Wissen der Probanden zum Untersuchungszeitpunkt und in der Vergangenheit nicht vor. Die Teilnahme an den Untersuchungen war freiwillig, die Probanden erhielten für ihren Zeitaufwand eine Vergütung.

2.2. Vorbereitung

Die Versuchspersonen wurden zunächst über Ziel und Ablauf der Untersuchungen informiert. Sie wurden aufgefordert, während des Versuchs laut und deutlich zu sprechen. Danach wurden die Ableitorte gemäß dem internationalen 10-20-System [ J58 ] ausgemessen, markiert und mit ”OMNI PREP PASTE“ (Weaver & Co.; USA) vorbereitet. Die ”GOLDCUP“-Elektroden (Toennis; Würzburg) wurden mittels adhäsiver Elektrodenpaste ”ELECTRODE CREAM EC2“ (Grass Instrument Company; USA) an der Kopfhaut fixiert. Mit einem Widerstandsmeßgerät wurden die Übergangswiderstände geprüft. Sie lagen in


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allen Fällen unter 5 kOMEGA. Elektroden mit höheren Übergangswiderständen wurden nach nochmaliger Hautreinigung erneut aufgesetzt und geprüft.

Nachdem alle Elektroden befestigt waren, nahm der Proband im Sessel Platz. Die Elektroden wurden mit der Headbox verbunden. Nach einer Probeableitung zur Optimierung der analogen Verstärkereinstellung wurde das Signal jeder Elektrode mit einer 100 µV Rechteckspannung geeicht.

Die gesamte Vorbereitungszeit dauerte ca. 20-30 Minuten.

2.3. Untersuchungsbedingungen

Die Versuchspersonen saßen während der EEG-Ableitung mit geöffneten Augen in einem elektrisch abgeschirmten, 2,5 m x 2,6 m großen Raum auf einem bequemen Sessel mit Nackenstütze. Im Sichtbereich der Probanden befand sich in einem Abstand von ca. 1,5 m ein Zeitgeber mit einer uhrähnlichen Scheibe und einem darüber langsam rotierenden Zeiger (1 Umdrehung / 12 s). Den Probanden wurde damit der Sprachrhythmus vorgegeben. Außerdem steuerte dieses System die Datenerfassung, indem ein mechanischer Schalter die EEG-und Mikrofonaufzeichnung für 6 Sekunden eingeschaltete, davon drei Sekunden vor Sprachbeginn und drei Sekunden nach Sprachbeginn. Durch diese Maßnahme wurde die Größe der primären Datenfiles auf die Hälfte reduziert. Neben dem Sessel befand sich die Headbox auf einem Stativ. Das Mikrofon war 20 cm vor dem Orificium oris des Probanden positioniert .

Der Versuchsablauf wurde durch den Versuchsleiter von einem angrenzenden Raum aus kontrolliert. Hier erfolgte auch die computergestützte Aufzeichnung der Meßwerte.


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2.4. Versuchsablauf

Der Versuch wurde den vorgegebenen Bedeutungen des Homonyms ”Leiter“ (”Der Leiter“ = R und ”Die Leiter“ = I) folgend, in zwei Abschnitte geteilt. Zwischen den Versuchsabschnitten wurde eine kurze Erholungspause von ca. 5-10 min eingelegt. Die Ablauffolge wechselte von Proband zu Proband. Der Versuchsleiter legte im Vorgespräch fest, mit welcher Wortbedeutung die Untersuchung zu beginnen war.

Alle Probanden hatten die Aufgabe, das Homonym ”Leiter“ mit kurzen Wortgruppen laut zu erklären. Dabei mußte der homonyme Begriff ohne Artikel am Anfang jeder Wortgruppe genannt werden (z.B. ”Leiter telefoniert“ oder ”Leiter aus Holz“). Der Sprachrhythmus wurde durch den oben beschriebenen analogen Zeitgeber vorgegeben, womit auch ein bestimmter Zeitbereich angezeigt wurde, in welchem die Wortgruppen zu sprechen waren. In den Sprachpausen sollten sich die Probanden die nächste Wortgruppe ausdenken. In beiden Versuchsabschnitten sollten jeweils 60 Wortgruppen gebildet werden. Wiederholungen von Wortgruppen wurden im Interesse eines flüssigen Versuchsablaufes zugelassen.

Nach Versuchsende wurden die Probanden über ihre Eindrücke bezüglich des Schwierigkeitsgrades der Wortgruppenbildung bzw. nach der individuell angewandten Strategie der Aufgabenbewältigung in den einzelnen Versuchsabschnitten befragt. Die Ergebnisse wurden protokolliert. Nach dieser Analyse konnten die Probanden zumindest zu Auswertungsgruppen ”Schwerer“ (S) bzw. ”Leichter“ (L) zusammengefaßt werden.


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2.5. Signalerfassung

2.5.1. EEG-Ableitung

Die EEG-Daten wurden breitbandig bis 2000 Hz mit einer Zeitkonstanten von 1,5 s über die Positionen F3 und F4 sowie C3 und C4 (int. 10-20-System [ J58 ]) abgeleitet. Die Referenzelektroden A1 und A2 befanden sich auf dem rechten und linken Processus mastoideus. Sie wurden miteinander kurzgeschlossen. Die Masseelektrode wurde auf der Stirnmitte positioniert (siehe Abb. 2.1.).

Abb. 2.1.
Anordnung der gewählten Ableitorte. Elektrodenposition : F3, F4, C3, C4, A1 und A1 (internationales 10-20-System), Masse : Elektrode auf Stirnmitte.


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2.5.2. Aufzeichnung, Parameter und Geräte

Die EEG-Signale wurden verstärkt. Die Aufzeichnungsempfindlichkeit betrug 50 µV/cm. Als EEG-Gerät diente ein ”Bioscript 2002“ (VEB Medizingeräte Zwönitz, Deutschland).

Die Sprache wurde mit einem Mikrofon aufgenommen und über einen EMG-Eingang der Headbox des EEG-Gerätes verstärkt. Die Aufzeichnung der Sprache erfolgte mit einer oberen Grenzfrequenz von 2 kHz, einer Zeitkonstanten von 0,001s und einer Empfindlichkeit von 2 mV/cm.

Sprach- und EEG-Signale wurden zur Überwachung des Versuchsablaufs kontinuierlich über den Monitor des Bioscript 2002 angezeigt.

Abb. 2.2.
Blockschaltbild der Versuchsanordnung. Elektroden: vgl. Abb. 2.1. Headbox: Elektrodenanschlußfeld mit Vorverstärker; Verstärker: ”Bioscript 2002“ mit Biomonitor (Zwönitz, Deutschland); AD-Wandler: Cambridge Electronic-Design ”CED 1401“ (Science Park Cambridge, England), Auflösung: max. 32 Kanäle, max. 16000 Datenpunkte pro Sekunde; PC: 386 SX ”Tandon“ , ausgestattet mit Interface card und Software für CED.


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Zur AD-Wandlung beider Signalkategorien wurde das 32-Kanal-Gerät ”Cambridge Electronic Design (CED) 1401“, (Science Park Cambridge, England) genutzt. Die AD-Wandlungsrate pro Kanal betrug 2 kHz bei einer Auflösung von 12 Bit. Der DA-Ausgang des CED 1401 erlaubte außerdem eine akustische Kontrolle des aufgezeichneten Sprachsignals.

Die AD-gewandelten Signale wurden, gesteuert über den Zeitgeber, epochenweise über eine Interface card auf die Festplatte eines PC 386 SX ”Tandon“ überspielt. Der Vorgang konnte am Monitor des PC verfolgt werden. Dabei wurden alle Epochen, die eine Artefaktschwelle von ± 150 µV überschritten, automatisch eliminiert.

Das Blockschaltbild der Versuchsanordnung ist in Abb. 2.2. dargestellt.

2.6. Datenanalyse

2.6.1. Vorverarbeitung: Synchronisation, Baselinenormierung

Die durch den Zeitgeber erzeugten 6-Sekunden-Epochen wurden offline auf die Dauer einer Sekunde gekürzt und so durch den Beginn des Sprechens synchronisiert, daß 750 ms vor und 250 ms nach Sprachbeginn entfallen. Alle EEG-Episoden, die diesem Zeitmaß nicht entsprachen, wurden eliminiert. Stand die Ermittlung von Bereitschaftspotentialen im Vordergrund, wurde eine Tiefpaßfilterung mit 30 Hz (digitales Butterworth - Filter, 2. Ordnung) durchgeführt. Sollten die Episoden mit der Subpotentialanalyse untersucht werden, wurde bandpaßgefiltert (10 - 400 Hz, digitales Butterworth - Filter, 2. Ordnung). In diesen sprachsynchronisierten Formen wurden die Signale für die weitere Auswertung gespeichert.

Für die Mittelungen der EEG-Signale zu grand-mean BP wurde eine Baselinenormierung durchgeführt. Dazu wurde in jeder einzelnen Episode der Signalbereich von -750 ms bis -500 ms gemittelt und als Bezug verwendet.


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Das Sprachsignal wurde ebenfalls gemittelt. Da sich dabei aber nur eine Nullinie ergab, wurde für die graphische Darstellung die Standardabweichung des Mikrofonsignals verwendet (Abb. 3.1. A).

In der weiteren Analyse wurden von allen Probanden, von allen Ableiteten und für jede homonyme Bedeutung folgende Daten berechnet und statistisch geprüft.

2.6.2. Gemittelte Bereitschaftspotentiale (BP)

Bei der Mittelung der baselinenormierten BP wurde für die Erstellung von Abbildungen und für die Prüfung auf Normalverteilung mit dem Kolmogorov-Smirnov-Test nur jede 10. Stützstelle tabelliert. Da sich nach diesem Test alle BP als normalverteilt erwiesen, wurde mit dem t-Test auf signifikante Unterschiede geprüft. Die Prüfung erfolgte an ”grand mean“-Potentialen, die aus den normierten BP aller 28 Probanden gebildet wurden. Zuerst wurden die beiden Versuchsbedingungen auf ”semantische Unterschiede“ mit dem abhängigem t-Test untersucht danach im regionalen Vergleich die interhemisphärischen bzw. transversalen und die fronto-zentralen oder sagittalen Unterschiede in den Ableitungen. Schließlich wurde auf ”emotionale Unterschiede“ untersucht, nachdem die Daten nach Maßgabe subjektiv empfundener Schwierigkeiten bei der Wortgruppenfindung umsortiert wurden.

2.6.3. Spektralanalyse der BP in den klassischen Frequenzbändern

Die 750 ms vor und 250 ms nach dem Sprechen wurden zu einem Analyseintervall zusammengefaßt und mit einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) auf spektrale Zusammensetzung untersucht.

Die Fourier-Transformation besagt, daß sich jede beliebige Funktion ƒ(x) auch als eine Summe von Sinus- und Kosinusfunktionen verschiedener Frequenzen beschreiben läßt. Durch die Fourier-Transformation entsteht die ”Fourier-Transformierte“, d.h. bei dieser Auswertung das Amplitudenfrequenzspektrum des untersuchten EEG-Signals. Um auf Grund der hohen Datenmenge bei vier


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Ableitkanälen die Rechenzeit vertretbar zu gestalten, wurde die Methode der Fast-Fourier-Transformation (FFT) genutzt. Dazu wurden alle Episoden pro Untersuchungsabschnitt analysiert und das Amplitudenmittel für jedes Frequenzband in µV/Hz berechnet. Die Ergebnisse wurden für folgende Frequenzbandbereiche angegeben: delta- Band (1 - 3 Hz), theta - Band (4 - 7 Hz), alpha - Band (7 -13 Hz), beta - Band (14-30 Hz), gamma - Band (31-49 Hz). Anschließend wurden die spektralen Amplituden der untersuchten EEG-Signale mit dem Kolmogorov-Smirnov-Test auf Normalverteilung getestet und statistisch mit dem t-Test nach semantischen, regionalen und emotionalen Unterschieden ausgewertet.

2.6.4. Subpotentialanalyse

Im HF-Bereich des EEG-Signals befinden sich Potentialphänomene, die in ihrer Zeitstruktur den LFP ähneln. Um diese Potentiale herauszufinden, wurde die von Bartsch und Krüger entwickelte Subpotentialanalyse angewendet.

Bei der Subpotentialanalyse wird die MWCC [ BKM97 , K89] angewendet, um mit Hilfe einer LFP-ähnlichen Potentialannahme diejenigen Signalformationen im HF-EEG zu finden, die mit dieser Annahme signifikant (p<0.01) und maximal korrelieren. Als Potentialannahme dient die erste Ableitung der Gaußschen Normalverteilung, deren Zeitbasis 10 ms beträgt

Solche EEG-Signalformationen werden als Subpotential-events (SPe) bezeichnet, die je nach Vorzeichen des Korrelationskoeffizienten entweder positiv oder negativ sind. Um zu verhindern, daß nach Erkennung eines SPe nach einem Phasenwinkel von 1800 ein weiteres SPe mit entgegengesetztem Vorzeichen erkannt wird, ist mit dem erstmaligen SPe in der MWCC zwanghaft eine Totzeit verbunden. Nach empirischen Untersuchungen liegt die Totzeit in der Größe von 2,5 ms [ K98 ]. Die SPe pro Elektrode und Sekunde werden als SP-Dichte (SPe/s) angegeben, entweder als absolute SP-Dichte oder als Dichte positiver oder negativer SPe.


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Selektiert man aus jedem EEG-Signal definierte Zeitbereiche vor und nach den jeweiligen SPe und mittelt man diese, entsteht ein gemitteltes Template (aSP), welches durch sukzessiv miterfaßte SP-Strukturen in der ”Vorphase“ oder ”Nachphase“ erheblich gestört wird. Um diesen Mittelungsfehler zu korrigieren, wurden deshalb auch die Intervalle zwischen positiv-positiven (ppH), positiv-negativen (pnH), negativ-positiven (npH) und negativ-negativen SPe (nnH) histografiert und zu einem event-interval-term (eit) gefaltet:

eit = ppH ** pnH ** npH ** nnH

mit welchem das fehlerhafte aSP rückgefaltet das ”wahre“ Template SP(t) bildet:

SP(t) = aSP// eit

Beide Formeln wurden der Promotion von H. Krüger entnommen [ K98 ]. Das SP(t) erlaubt eine genaue und reproduzierbare Ausmessung seines Amplituden-Zeit-Templates, beispielsweise den in µV gemessen peak-to-peak-Abstand zwischen dem Minimum in der negativen Vorphase und dem Maximum zum Zeitpunkt des SPe. Der einzige Nachteil besteht darin, daß durch diese Rechenoperation pro Proband und Versuchsabschnitt nur ein Template pro Ableitelektrode zur Verfügung steht, dem jegliche Streuungsmaße fehlen. Aber diese notwendige Rechenoperation führt innerhalb einer untersuchten Population zu einem einheitlichen Ergebnis.

Solche Faltungsoperationen sind nicht mit beliebigen Signalabschnitten durchzuführen. In den vorliegenden Untersuchungen umfaßten die definierten Zeitbereiche vor und nach jedem SPe insgesamt 100 ms.

Zur weiteren Auswertung wurden je Ableitort und Versuchsbedingung die SP-Amplituden und die Anzahl aller SP-events pro Sekunde als SP-Gesamtdichte (SPe/s) berechnet. Nach Prüfung aller Werte auf Normalverteilung wurden analog zum BP die semantischen, emotionalen und topographischen Unterschiede dieser beiden SP-Parameter berechnet.


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Um die Fragestellung nach möglichen Zusammenhängen zwischen SP-Parametern und den klassischen Frequenzbändern zu beantworten, wurde eine Korrelationsanalyse durchgeführt.

2.6.5. Intervallhistographie der SP-events

Bei der Selektion der SPe fiel auf, daß diese nach bevorzugten Intervallen auftreten. Es wurden die Intervall-Längen berechnet und die Auftrittshäufigkeit über den jeweiligen Intervallen, die von 3 bis 25 ms reichten, histographisch dargestellt. Um die SPe-Intervalle auf semantische, regionale und emotionale Einflüsse prüfen zu können, wurden die Intervalle für jede Ableitung in die Versuchsgruppen R und I sowie in die Auswertgruppen S und L sortiert. Die semantischen, regionalen und emotionalen Unterschiede in den SP-Intervallen wurden nach Prüfung auf Normalverteilung innerhalb jeder Intervallklasse analog zu den Bereitschaftspotentialen mittels t-Test im Programm SPSS geprüft.

2.6.6. Auswertung von SP-Parametern in Zeitzonen

Um einen synoptischen Zusammenhang zum BP zu erstellen, wurde das Analyseintervall in drei Zeitzonen von jeweils 250 ms aufgeteilt. Die Aufteilung der präreaktiven und perireaktiven EEG-Episoden orientierte sich am Sprachbeginn und betrifft folgende Zeitzonen: ZZ1 = -750,0 ... -500,5 ms; ZZ2 = -500,0 ... -250,5 ms; ZZ3 = -250,0 ... -0,5 ms vor und einer Zeitzone von 250 ms (ZZ4 = 0 bis 249,5 ms) nach Sprachbeginn. Die SP-Analyse wurde für diese definierten Zeitabschnitte wiederholt, wobei die SPe nach ihrem Vorzeichen getrennt analysiert wurden. Dynamische Unterschiede in der SP-Dichte zwischen den direkt aufeinanderfolgenden Zeitzonen wurden mittels Wilcoxon-Test auf Signifikanz geprüft. Die semantischen, regionalen und emotionalen Unterschiede in der SP-Dichte wurden mit dem Wilcoxon-Test geprüft.


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2.6.7. Kohärenz gleichgepolter Subpotentiale

Weiterhin fiel bei der Subpotentialanalyse auf, daß einige SPe in derselben EEG-Episode an verschiedenen Ableitorten zum gleichen Zeitpunkt, also kohärent bzw. ”gekoppelt“ auftraten. Zur Darstellung des Zusammenhangs von zwei verschiedenen Ableitorten wurde in jeweils zwei Kanälen das zeitliche Erscheinen der SPe untersucht (Zweikanalkopplungsanalyse), wobei jeweils einer der beiden Kanäle als Triggerkanal fungiert. Das simultane Auftreten von Subpotentialen in beiden Kanälen steht für das Merkmal ”gekoppelt“. Dabei wurde eine zeitliche Unschärfe von ±1 Stützstelle (= ±0,5 ms bei 2kHz AD-Wandlungsrate) zugelassen.

Normiert man die gekoppelt auftretenden SPe zweier Ableitkanäle auf die SPe des jeweiligen Triggerkanals, ergeben sich Kanalkopplungsfaktoren (KKF). Analog den SPe ergeben sich auch hier positive und negative Faktoren (KKF+, KKF-).

Durch die Verknüpfung von vier Kanälen kommt es nach der Regel dieser Zweikanalkopplungsanalyse zu n*(n-1) Kopplungen, d.h. zu 12 verschiedenen Zweikanalkopplungen. Unter der Berücksichtigung der Polarität sind das 24 mögliche Kopplungen bzw. nach Aufteilung in vier Zeitzonen 96 Kopplungen für jede einzelne Versuchsbedingung. Um die Rechenzeit bei dieser Vier-Kanalableitung in vertretbaren Grenzen zu halten, wurden Kopplungen nur zwischen gleichgepolten SP untersucht.

Faßt man nach Maßgabe der Zweikanalkopplung alle zu einem Triggerkanal als ”gekoppelt“ ermittelte SP aller anderen Ableitkanäle zusammen und normiert man diese auf die SP-Dichte des Triggerkanals, erhält man einen Faktor, der die Kanalkopplungsdichte (iKF) dieses Triggerkanals mit den übrigen Ableitorten beschreibt. Um ebenfalls einen synoptischen Zusammenhang zum BP herstellen zu können, erfolgte die Berechnung der iKF+ und iKF- analog zur SP-Dichte in den vier definierten Zeitabschnitten. Anschließend wurden statistische Prüfungen für die dynamische Entwicklung in den Zeitzonen sowie für die topographischen, semantischen und emotionalen Unterschiede durchgeführt.


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