Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

  
Integrative Funktionen des Nervensystems, Physiologie des Verhaltens

  Untersuchung hoher & höchster Hirnfunktionen
© H. Hinghofer-Szalkay

Alzheimer'sche Erkrankung: Alois Alzheimer
Berger-Effekt: Hans Berger
Elektroenzephalographie: ἤλεκτρον = Bernstein (lädt sich beim Reiben elektrostatisch auf), ἐγκέφαλον = Gehirn, γραφή = Aufzeichnung
 Epilepsie: ἐπιλαμβάνειν = ergreifen, anfallen
Evoziertes Potential: evocare = herbeirufen (vox = Stimme), potentia = Stärke
Rheoenzephalographie: ρεῖ = fließen, ἐγκέφαλον = Gehirn, γραφή = Aufzeichnung
Schizophrenie: σχίζειν = (ab)spalten, φρήν = Seele
Ein Standardverfahren zur Beobachtung der Hirnaktivität ist die Elektroenzephalographie (EEG). Sie misst aktivitätsabhängige Potentialschwankungen, die nichtinvasiv (von der Kopfhaut) oder invasiv (tiefergelegen, evt. vom Kortex) abgeleitet werden und für den jeweiligen Zustand typische Wellenmuster und Frequenzen aufweisen.

 Ereigniskorrelierte Potentiale lassen sich durch oftmalige Wiederholung von Willkürbewegungen (motorisch) oder Sinnesreizungen (visuell, akustisch,..) und anschließende Mittelung (averaging) reizsynchronisierter EEG-Strecken errechnen und beurteilen. Oftmalige Reiz- oder Bewegungswiederholung und anschließende Überlagerung reiz- bzw. bewegungssynchronisierter EEG-Sequenzen ermöglicht die Verstärkung der relativ schwachen korrelierten Potentialschwankungen und das Herausmitteln nicht korrelierter Potentiale (z.B. Betawellen) .

 Magnetresonanztomographische Signale sind vom Sauerstoffgehalt des Blutes im Gehirn abhängig (BOLD: Blood oxygenation level dependent), der sich mit der neuronalen Aktivität ändert; sie ermöglichen die Konstruktion einer Karte der zerebralen Stoffwechselaktivität.

 Provokationstests dienen der Untersuchung reaktiver Phänomene, z.B. reduziert Hyperventilation die Hirndurchblutung (hypokapniebedingte zerebrale Vasokonstriktion).


Elektroenzephalographie (EEG) Ereigniskorrelierte Potentialschwankungen (VEP, AEP, SEP) Positronen-Emissionstomographie (PET) Magneto-Enzephalographie (MEG)  Magnetresonanz-Enzephalographie (MRI)   fMRI, BOLD Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)  Rheoenzephalographie (REG)  Default Mode Network (DMN)

Praktische Aspekte        Core messages
  
Höhere Hirnfunktionen betreffen hochkomplexe neuronale Leistungen wie Aufmerksamkeit, Planen, Denken, Problemlösen, Sprechen, Erinnern, Bewerten usw. Diese sind bei Erkrankungen des zentralen Nervensystems so gut wie immer betroffen - Depressionen, Schizophrenie , Demenz (Mb. Alzheimer ), Epilepsie , neurodegenerative Erkrankungen (multiple Sklerose, Mb. Parkinson usw.), Blutungen, Thrombosen, Tumoren etc.

Schon die Beobachtung des Patienten (Körpersprache, Sprechtempo, Verhalten usw) kann zahlreiche Hinweise über mögliche neuropathologische Veränderungen geben.

Über transkranielle Magnetstimulation s. dort
 
Elektroenzephalographie
 
Die Aufzeichnung von Elektroenzephalogrammen (EEG) erfolgt ähnlich wie die anderer elektrischer Phänomene (EKG, EOG usw): Mehrere Ableiteelektroden werden auf die Körperoberfläche positioniert (definierte Ableitepunkte, Abbildung) und die Potentialunterschiede zwischen ihnen aufgefangen und dargestellt.
 
 
Abbildung: EEG-Standard- Ableitepunkte nach dem 10-20-System
Nach Sharbrough F et al: American electroencephalographic society guidelines for standard electrode position nomenclature. J Clin Neurophysiol 1991; 8: 200-2
 Referenzpunkte sind das Nasion und Inion. Von hier aus erfolgt die Vermessung des Schädels, 10% und 20% Abschnitte werden ermittelt und 21 Elektroden an den angegebenen Stellen an der Kopfhaut befestigt
 
F, C, T, P, O = frontal, central, temporal, parietal, occipital

Über die Entstehung kortikaler Potentialschwankungen s. dort
 
Die Gehirnaktivität - genauer: Oszillationen im aktivierenden retikulären System des Hirnstamms - erzeugt mehr oder weniger rhythmische elektrische Potentialschwankungen, die an der Kopfhaut als EEG abgeleitet werden und deren Frequenz, Amplitude und Muster physiologische (Aufmerksamkeit? Wachheit?) und neurologisch-diagnostische Hinweise geben. Die Amplitude (bei nichtinvasiver Ableitung von der Kopfhaut) beträgt größenordnungsmäßig ~0,1 Millivolt.

Es gibt verschiedene Standards für die Anbringung von Elektroden zur EEG-Ableitung, wobei mehrere Kanäle synchron aufgezeichnet werden und dadurch auch zeitlich-räumliche Muster (mapping) erfasst werden können. Ein großer Vorteil ist die hohe zeitliche Auflösung; funktionelle Veränderungen stellen sich in Sekundenbruchteilen dar.

"Desynchronisiertes" EEG: Im wachen Zustand findet man beim Erwachsenen pro Sekunde 13 bis 30 Beta-Wellen. ß-Wellen treten weiters während des REM-Schlafs auf, ferner unter Einwirkung einiger Psychopharmaka.

Aufmerksame mentale Beschäftigung (wie Lernen) erzeugt Gamma-Wellen (30-40 / Sekunde).
 

Abbildung: Berger-Effekt (Alpha-Blockade, Alpha-Aktivierung)

Im entspannten Zustand, insbesodere bei geschlossenen Augen (Meditation), treten über Frontal- und Okzipitalhirn Alpha-Wellen mit einer Frequenz von 8-13 pro Sekunde auf. Öffnet man die Augen, verschwindet der α-Rhythmus (Alpha-Blockade: Berger-Effekt , Abbildung), schließt man sie wieder, kehrt er zurück.
EEG-Rhythmen
(erwachsene wache Person)
Bezeichnung
 		Frequenz (1/s)
 		Zustand
alpha
 		8-12
 		dösend, schläfrig
Augen geschlossen
beta
 		13-30
 		wach, Augen geöffnet
gamma
 		30-40
 		aufmerksam, mental aktiv
Konzentration auf Inhaltszusammenhänge

 
Kinder, insbesondere Säuglinge, zeigen niedrigere EEG-Frequenzen, das Erwachsenenmuster wird im Pubertätsalter erreicht.
 
Über Schlaf-EEG s. dort
 

Abbildung: Alternierendes Schachbrettmuster als visueller Stimulus
Quelle: Wikipedia
Während der Betrachtung dieses etwa alle 0,5 Sekunden wechselnden Musters (Fixierung des roten Punktes) können stabile evozierte Potentiale ermittelt werden. Bei gesunden Personen ergibt sich eine Latenz von ~100 ms (Zeit von Wechsel bis erste VEP-Spitze), diese Dauer nimmt bei Störungen im visuellen System zu

       Provokationstests (Hyperventilation, Flimmerlicht u.a.) bei der neurologischen Untersuchung können pathologische Hirnstrombilder aufdecken.

       Im Zustand der Narkose ändert sich das EEG und zeigt schlafähnliche Muster.
  

Ereigniskorrelierte Potentialschwankungen
 
Ereigniskorrelierte Potentiale (EP, event-related potentials ERP) sind aus dem EEG-Muster gemittelte Potentialverläufe, die mit einem Ereignis (motorisch oder sensorisch) ursächlich zusammenhängen. Die Amplituden dieser Potentialschwankungen (Cortical evoked potentials, CEP) sind gering (Mikrovolt-Bereich) und werden vom Spontan-EEG überlagert.


Abbildung: Akustisch evozierte Stammhirnpotentiale (AEP) beim Neugeborenen
Nach einer Vorlage bei emcap.iua.upf.edu
AEP (Auditory evoked potentials) entstehen durch elektrische Aktivität in Innenohr (cochlea), Hörnerv (N. cochlearis), nucleus cochlearis, oberem Olivenkomplex, lemniscus lateralis, untere Vierhügel (colliculi inferiores), Thalamus (corpus geniculatum mediale) und Großhirnrinde

Zum Herausfiltern des relevanten Potentialverlaufs ist die oftmalige Wiederholung des Versuchs und exakte Synchronisierung der EEG-Strecken nach Maßgabe des Zeitpunkts, an dem das Ereignis auftritt, notwendig. Regelmäßig reiz- bzw. aktivitätssynchrone Abweichungen werden aus dem (nicht reiz- bzw. aktivitätsabhängigen) Spontanmuster der kortikalen Spannungsschwankungen computerassistiert "herausgemittelt" (averaging).

Handelt es sich um die Reaktion des Gehirns auf einen sensorischen Reiz, so erfolgt der Potentialverlauf nach Auftreten des Ereignisses (welches das Potential ja verursacht hat: evozierte Potentiale : visuell, akustisch, somatosensorisch getriggert - VEP, AEP, SEP).

     Visuell evozierte Potentiale (VEP): Diese sind mehrphasig, dauern etwa eine Viertelsekunde und haben eine Amplitude von ~10 µV. Die Latenz von der Reizpräsentation bis zum Potentialbeginn beträgt ~0,1 Sekunde. (Die Abbildung rechts oben zeigt ein Schachbrettmuster, dessen Kontrastumkehr als Stimulus dient.)
  
Latenzzeit und Amplitude visuell evozierter Potentiale erlauben Rückschlüsse auf die Intaktheit der Sehbahn
  
     Akustisch evozierte Potenziale (AEP): Auch sie sind mehrphasig; ihre "sehr späten" Anteile können bis zu ~1 Sekunde nach Reizbeginn nachklingen. Die frühen Anteile (Dauer ~0,1 s; frühe akustisch evozierte Potentiale, FAEP) stammen von Aktivität in der Hörbahn (cochlea, Hörnerv, nucl. olivaris superior, lemniscus lateralis, colliculus inferior). Ihre Messung wird auch als BERA (brainstem evoked response audiometry, Hirnstammaudiometrie) bezeichnet ( s. dort).
  
     Somatisch evozierte Potentiale (SEP): Ein peripherer Nerv (z.B. N. medianus, N. tibilais) wird mehrfach elektrisch gereizt und es werden zentrale (über dem Rückenmark und dem Gehirn) Potentialänderungen abgeleitet. Körperlage und -temperatur beeinflussen die Messwerte.
 
Bezeichnung gemittelter Abweichungen von der Nulllinie: EPs werden so aufgezeichnet, dass Abweichungen nach "Minus" nach oben und solche nach "Plus" nach unten registriert werden. Ausschläge nach oben (-) werden mit einem N (für negativ) und solche nach unten (+) mit einem P (für positiv) bezeichnet und in der Reihenfolge ihres Auftretens (ab Reizbeginn) nummeriert, beispielsweise:

    Der P1-Effekt erfolgt 70-100 ms nach Reizbeginn und beruht wohl auf einem frühen Selektionsmechanismus, so auch
 
    Der N1-Effekt, der etwa 100 ms nach Reizpräsentation auftritt.
 
    Der P3- (auch P300-) Effekt hat mit kognitiver Verarbeitung zu tun (Bewusstseinsmarker? Erscheint mit 5 Monaten Lebensalter) und tritt 0,3-0,5 Sekunden nach Reizbeginn auf.
 
Positronen-Emissionstomographie (PET)
 
Dieses Verfahren kann zur dynamischen Funktionsuntersuchung des Gehirns eingesetzt werden (Neuroimaging). So kann die kortikale Durchblutung oder Glucoseutilisation relativ zum umgebenden Gewebe dargestellt werden, z.B. die stärkere Aktivierung der Calcarinarinde beim Umherblicken, der Heschl-Querwindungen beim Zuhören oder frontaler Rindengebiete beim Nachdenken oder bei Muskelaktivierung ( Abbildung).
 
 
Abbildung: PET-Hirnscans
Modifiziert nach einer Vorlage bei chm.bris.ac.uk
Rot: hohe metabolische Aktivität, Blautöne: niedrige metabolische Aktivität

PET ist eine Variante der Emissionscomputertomographie. Das Verfahren beruht auf der synchronen Detektion zweier Photonen (Gammastrahlung), die beim Zerfall eines - Positronen emittierenden - Radionuklids (das i.v. injiziert worden ist) entstehen.
  
Zur Darstellung eines PET werden radioaktive Isotope verwendet
    
Zur Anwendung gelangen radioaktive Tracer wie 15O oder 18F. Dies sind kurzlebige Isotope (Halbwertszeiten: 15O ~2 Minuten, 18F ~110 Minuten - ihre Verwendung bedingt die Notwendigkeit der unmittelbaren Nähe der Untersuchungsstätte zu einem Zyklotron, in welchem Radiotracer hergestellt werden). Mit diesen Radiotracern bleibt die Strahlenbelastung der untersuchten Person gering, da deren Zerfallsprodukte ebenfalls schwache Strahler sind und leicht ausgeschieden werden (Nieren, Lunge). Kohlenstoff kommt in allen, Sauerstoff in vielen organischen Verbindungen vor - so lassen sich zahlreiche physiologische Funktionen darstellen.
  

  Abbildung: PET zur Messung der Hirnaktivität
Nach einer Vorlage in Banich / Compton, Cognitive Neuroscience, 4th ed. 2018, Cambridge Univ. Press
Das Markermolekül ist typischerweise ein inerter Zucker (wie 2-deoxo-2-fluoro-D-Glucose), der z.B. mit radioaktivem Fluor (18F) markiert ist. Es wird in die Blutbahn injiziert und gelangt so in das Gehirn, wo es gelegentlich ein Positron emittiert (dabei seine Aktivität verliert). Bei Kollision mit einem Elektron entstehen zwei Photonen, die sich exakt in die jeweilige Gegenrichtung bewegen (180°). Koinzidenzdetektoren werden an gegenüberliegenden Stellen des Detektorringes synchron angeregt, und die Stelle des Zerfalls kann reproduziert werden

Beim Zerfall eines solchen Isotops werden Positronen frei (Masse eines Elektrons, aber positiv geladen). Treffen diese im Gewebe auf ein Elektron (was nach kürzester Laufstrecke der Fall ist), entstehen zwei Gammaquanten. Diese werden in genau entgegengesetzte Richtung ausgesendet (und müssen vom Detektorarray als Paar erkannt werden). Auf diese Weise entstehen Schnittbilder des Gewebes, wobei biochemische / physiologische Funktionen abbildbar werden (  Abbildung).

Entweder wird die Parallelität von regionaler Hirndurchblutung und neuronaler Aktivität ausgenützt; verwendet wird dann Sauerstoff-15-dotiertes Wasser (Halbwertszeit ~2 Minuten). Oder es wird der Einbau eines Zuckeranalogs in aktives Hirngewebe verfolgt: Das Glucoseanalog Fluordesoxyglucose wird mit 18F dotiert (Halbwertszeit ~110 Minuten). Hier wird die Glucoseutilisation als Indikator der zerebralen Stoffwechselintensität genutzt.

Die zeitliche Auflösung dieser Methode ist relativ gering (ein PET-Bild braucht mindestens mehrere Sekunden für seine Entstehung), rasche Veränderungen lassen sich so nicht nachweisen. Auch können sowohl inhibitorische als auch exzitatorische Neuronengruppen Aktivitätsanstiege hervorrufen.


Magneto-Enzephalographie
  
Ein Magnetoenzephalogramm (MEG) ist die Registrierung magnetischer Aktivitäten des Gehirns über mehrere Sensoren. MEGs erlauben ein Real-time-Monitoring von Gehirnaktivitäten.
  
  Abbildung: Magnetoenzephalographie
Nach einer Vorlage bei www.lanl.gov (SQUID Magnetometry)
Ein Array mit zahlreichen (bis 300) Magnetfeldsensoren (SQUIDs: Superconducting quantum interference devices) - auf sehr niedrige Temperaturen gekühlte Sensoren zur Messung extrem schwacher Magnetfeldänderungen - ermöglichen die nichtinvasive Aufzeichnung elektrischer Entladungsmuster im Gehirn. Flüssiger Stickstoff (-196°C) oder flüssiges Helium (-269°C, d.h. ~4K) ermöglichen Supraleitung

Die magnetischen Signale des Gehirns sind sehr schwach, sie betragen nur wenige 10-15 T (Femtotesla). Zum Vergleich: In Mitteleuropa beträgt die Intensität des Erdmagnetfelds knapp 50 Mikrotesla (5.10-5T), es ist also um fast 10 Größenordnungen stärker als die zerebralen Signale (allerdings im Gegensatz zu diesen sehr konstant).

Daher muss das Messsystem von äußeren Störungen hochgradig abgeschirmt werden. Es werden  SQUIDs (superconducting quantum interference devices) eingesetzt, die sehr schwache Magnetfeldänderungen registrieren können ( Abbildung).

Neu entwickelte Sensoren können bei Raumtemperatur Feldstärken im Picoteslabereich (10-12 T) detektieren, was die Anwendbarkeit der MEG-Methode wesentlich erweitert.
 
     Vorteil von EEG / MEG: Diese Verfahren registrieren die Aktivität von Neuronengruppen mit hoher zeitlicher Auflösung (Millisekunden), die räumliche Auflösung ist hingegen begrenzt (Zentimeterbereich - zum Vergleich: Millimeterbereich bei fMRT). Außerdem tritt bei diesen Verfahren keine Strahlenbelastung der Patienten auf (im Gegensatz zu PET, wo radioaktive Isotope injiziert werden).

     Metabolische funktionelle Methoden - fMRT, NIRS, PET - haben den Vorteil verlässlicher Lokalisation der detektierten Signale (gute räumliche Qualität).
  
 
Magnetresonanz-Enzephalographie
 
Magnetresonanztomographie (MR, MRT) beruht auf dem Prinzip der Kernspinresonanz (NMR: Nuclear magnetic resonance) und heißt daher auch Kernspintomographie (MRI: Magnetic resonance imaging). MR hat eine sehr gute Auflösung, sie erlaubt z.B. die Darstellung von Entmyelinisierungsprozessen, wie sie bei multipler Sklerose auftreten.
  

Abbildung: MRI-Scanner
Nach einer Vorlage bei webmd.boots.com
Protonen in Wassermolekülen reagieren auf starke magnetische und elektrische Felder; diese Reaktionen werden von Sensoren detektiert und zu dreidimensionalen Bildern zusammengesetzt (imaging)

Die Methode verwendet ein starkes Magnetfeld (z.B. 3 T), das einige der Wasserstoffatome im Gewebe von ihrer Zufallsorientierung im Raum abbringt und parallel zum Magnetfeld ausrichtet.

Ein zweites, senkrecht zum stärkeren orientiertes schwächeres Magnetfeld wird in Pulsen zugeschaltet (Wechselfeld: Die Resonanzfrequenz der Atome liegt im Radiowellenbereich) und bringt die "geordneten" Atome ins Schwanken (Präzession - ähnlich einem "gestörten" Kreisel).

Ist ein bestimmter Effekt erreicht (Änderung des Spin-Winkels um einen definierten flip angle), wird das Radiofrequenzfeld ausgeschaltet; die schwingenden Atome orientieren sich nach dem starken Feld zurück (dabei haben verschiedene Gewebe unterschiedliches Relaxationsverhalten) und induzieren ein elektrisches Signal, das von einem Empfängerstromkreis detektiert wird. Algorithmen rechnen aus den Signalen räumliche Quellpunkte zurück. Das Ergebis sind Schnittbilder durch das untersuchte Organ bzw. Gewebe.

MRI hat mehrere Stärken: Man braucht keine Substanz zu injizieren, sowohl die zeitliche (Hundertstelsekunden) als auch die räumliche Auflösung (<1mm) ist hoch.

MRI kann verwendet werden, um Axonbündel im Gehirn darzustellen (DTI: Diffusion tensor imaging). Wassermoleküle in engen Axonen sind in ihrem Diffusionsverhalten eingeschränkt, was sich bei der MRI als fraktionelle Anisotropie äußert und den Verlauf von Axonbündeln durch das ZNS präzise darstellen läßt (DTI Traktografie). Diese Information kann zur Konstruktion des Konnektoms verwendet werden.
 
 
  Abbildung: Zuerst die Planung, dann das Bewusstwerden
Nach einer Vorlage bei Breedlove / Watson, Behavioral Neuroscience 8th ed, Sinauer / Oxford 2018; nach Soon et al, Unconscious determinants of free decisions in the human brain, Nature Neurosci 2008; 11: 543-5
MRI des Gehirns zeigt in diesem Versuch auf, dass die Entscheidung zu einer Handlung vor dem Zeitpunkt erfolgt, an dem diese Entscheidung bewusst wird. Aus den kernspintomographisch ermittelten Veränderungen der Gehirnaktivität kann vorausgesagt werden, wann eine Versuchsperson "entscheiden" wird, dass sie eine Taste drückt (oben).
 
Das Kriterium für das Bewusstwerden der Entscheidung ist der Buchstabe, der zu diesem Zeitpunkt auf dem Bildschirm erscheint (Buchstaben zu vorangenangenen Zeiten in der Mitte angedeutet).
 
Die Aktivität steigt im präfrontalen und parietalen Kortex um bis zu 10 Sekunden, im motorischen Kortex um ~5 Sekunden vor dem Zeitpunkt, an dem die Entscheidung bewusst wird (MRI-scans unten)

MRI kann beispielsweise genutzt werden, um zu bestimmen, wann und wo sich die Gehirnaktivität vor dem Zeitpunkt des "Beschlusses" zu einer motorischen Handlung ändert. In diesem Versuch zeigt sich, dass sich schon mehrere Sekunden vor dem Bewusstwerden zu einem solchen spontanen Entschluss Änderungen der zerebralen Aktivität nachweisen lassen ( Abbildung; vgl. dort).

Offensichtlich handelt es sich um Gebiete "höherer Kontrolle", welche die motorische Handlung vorbereiten, Sekunden bevor der Entschluss zu dieser in das Bewusstsein dringt. Das Frontalhirn scheint die primäre Quelle für zielgerichtetes Verhalten zu sein.
  
fMRI, BOLD
 
Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT, fMRI - Functional magnetic resonance tomography / imaging) fußt auf zwei Konzepten: Der Physik der magnetischen Resonanz und der Biologie der neurovaskulären Kopplung.
 

Abbildung: Virtueller Schnitt durch den Schädel (Blick von oben) einer Person, die ihre rechte Hand bewegt
Nach Kwon D. Brain imaging: fMRI advances make scans sharper and faster. Nature 2023; 617: 640-2
MRI-Untersuchungen nützen Megnetfelder einer Intensität von mehreren Tesla (zum Vergleich: Das Magnetfeld der Erde hat eine Stärke von 25 bis 65 µT). Höhere Feldstärken erlauben bessere Auflösung des BOLD-Signals, z.B. kann die Aktivität verschiedener Rindenschichten separat dargestellt werden.

In der Abbildung ist eine erhöhte neuronale Aktivität des motorischen Kortex (Proband bewegt seine Hand) in Farbtönen von rot bis weiß hervorgehoben

Der Sauerstoffgehalt des Blutes schwankt mit der neuronalen Aktivität; nimmt diese zu, steigt die Perfusion des aktiven Gebietes - es strömt vermehrt oxygeniertes Hämoglobin in das betreffende Volumenelement (neurovaskuläre Kopplung, neurovascular coupling). Es entsteht ein BOLD- (Blood oxygenation level dependent) Kontrast: Desoxygeniertes Blut interagiert mit dem fMRI-Magnetfeld, da es nur partiell oxygeniert ist und seine Eisenatome z.T. keinen Sauerstoff gebunden haben; oxygeniertes Hämoglobin tut das nicht.

So bilden sich im fMRI-Bild synaptische Eingangs- und lokale Informationsverarbeitungsprozesse ab (sowohl exzitatorische als auch inhibitorische, die Unterscheidung ist nicht einfach). Diese hemodynamic response function ergibt 4-5 Sekunden nach der neuronalen Aktivitätsspitze das Maximum der BOLD-Antwort und klingt innerhalb von 12-15 Sekunden wieder vollständig ab. Die Methode liefert relativ hohe räumliche Präzision (Millimeter), aber mit - z.B. im Vergleich zum EEG - geringer zeitlicher Auflösung (mehrere Sekunden). Man kann die methodischen Vorteile z.B. durch gleichzeitige Registrierung von EEG und fMRT kombinieren.
 
fMRT stellt die kortikale Aktivität bildlich mit hoher räumlicher Auflösung dar
   
fMRI ist mit aufwändiger Vorbereitung und Datenanalyse verbunden. Man kann die Methode z.B. verwenden, um kognitive Vorgänge bestimmten Gehirnarealen zuzuordnen; zu analysieren, welche Art von Information in welchen Gehirnabschnitten repräsentiert wird; oder um die Korrelation bestimmter Aktivitäten über das zerebrale Netzwerk nachzuverfolgen. In jedem Fall erfordert die Beurteilung der komplexen Datensätze eine vorsichtige Interpretation.
 
Nahinfrarotspektroskopie
 
Optical imaging: Die Schädeldecke (Haut, Galea aponeurotica, Schädelknochen) ist für Nahinfrarot-Licht gut durchlässig. Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) - sozusagen eine Hirn-Photometrie - nützt Infrarotstrahlung (700-1000 nm) zur nichtinvasiven bildgebenden Detektion metabolischer Vorgänge via Bestimmung von Sauerstoffgehalt bzw. Durchblutung des Gehirns.
 

Abbildung: NIRS-Monitoring am Gehirn
Nach einer Vorlage bei labtimes.org
Die Distanz der Optoden zur Lichtquelle bestimmt die mittlere Durchdringungstiefe des Lichts (Photodetektor 1 erfasst hauptsächlich oberflächliche, Detektor 2 tiefere Anteile des Kortex)

Das Prinzip beruht auf der Farbänderung des Hämoglobins in Abhängigkeit seiner Sauerstoffbeladung sowie auf der Tatsache, dass mit zunehmender Durchblutung und Blutmenge die Lichtdurchlässigkeit des Gewebes abnimmt. Nimmt die neuronale Aktivität zu, steigt auch die zerebrale Perfusion, und vice versa (neurovaskuläre Kopplung).

Andere Komponenten der optischen Reaktion spiegeln die elektrische Aktivität der untersuchten Rindenregion wider.

Zur Messung wird den Patienten eine Auflage aufgesetzt, welche einen Lichtemitter und Lichtdetektoren (Optoden) in engen Kontakt mit der Haut bringt. Die Wellenlänge wird einerseits so gewählt, dass die Absorption des Lichts deutlich von der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins abhängt und andererseits so, dass eine hohe Absorption durch Hämoglobin gegeben ist. Die Tiefe der erfassten Region beträgt bis zu etwa 2,5 cm. Sie hängt vom Abstand Emitter-Optode ab ( Abbildung). Vor allem Vorgänge im Frontalhirn lassen sich so gut erfassen.

Das Prozedere ist verhältnismäßig kostengünstig, kostet wenig Zeit und ist kaum belastend. Die Patienten vergessen bald, überhaupt eine Messauflage zu tragen und sind so kaum abgelenkt (ein Vorteil im Vergleich z.B. zu aufwändigen EEG-Hauben oder insbesondere umfangreichen / lauten Messanordnungen).
 
Rheoenzephalographie
 
Bei der Rheoenzephalographie (REG) - auch "impedance electroplethysmography" - wird über mehrere Elektroden, die an definierten Stellen am Schädel angebracht sind, kontinuierlich die Leitfähigkeit (conductance) des dazwischenliegenden Gewebes erfasst ( Abbildung).
 
 
Abbildung: Rheoenzephalographische Ableitung
Quelle: iliveok.com/health/rheoencephalography

Es wird die Impedanz gemessen, die beim Anwenden schwacher elektrischer Hochfrequenzfelder auftritt. Diese korreliert mit der Blutfüllung der Gefäße und Gehirndurchblutung.
 
Das REG-Registrierung ähnelt einem Sphygmogramm (Pulskurve). Die Methode wird z.B. in der Forschung (etwa bei Astronauten - Frage nach intrakranieller Druckerhöhung im schwerelosen Zustand) oder für Zwecke des Biofeedback angewendet.
 
Default Mode Network
 
Mit verschiedenen Methoden (EEG, MEG, PET, fMRI) ist eine Gruppe zerebraler Areale nachweisbar, deren Aktivität sich im Ruhezustand (Nichtstun, d.h. ohne gerichtete Zielvorgabe, Augen geschlossen, "Tagträumen", Gedanken schweifen lassen) koordiniert, während dieses Zusammenspiel bei zielgerichteter Aktivität (Lösen konkreter Aufgaben) "ausgeschaltet" wird. 


Abbildung: Default Mode Network (DMN)
Nach McCormick EM, Telzer EH. Contributions of default mode network stability and deactivation to adolescent task engagement. Nature Sci Reports 2018; 8: 18049
Zum DMN gehören Regionen des medialen Präfrontalkortex, des hinteren gyrus cinguli, des dorsal-superioren Frontallappens, des Temporalhirns mit dem Hippocampus und gyrus angularis (zwischen Okzipitalhirn und Wernicke-Zentrum)

Man nennt diesen funktionellen Gegenpol zum (äußeren) Aufmerksamkeitssystem das Default Mode Network (DMN, Ruhezustandsnetzwerk), auch als "task negative network" bezeichnet (im Gegensatz zum "task positive network", das bei Konzentration auf Außenbezug aktiv ist, also im Sinne des ARS). Die Aktivität des DMN ist negativ korreliert mit der anderer neuronaler Netzwerke, insbesondere des Aufmerksamkeitssystems (arousal).

Das DMN kümmert sich um die "innere Welt", seine Aufgaben scheinen vielfältig zu sein - Erleben eines "Selbst", Nachdenken über Vergangenes und Zukünftiges, soziales Verstehen u.a. Es gibt Hinweise auf eine Beteiligung des DMN im Schlaf, bei Meditation, Akupunktur, verschiedenen psychotropen Medikamenten u.a.
 

 Abbildung: Verschiedene Kortexareale des DMN haben unterschiedliche funktionelle Schwerpunkte
Nach einer Vorlage in Banich / Compton, Cognitive Neuroscience, 4th ed. 2018, Cambridge Univ. Press
Aktivierung des default mode network korreliert mit der Bearbeitung von Gedankeninhalten, welche die "innere Welt" betreffen.
 
Eine funktionelle Gliederung in drei einander ergänzende Teile - ein Kern- sowie ein dorsal-mediales und ein medial-temporales System - wurde auf Grund bildgebender Untersuchungen (MEG, PET, fMRI) vorgeschlagen

Zum DMN gehören der Präfrontalkortex (medial) mit dem posterioren gyrus cinguli und dem gyrus angularis, das Parietalhirn, die Hippocampusformation. Die Funktionen dieses Systems scheinen schwerpunktmäßig auf unterschiedliche Kortexareale aufgeteilt zu sein ( Abbildung):

    Ein zentrales System (core subsystem) - bestehend aus dem anterioren medialen Präfrontalkortex und dem posterioeren gyrus cinguli - arbeitet selbstreferentiell. Es enthält und liefert u.a. autobiographische Inhalte, soziale Kontexte, moralische Beurteilungen. Es wird aktiv, wenn man über sich selbst und seine Werte nachdenkt.

    Ein medial-temporäres Subsystem, das mentale Simulationen konstruiert, liegt im Bereich des medialen Temporallappens (in der Abbildung nicht gezeigt), des rückwärtigen gyrus cinguli und des unteren Parietalkortex. Es bearbeitet Kontexte in zeitlicher Dimension (Vergangenheit / Zukunft), episodische, autobiographische, familiäre Erinnerungen. Dieses Subsystem ist z.B. aktiv, wenn Testpersonen in ihrem autobiographischen Gedächtnis "wühlen" oder (szenarische) Gedanken in die Zukunft schweifen lassen.

    Ein dorsal-mediales Subsystem (oberer und unterer Präfrontalkortex, vordere Insel, temporo-parietaler gyrus angularis, ventral-anteriorer Temporalkortex), das über den mentalen Status anderer Personen reflektiert ("Metakognition"). Es konzentriert sich auf semantische, szenische, Wissens- und Bedeutungsinhalte.

Insgesamt handelt es sich um ein System aus interagierenden Teilen, die sich funktionell ergänzen und Vorgänge im Gehirn vermitteln, die sich um selbstgenerierte Gedanken - etwa über autobiographische Erinnerungen, Einordnung sozialer Inhalte oder Zukunftspläne - aufbauen.

Bei Erkrankungen wie Schizophrenie, Depressionen oder Autismus verändert das DMN seine Aktivität.

 

 
EEG, ereigniskorrelierte Potentiale: Die Latenzzeit zwischen Reizbeginn und Auftreten des visuell evozierten Potentials verlängert sich bei neurologischen Problemen, wie z.B. dem Auftreten einer multiplen Sklerose. Auch nimmt dann die Amplitude der VEP-Ausschläge deutlich ab.

 Die Untersuchung ereigniskorrelierter Potentiale hat diagnostische Bedeutung, vor allem als objektive Testung von Sinnesafferenzen. Langsame ereignisbezogene Potentiale (P=positive, N=negative Polarität) hängen mit kognitiver Verarbeitung im Kortex zusammen, z.B. das nach 300 ms auftretende Potential P 300.

Zerebrale Erkrankungen können zu typischen Veränderungen im EEG führen. Besonders kennzeichnend sind Krampfpotentiale (hohe, spitze neben großen, runden Wellen, ”spike-and-wave-Muster“) bei Epilepsien. Epileptische Anfälle sind durch spontane, synchrone Entladung großer Neuronenverbände gekennzeichnet, die zu begrenzten (fokalen) oder auf beide Hirnhälften übergreifenden (generalisierten) Anfällen führen. Ursache sind morphologische, metabolische oder entzündliche Veränderungen, die dazu führen, dass die Öffnung von Ca++-Kanälen unspezifische Kationenkanäle aktiviert (das bedingt Natriumeinstrom und Depolarisation), nicht aber (ausreichend) Kalium- und Chloridkanäle (das kompensiert normalerweise den depolarisierenden Einfluss).
Völliges Verschwinden spontaner EEG-Wellen wird als Kriterium zur Diagnose des Hirntodes gewertet.
 

Abbildung: Faserbündel im linken Gehirn (Diffusion Tensor Imaging)
Nach einer Vorlage bei MGH-UCLA Human Connectome Project
Der fasciculus longitudinalis verbindet frontale mit okzipitalen Kortexarealen, in der capsula interna ziehen rechtwinklig darauf orientierte Projektionen aus dem Kortex in die Tiefe

Gehirnfunktionen können mit bildgebenden Verfahren, welche physikalisch-physiologische Wechselbeziehungen nutzen, in ihrer zeitlich-räumlichen Organisation untersucht werden. So werden bei der Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) Nervenbahnen dargestellt, weil sich Wassermoleküle in Myelinscheiden vorzugsweise in der morphologisch vorgegebenen Längsrichtung bewegen (Beispiel: s. Abbildung).
 
Die Resonanz von Wasserstoffionen erlaubt die Darstellung von Gehirnstrukturen mit hoher zeitlicher Auflösung (Magnetresonanz-Tomographie, MRI). Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) erlaubt schließlich die Darstellung lokaler - stoffwechselabhängiger - Durchblutungsveränderungen im Gehirn, was unmittelbar mit veränderten Erregungsgrößen zusammenhängt. So können Areale gezeigt werden, die bei bestimmten mentalen Vorgängen vermehrt oder vermindert durchblutet werden, allerdings mit niedrigerer zeitlicher Auflösung wie z.B. im EEG.
 

 
     Das EEG entsteht durch Summierung elektrischer Entladungen einer großen Zahl von Neuronen - vermutlich vor allem kortikalen Pyramidenzellen - mit mehr oder weniger synchroner, räumlich ähnlich ausgerichteter Aktivität. α-Rhythmus (8-13/s) findet sich im Ruhezustand und entspricht dem basalen Eigenrhythmus thalamischer Neurone; ß-Wellen (13-30/s) im Wachzustand; γ-Rhythmus (30-40/s) bei intensiver mentaler Aktivität
 
     Ereigniskorrelierte Potentiale sind aus dem EEG durch oftmalige Wiederholung und synchrone Addition herausgemittelte, mit einem motorischen oder sensorischen Marker ursächlich zusammenhängende Potentialmuster. Bei einem motorischen Trigger erfolgt dieses vor (prämotorische Potentiale), bei einem sensorischen Reiz nach Auftreten des Ereignisses (visuell, akustisch, somatisch evozierte Potentiale)
 
     Positronenemissionstomographie (PET) ermöglicht funktionelles Neuroimaging: Durchblutung oder Glucoseutilisation relativ zu umgebendem Gewebe wird dargestellt, z.B. die Aktivierung frontaler Rindengebiete beim Nachdenken. Die Methode beruht auf der synchronen Detektion zweier Photonen, die beim Zerfall eines injizierten Radionuklids entstehen (Detektorarray). Das räumliche Auflösungsvermögen ist hoch
 
     Magnetoenzephalographie (MEG) registriert magnetische Aktivitäten des Gehirns und erlaubt Real-time-Monitoring von Gehirnaktivitäten. Üblicherweise werden SQUIDs (superconducting quantum interference devices) eingesetzt, weil die Magnetfeldänderungen sehr schwach sind. Der Vorteil ist hohe zeitliche Auflösung (~ms, wie EEG), die räumliche Auflösung ist begrenzt (~cm)
 
     Magnetresonanztomographie (MRT) nutzt Kernspinresonanz (NMR: Nuclear magnetic resonance, daher auch Kernspintomographie MRI: Magnetic resonance imaging). Atomkerne werden zu Schwingungen angeregt und die entsprechenden elektrischen Signale registriert. Sehr gute Auflösung, Axonbündel können dargestellt werden (DTI: Diffusion tensor imaging)
 
     Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT, fMRI - functional magnetic resonance tomography / imaging) stellt die kortikale Aktivität mit hoher räumlicher (~mm), aber geringer zeitlicher Auflösung (~s) dar. Sie misst den Sauerstoffgehalt des Blutes in den Hirngefäßen, der mit der neuronalen Aktivität schwankt (neurovaskuläre Kopplung)
 
     Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) nützt transkranielle Infrarotstrahlung zur nichtinvasiven bildgebenden Detektion metabolischer Vorgänge des Gehirns (optical imaging). Prinzip: Die Farbe des Hämoglobins hängt von seiner Sauerstoffbeladung ab, und mit zunehmender Durchblutung nimmt die Lichtdurchlässigkeit des Gewebes ab. Mit der neuronalen Aktivität steigt die Perfusion (neurovaskuläre Kopplung)
 
     Rheoenzephalographie (REG) registriert die Leitfähigkeit des Gehirns, dessen Impedanz korreliert mit der Durchblutung
 

 




  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.