Integrative Funktionen des Nervensystems, Physiologie des Verhaltens

Untersuchung hoher und höchster Hirnfunktionen
 
 
© H. Hinghofer-Szalkay

Alzheimer'sche Erkrankung: Alois Alzheimer
Berger-Effekt: Hans Berger
Elektroenzephalographie: ἤλεκτρον = Bernstein, ἐγκέφαλον = Gehirn, γραφή = Aufzeichnung
 Epilepsie: ἐπιλαμβάνειν = ergreifen, anfallen
Evoziertes Potential: evocare = herbeirufen (vox = Stimme), potentia = Stärke
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.

Ereigniskorrlierte Potentiale lassen sich durch oftmalige Wiederholung von Willkürbewegungen (motorisch) oder Sinnesreizungen (visuell, akustisch,..) und anschließende Mittelung der betreffenden synchronisierten EEG-Strecken errechnen und beurteilen. Das Prinzip dieser als averaging bezeichneten Methode besteht darin, durch oftmalige Reiz- oder Bewegungswiederholung und anschließende Überlagerung reiz- bzw. bewegungszeitsynchronisierter Enzephalographiesequenzen die relativ schwachen korrelierten Potentialschwankungen zu verstärken und nicht korrelierte Potentiale (z.B. Betawellen) aus dem Resultat herauszumitteln.

Magnetresonanztomographische Signale sind vom Sauerstoffgehalt des Blutes im Gehirn abhängig, der mit zunehmender neuronaler Aktivität abnimmt; 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) Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) Rheoenzephalographie (REG)
 
 
>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

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.

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 Potantialunterschiede zwischen ihnen aufgefangen und dargestellt. Die Gehirnaktivität - genauer: Oszillationen im aktivierenden retijkulären 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 (z.B. Alpha-Blockade: Berger-Effekt , <Abbildung).

Im wachen Zustand (Aufmerksamkeit) 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.
 

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

Im entspannten Zustand, insbesodere bei geschlossenen Augen, treten über Frontal- und Okzipitalhirn Alpha-Wellen mit einer Frequenz von 8-13 pro Sekunde auf. Öffnet man die Augen, verschwindet der α-Rhythmus, schließt man sie wieder, kehrt er zurück.

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 Potetiale 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.
 


 

<Abbildung: Akustisch evozierte Stammhirnpotentiale (AEP) beim Neugeborenen
Nach einer Vorlage in 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

  Ereigniskorrelierte Potentiale (EP) 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.

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.)
 
  Akustisch evozierte Potentiale (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.
  
  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.
 


 
 
>Abbildung: PET-Hirnscans
Modifiziert nach einer Vorlage bei chm.bris.ac.uk (2002)
Rot: hohe metabolische Aktivität, Blautöne: niedrige metabolische Aktivität

Positronenemissionstomographie (PET): Dieses Verfahren kann zur dynamischen Funktionsuntersuchung des Gehirns eingesetzt werden (Neuroimaging). So kann die kortikale Durchblutung oder Glukoseutilisation 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).

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. Die Photonen dieses Zerfallsprozesses 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.

Zur Anwendung gelangen radioaktive Tracer wie 15O oder 18F. Dies sind kurzlebige Isotope, ihre Verwendung bedingt die Notwendigkeit der unmittelbaren Nähe der Untersuchungsstätte zu einem Zyklotron.

Entweder wird die Parallelität von regionaler Hirndurchblutung und neuronaler Aktivität ausgenützt; verwendet wird dann 15O-dotiertes Wasser. Sauerstoff-15 hat allerdings eine Halbwertszeit von nur 2 Minuten. Oder es wird der Einbau eines Zuckeranalogs in aktives Hirngewebe verfolgt: Das Glukoseanalog Fluordesoxyglukose wird mit 18F dotiert, dieses hat eine längere Halbwertszeit (≈110 Minuten). Hier wird die Glukoseutilisation als Indikator der zerebralen Stoffwechselintensität genutzt.

 
  
<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

Ein Magnetoenzephalogramm (MEG) ist die Registrierung magnetischer Aktivitäten des Gehirns über mehrere Sensoren. 

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 / EMG: Diese Verfahren registrieren die Aktivität von Neuronengruppen mit hoher zeitlicher Auflösung (Millisekunden), die räumliche Auflösung ist hingegen begrenzt (Zentimeterbereich - zum Vergleich: Millimeterbereich bei fMRT).

     Metabolische funktionelle Methoden - fMRT, NIRS, PET - haben den Vorteil verlässlicher Lokalisation der detektierten Signale (gute räumliche Qualität).
  


 

>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 (imageing)

     Magnetresonanztomographie (MR, MRT) beruht auf dem Prinzipi der Kernspinresonanz (NMR: Nuclear magnetic resonance) und heißt daher auch Kernspintomographie (MRI: Magnetic resonance imaging). Die Methode verwendet ein starkes Magnetfeld in Kombination mit magnetischen Wechselfeldern (Radiowellenbereich), damit werden Atomkerne (meist Protonen) im Körper zu Schwingungen angeregt, was in einem Empfängerstromkreis elektrische Signale induziert. Algorithmen rechnen aus den Signalen räumliche Quellpunkte zurück. Das Ergebis sind Schnittbilder durch den Körper mit Darstellung z.B. des Gehirns.

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT, fMRI - Functional magnetic resonance tomography / imaging) misst den Sauerstoffgehalt des Blutes in den Hirngefäßästen, der mit der neuronalen Aktivität schwankt (vorübergehend abnimmt) und erlaubt eine relativ hohe räumliche Präzision (Millimeter), aber mit geringer zeitlicher Auflösung (Sekunden).

Die Methode nutzt die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Blut (BOLD-Kontrast: Blood oxygenation level dependent). Neuronale Aktivität erhöht den Sauerstoffverbrauch und damit zunächst den Anteil an desoxygeniertem Hämoglobin; entscheidend ist aber der nachfolgend erhöhte Zufluss oxygenierten Hämoglobins im Rahmen der lokal vermehrten Perfusion (neurovaskuläre Kopplung).

 Man kann die methodischen Vorteile z.B. durch gleichzeitige Registerierung von EEG und fMRT kombinieren.
 


 

<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)

Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) - sozusagen eine Hirn-Photometrie - nützt Infrarotstrahlung (<1 µm) zur nichtinvasiven bildgebenden Detektion metabolischer Vorgänge via Bestimmung von Sauerstoffgehalt bzw. Durchblutung des Gehirns. Die Schädeldecke ist für Nahinfrarot-Licht gut durchlässig.

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 vive versa (neurovaskuläre Kopplung).

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 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).

Bei der Rheoenzephalographie wird über Elektroden, die an definierten Stellen am Schädel angebracht sind, kontinuierlich die Leitfähigkeit (conductance) des dazwischenliegenden Gewebes erfasst. Diese korreliert mit der Gehirndurchblutung. Die Methode wird z.B. in der Forschung (etwa bei Astronauten) oder für Zwecke des Biofeedback angewendet.

 

 
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.


Eine Reise durch die Physiologie


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