Analyse und Interpretation ereigniskorrelierter HirnrindenpotentialeFolie 1/19 Einführung in die Analyse und Interpretation ereigniskorrelierter Hirnrindenpotenziale

Analyse und Interpretation ereigniskorrelierter Hirnrindenpotentiale

Folie 1/19

Einführung in dieAnalyse und Interpretation ereigniskorrelierter Hirnrindenpotenziale Christian KaernbachChristian-Albrechts-Universität zu Kiel


Folie 2/19Motivation

• Was tut das Gehirn, wenn wir– etwas wahrnehmen? etwas beachten?– Angst haben?– eine Handlung ausführen?– eine Entscheidung treffen?– einen eigenen Fehler entdecken?

• Ereigniskorrelierte Hirnaktivität– Elektroenzephalographie (EEG)– Magnetoenzephalographie (MEG)– funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)– Positronenemissionstomographie (PET)– Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)

• Vorteile des EEG– direktes Maß der elektrischen Aktivität des Gehirns– hohe Zeitauflösung– unaufwendig, auch außerhalb des Labors einsetzbar


Folie 3/19Quellen des außen messbaren Potentials

• Viele synchrone Aktionspotentiale in parallelen Neuronen– genauer: extrazelluläre postsynaptische Potentiale– vor allem: Dendriten der Pyramidenzellen

messbare Ionenverschiebung in Form eines Dipols• Orientierung des Dipols je nach

– kortikale Eingangsschicht =Ursprung der Erregung

• II: kortikal• IV: subkortikal

– Erregungsart• exzitatorisch• inhibitorisch

• meist wichtig:exzitatorisch kortikal negativer Pol

II

III

Schandry, 2006, Abb. 26.7


Folie 4/19Quellen des außen messbaren Potentials

• Radiale versus transversale Dipole– exzitatorisch kortikal radial: negativer Pol– tangential: zwei Pole „ab vom Schuss“

Wikipedia

Schandry, 2006, Abb. 26.7 nach Schandry, 2006, Abb. 26.7, modifiziert


Folie 5/19

Mess-ergebnis

Ereignis– 0.1 0.9 s

Ereignis– 0.1 0.9 s

evoziertesPotential

Spontan-aktivität

Mittelung N=10

N=200

Ereigniskorrelierte Potentiale (EKP)

• Versuchsaufbau:– Stimulus (Ereignis)VersuchspersonReaktion

• behavioral• elektrokortikal

• Ergebnis:– Überlagerung evozierter

und spontaner Aktivität

• Auswertung– Mittelung der Messkurven

relativ zum Zeitpunkt des Ereignisses


Folie 6/19EKP-Komponenten

• Minima und Maxima werden mit P (positiv) und N (negativ) bezeichnet unddurchnummeriert.

Reiz

• alternativ:– N100 (ca. 100 ms)– P200– N200– P300

(bei 250-600 ms)

• exogen / endogen• häufig umgekehrte

Auftragung:negativ nach oben

exogenendogen

endogen

–15

–10

–5

0

5

10

nach Schandry, 2006, Abb. 26.5, modifiziert


Folie 7/19Bewusstseinseffekte

• Forschungsansatz: Das linke und das rechte Auge liefern im Alltag teilweise widersprüchliche Bilder

Kaernbach, C., Schröger, E., Jacobsen, T., Roeber, U. (1999).Effects of consciousness on human brain waves following binocular rivalry, NeuroReport 10/4, 713-716.


Folie 8/19Stimuli

• Laborsituation: unterschiedliche Schraffuren– Was wird bewusst wahrgenommen?


• Befund: der Sinneseindruck schaltet alle paar Sekunden um– Abwechselnd dominiert das linke oder das rechte Auge

Stimulus

Perzept

?


Folie 9/19

widersprüchlich

konsistent

Änderung

Änderung

Manipulation

widersprüchlich widersprüchlichkonsistentkonsistent

t2

t1

konsistent

konsistent

Änderung

Änderung

Perzept

• Je nach aktuellem Perzept wird die Änderung bemerkt oder auch nicht.

• Frage: Macht das einen Unterschied?Was geschieht zusätzlich im Gehirn, wenn die Veränderung bemerkt wird?



Folie 10/19EKP „konsistent / konsistent“

N1

konsistent

konsistent

Änderung

Änderung



Folie 11/19

N1

EKP „widersprüchlich / konsistent“

„bemerkt“„unbemerkt“

wider-sprüchlich

Änderung

konsistent

Änderung



Folie 12/19Differenz „bemerkt“–„unbemerkt“

N1

wider-sprüchlich

Änderung

konsistent



Folie 13/19Brain Map „bemerkt – unbemerkt“Zeitpunkt 238 ms

N1

wider-sprüchlich

Änderung

konsistent



Folie 14/19Quellenlokalisation

• Voraussetzung– Hohe Elektrodenzahl (64 bis 256)– genaue Kenntnis der Elektrodenpositionen:

3D Messsysteme mit Ultraschall oder Infrarot– idealerweise anatomische MRT-Aufnahmen

• Problem– „Vorwärtsproblem“ eindeutig lösbar

• gegeben die Quellen, wie sieht die Potentialverteilung am Skalp aus?

– inverses Problem nicht eindeutig lösbar• gegeben die Potentialverteilung am Skalp,

wie viele Dipol-Quellen waren wo wie stark aktiv?• Ockham’s Razor:

Lösung mit geringster Zahl von Quellen– oft: symmetrische Quellen unterstellt,

außerdem Literaturstudium (plausible Quellen)

• Software zur Quellenlokalisation– z. B. BESA (Brain Electrical Source Analysis)

Ursache Wirkung

Wirkung Ursache???


Folie 15/19Wie schnell tickt das Hirn?

• Ereigniskorrelierte Potentialesuggerieren: 10 Hz

• Modulare Organisation des Gehirns– Notwendigkeit zur Synchronisation

entfernter Hirnareale– Temporaler Code:

Oszillationen im Gammaband (ca. 40-Hz) kodieren Zusammengehörigkeit (“binding”)

– Aktivität im Gammaband zeigt Interaktionen zwischen Hemisphären an

– Aber wo ist sie denn?

Reiz

–15

–10

–5

0

5

10


Folie 16/19Messung induzierter Oszillationen

• Induzierte Oszillationen löschen sich in der Mittelung wegen Phasenunterschieden

• Frequenzanalyse – kontinuierliche Wavelet-Transformation

mit Gabor-Wavelets (Morlet)

• Im gemittelten Spektrum sind die Oszillationen erkennbar

evoziertesPotential

Spontan-aktivität

Mess-ergebnis

Ereignis Ereignis

N=10

N=200

– 0.1 0.9 s– 0.1 0.9 s

Zeit [s]

Freq

uenz

[H

z]


Folie 17/19Rotierende zweideutige Stimuli

• Bei Gesichtern gibt es „Vorzugspositionen“, bei denen das Gesicht als solches erkannt wird. erhöhte Gammaband-Aktivität

29-45 Hz55-71 Hz

Müller, M.M., T. Gruber, and A. Keil, Modulation of induced gamma band activity in the human EEG by attention and visual information processing. International Journal of Psychophysiology, 2000. 38, 283-299.


Folie 18/19EKP vor demEreignis• Bereitschaftspotential

– zwei Stimuli• Der 1. Stimulus kündigt an, dass gleich eine Bewegung erfolgen soll• Beim 2. Stimulus soll die Bewegung ausgeführt werden

– zwischen den Stimuli stellt sich eine zunehmende Negativität ein

• Das Libet Experiment und die Willensfreiheit– Die Versuchsperson soll

• zu selbst gewählten Zeitpunkten eine Handlung ausführen (Finger heben)

– präzise Messung der Bewegung mit EMG• sich den Zeitpunkt merken, zu dem sie den

Entschluss zur Bewegung gefasst hat– Ablesen einer schnell laufenden Uhr

– Das Bereitschaftspotential setzt ein• ca. 500 ms vor der Bewegung• ca. 300 ms vor dem willentlichen Entschluss

Schandry2006,

Abb. 26.6


Folie 19/19Literatur

Rainer SchandryBiologische PsychologieBeltz Verlag, 2006 (2. Auflage), Kapitel 26.

Todd C. HandyEvent-Related Potentials: A Methods HandbookCambridge, Mass.: The MIT Press (B&T), 2004.

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