Empirisches Praktikum WS 2007/08

Beispielbild
Empirisches Praktikum
WS 2007/08
Grundlagen des EEG/EKP
Neurophysiologie, Messtechnik und Parametrisierung
Neurophysiologie
Einzelzellableitungen vs EEG
Beide benutzen die
Methode der Mittelung
(Averaging), aber die
verarbeitete Aktivität
ist auf unterschiedlichem
Level.
Single – Unit =
Aktionspotentials
EEG =
???
Fachbereich, Titel, Datum
2
Woher kommt das Signal, das man von der Skalpoberfläche ableiten kann?
Potentiale der EEG-Aktivität beruhen auf...
...elektrochemischer Aktivität der Neurone
...elektrochemischer Aktivität der Muskeln
...elektrische Quellen, die nicht biochemischer Natur sind
Elektrochemische Aktivität: EEG beruht auf der Ladungsverschiebungen an der Membran
der Neurone (Unterschiede in der Ionenkonzentration)
Mechanismus: Inhibitorische oder exzitatorische postsynaptische Potentiale (IPSP, EPSP)
Messbarkeit: EPSPs oder IPSPs müssen in größeren Neuronenverbänden synchron
auftreten. Dann generieren sie ein elektrisches Feld, welches auf der Skalpoberfläche
gemessen werden kann.
Primärer Kandidat für die Generierung des EEG Signals sind – aufgrund ihrer Orientierung,
Ausrichtung und Vernetzung (Interneurone!) - die Pyramidenzellen in den neocorticalen
Zellschichten.
Fachbereich, Titel, Datum
3
Ein einfaches Schema zur Generierung des EEG Potentials:
Fachbereich, Titel, Datum
4
Ein komplexeres Schema zur Generierung des EEG Potentials:
Effekt gleicher
Orientierung
Summation
der EPSPs
EPSP
Fachbereich, Titel, Datum
5
Woher kommt der Grundrhythmus im EEG ?
Alpha-Rhythmus (8-12 Hz):
Synchone Aktivierung der
Apikaldendriten wird durch
den Thalamus vorgegeben.
Beta-Rhythmus (13-30 Hz):
Unterbrechung des Alpha-Rhythmus
durch die Aktivierung der
aufsteigenden retikulären Formation.
Fachbereich, Titel, Datum
6
Elektroden:
Welches Material?
Welches Elektrolyt?
Welche Befestigung?
Welcher Widerstand?
Und: Welche Referenz?
Da es keinen elektrischen Nullpunkt gibt, können nur Potentialdifferenzen
erfasst werden. Dies erfordert einen Referenzelektrode, die an einer
möglichst ‚neutralen‘ Referenz angebracht wird.
Fachbereich, Titel, Datum
7
Möglichkeiten der Verschaltung von Elektroden:
1. Bipolare Ableitung (Differenz zweier aktiver Elektroden)
-
+
-
+
0
+
-
+
-
+
-
+
EOG
+3
2. Unipolare Ableitung (Differenz mehrerer aktiver Elektroden gegen eine
gemeinsame Referenz)
+/-
Fachbereich, Titel, Datum
DifferenzPotential
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Grundschema der Elektrodenpositionierung: 10-20-System
-Berücksichtigt unterschiedliche Schädelmaße
-Kodiert die Lateralität und Position der Elektroden
Fachbereich, Titel, Datum
9
Ein einfaches Schaltbild für physiologische Ableitungen
2 Elektroden
Fachbereich, Titel, Datum
erste Verstärkung
des Eingangssignal
( x 200)
Hauptverstärkung
des Eingangssignal
( Transformation
in Voltbereich)
Filterung
Digitalisierung
Speicherung
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Die ‚bösen‘ Artefakte...
EEG-Potentiale (Alpha ca. 80µV, ERPs: um 10 µV) werden bedroht
durch...
1. Technische Störungen (Netzbrumm, Monitorfrequenz)
2. Bewegungen der Vp (Sprechen, Kopfbewegung, Blase)
3. Kabelwackler
4. Bewegungen der Augen
5. Extrakortikale physiologische Spannungsänderungen
Fachbereich, Titel, Datum
11
Typen von Filtern
Hochpaßfilter
Langsame Drifts
Tiefpaßfilter
EMG
Bandpaßfilter
Kombiniert Hoch- und Tiefpaß
Bandsperre
50 Hz (Netzbrumm)
Fachbereich, Titel, Datum
Hz
Hz
Hz
Hz
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Prinzip der
Digitalisierung
Durch die
Abtastrate wird
die zeitliche
Exaktheit des EEG
festgelegt.
Sie liegt im
Bereich von 100
Hz bis zu 1kHz!
Gefahr :Zu
niedrige
Abtastrate führt
zu Artefakten
(Aliasing)
Fachbereich, Titel, Datum
13
Averaging :
Fachbereich, Titel, Datum
X(i) = E(i) + t(i)
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Jetzt mal im Ernst...
Das Mitteln beruht darauf, daß sich die Amplitude des Rauschens
(Störreize, Hintergrund-EEG) mit steigender Anzahl der Trials gegen
0 bewegt. ...wenn dem so sein sollte
Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, daß der wahre Wert (hier: stimulationsbedingte Aktivität) sich herausheben kann.
Gesetz des Signal-Rausch-Verhältnisses: 1 : SQR(n)
mit n=Anzahl der Trials
Fachbereich, Titel, Datum
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Bestimmung von Potentialkomponenten
Ein ereigniskorreliertes Potential (EKP) ist durch eine Folge von
Komponenten charakterisiert, die durch die a) Latenz, b) Amplitude
und c) Topographie gekennzeichnet sind.
Die Komponenten können einander im Laufe der Zeit überlagern
(siehe topographische Änderungen).
Die Parametrierung der Komponenten unterliegt sowohl dem Verlauf
des Potentials, wie auch individuellen Vorlieben.
Fachbereich, Titel, Datum
16
Möglichkeiten der Parametrisierung der EKP-Komponenten
Fachbereich, Titel, Datum
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Ein Kompendium einiger wichtiger EKP-Komponenten
‚psychisch‘
variierbar
physikalisch
variierbar
Glaubenssatz 2: Bei 100ms kann eine Unterteilung in exogene
und endogene Komponenten unternommen werden
Fachbereich, Titel, Datum
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Visuell evozierte Potentiale (VEP)
Komponenten: N1 (80 ms), P1 (110
ms) und N2 (150 ms)
Modulatoren: Kontrast, Luminanz,
Gesichtsfeld, Aufmerksamkeit
Prozess: Visuelle Verarbeitung von
Luminanzunterschieden
Generatoren: Extrastriärer Cortex
(Die M1-Komponente um 60 ms soll aus
V1 stammen)
Fachbereich, Titel, Datum
19
Akustisch evozierte Potentiale (AEP)
Komponenten: frühe
Hirnstammantworten (bis 10ms), mittlere
Latenzantworten (10-50ms), und späte
cortikale Antworten (N1 um 100 ms)
Modulatoren: Lautstärke, Frequenz,
Gleichgewicht, Relevanz (ab 40 ms !)
Prozess: Aktivität auf einzelnen Stufen
der Informationsverarbeitung (I-VII:
einzelne Kerngebiete im Hirnstamm, N0 –
Nb: Mittelhirn bis auditiver Kortex, N1:
supratemporaler Kortex, Gyrus
temporalis)
Generatoren: s.o.
Fachbereich, Titel, Datum
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EKP – Komponenten der selektiven
Aufmerksamkeit: N2, Nd, MMN..
Komponenten: Negative Potentiale ab ca. 100 ms
Modulatoren: Relevanz oder einfache physikalische
Abweichung
Prozess: Verarbeitungsnegativität/Nd = Einleitung
höherer Verarbeitung aufgrund eines
Selektionsprozesses; MMN/N2= Abweichung vom
Kontext
Generatoren: unklar: evt. frontaler Cortex
Fachbereich, Titel, Datum
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Komponenten: Positivierungen ab ca. 250 ms
Klasse der P3-Komponenten
Modulatoren: Relevanz, Wahrscheinlichkeit,
Komplexität, Speicheraufwand, Abrufleistung
Prozess: P3a (frontal) = Neuheitsdetektor, P3b (parietal)
= „context updating“, P3e = Orientierungsreaktion; evt.
Aber auch Übergang in eine kontrollierte Verarbeiting,
oder ein globaler Hemmungsmechanismus
Generatoren: unklar: evt.frontaler Cortex (P3a) oder
inferiorer Temporalcortex (P3b)
Fachbereich, Titel, Datum
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Das Bereitschaftspotential
Komponenten: Relative
präcentrale Negativierung, die
einer willkürlichen Bewegung ca.
1000 ms vorausgeht.
Modulatoren: Exekutive
Hemisphäre, Willkür des
Vorbereitungsprozesses,
Vorbereitete Hand
Prozess: Motorische
Vorbereitung
Generatoren: motorischer
Cortex, SMA
Fachbereich, Titel, Datum
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Weiterführende Literatur
Schandry, R : „Grundlagen der Psychophysiologie“, PVU, Kapitel 3 (Messmethodik) & Kapitel 8
(EEG)
Rugg, M.D. & Coles, M.G.H. (Eds.) : „Electrophysiology of Mind“, Oxford University Press, Kapitel 1
(Coles & Rugg: Event-related brain potentials: An introduction) & Kapitel 2 (Rugg & Coles: The ERP
and cognitive psychology)
Rugg, M.D. (Ed.): „Cognitive Neuroscience“, Psychology Press, Kapitel 7 (Kutas & Dale: Electrical
and magnetic readings of mental functions)
Boller, F. & Grafman (Eds.) „Handbook of Neuropsychology: Volume 1“ (2nd edition), Elsevier,
Kapitel 7 (Münte et al.: Event-related brain potentials in the study of human cognition and
neuropsychology)
Fachbereich, Titel, Datum
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EEG-Auswertung: Flow Chart
Marker-Datei einfügen
Segmentieren (alle Trials):
Segmentieren (nach Ereignis):
0-Punkt ist Erscheinen des Cues.
200 ms SOA: -100ms – 800 ms
Segmentlänge: -100ms – 1400ms
Off-Line Filterung:
Baselinekorrektur
Bandpass 0.3 – 30 Hz
-100ms – 0 ms
Baselinekorrektur:
-100 – 0 ms
Artefakt-Korrektur:
Averaging
Blinzler, Übersteuerungen auf
einzelnen Kanälen, Alpha-Aktivität
Fachbereich, Titel, Datum
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