EEG

Die Elektroenzephalographie (EEG) ist ein Verfahren zur objektiven Messung der durch das Gehirn erzeugten elektrischen Potentiale an der Schädeloberfläche, womit verschiedene Rückschlüsse auf die Gehirnaktivität gezogen werden können. Das Verfahren findet vor allem in der kognitionspsychologischen, biopsychologischen, medizinischen und neurowissenschaftlichen Forschung Anwendung.

Funktionsprinzip

Die elektrische Aktivität von Neuronen im Gehirn (v.a. des Kortex) strahlt über elektrische Felder bis an die Schädeloberfläche. Dort kann sie mit Elektroden gemessen werden (bis zu 256 Stück, üblicherweise 32-64). Die Elektroden werden in der Regel mit etwas leitfähigem Gel versehen, um elektrischen Kontakt zur Kopfoberfläche herzustellen. Darüber hinaus werden sie zum Anlegen meist in eine Haube integriert, damit der Kontakt möglichst gleichmäßig und stabil ist. Um die registrierten Potentialschwankungen zu einem absoluten Wert in Beziehung setzen zu können, werden zusätzlich 1-2 Referenzelektroden an einem elektrisch möglichst neutralen Punkt des Schädels angebracht, meist an den Ohrläppchen, den Mastoiden (Schläfenbeinknochen hinter dem Ohr) oder früher auch auf der Nase. Letztere Position hat besonders bei frequenzanalytischen Auswertungsverfahren allerdings das Problem von starken Störungen durch die elektrische Aktivität der Gesichtsmuskeln (v.a. Augenmuskeln).

Vor- und Nachteile

Der große Vorteil dieses Verfahrens ist die zeitliche Auflösung im Millisekunden Bereich und der z.B. gegenüber der fMRT eher niedrige Kostenaufwand. Nachteile sind in der hohen Anfälligkeit gegen Störeinflüsse zu verzeichnen. Dazu zählen externe Einstreuungen z.B. durch elektrische Geräte, wie auch interne Störungen z.B. durch den Herzschlag oder die Aktivität der Gesichtsmuskel (v.a. durch Augen- und Mundbewegungen). Die Augenbewegungen lassen sich allerdings auch über das Elektrookulogramm (EOG) kontrollieren und anschließend aus dem Signal eliminieren. Die Messung kann aber auch leicht durch Verschiebung der Elektroden durch Eigenbewegung gestört werden. Auch die Kabel sind oft sehr anfällig gegenüber Bewegung. Schließlich müssen Probanden bereit sein, sich das Gel auf den Kopf auftragen zu lassen, was mit einer Haarwäsche nach dem Versuch verbunden ist.

Problematisch bei der EEG ist die Lokalisation der Signalquellen. Denn das Signal, das an der Elektrode gemessen werden kann, ist nicht das Signal von einer einzelnen Nervenzelle oder einem speziellen Hirnareal. Es setzt sich zusammen aus den Signalen von vielen verschiedenen Nervenzellen und Arealen, die in verschiedene Richtungen strahlen und sich so gegenseitig überlagern. Darüber hinaus muss man auch berücksichtigen, dass die Signale nicht in reiner Form an die Schädeloberfläche gelangen, sondern auf ihrem Weg durch die verschiedenen Gewebearten geschwächt, abgelenkt oder zerstreut werden können. Für diese Störfaktoren gibt es verschiedene Modelle. Doch selbst unter Berücksichtigung aller bekannten Informationen über den Signalweg gibt es immer noch viele verschiedene Quellenkonstellationen, die den Daten zuordenbar wären. Dieses Problem wird Inversionsproblem genannt. Es bedeutet, dass sich ein vermischtes und verzerrtes Signal nicht in seine ursprünglichen Bestandteile zerlegen lässt.

Anwendungsweisen

Es gibt verschiedene Arten von Aktivität, die gemessen werden können.

Die sogenannte Spontanaktivität ist das EEG-Signal im neutralen Ruhezustand der Versuchsperson. Sie gibt Aufschluss über bestimmte Bewusstseinszustände, die mit entsprechenden dominanten Wellenfrequenzen im EEG-Signal in Verbindung gebracht werden können:

Beta Wellen	12-30 Hz	Normaler Wachzustand des vollen Bewusstseins: Aufmerksamkeit, Konzentration, Fokus, Kognition, physikalischen Sinne
Alpha Wellen	7,5-12 Hz	Tiefe Entspannung, leichte Meditation mit geschlossenen Augen, Entspannung, Vorstellung, Kreativität
Theta Wellen	4-7,5 Hz	Leichter Schlaf inkl. REM-Phase (Traumschlaf): tiefe Meditation, Intuition, detaillierte Imagination
Delta Wellen	bis 4 Hz	Tiefschlaf (traumlos): z.B. transzendente Meditationserfahrungen

Die Evozierte Aktivität oder auch ereigniskorreliertes Potential (EKP/ERP) ist die Reaktion auf einen gebotenen Reiz. Der entsprechende Ausschlag ist durch das starke Rauschen (Spontanaktivität) meist nicht im direkten Signal erkennbar. Es müssen erst die Signale mehrerer Durchgänge gemittelt werden bis typische Ausschläge zu bestimmten Zeitpunkten sichtbar werden. Sie werden dann mit N (negativer Ausschlag) oder P (positiver Ausschlag) und dem spezifischen Zeitpunkt in Millisekunden bezeichnet: z.B. die N100 Komponente für die Ausrichtung der Aufmerksamkeit (Kognitionspsychologie) oder die N400 Komponente bei semantischen Verletzungen während des Sprachverstehens.

Über die Frequenzanalytische Verfahren (z.B. Fourier Transformation, Wavelet Transformation) kann die EEG-Forschung noch um eine weitere Dimension erweitert werden. Das EEG-Signal wird dabei zusätzlich noch dahingehend analysiert, welche Frequenzen es enthält. Damit kann die Zeitfrequenz-Aktivität untersucht werden.

Eine eher junge Anwendungsweise ist die Analyse von Steady State Visual Evoked Potentials (SSVEPs). Dabei werden den Versuchspersonen verschiedene visuelle Reize dargeboten, die jeweils in unterschiedlicher Frequenz flackern. Dieses Flackern spiegelt sich im aufgezeichneten EEG-Signal wieder (z.B. durch die Neurone im visuellen Kortex). Und zwar so, dass wenn man die Aufmerksamkeit auf einen bestimmten visuellen Bereich ausrichtet, sich dessen Flackerfrequenz auch im EEG-Signal verstärkt bzw. die Flackerfrequenzen der umliegenden Bereiche im EEG-Signal abschwächen. In der Kognitionsforschung ist das Verfahren interessant um Prozesse verdeckter Aufmerksamkeit zu untersuchen. In der Praxis finden die SSVEPs eine starke Anwendung in Brain Computer Interfaces (BCI), mit deren Hilfe Menschen wieder kommunizieren können, die es auf keine andere Weise mehr können (Locked-In-Patienten).

Buchempfehlung zu Locked-In (wenn auch mit einem Auge geschrieben und nicht mit BCI):

Jean-Dominique Bauby: Schmetterling und Taucherglocke (Originaltitel: Le scaphandre et le papillon). Deutsch von Uli Aumüller. Sonderausgabe. Deutscher Taschenbuch-Verlag (dtv), München 2008, 133 S., ISBN 978-3-423-08393-5