NFB Book Fortsetzung. EEG

Die physiologische Basis des EEG 

Das EEG wird definiert als die Spannungsdifferenz zwischen zwei Ableitungs- oder Messpositionen gemessen im zeitlichen Verlauf (Fisch, 1999). Das EEG zeigt die synchrone Aktivität von postsynaptischen inhibitorischen und exzitatorischen Potentialen, die von großen Gruppen kortikaler Pyramidenzellen generiert werden. Diese von den Pyramidenzellen generierten postsynaptischen Potentiale bilden eine extrazelluläre Schicht elektrischer Dipole. “Diese dipoläre Schicht unterhalb der kortikalen Oberfläche projeziert wechselnde elektrische Polaritäten die von den innersten Lagen der Zellschichten des Kortex stammen zur Oberfläche. (Fisch, 1999). Die postsynaptischen Potentiale haben eine relativ lange Dauer (15-200 Millisekunden). Diese Potentialschwankungen summieren sich und das EEG zeichnet diese Summenpotentiale über die Elektrode auf der Kopfoberfläche auf. 

Die Ladung wechselt abhängig davon, ob ein exzitatorisches postsynaptoisches Potential (EPSP) oder ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) in den Arealen des Kortex, die unterhalb der Elektrode liegen, generiert wird. Die beim Neurofeedback normalerweise genutzte Elektrode ist eine Makroelektrode, die in der Lage ist, die Aktivität sehr großer Neuronenpopulationen unter der Kopfoberfläche zu registrieren. (Mikroelektroden sind erheblich kleiner, weniger als zwei Mikrometer groß, und werden zur Messung der elektrischen Aktivität inmitten des Gehirns benutzt, beispielsweise in der Forschung mit Versuchstieren, bei denen die Elektrode ins Gehirn implantiert wird.) Jede Elektrode kann einen Bereich von 6 Quadratzentimetern erfassen. Aktionspotentiale, die die Axone oder Dendriten dieser kortikalen Zellen hinunterwandern haben eine sehr kurze Dauer von 1 Millisekunde und deren elektrische Aktivität hat keinen signifikanten Einfluss auf das EEG

Wenn Ihnen jetzt bereits klar ist, wie das alles funktioniert, können sie den Rest des nächsten Kapitels überspringen. Wenn Sie eine Auffrischung des Wissens wünschen, wird Ihnen das nächste Kapitel noch einmal erklären, was Aktionspotentiale und postsynaptische Potentiale sind und wie das aktuelle Wissen über die Mechanismen, die zur Entstehung des EEG führen, dessen Entstehung erklärt.

Pyramidenzellen

Terminologie

Sink – Wo positiv geladene Kationen in die Zelle einströmen, hinterlassen sie eine negative Ladung im extrazellulärem Raum. Der Ladungsabfall kann an der Basis, in der Mitte oder an den Ausläufern der Dendriten der Pyramidenzelle erfolgen. 

Source – Der Ort an dem die elektrische Ladung die Zelle verlässt

Dipole – Eletrisches Feld zwischen Source und Sink, also zwischen Ladung und Entladung.

Macrocolumn – Die Neuronen des Koirtes sind in Gruppem angeordnet, die man im Englischen macrocolumns nennt. Jede Reihe besteht aus Zellgruppen von mehreren Millimetern Durchmesser die in sechs Lagen übereinander angeordnet sind. Diese Gruppen beinhalten Pyramidenzellen, Sternzellen (Stellate Cells) - exziatorisch und Korbzellen 7basket cells).- inhibitorisch. Diese Gruppen enthalten zusätzlich Glia Zellen. Die Anzahl der Glia Zellen übertrifft die Anzahl der Pyramidenzellen. Sie haben die Aufgabe, die Pyramiden zellen beim Abtransport von Stoffwechselabfällen und beim Erhalt der Struktur zu unterstützen. 

Die Messung der postsynaptischen Potentiale 

In den folgenden Diagrammen ist das Axon das mit der Pyramidenzelle kommuniziert, exizatatorisch. Wenn es inhibitorisch wäre, wäre die im Diagramm vermerkte elektrische Ladung im extrazellulären Raum gegensätzlich zu der Gezeigten. Die postive Ladung (+ve) würde negativ sein (‑ve). 

Beispiel #1, ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) am distalen Ende eines Dendriten der Pyramidenzelle.

Der Einfluss von Natrium erzeugt etwas, das wir eine aktive Entladung (sink) nennen, an der Grenze des synaptischen Inputs vom Axon einer benachbarten Zelle. Eine aktive Ladung, die positiv ist, wird außerhalb des Zellkörpers der Pyramidenzelle am anderen Ende des Dendriten erzeugt. Die negative Ladung (sink) entsteht außerhalb der Zelle, in dem Augenblick, in dem Natrium, das eine positive Ladung besitzt, in den Dendriten eindringt, ausgelöst durch eine chemische Veränderung, die die Permiabilität der Zelloberfläche gegenüber dem Natrium erhöht. Das Eindringen der positiven Ionen in das distale Ende des Dendriten, wie im Diagramm gezeigt, hinterlässt eine negative Ladung außerhalb des Dendriten, unmittelbar in der Nähe zur Kopfoberfläche unterhalb unserer Elektrode. Innerhalb des Dendriten richtet sich die positive Ladung gegen die Kortexoberfläche während das negative Ende des zellulären Dipols sich in Richtung des Zellkörpers der Pyramidenzelle richtet. 

Oberfläche des Kortex EPSP 

SINK ‑ve Na +

K+ 

Source – Welche Ladung verlässt die Zelle

Dipole – Elektrisches Feld zwischen source and sink

Die Spannungsmessung der Elektrode auf der Kopfoberfläche oberhalb des Dendriten der Pyramidenzellen (und in Referenz zu einem räumlich entfernten Punkt) würde negativ sein. Es würde ein EPSP (excitatory postsynaptic potential).gemessen. Ein IPSP (inhibitory postsynaptic potential) ist im Diagramm nicht zu sehen. Inhibitorische Neurotransmitter machen die Oberflächenmembrane weniger durchlässig für Natrium, obowohl Kalium (ebenfalls mit einer positiven Ladung) weiterhin durchgelassen wird, so dass die Ladung außerhalb der Membrane des Dendriten positiv wäre. Die elektrische Ladung die von der Elektrode an der Kopfoberfläche gemessen würde, wäre in diesem Falle postiv. Das bedeutet, sie wäre das Gegenteil der bei einem EPSP gemessenen Ladung vom distalen Ende des Dendriten einer Pyramidenzelle.

Beispiel #2, ein exzitatorisches Potential (EPSP) am proximalen Ende einen Dendriten der Pyramidenzelle

IWenn die synaptische Verbidnung in der Nähe des Zellkörpers der Pyramidenzelle liegt, dann ist der active sink (‑ve) näher beim Zellkörper und die source(+ve) läge am distalen Ende des Dendriten, näher gelegen zum Kortex..

Die Spannung die von der Obedrfächenelektrode oberhalb des Dendriten der Pyramidenzelle und mit Referenz zu einem räumlich entfernten Punkt, würde positiv sein. Der Ladungsdipol hat die umgekehrte Richtung zu der des ersten Beispiel.

Bedingungen für die Entdeckung der Spannung

Wenn wir die die Diagramme der Pyramidenzellenaktivität betrachten, müssen wir uns unweigerlich fragen, wie es möglich ist, solch kleine elektrische Ladungen überhaupt zu entdecken. Die einfachste Möglichkeit, das zu verstehen wurde von Pascual-Marqui entwickelt. Er erklärt, dass vier Bedingungen erfüllt sein müssen, bevor eine elektrische Aktivität entsteht, die an der Kopfoberfläche gemessen werden kann. 

Richtung

Was würde geschehen, wenn die Pyramidenzellen willkürlich angeordnet wären?

Die Summe der messbaren Aktivität dieser Pyramidenzellen würde gegen null gehen und kein EEG könnte entdeckt werden. 

Wie auch immer, die Pyramidenzellen des Kortex sind parallel zur Oberfläche angeordnet, wenngleich nicht so perfekt wie in der Darstellung, hauptsächlich wegen der Bewegungen des Kortex. 

Synchronizität

Zellen müssen in einer synchronisierten Aktion "feuern" um eine messbare elektrische Aktivität zu erzeugen. Wenn diese Zellen nicht gemeinsam sondern ungeordnet feuern würden, wäre ihr Summenpotential zu jedem gegebenen Zeitpunkt gegen Null. 

Dieses simultane "Feuern" ist gegeben. Eine der bekanntesten Mechanismen betrifft subkortikale Strukturen, die den Rhythmus des Feuerns dieser Zellen kontrollieren. der bekannteste Auslöser ist der Thalamus Wir haben bereits erwähnt, wie er Theta, Alpha und SMR Wellen kontrolliert. 

Gleichbleibende Position (Proximal oder Distal)

Die gleiche Aktion muss exakt zur gleichen Zeit von der Mehrzahl der Zellen inklusive der Kluster oder Makrokolumns der Neuronen erfolgen. Wir benötigen die simultane Entladung an den Synapsen der Axone, die mit den Dendriten der Pyramidenzellen verbunden sind mit derselben Position auf dem Dendriten. Das postsynaptische Potential (PSPs) wird nur dann die gleiche Ladung besitzen; beispielsweise werden alle einen "sink" in der Nähe der Spitze des Dendriten haben, was eine negative Ladung in der Nähe der Kopfoberfläche erzeugt. 

Wertigkeit (Valenz)

Die Wertigkeit (+ve or –ve) muss in der räumlichen Anordnung der Cluster von Pyramidenzellen die gleiche sein, um zu verhindern, dass eine Ladung die der anderen aufhebt. Also muss die gleiche Art des Inputs (exzitatorisch oder inhibitorisch) bei allen Pyramidenzellen innerhalb des Clusters vorhanden sein.

Alle vier Bedingungen sind gut erforscht und anerkannt. Sie gelten als die Basis zur Erzeugung elektrischer Ladungen (+ve or –ve) an der Kopfoberfläche, die mit einem EEG gemessen werden können.

Anmerkung: Die Pyramidenzelle ist das einzige Neuron, dessen Dendriten ein Aktionspotential erzeugen können. (Normalerweise produzieren Dendriten exzitatorische und inhibitorische langsame Potentziale die sich am Axonhügel summieren um ein Aktionspotential zu generieren.

Wie Neuronen kommunizieren

Der Job der Neuronen ist es, mit anderen Neuronen zu kommunizieren. Sie tun das mittels eines ausgeklügelten Systems, das elektrische und chemische Informationswege beinhaltet

Das Ruhepotential der Nervenzellen

Betrachten wir die Zelle als eine Burg. Diese befindet sich im Frieden und verharrt in einem Ruhezustand. Der Feind außerhalb der Burgmauern wird die Burg erobern, wenn es ihm gelingt, die Wälle zu durchbrechen. Um eine Reaktion auszulösen, muss eine Lücke in die Mauern geschlagen werden. Die Verteidiger werden alles tun, die Mauern immer wieder zu reparieren, um die Feinde außerhalb zu halten, und damit wieder in den Ruhezustand zu gelangen. Im Falle der Nervenzelle kann die Abwehr"Mauer" mittels zweier Wege durchbrochen werden, chemisch oder elektrisch. 

Im Ruhezustand besitzen die Neurone ein so genanntes Ruhepotential. Das Ruhepotential ist die Potentialdifferenz zwischen dem Zellinneren und dem Äußeren. Die Messung beträgt –50 bis –100 mV. Die Ladung des Inneren der Zelle ist negativ im Vergleich zum Äußeren während das Potential in Ruhe minus siebzig Millivolt beträgt (‑70 Mv). Denken wir uns die Membrane noch einmal als eine Burgmauer. Im Innern der Zelle oder der "Burg" befinden sich hohe Konzentrationen von negativ geladenen großen Protein- und Aminosäurenanionen (A-), einem positiven Kation, dem Kalium (K+), und eine geringe Konzentration von Chloriden (Cl-) , die ebenfalls negativ sind. Außerhalb der Zelle finden wir die gegenteilige Anordnung: hohe Konzentrationen von Natrium (Na+) und Chloriden und geringe Konzentrationen von Kalium. Zusätzlich finden wir noch ein bedeutsames positives Ion außerhalb der Zellwand, das Calcium Ca2+. Es wird später in unserer Erörterung eine Rolle spielen, wenn wir über präsynaptische Übertragung von Neurotransmittern sprechen. Hauptsächlich sollte man sich merken, dass unter speziellen Umständen Natrium, Kalium und Chloride die Zellmembrane passieren können; aber man sollte im Auge behalten, dass die großen negativ geladenen Proteinanionen die Zellwand nicht durchdringen können.. 

Die allgemeine Ruheladung –ve im Zellinneren (mit dem Natrium außerhalb und dem Kalium innerhalb der "Mauern) wird durch einen aktiven Prozess verursacht, der Energie verbraucht Dieser Prozess, den man Natrium-Kalium Pumpe nennt, transportiert Ionen gegen den Diffusions- und den elektrischen Widerstand. Durch diesen Prozess wird Natrium (+ve) aus der Zelle transportiert, während Kalium eindringt (+ve). Die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle ist zehnmal so hoch wie im Zellinneren. Natrium muss sowohl gegen den +ve Ladung außerhalb und gegen seine höhere Konzentration im äußeren Milieu aus der Zelle entfernt werden. Kalium muss andererseits gegen einen Konzentrationswiderstand ins Zellinneren transportziert werden. 

Warum löst sich dieser elektrische Spannungsunterschied nicht auf?

Die Zellmembrane ist um ein Fünfzigfaches durchlässiger für Kalium als für Natrium. Kalium wird, in Abhängigkeit vom Konzentrationsgrad, das Zellinnere langsam verlassen. Dieses wird dadurch elektrisch negativ, ein Zustand der mit der das Kalium anziehenden Konzentration konkurriert. Wenn das der einzige ablaufende Prozess wäre, erreichte die Zelle ein Equilibrium Potential der Kalium Ionen bei ca. –85 mV. Es gibt aber ein beständiges Zuströmen geringer Mengen von Natrium, das der Sättigung und der negativen Ladung entgegenläuft. Dadurch wird ein Ruhepotential von ungefähr –70 mV erreicht. Dieser ergänzende Prozess führt dazu, dass mehr Kalium die Zelle verlässt, "in der Absicht", das Ruhepotential des Kaliums von –85 mV zu erreichen. Dies ermöglicht es zusätzlichem Natrium das Zellinnere zu erreichen. Wenn das Ausströmen von Natrium und Kalium sich fortsetzte, verlören sich langsam die Konzentrationen von Natrium und Kalium im Zellinneren. Wie bereits erwähnt ist es ein aktiver Prozess, der Energie in Form von adenosine-triphosphat (ATP) verbraucht, genannt die Natrium-Kaium Pumpe, der notwendig ist, um diesen Verlust zu verhindern. Dieser aktive Prozess pumpt etwas größere Mengen Natrium aus der Zelle, als er Kalium hereinlässt so dass das Ruhepotential von–70 mV erhalten bleibt (negative Ladung im Zellinneren) (Campbell, 1996).

Das postsynaptische Potential

Wie verbinden sich Nervenzellen, so dass ein EPSP oder ein IPSP erzeugt wird?

Die Synapse

Im oben gezeigten Diagramm der Pyramidenzelle repräsentiert die Linie mit dem runden Ende das Axon einer anderen Zelle.

Das runde Ende stellt einen synaptischen Terminal oder eine synaptische Verbindung dar. Die Synpasenendung sondert Neurotransmitter ab, die zu spezifischen Rezeptoren der postsynaptischen Membrane des Dendriten der Pyramidenzelle wandern. Diese Axone können von exzitatorischen Neuronen wie etwa den Sternzellen stammen oder von inhibitorischen Neuronen wie den Korbzellen, aber auch von anderen Neuronen arten, inklusive anderer Pyramidenzellen oder von Neuronen tieferer Schichten wie denen des Thalamus.. 

Das Axon endet an einem synaptischen Terminal, der entweder an der Spitze oder am Fuße des großen Dendriten liegt. Die Ankunft eines Nervenimpulses durch das Axon führt an diesem synaptischen Terminal zu einem Einströmen von Ca2+. Die Kalzium Kanäle sind aktiviert, wenn das Membranpotential für ungefähr 50-100 ms unter ca.–65 mV liegt. Der darauf erfolgende Anstieg der Ca2+ Konzentration im Innern des synaptischen Terminals führt dazu, dass sich kleine Versikel mit Neurotransmittern füllen, die schließlich in das Innere der präsynaptischen Membrane diffundieren. Anschließend werden die Neurotransmitter durch die präsynaptische Membrane in den synaptischen Spalt abgegeben. Die Neurotransmitter überqueren den Raum zwischen den Synapsen und binden sich an eine spezifischen Rezeptor (Protein) des Dendriten und veranlassen die postsynaptische Membrane dazu, vorübergehend für bestimmte Ionen durchlässig zu werden. Das Postsynaptische Potential kann sowohl exzitatorisch (Depolarisation der Membrane) als auch inhibitorisch (Hyperpolarisierung der Membrane) sein. 

Exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP)

Wenn der Neurotransmitter und der postsynaptische Rezeptor exzitatorisch sind, wird die Membrane (die Hülle des Dendriten) für Natrium durchlässig. Auf Grund der negativen Ladung im Inneren der Zelle und auf Grund des höheren Konzentrationsgrades von Natrium außerhalb der Zelle, dringt Natrium durch die Membrane. Die Folge ist ein Abfall der Potential Differenz beginnend bei –70 mV im Innern verglichen mit dem Milieu außerhalb der Zelle. Die Membrane beginnt daraufhin zu depolarisieren. (Die Definition der Depolarisation lautet, gemäß Dorlands Medical Dictionary (2007), “Depolarisation ist die Reduktion des Ruhepotentials der Membrane, die daraufhin weniger negativ wird.") (Ich möchte kurz ins Gedächtnis rufen, dass wir beim EEG nicht das Aktionspotential und dessen elektrische Aktivität messen, sondern die elektrische Ladung im extrazellulären Raum, die entsteht, wenn das Natrium ins Zellinnere eindringt.) Wenn mehrere EPSP sich im zeitlichen Verlauf summieren (zeitliche Summierung) oder zwei, bzw. mehrere präsynaptische Endungen zur gleichen Zeit Neurotransmitter abgeben (räumliche Summierung), wird das innere Potential der postsynaptischen Umgebung zu depolarisieren beginnen bis ca. –50 mV erreicht sind. An diesem Punkt wird das Threshold Potential erreicht. Das Membranpotential wird sich schlagartig in ein positives inneres Potential von ungefähr 10 mV ändern. Man sagt, die Membrane ist depolarisiert. Das wird einen weiteren Vorgang auslösen, den der Erzeugung eines Nervenimpulses. Dieser Vorgang wird unter der Überschrift "Aktionspotential" noch einmal beleuchtet werden. 

Inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP)

Wenn der Neurotransmitter inhibitorisch ist, vollzieht sich der gegenteilige Prozess. Die Ladung die zur Membrandurchlässigkeit führt, erlaubt dem Kalium den Zellaustritt und negativ geladene Chlorid Ionen, die sich in hoher Konzentration außerhalb der Zelle befinden, erobern das Zellinnere in Abhängigkeit vom Konzentrationsgrad. (Diese Bewegung vollzieht sich trotz der Tatsache, dass die elektrische Ladung nicht optimal ist, um ein solches Eindringen zu erleichtern) Das führt dazu, dass die Potential Differenz im Verhältnis zum äußeren Milieu erheblich negativer wird. Dieser Vorgang wird Hyperpolarisation genannt. Das macht es eher unwahrscheinlich, dass eine plötzliche Depolarisation zu einem Aktionspotential führt. Zwei inhibitorisch wirkende Amino Azid Transmitter, sind GABA (Gamma Amino Butter Säure und Glycin.

Zusammenfassung

EPSPs und IPSPs zusammengefasst. Ein wichtiges Konzept, um zu verstehen, was wir im EEG messen und um den komplett andersgelagerten Vorgang des Aktion Potentials zu verstehen. Im ersteren Fall wären wir nicht in der Lage ein EEG zu finden, wenn es eine einzelne Pyramidenzelle wäre, die einen Input vom Axon erhielte. Wir sind nur in der Lage postive oder negative Ladungen im extrazellulären Raum im Vergleich zu einem relativ neutralen Referenzraum zu entdecken, wend die Dendriten einer sehr großen Anzahl von Pyramidenzellen den gleichen Axoninput zur gleichen Zeit erhalten (sowohl EPSPs als auch IPSPs). Das Summenpotential dieser Inputs lässt sich von einer Kopfelektrode als negative oder positive Ladung entdecken. 

Mit Respekt vor der Generierung eines Aktionspotentials ist es üblich, den gleichen Prozess noch einmal anzuführen. Ein singulärer Input reicht nicht aus, eine Membrane bis zu dem Punkt zu depolarisieren, an dem es zur endgültigen Depolarisation kommt. Verschiedene gleichgeartete Impulse entlang des Dendriten verursachen diesen Prozess. Es ist ein Rechenexempel: Inhibitorischer Input, subtrahiert vom Effekt der exzitatorischen Inputs kann die Membrane daran hindern das Threshold Potential aufzubauen. Wird dieses aber einmal erreicht, ist die Folge zwingend. 

Neurotransmitter

In den meisten Fällen steuert die Rezeptorseite ob eine Übertragung exhibitorisch oder inhibitorisch ist. Die Rezeptoren ergänzen sich mit den Neurotransmittern, spezialisierten Hirnchemikalien, die dazu benötigt werden, Nervensignale vom einen Neuron zum anderen zu leiten.

Acetylcholine

Der an den meisten Hirnprozessen beteiligte Neurotransmitter ist das Acetylcholine. Acetylcholine ist der exzitatorische Neurotransmitter für neuromuskulären Verbindungen. Im zentralen Nervensystem (ZNS) kann dieser Botenstoff sowohl exzitatorisch als auch inhibitorisch sein. Es ist der Neurotransmitter im parasympathischen Anteil des autonomen Nervensystems. Er ist beteiligt an der Speicherung von Erinnerungen im basalen Frontalhirn und dem Hippocampus Er ist gemindert bei der Alzheimer Erkrankungen. Im retikulären Aufmerksamkeitssystem hat er eine Funktion in der Herstellung von Aufmerksamkeit und Arousel. Er ist ebenfalls an der Kontrolle der Schlafstadien beteiligt.

Es gibt drei weitere Gruppen von Neurotransmittern, die man gewöhnlicher Weise in der Literatur findet, aber man sollte im Gedächtnis behalten, dass es sich um eine wiilkürlich begrenzte Auswahl handelt, tatsächlich gibt es über zweihundert Neurotransmitter.

Biogene Amine

Die erste Gruppe der biogenen Amine (Katecholamine) umfasst Norephinephrin und Dopamin. Beide sind Abkömmlinge der Aminosäure Tyrosin. Es gibt noch eine weitere Gruppe, die man Indoleamine nennt. Sie umfasst auch das Serotonin. Serotonin ist ein Abkömmling der Aminosäure Tryptophan. Dopamin ist immer exzitatorisch, Dopamin ist immer exzitatorisch, Serotonin ist normalerweise inhibitorisch und Norephinephrin ist beides. Der normale Neurotransmitter im sympathischen Anteil des autonomen Nervensystems ist Norephinephrin.

Dopamin

Dopaminmangel oder Dopaminerhöhung ist bei vielen Störungsbildern zu beobachten. LSD und Meskalin erzeugen ihre halluzinogenen Effekte durch Andocken an den Dopaminrezeptoren. Schizophrenie könnte durch ein Übermaß an Dopamin ausgelöst werden, und Parkinson zeichnet sich durch einen Mangel an Dopamin aus. Es wird vermutet (Malone et al., 1994[M2] ) dass ADHS mit einer reduzierten dopaminergen Aktivität in der linken Hirnhälfte und einer Überaktivierung des noradrenergen Systems in der rechten Hirnhälfte einhergeht. Dopamin und Serotonin sind die bedeutendsten Neurotransmitter im Belohnungssystem des Gehirns. Dieses Belohnungssystem umfasst die Hirnstrukturen entlang der medialen Vorderhirns, das im Abschnitt über Neuroanatomie noch näher beschrieben wird. 

Ein zu hoher Dopaminpegel wurde beobachtet bei den folgenden Zuständen: Halluzinationen, Psychosen, inklusive der positiven Symptome der Schizophrenie wie Paranoia, beim Tourette Syndrom, bei Zwangsstörungen (Agitation und Repitation) und in anderen Erregungszuständen inklusive der Euphorie und der Manie. 

Amphetamine und Kokain sind Katecholamin- Agonisten. Sie blockieren die Wiederaufnahme des Dopamin und des Noradrenalin aus dem synaptischen Spalt was zu einem Anstieg der Bioverfügbarkeit dieser Transmitter für das postsynaptische Neuron führt. Dieser Effekt im Nucleus Accumbens könnte wichtig sein, um den exzitatorischen Effekt dieser Drogen und ihre Fähigkeit Menschen "high" werden zu lassen, zu verstehen. Alkohol, Nikotin und Koffein sind ebenfalls dazu in der Lage, einen Anstieg der Dopaminverfügbarkeit im Nucleus Accumkbens zu erzeugen. Zu wenig Dopamin wurde bei Parkinson beobachtet, wo der Mangel zu Tremor und zur Unfähigkeit führt, Bewegungen auszuführen, aber auch bei den negativen Symptomen der Schizophrenie wie Lethargie, Depression, Katatonie und sozialem Rückzug sowie bei der Aufmerksamkeitsstörung des Erwachsenen. 

Norepinephrin

Norepinephrin wird hauptsächlich von Neuronen des Locus Correolus produziert. Dieser Nucleus wird im Abschnitt über Neuroanatomie beschrieben. Er besitzt Projektionen im gesamten medialen Vorderhirn und dem Hypothalamus. Seine primäre exzitatorische Funktion im ZNS steht in Verbindung mit Aufmerksamkeit und Arousel. Seine Verfügbarkeit nimmt bei Stress ab und könnte ein Bestandteil der Kampf und Flucht Reaktion sein. Dieser Neurotransmitter ist beteiligt bei Gefühlen der Furcht oder Angst und eventuell bei der Manie er soll ebenfalls beim Lernen und bei der Ordnung von Erinnerungen eine Rolle spielen. Eine Verminderung des Norephinephrin wird mit Depressionen, eine Erhöhung der Verfügbarkeit mit der Manie in Verbindung gebracht. Bei manchen Angststörungen könnte ein Exzess der Norephinephrinverfügbarkeit vorliegen. Bei Personen, die an chronischem Stress leiden, könnte es zu einem dauerhaften Mangel des Norephinephrin kommen. 

Serotonin (5-hydroxy-trypamine, or 5-HT)

Serotonin wird im Hirnstamm produziert und im Raphe Nucleus freigesetzt. Es ist in erster Linie ein inhibitorischer Neurotransmitter. Er ist beteiligt an der Regulation von Schmerzen, Stimmung, Appetit, sexuellem Verlangen und dem Schlaf. Er könnte auch eine Rolle für das Gedächtnis spielen. Er ist ein Vorläufer des Melatonin, das eine bedeutende Rolle zur Aufrechterhaltung biologischer Rhythmen spielt. Geringe Verfügbarkeit von Serotonin werden mit vielen psychiatrischen Störungsbildern in Verbindung gebracht, wie Depression, Zwangsstörungen und Aggressionen. Selektive Serotonin Wiederaufnahmehemmer (SSRIs) werden zur Therapie dieser Störungen eingesetzt.

Aminosäuren

Die zweite Gruppe der Neurotransmitter ist die der Aminosäuren. Diese Gruppe beinhaltet zwei inhibitorische Transmitter: gamma amino Buttersäure (GABA) und Glyzin. Sie beinhalten ebenfalls Glutamat und Aspartat, zwei exzitatorisch wirkende Transmitter. Angstlösenden Medikamente (Benzodiazepine), Alkohol und Barbiturate könnten ihre Wirkung erzielen, indem sie die Reaktionsfähigkeit der GABA Rezeptoren erhöhen. GABA öffnet Kalium- und Chlorid Kanäle und das führt zu einer Hyperpolarisation des Neurons, die es dem Neuron unmöglich macht zu depolarisieren. Das Neuron ist effektiv gebremst. 

GABA 

GABA ist möglicherweise der bedeutendste inhibitorische Neurotransmitter des ZNS. Das ganze ZNS kann als ein System verstanden werden, in dem immer dann, wenn ein Neuron stimuliert wird, eine Feedbackschleife anspringt, die dieses Neuron daran hindert ununterbrochen weiter zu feuern. Diese Feedbackschleifen benutzen oftmals den Neurotransmitter GABA. Das ist der Brems- und Stabilisierungsmechanismus des ZNS. 

Glyzin

Glyzin wird in den unteren Abschnitten der Hirnstamms und des Rückenmarks produziert Bei Tetanus gibt das Bakterium einen Glyzin Blocker von sich. Die Verhinderung der inhibitorischen Effekte des Glyzin führt zu den ungebremsten Muskelkontraktionen. 

Glutamat ist wichtig für das Lernen und das Gedächtnis und bei einem sehr bedeutsamen Prozess, den man Long-Term Potentiation (LTP nennt). Long-Term Potentiation ist der Prozess, bei dem eine postsynaptische Zelle sich auf Grund einer Episode intensiver synaptische Aktivität an den Kontaktstellen verstärkt. Das scheint eine bedeutende Rolle bei der Speicherung von Gedächtnisinhalten zu spielen. Es bedarf noch weiterer Forschung um einschätzen zu können, ob die Long Term Potentation durch eine Vermehrung der Neurotransmitter Rezeptoren oder durch einen Anstieg der synaptischen Verbindungen ausgelöst wird, oder aber auch durch beides gleichzeitig. 

Was auch immer der Mechanismus ist, die postsynaptische Zelle kann als Reaktion auf einen Neurotransmitter schneller depolarisieren. Das könnte so ablaufen: Glutamat aktiviert einen non-N-methyl-D-aspartate Rezeptor und verursacht einen Einstrom von Natrium in die postsynaptischen VAndockstellen. Diese Depolarisation verdrängt Magnesium (Mg2+), das einen zweiten N-methyl-D-aspartate Rezeptor blockierte. Dieser Rezeptor wird jetzt vom Glutamat aktiviert, mit dem Resultat des Einströmens von Kalzium Ionen (Ca2+). Dieses Einströmen von Ca2+ führt zur Aktivierung anderer “messenger” Verbindungen und an der postsynaptischen Zelle zur Freisetzung von Parakrin. Parakrin ist eine Chemikalie die von Zellen freigesetzt wird und die dazu führt andere Zellen in unmittelbarer Nähe zu verändern. In diesem Falle führt es zu einer Veränderung der presynaptischen Endung, was zu einer höheren Aufnahme des Neurotransmitters Glutamat führt. Auch die postsynaptische Membran scheint sich bei diesem Prozess zu verändern und ihre Glutamatempfindlichkeit zu erhöhen. Es wird vermutet, dass die postsynaptische Zelle mehr Glutamat Rezeptoren entwickelt (Silverthorn, 1998). Die Bedeutung für unsere Arbeit mit Neurofeedback liegt darin, dass wir so einen weiteren theoretischen Rahmen haben, der es uns ermöglicht, zu verstehen, wie es möglich ist, dass wenige Neurofeedbacksitzungen zu anhaltenden Veränderungen im ZNS führen können. 

Neuropeptide

Die dritte Gruppe der Neurotransmitter sind die Neuropeptide. Es handelt sich um kurze Ketten von Aminosäuren. Sie sind zuständig für die Steuerung sensorischer und emotionaler Reaktionen. Unter ihnen finden wir die Substanz P, die der Schmerzübermittlung dient.. Messungen der Substanz P in der Rückenmarksflüssigkeit, cerebral spinal fluid (CSF) erleichtern die Diagnose von Fibromylagie. Endorphine sind ebenfalls Neuropeptide. Sie docken an den gleichen Rezeptoren an wie Heroin und Morphin und werden als natürliche Schmerzmittel und Stimmungsaufheller betrachtet. Sie werden vornehmlich im limbischen System und im Mittelhirn gefunden. Das ventrale Tegmentum des Mittelhirn und der Nucleus Accumbens im Frontallappen besitzen Opiat Rezeptoren (näheres im Abschnitt über Neuroanatomie) Eine dritte Sorte der Neuropeptide sind Neuropeptid Y (NPY)/polypeptide YY (PPYY). Diese Substanz findet man im Hypothalamus. Sie wird mit Essstörungen und Essverhalten in Verbindung gebracht..

Aktionspotentiale

Es gibt zwei Prozesse, die zur Depolarisation der Zellmembrane führen. die erste erfolgt als Antwort auf das Einwirken eines Neurotransmitters. Bisher dachten wir, das geschehe nur an synaptischen Verbindungen (elektrochemischen Verbindungsstellen zwischen Neuronen) aber heutzutage erkennt man, dass es Rezeptoren an vielen Stellen des Axon gibt und dass Neurotransmitter durch das extrazelluläre Milieu größere Entfernungen zwischen dem Ort ihres Ausstoßes zurücklegen können, um diese Rezeptoren zu erreichen. Der zweite Prozess wird von elektrischer Spannungsveränderung ausgelöst, indem die Depolarisation einer Abschnitt des Neurons das angrenzende Gebiet ebenfalls zur Depolarisation anregt. Das wirft allerdings die Frage auf, warum Nervenimpulse nicht chaotisch sind und einfach in beide Richtungen laufen. Wir wollen die Erzeugung eines Aktionspotentials im Folgenden diskutieren und demonstrieren, warum der Impuls nur in eine Richtung laufen kann.

Wie am Anfang des Kapitels erwähnt, ist das postsynaptische Potential, das im extrazellulären Raum außerhalb des Dendriten der Pyramidenzelle entsteht von relativ langer Dauer und wird summiert, so dass es von einer Oberflächenelektrode gemessen werden kann. Anhaltende postsynaptische Potentiale können eine elektrischer Spannung erzeugen, die entlang der Oberfläche des Zellkörpers oder Dendriten fließt. Das Gebiet an der Basis des Axons wird Axonhügel genannt. Es ist das integrative Zentrum des Neurons. Die Depolarisierung der Zelle summiert sich bis zu dem Punkt an dem der Axonhügel sich plötzlich verändert (der kritische Bereich liegt bei >10 mV und die kritische Veränderung bewegt sich vom Ruhezustand vom ca. –70 mV zum Grenzwert der Erregung von –55 mV), bis die Membrane schlagartig die Ladung verliert und ein Aktionspotential entsteht, dass entlang des Axon zur nächsten Synapse läuft. Der Weg der Elektrizität ist ein Ladungswechsel entlang der Zellmembrane. Er liegt bei 110 mV und dauert ungefähr 1 ms. Es gibt für die Zelle nur Alles oder Nichts.. Der plötzliche Spannungswechsel verursacht in der angrenzenden Membrane, die im Ruhezustand war, eine gleichartige Veränderung, die nun ebenfalls am Axon entlangläuift Die Permiabilität der angrenzenden Membrane für Natrium steigt unmittelbar um das Tausendfache gegenüber dem Ruhezustand. Dieser Prozess ist ungerichtet. Er verläuft nicht in der Gegenrichtung auf Grund der Gateways für Natriumeinströmung. Es gibt deren zwei. Das erste öffnet sich, sobald es von einer bestimmten Chemikalie aktiviert wird. Das zweite ist ein eher langsames Gate, das schließt, kurz nachdem der Natriumeinstrom in die Zelle erfolgt ist.. Es öffnet sich nicht mehr, bis die Zelle wieder in ihren Ruhezustand eingetreten ist. Während die aktive Natrium Pumpe das Natrium aus dem Zellinneren befördert, um das negative Ruhepotential wieder herzustellen, bleibt das langsamere Gate geschlossen. Aus diesem Grunde vermag ein zweiter Impuls zur Depolarisation das Gate nicht noch einmal zu öffnen. Diese gegenüber äußeren Impulsen unempfindliche Periode wird die refraktorische Periode der Zelle genannt. Deshalb kann der elektrische Strom nur entlang des Axon in eine Richtung laufen. Die Kalium Kanäle öffnen sich nach der Depolarisation nur äußerst langsam verglichen mit dem ersten Natrium Gate, deshalb hält der Ausstrom von Kalium während der ganzen Repolarisationphase an. Tatsächlich sind es die Kalium Kanäle, die eine Hyperpolarisation am Ende der Repolarisation verursachen. Aktionspotentiale sind sehr kurze anhaltende lokale elektrische Ladungen. Sie sind etwas völlig anderes als das, was wir im EEG messen. 

Die Veränderungen der Zellmembrane die die Durchlässigkeit gegenüber K+ und Na+ betreffen, sind bekannt als der Hodkin Zyklus. Die Natrium-Kalium Pumpe benötigt Energie, um wieder ein Ruhepotential zu erstellen. Ein Ruhepotential ermöglicht es dem Neuron schnell auf einen Stimulus zu reagieren, genau wie ein gespannter Bogen bereit ist, den aufgelegten Pfeil in eine Richtung abzuschießen, so ist die Energie des Aktionspotentials gerichtet

Schematische Darstellung einer Rezeptorenseite, die das Fortschreiten der elektrischen Veränderung zeigt, die als Hodkin Zyklus bekannt ist (After Campbell, 1996)

Eine Anmerkung zu zwei Arten von synaptischen Rezeptorenseiten: Die postsynaptischen Rezeptoren, über die wir hier gesprochen habe, werden ionotropisch genannt, weil sich immer dann, wenn ein Neurotransmitter sich an einen solchen Rezeptor bindet, ein Ionenkanal geöffnet wird. Diese Aktion ist lokal und sehr schnell (eine Millionenstel Sekunde) Man spricht auch vom Nikotin Rezeptor. Nikotin dockt am Acetylcholin Rezeptor an, sobald dieser frei ist. Nikotinrezeptoren sind eine Form des ionotropen Rezeptors für Acetylcholin und sind die Rezeptoren, die Ionenkanäle zu neuromuskulären Verbindungen der gestreiften Muskulatur öffnen und die es auch an einigen neuronalen Synapsen gibt. Es gibt also geringfügig unterschiedliche Arten des Nikotinrezeptors im autonomen Nervensystem. 

Metabolische Rezeptoren sind eine andere Art von Rezeptoren. Im Gegensatz zu ionotropen Rezeptoren ist ihre Arbeitsweise diffus und langsam (Sekunden bis Minuten) Ihre Aktion verlangt nach Second Messengers, die den Metabolismus der Zellen beeinflussen können und die zu langanhaltenden Veränderungen führen. Man spricht auch von Muskatinrezeptoren. Das ist eine Art des metabotronen Rezeptors. Muskarine Acetylcholin Rezeptoren werden in der Muskulatur der Pupillen, Drüsen und Blutgefäße gefunden. 

Der Grund, warum ich so ausgiebig erwähne, dass es verschiedene Rezeptortypen gibt, ist, dass wir in naher Zukunft eventuell entdecken werden, dass manche der bleibenden Effekte der Neurofeedbacktherapie darauf beruhen, dass das Neurofeedback Veränderungen in der metabolischen Aktivität der Nervenbahnen verursacht

Weil Aktionspotentiale nur Alles oder Nichts kennen, wird die Stärke der Nervenimpulse nur durch die Frequenz der Aktionspotentiale bestimmt. Das Aktionspotential beginnt an einem Ausgangspunkt. Der Impuls erfolgt durch eine Serie von Depoiarisationen und den daraus resultierenden saltatorischen Erregungsleitung. Dieser zweite Prozess wird durch die Myelinisierung des Axon ermöglicht. Es gibt Einschnürungen in der Myelinschicht, die so genannten Ranvier Ringe, und das Aktionspotential springt von Einschnürung zu Einschnürung und überspringt die dazwischenliegenden Regionen. Man kann sich die myelinsierten Axone wie Superdatenautobahnen vorstellen, die erheblich höhere Geschwindigkeiten zulassen als andere Bahnen. (Campbell, N.A. et al[L3] .)

Eine Randbemerkung zur Myeliniserung

Myelinisierung innerhalb des Kortex unterscheidet sich von der des peripheren Nervensystems. Bei letzteren bilden Schwannzellen die Myelinschicht, während im Kortex Myelin von oligodendroglia Zellen gebildet wird. Myelin beinhaltet Fett und dieses Fett verursacht die weiße Färbung. Die tieferen Lagen des Kortex werden deshalb weiße Substanz genannt, während die oberen Lagen graue Substanz genannt werden. Im Rückenmark und dem peripheren Nervensystem befindet sich die weiße Substanz außen und die graue Substanz innen, im Gegensatz zum Gehirn, wo die graue Substanz außen liegt. Graue und weiße Substanz unterscheiden sich in der Dichte und der Färbung weil Fett mehr Wasser enthält. Wenn jemand an einer Hirnverletzung leidet, bewegen sich beide Substanzen in unterschiedlicher Geschwindigkeit, in Abhängigkeit von ihrer Konsistenz. Die daraus resultierenden Scheerkräfte führen zur diffusen axonalen Verletzung. Diese Art der Verletzung kann im EEG diagnostiziert werden, obwohl andere bildgebende Verfahren wie MRI das nicht vermögen. Das EEG besitzt eine bessere temporale Auflösung als das MRI. Andererseits ermöglicht MRI eine bessere räumliche Darstellung, weil es in tiefere Strukturen blicken lässt Durch das mathematische LORETA Verfahren hat das EEG aber auch in der räumlichen Darstellung aufgeholt.