Das EEG Thompson the Neurofeedback Book, Kapitel 3, übersetzt bei HWBaehr mit Genehmigung

KAPITEL III

DAS EEG: Frequenzen und normale und auffällige Wellen

Der Elektroenzephalograph dient dazu die elektrische Aktivität von Neuronen, den Nervenzellen des Gehirns, zu messen. Die daraus resultierende Darstellung wird Elektroenzophalogram genannt. (EEG)

Definitionen und

Beschreibungen vielgenutzer Begriffe

Quantitatives EEG

Definition

QEEG ist die Abkürzung für Quantitatives EEG. Dieser Begriff wird immer dann benutzt, wenn die Analysesoftware das EEG Signal in den verschiedensten Aspekten quantifiziert. Bei diesem Prozess geht einiges an Information verloren, während andererseits Informationen gewonnen werden. Beispielsweise gibt dieser Prozess keinerlei Auskunft über bestimmte Aspekte der Morphologie der EEG Wellen oder über das Vorkommen von einzelnen Wellenformen wie Burts von Wellen mit hoher Amplitude, die unregelmäßig erscheinen. Solche Ereignisse werden den Durchschnittswerten, die das QEEG zeigt, geopfert. Andererseits macht die Darstellung gemittelter Werte in zu beobachtenden Frequenzbereichen und deren Ratios, es dem Therapeuten leichter, zu sehen, was im Gehirn des Probanden geschieht. Der Computer stellt die unterschiedlichsten Werte in Grafiken dar als ein Spektrum  der Magnitude, also der durchschnittlichen Amplitude in einem bestimmten Zeitabschnitt oder der Power im Verhältnis zur Frequenz, oder er zeichnet eine topographische Karte, die die EEG Aktivität an verschiedenen Elektrodenpositionen zeigt.

Normative Datenbanken

Es können auch Vergleichswerte aus normativen Datenbanken zur Auswertung benutzt werden. Es gibt mehrere Datenbanken, die auf dem Markt erhältlich sind und die dazu genutzt werden können 19 Kanal Assessments auszuwerten. Diese Datenbanken sind, in alphabetischer Reihenfolge, die von Frank Duffy, William Hudspeth, E. Roy John, Yuri Kropotov (WIN-EEG), ,Sterman und Kaiser (SKIL), Robert Thatcher (NeuroGuide), Thompson und Hagedorn (Evoke Neuroscience).

Amplitude und Power

Normalerweise wird das QEEG die Amplituden in Microvolt (µV) darstellen und die Power in Pikowatt (pW) für jede spezielle Frequenz an jedem der Messpunkte. Berechnungen der Ratios, der Standardabweichungen und andere statitische Größen werden ebenfalls angezeigt. Das QEEG wird in der Regel durch ein 19 kanal EEG Assessment gewonnen, aber es ist auch möglich, quantitative Auswertungen von einer einzigen Elektrodenposition zu erhalten. Eine Einzelelektrode an Cz wurd in der Metastudie von Monastra, Lubar, Green und Linden (1999) benutzt, um die Theta/Beta Ratios von ADHS Kindern mit denen einer Kontrollgruppe zu vergleichen. Der begriff QEEG ist also unabhängig von der Anzahl der ausgewerteten Messpunkte anwendbar.

Die Interpretation eines 19 Kanal QEEG ist nicht für Anfänger im Feld des Neurofeedback, deshalb wird es erst viel weiter hinten in diesem Buch behandelt werden. Dort wird man auch graphische Beispiele für solche 19 Kanal Assessments finden.

Das EEG Spektrum (Frequenzen) – Fast Fourier Transformation

Transformation von Time-Related Domain zur Frequenzy Domain.

Die Transformation der time-related domain des Roh EEG zur frequency domain zur Erstellung von statistischen Asuwertungen erfolgt durch eine mathematische Kalkulationf, die Fast Fourier Transform (FFT). Jean Baptiste Fourier entdeckte, dass jedes wiederkehrende Signal in eine Serie von Sinuswellen interptretiert werden kann. Die Aufsplitterung einer komplexen Welle in ihre Komponenten kann man eine Furier Analyse nennen. Fisch bemerkte dazu: “Die FFT Funktion basiert auf der Tatsache, dass jedes Signal als eine Kombination von Sinus und Kosinus Wellen unterschiedlicher Phasen, Frequenzen und Amplituden dargestellt werden kann.” (Fisch, 1999, p 125[L1] ). Das Quadrieren dieser Fourier Koeffizienten erfolgt, um ein Power Spektrum zu erhalten, das die in Picowatt (pW) gemessene Power verschiedener Frequenzen zu einem bestimmten Messpunkt anzeigt. Diese Art der Darstellung wird beispielsweise benutzt, in den Datenauswertungen der meisten Assessment Programme der unterschiedlichen Anbieter von Neurofeedbacksoftware. Der Begriff Power wird auch in thatchers NeuroGuide Programm benutzt, steht dort aber für quadrierte Microvolt Daten, die nicht mit einem Konstantwert multipliziert werden. Die NeuroGuide Software nennt diese Einheiten Picowatt. Andere Programme wie beispielsweise BioGraph benutzen als Messgröße Mikrovolt, ein Wert, der besser zum Roh EEG passt, der aber keine so dramatischen Differenzen zwischen den Magnituden der Frequenzbänder anzeigt, weil die gewählte Maßeinheit kleiner ist. (Das Quadrieren einer Mikrovolt Ration ergibt eine Ratio in Pikowatt; wie auch immer, leichte Variationen der Messbedingungen die zu den ermittelten Werten führten, können diese Differenz überlagern.) Es muss angemerkt werden, dass das EEG nicht tatsächlich nur aus Signalen von Sinus Wellen besteht. Nichtsdestotrotz ist das Power Spektrum beachtenswert genau und ein wertvolles Instrument zur Auswertung des EEG.

Absolute Messwerte in den Frequenzbändern

Absolute band values sind Berechnungen, die auf Werten unterhalb der Spektralkurve dieser Frequenz basieren (Beispielsweise 4-8 Hz).  Das Dividieren zweier absolute band values führt zum Wert der RATIO genannt wird (eine solche Ration für Theta/Beta Werte wird berechnet durch den Wert der Aktivität bei 4-8 Hz geteilt durch den pW Wert der Aktivität zwischen 13 und 21 Hz) Theoretisch gleicht diese Berechnung die unterschiedlichen Messbedingungen verursacht durch Haut und schlechten Kontakt aus. Nur so werden Vergleiche zwischen den Ratios von Personen mit ADHS wissenschftlich vergleichbar. (Monastra et al., 1999; Jansen, 1995; Mann, 1992).

Warnungen

Erinnern sie sich: nach dem Quantifizieren des EEG verfügen wir über Messwerte und Grafiken (Spektral und topographische Darstellungen) die aber keine Aussage über die Morphologie des EEG beinhalten oder über unvermittelt auftretende Einzelwellen. Spikes und Wave Komplexe sind nicht in dieser Information enthalten. Die topographische Karte hilft uns auch nicht dabei, eine Aktivität zu lokalisieren. Topographische Karten sind ein Hilfsmittel die EEG Aktivität unter einer großen Anzahl von Elektrodenpositionen darzustellen. Sie zeigen exakt, welche Elektrodenposition die maximale Power einer bestimmten Frequenz aufweist. Man sollte aber sehr vorsichtig sein, bei der Interpretation dieser Karten. Aber erinnern sie sich bitte daran, dass einige wenige Amplituden mit hoher Amplitude den gleichen Messwert haben können wie eine deutlich kleiner Amplituden derselben Frequenz. Die Analyse wird aber ebenso durch Artefakte erschwert, so dass es Pflicht ist, die EEG Daten sorgfältig zu erheben und von Artefakten zu säubern, ehe man eine quantitative Auswertung versucht. Es ist unabdingbar, dass man das roh EEG immer im Auge hat, bevor man zu irgendeinem Schluss gelangt. Topografische Karten beeindrucken, aber sie sollten im Gedächtnis behalten, dass es in Wahrheit nur 19 Messwerte eines 19 Kanal Assessments sind. All diese Messwerte, die farblich dargestellt werden, sind Annäherungswerte (Schätzwerte) Die einzige Möglichkeit, die räumliche Auflösung zu verbessern besteht darin, die Anzahl der Messelektroden zu vermehren. Wie auch immer, auf die zielsetzungen der Neurofeedbackanwendungen hat das alles nur einen geringen Einfluss.

Wellenformen, Frequenzen, Pahase und Synchronizität

Morphologie

Morphologie (oder Wellenform) meint die Form einer Welle. Die folgenden Begriffe werden nur kurz im Basis text definiert, weil sie diese wahrscheinlich nie benutzen werden, aber sie könnten in Fachbüchern auf sie stoßen.

Reguläre und Irreguläre Wellen

Reguläre Wellen  können als Sinuswellen auftreten, bogenförmig oder auch asymmetrisch und triangular, wobei sie wie die Zacken eines Sägeblattes aussehen. Irreguläre Wellen verändern in einem bestimmten Rhythmus Frequenz und Morphologie. 

Monophasische/Biphasische/Triphasische, Transiente, und Rythmische Wellenformen und Wellenkomplexe

Eine Welle ist monophasisch, wenn sie entweder auf oder abwärts geht, biphasisch, wenn sie auf- und abwärts geht und triphasisch, wenn sie aus dreien solcher Komponenten besteht. Eine transiente Welle hebt sich deutlich gegen das Hintergrundeeg ab. Ein Komplex ist eine Sequenz von zwei oder mehreren Wellen, die wiederkehren in einer bestimmten, gleichbleibenden Form (Fisch, p 145). Sinuswellen, wie z.B. Alphawellen oder Spindeln wie Schlafspindeln oder ähnliche Wellen wie die des sensomotorischen Rhythmus, werden als rhythmisch beschrieben. 

Aktivität: Generalisierte und Lateralisierte Wellen

Tdie beobachtete Aktivität kann generalisiert, lateralisert oder fokal sein. Generaliserte Wellen sind weitgefächert und diffus, erscheinen zur gleichen Zeit in den meisten Kanälen, die aufgezeichnet werden Die Quelle kann näher eingegrenzt werden, wenn man eine Referentiale Montage zur Auswertung benutzt, die anzeigt, dass das Maximum dieser Welle nur an einer Elektrode gemessen wurde, oder bei einer Phasenumkehr, die man in einer bipolaren Montage erkennen kann. Lateraliserte Wellen sind solche, die hauptsächlich auf einer Seite des Kopfes beobachtet werden. Fokale Wellen treten nur an einem Messpunkt oder unter einem Areal auf.

Phase

Wenn Wellen in Phase auftauchen, bedeutet das, dass sie zur gleichen Zeit absolut identisch auf einer anderen Region des Gehirns auftauchen. Wenn sie nicht übereinstimmen sind sie „out of phase“. Wie auch immer, die Wellen können auf gleiche Art und Weise auf und ab schwingen, aber trotzdem nicht zusammenhängen.  In diesem Falle würde eine Zeitlücke bestehen, die als „phase angle“ bekannt ist. Wenn dieser Winkel 180 Grad beträgt, wandern die Peaks in die jeweilige Gegenrichtung und das Ganze würde „phase reversal“ genannt. 

Anmerkungen (Fisch): “Phase: (1) Zeit oder Polaritäts Verhältnis zwischen einem Punkt auf einer Welle, in einer Ableitung und dem identischen Punkt auf derselben Welle, die sich gleichzeitig  in  einer anderen Ableitung findet. (2) Zeit oder Winkelverhältnis zwischen einem Punkt auf einer Welle und dem Anfang der Bewegung auf derselben Welle, gewöhnlicherweise ausgedrückt in Winkelgraden oder Radien.” (Fisch, p450) 

Note: Für den Begriff Richtung kann man auch das Synonym Kanal benutzen. Derivation meint den Prozess der Messung von einem Elektrodenpaar in einem EEG Kanal. (Fisch, p 443).

Synchronizität

Wenn die gleiche Wellenform zur gleichen Zeit auf beiden Seiten des Kopfes erscheint, sind sie in Phase und bisynchron. Wellen, die in verschiedenen Frequenzbändern ohne eine konstante zeitliche Beziehung erscheinen, werden asynchrone Wellen genannt. (Fisch, p 152)

Dominante Frequenz und Alter

Alter ist ein bestimmender Faktor bei der Feststellung der dominanten Hirnfrequenz. Die dominante Frequenz, gemessen mit geschlossenen Augen, liegt beim Erwachsenen normalerweise im Alpha Band um die 10 Hz. Es ist allgemein beschrieben, dass höhere Alpha Peak Frequenzen bei intelligenteren Menschen gefunden werden, das ist hauptsächlich dann der Fall, wenn der Alphapeak bei geschlossenen Augen bei 11 Hz und höher liegt. Die Intelligenz eines solchen Probanden ist wahrscheinlich höher als die eines, dessen Alpha Peak Frequenz bei 9,5 Hz endet. Eine höhere Intelligenz ist aber nicht immer vorteilhaft. Tom Budzynski merkte an, dass einige der brilliantesten Köpfe des Silicon Vallesy, mit denen er gearbeitet hat, sehr hohe Alpha Frequenzen besaßen, dafür aber sehr fragil waren.

In frontalen und zentralen Regionen ist bei Kindern unter 3 Jahren Delta dominant. Von 3 bis 5 Jahren wechselt die dominante Frequenz zu Theta. Low Alpha wird dominant zwischen 6 und 8 Jahren und diese dominante Frequenz verschiebt sich dann Schritt für Schritt zu höheren Alpha Frequenzen, bis beim Herwanwachsenden 10 Hz erreicht worden sind. Es ist wichtig, dass man den Entwicklungsaspekt des EEG im Gedächtnis behält, wenn man mit verschiedenen Altersgruppen arbeitet. Was bei einem 12 jährigen als Theta Exzess gelten würde, wäre beim 4 jährigen völlig normal.

Ryhthmen und Asymmetrien

Alpha

Alpha ist normalerweise höher auf der rechten Seite, aber die Differenz zwischen den Hirnhälften sollte nicht größer als 1,5 sein (Gibbs & Knott, 1949).  Der Alpha Rhythmus sollte beim Erwachsenen höher als 8 Hz liegen. Wenn die Alpha Frequenz niemals 8 Hz überschreitet, ist das eine Auffälligkeit. Eine Differenz von 1 Hz zwischen beiden Hirnhälften im Alpha Bereich weist auf eine Auffälligkeit hin und zwar auf der Seite mit der niedrigeren Alpa Frequenz. (Fisch, p185, 187). Alpha wird in erster Linie in den posterioren Regionen gefunden und weit entfernt vom präfrontalen Alpha, das nach Fisch in erster Linie als Augen Artefakt zu interpretieren ist, zumindest, solange man das Gegenteil nicht festlegen kann. Frontale und zentrale Alphadominanz ist auffällig.

Der Alpha Rhythmus wird normalerweise geblockt, oder zumindest reduziert, wenn die Augen geöffnet werden. Die Abwesenheit jeglicher Abschwächung ist abnormal, ebenso wenn nur auf einer Seite Alpha geblockt wird (Bancaud’s phenomenon). Das Alpha bei geschlossenen Augen repräsentiert einen aufmerksamen Wachzustand, wenn die Person schläfrig wird, reduziert sich Alpha und Theta Aktivität steigt an.

Alpha wird mit dem visuellen System in Verbindung gebracht und scheint mit einem Ruhezustand bei vermindertem visuellen Input zusammenzuhängen.

Beta

Beta Aktivität im Bereich über 13 Hz wird vornehmlich beim Erwachsenen gefunden. Beta läuft eher desynchron als rhythmisch. Es ist fast immer ein Zeichen für eine normale Hirnfunktion. Sie Asymmetrie von Beta zwischen den Hirnhälften sollte nicht größer als 35% der Amplitude auf der Seite mit der höheren Amplitude sein. Wenn die Differenz größer ist, ist die Seite mit der niedrigeren Amplitude abnormal. (Fisch, p 181)

Bewusstseinszustände, Wellenformen und EEG Bänder

Historischer Kontext

Unterschiedliche Wellen werden in den unterschiedlichen EEG Bändern beobachtet. Eine sehr schöne Analogie ist die zu einer Seeoberfläche. Es gibt sehr große Wellen, zum Beispiel von einer Fähre, und kleinere regelmäßigere Wellen wenn ein Motorboot vorbeifährt, und leicht unregelmäßige und desynchrone Bewegungen, wenn ein Wind über den See fegt. Wechselnde Ladungen wechseln zwischen postiv, negativ und dann wieder positiv. Wechselnde Ladungen werden deshalb Wellen verursachen, wenn sie eine Zeitlang aufgezeichnet werden. Dieser Vorgang wurde erstmals von Richard Caton 1875 beschrieben, als er einen Galvanometer benutzte, um die elektrische Aktivität im Kortex eines Hasen nachzuweisen. Er zeigte die Wellen mit Hilfe eines Lichts, das die Wellen als Schatten auf der Wand sichtbar machte. 1920 war es Hans Berger, der als erster ein menschliches EEG aufzeichnete und darüber berichtete. Er benutzte Papieraufzeichnungen mit Hilfe einer Reihe von Stiften die mit den verschiedenen EEG Kanälen verbunden waren. Das war die allgemein übliche Methode, bis uns Computer ermöglichten, das EEG als digitalisiertes Signal einzufangen und auf dem Computerbildschirm darzustellen. Einige Krankenhaus EEG Geräte schreiben immer noch auf Papier, aber auch die Neurologen wechseln immer öfter zum Computer Display.

Frequenzbänder

Bevor wir Bandbreiten beschreiben ist es wichtig, zu verstehen, dass die Frequenz einer Welle nur die Anzahl des Vorkommens dieser Welle in der Sekunde ist. Wenn wir uns vorstellen, dass ein Motorboot 4 Wellen produziert, die in einer Sekunde ein Dock passieren, dann wissen wir, dass jede von diesen Wellen 250 ms dauerte. Die Frequenz dieser Welle würde bei 4 Zyklen in der Sekunde liegen. Das wird gewöhnlich als 4 Hz berzeichnet. Hz ist eine Abkürzung des Namens eines deutschen Physikers, Heinrich Hertz, der am Ausgang des 19 Jahrhunderts als erster Wellen auf diese Art beschrieb. Vier Hz liegt im Theta Band, wie weiter unten beschrieben werden wird. Das EEG ist größtenteils eine wellenförmige Linie. Diese Linie besteht aus Wellen mit vielen unterschiedllichen Morphologien und Frequenzen, gemessen nach der Anzahl des Vorkommens dieser Welle in einer Sekunde. Manchmal sieht man schnelle Wellen, die auf langsameren Wellen reiten. Alle Frequenzen sind in der schmalen Wellenlinie des EEG zusammengemischt anwesend. 

Bandbreiten beschreiben die Breite bestimmter Frequenzbänder. Beispielsweise wird die relativ hohe Amplitude einer synchronen Alpha Welle, die wir bei geschlossenen Augen des Probanden zu sehen bekommen, normalerweise in einem Frequenzbereich zwischen 8 und 12 Hz liegen 8-12 Cycles pro Sekunde. Es gibt aber auch langsamere Alpha Wellen, speziell bei Kindern, die nur bei 6-7 Hz liegen oder auch schnellere, die bei 13-14 Hz liegen. Es ist die Morphologie, nicht die Frequenz, die entscheidet, was eine Alpha Welle ist und was nicht. Ort, Amplitude und Reaktivität wie beispielsweise beim Alpha Block durch Augen Öffnen, bieten weitere Hinweise. Eine typische Bandbreite ist niemals statisch. Der folgende Abschnitt diskutiert einige der typischen Bandbreiten und das Alter sowie den mentalen Zustand, der vorliegt, wenn eine bestimmte Bandbreite hauptsächlich beobachtet wird.

Das Spektrum

Um es leichter zu machen, welche Bandbreite hohe Amplituden aufweist und welche niedrige während unterschiedlichen mentalen Zuständen und Tätigkeiten, wird eine Spektrum benutzt, also ein Histogramm, dass die Amplitude in jeder Frequenz normaleweise zwischen 2 und 32 Hz zeigt. Es kann hilfreich sein, ein Spektrum abzudecken, das bis 60 Hz reicht, so dass man elektrische Interferenzen aus dem Stromnetz oder Muskelartefakte besser erkennen kann. Hohe 60 Hz Aktivität kann aber auch ein Hinweis auf eine schlechte Impedanz sein, die von einem unzureichenden Kontakt zwischen Haut und Elektrode herrührt. (In Europa, Asien und Australien arbeitet das Stromnetz mit 50 Hz) Um zu verstehen, was ein Spektrum ist, stellen sie sich bitte 61 Container in einer Reihe vor. Dann fragen sie den Computer, aus dem sehr komplexen EEG all jene hervorzuheben, die 1 Hz haben, um diese in einem Turm zu stellen. Dann bitten sie den Computer dasselbe mit allen 2 Hz Wellen zu tun und diese als zweiten Turm aufzubauen, dann alle mit 3 Hz und so immer weiter bis 62 Hz.  Dann befehlen sie dem Computer daraus ein Histogramm zu erstellen, der Höhe jeder Reihe, um die Power in Pikowatt zu repräsentieren (oder die Amplitude in Mikrovolt, abhängig davon, welches EEG Gerät sie benutzen.) Die schnellen, modernen Computer sind in der Lage, diese mathematische Leistung (Fast Fourier Transformation) in Millisekunden als Graphik zu präsentieren. Die Amplitude nimmt gewöhnlich kontinuierlich ab, wenn man sich von 2 hz zu 62 hz bewegt, weil Knochen und Haut schneller Frequenzen stärker reduzieren als langsame Frequenzen. Deshalb gilt, wenn man einen starken Anstieg oder eine Absenkung in irgendeinem speziellen Bandbereich wahrnimmt, dass diese Tatsache auffällig ist. Als Ausnahme gilt der Anstieg des Alpha Bands beim Erwachsenen mit geschlossenen Augen. Man wird einen steilen Anstieg der Alpha Aktivität sehen.

Magnitude und Amplitude

Wir sprachen bereits über die Magnitude der Welle als gemittelten Powerwert in Picowatt innerhalb einer definierten Zeitperiode. Die Amplitude ist die Höhe der EEG Welle gemessen in Mikrovolt, einem Millionenstel Volt. In den meisten EEG Geräten, zeigt jede Grafik die durchschnittliche Amplitude dieser frequenz in einer Sekunde. Das Verhältnis zwischen zwei messungen ist das Power das Quadrat der Amplitudensstärke ist (x 6.14) Dementsprechend ist die Power erheblich höher.

Sensitivität und Gewinn 

Die EEG Geräte wurden so eingestellt, dass sie eine genaue Schätzung der Amplituden der EEG Wellen erhalten. Diese Amplituden Messung basiert auf dem Vergleich des EEG Signals mit der Höhe eine Welle eines Kalibrierungssignals. Ihr Verstärker vollbringt seine Arbeit in Kategorien der Sensitivität und des Gewinns. Dementsprechend haben Verstärker bekannte Sensitivitäten die in einer festen Einheit in µV/mm bekannt sind (Eine höhere Sensitivität bedeutet geringere Verstärkung der Aufnahme) Damit wird ein Kalibrierungssignal von 50 mv eine Abschwächung der Welle um 7 mm bedeuten, da der Verstärker eine Sesitivität von 7 mv/mm besitzt. Also wird jedes Signal, das 4 mm hoch ist zu einer Amplitude von 28 mv (7 mm x 4 mv)(see Fisch, 1999, p45, 149). (Diese Ausführungen setzen voraus, dass das Kalibrierungssignal mit demselben Filter und den gleichen Gains gesetzt wurde. Sie müssen die Sensitivität verändern, wenn sie mit verschiedenen Altersgruppen arbeiten, weil Kinder eine sehr viel höhere Amplitude besitzen als Erwachsene. Sie müssen die Sensitivität herabsetzen und damit die Verstärkung mindern, wenn sie mit Kindern arbeiten.

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 [L1]Do we need a year, at least on first reference in this section? It is only text by fish and s in the reference list

The origin of the EEG Michel und Lynda Thompson

Pacemaker im Thalamus

Mehr als 100 Milliarden Neuronen befinden sich im Gehirn und 97% der neuronalen Verbindungen finden wir im Kortex, aber deren Aktivität wird moduliert von Pacemakern im Thalamus, dadurch wird der Einluss der thalamo kortikalen Verbindungen erheblich größer als es die geringe Anzahl der beteiligten Zellen vermuten lässt. Pacemaker im Thalamus produzieren unterschiedliche kortikale Rhythmen in Abhängigkeit davon, welche kortikalen Loops oder Schleifen sie aktivieren. Die Thalamus Zellen sind Relaiszellen, die sich entweder in einem aktiven Zustand (Relais oder Arbeitsmodus) befinden oder in einem standby (idling) Modus. Der standby oder idling Modus ist ein Zustand, in dem diese Zellen beispielsweise keinen kortikalen Input erhalten. Unter dieser Bedingung kommt es zu einer Hyperpolarisation dieser Zellen. Sie beginnen in einem oszillierenden Rhythmus zu feuern Anderson and Anderson (1968) vermuteten, dass thalamokortikale Zellen mittels Nervenfibern mit dem Kortex vebunden sind. Diese Fibern besitzen Zweige, die zu Interneuronen führen, die dann für eine Inhibitation der thalamischen Aktivität sorgen. Daraufhin erneuert sich der Zyklus, indem sich die Neuronen des Thalamus wieder in den exzitatorischen Zustand bewegen. Sie feuern dann erneut eine synchronisierte Salve von Nervenimpulsen, die sowohl zum Kortex als auch zu den thalamischen inhibitorischen Interneuronen gelangt. Wenn die Inhibition eine zehntel Sekunde dauert, wird die darauf folgende zyklische Exzitation bei 10 Entladungen pro Sekunde liegen und würde als Alpha Rhythmus registriert. Der Nukleus Retikularis (einer der Nuklei innerhalb des Thalamus) besitzt solche intrinischen Pacemaker und ist verantwortlich für die Schlafspindeln im EEG. Diese Art der Aktivität ist im Großen und Ganzen für die rhythmisch auftretende Hirnaktivität verantwortlich. Stermans Forschung mit Katzen bewies, dass sobald thalamokortikale Verbindungen getrennt werden, nur noch Delta Wellen im EEG zu sehen sind. Sowohl Theta, als auch Alpha und SMR verschwinden..

Unterbrechungen der rhytmischen Aktivität können als Folge von einem Input aus angrenzenden neuronalen Systemen die Arousal produzieren  als Desynchronisation erfolgen, teilweise durch "Aktivierung von cholinergen Projektionen des basalen Vorderhirns und des Hirnstamms sowie von Projektionen der Raphe Kerne und dem Locus Koeruleus ” (Fisch, p 14[L1] ). Zu verstehen, wie synchronisierte und desynchronisierte EEG Aktivität entsteht, ist der Schlüssel, um die Wirkung von Neurofeedback zu verstehen.

Lubar stellte fest: Veränderungen der kortikalen Schleifen, in Folge von Lernen, Emotionen, Motivation oder Neurofeedback, das dazu dient, diese Fähigkeiten zu fördern, verändert die Aktivität thalamischer Pacemaker, was dazu führt, dass deren intrinisch gesteuerte Feuerrate zu verändern.“ Er merkte an, dass eine Veränderung dieser intrinsischen Feuerrrate Veränderungen des Bewusstseinszustandes bedeutet. Während der Arbeit mit ADS Patienten ist das verändern dieser Feuerrrate normalerweise das Senken von Theta und das Anheben von SMR Frequenzen (Lubar, 1997 after Nunez)

Das unten aufgeführte Diagramm soll die korticothamalischen Kommunikationsbahnen verdeutlichen.

Grafik nach Sherman und Guillery. Danke an Barry Sterman

T = Thalamus;  AA = Ascending Afferents

C = Cortex; 6,5,4, are layers in the cortex;

BFA Basale Vorderhirn Verbindungen zum retikulären Nukleus des thalamusBSA = Hirnstamm Verbindungen

Genau über ‘A’ sehen wir ein Axon einer Pyramiden Zelle in Layer 6 zum thalamo sensorischen Relay Nukleus. Achten sie darauf, dass das Axon einen Zweig hat, der zum retikulären Nukleus des Thalamus führt, der seinerseits ein inhibitorisches Axon zum Thalamus besitzt, das die Aufgabe hat, das Feuern des Nukleus zu inhibitieren, den das Kortexaxon   begrenzt

Dieses Diagramm zeigt kortikothalamische Wechselwirkungen. Es werden zwei Prinzipien schematisch dargestellt: erstens,  “Area #1” des Kortex sendet Axone zum sensorischen Relay Nukleus des Thalamus Das kann den Thalamus dazu beeinflussen, aktiv zu werden und aufmerksam oder dazu, diese Aufmerksamkeit auf einen spezifischen sensorischen Input hin zu beenden. Zweitens, Area #1 (stellen wir uns vor, der Input  sei eventuell visuell) Kommunikationsbahnen zu T2 (einem Thalamischen Assoziations Nukleus) welcher als Antwort mit der kortikalen “Area #2,” in Verbindung tritt, die eine ganz andere Funktion als Area #1 besitzt. Das ist der Grund, warum ein Durchtrennen der kortikalen Verbindungen entlang der gepunkteten Linie zwischen Area #1 und Area #2 die Verbindungen zwischen beiden nicht unterbricht.

Kortikale elektrische Kommunikation

Macrokolumns

Die Pyramidenzellen und ihre sie umgebenden Unterstützungszellen (Sternzellen und Korbzellen) sind gruppenweise organisiert. Jede vertikale Reihe enthält hunderte von Pyramidenzellen. Die Reihen stehen parallel zueinander und rechtwinklig zur Kortexoberfläche. Viele angrenzende Gruppen könnten denselben afferenten axonalen Input erhalten und deshalb gleichzeitig feuern, um dadurch ein elektrisches Potential zu erzeugen, das man an der Kopfoberfläche messen kann. Jede Pyramidenzelle kann mehr als 100000 Synapsen haben. Tatsächlich braucht es mindestens 6 cm² Kortex mit synchroner Zellaktivität um eine aussagekräftige EEG Messung an der Kopfoberfläche zu erhalten. (Dyro, 1989). Die gemessene Amplitude wird abhängig bleiben von der Menge und der Art des Gewebes, das sich zwischen der Elektrode und dem Kortex befindet. Kinder besitzen beispielsweise dünnere Knochen und haben deshalb höhere Amplituden im EEG. Man muss verstehen, dass man aus dem EEG nicht erkennen kann, ob das Potential unter der Elektrode von inhibitorischen postsynaptischen Potentialen oder von exzitatorischen postsynaptischen Potenzialen stammt. Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass bei epileptischen Entladungen der Spike von Exzitation verursacht wird, die langsamen Wellen aber von Inhibition.

Resonante kortikale Schleifen

Kortikal zu Kortikal Verbindungen sind erheblich häufiger zu finden als thalamo-kortikale Verbindungen. Der EEG Rhythmus ist direkt abhängig vom thalamischen Einfluss und könnte ebenfalls von den + Verbindungen zwischen Gruppen von kortikalen Zellen stammen. (Traub et al., 1989).

Um die im EEG gemessene elektrische Aktivität zu verstehen, muss man in Rechnung bringen, dass einige Frequenzanteile damit zusammenhängen, dass es unterschiedliche Distanzen zwischen den Zellblöcken oder Columns innerhalb des Kortex zu überwinden gilt. Joel Lubar hat uns darüber einen aufschlussreichen Überblick gegeben. (Lubar, 1999). Er erklärt, dass diese Distanz einer der Faktoren ist, die die Frequenz des EEG, das wir messen, bestimmen. Subkortikale rhythmische Einflüsse, wie die, die vom Thalamus stammen, sind der andere, bestimmende Faktor. Vereinfach kann man es wie folgt betrachten:.

Der Kortex arbeitet mittels dreier großer Resonanzschleifen. Das sind::

1.       Lokal: Diese elektrische Loops oder Schleifen bestehen zwischen Makrokolumns die nahe beieinander stehen. Diese könnten für High Frequency (> 30Hz) Gamma Aktivität verantwortlich sein..

 

2.       Regional: Diese Schleife elektrischer Aktivität besteht zwischen Makrokolumns die mehrere Zentimeter voneinander entfernt liegen. Scheinbar sorgen diese Verbindungen für den mittleren Frequenzbereich: Alpha und Beta.

3.       Global fronto-parietal oder fronto occipital. Areale, die bis zu 7 cm voneinander entfernt sein können. Diese Schleifen produzieren langsamere Frequenzen im Delta- und Theta Bereich..

Alle drei Resonanzschleifen werden spontan aktiviert oder angeregt durch thalamische Pacemaker..

Klinischer Ratschlag

Wenn sie mit Klienten arbeiten ist es oft sehr hilfreich, wenn diese erkennen, dass ihr EEG durch Stimulation verändert wird. Man könnte sie veranlassen, die Augen zu schließen und wieder zu öffnen. Die Klienten können selbst beobachten, dass occipitales und manchmal auch zentrales Alpha durch visuelle Stimulation geblockt wird. Wenn man der schwankenden Aktivität des mu Rhythmus an C3 oder C4 Aufmerksamkeit schenkt, dann kann man durch Schließen der Faust auf der gegenüberliegenden Seite der beobachteten elektrischen Aktivität diesen Rhythmus blockieren. Es ist von großer Bedeutung für AD(H)S Kinder und deren Eltern, dass sie einmal bewusst beobachten, dass es zu einer Reduktion von Theta Aktivität und zu einem Anstieg der Beta Aktivität zwischen 16 und 18 Hz kommt, sowohl frontal als auch zentral, wenn sie eine Mathematik Aufgabe lesen, lösen und eine Antwort geben. Der Trainer kann während einer langweiligen Aufgabe das EEG laufen lassen und dem Kind ermöglichen den Anstieg der Theta und Alpha Frequenzen zu beobachten, dann kann er das EEG stoppen und den Klienten fragen, was im Innern geschehen ist und wie sich dieses im EEG darstellte. Die meisten Klienten berichten, dass sie während der Aufgabe geistig abdrifteten. Theta ist manchmal auch ein wichtiger Aktivitätszustand, er ist wichtig für das Erinnerungsvermögen. Schlecht ist dieser Zustand aber, wenn das ADHS Kind von alleine in diesen Frequenzbereich abdriftet und dort verharrt, während der Lehrer oder die Eltern seine Aufmerksamkeit wünschen. Wir unterstützen beim Neurofeedback die Regulationsfähigkeit der eigenen mentalen Zustände. Während der ersten Trainingssitzungen können solche Demonstrationen hilfreich sein, um dem Klienten erstmals zu zeigen, dass er in der Lage ist, die Gehirnaktivität zu steuern und dass diese Steuerung sich im gemessenen EEG zeigt.

Kommunikationsverbindungen

Es wurde bereits erwähnt, dass die meisten Aktivitäten des Gehirns und zwar 95% zwischen kortikalen Arealen oftmals in der gleichen Hemisphäre stattfinden.  Weniger als 5% betreffen die thalamo-kortikalen Verbindungen, trotzdem haben diese einen erheblichen Einfluss auf das, was wir im EEG beobachten. Steriade, in Ottawa, Canada, zeigte, dass selbst dann, wenn der Kortex abgetrennt wurde, weiterhin Kommunikationswege zwischen weit voneinander entfernten Regionen des bestanden (Steriade, 1990). Diese Kommunikation wird subkortikal organisiert vom Thalamus. Synchrone Aktivität stammt normalerweise von thalamischen Einflüssen. Sie kann aber auch mit kortikalen Lesionen oder epileptischer Aktivität in Zusammenhang stehen..

Das Übertragungssignal durch einen Volume Conductor erfolgt beinahe mit Lichtgeschwindigkeit. Beispiele solcher Volume Konduktoren sind z.B. das zerebrale spinal fluid (CSF), Hirngewebe, Knochen und Kopfhaut Also werden EEG Wellen, die im gleichen Moment an verschiedenen Messpunkten auftauchen, wahrscheinlich vom gleichen Generator erzeugt. Wenn es einen zeitlichen Abstand gibt, muss eine Synapse zwischengeschaltet sein und damit eine andere Zellformation. (Fisch, 1999, p 16)

Kortiko-kortikale Koppelung

Koppelung ist ein Begriff, der erst vor Kurzem in Mode gekommen ist. Koppelung bedeutet, dass zwei Objekte sich verbinden wie zwei Waggons eines Zuges. Man beginnt zu erkennen, dass für jeden unterschiedlichen mentalen Zustand eine jeweils optimale Koppelung zwischen verschiedenen Hirnarealen besteht.

Hypercoupling

Um Lubar zu zitieren: “Neokortikale Zustände im Zusammenhang mit starkem kortiko-kortikalem Coupling nennt man Hypercoupling. Sie werden mit globalen oder regionalen Resonanzzuständen in Verbindung gebracht. [L2] Hypercoupling bedeutet also, dass große Resonanzschleifen beteiligt sind. Biochemisch bedeutet das, dass der dominante Neurotransmitter bei dieser Art der Koppelung Serotonin ist. Hyperkoppelung ist bedeutsam bei Hypnose und Schlaf aber auch zur Visualisation. Hyperkoppelung wird aber auch mit nachlassender Aufmerksamkeit in Verbindung gebracht.

Hypocoupling

Hypocoupling wird in Zusammenhang gebracht mit kleinen regionalen und lokalen Schleifen und damit mit höheren Frequenzen. Biochemisch scheinen Acetylcholin, Noradrenalin und Dopamin als Botenstoffe dabei eine Rolle zu spielen. Hypocoupling soll wichtig sein für Informationsverarbeitung, komplexe mentale Aktivität und angehobene Aufmerksamkeit.

Normalerwiese benutzen wir NFB um Menschen zu einem besseren Hypocoupling zu verhelfen und damit die lokalen und regionalen Vernetzungen zu fördern um die Fähigkeit zu höherer Aufmerksamkeit und besserem Lernen zu verbessern. Obwohl die von uns gemessene Aktivität des Gehirns kortikaler Herkunft ist, wird die Regulation dieser Aktivität hauptsächlich von subkortikalen Strukturen kontrolliert, normalerweise von den Verbindungen zwischen Thalamus und Makrokolumnen kortikaler Zellen.

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 [L1]Do we need a year, here, too?

 [L2]Unless Lubar’s text included the bolding.