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Analyse ereignisbezogener Gehirnsignale

Arbeitsgruppe 8.42

Mittels Elektroenzephalogramm (EEG) und Magnetoenzephalogramm (MEG) (Arbeitsgruppe 8.21) lassen sich Aufschlüsse über Prozesse der Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn gewinnen. Hierzu werden im Rahmen neurophysiologischer Studien ereignisbezogene Hirnsignale im aufgenommenen EEG/MEG analysiert, die z.B. durch Darbietung visueller oder akustischer Reize hervorgerufen werden.

Die Analyse solcher ereignisbezogenen Signale wird allerdings durch überlagerte  Signale der spontanen Hirnaktivität sowie durch externe Störquellen erschwert. Um ausreichende Signal-zu-Rauschverhältnisse zu erhalten, werden daher gewöhnlich Mittelungsverfahren angewendet. Dies berücksichtigt allerdings nicht die Variabilität zwischen einzelnen ereignisbezogenen Signalen. Zur Vermeidung dieses Informationsverlustes ist die Analyse einzelner ereignisbezogener Signale notwendig. Die wesentlichen Herausforderungen einer solchen Analyse sind das geringe Signal-zu-Rauschverhältnis sowie die Tatsache, dass das Frequenzspektrum der überlagerten, spontanen Aktivität im EEG/MEG mit dem der zu analysierenden Signale stark überlappt.

Gegenstand aktueller Arbeiten an der PTB ist die Bestimmung von Amplitude und Latenz einzelner ereignisbezogener Hirnsignale. Dies kann durch geeignete Bandpassfilterung und Anwendung der Hilbert-Transformation erfolgen, wobei der relevante spektrale Anteil eines ereignisbezogenen Signals in die zwei unabhängigen Signale Einhüllende und Phase zerlegt wird. Von diesen beiden Signalen können dann Amplitude und Latenz bestimmt werden.

Zerlegung gemittelter akustisch stimulierter MEG Signale in Einhüllende und Sinusphasensignal für zwei unterschiedliche Tonfrequenzen.
Abb. 1 : Zerlegung gemittelter akustisch stimulierter MEG Signale in Einhüllende und Sinusphasensignal für zwei unterschiedliche Tonfrequenzen.

 

Abbildung 1 illustriert das Bandpass-Verfahren für gemittelte, ereignisbezogene Signale eines MEG, die durch Darbietung von Tönen der Frequenzen 125 Hz und 1000 Hz ausgelöst wurden. Dargestellt sind die gemittelten, ereignisbezogenen Signale getrennt nach den beiden Tonfrequenzen und die daraus abgeleiten Signale von Einhüllender und Sinusphase. Aus dem Verlauf der Sinusphasensignale im Zeitintervall 100 ms bis 150 ms nach Darbietung der einzelnen Tonsignale kann die Latenzverschiebung der beiden Signale gegeneinander bestimmt werden.



Die Bestimmung von Parametern einzelner ereignisbezogener Hirnsignale kann durch räumliche Filterung deutlich verbessert werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass bei EEG/MEG Messungen üblicherweise einer Vielzahl von räumlich verteilten Sensoren verwendet wird. Ziel der räumlichen Filterung ist, die Signale von störenden Quellen (z.B. spontane Hirnaktivität) weitgehend zu unterdrücken, wobei die interessierenden ereignisbezogenen Signale möglichst unverändert bleiben sollen.

Anwendung der Filterverfahren auf ungemittelte ereignisbezogene Signale. Die orangefarbene Linie zeigt jeweils den gemittelten Verlauf an.
Abb. 2 : Anwendung der Filterverfahren auf ungemittelte ereignisbezogene Signale. Die orangefarbene Linie zeigt jeweils den gemittelten Verlauf an.

 

Abbildung 2 zeigt anhand einzelner ungemittelter ereignisbezogener Signale eines ausgewählten MEG Kanals die Auswirkung der verwendeten Filterverfahren. Das räumliche Filter wurde aus 93 MEG Kanälen mittels Noise Adjusted Principal Component Analysis (NAPCA) konstruiert. Durch die räumliche Filterung wird eine deutliche Reduzierung störender Signalkomponenten erzielt, so dass die einzelnen ereignisbezogenen Hirnantworten sichtbar werden.

Latenzen einzelner ereignisbezogener Hirnsignale nach akustischer Stimulation mit zwei unterschiedlichen Tonfrequenzen.
Abb. 3 : Latenzen einzelner ereignisbezogener Hirnsignale nach akustischer Stimulation mit zwei unterschiedlichen Tonfrequenzen.

   

Die Ergebnisse der Latenzbestimmung von einzelnen ereignisbezogenen Hirnsignalen nach akustischer Stimulation mit zwei unterschiedlichen Tonfrequenzen sind in Abbildung 3 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen einen Latenzunterschied zwischen den beiden durch die verwendeten Tonfrequenzen definierten Stimulationsklassen. Nach räumlicher Filterung ist dieser Unterschied bereits anhand der (verbessert geschätzten) Latenzen der einzelnen ereignisbezogenen Hirnsignale deutlich erkennbar.

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Publikationen

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Artikel

Titel: Tonic neuronal activation during simple and complex finger movements analyzed by DC-magnetoencephalography
Autor(en): S. Leistner, G. Wübbeler, L. Trahms, G. Curio and B. M. Mackert
Journal: Neuroscience letters
Jahr: 2006
Band: 394
Ausgabe: 1
Seite(n): 42--7
DOI: 10.1016/j.neulet.2005.10.004
ISSN: 0304-3940
Web URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304394005011523
Schlüsselwörter: Adult,Brain Mapping,Evoked Potentials, Somatosensory,Evoked Potentials, Somatosensory: physiology,Evoked Potentials, Somatosensory: radiation effect,Female,Fingers,Fingers: physiology,Functional Laterality,Functional Laterality: physiology,Humans,Magnetoencephalography,Male,Motor Cortex,Motor Cortex: physiology,Motor Cortex: radiation effects,Movement,Movement: physiology,Movement: radiation effects,Psychomotor Performance,Psychomotor Performance: physiology,Psychomotor Performance: radiation effects,Somatosensory,Somatosensory: physiology,Somatosensory: radiation effect
Marker: 8.42, Gehirn
Zusammenfassung: Functional neuroimaging techniques map neuronal activation indirectly via local concomitant cortical vascular/metabolic changes. In a complementary approach, DC-magnetoencephalography measures neuronal activation dynamics directly, notably in a time range of the slow vascular/metabolic response. Here, using this technique neuronal activation dynamics and patterns for simple and complex finger movements are characterized intraindividually: in 6/6 right-handed subjects contralateral prolonged (30 s each) complex self-paced sequential finger movements revealed stronger field amplitudes over the pericentral sensorimotor cortex than simple movements. A consistent lateralization for contralateral versus ipsilateral finger movements was not found (4/6). A subsequent sensory paradigm focused on somatosensory afferences during the motor tasks and the reliability of the measuring technique. In all six subjects stable sustained neuronal activation during electrical median nerve stimulation was recorded. These neuronal quasi-tonic activation characteristics provide a new non-invasive neurophysiological measure to interpret signals mapped by functional neuroimaging techniques.

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