Elektrophysiologie

© Kevin Whittingstall/Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik / MW

Die Hirnforschung nutzt verschiedene wissenschaftliche Methoden. Hier stellen wir Ihnen zentrale Arbeitstechniken vor. Zum Beispiel die Elektrophysiologie.

Wissenschaftliche Betreuung: Reto Weiler

Veröffentlicht: 29.02.2016

Das Wichtigste in Kürze
  • Die Nervenzellen produzieren elektrische Signale, die durch die Schädeldecke gemessen und auch beeinflusst werden können.
  • Die wichtigsten Verfahren sind EEG, MEG und TMS. Das EEG registriert die Veränderung elektrischer Felder, das MEG registriert magnetische Felder, TMS beeinflusst das Gehirn mit Magnetfeldern.
  • Alle Methoden können die Hirnaktivität messen, ohne den Schädel zu öffnen.
  • Die unterschiedlichen Aktivitätsmuster, die mit diesen Methoden gemessen werden, geben Hinweise auf Erkrankungen oder Funktionsstörungen des Gehirns.
  • Verschiedene Methoden, das Gehirn zu beobachten, können kombiniert werden.
  • Versuche, das Gehirn durch Strom zu beeinflussen, werden auch zur Leistungssteigerung verwendet. 

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Nicht nur wenn wir aufgeregt oder gespannt sind, stehen wir buchstäblich unter Strom. Elektrisch ist, neben Chemisch, die Hauptsprache unserer Nervenzellen. Erfährt ein Neuron einen Reiz, ändert sich die elektrische Spannung an der Membran und Millionen positiv geladener Natriumionen strömen durch spezielle Kanäle in die Zelle hinein. So entsteht ein Stromstoß, der als Aktionspotenzial bezeichnet wird und sich durch das Neuron fortpflanzt. Eine Nervenzelle für sich allein produziert nur einen sehr schwachen Strom. Doch wenn Millionen von ihnen aktiv sind, kann ihre elektrische Aktivität auch durch die Schädeldecke hindurch gemessen werden.

In der experimentellen Elektrophysiologie benutzen Forscher solche Messungen, um besser zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert, in der klinischen Elektrophysiologie geht es darum, Erkrankungen des Gehirns zu diagnostizieren und zu behandeln. Die wichtigsten Methoden sind die Elektroenzephalografie (EEG), die Magnetenzephalografie (MEG) und die Transkranielle Magnetsimulation (TMS).

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Aktionspotenzial

Aktionspotenzial/-/action potential

In erregbaren Zellen (z. B. Neuronen oder Muskelzellen) findet man sehr schnelle Änderungen des elektrischen Potenzials über der Zellmembran. Dieses Ereignis ist die Grundlage für die Informationsleitung entlang des Axons der Nervenzelle. Das Aktionspotenzial setzt sich entlang der Zellmembran fort und entsteht nach dem Alles-​oder-​Nichts-​Prinzip nur dann, wenn die Zelle ausreichend stark erregt wurde.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Funktionsweise

EEG

Bei der Elektroenzephalografie (EEG) werden, meist mithilfe einer Haube, Elektroden auf dem Kopf platziert, die die elektrischen Signale registrieren, die von der Aktivität der Neuronen unter der Schädeldecke nach außen dringen. Die Messung wird entweder für jede Elektrode einzeln oder für eine Zusammenschaltung mehrerer Elektroden als Kurve aufgezeichnet. Alle Kurven einer Messung zusammen heißen Elektroenzephalogramm.

Aus der Form der Kurven, ihrer Frequenz und der Höhe ihres Ausschlags können Forscher und Ärzte Rückschlüsse auf die Aktivität des gesunden Gehirns aber auch auf Funktionsstörungen oder Veränderungen ziehen. Ein EEG kann im Ruhezustand gemessen werden, aber auch während einer bestimmten Aktivität, etwa beim Betrachten von Bildern, beim Sport oder im Schlaf.

In seltenen Fällen werden Elektroden auch direkt auf das Gehirn gelegt. Bei diesem, Elektrokortikogramm genannten Verfahren, ist die Messung genauer als bei der durch den Schädelknochen. Sie wird meist angewandt, wenn vor einer Gehirnoperation die Lage einer erkrankten Region sehr genau bestimmt werden muss.

MEG

Wo Strom fließt, entstehen Magnetfelder. Die Magnetenzephalografie misst die Magnetfelder, die durch die elektrische Aktivität des Gehirns entstehen. Anders als beim EEG werden diese nicht mit Elektroden, sondern mit bis zu 300 Magnetfeldsensoren aufgenommen. Diese befinden sich in einer Art überdimensionalem Helm, in den der sitzende oder liegende Patient seinen Kopf hält. Wie beim EEG besteht das Ergebnis in Kurven, die von Ärzten oder Forschern interpretiert werden.

TMS

Während EEG und MEG messen, was im Gehirn geschieht, ist die Transkranielle Magnetstimulation dazu da, die Aktivität des Gehirns zu beeinflussen. Dazu wird eine Magnetspule an den Kopf angelegt, die für Sekundenbruchteile ein Magnetfeld erzeugt, bei der repetitiven TMS auch eine ganze Salve von Magnetpulsen. Diese dringen durch den Schädelknochen und lassen im Gehirn einen elektrischen Strom entstehen, der in den Neuronen des stimulierten Bereichs Aktionspotenziale auslöst. Dadurch wir die natürliche Aktivität der betreffenden Hirnregion für kurze Zeit gestört. Geschieht dies zum Beispiel im motorischen Cortex, löst die Aktivierung ein Muskelzucken aus.

EEG

Elektroencephalogramm/-/electroencephalography

Bei dem Elektroencephalogramm, kurz EEG handelt es sich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (Hirnströme). Die Hirnströme werden an der Kopfoberfläche oder mittels implantierter Elektroden im Gehirn selbst gemessen. Die Zeitauflösung liegt im Millisekundenbereich, die räumliche Auflösung ist hingegen sehr schlecht. Entdecker der elektrischen Hirnwellen bzw. des EEG ist der Neurologe Hans Berger (1873−1941) aus Jena.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Aktionspotenzial

Aktionspotenzial/-/action potential

In erregbaren Zellen (z. B. Neuronen oder Muskelzellen) findet man sehr schnelle Änderungen des elektrischen Potenzials über der Zellmembran. Dieses Ereignis ist die Grundlage für die Informationsleitung entlang des Axons der Nervenzelle. Das Aktionspotenzial setzt sich entlang der Zellmembran fort und entsteht nach dem Alles-​oder-​Nichts-​Prinzip nur dann, wenn die Zelle ausreichend stark erregt wurde.

Einsatzgebiete

EEG

Veränderte EEG-​Muster und Einzelereignisse, die sich von der üblichen Aktivität des Gehirns abheben, können Aufschluss über verschiedene Erkrankungen geben. Heute wird das EEG vor allem zur Diagnose von Epilepsie, Entwicklungsstörungen des Gehirns oder neurodegenerativen Erkrankungen verwendet. Es kommt bei der Untersuchung von Schlafstörungen zum Einsatz. Auch psychische Erkrankungen können zu veränderten EEG-​Mustern führen. Mit dem EEG kann man zudem die Tiefe einer Narkose messen; stellt das EEG keine Hirnaktivität fest, ist dies ein Indikator für den Hirntod. Forscher interessieren sich insbesondere für Korrelationen zwischen unterschiedlichen EEG-​Mustern und mentalen Zuständen wie Aufmerksamkeit, Handlungsentscheidungen oder Traum.

MEG wird vor allem bei Menschen angewandt, die an einer Epilepsie leiden, welche an eingrenzbaren Stellen des Gehirns entsteht und bei der Medikamente nicht wirken. Mithilfe des MEG werden vor einer Hirnoperation die betroffenen Stellen möglichst genau eingegrenzt.

TMS wird in der Medizin zur Diagnose von Erkrankungen wie Multipler Sklerose, Schlaganfall, Epilepsie oder Migräné eingesetzt. Dabei messen Ärzte durch die elektromagnetische Stimulation, ob die Reizweiterleitung normal oder verzögert funktioniert und auf welche Impulsstärke das Gehirn reagiert. Die therapeutische Verwendung der TMS steht noch in den Anfängen und wird derzeit für Depressionen und Schizophrenie, Parkinson und Multiple Sklerose erprobt.

Einzelne Studien konnten auch belegen, dass die kognitive Leistungsfähigkeit in eng umschriebenen Bereichen, etwa dem Rechnen, steigt, wenn Strom durch den Neocortex geleitet wird. Eine wachsende Gemeinde von Bodyenhancern versucht seither, ihre Denkfähigkeit mit zum Teil selbst gebauten Geräten zu verbessern Mensch-​Maschine-​Kommunikation: so geht’s.

EEG

Elektroencephalogramm/-/electroencephalography

Bei dem Elektroencephalogramm, kurz EEG handelt es sich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (Hirnströme). Die Hirnströme werden an der Kopfoberfläche oder mittels implantierter Elektroden im Gehirn selbst gemessen. Die Zeitauflösung liegt im Millisekundenbereich, die räumliche Auflösung ist hingegen sehr schlecht. Entdecker der elektrischen Hirnwellen bzw. des EEG ist der Neurologe Hans Berger (1873−1941) aus Jena.

Neurodegeneration

Neurodegeneration/-/neurodegeneration

Sammelbegriff für Krankheiten, in deren Verlauf Nervenzellen sukzessive ihre Struktur oder Funktion verlieren, bis sie teilweise sogar daran zugrunde gehen. Vielfach sind falsch gefaltete Proteine der Auslöser – wie etwa bestimmte Formen der Eiweiße Beta-​Amyloid und Tau im Falle von Alzheimer. Bei anderen Krankheiten, beispielsweise bei Parkinson oder Chorea Huntington, werden Proteine innerhalb der Neurone nicht richtig abgebaut. In der Folge lagern sich dort toxische Aggregate ab, was zu den jeweiligen Krankheitserscheinungen führt. Während Chorea Huntington eindeutig genetisch bedingt ist, scheint es bei Parkinson und Alzheimer allenfalls bestimmte Ausprägungsformen von Genen zu geben, welche ihre Entstehung begünstigen. Keine dieser neurodegenerativen Erkrankungen kann bisher geheilt werden.

Schlafstörungen

Schlafstörung/-/sleep disorder

Ein Sammelbegriff für verschiedene Phänomene, die sich dadurch auszeichnen, dass die Betroffenen keinen erholsamen Schlaf haben. Hierzu können sowohl psychische als auch organische Ursachen beitragen. Die Symptome reichen von Problemen beim Einschlafen und Durchschlafen bis hin zu unerwünschten Verhaltensweisen im Schlaf wie etwa Schlafwandeln, ruhelose Beine beim Einschlafen („restless legs“), Atemaussetzer im Schlaf („Schlafapnoe“) etc. Schätzungen zufolge leiden in den westlichen Ländern bis zu 30 Prozent aller Erwachsenen an irgendeiner Form von Schlafstörung. Die Suche nach den Ursachen ist häufig kompliziert, eine Analyse im Schlaflabor die beste Untersuchungsmethode.

Depression

Depression/-/depression

Phasenhaft auftretende psychische Erkrankung, deren Hauptsymptome die traurige Verstimmung sowie der Verlust von Freude, Antrieb und Interesse sind.

Multiple Sklerose

Multiple Sklerose/Encephalomyelitis disseminata/multiple sclerosis

Eine häufige neurologische Krankheit, die vorwiegend im jungen Erwachsenenalter auftritt. Aus noch ungeklärtem Grund greifen körpereigene Zellen die Myelinscheiden der Nervenzellen an und zerstören diese. Das kann im gesamten zentralen Nervensystem geschehen, weshalb zwei verschiedene Multiple-​Sklerose-​Patienten an ganz unterschiedlichen Symptomen leiden können. Besonders häufig sind Sehstörungen und Taubheitsgefühle in den Gliedmaßen.

Neocortex

Neocortex/-/neocortex

Der Neocortex ist der stammesgeschichtlich jüngste Teil der Großhirnrinde. Da er relativ gleichförmig in sechs Schichten aufgebaut ist, spricht man auch vom Isocortex.

Historie

Schon 200 v. Chr. empfahl der römische Arzt Galen, sich zur Behandlung von Kopfschmerzen einen lebenden Zitterrochen an den Kopf zu halten. Ebenfalls eher grobe Experimente werden von dem Physiker Jacques-​Arsèné d’Arsonval berichtet, der Ende des 19.Jh. mit Starkstromspulen bei sich und seinen Probanden lebhafte Lichtphänomene aber auch Kreislaufbeschwerden und Schwindelattacken auslöste. Die moderne TMS wurde Mitte der 1980er Jahre von Anthony Barker in Sheffield entwickelt.
Das EEG geht auf Arbeiten des deutschen Psychiaters Hans Berger zurück, der Mitte der 1920er Jahre als erster so genannte „Hirnwellen“ registrierte und damit einen regelrechten Boom in der Hirnforschung auslöste.
Die Magnetenzephalografie wurde in den späten 1960er Jahren am Massachusetts Institute of Technology entwickelt.

EEG

Elektroencephalogramm/-/electroencephalography

Bei dem Elektroencephalogramm, kurz EEG handelt es sich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (Hirnströme). Die Hirnströme werden an der Kopfoberfläche oder mittels implantierter Elektroden im Gehirn selbst gemessen. Die Zeitauflösung liegt im Millisekundenbereich, die räumliche Auflösung ist hingegen sehr schlecht. Entdecker der elektrischen Hirnwellen bzw. des EEG ist der Neurologe Hans Berger (1873−1941) aus Jena.

Vor– und Nachteile

Bis auf wenige Ausnahmen sind EEG und MEG nicht-​invasive Verfahren, das heißt, der Schädel muss für die Untersuchung nicht geöffnet werden. TMS ist ein invasives Verfahren insofern die Magnetfelder durch den Schädel dringen, doch auch hierfür muss dieser nicht geöffnet werden. EEG und MEG gelten als weitestgehend nebenwirkungsfrei. Wenn bei Untersuchungen Lichtblitze oder andere Provokationsmethoden verwendet werden, um bestimmten Erkrankungen auf die Spur zu kommen, können bei Patienten mit der entsprechenden Veranlagung in seltenen Fällen epileptische Anfälle ausgelöst werden.

Die zeitliche Auflösung des EEG ist sehr gut, die räumliche liegt dagegen im Bereich von Zentimetern. Die zeitliche Auflösung des MEG ist noch besser als die des EEG und liegt bei weniger als einer Millisekunde. Zugleich ist die Messung wegen der höheren Anzahl der Sensoren genauer als beim EEG.

Da die Magnetfelder des Gehirns sehr schwach sind und leicht von Magnetfeldern aus der Umgebung gestört werden, ist das MEG ein schwierigeres Verfahren als das EEG und erfordert Geräte, die in Anschaffung und Betrieb bislang sehr teuer und entsprechend nur an wenigen Kliniken zu finden sind.

TMS gilt als relativ nebenwirkungsfrei. Die häufigsten unter den beschriebenen Nebenwirkungen sind Kopfschmerzen, sehr selten können auch epileptische Anfälle ausgelöst werden. Was geschieht, wenn hirnstimulierende Techniken häufiger oder dauerhaft angewandt werden, ist nicht bekannt, weshalb Forscher dringend von einschlägigen privaten Experimenten abraten. Ein Nachteil von TMS ist ihre schlechte räumliche Auflösung: Man kann mit den Spulen schlecht zielen.

EEG

Elektroencephalogramm/-/electroencephalography

Bei dem Elektroencephalogramm, kurz EEG handelt es sich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (Hirnströme). Die Hirnströme werden an der Kopfoberfläche oder mittels implantierter Elektroden im Gehirn selbst gemessen. Die Zeitauflösung liegt im Millisekundenbereich, die räumliche Auflösung ist hingegen sehr schlecht. Entdecker der elektrischen Hirnwellen bzw. des EEG ist der Neurologe Hans Berger (1873−1941) aus Jena.

Kombinationsmöglichkeiten

Soll eine Hirnregion sehr genau lokalisiert werden, müssen EEG und MEG mit anderen Verfahren, etwa dem fMRT, kombiniert werden. Auch Tumore oder Hirnverletzungen können mit bildgebenden Verfahren präziser lokalisiert werden.
Veränderungen, die durch TMS ausgelöst werden, können wiederum durch EEG protokolliert werden.
Der Mensch kann lernen, die via EEG abgeleiteten Signale durch Konzentration oder bestimmte Vorstellungsbilder bewusst zu verändern – und mit ihrer Hilfe dann Computerprogramme oder Geräte steuern. Das EEG wird so zur Hirn-​Computer-​Schnittstelle.

EEG

Elektroencephalogramm/-/electroencephalography

Bei dem Elektroencephalogramm, kurz EEG handelt es sich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (Hirnströme). Die Hirnströme werden an der Kopfoberfläche oder mittels implantierter Elektroden im Gehirn selbst gemessen. Die Zeitauflösung liegt im Millisekundenbereich, die räumliche Auflösung ist hingegen sehr schlecht. Entdecker der elektrischen Hirnwellen bzw. des EEG ist der Neurologe Hans Berger (1873−1941) aus Jena.

Ausblick

Die Elektrophysiologie erweitert die therapeutischen Möglichkeiten und unser Verständnis des Gehirns. Zugleich hängt sie selbst stark von diesem Verständnis und von den Fortschritten der Mess-​, Elektroden– und Spulentechnik ab. Mit den zunehmenden Möglichkeiten, das Gehirn zu beeinflussen, steigt die Verantwortung, diese sinnvoll zu handhaben.

Votes with an average with

Autor

Wissenschaftliche Betreuung

Lizenzbestimmungen

Dieser Inhalt ist unter folgenden Nutzungsbedingungen verfügbar.

BY-NC: Namensnennung, nicht kommerziell