Uli Monzel Universität des Saarlandes FR 5.3 Psychologie Seminar: Elektrophysiologie kognitiver Prozesse Dozentin: Nicola Ferdinand

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1 Uli Monzel Universität des Saarlandes FR 5.3 Psychologie Seminar: Elektrophysiologie kognitiver Prozesse Dozentin: Nicola Ferdinand

2 Definition EKP Extraktion von Komponenten aus dem EEG Identifikation der Komponenten Probleme bei der Interpretation Interpretationshilfen Fazit

3 Unter ereigniskorrelierten Potenzialen (EKP) verstehen wir alle elektrokortikalen Potenziale oder Magnetfelder, die vor, während oder nach einem sensorischen, motorischen oder psychischen Ereignis im EEG messbar sind. (Birbaumer/Schmidt 2006)

4 Zu messende Komponenten haben nur geringe Amplitude (1-30 µv) Komponenten werden von restlicher Gehirnaktivität überlagert Problemstellung: Das EKP muss irgendwie sichtbar gemacht werden.

5 Mittelungstechnik Grundannahme: Elektrokortikale Reaktion auf einen Reiz läuft immer gleich ab. Das Rauschen (Hintergrundaktivität) verläuft zufällig. EKPs addieren sich Amplituden werden deutlicher Dagegen verringert sich das Rauschen (tendiert gegen Null): (1/ N) X R Anzahl der Durchgänge Rauschintensität

6 Größere Anzahl an Durchgängen besseres Signal/Rausch-Verhältnis Aber: Verbesserung des Verhältnisses nur um den Faktor N Z.B.: Messung einer P300 mit Amplitude 20 µv, gleichzeitiges Rauschen mit Amplitude 50 µv Signal/Rausch-Verhältnis =.4 Um Verhältnis zu verdoppeln: 4 weitere Durchgänge (0.4 x 4); 4-mal besseres Verhältnis: 16 weitere Durchgänge usw. Sinnvoller: Signal vorher von Rauschen befreien als immer mehr Durchgänge durchzuführen

7 Nach Mittelung liegt komplexe Aufeinanderfolge verschiedener Wellen vor Repräsentation verschiedener psych. Vorgänge Extraktion der uns interessierenden Komponenten nötig

8 Gipfel-zu-Gipfel-Analyse Amplituden verschiedener aufeinanderfolgender Potenzialgipfel werden identifiziert (z.b.: Zeitraum von der N100 bis zur P200) Variation dieser Amplituden durch experimentelle Bedingungen ist wichtigste Informationsquelle Aber: Sind die Ausschläge wirklich durch mehrere psychologische Prozesse verursacht worden, oder sind sie z.b. eine Nachschwankung?

9 Principal-component-Analyse (PCA) Treten bestimmte Amplitudenvariationen bei verschiedenen Tieren/Menschen in bestimmten Zeiträumen immer wieder auf, nimmt man eine Komponente an. Mit Hilfe der PCA werden solche Gemeinsamkeiten gesucht Suche nach Variationen zwischen den Elektroden Hinweise auf räumlichen Ursprung des Signals Suche nach Variationen zwischen verschiedenen Experimentaldurchgängen Hinweise auf zu Grunde liegende psych. Prozesse Allgemein: Je mehr Elektroden, desto genauer das Ergebnis

10 Analysemethoden liefern lediglich Auswertung der Varianz innerhalb des Signals Weitere Interpretation durch den VL nötig

11 Interpretation der EKPs baut auf geringer Variabilität auf Ständige Grundannahme: EKPs verlaufen in allen Fällen (nahezu) identisch Problem: Das zeitliche Auftreten variiert allerdings schon Dies wirkt sich auf die zu interpretierenden Amplituden aus! Ein Beispiel

12 Eine fiktive EEG-Komponente, die in vier Trials zu vier unterschiedlichen Zeitpunkten auftritt Trial 1 Trial 2 Trial 3 Trial 4 Zeitachse

13 Die Mittelung der Durchgänge erbringt: Mittel Zeitachse Trial 1 Trial 2 Trial 3 Trial 4

14 Bewertung der gemessenen Daten wird verzerrt Gemittelte Kurve: Hat geringere Steigung Hat geringere Amplitude Verläuft über zu großen Zeitbereich Treten die EKPs bei vier neuen Trials zu wieder anderen Zeiten, verändert sich das Mittel erneut Interpretation schwierig Falsche Interpretation von Unterschieden zwischen Versuchsgruppen

15 Ein drastischeres Beispiel Hier würden die EKPs nach der Mittelung Gegen 0 tendieren Effekte verschwinden

16 Messung der Fläche Wie gesehen schwankt die Höhe der Amplituden durch die Mittelung nach zeitlich versetztem Auftreten Bewertung des Effekts nicht anhand der Amplitude Betrachtung der Fläche der Kurve

17 Mittel Trial 1 Trial 2 Trial 3 Trial 4 Zeitachse Amplitude variiert mit dem Verschieben der ursprünglichen Kurven, die Fläche bleibt aber immer gleich

18 Probleme der Flächenuntersuchung wenn sich mehrere Komponenten überlagern welche Fläche gehört zu welcher Komponente? wenn Komponente positive und negative Ausschläge umfasst Fläche kann sich gegen Null addieren Information geht verloren

19 Ein weiteres Problem: Zeitliches Auftreten der EKPs kann auch von unterschiedlicher Reaktionszeit der Vpn beeinflusst werden zusätzliche Variabilität Lösung: Zeitfenster, das untersucht wird, beginnt nach der Antwort, nicht nach dem Stimulus gebräuchliche Methode

20 Woody-Filter-Technik Nutzen einer prototypischen Form einer EKP- Komponente Jeder einzelne Durchgang wird nach einer möglichst ähnlichen Wellenform durchsucht Nur dieser Abschnitt wird jeweils zur Mittelung benutzt Ausschluss von möglicher zeitlicher Variabilität

21 Prototypische Wellenform Ähnlicher Ausschnitt im EEG

22 Woody-Filter-Technik Nachteile: Abhängig vom Signal-Rausch-Verhältnis Wie sicher ist die Komponente zu finden? Die passendste Komponente ist nicht unbedingt die Komponente, die untersucht werden soll Falsche Interpretation von Amplitude etc. Man sucht Gemeinsamkeiten Experimentelle Ergebnisse äußern sich in aber in Variation Ergebnisse gehen verloren Funktioniert trotzdem gut bei eindeutigen Komponenten und geringem Rauschen

23 Spektralanalyse des EEG EEG-Signal wird mit Fourier-Analyse in einzelne Frequenzbänder zerlegt Aktivitäten des EEGs werden auf bestimmten Frequenzbändern (z.b. 10 Hz, 15 Hz, etc.) betrachtet Unabhängig von Form und auftreten der EKPs

24 Spektralanalyse des EEG

25 Spektralanalyse des EEG Vermeidung der beschriebenen Probleme bei der Mittelung des EEG-Signals Aber: kurzfristige Änderungen nur schwer zu erkennen Zeitliche Komponente und Ablauf der zu untersuchenden Komponenten wird nicht betrachtet Gleichzeitige Betrachtung des Original-EEGs sinnvoll

26 Reaktionen auf Stimuli können sich überlagern Stimulus 1 Stimulus 2 Stimulus 3 Stimulus 4 Interpretation wird verzerrt Stimuli sollten in geeignetem Abstand präsentiert werden Oder: Pause nach jedem Durchgang

27 Interpretation der EKPs beeinflusst durch zahlreiche Einflüsse Z.T. hohe Variabilität bei der Deutung von EEG- Daten Bedingungen müssen auf viele Arten und Einflüsse hin kontrolliert werden Abwägung der Auswertungstechnik wichtig Störvariablen (z.b. Rauschen) besser bereits im Vorfeld ausschalten

28 Danke für die Aufmerksamkeit!

29 Luck, S.J. (2005): An introduction to the eventrelated potential technique, Cambridge: MIT Press, p Rugg, M.D., Coles, M.G.H. (2002): Electrophysiology of mind, Oxford: Oxford University Press, p Birbaumer, N., Schmidt, R.F. (1999): Biologische Psychologie, Berlin: Springer, p Luck, S.J. (2005): An introduction to the eventrelated potential technique, Cambridge: MIT Press, p