Warum EEG/EKP? JA NEIN JA NEIN NEIN. Einprägephase. Wiedererkennen. Bertram Opitz, UdS

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1 Warum EEG/EKP? JA NEIN JA NEIN NEIN Einprägephase Wiedererkennen JA Bertram Opitz, UdS

2 Subsequent Memory Effect Kann man beim Einprägen erkennen, an welche Gesichter man sich später erinnert? Einprägephase später erinnert später nicht erinnert Bertram Opitz, UdS

3 Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) und der Thought Translation Device Niels Birbaumer Bertram Opitz, UdS

4 Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) und der Thought Translation Device Niels Birbaumer Bertram Opitz, UdS

5 Warum EEG/EKP? Online-Maß kein offenes Verhalten notwendig hohe zeitliche Auflösung Teilaspekte der Informationsverarbeitung aufgrund qualitativ unterschiedlicher Hirnaktivierungen Bertram Opitz, UdS

6 Hans Berger (1929): Über das Elektroenzephalogramm des Menschen Bertram Opitz, UdS

7 Typen der EEG-Aktivität Hans Berger (1924 / 1929): elektrische Potentiale auf der Kopfhaut messbar rhythmische Änderungen typische Größen: Spannungen: 1 µv 200 µv Frequenzen: 0.5 Hz 100 Hz zeitliche Auflösung: 1 ms Bertram Opitz, UdS

8 Typen der EEG-Aktivität Bertram Opitz, UdS

9 Typen der EEG-Aktivität Spontanaktivität δ -Band.5 4 Hz Tiefschlaf θ -Band 5 7 Hz dösender Wachzustand α -Band 8 13 Hz β - Band Hz γ - Band Hz entspannter Wachzustand mental aktivierter Zustand Bertram Opitz, UdS

10 Typen der EEG-Aktivität Bertram Opitz, UdS

11 Typen der EEG-Aktivität Spontanaktivität Ereignis-korrelierte Aktivität Potentialverschiebungen des EEG, die wiederholbar und mit gleicher zeitlicher Charakteristik exakt definierten Ereignissen vorangehen oder nachfolgen. EKP vs. EP? Evoziertes Potential als Fall des EKP, Reaktion auf einen sensorischen Stimulus Bertram Opitz, UdS

12 Messung = Signal (EKP) + Störsignal Bertram Opitz, UdS

13 Signalextraktion spontan EEG (Rauschen) um den Faktor 5-20 größer als EKP's (Signal) Idee: Reaktion Reiz-Signal ist zeitgebunden also: Latenz und Amplitude konstant Mittelungsverfahren (averaging) zur Rauschunterdrückung Bertram Opitz, UdS

14 Signalextraktion Bertram Opitz, UdS

15 EKP-Komponenten EKP = Abfolge positiver und negativer Auslenkungen keine allgemein akzeptierte Definition Grundrichtungen: (1) physiologisch: EKP-Komponente bestimmt durch ihre anatomische Quelle (2) funktional: EKP-Komponente bestimmt durch den assoziierten kognitiven Prozess EKP-Effekt = Differenz der EKP-Komponente zweier Bedingungen Bertram Opitz, UdS

16 EKP-Komponenten Bertram Opitz, UdS

17 Wozu EKP-Komponenten? ermöglichen vereinheitlichten Sprachgebrauch über einzelne Experimente, Paradigmen und wissenschaftliche Felder hinweg bilden Basis zur Integration von EKP-Daten mit anderen Maßen der Gehirn-Aktivität können als Marker für bestimmte kognitive Prozesse dienen Bertram Opitz, UdS

18 Wie lese ich ein EKP? Amplitude Polarität Latenz Bertram Opitz, UdS

19 Wie lese ich ein EKP? Amplitude Polarität Latenz Topographie Bertram Opitz, UdS

20 Was lässt sich aus EKPs folgern? Bertram Opitz, UdS

21 Was lässt sich aus EKPs folgern? Bedingung A und Bedingung B haben unterschiedliche Auswirkungen. Bertram Opitz, UdS

22 Was lässt sich aus EKPs folgern? verschiedene Amplituden Annahme: zeigen unterschiedlich starke Aktivierung eines Prozesses an Bertram Opitz, UdS

23 Was lässt sich aus EKPs folgern? unterschiedliche Latenz bis zu positiven Maximalwerten X, Y bei bekannter Bedeutung der Peaks weitere Interpretation möglich Bertram Opitz, UdS

24 Was lässt sich aus EKPs folgern? verschiedene Onset-Latenzen, d.h. Kurven unterscheiden sich ca. 150 ms nach Reiz- Onset Bestimmung mit statistischem Test Zeitwert ist eine obere Schranke Bertram Opitz, UdS

25 Was lässt sich aus EKPs folgern? exp. Manipulation zeigt unterschiedliche Effekte an verschiedenen Elektroden Auslösung verschiedener, zeitlich überlappender neuronaler Prozesse Bertram Opitz, UdS

26 EKP-Komponenten Exogene Komponenten Hirnstamm Thalamuskerne primärer Kortex Bertram Opitz, UdS

27 Die N100 exogene Komponente (modulierbar durch Reizmerkmale), die Eigenschaften von endogenen Komponenten aufweist erste Verarbeitung auf cortikaler Ebene auch als N1 bezeichnet Bertram Opitz, UdS

28 Visuelle N1 und Aufmerksamkeit Bertram Opitz, UdS

29 Die MisMatch-Negativity (MMN) Negativierung auf seltene, kleine Abweichungen von Reizmerkmalen (deviants) vom repetitiven Reizumfeld (standard) nach etwa ms Bertram Opitz, UdS

30 Die MMN als Differenz der EKP zwischen deviant und standard gemessen Bertram Opitz, UdS

31 Vorteile der MMN automatisch auslösbar (also auch bei Koma-Patienten) guter Indikator für funktionalen Zustand des Neocortex Interpretation der MMN: stellt einen Vergleichsprozess zwischen einer Gedächtnisspur und einem gerade präsentierten Stimulus dar Bertram Opitz, UdS

32 Studie von Fischer et al. (2004) N=346 komatöse Patienten (Alter: 8-93) durch Schlaganfälle - 96 durch Schädel-Hirn-Trauma - 64 durch Anoxie - 54 durch neurochirurgische Komplikationen - 7 durch Enzephalitis Bertram Opitz, UdS

33 Statistische Auswertung: logistische Regression 10 verschiedene Prädiktorvariablen Alter Ätiologie Score auf Glasgow Coma Scale Pupillenreflex (j/n) neurol. Störung (j/n) neurochirurg. Eingriff (j/n) Hirnstammpotentiale Potentiale mit mittlerer Latenz (j/n) N100 (j/n) MMN (j/n) komatös nach 1 Jahr (ja vs. nein) Bertram Opitz, UdS

34 Beispiel: MMN vorhanden vs. nicht vorhanden Bertram Opitz, UdS

35 Resultate Odds ratios (je größ ößer, desto bessere Chancen zum Aufwachen bei Vorhandensein des Prädiktors diktors): bester Prädiktor: Pupillenreflex (7.70) 2. bester Prädiktor: MMN (4.70) 3. bester Prädiktor: N100 (4.15) 4. bester Prädiktor: mittlere AEPs (3.58)... Hirnstammpot. (1.20) Bertram Opitz, UdS

36 Die P300 P300 / P3b Positive Amplitude mit Latenzzeit ms Topographie: zentro-parietal als Reaktion auf seltene Stimuli Novelty P3 / P3a Positive Amplitude mit Latenzzeit ms Topographie: fronto-zentral als Reaktion auf neue Stimuli Bertram Opitz, UdS

37 Die P300 Classic Oddball Novelty Oddball Bertram Opitz, UdS

38 Studie Schall, Catts, Karayanidis & Ward (1999) P3 bei Schizophrenen reduziert EKP Komponenten als spezifische Indizes für beeinträchtigte Gehirnfunktion im Zusammenhang mit schizophrenen Symptomen positive Symptome: temporo-parietale Dysfunktion negative Symptome: Hypofrontalität Bertram Opitz, UdS

39 Ergebnisse große Novel P3 kleine P300 Bertram Opitz, UdS

40 Interpretation P3a als Wechsel der Aufmerksamkeit größere P3a stärkere Ablenkbarkeit der Schizophrenen!!! Hypofrontalität P300 als Abgleich des aktuellen Stimulus mit den vorherigen kleinere P300 schlechtere Reizdiskrimination der Schizophrenen temporo-parietale Dysfunktion Bertram Opitz, UdS

41 Die N400 Negativierung auf semantische Abweichungen um etwa 400 ms Bertram Opitz, UdS

42 Die N reflektiert Einfluss semantischen Wissens Bertram Opitz, UdS

43 Die N auch bei Wortpaaren Bertram Opitz, UdS

44 Episodisches Gedächtnis Zwei-Prozess-Modell Unterscheidung zwischen bewusster Erinnerung und bloßer Vertrautheit Ein-Prozess-Modell Erinnern und Vertrautheit liegt gleicher neuronaler Prozess zu Grunde, aber unterschiedlich stark Bertram Opitz, UdS

45 Episodisches Gedächtnis Vertrautheit: Den kenne ich, aber keine Ahnung woher The butcher-on-the-bus-phenomenon Erinnern: Den kenne ich, und ich weiß auch woher. Räumlicher und zeitlicher Kontext sind abrufbar Bertram Opitz, UdS

46 EKP Korrelate von Vertrautheit und Erinnern Frontaler alt/neu Effekt Vertrautheit Erinnern Parietaler alt/neu Effekt alt neu Mecklinger (2000) Rugg et al (1998) Curran (2000) Bertram Opitz, UdS

47 Studie von Curran, 2004 Plural-Wiedererkennungs-Paradigma Pluralwort und Singularwort gleichzeitig (z.b. Katzen-Blume ) Testphase: Original Plural Singular als Plural Antwort: ja oder nein Neues Wort Ja zu Singular als Plural Vertrautheit Bertram Opitz, UdS

48 Studie von Curran, 2004 Bertram Opitz, UdS

49 Studie von Curran, 2004 Bertram Opitz, UdS

50 Episodisches Gedächtnis Früher frontaler Alt/Neu-Effekt Vertrautheit Später parietaler Alt/Neu-Effekt Erinnern Mit Hilfe der EKP können Teilprozesse des episodischen Erinnerns detailliert untersucht werden Bertram Opitz, UdS