Neurophysiologische Untersuchungen und Schlaf

Neurophysiologische Untersuchungsverfahren werden eingesetzt, um Informationen bezüglich der Funktion des Nervensystems zu erhalten. Das am häufigsten verwendete Verfahren ist die Elektroenzephalografie (EEG), bei der kortikale Potenzialschwankungen aufgezeichnet werden, mit denen Rückschlüsse auf neurologische Störungen (z.B. Epilepsie, Schlafstörungen) gezogen werden können. Grundsätzlich unterscheidet man, ob EEG-Wellen spontan – also ohne sensorische Reizung – oder ereignisbezogen auftreten – also in Erwartung oder als Folge eines Reizes (= ereigniskorrelierte Potenziale). Diese ereigniskorrelierten Potenziale lassen Rückschlüsse auf neuronale Verarbeitungsprozesse zu und werden deshalb häufig für die Beantwortung neurowissenschaftlicher Fragestellungen verwendet. Mithilfe des EEG lassen sich außerdem unterschiedliche Bewusstseinszustände voneinander abgrenzen. So wird der Schlaf in die sog. Non-REM-Schlafstadien (N1–N3) und den REM-Schlaf gegliedert. Auch beim wachen Patienten kann mittels EEG differenziert werden, ob sich der Proband gerade in einem erregten oder eher entspannten Zustand befindet.

Daneben umfasst die neurophysiologische Untersuchung im Rahmen der Analyse der Großhirnaktivität zunehmend moderne Schnittbildverfahren wie bspw. die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT).

• Definition: Ableitung der summierten kortikalen Potenzialschwankungen
• Prinzip
  • Jedes einzelne Neuron erzeugt abhängig von seiner Aktivität elektrische Zustandsänderungen
  • Das EEG kann diese Zustandsänderungen an verschiedenen Punkten aufsummiert messen und somit die Aktivität von Neuronengruppen an verschiedenen Punkten des Kortex visualisieren
  • Der Befunder kann die abgeleiteten Potenzialschwankungen dann nach auffälligen Mustern durchsuchen
  • Die grundlegenden Potenzialschwankungen im Schlaf- und im Wachzustand ohne Reizeinwirkung (d.h. „spontan“) werden als Spontan-EEG bezeichnet
  • DC-Potenziale: Besonders langsame, komplexe und störanfällige Schwankungen, die für das klassische EEG herausgefiltert werden
    • Als Korrelat der generellen Hirnaktivität sind sie jedoch für speziellere Fragestellungen interessant
• Hintergrund
  • Die abgeleiteten Potenzialschwankungen entsprechen den EPSPs (= exzitatorischen postsynaptischen Potenzialen) und IPSPs (= inhibitorischen postsynaptischen Potenzialen) der Pyramidenzellen
  • Per Definition entspricht:
    • Eine positive Potenzialschwankung einem nach unten gerichteten Ausschlag im EEG: Diese wird entweder durch EPSPs in tiefen Rindenschichten oder durch IPSPs in oberflächlichen Schichten verursacht
    • Eine negative Potenzialschwankung einem nach oben gerichteten Ausschlag im EEG: Diese wird entweder durch IPSPs in tiefen Rindenschichten oder durch EPSPs in oberflächlichen Schichten verursacht
• Durchführung
  • 6–19 Elektroden werden symmetrisch auf der Kopfoberfläche verteilt und die elektrische Aktivität gemessen
  • Potenzialunterschiede werden zwischen je zwei Elektroden abgeleitet und als EEG-Linien aufgezeichnet
  • EEG-Linien sind benannt nach den zwei Ableitungen, deren Potenzialunterschied sie darstellen
    • Dabei steht O für okzipital, F für frontal, P für parietal, Fp für den frontalen Pol
    • Die Ziffern bezeichnen die Seite: Ungerade Zahlen stehen für die linke und gerade für die rechte Hemisphäre
      • Beispiel: O1-P3 ist der Potenzialunterschied zwischen der linken okzipitalen und der linken parietalen Ableitung
• Klinische Anwendung
  • Epilepsiediagnostik (bei Interesse siehe: Epilepsie & Generalisierte Epilepsien im Kindesalter)
  • Bewusstseinsstatus (Bispektralindex in der Anästhesie; Hirntoddiagnostik)
  • Schlafmedizin: Polysomnografie (Bestimmung der Schlafphasen)
• Interpretation
  • Erfolgt anhand der Frequenz der verschiedenen Wellentypen
  • Als Faustregel gilt: Hohe Frequenzen spiegeln starke neuronale Aktivität wider, und je höher die Frequenz, desto kleiner die Amplitude

„Drei-Träume-ABC“: δ ≈ 3 Hz; θ ≈ 6 Hz; α ≈ 12 Hz; β ≈ 24 Hz; γ ≈ 48 Hz

• Grundsätzlich unterscheidet man zwei Rhythmusformen im EEG
  • Synchronisiertes EEG
    • Merkmal: Ableitpunkte über unterschiedlichen Hirnarealen zeigen Wellen mit ähnlicher Amplitude und Frequenz
    • EEG: Niedrige Frequenz der Wellen, hohe Amplituden (Vorkommen: Alphawellen)
    • Synchronisationsmechanismus: Es gibt einen subkortikalen Schrittmacher: Thalamus → Dieser erzeugt synchrone Schrittmacherpotenziale → Diese werden über thalamokortikale Fasern zum Kortex gesendet → Führen zu einer synchronen synaptischen Aktivität über mehreren Kortexbereichen
  • Desynchronisiertes EEG
    • Merkmal: Ableitpunkte über unterschiedlichen Hirnarealen zeigen Wellen mit unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen
    • EEG: Hohe Frequenz der Wellen, niedrige Amplituden (Vorkommen: Betawellen)
    • Desynchronisationsmechanismus: Es gibt ein Kontrollzentrum, das den Informationsfluss vom Thalamus zum Kortex reguliert: Sog. ARAS → Dieses hemmt das Schrittmacherpotenzial des Thalamus → Abnehmende Synchronität des Kortex

Grundsätzlich unterscheidet man, ob EEG-Wellen spontan, also ohne sensorische Reizung, oder ereignisbezogen, also in Erwartung oder als Folge eines Reizes (= ereigniskorrelierte Potenziale) auftreten. Vereinfacht ausgedrückt sind ereigniskorrelierte Potenziale (EKPs) messbare Potenzialänderungen, die neuronale Verarbeitungsprozesse widerspiegeln. Durch die spezifische Reizung eines Sinnesorgans oder peripheren Nerven kann man EKPs induzieren und anschließend messen - dieses Verfahren nutzt man bspw. bei den sog. evozierten Potenzialen in der neurologischen Diagnostik.

Ereigniskorrelierte Potenziale (EKP)

• Definition: Im EEG messbare kortikale Potenzialveränderungen, die in reproduzierbarer zeitlicher Korrelation zu einem erkennbaren und ebenfalls reproduzierbaren Ereignis auftreten und dessen sensorische und kognitive Verarbeitung (z.B. Erwartung, Aufmerksamkeit, Entscheidung, Antwortvorbereitung) widerspiegeln.
• Messprinzip: Die EKP-Wellen (sog. Komponenten) sind viel kleiner als die des Spontan-EEG und lassen sich nur durch sog. Summationstechniken darstellen
• Auswertung: Die EKPs werden nach Amplitude (Größe und Polarität), Latenzzeit und Topografie charakterisiert.
• Prominente EKPs, z.B.
  • Exogene EKPs: Spiegeln hauptsächlich die sensorische Reizverarbeitung wider und werden auch als frühe Potenziale bezeichnet
    • N100: Negative Potenzialverschiebung, die sich typischerweise ca. 100 ms nach einem meist akustischen Reiz nachweisen lässt
  • Endogene EKPs: Spiegeln hauptsächlich die kognitive Reizverarbeitung wider und werden auch als späte Potenziale bezeichnet
    • P300: Positive Potenzialverschiebung, die sich typischerweise ca. 300 ms nach einem Reiz bilateral in den parietalen Kortexbereichen nachweisen lässt
  • Bereitschaftspotenzial: Lässt sich etwa 1 s vor einer geplanten Willkürbewegung (bspw. Tippen des Zeigefingers) bilateral in ausgedehnten Bereichen des präzentralen und parietalen Kortex messen
  • Contingent negative variation (Erwartungspotenzial): Negative Potenzialschwankung, die in Erwartung eines imperativen Reizes auftritt

• Kurzbeschreibung
  • Variante der MRT-Untersuchung, bei der funktionell aktive Hirnareale dargestellt werden
  • "Normale" MRT-Untersuchung: Schnittbildverfahren, das mit wechselnden Magnetfeldern arbeitet. Bei der MRT-Untersuchung werden keine ionisierenden Strahlen verwendet (wie etwa bei der Computertomografie). Langfristige Folgeschäden dieser Untersuchung sind bisher nicht bekannt.
• Prinzip: Aktive Hirnareale zeigen einen erhöhten Stoffwechselverbrauch und gehen mit einer Durchblutungssteigerung einher: Der Oxygenierungsgrad des Blutes dient hierbei quasi als endogenes Kontrastmittel
  1. Erhöhte Aktivität in einem Hirnareal
  2. Erhöhter Energieverbrauch
  3. Steigerung der Durchblutung
  4. Zunahme des oxygenierten Hämoglobins
     • Sog. BOLD-Effekt tritt ein: Dieser Effekt beruht darauf, dass oxygeniertes und desoxygeniertes Hämoglobin unterschiedliche magnetische Eigenschaften besitzen
  5. Unterschiedliche magnetische Eigenschaften werden durch verschiedene Farben kodiert und ermöglichen die bildliche Darstellung von aktiven Hirnarealen
• Vorteile der Methode
  • Hohe räumliche Auflösung: Sie bewegt sich im Bereich von wenigen Millimetern, während die EEG nur eine sehr grobe örtliche Einteilung ermöglicht.
  • Arbeitet ohne ionisierende Strahlung

• Kurzbeschreibung: Nicht-invasives optisches Verfahren zum kontinuierlichen Monitoring der regionalen Gewebeoxygenierung
• Prinzip
  • Unterschiedliche Lichtabsorption für Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin
  • NIRS-Geräte senden definiertes nahinfrarotes Licht aus, das unterschiedlich von Oxy- bzw. Desoxyhämoglobin absorbiert wird; Möglichkeit der Verhältnisbestimmung
• Anwendung: Insb. zur Beurteilung der zerebralen Perfusion

Schlafphasen und -stadien

Pro Nachtschlaf werden i.d.R. 4–5 Schlafzyklen durchlaufen, die jeweils ca. 90 Minuten dauern.

• Jeder Schlafzyklus besteht aus
  • Non-REM-Schlaf
  • REM-Schlaf (sog. paradoxer Schlaf)
• Besonderheit: In der ersten Schlafhälfte überwiegt der Non-REM-Schlaf; im weiteren Verlauf nimmt der REM-Schlaf zu

Non-REM-Phase

Der Non-REM-Schlaf lässt sich in drei Stadien einteilen und ist durch ein eher synchronisiertes EEG gekennzeichnet

• Ablauf
  • Lässt sich in drei Stadien einteilen, die unterschiedliche EEG-Muster aufweisen und beim Einschlafen nacheinander durchlaufen werden
    • Mit zunehmender Schlaftiefe (Stadium N1–N3 bzw. I–IV) werden die Frequenzen der EEG-Wellen kleiner und deren Amplituden größer – das EEG wird zunehmend synchroner
  • Nach dem Stadium IV bzw. N3 werden die Schlafstadien wieder in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, bis der REM-Schlaf eintritt
  • Ausnahme: Nach totalem Schlafentzug wird i.d.R. zunächst der Tiefschlaf (Stadium IV bzw. N3) und anschließend der REM-Schlaf nachgeholt
• Besondere Merkmale
  • Weckschwelle wird mit zunehmendem Schlafstadium höher (N3 > N2 > N1 bzw. IV > III > II > I)
  • Niedrige Atem- und Herzfrequenz
  • Verminderter Blutdruck
  • Erniedrigte Körperkerntemperatur

REM-Phase

Während des REM-Schlafs findet der eigentliche Traumschlaf statt. Er wird auch als paradoxer Schlaf bezeichnet, weil er zwar Merkmale des Tiefschlafs zeigt (hohe Weckschwelle), das EEG allerdings dem des Wachzustandes ähnelt (desynchronisiertes Muster).

• Merkmale
  • Hohe Weckschwelle
  • Wer aus dem REM-Schlaf geweckt wird, berichtet häufiger über Träume
  • Tonusverlust der quergestreiften Muskulatur
  • Typische schnelle Augenbewegungen (REM = Rapid Eye Movement)
  • Atem- und Herzfrequenz sowie Blutdruck erhöht
  • Parasympathische Reaktionen
    • Enge Pupillen (= Schlafmiosis)
    • Penis- bzw. Klitoriserektion
• EEG: Ähnelt dem Wachzustand
  • Ein eher desynchronisiertes Muster mit Phasen von Theta-Wellen
• Bei selektivem Entzug des REM-Schlafs kommt es in den folgenden Nächten zu einer kompensatorischen Erhöhung des REM-Anteils (sog. REM-Rebound)

Totaler Schlafentzug führt zunächst zur Abnahme der Konzentrationsfähigkeit und Aufmerksamkeit. Bei längerem Andauern treten sog. Mikroschlaf-Episoden auf, die mit visuellen Wahrnehmungsstörungen einhergehen können. Selektiver Entzug des REM-Schlafes führt zu Hyperaktivität und Reizbarkeit!

Schlafentzugstherapie
Schlafentzug kann kurzfristig stimmungsaufhellend wirken, sodass die sog. Schlafentzugstherapie mitunter genutzt wird, um schwere depressive Episoden zu durchbrechen. Sie wird grundsätzlich in Kombination mit anderen Therapieverfahren und insgesamt eher selten eingesetzt, insb. bei ausgeprägtem Morgentief oder starken Schlafstörungen.

Schlafphasen und -stadien im Überblick

Schlafen im Verlauf des Lebens

• Mit zunehmendem Alter
  • Verringert sich die Schlafdauer: Neugeborene schlafen noch etwa 16–18 Stunden pro Tag!
  • Verändert sich das Schlafprofil: Der Anteil des REM-Schlafs am Gesamtschlaf nimmt ab

Tag-Nacht-Rhythmus

Der Tag-Nacht-Rhythmus unterliegt einem 24-Stunden-Rhythmus; er ist also zirkadian (von lat. circa = „ringsum“ und dies = „Tag“). Hierfür besitzt der Körper eine sog. innere Uhr.

• Beteiligte Taktgeber
  • Endogener Taktgeber (= innere Uhr): Ncl. suprachiasmaticus des Hypothalamus
  • Exogene Zeitgeber (= äußere Uhr): Lichtsignale (hell/dunkel)
• Prinzip: Durch spezielle Ganglienzellen der Retina aufgenommene Lichtsignale werden über den Tractus retinohypothalamicus an den Ncl. suprachiasmaticus weitergeleitet und dort integriert
  • → Der Ncl. suprachiasmaticus synchronisiert die innere mit der äußeren Uhr

Elektroenzephalografie (EEG)

Was bezeichnet man als Spontan-EEG?

Welche Potenzialschwankungen welcher Zellen werden im EEG genau gemessen?

Welche physiologischen EEG-Wellen werden unterschieden? Welche Frequenzen haben sie je?

In welchem Zustand können Alphawellen abgeleitet werden? Durch welchen Rhythmustyp zeichnen sie sich aus?

Welche Wellentypen können im wachen Zustand abgeleitet werden?

Welchen Wellentyp leitet man in traumlosen Tiefschlafphasen ab?

Welche Hirnregion ist für einen synchronisierten EEG-Rhythmus zuständig?

Ereigniskorrelierte und evozierte Potenziale

Ereigniskorrelierte Potenziale lassen sich in endogen und exogen unterteilen. Erkläre Gemeinsamkeit und Unterschied!

Was versteht man unter einem Bereitschaftspotenzial?

Wann spricht man von einem Erwartungspotenzial und wie wird es noch bezeichnet?

Was versteht man unter evozierten Potenzialen und welche Arten kennst du?

Wie werden evozierte Potenziale klinisch genutzt?

Funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT)

Was wird bei einer fMRT dargestellt? Welches Prinzip liegt dieser zugrunde?

Nenne Vorteile der fMRT!

Schlaf

Wie sieht das EEG einer Person aus, die sich gerade im Tiefschlaf befindet?

Wie verändert sich das EEG mit zunehmender Schlaftiefe?

Welche Wellen sind im REM-Schlaf dominant und wie wird der REM-Schlaf deshalb auch genannt?

Nenne körperliche Merkmale des REM-Schlafs!

Wie verhält sich die Schlafaktivität im Verlauf des Lebens?

Wie verhalten sich REM- und Non-REM-Schlaf im Verlauf des Nachtschlafs zueinander?

Nenne typische Merkmale der N2-Non-REM-Schlafphase!