3.3 Zentralnervensystem des Menschen

3.3.2.3 Gehirnforschungsmethoden: EEG, RCT, PET, MRI

 

EEG (Elektroencephalographie)

Schon im letzten Jahrhundert erkannte der Psychater Hans Berger, daß das Gehirn elektrische Aktivität zeigt und daß man diese aufzeichnen kann. Er ist der Erfinder des EEG (= Elektro-Encephalo-Gramms).

Die Aufzeichnung der Hirnströme wird meist über Elektroden gemacht, die mit einem leitfähigen Gel an bestimmte Punkte der Haut des Hirnschädels angebracht werden. Über einen Verstärker werden die Amplituden der schwachen Signale ( mV) bis zu 1000x verstärkt und an eine Galvanometer weitergegeben, das die Auslenkungen auf Papier schreibt. Jede Elektrode bildet ein Kanal. Da meist viele Elektroden verwendet werden spricht man von Multikanal-EEG.

Seit den Zeiten Bergers weiß man, daß sich die Frequenz und Amplitude der Signale je nach Zustand Schlaf, Wachzustand, Träumen usw. ändert und besondere geistige Tätigkeiten die Signalform in den verschiedenen Hirnbereichen ebenfalls ändern.

EEGs werden in der Neurologie und Psychatrie zur Diagnose von Gehirnkrankheiten wie Epilepsie, Schlafstörungen und Gehirntumoren verwendet.

Unten ist eine EEG eines modernen 32 Kanal-Rekorders zu sehen.

Jede horizontale Linie gehört zu einem Elektrodenpaar, das am Schädel an unterschiedlichen Gehirnbereichen angebracht wurde. Rot sind die Abnormalitäten im Frequenzgang dargestellt, wodurch der Arzt die entsprechenden Gehirnbereiche lokalisieren kann. Da die Interpretation oft schwierig ist und zu Fehlern neigt, verwendet man heute Computer. Dadurch wurde es auch möglich, gleichzeitig eine große Anzahl Kanäle auszuwerten und es entstand die EEG-Gehirn-Topographie (ab ca. 1980).

Durch das Anbringen einer großen Anzahl Elektroden (siehe oben), die nach einem Muster in ungefähr gleichem Abstand aufgebracht werden, erhält man durch die Computerverarbeitung einen Überblick über die elektrische Aktivität des Gehirns. Dabei ergeben gelb und rot höhere Amplituden als violette und blaue. Dies ergibt einen besseren Überblick über Rhythmusänderung und Lokalisierung der Wellen.

So konnte man Tumore oder den Ursprung der Epilepsie besser lokalisieren und die Drogeneinwirkung genauer untersuchen. Auch bei Hirnhautentzündung, Schizophrenie, Depressionen usw. ist eine verbesserte Diagnose möglich.

Durch entsprechende Software kann man durch die Spektralanalyse zusätzliche Informationen gewinnen und diese in 3D-Form darstellen (siehe Abb. 176).

Kopplung von EEG (MEG) und MRI

Die Zukunft des EEG liegt in der Kopplung der Spektralanalyse mit der Bildanalyse anderer Methoden wie MRI (Magnetic-Resonance-Imaging, siehe oben). Das Ergebnis der Kombination von MRI ind EEG oder MEG (Magnetoencephalographie) ist oben zusehen, bei dem die Hirnbereiche sichtbar werden, die bei Berührung der 5 Finger aktiviert werden.

Neben der Analyse der elektrischen Vorgänge am lebenden Mensch hat man in den letzten Jahren noch andere Methoden entwickelt, die Anatomie und Funktionen, also den Stoffwechsel im Gehirn zu beobachten.

Man benutzt heute mehrere Verfahren um diese Informationen in vivo zu erhalten, die man allgemein Computer-Tomographie nennt. Dabei wird aus dem untersuchten Objekt eine 3-5 mm dicke Scheibe analysiert, entweder axial (in waagerechter Ebene) oder sagittal (Längsschnitt in senkrechter Ebene) und per Computer ein Bild berechnet. Jeder Bildpunkt entspricht ca. 1mm Gewebe.

Die Bilder werden mit folgenden Verfahren gewonnen:

Ergebnis

Verfahren / Beschreibung

R(C)T = Röntgenstrahl Computer Tomographie (ab 1972)

Das Gehirn wird mit Röntgenstrahlen beschickt, die durch die unterschiedliche Dichte des Gewebes auf der anderen Seite leicht gedämpft austreten. Dabei absorbiert dichteres Gewebe die Strahlen stärker. Detektoren sammeln die austretenden Strahlen, aus deren Intensität per Computer ein Bild dieser Scheibe berechnet wird.

Problem: Röntgenstrahlung ist sehr energiereiche Strahlung und kann Schäden verursachen.

MRI = Magnetic Resonance Imaging (ab 1980)
(Kernspin-Resonanz-Tomographie)
Organisches Gewebe enthält viel Wasser und Fett. Diese Stoffe bestehen im Mensch aus ca. 63% Protonen. Setzt man Protonen einem magnetischen Feld aus, schwingen sie entsprechend der Feldstärke. Diese absorbierte Energie geben sie wieder ab, was man messen kann. Die Signalstärke wird durch jedes Proton leicht variiert.
Läßt man ein zusätzliches Magnetfeld einwirken, das in Stärke und Lage variiert wird, läßt sich durch die unterschiedliche Resonanz der Felder pro Ort eine elektromagnetische Strahlung messen. Daraus kann man ein 3D-Bild berechnen.

PET = Positronen- Emissions- Computer- Tomographie)
(SPECT = single photon emission -computed tomography)

Injiziert man radioaktiv markierte Substanzen (11C, 13N, 150, und 18F ) in Spuren ins Gehirn, kann ihre Photonenstrahlung aufgrund der Positronenemission (positive Elektronen) gemessen werden. Die daraus errechneten Bilder repräsentieren die Anhäufung der markierten Substanz. Dadurch können z. B. die Durchblutung, der Sauerstoff- oder Glucosestoffwechsel oder die Dopaminkonzentration in vivo beobachtet werden.

Die im öfters zitierten Digitals Atlas des Gehirns (siehe weiterführende Quellen) gezeigten Bilder sind mit MRI entstanden. Hier nun noch einige Beispiele für die verschiedenen Methoden:

Die Abbildung links zeigt die phantastischen Möglichkeiten von PET. ( Dr. Marcus Raichle, Neuroimaging Lab oder Washington University School of Medicine, St Louis, USA).

Das obere Bild zeigt eine Versuchsperson, die einen Text hört, um eine Sprachaufgabe zu lösen. Die Farben zeigen, wo das Gehirn (Zellen) seinen höchsten Glucoseverbrauch und Blutdurchfluß im Vergleich zum Ruhezustand hat. Gelb und Rot zeigen erhöhten Verbrauch, blau und schwarz geringere Aktivität. Die höchste Aktivität war im Schläfenlappen entsprechend der akustischen Wahrnehmung und im präfrontalen Bereich für das Sprachverständnis zu sehen.

Im zweiten Bild hat die Versuchsperson nun die Sprachaufgabe gelernt und spricht sie aus. Dabei ist zu erkennen, daß andere Gehirnregionen aktiv sind, nämlich die mit der motorischen Kontrolle der Stimme (Brocascher Bereich) zu tun haben.

Das nachfolgene Bild links zeigt die Gehirnaktivität (Glucoseverbrauch) im Lauf der Säuglingsentwicklung und rechts einen Gehirntumor.

Hier ein PET-Computertomograph und das injizierte Radionukleid.

Mit MRI lassen sich ohne Bestrahlung und Verabreichung von Kontrastmitteln oder Chemikalien Bilder des aktuelle Gehirns anfertigen.

 

 

 

Abb. 173

Gehirnuntersuchung mit EEG

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 174

32-Kanal- EEG

 

 

 

 

 

 

Abb. 175

EEG -Gehirn-Topographie

 

 

Abb. 176

Kopplung von EEG mit Spektralanalyse

 

 

Abb. 177

Kopplung von EEG (MEG) und MRI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 178

Vergleich verschiedener Verfahren

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 179

Gehirnaktivitäten mit PET

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 180

Gehirnaktivitäten mit PET

 

Gehirntumor

 

 

Abb. 181

Computertomograph

 

Weiterführende Quellen:

Digitalatlas

http://www9.biostr.washington.edu/da.html

Gehirnatlas

http://www.med.harvard.edu/AANLIB/home.html

PET

http://laxmi.nuc.ucla.edu:8000/lpp/nuclearphysics/imagerecon.html

MRI

http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm

EEG

http://biocybernaut.com/tutorial/eeg.html