Amplitudenkopplung zwischen Kortexsignalen: Ein bislang ungenutzter Indikator für kooperative Hirnprozesse beim Menschen

Die verteilte Informationsverarbeitung im Gehirn erfordert eine umfangreiche dynamische Interaktion zwischen den in verschiedenen Hirnarealen ablaufenden neuronalen Prozessen. Als physikalisch messbare Manifestation von Aktivitäten, die mit der Sinnesreiz-Verarbeitung und höheren kognitiven Funktion...

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Main Author: Bruns, Andreas
Contributors: Eckhorn, Reinhard (Prof.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2003
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Description
Summary:Die verteilte Informationsverarbeitung im Gehirn erfordert eine umfangreiche dynamische Interaktion zwischen den in verschiedenen Hirnarealen ablaufenden neuronalen Prozessen. Als physikalisch messbare Manifestation von Aktivitäten, die mit der Sinnesreiz-Verarbeitung und höheren kognitiven Funktionen in Zusammenhang stehen, gelten hirnelektrische Signalkomponenten im hohen, so genannten Gamma-Frequenzbereich (30–90 Hz). Die Suche nach Kopplungen zwischen solchen Signalkomponenten ist deshalb wesentlicher Bestandteil der aktuellen Hirnforschung. Obwohl anzunehmen ist, dass eine neuronale Kooperation im Gehirn sowohl über kurze als auch über lange Distanzen erfolgt, deuten bisherige Untersuchungen darauf hin, dass die Reichweite der Kopplung zwischen Gamma-Signalen, die direkt von der Hirnrinde abgeleitet werden, typischerweise auf einige Millimeter beschränkt ist. Da für die Analyse von Signalkopplungen verschiedene signaltheoretische Methoden zur Verfügung stehen, stellt sich somit die Frage, ob die bislang besonders verbreiteten Kopplungsmaße den neuronalen Mechanismen gerecht werden, die für "Langstrecken-Interaktionen" relevant sein könnten. Ein Ziel dieser Arbeit war daher eine Gegenüberstellung verschiedener Kopplungsmaße bei der Analyse intrakranialer Hirnsignale. Etwaige Unterschiede sollten zudem Hinweise auf die neuronalen Mechanismen liefern, die bestimmten Kopplungsformen zugrunde liegen könnten. Die Möglichkeit, Signale großflächig direkt von der menschlichen Hirnrinde abzuleiten, ergab sich bei Patienten des Epilepsiezentrums Bethel, denen im Rahmen der klinischen Diagnostik subdurale Elektroden implantiert worden waren. Da zu solchen Messungen in der experimentellen Wissenschaft noch keine umfangreichen Erfahrungen vorlagen, bestand das erste Ziel meiner Arbeit darin, die prinzipielle Reliabilität und Verwertbarkeit der aus subduralen Signalen abgeleiteten Aussagen zu belegen. Um die Messung der Gehirnaktivität unter kontrollierten Bedingungen durchführen zu können, verwendete ich ein Experiment, in dem die Versuchspersonen visuell-kognitive Aufgaben zu bearbeiten hatten. Sie sollten geometrische Figuren einmal im Hinblick auf ihre Form und einmal im Hinblick auf ihre Position beurteilen. Die dadurch zu erwartende Aktivierung unterschiedlicher, in verschiedenen Regionen lokalisierter Verarbeitungspfade des visuellen Systems sollte dabei helfen, die funktionelle Bedeutung in den Signalen auftretender Aktivitäts- und Kopplungsmuster grob einschätzen zu können. Mit einer zeitaufgelösten Spektralanalyse der Hirnsignale konnten mehrere Aktivitätsschwerpunkte identifiziert werden, die sich jeweils durch charakteristische Zeit-Frequenz-Muster der spektralen Amplitudendichte auszeichneten. Diese Muster ließen sich räumlich klar voneinander abgrenzen, zeigten hohe intraindividuelle Reproduzierbarkeit und traten jeweils bei mehreren Versuchspersonen in ähnlicher Form an homologen Orten auf. Von den sieben Versuchspersonen eignete sich eine für eine detaillierte Kopplungsanalyse in Form einer Fallstudie, weil sich bei ihr zwei funktionelle Areale der Sehrinde unterscheiden ließen. Das bemerkenswerteste Ergebnis war eine hochspezifische dynamische Interaktion zwischen den beiden Arealen, die sich in Form einer zeitlichen Korrelation zwischen Hüllkurven von Gamma-Signalen in dem einen Areal und langsamen Signalanteilen in dem anderen Areal äußerte. Da diese Kopplung sich in keinem der anderen verwendeten Kopplungsmaße widerspiegelte und überdies eine Reichweite von mehreren Zentimetern besaß, sollte eine Gesamtanalyse der Signalkopplung bei allen Versuchspersonen tendenzielle Unterschiede zwischen den Kopplungsmaßen aufzeigen. Dabei erwies sich, dass dynamische Kopplungen großer Reichweite im Gamma-Frequenzbereich sich häufiger in amplitudenbasierten Kopplungsmaßen abbilden als in solchen, die die Phasenlagen der Signale berücksichtigen. Die hohe Spezifität, räumliche Strukturierung, intraindividuelle Reproduzierbarkeit und oft bemerkenswerte interindividuelle Konsistenz der Ergebnisse zeigen, dass subdural gemessene Hirnrindensignale einen aufschlussreichen Indikator für neuronale Prozesse darstellen. Auf dieser Basis konnte gezeigt werden, dass sich viele Interaktionen auch über größere Distanzen durchaus in Signalkopplungen manifestieren, an denen Gamma-Signale beteiligt sind, dass diese Kopplungen aber eher von amplituden- als von phasenbasierten Analysemethoden erfasst werden. Die Ursache dafür könnte darin liegen, dass neuronale Aktivität bei ihrer Fortleitung über Nervenfasern eine zeitliche Dispersion erfährt, die mit zunehmender Distanz größer wird und die Phasenstruktur der hirnelektrischen Signale vor allem im hohen Frequenzbereich verändert. Die Wahl des Kopplungsmaßes bei der Analyse von Hirnsignalen hat demnach erheblichen Einfluss auf das Ergebnis einer Untersuchung und sollte sich an mechanistischen Vorstellungen zu den erwarteten neuronalen Interaktionen orientieren.
Physical Description:189 Pages
DOI:10.17192/z2003.0622