mini|14-kanaliges EEG mit Alpha-Wellen mini|EEG-Haube Die Elektroenzephalografie oder Elektroenzephalographie (EEG; von , ) ist eine Methode der medizinischen Diagnostik und der neurologischen Forschung zur Messung der Hirnströme, das heißt der summierten elektrischen Aktivität des Gehirns, durch Aufzeichnung der durch Oberflächenelektroden ermittelten Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche. Das Elektroenzephalogramm (ebenfalls EEG abgekürzt) ist die grafische Darstellung dieser Schwankungen. Das EEG ist neben der Elektroneurografie (ENG) und der Elektromyografie (EMG) eine standardmäßige Untersuchungsmethode in der Neurologie.
Einführung Ursache dieser Potentialschwankungen sind physiologische Vorgänge einzelner Gehirnzellen, die durch ihre elektrischen Zustandsänderungen zur Informationsverarbeitung des Gehirns beitragen. Entsprechend ihrer spezifischen räumlichen Anordnung addieren sich die von einzelnen Neuronen erzeugten Potentiale auf, so dass sich über den gesamten Kopf verteilte Potentialänderungen messen lassen.
Zur klinischen Bewertung wird eine Aufzeichnung in mindestens zwölf Kanälen von verschiedenen Elektrodenkombinationen benötigt.
Die Ortsauflösung des üblichen EEGs liegt bei mehreren Zentimetern. Wenn eine höhere Ortsauflösung benötigt wird, so müssen die Elektroden nach neurochirurgischer Eröffnung des Schädels direkt auf die zu untersuchende Hirnrinde aufgelegt werden, womit eine KortikographieWolfgang Seeger, Carl Ludwig Geletneky: Chirurgie des Nervensystems. In: Franz Xaver Sailer, Friedrich Wilhelm Gierhake (Hrsg.): Chirurgie historisch gesehen. Anfang – Entwicklung – Differenzierung. Dustri-Verlag, Deisenhofen bei München 1973, ISBN 3-87185-021-7, S. 229–262, hier: S. 236. durchgeführt werden kann. Das ist jedoch nur in Sonderfällen z. B. vor epilepsiechirurgischen Eingriffen erforderlich. In diesem Falle spricht man von einem Elektrocorticogramm (ECoG; in deutscher Schreibung Elektrokortikogramm). Das ECoG ermöglicht eine räumliche Auflösung von unter 1 cm und bietet zusätzlich die Möglichkeit, durch selektive elektrische Reizung einer der Elektroden die Funktion der darunterliegenden Hirnrinde zu testen. Dies kann für den Neurochirurgen z. B. bei Eingriffen in der Nähe der Sprachregion von größter Wichtigkeit sein, um zu entscheiden, welche Teile er entfernen darf, ohne eine Funktionseinbuße fürchten zu müssen (vgl. Wachkraniotomie). Eine noch detailliertere Erfassung von Einzelzellaktivität ist nur im Tierexperiment möglich.
Die resultierenden Daten können von geübten Spezialisten auf auffällige Muster untersucht werden. Es gibt aber auch umfangreiche Software-Pakete zur automatischen Signalanalyse. Eine weitverbreitete Methode zur Analyse des EEGs ist die Fouriertransformation der Daten vom Zeitbereich (also der gewohnten Darstellung von Spannungsänderungen im Verlauf der Zeit) in den sogenannten Frequenzbereich. Die so gewonnene Darstellung erlaubt die schnelle Bestimmung von rhythmischer Aktivität.
Geschichte 1875 zeigte Richard Caton in Liverpool, dass die Gehirne von Affen und Kaninchen schwache, in der Hirnrinde entstehende elektrische Ströme bzw. Potentialschwankungen erzeugen, die sich durch Sinnesreize beeinflussen lassen. Caton gilt seither vor allem im angloamerikanischen Raum als Entdecker der Elektroenzephalografie.
Im Jahr 1919 führte Walter Dandy in Baltimore die Pneumoenzephalografie ein, welche erstmals eine direkte Hirndiagnostik ermöglichte.Ernst Kern: Sehen – Denken – Handeln eines Chirurgen im 20. Jahrhundert. ecomed, Landsberg am Lech 2000, ISBN 3-609-20149-5, S. 279.
Der ukrainische Physiologe Vladimir Pravdich-Neminsky (auch Volodymyr Volodymyrovych Neminsky), der 1913Vgl. W. W. Neminsky: Ein Versuch der Registrierung der elektrischen Hirnerscheinungen. In: Zentralblatt für Physiologie. Band 27, 1913, S. 951 ff. die Verwendung des Saitengalvanometers von Willem EinthovenWolfgang Seeger, Carl Ludwig Geletneky: Chirurgie des Nervensystems. In: Franz Xaver Sailer, Friedrich Wilhelm Gierhake (Hrsg.): Chirurgie historisch gesehen. Anfang – Entwicklung – Differenzierung. Dustri-Verlag, Deisenhofen bei München 1973, ISBN 3-87185-021-7, S. 229–262, hier: S. 236. einführte, gehört zu den Forschern, die Catons Entdeckung tierexperimentell bestätigten, und prägte 1925 den Begriff Elektrocerebrogramm.Axel Karenberg: EEG. In: Werner E. Gerabek, Bernhard D. Haage, Gundolf Keil, Wolfgang Wegner (Hrsg.): Enzyklopädie Medizingeschichte. de Gruyter, Berlin / New York 2005, ISBN 3-11-015714-4, S. 335.
Der Begriff Elektroenzephalographie geht auf den Neurologen Hans Berger zurück, der 1924 an der Universität Jena die ersten Elektroenzephalographien des Menschen vornahm. Er nannte sie „Elektrenkephalogramme“. Die 1929Hans Berger: Über das Elektroenzephalogramm des Menschen. In: Arch. Psyachiat. Band 87, 1929, S. 527 ff. publizierte Arbeit über den Nachweis der Aktionsströme mittels EEG beim MenschenPaul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 64. nahm auch die populärwissenschaftliche Presse wahr. Die Zeitschrift Kosmos meldete 1930:
Berger entdeckte auch das Phänomen des Alpha-Blocks (auch Berger-Effekt). Hierbei handelt es sich um eine sehr auffällige Veränderung des EEGs, die einsetzt, wenn ein gesunder Proband seine Augen öffnet oder zu erhöhter mentaler Aktivität angehalten wird.
Messverfahren Da die auf der Kopfhaut zu messenden Signale in der Größenordnung von 5 bis 100 µV (1 Mikrovolt = 1 Millionstel Volt) liegen, wird ein empfindlicher Messverstärker benötigt. Zur Unterdrückung des allgegenwärtigen Netzbrummens und anderer Störungen wird ein Differenzverstärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung benutzt. Aus Gründen der Patientensicherheit ist dieser bei als Medizingerät zugelassenen Elektroenzephalographen als Isolationsverstärker implementiert, wodurch gleichzeitig aber auch die Gleichtaktunterdrückung erhöht wird.
Die vor dem Einsatz von Computern benutzten Geräte leiteten den Ausgang der Differenzverstärker auf einen Messschreiber, das Elektroenzephalogramm wurde auf Endlospapier geschrieben. Die Papiermenge entsprach etwa 120 Blättern für eine Standarduntersuchung von 20 Minuten.
Elektrische Spannungen werden immer zwischen zwei Punkten gemessen. Die Elektroden für das EEG sind jeweils in einem bestimmten System angebracht, wonach verschiedene Arten von Ableitungen unterschieden werden. Üblich ist das 10-20-System; es werden aber auch alternative Montagen wie das 10-10-System, sowie invasive Ableitungen, angewendet.
Beim papierlosen oder Computer-EEG wird das Signal digitalisiert und auf Festplatte oder optischen Medien festgehalten und das EEG vom Neurologen oder Psychiater meist am Bildschirm ausgewertet.
Verwandte und abgeleitete Methoden Durch Mittelwertbildung von EEG-Abschnitten, die bestimmten Stimuli folgen, werden evozierte Potentiale und ereigniskorrelierte Potentiale abgeleitet. Hierbei ist teilweise eine größere Bandbreite und Empfindlichkeit der Verstärker nötig, insbesondere bei den Frühen Akustisch Evozierten Potentialen.
Ein anderes Verfahren zur Messung von Hirnströmen, das ebenfalls eine vielfältige Anwendung in der Medizintechnik findet, ist die Indizierung der Gehirnströme anhand ihres Magnetfeldes, welches mithilfe der SQUID-Technologie vermessen wird (siehe auch Magnetoenzephalographie).
EEG-Frequenzbänder und Graphoelemente Die makroskopisch sichtbare elektrische Hirnaktivität kann Motive aufweisen, die rhythmischer Aktivität gleichen. Grundsätzlich gleicht das EEG jedoch dem 1/f-Rauschen und enthält keine lang andauernden Oszillationen.
Verschiedene Wachheitsgrade werden von Änderungen des Frequenzspektrums der EEG-Signale begleitet, sodass sich durch eine Analyse der gemessenen Spannungskurven vage Aussagen über den Bewusstseinszustand treffen lassen.
Häufig wird das EEG in Frequenzbänder (sogenannte EEG-Bänder) eingeteilt, wobei die Anzahl von Bändern wie auch die genaue Einteilung von verschiedenen Autoren verschieden angegeben werden. Die Einteilung der Frequenzbänder und deren Grenzen sind historisch bedingt und decken sich nicht durchgehend mit Grenzen, die aufgrund modernerer Untersuchungen als sinnvoll gelten. So wurde beispielsweise das Theta-Band in einen Bereich Theta 1 und Theta 2 aufgeteilt, um den unterschiedlichen Bedeutungen der Teilbereiche Rechnung zu tragen. Im Neurofeedback wird der Bereich 12 bis 15 Hz auch als SMR-Band (Sensorimotor Rhythm) bezeichnet.
mini|hochkant=1.5|EEG-Signal von einer Sekunde Dauer Die EEG-Auswertung erfolgt traditionell durch Mustererkennung des geschulten Auswerters. Insbesondere für Langzeit- und Schlaf-EEGs werden auch Software-Algorithmen zur assistierten oder automatischen Auswertung eingesetzt, die diese Mustererkennung nachbilden sollen. Dies gelingt einfacher für die hauptsächlich im Frequenzbereich definierten EEG-Bänder, etwas schwieriger für sonstige Graphoelemente, typische Muster im EEG.
So deutet z. B. ein sehr asynchrones Muster aller Frequenzbänder auf starke emotionale Belastung oder Verlust der willentlichen Kontrolle hin, während vermehrt langsame Wellen bei gleichzeitig wenigen schnellen Wellen auf einen Schlaf- oder einen Döszustand hinweisen.
Delta-Wellen mini|hochkant=1.5|Delta-Wellen Delta-Wellen weisen eine niedrige Frequenz von 0,1 bis <4 Hz auf. Sie sind typisch für die meist traumlose Tiefschlafphase (N3, SWS). Bei Säuglingen sind sie auch im Wach-EEG physiologisch. Bei älteren Kindern können sie in den normalen occipitalen Grundrhythmus eingelagert (, ) und so unter Umständen bis in das junge Erwachsenenalter anzutreffen sein. Unter pathologischen Bedingungen treten sie auch im Wachzustand fokal (umschrieben) oder generalisiert (diffus) auf und zeigen dann eine Hirnfunktionsstörung oder Hirnläsion an. Beispiele sind Delta-(Theta-)Herde bei umschriebenen tiefliegenden Hirnläsionen (z. B. Hirnblutung, Hirninfarkt, Hirntumor), die frontale, intermittierende Delta-Aktivität (FIRDA) im Rahmen von Hirnfunktionsstörungen und die temporale, intermittierende Delta-Aktivität bei Temporallappenepilepsien (Schläfenlappen-Epilepsien).
Theta-Wellen mini|hochkant=1.5|Theta-Wellen Als Theta-Welle wird ein Signal im Frequenzbereich zwischen 4 und <8 Hz bezeichnet. Theta-Wellen treten vermehrt bei Schläfrigkeit und in den leichten Schlafphasen N1 und N2 auf. Im Wachzustand sind sie bei Kleinkindern physiologisch normal. Bei jungen, gesunden Erwachsenen sind diese häufig im niedrigamplitudigen Bereich (< 30 µV) anzutreffen. Bei Erwachsenen können sie auf eine Hirnfunktionsstörung oder eine Hirnläsion hinweisen (s. Delta-Wellen).
Alpha-Wellen mini|hochkant=1.5|Alpha-Wellen Als Alpha-Welle wird ein Signal im Frequenzbereich zwischen 8 und <13 Hz bezeichnet. Ein verstärkter Anteil von Alpha-Wellen wird mit leichter Entspannung bzw. entspannter Wachheit, bei geschlossenen Augen, assoziiert. Alpha-Wellen werden als emergente Eigenschaft betrachtet. Alpha-Wellen treten hauptsächlich bei geschlossenen Augen auf und werden mit dem Öffnen der Augen durch Beta-Wellen ersetzt (Berger-Effekt). Den gleichen Effekt erreicht man bei geschlossenen Augen, wenn man z. B. eine einfache Rechenaufgabe im Kopf zu lösen beginnt.
Beta-Wellen
mini|hochkant=1.5|Beta-Wellen Als Beta-Welle wird ein Signal im Frequenzbereich zwischen 13 und etwa 30 Hz bezeichnet. Das Auftreten von Beta-Wellen hat verschiedene Ursachen und Bedeutungen, z. B. kommen Beta-Wellen bei etwa 8 % aller Menschen als normale EEG-Variante vor. Beta-Wellen entstehen aber auch als Folge der Einwirkung bestimmter Psychopharmaka oder des REM-Schlafs. Physiologisch treten β-Oszillationen außerdem z. B. beim konstanten Anspannen eines Muskels oder bei aktiver Konzentration auf. Dies kann bei ungenügend entspannten Patienten die Unterscheidung zwischen Beta-Wellen und Muskelartefakten schwierig machen.
Gamma-Wellen