Elektroenzephalographie (EEG): Methoden zur Messung von Gehirnströmen in der Neurologie

Die Elektroenzephalographie (EEG) ist eine nicht-invasive Methode zur Messung der elektrischen Aktivität des Gehirns. Dabei werden Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche aufgezeichnet, um die Hirnaktivität zu überprüfen. Sie ist eine bewährte und unkomplizierte Untersuchungsmethode, mit der Auffälligkeiten erkannt werden können, die auf neurologische Erkrankungen wie Epilepsien, Schlafstörungen oder auch Durchblutungsstörungen hindeuten können.

Grundlagen des EEGs

Das EEG ist eine Methode, um die elektrische Aktivität des Gehirns an der Schädeloberfläche aufzuzeichnen. Die elektrische Aktivität großer Neuronenverbände lässt sich mit Oberflächenelektroden von der Kopfschwarte ableiten. Hierzu sind definierte Elektrodenpositionen erforderlich, die durch das 10-20-System vorgegeben werden. Es wird der Abstand von dem einen präaurikulären Punkt (vor dem Tragus) über den Vertex bis zum anderen präaurikulären Punkt sowie von Nasion zu Inion jeweils als 100 % definiert und die jeweilige Elektrodenposition in 10 %- bzw. 20 %-Schritten reproduzierbar festgelegt. Die Konvention legt fest, dass die Elektroden über der linken Kopfhälfte mit ungeraden Zahlen und die über der rechten Kopfhälfte mit geraden Zahlen bezeichnet werden. Zur Positionierung der Elektroden muss die Haut vorbereitet werden, um die Übergangswiderstände zu reduzieren. Zweckmäßigerweise verwendet man hierzu eine Sandpaste und etwas Alkohol, außerdem werden die Ag/AgCl-Pilzelektroden mit NaCl-Lösung getränkt oder Disk-Elektroden mit einer speziellen Elektrodenpaste gefüllt.

Die Ableitung erfolgt in unipolaren und bipolaren Schaltungen. Bei Ersteren werden die einzelnen differenten Elektroden gegenüber einer nicht über der Schädeloberfläche liegenden Referenzelektrode - meist den Ohrelektroden A1 und A2 - geschaltet. Bei der bipolaren Verschaltung werden zwei Elektroden über aktiven Kortexarealen gegeneinander verschaltet. Die Programme sollten mindestens 8, besser jedoch 16 Kanäle plus einen zusätzlichen EKG-Kanal umfassen. Sie bestehen aus symmetrischen Verschaltungen der Elektroden, die meist eine Zusammenfassung in Längs- und Querreihen erlauben.

Wann wird ein EEG durchgeführt?

In der Neurologie dient das EEG vor allem der Überprüfung der Gehirnaktivität, die bei verschiedenen Erkrankungen des Gehirns gestört sein kann. Ein EEG wird zum Beispiel bei Verdacht auf eine Nervenerkrankung wie etwa Epilepsie oder bei Hirnschädigungen aufgezeichnet. Manchmal wird während Operationen damit die Narkose überwacht. Auf Intensivstationen oder in einem Schlaflabor kann es Auskunft über die Hirnfunktion geben. Mit einem EEG lässt sich außerdem der Hirntod eines Menschen feststellen. Früher spielte das EEG auch bei der Diagnose von Schlaganfällen oder Hirntumoren eine wichtige Rolle.

Indikationen für ein EEG

• Diagnostik von Epilepsien
• Überprüfung der Gehirnaktivität bei neurologischen Erkrankungen
• Auskunft über die Hirnfunktion auf Intensivstationen oder in Schlaflaboren
• Überwachung der Narkose während Operationen
• Feststellung des Hirntods

Vorbereitung und Durchführung eines EEGs

Für ein Routine-EEG sind bis zu 21 Elektroden notwendig, die meist in einer Art Haube eingearbeitet sind. Die Elektroden werden mit einem Kontaktgel eingestrichen, nach einem standardisierten Schema auf der Kopfhaut der Patientin oder des Patienten befestigt und über Kabel verbunden. Die Haare sollten gewaschen sein und ohne Rückstände von Produkten wie Festiger, Gel oder Haarspray. Gemessen wird in entspannter, möglichst ruhiger Haltung im Liegen oder Sitzen. Während der Untersuchung gibt eine medizinische Fachkraft Anweisungen, zum Beispiel die Augen zu öffnen oder heftig ein- und auszuatmen. Manchmal werden auch bestimmte Reize wie flackerndes Licht eingesetzt, um die Hirnaktivität anzuregen. Die ganze Messung dauert in der Regel nicht länger als 20 bis 30 Minuten.

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Ablauf eines Routine-EEGs

1. Der Patient nimmt eine entspannte Haltung im Sitzen oder Liegen ein.
2. Eine Haube mit Elektroden wird auf den Kopf gesetzt.
3. Die Elektroden werden mit Kontaktgel bestrichen und an der Kopfhaut befestigt.
4. Die Hirnströme werden über einen Monitor aufgezeichnet.
5. Der Patient erhält Anweisungen, wie zum Beispiel die Augen zu öffnen oder Rechenaufgaben zu lösen.

Spezielle EEG-Methoden

Neben dem Routine-EEG gibt es noch weitere spezielle EEG-Methoden, die je nach Fragestellung eingesetzt werden.

• Schlaf-EEG: Hierbei wird die Hirnaktivität über die gesamte Schlafdauer gemessen und aufgezeichnet. Häufig erfasst der Arzt dabei auch die Augenbewegungen, die Muskelaktivität und die Herzfrequenz des Schlafenden.
• Langzeit-EEG: Hierbei wird die Hirnaktivität über 24 oder 48 Stunden gemessen. Dazu erhält der Patient einen tragbaren Rekorder, der am Körper befestigt wird. Während der Langzeitaufzeichnung protokolliert der Patient alle Vorkommnisse, damit der Arzt sie mit Veränderungen der Hirnaktivität in Zusammenhang bringen kann.
• Provokations-EEG: Hierbei wird ein epileptischer Anfall provoziert. Dazu setzt der Neurologe drei verschiedene Methoden ein: Hyperventilation (Mehratmung), Photostimulation und Schlafentzug.

Auswertung und Befundung des EEGs

Die Ärzt:innen der Neurologie beurteilen das EEG nach Form, Frequenz und Amplitude der Wellen. Ein allgemein verlangsamter Grundrhythmus bei erwachsenen, wachen Patienten tritt zum Beispiel bei Vergiftungen, Koma oder Gehirnentzündung auf. Ein sogenannter Herdbefund, also eine örtlich begrenzte Veränderung der Hirnaktivität, spricht hingegen für Tumore oder Hirnschäden durch Verletzungen (Schädel-Hirn-Trauma). Herdbefunde werden oft zusätzlich mitels Kernspintomografie (Magnetresonanztomografie, MRT) abgeklärt.

Physiologische Wellen im EEG

Je nach Wachheitsgrad unterscheidet man verschiedene Muster (Graphoelemente) im Elektroenzephalogramm, die keinen Krankheitswert haben:

• Alpha-Wellen (acht bis zwölf Hertz): wacher, entspannter Erwachsener mit geschlossenen Augen
• Beta-Wellen (13 bis 30 Hertz): wacher Erwachsener mit geöffneten Augen und bei geistiger Tätigkeit
• Theta-Wellen (vier bis sieben Hertz): starke Müdigkeit, beim Einschlafen
• Delta-Wellen (0,5 bis drei Hertz): Tiefschlaf

Öffnet der Patient die Augen oder konzentriert sich auf eine Aufgabe, findet ein Wechsel vom Alpha-EEG zum Beta-EEG statt. Dies wird als Berger-Effekt oder auch Arousal-Reaktion bezeichnet. Neugeborene und Kinder zeigen statt des genannten Musters langsame und eher unregelmäßige Wellen.

Pathologische EEG-Veränderungen

Pathologische EEG-Veränderungen lassen sich grundsätzlich anhand ihres örtlichen Auftretens in generalisierte oder fokale Störungen und anhand der auftretenden Graphoelemente unterteilen.

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Generalisierte Veränderungen

Liegt beim wachen Erwachsenen bei geschlossenen Augen eine Verlangsamung des Grundrhythmus unter 8 Hz vor, so spricht man von einer Allgemeinveränderung (AV). Bei der leichten Allgemeinveränderung findet man in einem langsamen α-Rhythmus häufig eingestreute rasche ϑ-Aktivität um 6-7 Hz und eine fehlende Reagibilität bei Augenöffnung bzw. -schluss. Mit zunehmender Dominanz der ϑ-Wellen, dann mit Frequenzen von 4-7 Hz, sowie Einlagerung von wenigen frontotemporalen δ-Wellen geht die leichte Allgemeinveränderung in die mittelschwere AV und bei ganz vorherrschendem Bild von δ-Wellen in eine schwere AV über. Typische Ursachen einer Allgemeinveränderung sind degenerative und entzündlich bedingte, diffuse Hirnerkrankungen, Intoxikationen und metabolische Entgleisungen (z. B.

Zu den epilepsietypischen Potenzialen (spezifisch epileptiformen Potenzialen) zählen sog. Sharp waves, Sharp-slow waves, Spikes, Polyspikes und Spike-wave-Komplexe.

Fokale Veränderungen

Unter herdförmigen Veränderungen fasst man das Auftreten pathologischer Wellenformen oder Graphoelemente in einem umschriebenen Bereich des Oberflächen-EEG zusammen. Sie können lokalisatorischer Hinweis auf pathologische Gehirnareale, z. B. bei einem Tumor oder Hamartom oder einem zerebralen Infarkt, sein. Ein Herdbefund besteht zumeist aus langsamen Wellen des ϑ-oder δ-Spektrums, welche nur vereinzelt, diskontinuierlich oder kontinuierlich in einigen Elektrodenpositionen vorhanden sein können. In der Beschreibung des Herdbefundes sollte die Reagibilität der Veränderungen auf Augenöffnen bzw. -schluss und Hyperventilation als Hinweis auf den Schweregrad erwähnt werden. Unter Berücksichtigung des Amplitudenmaximums in den verschiedenen Ableiteprogrammen lässt sich schließlich der Fokus eingrenzen.

Besonders hilfreich sind die bipolaren Schaltungen, wenn eine Phasenumkehr zwischen zwei Kanälen den Fokus genau unter die den beiden Kanälen gemeinsame Elektrode lokalisieren lässt. Sie entsteht dadurch, dass das in einer Region generierte hirnelektrische Potenzial im ersten Kanal auf den zu subtrahierenden Eingang und im zweiten Kanal auf den Eingang gelegt wird, von dem dann subtrahiert wird. Weitaus seltener kann eine α-Reduktion oder eine α-Aktivierung über einem Hirnareal einen Herdbefund anzeigen. Die α-Aktivierung mit Amplitudenerhöhung wird am häufigsten über Knochenlücken, z. B.

Provokationsmethoden

Als einfachste Provokationsmethode ist die Reagibilität auf Augenöffnung/-schließung zu werten. Eine weitere, leicht durchführbare Methode stellt die Hyperventilation (HV) über 5 min dar, unter der oftmals herdförmige Verlangsamungen oder auch epilepsietypische Potenziale deutlicher oder erstmalig hervortreten können. Unter der Photostimulation versteht man die Applikation von Stroboskopblitzen mit variabler Frequenz bei geschlossenen Augen. Gerade bei idiopathischen Epilepsien können Spikes oder Spike-wave-Komplexe hervorgerufen werden, die im Ausgangs-EEG nicht vorhanden waren (photosensible Reaktion). Persistieren diese über das Ende der Photostimulation hinaus, spricht man von einer photokonvulsiven Reaktion. Die photomyoklonische Reaktion ist eine manchmal zu beobachtende physiologische Reaktion, bei der Muskelartefakte durch rhythmische Lidzuckungen in die frontalen bis frontotemporalen Ableitepunkte symmetrisch einstreuen und die nach Beendigung der Blitzserie sofort sistieren. Ebenso ist das „photic driving“ ein häufig beobachtetes physiologisches Phänomen; hierbei kommt es zu einer Synchronisation der okzipitalen Grundaktivität mit der Blitzfrequenz über bestimmte Frequenzbereiche hinweg.

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Schlaf-EEG

Hierbei bedient man sich der bekannten Tatsache, dass manche Epilepsieformen sich nur im Schlaf oder nach einer Phase des Schlafentzugs manifestieren. In der Klinik wird der Schlafentzug meist für eine komplette Nacht durchgeführt, nachdem der Patient zuletzt am Nachmittag vor der Untersuchung schlafen durfte; die EEG-Ableitung erfolgt dann direkt am nachfolgenden Morgen. Es kann auch eine kürzere Zeit des Schlafentzugs von 4-5 h in den frühen Morgenstunden ausreichend sein, wenn die EEG-Ableitung dann am Nachmittag erfolgt. Wichtig ist, dass der Patient bei der Ableitung nach einer Phase der entspannten Wachheit tatsächlich für längere Zeit (20-30 min) einschläft. Zumeist wird bei diesem Schlaf nur das Stadium des leichten Schlafes (Stadium 2) erreicht. Auch die anschließende Aufwachphase sollte aufgezeichnet und die Untersuchung noch durch HV-Phase und Photostimulationsphase ergänzt werden. Der normale Schlaf läuft zyklisch in Stadien unterschiedlicher Schlaftiefe ab, die durch EEG-Merkmale charakterisiert werden können. Die Stadien werden in regelhafter Abfolge durchlaufen und zyklisch wiederholt und zunächst grob anhand des Vorkommens von raschen unregelmäßigen Augenbewegungen in Non-REM- und REM-Phasen (REM = „rapid eye movements“) eingeteilt. Im Laufe einer Nacht werden mehrere Zyklen durchlaufen, wobei Dauer und Auftreten der Tiefschlafphasen im Verlauf der Nacht abnehmen zu Gunsten vermehrter REM-Phasen gegen Ende der Schlafenszeit.

EEG in der Hirntoddiagnostik

Ein besonderes Indikationsgebiet stellt der Einsatz des EEG in der Diagnostik zur Feststellung des irreversiblen Hirnfunktionsausfalls (Hirntoddiagnostik) dar. Unter geeigneten klinischen Voraussetzungen ist das EEG eine wichtige Methode zum Nachweis der Irreversibilität des Funktionsverlustes des gesamten Gehirns.

Moderne Entwicklungen in der EEG-Technologie

Die Routine-EEG-Untersuchungen werden heute durch aufwendigere Verfahren ergänzt. Simultane Video-EEG-Aufzeichnungen im Doppelbildverfahren erlauben die Zuordnung von klinischen Phänomenen zu der entsprechenden hirnelektrischen Aktivität und ermöglichen eine bessere Beurteilung klinisch schwieriger Bilder, wie z. B. komplex-partieller Anfälle. Langzeit-EEG-Untersuchungen mit simultaner Videodokumentation können mit moderner Computertechnik trotz der großen anfallenden Datenmenge heutzutage in übersichtlicher Form bewältigt und ausgewertet werden. Diese Verfahren finden besonders bei der Frage nach einem möglicherweise operativ therapierbaren epileptogenen Fokus in der prächirurgischen Diagnostik therapierefraktärer Epilepsien Anwendung. Unter diesen Umständen wird als Provokationsmaßnahme ein kontrollierter Medikamentenentzug durchgeführt, über den der Patient speziell aufgeklärt werden muss. Oft werden dann auch subdurale Streifenelektroden temporär implantiert, sodass aufgrund des gemessenen Elektrokortikogramms eine genauere Topodiagnostik möglich wird.

Magnet-Enzephalographie (MEG)

Um die Nervenzellen bei ihrer „gedankenschnellen“ Arbeit beobachten zu können, ohne Elektroden direkt ins Gehirn zu legen, haben sich zwei Technologien mit hoher Zeitauflösung etabliert: die Elektro-Enzephalographie (EEG) und die Magnet-Enzephalographie (MEG). Mit der optimierten MEG-Technologie haben wir jetzt ein grundlegendes Instrument mehr in unserem neurowissenschaftlichen WerkzeugkastenLangsame Ströme - sogenannte postsynaptische Potenziale - entstehen, wenn Nervenzellen Signale von anderen Nervenzellen empfangen. Feuern sie dagegen selbst und geben damit Informationen an nachgeschaltete Neuronen oder auch Muskeln weiter, verursacht das schnelle Ströme mit einer Dauer von nur einer Tausendstelsekunde: die sogenannten Aktionspotenziale. „Von außen konnten wir Nervenzellen bisher also nur beim Empfangen, nicht aber beim Weiterleiten von Informationen nach einem einzelnen Sinnesreiz beobachten“, erläutert Dr. Gunnar Waterstraat von der Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie am Charité Campus Benjamin Franklin. „Man könnte sagen: Wir waren gewissermaßen auf einem Auge blind.“ Ein Team um Dr. Waterstraat und Dr. Rainer Körber von der PTB hat jetzt die Grundlage dafür gelegt, dass sich das ändert. Der interdisziplinären Forschungsgruppe ist es gelungen, die MEG-Technologie so empfindlich zu machen, dass sie auch schnelle Hirnströme als Antwort auf einzelne Sinnesreize erkennen kann. Das erreichte das Team, indem es das Eigenrauschen des MEG-Geräts deutlich reduzierte. „Die Magnetfeld-Sensoren in einem MEG-Gerät werden in flüssiges Helium getaucht, um sie auf -269°C zu kühlen“, erklärt Dr. Körber. „Dazu ist das Kühlgefäß sehr aufwendig isoliert. Diese Superisolierung besteht allerdings aus mit Aluminium bedampften Folien, die selbst ein magnetisches Rauschen verursachen und deshalb kleine Magnetfelder beispielsweise von Nervenzellen überlagern. Wir haben die Superisolierung des Kühlgefäßes jetzt so konstruiert, dass dessen Rauschen nicht mehr messbar ist. So ist es uns gelungen, die MEG-Technologie um das Zehnfache empfindlicher zu machen.“

Dass das neue Instrument tatsächlich in der Lage ist, schnelle Hirnströme zu erfassen, zeigte das Forschungsteam am Beispiel der Reizung eines Armnervs. Dazu wurde ein Nerv am Handgelenk bei vier gesunden Probanden elektrisch stimuliert und der MEG-Sensor unmittelbar über dem Hirnareal positioniert, das für die Verarbeitung von Sinnesreizen der Hand verantwortlich ist. Um Störquellen wie Stromnetze oder elektronische Bauteile auszuschließen, fanden die Messungen in einer elektromagnetisch abgeschirmten Messkammer der PTB statt. Wie die Forschenden feststellten, ließen sich so Aktionspotenziale einer kleinen Gruppe synchron aktivierter Neurone messen, die in der Hirnrinde in Antwort auf einzelne Stimulationsreize entstanden. „Wir haben also das erste Mal nichtinvasiv den Nervenzellen im Gehirn beim Senden von Informationen nach einem Berührungsreiz zugeschaut“, betont Dr. Waterstraat. „Interessanterweise konnten wir dabei beobachten, dass diese schnellen Hirnströme trotz konstanter Stimulation nicht gleichförmig sind, sondern sich von Reiz zu Reiz verändern. Diese Veränderungen waren zudem unabhängig von den langsamen Hirnsignalen. Die Information über eine Berührung der Hand wird vom Gehirn also erstaunlich variabel verarbeitet, obwohl alle Nervenreize gleichartig waren.“

Dass die Wissenschaftler jetzt einzelne Reizantworten miteinander vergleichen können, eröffnet der neurologischen Forschung die Möglichkeit, bisher ungeklärte Fragen zu untersuchen: Welchen Einfluss haben Faktoren wie Aufmerksamkeit oder Müdigkeit auf die Informationsverarbeitung im Gehirn? Oder das zeitgleiche Auftreten weiterer Reize? Auch zu einem tieferen Verständnis und einer besseren Therapie neurologischer Erkrankungen könnte das hochempfindliche MEG-System beitragen. Beispielsweise sind die Epilepsie und das Parkinson-Syndrom unter anderem mit Störungen der schnellen Hirnsignale verbunden. „Mit der optimierten MEG-Technologie haben wir jetzt ein grundlegendes Instrument mehr in unserem neurowissenschaftlichen Werkzeugkasten, um all diese Fragen nichtinvasiv zu adressieren“, sagt Dr.

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