• Vorklinik
  • Physikum-Fokus

Neurophysiologische Untersuchungen und Schlaf

Abstract

Neurophysiologische Untersuchungsverfahren werden eingesetzt, um Informationen bezüglich der Funktion des Nervensystems zu erhalten. Das am häufigsten verwendete Verfahren ist die Elektroenzephalographie (EEG), bei der kortikale Potentialschwankungen 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 Potentiale). Diese ereigniskorrelierten Potentiale 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 Magnetresonanztomographie (fMRT).

Elektroenzephalographie (EEG)

  • Definition: Ableitung der summierten kortikalen Potentialschwankungen
  • 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 Potentialschwankungen dann nach auffälligen Mustern durchsuchen
    • Die grundlegenden Potentialschwankungen im Schlaf- und im Wachzustand ohne Reizeinwirkung (d.h. „spontan“) werden als Spontan-EEG bezeichnet
  • Hintergrund
    • Die abgeleiteten Potentialschwankungen entsprechen den EPSPs (= exzitatorischen postsynaptischen Potentialen) und IPSPs (= inhibitorischen postsynaptischen Potentialen) der Pyramidenzellen
    • Per Definition entspricht:
      • Eine positive Potentialschwankung einem nach unten gerichteten Ausschlag im EEG: Diese wird entweder durch EPSPs in tiefen Rindenschichten oder durch IPSPs in oberflächlichen Schichten verursacht
      • Eine negative Potentialschwankung 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
    • Potentialunterschiede werden zwischen je zwei Elektroden abgeleitet und als EEG-Linien aufgezeichnet
    • EEG-Linien sind benannt nach den zwei Ableitungen, deren Potentialunterschied 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 Potentialunterschied zwischen der linken okzipitalen und der linken parietalen Ableitung
  • Klinische Anwendung
  • Interpretation
    • Erfolgt anhand der Frequenz der verschiedenen Wellentypen
    • Als Faustregel gilt: Hohe Frequenzen spiegeln starke neuronale Aktivität wieder, und je höher die Frequenz, desto kleiner die Amplitude
Physiologische Wellentypen im EEG und ihr Vorkommen

Wellentyp

Frequenz Vorkommen

Alpha-Wellen

8–12 Hz Im Wachzustand bei geschlossenen Augen
Beta-Wellen 13–30 Hz Im wachen, aufmerksamen Zustand bei geöffneten Augen
Gamma-Wellen >30 Hz Im wachen Zustand bei starker Konzentration
Delta-Wellen (EEG) 0,1–4 Hz

Im traumlosen Tiefschlafstadium (Stadium N3 bzw. Stadium III und IV, sog. Slow-Wave-Sleep)

Theta-Wellen 4–8 Hz

Bei Schläfrigkeit und in leichteren Schlafstadien, sog. "Zwischenwellen"

Drei-Träume-ABC“: δ3 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: α-Wellen und δ-Wellen)
      • Synchronisationsmechanismus: Es gibt einen subkortikalen Schrittmacher: Thalamus → Dieser erzeugt synchrone Schrittmacherpotentiale → 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: β-Wellen und γ-Wellen)
      • Desynchronisationsmechanismus: Es gibt ein Kontrollzentrum, das den Informationsfluss vom Thalamus zum Kortex reguliert: Sog. ARAS → Dieses hemmt das Schrittmacherpotential des Thalamus → Abnehmende Synchronität des Kortex

Ereigniskorrelierte und evozierte Potentiale

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

Ereigniskorrelierte Potentiale (EKP)

  • Kurzbeschreibung: Im EEG messbare, kortikale Potentialunterschiede, die entweder durch einen Reiz (akustisch, visuell, somatisch) ausgelöst werden, oder reizunabhängig sind und kognitive Verarbeitungsprozesse widerspiegeln (z.B. Aufregung, Aufmerksamkeit oder subjektives Interesse an einem Stimulus).
  • Messprinzip: Die EKP-Wellen (sog. Komponenten) sind viel kleiner als die des Spontan-EEGs und lassen sich nur durch sog. Summationstechniken darstellen
  • Auswertung: Die EKPs werden nach Amplitude (Größe und Polarität), Latenzzeit und Topographie charakterisiert.
  • Prominente EKPs: Die Klassifikation der EKPs ist sehr komplex und mitunter nicht einheitlich. Einige Autoren unterscheiden endogene von exogenen EKPs - andere unterscheiden frühe von späten EKPs.
    • Endogene EKPs: Lassen sich durch psychische Erregungszustände beeinflussen
    • Exogene EKPs: Lassen sich durch äußere/physikalische Zustände beeinflussen und werden auch als „frühe Potentiale“ bezeichnet
    • Bereitschaftspotential: Lässt sich etwa 1s vor einer geplanten Willkürbewegung (bspw. Tippen des Zeigefingers) bilateral in ausgedehnten Bereichen des präzentralen und parietalen Kortex messen
    • Contingent negative variation (= Erwartungspotential): Negative Potentialschwankung, die in Erwartung eines imperativen Reizes auftritt
    • P300: Positive Potentialverschiebung, die sich typischerweise ca. 300ms nach einem Reiz bilateral in den parietalen Kortexbereichen nachweisen lässt

Klinische Anwendung der EKPs: Evozierte Potentiale

  • Kurzbeschreibung: Eine Form der EKPs (also kortikale Potentialschwankungen), die durch die spezifische Reizung eines Sinnesorgans oder peripheren Nerven ausgelöst und mittels EEG gemessen werden. Je nachdem, welches System gereizt wird, spricht man von visuell, akustisch, somatosensibel oder motorisch evozierten Potenzialen.
  • Auswertung: Bei Pathologien kann es zu einer verlangsamten Leitung von Aktionspotentialen im Nerven kommen → Stellen sich als Latenzverlängerungen und/oder Amplitudenabnahme dar
Durchführung - Reizbeispiele Indikation - Verdacht auf:
Visuell evozierte Potenziale
(VEP)
  • Lichtimpulse
  • Schachbrettmuster
Akustisch evozierte Potenziale
(AEP)
  • Akustische Reize, die über Kopfhörer vermittelt werden
  • Retrokochleäre Störungen
  • Neugeborenen-Screening
  • Ggf. Hirntoddiagnostik
Somatosensibel evozierte Potenziale
(SEP)
  • Demyelinisierung (z.B. bei MS) und axonale Schädigung
Motorisch evozierte Potenziale
(MEP)
  • Transkranielle Magnetstimulation des motorischen Kortex

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)

  • 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 Computertomographie). 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 codiert 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

Schlaf

Schlafphasen und -stadien

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

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
  • 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).

Schlafphasen und -stadien im Überblick

Phasen und Stadien

Erläuterung EEG-Befund
Wach
  • Entspannter Wachzustand

Stadium I

Stadium N1 der Non-REM-Phase

  • Einschlafphase
    • Reduktion der Muskelspannung, Muskelzucken
    • Traumartige Erscheinungen
    • Kurze Wachperioden

Stadium II

Stadium N2 der Non-REM-Phase

  • Schlafbeginn
    • Zunehmende Weckschwelle

Stadium III

Stadium N3 der Non-REM-Phase

  • Übergang in den Tiefschlaf
    • Zunehmende Weckschwelle
    • Weitere Reduktion der Muskelspannung

Stadium IV

Stadium N3 der Non-REM-Phase

  • Tiefschlafstadium
    • Hohe Weckschwelle
    • Maximale Reduktion der Muskelspannung
REM-Phase
  • "Traumschlaf"
    • Hohe Weckschwelle, trotz ähnlicher EEG-Aktivität wie im Wachzustand → Daher auch paradoxer Schlaf
    • Maximale Reduktion der Muskelspannung bei gleichzeitig hoher Aktivität der Augapfelmuskulatur
    • Aktivierung der vegetativen Funktionen
    • Hohe Traumaktivität
    • Dauer: 10–30 Minuten
      • Die Dauer und damit der Anteil der REM-Schlafphasen nimmt im Verlauf der Nacht zu

Schlafen im Verlauf des Lebens

  • Im Verlauf des Lebens
    • 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 (zirka = ungefähr, dian= Tag). Hierfür besitzt der Körper eine sog. "innere Uhr".

Wiederholungsfragen zum Kapitel Neurophysiologische Untersuchungen und Schlaf

Elektroenzephalographie (EEG)

Was bezeichnet man als Spontan-EEG?

Welche Potentialschwankungen welcher Zellen werden im EEG genau gemessen?

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

In welchem Zustand können α-Wellen 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 Potentiale

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

Was versteht man unter einem Bereitschaftspotential?

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

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

Wie werden evozierte Potentiale klinisch genutzt?

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)

Was wird bei einem fMRT dargestellt? Welches Prinzip liegt diesem zugrunde?

Nenne Vorteile des fMRTs!

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!