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Neurophysiologische Untersuchungen und Schlaf

Letzte Aktualisierung: 2.5.2022

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Neurophysiologische Untersuchungsverfahren werden eingesetzt, um Informationen bezüglich der Funktion des Nervensystems zu erhalten. Das am häufigsten verwendete Verfahren ist die Elektroenzephalografie (EEG), bei der kortikale Potenzialschwankungen 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 Potenziale). Diese ereigniskorrelierten Potenziale 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 Magnetresonanztomografie (fMRT).

  • Definition: Ableitung der summierten kortikalen Potenzialschwankungen
  • 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 Potenzialschwankungen dann nach auffälligen Mustern durchsuchen
    • Die grundlegenden Potenzialschwankungen im Schlaf- und im Wachzustand ohne Reizeinwirkung (d.h. „spontan“) werden als Spontan-EEG bezeichnet
    • DC-Potenziale: Besonders langsame, komplexe und störanfällige Schwankungen, die für das klassische EEG herausgefiltert werden
      • Als Korrelat der generellen Hirnaktivität sind sie jedoch für speziellere Fragestellungen interessant
  • Hintergrund
    • Die abgeleiteten Potenzialschwankungen entsprechen den EPSPs (= exzitatorischen postsynaptischen Potenzialen) und IPSPs (= inhibitorischen postsynaptischen Potenzialen) der Pyramidenzellen
    • Per Definition entspricht:
      • Eine positive Potenzialschwankung einem nach unten gerichteten Ausschlag im EEG: Diese wird entweder durch EPSPs in tiefen Rindenschichten oder durch IPSPs in oberflächlichen Schichten verursacht
      • Eine negative Potenzialschwankung 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
    • Potenzialunterschiede werden zwischen je zwei Elektroden abgeleitet und als EEG-Linien aufgezeichnet
    • EEG-Linien sind benannt nach den zwei Ableitungen, deren Potenzialunterschied 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 Potenzialunterschied 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

Alphawellen

8–12 Hz Im Wachzustand bei geschlossenen Augen
  • Alphablockade (Berger-Effekt): Physiologisches Phänomen, bei dem der Alpharhythmus durch Augenöffnen oder starke Konzentration blockiert wird (Übergang in Betawellen)
Betawellen 13–30 Hz Im wachen, aufmerksamen Zustand bei geöffneten Augen
Gammawellen >30 Hz Im wachen Zustand bei starker Konzentration
Deltawellen (EEG) 0,1–4 Hz

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

Thetawellen 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: Alphawellen)
      • Synchronisationsmechanismus: Es gibt einen subkortikalen Schrittmacher: Thalamus → Dieser erzeugt synchrone Schrittmacherpotenziale → 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: Betawellen)
      • Desynchronisationsmechanismus: Es gibt ein Kontrollzentrum, das den Informationsfluss vom Thalamus zum Kortex reguliert: Sog. ARAS → Dieses hemmt das Schrittmacherpotenzial des Thalamus → Abnehmende Synchronität des Kortex

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

Ereigniskorrelierte Potenziale (EKP)

  • Definition: Im EEG messbare kortikale Potenzialveränderungen, die in reproduzierbarer zeitlicher Korrelation zu einem erkennbaren und ebenfalls reproduzierbaren Ereignis auftreten und dessen sensorische und kognitive Verarbeitung (z.B. Erwartung, Aufmerksamkeit, Entscheidung, Antwortvorbereitung) widerspiegeln.
  • Messprinzip: Die EKP-Wellen (sog. Komponenten) sind viel kleiner als die des Spontan-EEG und lassen sich nur durch sog. Summationstechniken darstellen
  • Auswertung: Die EKPs werden nach Amplitude (Größe und Polarität), Latenzzeit und Topografie charakterisiert.
  • Prominente EKPs, z.B.
    • Exogene EKPs: Spiegeln hauptsächlich die sensorische Reizverarbeitung wider und werden auch als frühe Potenziale bezeichnet
      • N100: Negative Potenzialverschiebung, die sich typischerweise ca. 100 ms nach einem meist akustischen Reiz nachweisen lässt
    • Endogene EKPs: Spiegeln hauptsächlich die kognitive Reizverarbeitung wider und werden auch als späte Potenziale bezeichnet
      • P300: Positive Potenzialverschiebung, die sich typischerweise ca. 300 ms nach einem Reiz bilateral in den parietalen Kortexbereichen nachweisen lässt
    • Bereitschaftspotenzial: Lässt sich etwa 1 s vor einer geplanten Willkürbewegung (bspw. Tippen des Zeigefingers) bilateral in ausgedehnten Bereichen des präzentralen und parietalen Kortex messen
    • Contingent negative variation (Erwartungspotenzial): Negative Potenzialschwankung, die in Erwartung eines imperativen Reizes auftritt

Klinische Anwendung der EKPs: Evozierte Potenziale (EPs)

  • Definition: Reduzierte Form der EKPs, die nur die sensorische Komponente der Verarbeitung eines reproduzierbaren somatosensorischen (oder motorischen) Reizes abbildet, bspw. visuell, akustisch, somatosensibel oder motorisch evozierte Potenziale
    • Testung geht ohne Instruktion zur weiteren kognitiven Reizverarbeitung einher
    • Ableitung der Potenziale kommt ohne eine vollständige EEG-Ableitung aus und kann mit wenigen Elektroden auf das primäre Kortexareal begrenzt werden
  • Auswertung: Bei Pathologien entlang der untersuchten Leitungsbahn (inkl. peripherer Nerven/Nervenwurzeln und zentraler Bahnen in Rückenmark und Gehirn) kann es zu Störungen der Weiterleitung von Aktionspotenzialen kommen
    • Pathologien können sich als reproduzierbare Latenzverlängerung und/oder Amplitudenabnahme der EPs darstellen
    • Pathologien lassen sich zur Lokalisationsdiagnostik je nach Testaufbau auf bestimmte Abschnitte der untersuchten Leitungsbahn zurückführen
Durchführung – Reizbeispiele Indikation – Verdacht auf:
Visuell evozierte Potenziale
(VEP)
  • Lichtimpulse
  • Schachbrettmuster
Akustisch evozierte Potenziale
(AEP)
  • Akustische Reize, die über Kopfhörer vermittelt werden
Somatosensibel evozierte Potenziale
(SEP)
  • Elektrische Reizung eines oberflächlichen Nerven (z.B. N. tibialis)
  • Demyelinisierung (z.B. bei MS) oder axonale Schädigung zentraler sensibler Bahnen
  • Periphere Nerven- oder Nervenwurzelschädigungen
Motorisch evozierte Potenziale
(MEP)
  • Transkranielle Magnetstimulation des motorischen Kortex
  • 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 Computertomografie). 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

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
    • Ausnahme: Nach totalem Schlafentzug wird i.d.R. zunächst der Tiefschlaf (Stadium IV bzw. N3) und anschließend der REM-Schlaf nachgeholt
  • Besondere Merkmale

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).

  • Merkmale
  • EEG: Ähnelt dem Wachzustand
    • Ein eher desynchronisiertes Muster mit Phasen von Theta-Wellen
  • Bei selektivem Entzug des REM-Schlafs kommt es in den folgenden Nächten zu einer kompensatorischen Erhöhung des REM-Anteils (sog. REM-Rebound)

Schlafphasen und -stadien im Überblick

Phasen und Stadien

Erläuterung EEG-Befund
Wach
  • Entspannter Wachzustand

Veraltet: Stadium I

Stadium N1 der Non-REM-Phase

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

Veraltet: Stadium II

Stadium N2 der Non-REM-Phase

  • Schlafbeginn
    • Zunehmende Weckschwelle

Veraltet: Stadium III

Stadium N3 der Non-REM-Phase

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

Veraltet: Stadium IV

Stadium N3 der Non-REM-Phase

  • Tiefschlafstadium
    • Hohe Weckschwelle
    • Maximale Reduktion der Muskelspannung
    • Rhythmische Aktionspotenzialbildung im Thalamus (über HCN-Kanäle)
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

  • Mit zunehmendem Alter
    • 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".

Elektroenzephalografie (EEG)

Was bezeichnet man als Spontan-EEG?

Welche Potenzialschwankungen welcher Zellen werden im EEG genau gemessen?

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

In welchem Zustand können Alphawellen 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 Potenziale

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

Was versteht man unter einem Bereitschaftspotenzial?

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

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

Wie werden evozierte Potenziale klinisch genutzt?

Funktionelle Magnetresonanztomografie (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!

  1. Schmidt et al. (Hrsg.): Physiologie des Menschen: mit Pathophysiologie. 31. Auflage Springer 2010, ISBN: 978-3-642-01651-6 .
  2. Faller, Lang: Medizinische Psychologie und Soziologie. 2. Auflage Springer 2006, ISBN: 978-3-540-29995-0 .
  3. Klinke, Silbernagl: Lehrbuch der Physiologie. 4. Auflage Thieme 2005, ISBN: 3-137-96004-5 .
  4. Trepel: Neuroanatomie: Struktur und Funktion. 5. Auflage Urban & Fischer 2011, ISBN: 978-3-437-41299-8 .
  5. Zschocke, Hansen: Klinische Elektroenzephalographie. 3. Auflage Springer 2011, ISBN: 978-3-642-19942-4 .
  6. Avidan, Barkoukis: Review of Sleep Medicine. Elsevier 2011, ISBN: 1-455-70319-2 .
  7. Buchner: Evozierte Potenziale, neurovegetative Diagnostik, Okulographie. 1. Auflage Thieme 2005, ISBN: 978-3-131-39441-5 .