Simultane Erfassung von Verhaltensdaten, evozierten Potentialen und funktioneller MRT bei einer Aufgabe zur Verhaltenskontrolle

Ziel der Arbeit war die Untersuchung exekutiver Funktionen, in diesem Fall der Inhibition und der Volition, also der freien Entscheidung mittels simultaner EEG- und fMRT-Datenerhebung. Mit dem EEG lassen sich Datensätze mit einer hohen zeitlichen Auflösung generieren. Als neurophysiologisches Korrelat auf einen Stimulus erhält man sog. Ereignis korrelierte Potentiale (EKPs), die nach einer bestimmten Zeitdauer nach Stimuluspräsentation auftreten. Die räumliche Auflösung dieser Methode ist jedoch stark limitiert. Andererseits erhält man mit der fMRT Datensätze mit einer hohen räumlichen, jedoch geringen zeitlichen Auflösung. Mittels einer neuen Methode, der sog. Single-Trial-Koppelung können Datensätze generiert werden, die beide Modalitäten miteinander vereinen. Somit können Rückschlüsse über die zeitliche Aktivierung von Hirnarealen gezogen werden.15 gesunde Probanden nahmen an einem adaptierten, auditiven Go/NoGo-Paradigma teil, welches um eine Volitionsbedingung erweitert wurde. Es wurden Töne mit unterschiedlich hoher Frequenz demonstriert. Bei der Go-Bedingung (mittelhoch-hoch) mussten die Probanden so schnell wie möglich eine Reaktionstaste betätigen. Bei der NoGo-Bedingung (mittelhoch-tief) musssten sie dies unterlassen und bei der Volitionsbedingung (2x mittelhoch) mussten sie sich entscheiden, ob sie die Reaktionstaste drücken wollten oder nicht. Die fMRT-Auswertung erfolte mit dem Programm Brain Voyager, die EEG-Daten wurden zunächst mit EEGlab vorverarbeitet und dann mit dem Programm Brain Vision Analyzer analysiert. Bei der Single-Trial-Analyse wurden die EEG-Daten jedes einzelnen Durchgangs mit den BOLD-Veränderungen im fMRT korreliert. Technisch wurden dabei bei der Berechnung des sog. Allgemeinen Linearen Modells die Signaländerungen im EEG für bestimmte Zeiträume berücksichtigt. Auf diese Weise kann man Hirnregionen darstellen, bei denen die in der fMRT gemessenen Signaländerungen am stärksten mit der Signaländerung im EEG korrelieren. Die Single-Trial-Analyse wurde für das N2-Potential bei Volition und NoGo an der Elektrode Fz durchgeführt, für die P300 bei NoGo an Cz und für Volition und Go an Pz.Bei der Auswertung der hämodynamischen Daten zeigten sich für die Bedingung Volition gegen eine Kontrollbedingung Aktivierungen im Bereich der prä-SMA und des dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC). Elektrophysiologisch zeigte sich ein negatives Potential nach ca. 200ms (N2) und ein positives Potential nach ca. 300ms (P300). In der Single-Trial-Analyse zeigte sich, dass das N2-Potential während der Volitionsbedingung vornehmlich mit medio-frontalen Hirnregionen wie der SMA und lateral-frontalen Arealen assoziiert war. Das P300-Potential bot ebenfalls Aktiveriungen in lateral-frontalen Arealen und in der temporoparietalen Übergangszone. Bei der Inhibition von Verhalten zeigten sich bei Analyse der fMRT-Daten Aktiveriungen im Bereich des Gyrus frontalis superior und des DLPFC. Das N2-Potential war hier vornehmlich mit frontalen Bereichen wie dem DLPFC und dem ventro-lateralen präfrontalen Kortex (VLPFC) assoziiert. Das NoGo-P300-Potential hingegen lieferte Minderaktivierungen in allen für Motorik wichtigen Bereiche.Durch die direkte Korrelation von hämodynamischen und elektrophysiologischen Daten ist es uns gelungen, nicht nur diejenigen Hirnareale darzustellen, die bei den einzelnen Versuchsbedingungen aktiviert waren, sondern auch zu zeigen, wie es sich mit der zeitlichen Organisation innerhalb dieses neuronalen Netzwerkes verhält. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass die EKPs je nach Versuchsbedingung von unterschiedlichen Hirngeneratoren erzeugt wurden, was den Schluss zulässt, dass die EKPs abhängig von den jeweiligen Versuchsbedingungen sind und somit auch stets eine andere Funktion repräsentieren. Zudem konnten wir bei der Single-Trial-Analyse eine Beteiligung jener Hirnareale zeigen, welche auch bei der isolierten Auswertung der hämodynamischen Daten identifiziert werden konnten, was den Schluss zulässt, dass die Signale, die in beiden Modalitäten erzeugt wurden, zu einem großen Teil von denselben neuronalen Generatoren in Abhängigkeit der Versuchsbedingung erzeugt wurden

Imaging Physiological and Pathological Activity in the Brain using Electric Impedance Tomography

Electric Impedance Tomography (EIT) is a promising medical imaging technique that reconstructs the internal conductivity of an object from boundary measurements. EIT is currently being used to monitor the lung during ventilation clinically. Amongst other suggested uses for imaging it can also be used to image neuronal function. There are different ways on how EIT can image neuronal function and two of these are tested in this thesis. The overall aim of our work was to advance imaging of physiological and pathological neuronal activity using EIT and assess its potential for future clinical use. In Chapter 1, a general introduction into brain imaging techniques and EIT is given. In Chapter 2, the effect of different anaesthetics on the neuronal signal was assessed to prepare for EIT recordings under anaesthesia. In Chapter 3, we assessed the validity of two biophysical models regarding the behaviour of the impedance in response to alterations in the carrier frequency experimentally. This allowed an assessment of the ideal carrier frequency to image physiological neuronal activity. In Chapter 4, the source of the fast neural signal in EIT is discussed further. In Chapter 5, the possibility of imaging physiological neuronal activity throughout the brain is tested and its limitations are discussed. In Chapter 6, the impedance response to epileptiform activity is characterized and the potential use of EIT in imaging epileptic foci in epilepsy patients is discussed. In Chapter 7, imaging of epileptic foci in subcortical structures is tested using two different ways of imaging with EIT