Experiment: Elektroenzephalogramm am Menschen (EEG)

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Hintergrund

Dein Schädel und die darumliegende Haut beschützen dein so wert- und wundervolles Gehirn. Dadurch wird es allerdings auch sehr gut elektrisch isoliert, was es extrem schwierig macht die Signale von einzelnen Nervenzellen im Gehirn aufzunehmen. Dafür müssten wir Löcher in den Schädel bohren und Elektroden direkt ins Oberstübchen einsetzen. Sowas macht man aber nur wenn eine Hirnoperation absolut nötig ist, zum Beispiel bei Fällen von Epilepsie oder Tumoren. Um von einzelnen Nervenzellen abzuleiten, müssen deine Elektroden im direkten Kontakt mit dem Nervengewebe sein. Deswegen benutzen wir die Nerven des Kakerlakenbeins, wenn wir uns elektrische Aktivität einzelner Zellen anschauen. Stell′ dir vor wie dein Experiment ausschauen würde, wenn du die Antwort einer einzelnen Nervenzelle deines visuellen Kortex messen wollen würdest...

ABER: Wenn viele Nervenzellen das Gleiche zur gleichen Zeit machen, können wir synchrone Aktivität sehen, selbst wenn wir die Elektroden nur auf der Schädeldecke des Kopfes platzieren (in diesem Experiment am Hinterkopf). Wenn du deine Augen schließt bekommt dein visueller Kortex keine komplexe Information mehr, sondern nur noch: ALLES IST DUNKEL. Dabei entsteht synchronisierte Aktivität, auch ′alpha′ genannt, die stark genug ist, dass wir sie nicht-invasiv messen können.

Der Zusammenhang von Synchronität und Datenverarbeitung im Gehirn kann ziemlich schwer zu verstehen sein und bezieht sich auf die Informationstheorielehre (hier kannst du dich mit der Arbeit einer unserer Helden Claude Shannon auseinandersetzen, um mehr zu lernen), aber im Allgemeinen kann man sagen: je synchroner die Nervenzellen im Hirn sind, desto weniger Daten werden verarbeitet. Dabei stolpern wir aber über ein Paradox: je stärker das Signal, das wir an der Schädeldecke aufnehmen können, desto uninteressantere Sachen macht dein Gehirn (zum Beispiel Tiefschlaf) oder es kommt zu einer gefährlichen Situation (während einer Epilepsie feuern alle Neurone einer Region schnell und zeitgleich, was zu Krämpfen und sogar Schlimmerem führen kann).

Oft, wenn du dich intensiv konzentrierst, berechnen viele Nervenzellen in deinem Hirn unterschiedliche Sachen. Die ′Informationskapazität′ deines Gehirns ist hoch, da viele Nervenzellen gleichzeitig wegen vieler unterschiedlicher Sachen miteinander in Verbindung stehen. In diesem Zustand haben wir ein sehr schwaches und schwer zu verstehendes EEG Signal. Stell' dir ein Fußballstadion während der Halbzeitpause vor und jeder quatscht mit seinem Nachbarn über unterschiedliche Themen. Angenommen du befindest dich ausserhalb vom Stadion, das einzige was du hörst sind sinnlose Geräusche. Es gab wahrscheinlich viele unheimlich interessante Gespräche, aber direkt etwas entnehmen konntest du dem Rauschen nicht.

Nun stell′ dir aber vor, das ganze Stadion würde die gleiche Sache machen, wie zum Beispiel die Nationalhymne singen.* Wir können von auß mit Sicherheit sagen, dass es sich um ein Lied handelt, auch wenn vielleicht etwas schief. Das ist sehr gut vergleichbar mit den langsamen Wellen die unser Gehirn während der Tiefschlafphase oder unser visueller Kortex beim Augenschließen produziert.

Das Lauteste, was man von außerhalb des Stadions hören kann ist wenn eine Mannschaft ein Tor schießt, da zur gleichen Zeit alle Zuschauer laut schreien, entweder aus Frust oder aus Freude. Wenn das in unserem Kopf passiert (viele Nervenzellen feuern zum gleichen Zeitpunkt) nennt man das Epilepsie, was leider oft zu gefährlichen Situationen führen kann.

Für beide Situationen (Hymne und Tor) kann man sagen dass die Leute im Stadion synchronisieren und dabei wenig Information weitergeben. Wir können eine ähnliche Synchronität im Gehirn beobachten, und müssen uns dafür nicht extra aufs Ohr hauen (das ist für ein anderes Experiment...) oder einen epileptischen Anfall bekommen. Wir platzieren einfach ein paar Elektroden auf unserem Hinterkopf und beobachten die elektrische Aktivität unseres visuellen Kortex wenn wir unsere Augen schließen und danach wieder öffnen. Mit geschlossenen Augen wird nur ein geringer Informationsgehalt an unseren visuellen Kortex geschickt (es ist dunkel). Der visuelle Kortex wird in einer bestimmten Frequenz synchronisiert und seine Aktivität wird von den "Alpha Rhythmen" dominiert, die wir mit unserer neuen Heart & Brain SpikerBox messen können. Diese "Alphawellen" wurden als erstes von dem deutschen Wissenschaftler Hans Berger in 1924 beschrieben (und 1929 veröffentlicht).

Die Theorie.

Was für Signale nehmen wir beim Elektroenzephalogramm (EEG) eigentlich auf? Wir beobachten langsam oszillierende Felder von Nervenzellen der obersten Schichten userer Großhirnrinde: genauer, die ′exzitatorischen postsynaptischen Potentiale (EPSPs)′. Diese postsynaptischen Potentiale sind die kleinen Veränderungen im elektrischen Potential verursacht von den Botenstoffen (Neurotransmittern), die in den Synapsen der Nervenzellen andocken. Diese Veränderungen im elektrischen Potential einer Nervenzelle führen dazu, dass die Feuerwahrscheinlichkeit (Wahrscheinlichkeit eines Aktionspotentials) beinflusst wir und sind sehr wichtig um Informationen im Gehirn zu speichern. Falls du dich mehr im Detail damit auseinandersetzen willst, findest du hier die beliebteste Hauptreferenz "Mitzdorf 1985."

Wenn viele EPSPs zur gleichen Zeit im gleichen Hirnareal auftauchen, wie in unserem Beispiel, in dem wir unsere Augen schließen und alle Nervenzellen des visuellen Kortex im selben ′entspannten′ Zustand sind, häufen sich die Signale der einzelnen kleinen EPSPs so weit an bis wir dieses Signal in Form einer Alphawelle im EEG messen können.

Der berühmte Lord Edgar Adrian, der als erster neuronale Feueraktivität an einen Lautsprecher gekoppelt hat um 1926 Spikes zu "hören" ist der Vorreiter unserer Arbeit und hat dies bereits in den frühen 30er Jahren öffentlich in seinen Vorlesungen in Cambridge gemacht. Wir folgen deinem Beispiel, unser Lord, und eifern dir nach... so gut wir können.

Downloads

Bevors los geht, schau nochmal ob du den Backyard Brains Spike Recorder und das Arduino Programm auf deinem Computer installiert hast. Du musst den Arduino "Sketch" auf deinem Arduino Board installieren indem du die Arduino laptop software benutzt (falls du den Arduino von uns gekauft hast musst du dir darum keine Sorgen machen). Der Backyard Brains Spike Recorder gibt dir die Möglichkeit deine Daten zu visualisieren und die Daten auf deinem Computer zu speichern, wenn du ein Experiment durchführst. Wir haben ein Erklärvideo für euch gemacht !

Spike Recorder Software for Displaying and Saving Data on Computer

Arduino Sketch for Sending Data to Computer

Tutorial Video des Experiments

Procedure

In diesem ′EEG - Einleitungsexperiment werden wir unsere elektrischen Signale aus dem visuellen Kortex aufnehmen während unsere Augen in heller Umgebung entweder geschlossen oder geöffnet sind.

1. Als erstes musst du das EEG Stirnband anziehen. Platziere das stilsichere Modeelement mit den zwei Elektroden ein bisschen über dem Punkt, wo dein Schädel am weitesten nach hinten schaut (ein bisschen oberhalb des visuellen Kortex). Die glatten Seiten müssen Kontakt mit deiner Kopfhaut haben. Es funktioniert auch wenn du Haare hast, es ist allerding hilfreich diese ein bisschen zur Seite zu schieben.
2. Nun drück noch ein bisschen Elektrodengel aus der Flasche und platziere dieses zwischen Kopfhaut und Metallkontakt.
3. Jetzt fehlt nur noch einen Referenzelektrodensticker auf dem Knochen hinter deinem Ohr (Mastoid oder Schläfenbein). Wenn du ein bisschen von dem Elektrodengel innen auf der klebenden Seite applizierst, kann das die Stabilität deiner Signale verbessern....muss es aber nicht :-)
4. Als nächstes verbindest du die Elektroden mit dem orangenen Kabel. Zweimal rot an die Innenseiten der Stirnbandkontakte und schwarz mit dem Elektrodensticker hinter deinem Ohr. Welchen roten du mit der linken und welche du mit der rechten verbindest ist für dieses Experiment egal.
5. Steck das orangene Kabel in die orangene Buchse von deiner Heart and Brain Spiker Box.
6. Jetzt das blaue Kabel, micro USB in die Spiker Box und das andere Ende mit dem größeren USB Stecker in deinen Computer.
7. öffne die SpikeRecorder software, and verbinde dich zum USB port im settings Menü. Wie so oft bei Elektrophysiologieexperimenten müssen wir dafür sorgen dass unser Verstärker nicht die elektrischen Signale des Hausstroms aufnimmt. Experimentier ein bisschen wo im Haus du am besten das Experiment durchführen kannst und schau mal ob du einen Unterschied siehst wenn dein Laptop aufgeladen wird oder nur über seinen Akku Strom bezieht. Schau′ also dass du ein bisschen Abstand zu Stromverteilern, fluoreszierenden Lichtern und anderen rauschenden Geräten zu halten. Falls dein Signal immer noch total rauschig und instabil wirkt platzier noch mehr Elektrodengel zwischen den Metallkontakten deines Stirnbands und deiner Kopfhaut. Das obere Video ist eine ziemlich gute Anleitung.
8. Halt′ still und entspann′ dich während du das EEG aufnimmst - es kann sein dass man Muskelbewegungen aufnimmt, die unser EEG Signal stören (ja, wir wissen schon: gar nicht so einfach so ein EEG aufzunehmen, aber deswegen gehört es zu den schwierigen Experimenten!).
9. öffne und schließe deinen Augen im 10 Sekunden Rhythmus. Ein paar Sekunden nachdem du deine Augen schließt, sollten die Alphawellen auftauchen. Wie so oft ist es besser dieses Experiment mit einem Freund durchzuführen. Nicht nur weils mehr Spaß macht sondern auch weil die Signale ja erst auftauchen wenn du sie nicht sehen kannst.
10. Falls die aber gerade beschäftigt sind und deiner Forschergeist dich nicht in Ruhe lässt, kannst du auch einfach deine Daten mit dem roten Record Knopf aufnehmen.
11. Jedes Event (z.B. Augenöffnen) kann durch Drücken der Nummern deines Keyboards während dem Experiment festgehalten werden. Die Markierungbeschriftungen können im BYB Ordner verändert werden
    

    indem du die Eventdatei öffnest, die zu dem jeweiligen Recording gehört. Die Nummern kannst du mit beliebigen Worten ersetzen, je nachdem was in der Zeit nach der Markierung passiert ist (z.B. offen). Falls du was änderst, vergiss nicht zu speichern.

    
12. Und das wars auch schon! Jetzt kannst du weitere Rhythmen deines Gehirns untersuchen. Bleib′ auf dem Laufenden mit Backyard Brains, da auch wir immer weiter mit EEGs arbeiten, forschen und versuchen ihre Ergebnisse zu interpretieren.

Diskussion / weitere Aufgaben

1. Das Problem ist oft die Alpha Wellen wirklich zu sehen oder zu finden. Sieh unter eine Problemlösungshilfe für Tipps.
2. Hier findest du Beispieldaten , die wir unter den Konditionen ′Augen offen vs. Augen geschlossen′ während wir das EEG oberhalb des visuellen Kortex aufgenommen haben. Dadurch kannst du sehen, wie das Resultat dieses Experiments im normalfall aussieht. In der .zip Datei ist eine .wav Datei für die EEG - Daten und eine .txt Datei, die die Zeitpunkte des Augenöffnens und des Augenschließens enthält. Platzier′ beide Dateien in deinem SpikeRecorder Datenordner und öffne die .wav Datei im SpikeRecorder um die Beispiel - EEG - Aufnahme mit Eventmarkern zu untersuchen.
3. Was passiert wenn du in diesem Experiment nicht deine Augen öffnest und schließt, sondern wenn du das Licht in deinem Zimmer ′an′ und ′aus′ schaltest. Wenn du das Licht ausschaltest, versuch mal aktiv nach etwas im Dunkeln zu ′schauen′. Erscheinen und verschwinden die Alpha Wellen? Du kannst dir unsere zweiten Beispieldaten von diesem Experiment anschauen. Aber wer weiß, vielleicht kommt bei dir ja was anderes raus...
4. Wird die Alphawelle wirklich in unserem visuellen Kortex generiert? Versuch mal das Stirnband mit den elektroden über anderen Hirnarealen zu platzieren. Wo sind die Alphawellen am stärksten?
5. 1934 hat Adrian versucht diese Rhythmen mit flickernden Reizen sichtbar zu machen. Schaffst du das auch? Oben gibts den link zur Originalveröffentlichung.
6. Es gibt noch weitere Rhythmen! Versuch doch zum Beispiel die Motorrhythmen zu finden. Sie sind relativ rauschig aber du kannst sie messen. Anusha, eine unserer Summer Fellows konnte Sie finden! LINK TO BLOGPOSTS
7. Vergleiche die EEG Signale zwischen purer Entspannung und dem Vorstellen von komplexen Landschaften. Siehst du einen Unterschied? Dieses Experiment ist ziemlich tricky, da es sich dabei um ziemlich abstrakte Anleitungen handelt. Warum ist das so und warum ist es problematisch? Wie können wir überhaupt interne Zustände beschreiben (unsere Gedanken), da nur wir sie kennen und wissen wie sie sind?
8. Wie sieht dieser Rhythmus aus während wir schlafen? Teste es!
9. Unsere SpikeRecorder Software ist konzipiert um einfach zu bedienen zu sein. Wenn du jedoch eine Schnittstelle hacken willst, kannst du unseren legacy processing sketch modifizieren. Dieser speichert und visualisiert die Daten. Download hier. Um dies zu machgen, musst du einen anderen Arduino Sketch benutzen, den du unter diesem link findest.
10. Abschließend zusammengefasst: EEGs sind einfach nur wundervoll zu messen, Novizen mögen die kleinen Signale allerdings überraschend finden. EEGs gehören zu den schwächeren Elektrophysiologie Signalen, und es ist wichtig ruhig zu bleiben (bewege am besten keinen deiner Kopfmuskeln) und reduzier′ Rauschen so gut wie möglich. Siehe Abbildung unten. Sie zeigt die EEG Signalstärke im Vergleich zu anderen Signalen, die wir mit der Heart and Brain SpikerBox messen können.
    

Anmerkung

*Eine Ausnahme hier ist der Regenwurm. Man kann seine Aktionspotentiale ausserhalb seines Körpers messen indem man ihn auf Elektrodendrähte legt, da er so poröse und feuchte Haut hat. Dies wurde 1945 das erste mal beschrieben, und wurde seither schon oft reproduziert, z.B. von uns! (s. Abb. 5 aus unserer Publikation). Das ist das einzige Beispiel in der Literatur, wie man die Aktivität einzelner Nervenzellen außerhalb des Körpers messen kann. Geb′ uns Bescheid falls wir da irgendetwas übersehen haben.

Wir müssen an dieser Stelle zugeben, dass wir niemals gedacht haben, dass dieses Experiment jemals funktionieren würde. Doch nach ewigen Nörgeln unserer Freunde haben wir uns dazu entschieden es einfach mal auszuprobiern′. Und Zack! im Santiago MakerSpace in Chile hat es dann geklappt. Ein großes Dankeschön an Oscar, Valentina, Gabriela, und Flo! Gracias auch an Italo Ahumada Morasky, einem chilenischen Künstler, der mit uns für die Illustrationen und die Experimentieranleitung zusammengearbeitet hat.

*Chilenische Nationalhymne

Du hast noch nicht genug?

• Wir behaupten die Alphawellen zeigen uns nicht wirklich was eine Person denkt, stimmt das eigentlich wirklich? Messe Alpharhythmen einer Person während sie an unterschiedliche Sachen denkt. Macht das was aus? Warum bzw. warum nicht?
• Was haben unterschiedliche Vorraussetzungen für Auswirkungen auf die Alphawelle? Zum Beispiel, Alter, Geschlecht, ausgeschlafen oder erst vor kurzem einen Kaffee getrunken... Warum soll das (k)einen Effekt haben?
• Versuch′ mal von unterschiedlichen Positionen des visuellen = okzipitalen Kortex zu messen. Gibt es eine optimale Stelle für die Alphawellen? Wie weit davon entfernt siehst du sie noch?
• Versuch′ mal von unterschiedlichen Orten der Kopfhaut zu messen. Findest du irgendwelche anderen Rhythmen? Gibt′s Unterschiede in der Hirnaktivität anderer Areale nach Augenöffnen oder - schließen?
• Wenn du bei jemanden immer Alphawellen findest, versuch′ herauszufinden wie schnell die Alphawellen nach dem Augenschließen auftreten, wie lange sie anhalten und wie schnell sie verschwinden nachdem man die Augen öffnet. Interpretiere deine Ergebnisse und ziehe Schlüße?