EEG und QEEG
EEG ist die Abkürzung für Elektroenzephalogramm. QEEG ist die Abkürzung für Quantitatives EEG.
Gehirnaktivität ist in hohem Maße elektrische Aktivität von Neuronen, den Nervenzellen, von denen es ca. 100 Milliarden im menschlichen Gehirn gibt. Das Gehirn braucht Elektrizität für die Signalübertragung von einer Zelle zur anderen, welche u.a. durch die elektrochemischen Eigenschaften der Nervenzellmembran begünstigt wird. Aber erst wenn sich die Nervenzellen durch Aktionspotenziale entladen, die oft bis über hundert Mal pro Sekunde stattfinden, können Informationen auch an andere Nervenzellen weitergeleitet werden. Das „Feuern der Nervenzellen“ erzeugt letztlich das EEG. Die dabei entstehenden Spannungen können auch auf der Kopfoberfläche gemessen werden. Diese bewegen sich in nur ganz geringen Spannungen im Mikrovoltbereich, die wir mit einem EEG-Verstärker mittels Elektroden messen können. Ein Mikrovolt ist der millionste Teil eines Volts, maximal werden 60 Mikrovolt bei einem Menschen gemessen. Bei epileptischen Entladungen sind die gemessenen Spannungen um ein Vielfaches höher.
Die Gehirnwellen entstehen durch Entladungszyklen, die wir als die einzelnen Frequenzbänder in den bekannten griechischen Buchstaben Alpha, Beta, Delta, Gamma und Theta definieren. Dabei wird nur die Aktivität gemessen, was an den Verzweigungen der oberen Äste von Neuronen ankommt. Hier sind also immer ganze Zellverbände und deren Synapsen (Verbindungsstellen) beteiligt. So kommt es immer zu einem Mix aus schnellen und langsamen elektrischen Entladungszyklen.
Bei der Frequenz Alpha sprechen wir zum Beispiel von einem langsameren Zyklus von 8 – 12 Schwingungszyklen pro Sekunde. Jede Frequenz hat bestimmte Eigenschaften, so ist z.B. Alpha auch die Frequenz, die wir zum Entspannen benötigen. Schnellere Betafrequenzen sind eher für Aktivität zuständig, während langsamere Delta-, Theta- und Alphafrequenzen eher in Zusammenhang mit reduzierter Aktivität und niedrigem Hirnstoffwechsel stehen.
Natürlicher passt unser Gehirn die Menge an Aktivität ständig an die Anforderungen des Lebens an. Im Schlaf und in Ruhe produziert es vermehrt langsame Wellen, während es im Wachzustand und bei geistiger, mentaler Betätigung mehr von den schnelleren Wellen generiert. Man kann das mit einem Orchester vergleichen, bei dem jede Gruppe von Instrumenten mal stärker oder abgeschwächt in Erscheinung tritt.
Das EEG ist die Reflektion dieser dynamisch sich anpassenden Aktivität: Von der Ruhe in die Anspannung und der Anspannung in die Ruhe. Mit den neuen Möglichkeiten des papierlosen EEGs und der erweiterten Möglichkeiten, die Computer heute bieten, erlebt diese Technik gerade eine Renaissance, deren Tragweite in der Medizin und Hirnforschung immer mehr zunimmt. Die günstigen Anschaffungskosten und die ständige Weiterentwicklung tragen zu einer immer weiteren Verbreitung und Weiterentwicklung dieser Technologie bei.
Die Dynamik mit der das Gehirn sich ständig an Veränderungen anpasst, bzw. auch Veränderungen bewerkstelligt wird auch mit Begriff „Selbstregulation“gleichgesetzt. So übersteht das Gehirn auch Zeiten von größter Anstrengung, Stress und sogar Traumen, indem es seine Fähigkeit bis hin zur Neubildung von Nervenzellen (Neurogenese) ständig nutzt und weiter ausbaut.
Doch ist diese Fähigkeit des Gehirns nicht unbegrenzt vorhanden und wird durch viele Prozesse eingeschränkt oder auch gefördert. Es gibt den Punkt, bei dem das Gehirn nicht mehr oder nur noch in geringem Maße in der Lage ist, sich selbst wieder in ein gesundes Gleichgewicht zu bringen. Ab da zeigen sich in der Regel auch Störungsbilder, welche mit einer Veränderung der messbaren Frequenzstärken (Amplituden) in Verbindung stehen. Es kann z.B. zu einer übermäßig starken Aktivität von einem oder mehreren Frequenzbändern kommen. Auf Dauer verliert dann das Gehirn seine Fähigkeit, das Ungleichgewicht zu kompensieren. Zum Beispiel kann ein Zuviel an Theta-Aktivität zu Aufmerksamkeitsproblemen führen, bis hin zu depressiver Symptomatik. Ein zu viel an Beta-Aktivität kann z.B. auf Angststörungen und Schlaflosigkeit hinweisen. Es ist also entscheidend, in welcher Stärke eine bestimmte Hirnfrequenz auftritt.
Doch woher wissen wir, was zu viel oder zu wenig ist?
Wie bei fast allem was man messen kann, gibt es Grenzen dessen, was man noch als „normal“ bezeichnet. Dies wurde schon vor Jahren auch im Bereich der Hirnforschung bestätigt. Es gibt Gehirne, die eine zu hohe Schwingungsamplitude einer Frequenz produzieren, es gibt Gehirne, welche eine zu geringe Schwingungsamplitude einer bestimmten Frequenz erzeugen. All das kann zu einer Symptomatik beitragen, oder ist mit ihr assoziiert.
Was hat das nun für Konsequenzen?
Das EEG ist an sich nichts anderes als der Verlauf der elektrischen Entladungen in einer bestimmten Zeit, was wir immer in Form von Wellen und Wellenspektren darstellen können. Die Höhe der Welle ist die Amplitude und diese Amplituden kann man nun mit Normwerten vergleichen. Um Normwerte zu bekommen, benötigt man die sogenannte Normpopulation – also eine Zusammenstellung von Daten, welche der Normierung dienen. Beim EEG hat man mit solchen Datenbanken bereits in 60er Jahren des vorigen Jahrhunderts begonnen. Der Hirnforscher E. Roy John war der erste Pionier dieser Disziplin. Er trug die Daten hunderter Probanden zusammen und ermittelte dabei die Zusammensetzung der Gehirnwellen von Erwachsenen und Kindern verschiedener Altersgruppen. Dabei zeigte sich eine sogenannte „Gaußsche Normalverteilungskurve“, die u.a. belegt, dass diese Werte nicht zufällig entstehen konnten und somit einem klaren Muster folgen. Bei Menschen deren Werte weiter außerhalb der Mitte lagen, waren oftmals auch Auffälligkeiten in der neuronalen Regulation beobachtbar. Dies waren z.B. Schlafstörungen, sowie eine Reihe emotionaler und kognitiver Störungen.
Spätere Untersuchungen ergaben viele Übereinstimmungen zu den von E.R. John ermittelten Daten. Heute sind EEG-Datenbanken auch von der FDA, der strengen US-amerikanischen „Food and Drug Assoziation“ anerkannt und dort sogar als Medizinprodukt registriert.
Misst man nun ein EEG, so vergleicht ein Computerprogramm die Werte mit jenen in der Datenbank und zeigt auf, wie groß der Unterschied ist. Die gängige statistische Methode hierfür ist der sogenannte Z-Score oder Z-Wert. Z-Wert leitet sich von Z=Zero = Null ab, da der genaue Mittelwert einer Messreihe Null Abweichung von einer Norm hat. Abweichungen vom Mittelwert geben im Grunde die Entfernung von der Norm an. Hohe Abweichungen sind häufig mit Störungen korreliert. Mit diesen Daten erhält der/die Untersuchende mehr Gewissheit und Klarheit über die bestehende Situation.
Zusammenfassend dient ein QEEG im Allgemeinen dazu:
- Erkennen von Schwächen und Stärken in der Organisation des Gehirns des Individuums
- Bei Anfällen: Identifizieren der Anwesenheit, Lokalisierung, Persistenz und Art der Anfallsaktivität
- Abklärung in Bezug auf die Ursache des abnormen Verhaltens, z.B. bei einer psychiatrischen Erkrankung
- Biomarker des funktionellen Zustands des Gehirns
- Bewertung von kognitiven, emotionalen und motivationalen Strategien, die mit mentaler Aktivität einhergehen
- Um eine Basis für das gegenwärtige Niveau der Hirnfunktion (Dysfunktion) zu erstellen, um in der Lage zu sein, Stabilität, Verbesserung oder Genesung (oder Mangel davon) in der Zukunft zu erkennen und die Prognose des Individuums zu beurteilen.
- Auswahl spezifischer auf die Psyche wirkender Medikationen basierend auf Befunden, die mit klinischen Symptomen einhergehen.
- Nach potenziellen Risiken neurologischer / psychiatrischer Erkrankungen zu suchen, die der Einzelne in Zukunft haben kann oder haben wird.
Die QEEG-Messung
Meist werden 19 EEG-Elektroden am Kopf angebracht. Diese Elektroden können entweder über eine EEG-Haube oder auch einzeln an der Kopfhaut angebracht werden. Die Messung der Hirnaktivität geschieht mit geöffneten und geschlossenen Augen. Neurologen wenden dann oft sogenannte „Provokationsmethoden an, um u.U. epilepsietypische Muster im EEG nachweisen zu können. Dazu gehört z.B. die Hyperventilation oder der Arzt bedient sich einer Stroboskoplampe. Menschen mit Epilepsie reagieren auf diese Arten der Provokation entweder mit einem Anfall oder zeigen im EEG dann entsprechende Muster. Beim QEEG verlangt die Untersucherin allenfalls eine kognitive Aufgabe, um herauszufinden, wie das Gehirn auf diese Anforderung reagiert.
Das EEG kann in zwei wesentlichen unterschiedlichen Begriffen verstanden werden. Einmal als die Darstellung der unterschiedlichen Wellenformen und Muster, im anderen Fall als die Darstellung der gemessenen Amplituden in Form von Zahlen, Diagrammen und Gehirnscans. Bei der zweiten Form handelt es sich dann um ein QEEG, da es dabei um quantitative Eigenschaften des EEGs handelt. Dies sind durch Messung und Berechnung zustande gekommen. Das QEEG ist eine Erweiterung der Auswertung der Rohdaten. Ein vom Neurologen angefertigtes EEG findet meist Anwendung bei Schlaf-EEGs und dient oft der ersten Abklärung einer Anfallserkrankung, wie z.B. der Epilepsie. Das EEG ist in der Medizin in erster Linie ein Verfahren, was bei neurologischen Erkrankungen zum Einsatz kommt. Im Fall von psychiatrischen Störungen dient es oftmals der Differentialdiagnostischen Abklärung, inwiefern weitere neurologische Faktoren eine Rolle spielen. Einige psychiatrischen Erkrankungen haben z.B. die Ursache in neurologischen Vorerkrankungen.
Die Psychiatrie kennt bis heute keine offizielle Anwendung des QEEGs, obwohl es in diesem Bereich durchaus viel mehr zum Einsatz kommen müsste. Noch ist das enorme Potential von QEEG-Messungen und deren Vorteile wenig bekannt, es wird auch nur an ganz wenig Universitäten hinreichend gelehrt, obwohl die wissenschaftliche Literatur dazu bereits sehr viele Veröffentlichungen bereit hält. Dies mag zum einen auch daran liegen, dass die Trennung zwischen Neurologie und Psychiatrie einer alten Tradition folgt und wissenschaftlich nicht mehr haltbar und sinnvoll ist.
Was sagt uns das QEEG?
Es besteht in Fachkreisen heute kein Zweifel mehr, dass angesichts der Datenlage Korrelationen zu Störungen bestehen, welche das QEEG abzubilden in der Lage ist. Diese Abweichungen im QEEG können gezielt Auskunft über bestimmte Symptome geben, welche man gemeinhin als QEEG-Phänotypen oder EEG-Biomarker bezeichnet. Die wissenschaftliche Literatur kennt ca. einige solcher Muster, welche erfahrenen Klinikern sogar wichtige Hinweise zur entsprechenden Medikation geben können. Am wichtigsten sind diese Kenntnisse jedoch für die Neurofeedbacktherapie, da dies eine gezielte Veränderung dieser Hirnwellen an bestimmten Punkten in spezifischer Weise ermöglicht.
Hier einige Beispiele:
Das QEEG bei ADS und ADHS
Die QEEGs zeigen unterschiedliche Muster, die wir als EEG-Subtypen bezeichnen. auf. Es zeigt sich oft ein Überschuss an frontaler Theta- oder Alpha-Aktivität. Seltener ist ein Alpha-Defizit, manchmal sind hohe Anteile von Alpha über beide Hirnhälften verteilt. Wir sehen auch häufig hohe Beta-Aktivität. Bei exzessiver Alpha- oder Beta-Aktivität ist zum Beispiel Ritalin meist wenig wirksam. Interessanter Weise ist die Hyperaktivität und Impulskontrollproblematik sehr häufig beim Subtyp zu finden, der eine starke Aktivität von Theta in der für die Impuls- und Emotionskontrolle wichtigen Frontallappenregion aufweist.
QEEG bei Autismus
Hier zeigen sich oftmals ein extremer Überschuss an schnellen Betawellen und extremer Hypokohärenz in der Betafrequenz.
Depression und QEEG
In der Frontallappenregion sieht man häufig überschüssiges linksseitiges Alpha, bei Burnout und Posttraumatischer Belastungsstörung zeigen sich in den hinteren Bereichen des Gehirns oftmals übermäßig hohe Beta-Aktivität mit Defizit in Alpha, Theta und Delta erkennbar. Menschen mit diesem Muster neigen auch zur Selbstmedikation (Beruhigungsmittel) und entwickeln oft eine Alkoholabhängigkeit.
Lernstörungen im QEEG
Oftmals sind deutliche Abweichungen im Bereich der Schläfenlappen erkennbar. Da häufig auch die Sprache betroffen ist, finden wir in der Nähe der Zentren für Sprachverarbeitung entsprechende Defizite in den neuronalen Netzwerken, die intermodal Signale verarbeiten, wie z.B. Sehen/Motorik/Sprache. Aufmerksamkeitsstörungen sind anhand des QEEGs oft nicht die Ursache für Lernstörungen. Wir sehen vielmehr, dass es sich dabei meist um eine Verarbeitungsstörung handelt, die unserer Erfahrung nach auch mit Neurofeedback behandelt werden kann.
Die im QEEG dargestellten Messgrößen erweitern das neurologische EEG an Aussagekraft in erheblichem Ausmaß. Hier zeigen sich die besonderen Vorteile des QEEGs mit Datenbankvergleich. Auch das geübte Auge des Neurologen kann die Unterschiede nicht zwischen einer oder zwei Standardabweichungen sehen. Auch für die wichtigen Kohärenzdaten ist das EEG selbst nicht hilfreich.
Was versteht man unter Kohärenz?
Unter Kohärenz versteht man grob vereinfacht die Zusammenarbeit einzelner Hirnareale mit anderen Hirnarealen. Diese Kohärenz wird mittels mathematischer Verfahren im digitalisierten EEG berechnet. Ohne entsprechende Normdaten ist die Kohärenz aber kaum zu nutzen, da man die Vielzahl der Daten sonst nicht überschauen kann. Diese Messgröße hat sich besonders in der Bewertung von Lernstörungen und Entwicklungsstörungen als hilfreich erwiesen.
QEEG eines Patienten mit einer traumatischen Hirnverletzung:
Alle weißen Areale in den Brain Maps (die farbig dargestellten Köpfe sind die aus den Messwerten errechneten Hirnaktivierungs-Bilder) gelten als normal und unauffällige Muster. D.h. die Schwingungsamplitude in den Frequenzen Alpha, Beta und High Beta fällt in das normale Muster innerhalb einer Standardabweichung.
Die Anzahl der Standardabweichungen bezeichnet das Maß des Abstandes zur Norm, dem sogenannten Mittelwert. Zahlen mit einem Minus davor bedeuten einen zu geringen Wert, während die Werte ohne Vorzeichen zu hohe Werte (Abweichungen von der gesunden Norm) repräsentieren.
In der QEEG-Abbildung:
Die Delta- und Theta-Maps zeigen Areale, die deutlich in Rot, Orange und Gelb erscheinen. Diese Farben kann man in Standardabweichungen übersetzen und somit eine deutliche Abweichung sehen, die bei Delta und Theta den sogar den Höchstwert einnimmt, da die Legende bei Rot über 3 Standardabweichungen erkennen lässt.
Hier sehen wir insbesondere Auffälligkeiten im linken Temporal- und Parietallappen. Entsprechend leidet der Patient unter starken Einschränkungen der Sprache, der Gedächtnisfunktion, sowie Einschränkungen der Motorik, welche den hohen Theta- und Delta-Amplitude entsprechen. Im linken Frontallappen ist die Höhe der Thetaamplitude überdies hinaus sehr stark ausgeprägt, was mit einer depressiven Symptomatik korreliert.
Überdies hinaus sehen wir als weiteres Messergebnis, die Verhältnisse in den Kohärenzen, welche sich in roten Linien hauptsächlich im Bereich Beta und High Beta zeigen. Dies sind Kennzeichen der Kommunikation der Areale untereinander. Dieses Muster wird als „Hyperkohärenz“ bezeichnet und bedeutet, dass diese Regionen zu viel miteinander kommunizieren, also zu stark im Gleichtakt schwingen und so eine effiziente und schnelle Übermittlung der Signalverarbeitung erschweren.
Den Neurofeedbacktherapeuten dient das QEEG dazu, Störungen gezielt mittels Neurofeedback in Richtung normaler Aktivierungsmuster trainieren. Um QEEGs fachkompetent auslesen und interpretieren zu können, bedarf es jedoch guter Kenntnisse in Neurophysiologie, Anatomie, Psychophysiologie und Krankheitslehre damit eine aussagekräftige und eine mit der Situation des Klienten übereinstimmende Analyse erfolgen kann. Neben dem Messen der genauen Stärke der Abweichung ist ein wesentliches Merkmal des QEEGs die Möglichkeit der präziseren Lokalisierung einer Störung, um damit gezielt Bereiche im Training anzusprechen, um normale Aktivität zu ermöglichen. Dies erlaubt eine effizientere und auf den Symptombereich individualisiert abgestimmte Neurofeedbacktherapie.
Weitere Anwendungen des QEEG: sLORETA
Eine noch wenig bekannte Methode ist die Darstellung der sogenannten Stromdichte, welche über die Berechnung des Oberflächen-EEGs in tiefere Strukturen des Gehirns möglich ist. Diese EEG-basierte Technik erlaubt es die Hirnstrukturen in 3D als Aktivitätsmuster abzubilden. Auch hierzu wurden Normdaten errechnet, welche für die Diagnose und Behandlung der Störung von unschätzbarem Wert sind. Die Abkürzung LORETA steht für Low Resolution Electromagnetic Tomography. Wie der Name es bereits ausdrückt, kann diese Technik nur eine geringe räumliche Auflösung darstellen. Hier sind z.B. bildgebende Verfahren wie das Kernspin-Verfahren wesentlich genauer. Jedoch erlaubt die EEG-basierte Bildgebung mittels LORETA einen viel schnelleren Bildaufbau, der so gut wie in Echtzeit verläuft und somit Fragestellungen der zeitlichen Informationsverarbeitung besser beantworten kann. Zudem sind der Preis und die Wartungskosten natürlich enorm unterschiedlich. Ein gängiges MRT kostet ca. eine Million Euro, während LORETA mit Z-Werten nur einen geringen Bruchteil der Kosten ausmacht.
Weitere Anwendungsfelder des QEEGs
Verlaufsmessungen
Für die alltägliche klinische Praxis ist von besonderem Interesse, ob sich die Verbesserung der Symptomatik nicht nur subjektiv, sondern auch messtechnisch in den Daten nachweisen und zeigen lässt.
Beispiel einer Verlaufsmessung:
Unterstützung der Diagnostik, übergreifende Evaluation von therapeutischen Maßnahmen
Beispiel möglicher Biomarker gekennzeichnet durch Elektrodenpositionen, welche mit dem QEEG korrelieren.
Literaturhinweise
Collura, Handbook of Clinical QEEG and Neurotherapy(2016)
Cantor, D. & Evans, J.R. (2014). Clinical Neurotherapy. Elsevier; Davidson et al. (2002). Depression: Perspectives from affective neuroscience. Annu.Ref.Psychol., 53:545-74; Fisch, B.J. (1999). Fisch & Spehlmann´s EEG Primer. Elsevier; Kropotov, J. (2016). Functional neuromarkers for psychiatry. Academic Press.
Handbook of Clinical QEEG and Neurotherapy Routledge, 2016
Thatcher, R.W. EEG database guided Neurotherapy.
Weitere Informationen
www.neurofeedback-info.de