Artefakte bei der Selbstkontrolle langsamer Hirnpotentiale

238 Pages·2006·4.58 MB·German

by  Philipp Durban

Aus dem Institut für Medizinische Psychologie der Universität Tübingen
Direktor: Professor Dr. phil. N. Birbaumer

Artefakte bei der Selbstkontrolle langsamer
Hirnpotentiale

Inaugural – Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Medizin

der
Medizinischen Fakultät
der Eberhard-Karls-Universität
zu Tübingen

vorgelegt von
Philipp Durban
aus Waiblingen

2006
Dekan: Professor Dr. D. Claussen
1. Berichterstatter: Professor Dr. N. Birbaumer
2. Berichterstatter: Professor Dr. H. Ackermann
Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis
Einleitung.......................................................................................1
IIII Material und Methoden ...............................................................9
1 Informationsverarbeitung im Gehirn...........................................................9
1.1 Anatomie......................................................................................................9
1.2 Grundlagen der Elektrophysiologie ............................................................12
2 Das EEG.......................................................................................................15
2.1 Das Spontan-EEG......................................................................................15
2.2 Evozierte Aktivität.......................................................................................17
2.3 Technik der EEG-Ableitung........................................................................19
2.3.1 Elektroden...............................................................................................19
2.3.2 Elektrodenpositionierung.........................................................................20
2.3.3 Verstärkung und Registrierung................................................................22
2.4 EEG-Analysemethoden..............................................................................23
2.4.1 Analyse des Spontan - EEG.................................................................23
2.4.2 Analyse ereigniskorrelierter Potentiale.................................................25
2.4.3 Analyse der langsamen Potentiale.......................................................26
2.5 Artifizielle Störeinflüsse..............................................................................26
2.5.1 Probandenbezogene (biologische) Artefakte........................................27
2.5.1.1 Lid- und Augenartefakte ....................................................................27
2.5.1.2 Pulsartefakte......................................................................................28
2.5.1.3 EKG-Artefakte....................................................................................29
2.5.1.4 Muskelartefakte.................................................................................29
2.5.1.5 Bewegungsartefakte..........................................................................30
2.5.1.6 Haut- und Schwitzartefakte................................................................30
2.5.2 Technische Artefakte............................................................................32
2.5.2.1 Elektroden- und Kabelartefakte.........................................................32
2.5.2.2 50-Hz-Netzeinstreuungen und andere elektromagnetische
Störungen..........................................................................................35
2.5.2.3. Elektrostatische Störungen...............................................................35
2.5.2.4 Instrumentelle Störungen...................................................................35
2.5.3 Elektrische und chemische Prozesse bei artifiziellen
Potentialveränderungen....................................................................... 37
2.5.4 Erkennung und Korrektur von artifiziellen Störeinflüssen .....................38
3 Langsame kortikale Potentiale (LKP)........................................................40
3.1 Bedeutung der LKP....................................................................................40
3.2 Selbstkontrolle der LKP..............................................................................43
4 Gehirn-Computer-Kommunikation ............................................................44
4.1 EEG – Biofeedback....................................................................................44
Inhaltsverzeichnis

4.2 Gehirn-Computer-Schnittstellen.................................................................45
4.3 Anwendung................................................................................................48

5 Extrazerebrale Störeinflüsse auf Langsame Hirnpotentiale ...................50
5.1 Probandenbezogene Artefakte...................................................................50
5.1.1 Augenbewegungen .................................................................................50
5.1.2 Vertikale Kopfbewegungen......................................................................54
5.1.3 Stirnrunzeln.............................................................................................55
5.1.4 Verspannungen der Nackenmuskulatur..................................................56
5.1.5 Schluck-, Kau- und Zungen- und Unterkieferbewegungen.....................56
5.1.6 Atmung....................................................................................................59
5.2 Ereigniskorrelierte Potentiale bei Zehenbewegungen und
Beckenbodenaktivität.................................................................................61
5.3 Meßmethoden zur Ableitung der erzeugten Artefakte................................66
5.4 Das EMG und sein Einfluss auf das EEG.................................................. 67

6 Studienaufbau.............................................................................................68
6.1 Versuchspersonen .....................................................................................69
6.2 Versuchsaufbau.........................................................................................70
6.2.1 Aufbau der Vorstudie............................................................................70
6.2.2 Aufbau der Hauptstudie........................................................................72
6.3 Räumliche und zeitliche Bedingungen .......................................................73
6.4 Geräte........................................................................................................74
6.5 Das TTD (Thought Translation Device)......................................................74
6.5.1 Feedback...........................................................................................77
6.5.2 Bildschirmaufbau................................................................................78
6.5.4 Aufbau eines Trials...............................................................................80
6.5.5 Klassifikation des Ergebnisses.............................................................81
6.6 Elektroden- und Kanalschema...................................................................82
6.7 Versuchsablauf...........................................................................................85
6.7.1 LKP-Training der Vor- und Hauptstudie................................................85
6.7.2 Artefakterzeugung................................................................................86
6.8 Datenanalyse und statistische Auswertung................................................86
6.8.1 Grand Average.....................................................................................87
6.8.2 Effektstärke...........................................................................................88
6.8.3 Korrelation und Standardabweichung...................................................90
6.8.4 t-Test und Signifikanz...........................................................................92
IIIIIIII Ergebnisteil ..............................................................................95
1.Vorstudie......................................................................................................95
1.1 Grand Averages.........................................................................................95
1.1.1 Grand Averages beim LKP-Training..................................................96
1.1.2 Grand Averages bei der Artefakterzeugung.......................................99
1.2 Effektstärken............................................................................................107
Inhaltsverzeichnis

1.2.1 Effektstärken beim LKP-Training .....................................................107
1.2.2 Effektstärken bei der Artefakterzeugung..........................................109
1.3 Korrelationen............................................................................................111
1.3.1 Korrelationen beim LKP-Training.....................................................111
1.3.2 Korrelationen bei der Artefakterzeugung..........................................114
1.4 Gemeinsame Darstellung von Korrelationen und Effektstärken...............121
1.4.1 Korrelationen und Effektstärken beim LKP-Training........................121
1.4.2 Korrelationen und Effektstärken bei der Artefakterzeugung.............123
1.5 Gruppenvergleich beim LKP-Training mit Hilfe des t-Tests......................130
1.5.1 t-Test für Effektstärken..........................................................................130
1.5.2 t-Test für Korrelationen..........................................................................131
2 Hauptstudie................................................................................................132
2.1 Grand Averages.......................................................................................132
2.1.1 Grand Averages beim LKP-Training................................................133
2.1.2 Grand Averages bei der Artefakterzeugung.....................................135
2.2 Effektstärken...........................................................................................141
2.2.1 Effektstärken beim LKP-Training .....................................................142
2.2.2 Effektstärken bei der Artefakterzeugung..........................................143
2.3 Korrelationen............................................................................................145
2.3.1 Korrelationen beim LKP-Training.....................................................145
2.3.2 Korrelationen bei der Artefakterzeugung..........................................147
2.4 Gemeinsame Darstellung von Korrelationen und Effektstärken...............156
2.4.1 Korrelationen und Effektstärken beim LKP-Training........................156
2.4.2 Korrelationen und Effektstärken bei der Artefakterzeugung.............158
2.5 Gruppenvergleich beim LKP-Training mit Hilfe des t-Tests......................165
2.5.1 t-Test für Effektstärken..........................................................................166
2.5.2 t-Test für Korrelationen..........................................................................167
IIIIIIIIIIII Diskussion.............................................................................169
1 Gemeinsame Diskussion von Vor- und Hauptstudie.............................172
1.1 Instruierte Artefakterzeugung...................................................................172
1.1.1 Augenbrauen hochziehen.................................................................172
1.1.2 Zähne zusammenbeißen..................................................................172
1.1.3 Blick hoch und runter........................................................................172
1.1.4 Schultern anheben...........................................................................172
1.1.5 Zunge an Gaumen pressen..............................................................172
1.1.6 Schlucken.........................................................................................172
1.1.7 Unterkiefer vorschieben....................................................................172
1.1.8 Kopf beugen und anheben...............................................................172
1.1.9 Atmung.............................................................................................172
1.1.10 Beckenboden anspannen und Anheben der Großzehen................172
1.1.11 Zusammenfassung der untersuchten, für das LKP-Training
relevanten Artefakte.......................................................................180
1.2 Extrazerebrale Störeinflüsse beim LKP-Training......................................184
1.3 Gruppenvergleich beim LKP-Training ......................................................184
Inhaltsverzeichnis

1.4 Ausbreitung Langsamer Hirnpotentiale im Liquorraum des Rückenmarks186

2 Kritik und Ausblick....................................................................................195
IV Zusammenfassung ...............................................................199
V Literaturverzeichnis...............................................................203
Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
1 Die sechs Schichten des Neokortex nach Rakic (1979)…………………..11
2 Dipolmodell der Enstehung Langsamer Hirnpotentiale nach Birbaumer &
Schmidt(2003)………………………………………………………………….13
3 Zusammenhang zwischen dem motorischen Potential und der Muskel-
reaktion nach Schandry (1998)………………………………………………19
4 10-20-Sytem der Elektrodenpositionierung nach Jasper (1958)………….21
5 Typisches EEG-Frequenzspektrum………………………………………....24
6 Ein Ereigniskorreliertes Potential (EKP) auf einen akustischen Reiz…….25
7 Gemitteltes Lidschlagpotential bei der EEG-Ableitung..............................54
8 Der motorische Homunkulus nach Penfield und Rasmussen (1950)……63
9 Die Bewegungsentstehung und daran beteiligte neuronale
Systeme nach Schmidt (1995)….………………………………………….…64
10 Trialaufbau bei der Artefakterzeugung....……………………………………71
11 Experimenteller Aufbau zum Training der Selbstkontrolle von
Langsamen Kortikalen Potentialen (LKP) ……………………………...…..74
12 Schema zum Aufbau des TTD (Thought Translation Device)…………….76
13 Bediener-Bildschirm des TTD während eines Durchgangs…………...…..77
14 Aufbau des Feedback-Monitors....…………………………………………...79
15 Trialaufbau beim LKP-Training………………………………..……………...81
16 Schematische Darstellung der Elektrodenpositionen und des Atmungs-
sensors/-gürtels beim LKP-Training und bei der Artefakterzeugung…….84
Abbildungsverzeichnis

17 Bildung eines Grand Average über 20 Durchgänge…………............87

18 Grand Averages der EEG-, Artefakt- und WS-Kurven unter den
verschiedenen Aufgabenbedingungen (Pos./Neg.) beim LKP-Training
von Trainierten (Vorstudie)…………………… ……………….............97
19 Grand Averages der EEG-, Artefakt- und WS-Kurven unter den
verschiedenen Aufgabenbedingungen (Pos./Neg.) beim LKP-
Training von Untrainierten (Vorstudie)…….……………………………98
20 - 31 Grand Averages der EEG-, Artefakt- und WS-Kurven unter den.
Verschiedenen Instruktionen zur Artefakterzeugung bzw. unter
Ruhebedingung bei Trainierten/Untrainierten (Vorstudie)……..101-106

32 - 34 Korrelationen zwischen der LKP-Feedback-Kurve und den Artefakt-/

WS-Kurven unter den verschiedenen Bedingungen (Pos./Neg./Diff.)

beim LKP-Training der Trainierten/Untrainierten (Vorstudie)………113
35 - 46 Korrelationen zwischen dem LKP-Feedback-Signal und den Artefakt-/
WS-Signalen unter den verschiedenen Instruktionen zur Artefakt-
erzeugung bei Trainierten/Untrainierten (Vorstudie)……….…..115-120

47 - 49 Gemeinsame Darstellung von Effektstärken und Korrelationen
unter den verschiedenen Bedingungen (Pos./Neg./Diff.) beim LKP-
Training der Trainierten/Untrainierten (Vorstudie)……………………122

45 – 63 Gemeinsame Darstellung von Effektstärken und Korrelationen
unter den verschiedenen Instruktionen zur Artefakterzeugung bei
Trainierten/Untrainierten (Vorstudie)……………………………..124-129

64 Grand Averages der EEG-, Artefakt- und WS-Kurven unter den
verschiedenen Aufgabenbedingungen (Pos./Neg.) beim LKP-
Training von Trainierten (Hauptstudie)………………………….........134

65 Grand Averages der EEG-, Artefakt- und WS-Kurven unter den
verschiedenen Aufgabenbedingungen (Pos./Neg.) beim LKP-
Training von Untrainierten (Hauptstudie)……………..……...............135
66 - 72 Grand Averages der EEG-, Artefakt- und WS-Kurven unter den
Abbildungsverzeichnis

verschiedenen Instruktionen zur Artefakterzeugung bzw. unter
Ruhebedingung bei Trainierten/Untrainierten (Hauptstudie)…..137-141

73 - 75 Korrelationen zwischen dem LKP-Feedback-Signal und den Artefakt-/

WS-Signalen unter den verschiedenen Bedingungen (Pos./Neg./Diff.)
beim LKP-Training der Trainierten/Untrainierten (Hauptstudie).146-147
76 - 89 Korrelationen zwischen dem LKP-Feedback-Signal und den Artefakt-/
WS-Signalen unter den verschiedenen Instruktionen zur Artefakt-
erzeugung bei Trainierten/Untrainierten (Hauptstudie)………...149-155

90 - 92 Gemeinsame Darstellung von Effektstärken und Korrelationen
unter den verschiedenen Bedingungen (Pos./Neg.) beim LKP-
Training der Trainierten/Untrainierten (Hauptstudie)…………….......157

93 - 106 Gemeinsame Darstellung von Effektstärken und Korrelationen
unter den verschiedenen Instruktionen zur Artefakterzeugung bei
Trainierten/Untrainierten (Hauptstudie)…………………………..158-165
Tabellenverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Frequenzbänder im Spontan-EEG…………………………………………..16
2 Elektroden-/Kanalschema bei(m) LKP-Training/der Artefakterzeugung
in der Vor- und Hauptstudie…………………………………………………..85
3 Richtlinie für die Einschätzung von Effektstärkemaßen nach Bortz &
Döring (1995) und entsprechende Trefferquoten beim LKP-Training nach
Hinterberger (2001)……………………………………………………..….....89
4 Richtlinie für die Einschätzung von Korrelationen nach
Sedlmeier (1996)………………………………………………………………90
5 Fehler 1. und 2. Art bei einem statistischen Testverfahren……………….93
6 Überblick über die Effektstärken von LKP-, Artefakt- und WS-Signalen
beim LKP-Training der Trainierten (T) und Untrainierten (UT) der
Vorstudie……………………………………………………………..………..108
7/8 Überblick über die Effektstärken von LKP-, Artefakt- und WS-Signalen
unter instruierter Artefakterzeugung bei Trainierten/Untrainierten der
Vorstudie………………………………………………….……………………110
9 Ergebnisse des t-Tests für Effektstärken (Teststärke t, Signifikanz p)
unter den Bedingungen Pos./Neg.Diff. (Vorstudie)..................................131
10 Ergebnisse des t-Tests für Korrelationen (Teststärke t, Signifikanz p)
unter den Bedingungen Pos./Neg./Diff. (Vorstudie).................................132
11 Überblick über die Effektstärken von LKP-, Artefakt- und WS-Signalen
beim LKP-Training der Trainierten und Untrainierten der Haupstudie..142
12/13 Überblick über die Effektstärken von LKP-, Artefakt- und WS-Kurven beim
LKP-Training der Trainierten und Untrainierten der Hauptstudie……...144
14 Ergebnisse des t-Tests für Effektstärken (Teststärke t, Signifikanz p)
unter den Bedingungen Pos./Neg./Diff. (Hauptstudie)………………..…..167
15 Ergebnisse des t-Tests für Korrelationen (Teststärke t, Signifikanz p)