DD206323A1 - Verfahren zur analyse raeumlich-zeitlicher prozesse der hoeheren nerventaetigkeit - Google Patents

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN ZUM NACHWEIS UND ZUR ANALYSE RAEUMLICH-ZEITLICHER PROZESSE DER HOEHEREN NERVENTAETIGKEIT IM GEHIRN DES MENSCHEN UND DER TIERE. ZIEL DER ERFINDUNG IST ES, AUS DEN MEHRKANALIGEN INVASIVEN ODER NICHTINVASIVEN ABLEITUNGEN DER BIOELEKTRISCHEN AKTIVITAET DES GEHIRNS MIT HILFE VON MAKROELEKTRODEN RAEUMLICH-ZEITLICHE WECHSELWIRKUNGEN SOWOHL IN IHRER QUALITAET WIE IN IHRER QUANTITAET ZWISCHEN DEN VERSCHIEDENEN HIRNSTRUKTUREN ZU ERFASSEN, UM SIE ERKENNTNISTHEORETISCH UND ZUM ZWECKE DER DIAGNOSE UND THERAPIEKONTROLLE NUTZBAR ZU MACHEN. DIESE ANALYSE VERWENDET DAZU VERSCHIEDENE VERFAHRENSSCHRITTE, DIE ZUM TEIL BEKANNT SIND (AVERAGING, AKKUMULATION VON POTENTIALWELLEN NACH MASSGABE IHRER LATENZZEIT NACH EINEM EVOZIERENDEN REIZ UND IHRER AMPLITUDE IN EINEM GLEICHVERTEILTEN AMPLITUDENHISTOGRAMM UND DER VERGLEICH GLEICHARTIGER HISTOGRAMME NACH AENDERUNG DES BEDINGUNGSGEFUEGES NACH BEKANNTEN STATISTISCHEN TESTVERFAHREN), ZUM TEIL ERFINDUNGSGEMAESS EIN DISKRETES MERKMAL GEWINNEN, INDEM DAS EINZELNE BIOELEKTRISCHE SIGNAL AUS EINER STATISTISCHEN GRUNDGESAMTHEIT MIT DEREN SIGNIFIKANTEN VERAENDERUNGEN KOINZIDIERT, WODURCH DISKRETE KOINZIDENZEN ENTSTEHEN, DIE FUER VIELE GLEICHARTIGE EINZELNE EVOZIERTE POTENTIALE ZUM POST-STIMULUS-HISTOGRAMM AUFSUMMIERT UND PRO EINZELSIGNAL ALS KOINZIDENZRATE BESTIMMT WERDEN KOENNEN. WESENTLICH IST DER VERGLEICH VON KOINZIDENZEN SIMULTANER VERSCHIEDENER ABLEITUNGEN, DIE, SOFERN SIE IN BESTIMMTEN INTERPRETIERBAREN ZEITINTERVALLEN EINFALLEN, DIE RICHTUNG UND - UNTER BERUECKSICHTIGUNG IHRES VORZEICHENS - DIE QUALITAET DIESER RAEUMLICH-ZEITLICHEN BEZIEHUNG IM GEHIRN ANZEIGEN. DIE ERFASSUNG INTERSTRUKTURELLLER KOINZIDENZEN GESTATTET DIE ABGRENZUNG BIOLOGISCH RELEVANTER, IN RAUM, ZEIT UND WIRKUNG DEFINIERTER SIGNALE AUS EINEM VERHAELTNISMAESSIG STARK VERRAUSCHTEN HINTERGRUND UND IST DAHER ALS SIGNALSELEKTIONSVERFAHREN MIT A-PRIORI-KENNTNIS ZU BEZEICHNEN.

Description

£, W

Koinzidenzanalyse räumlich-zeitlicher Prozesse der höhereα Nerventätigkeit

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis und zur Analyse räumlich-zeitlicher Prozesse der höheren Nerventätigkeit* Die höhere Nerventätigkeit des Menschen und der Tiere vollzieht sich in einer unbeschreibbaren Zahl von Nervenzellen, die über das gesamte Gehirn verteilt sind und zeitweilig durch simultan und sukzessiv ablaufende Prozesse der Erregung und Hemmung zu informatorischen Einheiten der Größenordnung von 1 χ 10³ bis 1 s 10° Nervenzellen verschaltet sind, um danach als funktioneile Elemente in anderen informatorischen Einheiten mit geändertem semantischen Inhalt zu fungieren.

Dank dieser äußerst variablen. Beziehung der Nervenzellen untereinander ist beispielsweise das menschliche Gehirn mit seinen rund 10 Milliarden Neuronen in der Lage, maximal 0,9 χ 10 ^" bit zu speichern, was einer Speicherkapazität von 90 000 bit/Neuron entspricht, obgleich der Zustand eines einzelnen Neurons nur zwischen, erregt (L) und nicht erregt (0) ?rach3elt. Die Semantik der höheren Nerventätigkeit (Informationsspeicherung, Informationsreproduktion, Gedanken, Gefühle, Motivationen usw.) ist somit an die räumlich-zeitliche Organisation des voraussetzenden Nervenprozesses gebunden. Die Bedeutung eines solchen "Verfahrens zum Nachweis und zur Analyse räumlich-zeitlicher Prozesse der höheren Nerventätigkeit besteht z. 3. in der Schaf- fung besserer erkenntnistheoretischer Voraussetzungen zur Erforschung der höheren Nerventätigkeit des Menschen und der Tiere und in einer Verbesserung von Diagnostik und Therapiekontrolle neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen.

Charakteristik der bekannten, technischen Lösungen

Ss sind Verfahren bekannt, die den. nachweis und die Analyse räumlich-zeitlicher Wechselwirkungen' im Gehirn.des Menschen und der Tiere gestatten. Durch Ableitung bioelektrischer Signale mit Mikroelektroden, die in die zu untersuchende Hirnstruktur eingeführt werden, ist es möglich, die Aktivität einzelner Feurone (single-unit-activity) oder mehrerer Heurone (multipleunit-ac ti vit 5/") zu erfassen und mit entsprechenden simultanen Ableitungen in anderen Strukturen zu vergleichen, um aus dem Vergleich der Zeitfolgen neuronaler Entladungen kooperative 'Wechselwirkungen zu analysieren. Diese Methode wurde wegen ihres invasiven Charakters fast nur im Tierexperiment angewendet. Sie führt auch nur dann zu Ergebnissen, -wenn aufgrund bekannter anatomischer Beziehungen zwischen den abgeleiteten Hirnstrukturen eine funktionelle Kooperation als wahrscheinlich vorausgesetzt werden kann, wie z, B. innerhalb des visuellen Analysators, des auditorischen Analysators usf. Dagegen sind Ergebnisse zwischen nur zeitweilig kooperierenden integrativ tätigen Hirnbereichen.,- die u. a. für Emotionen, Motivationen, Gedächtnisprozesse usf.. wesentlich sind, durch ein hohes Maß an Unsicherheit gekennzeichnet, was diese Methode für diagnostische Zwecke unbrauchbar macht._:

Die. simultane mehrkanalige Ableitung bioelektrischer Signale mit Makroelektroden über- der' zu untersuchenden Hirnstruktur (wie ζ- B. Skalp.elelektrod.en beim BEG) oder- in diese versenkt (wie z. 3. mit implantierten Elektroden beim ECG) erfaßt elektrische PotentialSchwankungen größerer Zellpopulationen. Die abgeleiteten Potentialschwankungen spiegeln aber nur bedingt währe Zellaktivitäten wider, weil sich die so erfaßten elektrischen Momente aus einer unbekannten Zahl von Erregungs- und Hemmungsprozessen zusammensetzen, die verschiedenen informatorischen Einheiten, und aktivitätsregulierenden Systemen angehören und in ihrer Gesamtheit möglicherweise das allgemein bekannte SSG-Signal bedingen.. Der lachweis einer auf einen evozierenden Reis ausgelösten Antwort (evoziertes Potential) mit simultanen mehrkanaligeη Makroelektrodenableitungen macht deshalb im ersten Schritt die Abtrennung des IJutzsignals vom EEC--Hintergrundrauschen, im zweiten Schritt die Analyse kooperativer Eigenschaften zwischen simultan- abgeleiteten Potentialverläufen erforderlich..

Ss ist übiicn, claw man zur u-ewinnung u«a m zierenden Reiz endlich, mal wiederholt, die resultierenden evozierten Potentiale nach dem Averaging-Verfahren aufsummiert und unter der Annahme den Mittelwert errechnet, daß sich, die stochastisch, um Fall verteilten EEG-Signale eliminieren. Die-simultan abgeleiteten evozierten Potentiale verschiedener Hirnstrukturen werden mit Kreuzkorrelationsfunktionen oder Kohärenzfunktionen hinsichtlich, des Grades an Kooperation eingeschätzt,

Der Nachteil dieses allgemein üblichen Verfahrensweges besteht darin, daß der nach dem Averaging-Verfahren errechnete Mittelwert eines evozierten Potentials eine Fiktion ist, weil das einzelne evozierte Potential nicht mit dem wahrscheinlichsten Amplituden-Zeit-'Templat der evozierten Reizantwort übereinstimmt, dafür aber in starker Weise von Artefakten abhängt, deren Eliminierung dort eine Grenze findet, wo sich das artefizielle Signal weder im Frequenzinhalt noch in der Amplitude vom Nutζsignal unterscheidet. Zum anderen wird durch die notwendige häufige Wiederholung des evozierenden Reizes die Hintergrundaktivität des EEC—Signals verändert, so daß die Stationarität infrage gestellt ist und auch die Verteilung der Heßwerte verändert wird.. Die Errechnung von Korrelationen und Kohärenzen-zwischen solchen simultan abgeleiteten und gemittelten Zeitfunktionen gibt daher nur in angenäherter Weise Aufschluß über den Grad an Kooperation. Eine direkte Analyse räumlich-zeitlicher Teilprozesse .zwischen simultanen Potentialen ist nicht möglich.

Aussichtsreicher ist dagegen ein Verfahren, welches die räumliche Dynamik isoelektrischer Zustände oder aufeinanderfolgender Uulldurchgänge in simultanen mehrkanaligen EEG-Ableitungen zum Gegenstand hat. Da-die EEG-Ableitungen Wechselspannungsschwankungen zwischen 0 und 35 Hz sind, deren Amplituden, über einen längeren Zeitraum symmetrisch um Hull verteilt sind, wird eine solche Aussage nur dann sinnvoll, wenn durch Stimulation (elektrische, optische, akustische, ...) hervorgerufene Rhythmusänderungen in den simultanen EEG-Ableitungen untersucht werden. Eine derartige Stimulation setzt jedoch die Kenntnis der Phasenlage des EZG-Signals voraus, um davon deutlich abweichend die ?,eize zu applisieren. Eine Ableitung'als Bezugssignal muß daher willkürlich erklärt werden, weil sich die Phasenlage räumlich verschiedener EEG-Ableitungen unterscheidet.

Ziel der Erfindung

Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, bei nicht invasiver und/oder invasiver Ableitung der bioelektrischen Aktivität des.Gehirns des Menschen und der Tiere mit Makroelektrodeη die bekannten Nachteile des Averaging-Verfahrens zu überwinden und den Vergleich simultaner evozierter Potentiale schon auf der Ebene einzelner evozierter Potentiale in der Weise zu ermöglichen, daß diskrete zeitliche interstrukturelle Beziehungen, auch in Abhängigkeit von ihrer erregenden oder hemmenden Wirkung anal3rsiert werden können. Dies soll auch für mehrkanalige EEG-AbIeitungen möglich sein..

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die. Aufgabe zugrunde, daß die in herkömmlicher Weise mit Makroelektroden abgeleiteten, simultan und inehrkanalig erfaßten,, in EEC—Verstärkern verstärkten und auf Magnetband zwischengespeicherten evozierten Potentiale oder zeitlich begrenzten EEC—Aufzeichnungen in handelsüblichen programmierbaren Computern nach besonderem Verfahren ausgewertet werden..

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die folgenden, z. J. bekannten Verfahrensschritte gelöst.:

In einem ersten bekannten Sehritt wird die endliche Zahl der simultan in den Hirnstrukturen A und 3 abgeleiteten evozierten Potentiale oder EEC—Abschnitte für jeden Kanal getrennt aufsummiert, in der Amplitude normiert und auf isoelektrische Ausgangsbedingungen bezogen.. Da die bioelektrischen Potentialschwankungen in der Zeit symmetrisch um Hull verteilt sind, wird für' ein interessierendes Zeitintervall die otandardabweichung bestimmt. Mach Division durch die Anzahl der aufsummierten bioelektrischen Ereignisse entsteht ein gemitteltes Amplituden—Ze it-Templat, welches für visuelle Vergleiche mit den später zu erarbeitenden Ergebnissengespeichert wird.

In einem zweiten bekannten Schritt wird die endliche Zahl dieser simultan erfaßten Ereignisse der Hirnstrukturen A und 3 für jede Struktur getrennt in einem Amplitudeniiistogramm' erfaßt. Zur Bildung dieser Histogramme zu jeweils 32 (oder t) ausgewählten diskreten Zeitpunkten wird der gesamte Amplitudenbereich in 16 (oder 1) Amplitudenklassen, unterteilt. Eine Aufteilung in jeweils 1b oder 1 Amplitudenklassen gleicher Breite

hat den Nachteil, daß die Aufgliederung in. der Nähe νοα Hull zu grob ist, so daß geringfügige Abweichungen des evozierten Potentials oder des SZG- von der Nullinie. anhand des Histogramms nicht mehr erkannt werden können. Prinzipiell kann .jede beliebige Klassenteilung in Anwendung kommen, die diesen Nachteil überwindet, sofern sie bei der weiteren Verarbeitung der Histogramme berücksichtigt wird. Aus naheliegenden Gründen wurde .jedoch eine Klassenteilung nach der Gauss'sehen Normalverteilung gewählt, deren Klassenbreite so ausgelegt ist, daß bei normalverteilten Meßwerten .jede Klasse eine gleiche Auftrittswahrscheinlichkeit aufweist. Damit wird erreicht, daß bei kleinen Amplituden eine feinere Aufgliederung in verschiedene Klassen erfolgt, als bei größeren Amplituden.

Für die praktische Bildung der Histogramme wurde die Form der Normalvertellung . _·/ ν /t· 2,

verwendet, wobei s die Amplitude in/uY, S die Standardabweichung der Werte (in /uV) um einen Mittelwert M (in juY) ist,, Für eine symmetrische Klassenteilung um den Wert Null wird /u = 0, so daß als einsiger Parameter die Streuung S bleibt. 3 bestimmt so die Form der entnormierten Normalverire ilung.

Um bei kleinen oder großen evozierten Potentialen oder kleinen oder großen ESG-We11en eine etwa gleiche Klassenauffächerung bezüglich der größten auftretenden Amplituden zu erreichen, wird als S in obiger Normalverteilung die Streuung des aus η einzelnen evozierten Potentialen, errechneten mittleren evozierten Potentials um den Wert Null respektive die Streuung der aus η JSEG-Abschnitten errechneten ΞΞΟ—Mittelwerte um den Wert Null verwendet.

Die normierten Klassengrenzen u bei 1 = 16 Amplitudenklassen gleicher Auftrittswahrscheinlichkeit sind:

Klasse

0 1

—1

/I

U	min	5384
_ oö	1526
-1 .	8886
-1 .	6754
— U α	4394
-0.
-0.

IM J	.5834
-1	.1526
-0	r .-τ — .. . σ / j 4
-Vj	.4394
-υ	.3190

umin	umax
-0.3190	-0.1574
-0.15.74	0
0	+0.1574
0.ί574	+0.3190
+0.3190	+0.4894
+0.4894	+0.6754
+0.6754	+0.8886
+0.8886	+1.1526
+1 .1526	+1.5384
+1.5384	+ ^0

KLasse .

9 -10 11 12 13 14 15

Angenonanen_} die mittlere Streuung eines mittleren evozierten Potentials sei 50 ^uY, würde die Klasse 10 innerhalb der Grenzen 2_9/i0 = +0.3190 χ 50 /UY = 15,95 /uV

S₁₀ /, _r = +0.4894 x 50 ,UV= 24,47 /UY liegen.

Wählt man für 1 =. 16 Amplitudenklassen und für t = 32 ausgewählte Zeitpunkte, ergeben sich 512 Werte je Histogramm«

In einem dritten bekannten Schritt werden die so in Amplitude, Streuung und isoelektrische Ausgangswerte bezogenen 512 Werte eines Histogramms der Hirnstruktur A mit einem gleichartig gebildeten Histogramm' der Struktur A' verglichen., entsprechend die Histogramme der Struktur B und B'. A und 3 sind für beide Hirnstrukturen gleichermaßen gültige Ausgangs- oder Kontrollbedingungen, die nach oder während der Wirkung bekannter Einflufigrößen zu A' bzw. B^f geändert werden.

Durch den Yergleich der Klassenbesetzung aller 512 Adressen des Histogramms A bzw. 3 mit den gleichen 512 Adressen des Histogramms A' bzw. B¹ mit Hilfe eines geeigneten statistischen Prüfverfahrens (wie z. B. der 3f -Test) werden diejenigen Adressen ermittelt,, deren Klassenbesetzung sich infolge der Änderung des Bedingungsgefüges von A bzw. B zu A' bzw, 3' signifikant geändert haben. Dabei "/erden in erster Häherung signifikante Steigerungen der Auftrittswahrscheinlichkeit in negativen Klassen als "Erregung", in positiven Amplitudenklassen als "Hemmung" und vice versa signifikante Erniedrigungen der Auftrittswahrschei.nlichkeit in negativen Amplitudenklassen als "Hemmung", in positiven' Amplitudenklassen als "Erregung¹·' interpretiert. - . .

in einem 4· Schritt wird analysiert, in welcher Weise die bioelektrischen Einzelereignisse 1...n in der Hirnstruktur A^f bzw. in der Hirnstruktur B' mit den jeweiligen signifikanten Änderungen ihrer Grundgesamtheiten beim übergang von A zu A¹ bzw. bei Übergang von B zu 3^! koinziaieren. Man erhält dadurch für jedes Einzelereignis O...k diskrete Koinzidenzmerkmale (kurz: Koinzidenzen), die sich in ihrer Latenzzeit zum evoziereaden Reiz, in ihrer Interpretation in "Erregung" und "Hemmung" unterscheiden· Da in der Ueurophysiologie die Begriffe "Erregung" und "Hemmung" mit bestimmten Veränderungen des Membranpotentials der ITeurone verbunden sind, diese hier genannten Veränderungen der Auftrittswahrseheinlichlceit jedoch nur mittelbare Folge solcher zellulärer Hembranpotentialanderungen sind, v/erden im Folgenden "Erregungen" als positive Koinzidenzen, "Hemmungen" als negative Koinzidenzen bezeichnet.

Für das bioelektrische Einseiereignis gestatten diese Koinzidenzen eine Reihe von Aussagen und Schlußfolgerungen. Pro Einzel ereignis summiert zur fortlaufenden Koinzidenzrate sind sie als Maß für die Stetigkeit des Übergangs A zu A' bzw. 3 zu 3¹ geeignet« Über der Latenzzeit nach dem evozierenden Reiz aufsummiert lassen sich die evozierten Potentiale der Hirnstrukturen A^f bzw.. B¹ als post-stimulus-time-Koinzidenz-Histogramm abbilden.

In einem fünften Schritt wird analysiert, welcher Zusammenhang zwischen den 0...k Koinzidenzen der bioelektrischen Einzelereignisse 1...n der Hirnstruktur A^T und den G...k Koinzidenzen der simultan abgeleiteten bioelektrischen Einzelereignisse 1.. .n der Hirnstrulctur 3' besteht.. Ein kausaler Zusammenhang von A^T zu 3¹ oder umgekehrt kann, nur dann angenommen werden, wenn ein Zusammenhang.zwischen bestimmten Koinzideazmerknialen eines i-ten Einzelereignisses 1...n von A^T mit Koinzidenzmerkmalen des simultanen i-ten Einzelereignisses zwischen 1....n von B¹ solcher Art existiert, daß zwischen diesen eine Zeitverzögerung liegt, deren Größe sich im Bereich physiologischer Leitungs- und Synapseazeiten. zwischen A' und 3' verhält.

Analysiert man z. 3. Struktur A' gegen Struktur 3', sind positive Zeitdifferenzen interstruktureller Koinzidenzen, mit der Richtung von A^f zu 3^!, negative Zeitdifferenzen dagegen mit Richtung von 3' zu A¹ verbunden. Unter Berücksichtigung o. g. Interpretationen positiver und negativer Koinzidenzen (+k und

-k) lassen sich die weiteren. Differenzierung en aus den Gesetzen, der Kombinatorik herleiten:

+k., zu +k-nf und umgekehrt,

+k,.,, zu -k-at und umgekehrt,

-k,_} zu +kp, und umgekehrt,

-k„, zu -k-gt und umgekehrt,

wobei bei vordergründiger Betrachtung der Wirkungsweise alle von A' ausgehenden Koinzidenzen, die zu +k-g, oder -k-g,, und alle von 3' ausgehenden Koinzidenzen, die zu +k_?, oder -k,_t führen, zusammengefaßt werden können.

Die so erhaltenen interstrukturellen I'Ioinziaenzen können pro Binzelereignis als interstrukturelle Koinzidenzrate Auskunft über die Stetigkeit der Beziehungen verschiedener Hirnstrukturen untereinander geben. Über der Latenzzeit nach dem evozierenden Reiz aufsummiert geben sie Auskunft über die interstrukturelle Wechselwirkung verschiedener Hirnstrukturen sowohl in quantitativer, als auch in qualitativer Weise. Die spektrografische Erfassung dieser interstrukturellen Koinzidenzen, über den ihnen inhärent innewohnenden Zeitverzögerungen zwischen A¹ und 3^r und umgekehrt gibt Hinweise über das Faserspektrum der Leitungswege und über mögliche synaptische "Verschaltungen und deren Modifizierung durch das zu untersuchende Gefüge von Einflußgrößen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber den bekannten Verfahren folgende Vorteile:

Die Akkumulation evozierter Potentiale oder entsprechender EEG-Absohnitte im Amplitudenhistogramm (Schritt 2), normiert nach Amplitude, isoelektrischem Ausgangswert und Streuung, erfordert keine- Stationarität der SEG-Grundaktivität, weil die Koinzidenzrate (Schritt 4 bzw, 5) unmittelbar die Stationarität anzeigt, so daß gegebenenfalls spätere Auswahlkriterien gegeben sind.

Eine Artefaktausbiendung ist nicht unbedingt erforderlich, weil die Wahrscheinlichkeit des Entstehens signifikanter Veränderungen aufgrund artefizieller Beeinflussung sehr gerin, bei 1 6 Amplitudenklassen und einer r'rüfgröße von Σ~ größer 5.02 ist P₁^ =0.00001516, ρ^_αχ = 0.0117.

Das einzelne evozierte Potential wird als IPolge einer zeitabhängigen. Häufung von positiven und negativen Koinzidenzen abgebildet. Durch die interstrukturellen Koinzidenzen werden, die zeitlichen quantitativen und qualitativen Wechselbeziehungen in der Rauin-Zeit-Struktur elektrophysiologisch erfaßter Kirnstrukturen dargestellt.

AusführungsbeisOJel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden, Ss gilt, die Wirkung eines' motivationeilen Erregungszustandes eines biologischen Objektes (Ratte) auf die durch eine Serie von Lichtreizen hervorgerufenen Eervenprozesse der Kirnstrukturen A (visueller Kortex) und E (Area hypothalamica lateralis) und auf die kooperativen Wechselwirkungen zwischen A und B zu untersuchen, um nach endlicher Wiederholung solcher Untersuchungen an gleichen und andersartigen biologischen Objekten aussagefähige' Ergebnisse mit dem Ziel zu erhalten, solche meßtechnisch sehr schwer zugänglichen inneren Erregungszustände objektiv nachweisen und einschätzen zu können. Deshalb wurden vor der Ableitung der bioelektrischen Aktivitätin Z'orm des Elektroenzephalogramms in die genannten Hirnstrukturen Makroelektroden implantiert'. Die Lichtreizung erfolgte im zeitlichen Abstand von jeweils einer Sekunde 240 mal unter verschiedenen Bedingungen vermittels augennali installierter lichtemittierender Dioden. Der motivationeile innere Srregungszustand wurde durch die Einspielung von I'Iagegeräuschen erzeugt, weil Ratten durch diese Geräusche geweckt und zur ITahrungsaufnähme auch dann bewegt werden, wenn sie unmittelbar zuvor eine Nahrungsaufnahme beendet hatten. Während der Ableitung der bioelektrischen Hirnaktivität war eine nahrung saufnähme jedoch nicht möglich, weil die durch Kauen hervorgerufenen bioelektrischen Muskelaktivitäten die' EEG-Ableitung gestört hätten. Die bioelektrische Aktivität der Hirnstrukturen A und 3.wurde gemeinsam mit dem Trigger bzw. Reiz- .signal auf getrennten Kanälen eines mehrkanaligen Magnetbandspeichers gespeichert und off-line ausgewertet. Die Wirkung der iiagegeräusche auf die licntevosierte ITerventätigkeix vnirde durch "Vergleiche von EEG-AbIeitungeη mit und ohne Lichtreiz mit entsprechenden EEG-Absclmitten mit und ohne Lichtreis bei Einspielung von ITagegeräuschen analysiert.

V/ie Fig. 1 zeigt, werden jeweils 240 i£3G-Abschnitte einer Dauer von 500 ms vor dein Lichtreiz (SEG-Abschnitte) und 240 EEG-Abschnitte einer Dauer von 500 rns nach dem .Lichtreiz (ΞΡ -Abschnitte) einer jeden Hirnstruktur getrennt gemittelt (Averaging), im Pal le des ausschließlichen EEGs' nur die Standardabweichung -i-SW-p gebildet, im Falle des SSG nach Lichtreizung die

""* JZfJLJVT

Standardabweichung +S-^-p und das mittlere evozierte Potential

Die EBG-Abschnitte werden unter Berücksichtigung der Amplitudeneichung (Amplitud.ennormierung) und +8-^,-, in einem Amplituden-Iiistogramm AH-,~_ri akkumuliert. Dieses Amplitudenhistogramm besteht beispielsweise aus 32 Zeitklassen (Binweite 10 ms) und 16 äquiplanaren Amplitudeoklassen einer von der Uormalverteilung abgeleiteten G-Ieichverteilung.. Analog wird mit den Ξ? Abschnitten verfahren. Durch Vergleich der 1. - 512. Adresse des ΑΗ-ς,τρη mit der 1. - 512. Adresse des AH^-o^mit Hilfe eines statistischen 'Testes (X -Test) werden diejenigen Adressen ermittelt, die sich durch die Wirkung des Lichtreizes signifikant in ihrer Auftrittswahrscheinlichkeit geändert haben. Ss entsteht die Koinzidenzmatrix K -Matrix, mit deren Hilfe diejenigen Adressen des AH^p ~ eruiert werden,'die als Summe aller signifikanten Veränderungen über der Latenzzeit nach dem Lichtreiz als Post-stimulus-Histogramm PSH total zusammengefaßt werden, ^ird berücksichtigt, daß eine signifikante Erhöhung der Auftretenswahrscheinlichkeit in negativen Amplitudenklassen oder eine signifikante Erniedrigung der Auftretenswahrscheinlichkeit in positiven Amplitudenklassen als "Erregung" und vice versa gegenteilige Veränderungen der Auftretenswahrscheinlichkeit als "Hemmung" interpretiert werden können, entsteht aas interpretierte PostStimulushistogramm PSH interpret.

In gleicher Schrittfolge wird mit analogen SSG-- bzw. SP-Abschnitten verfahren, wenn unter dem zusätzlichen Einfluß von Hagegeräuschen die bioelektrischen Aktivitäten erfaßt werden (vgl. Fig. .2). Im Ergebnis entstehen die Amplitudenhistograirjiie ΑΗτλ-γι - -,- und ΑΗ-,ρ -.-,-, und nach ihrem statistischen Vergleich die Koinzidenzmatrix Κ_τ,_τα Matrize, ein totales Poststimulushistogranm PSHt.--. und ein interpretiertes Poststimulushistogranm PSHr-^ interpret, sowie ein gemitteltes piiotisch evozierte3 Potential aEP,_Tr. für den visuellen Vergleich»

γ¹ ig. 3 zeigt als Ergebaisbeispiel totale und. interpretierte Poststimulushistogramme PSPI und PSH,™ der Hirnstruktur A bei An- und Abwesenheit von Hagegeräuschen, Ein visueller "Vergleich zeigt eine gute Übereinstimmung von elektrischen Potentialverläufen und totalen bzw. interpretierten Poststimulushistogrammen. U¹Ig. 4 zeigt in analoger Weise Ergebnisse mit Hirnstruktur

Der Einfluß der Hagegeräusche auf den photisch evozierten Hervenprozeß in den Hirnstrukturen A und B läßt sich deutlicher abbilden, wenn man die nach Pig. 1 und Pig. 2 ermittelten Amülitudenhistogramme .4Η-,_Ό -und AH--τ, ^ statistisch miteinander vergleicht, wonach man die Koinzidenzmatrix K^-^-Matrix erhält. Durch Darstellung derjenigen Anteile des AH-^-Q_-^q _s d-ie durch die Koinzidenzmatrix -ZIlIG gekennzeichnet sind, erhalt man das PSH/,-vrgtotal bzw. das PSH_x.,^interpret. Ein visueller Vergleich mit der Differenz der zugehörigen gemittelten evozierten Potentiale aE?_T,p - aEpQ zu aEP,-^ ergibt wiederum eine gute Übereinstimmung, wie auf 5¹Xg. 6 dargestellt ist.

Mit jedem visuellen Vergleich wird deutlich, daß sich die- gemittelten Potentialverläufe nach der vorgestellten Methode stets als unausgeglichene Bilanz positiver und negativer Koin- ' zidenzen abbilden. Dadurch wird auf dieser Stufe der Datenumfcrmung eine wesentliche Erweiterung der Aussage erreicht. Darüber hinaus kann durch den nachfolgenden Vergleich der 240 Einzel-EP bei ITagegeräuschen (1...500 ins SP_t.₇q; vgl. J?ig. 2) mit der Koinzidensrnatrix K.₇,_Tn-Matrix (vgl... ?ig. 5) untersucht werden, welche diskreten Anteile eines jeden einzelnen evozierten Potentials mit der statistisch signifikanten Veränderung, hervorgerufen durch Hagegerausehe, koinzidieren (vgl. Pig, 7). LIan erhält dadurch o...k Koinzidenzen AIiG, die pro Einzel-EP ohne weitere Wertung aufsummiert als Koinzidenzrate (Koinzidenz rate ^xIC-) ein Maß für die zeitliche Beeinflussung des Tieres durch Hagegeräusche abgeben. Mit dieser Koinzidenzrate wäre beispielsweise auch eine nachträgliche Selektion einzelner Versuchsabschnitte möglich. .

Die wesentlichste Aussageerweiterung wird aber erst dadurch möglich, daß mit dem zeitlichen. Vergleich der o.,..k Koinzidenzen Δΐϊα der Hirnstruktur A und der O...k Koinzidenzen ZEIG der Hirnstruktur B - beide wurden simultan abgeleitet - Voraussetzungen für die Analyse einer interstrukturellen Koinzidenz ge-

geben sind, die-die Wechselbeziehungen zwischen den Hirnstrukturen A und B zum Gegenstand hat (vgl. Fig. 7). Sofern positive oder negative Koinzidenzen der O...k Koinzidenzen^lJG der Hirnstruktur A und O...k KoinzidenzenZiSiG der Hirnstruktur B in einem Zeitraum zeitlich zusammenfallen, der größer als 0 ms ist und mit Leitungs- und Synapsenzeiten zwischen A und 3 interpretiert werden ka,nn, können bei positiven Zeitverzögerungen Wirkungen angenommen werden, die von A ausgehen und B beeinflussen. Bei negativen Zeitverzögerungen müssen hingegen Wirkungen angenommen werden, die von B ausgehen und A beeinflussen.

Die Aufsummierung solcher durch die Richtung diskriminierter interstruktureller- Koinzidenzen über der Latenzzeit nach dem evozierenden Reiz führt zu totalen Poststimulushistogrammen PSH total Kajtq A%B.. Unter Beachtung der Interpretation negativer und positiver Koinzidenzen gelangt man zu einer Reihe von Teilkoinzidenzbeziehungen:

-²A^ ⁴

Stehen bei der Auswertung nur die Wirkungen im Tordergrund, können die interstrukturellen Koinzidenzbeziehungen vereinfacht werden zu

Unabhängig vom latenzzeitabhängigen Erscheinen dieser interstrukturellen Koinzidenzen können auch Häufigkeitsverteilungen über ihrer Zeltverzögerung zur Charakterisierung der Wechselbeziehungen gebildet werden, wie z. B. AfcHtotal ^astq. ^ ^ 3 AtE ^_ν , _r,- usf..-Ebenso kann eine interstrukturelle Koinaidenzrate zllTG A ^y 3 gebildet werden, um eine Zeitfunktion dieser Wechselwirkungen im Verlaufe verschiedener aufeinander folgender evosierter Potentiale zu erhalten.

Die folgenden Figuren zeigen das Srgebnis einer solchen Analyse. Fig. 8 bildet das totale Poststimulushistogramm interstruktureller Koinzidenzen zwischen den Kirnstrukturen A und 3 ab.

Die von. A aach B verlaufeadeα Wirkungen wurden mit offenen Säulen, die von B nach A verlaufenden Wirkungen mit geschlossenen Säulen dargestellt. Rechts im Bild befindet sich die histografische Häufigkeitsverteilung dieser Koinzidenzen über ihrer zeitlichen Verzögerung, die sich aus Leitungs- und Synapsenzeiten zusammensetzt.

Fig. 9 zeigt interpretierte Poststimulushistograinme interstruktureller Koinzidenzen in komplexer Form: nach oben positive Koinzidenzen als Ausdruck einer gerichteten Erregung, nach unten negative Koinzidenzen als Ausdruck einer gerichteten Hemmung. Die Richtungssymbolik entspricht der auf Fig. 8 angegebenen. Die Abbildung zeigt in dieser Form Bereiche wahrscheinlicher Mit- und wahrscheinlicher Gegenkopplung. Rechts im Bild die komplexe Häufigkeitsverteilung dieser interpretierten Koinzidenzen über ihrer Zeitverzögerung.

Fig. 10 zeigt als Beispiel die interstrukturelle Koinzidenzrate ^iTG- A % B über 240 Einzel-ΞΡ. Man sieht im Anfangs- und Endteil eine deutliche Häufung, im mittleren Abschnitt eine geringere Xoinzidenzrate.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   1. "Verfahren zur Analyse räumlich-zeitlicher Prozesse der höheren. Nerventätigkeit in n..verschiedenen Strukturen des Gehirns nach endlich wiederholten evozierenden Reizen und/oder n-kanaliger,simultaner Ableitung der bioelektrischen Potentia,lschwankungen mit Makroelektroden, der Verstärkung dieser Signale in n-kanal ige η ESG-Verstärkern und der n-kanaligen Zwischenspeicherung auf Magnetband, Auswertung mit handelsüblichen programmierbaren Rechnern, gekennzeichnet dadurch, daß .die endliche Menge bioelektrischer Einzelereignisse des Gehirns gemäß ihrer normierten und auf den ausgangswertbezogenen Amplitude und bezogen auf ein einheitliches Streuungsmaß, getrennt nach Ableitort und Meßbedingung in eine definierte Anzahl von Amplituaenklassen gleicher Auftrittswahrscheinlichkeit für ein Zeitintervall über endlich viele Zeitpunkte, histografisch sortiert v/erden, um im Yer-

   gleich von Histogrammen gleicher Ableitorte, aber verschiedenen Bedingungen, von diesen"ausgehende signifikante Änderungen zu ermitteln, deren Koinzidenz mit den zugehörigen Sinzelereignissen dieser Grundgesamtheit zu diskreten Merkmalen, führt, die pro Sinzelereignis aufsummiert zur Koinzidenzrate in der zeitlichen Abfolge,der-Einzelereignisse-die Stetigkeit der Einflußgröße widerspiegeln,; die über der Zeit nach der jeweiligen Änderung der oftmals wiederholten Zustandsänderung (z, B.' evozierende Reize) ein post-stimulus-Histogramm dieser Koinzidenzen ergeben, die zur Analyse kausaler Zusammenhänge von simultan abgeleiteten Hirnstrukturen geeignet sind, viean zwischen den Koinzidenzmerkmalen simultaner Sinzelereignisse Zeitdifferenzen liegen, die physiologisch mit Synapsen und Leitungszeiten beschreibbar sind, die die Richtung eines' solchen Zusammenhanges anzeigen, die über der Latenzzeit nach evozierenden Reizen aufsummiert ein poststimulus-Histogramm interstruktureller Koinzidenzen ergeben, wodurch quantitative und - nach "Erregung" und "Hemmung" interpretiert - auch qualitative Zusammenhänge zwischen den kooperierenden Hirnstrukturen sichtbar werden, deren Häufung über der inteiatrukturellen Zeitverzögerung Auskunft gibt über mögliche Leitung s- und Synapsenzeiten.

   Bierzu^^LSelten Zeichnungen