Neuromarker - Wissenschaftlicher Hintergrund.


Genauere Diagnostik

Jede von einem System – mechanisch oder biologisch – erbrachte Leistung zeigt eine Abhängigkeit von seiner Aktivierung. Bei geringer Aktivierung wird wenig Leistung erbracht. Steigt die Aktivierung, so steigt auch die Leistung, um ab einem gewissen Punkt wieder abzunehmen. Es findet sich ein Bereich optimaler (und nicht maximaler) Aktivierung, in welchem die maximal mögliche Leistung erbracht wird. Die sogenannte “inverted U-curve” (Yerkes-Dodson Gesetz) veranschaulicht diesen Zusammenhang.

 
Inverted U Deutsch.png
 

Die Schwierigkeit besteht nun für Arzt und Patienten darin, zu erkennen, ob eine Über- oder Unteraktivierung einzelner Systeme vorliegt. Nur in Kenntnis dessen kann geplant werden, welche Massnahmen zu guter Leistung führen können. Wichtig ist dabei auch noch zu erwähnen, dass mit Leistung nicht primär Peak Performance gemeint ist (auch wenn dies natürlich ein Ziel sein kann). Ziel ist in den meisten Fällen, dass es gelingt, die Anforderungen des Alltags bei psychophysischem Wohlbefinden bewältigen zu können.

Zahlreiche neuronale Systeme müssen funktionieren, um die Aufmerksamkeit aufrecht zu erhalten: kortikale und limbische Aktivierung, Signaldetektion, sensorische Verarbeitung, Arbeitsgedächtnis und die eigentlichen attentionalen Netzwerke (‘Alerting’, ‘Orienting’ und ‘Executive’). Angst- und Zwangserkrankungen, Depressionen, Schizophrenie, ADHS und z.B. neurodegenerative Erkrankungen können - auf verschiedenen Wegen - zu Störungen der Aufmerksamkeit führen. Entsprechend bietet sich eine Untersuchung der Aufmerksamkeit an, um die Funktionsweise der verschiedenen neuronalen Netzwerke zu messen.

Es wird dabei so vorgegangen, dass während einer 20 Minuten dauernden GO/NoGO-Aufgabe (VCPT: Visual Continuous Performance Task) das EEG abgleitet. Man generiert:

  • Verhaltensdaten —> Vergleich mit Normdatenbank —> Objektivierung attentionaler Defizite

  • Konventionelles EEG —> Grundaktivität, Herdbefunde, epilepsietypische Potentiale

  • EEG während des Tests als Ausdruck der kortikalen Selbstorganisation während der Aufgabenlösung —> Vergleich mit Normdatenbank (quantitatives EEG) —> qEEG-Neuromarker 

  • KEP (Kognitiv evozierte Potentiale) als Ausdruck für das Antwortverhalten neuronaler Netzwerke àVergleich mit Normdatenbank —> KEP-Neuromarker 

qEEG-Neuromarker

Das quantitative EEG kann wie gesagt als Methode zur Messung der Selbstorganisation neuronaler Netze angesehen werden. Mit dem qEEG misst man somit den «Schwingungsgesamtzustand» des Kortex aber auch limbischer Strukturen während der Bearbeitung von Aufgaben.

 
Kortikale Selbstorganisation.png
 

Vergleicht man das Spektrum des EEG’s mit einer Normdatenbank, lassen sich quantifizierte Aussagen über Abweichungen der Selbstorganisation machen. Manche Muster sind typisch für das Vorliegen neuronaler Fehlregulationen einzelner funktioneller Systeme und können damit als Neuromarker für psychischer Störungen herangezogen werden. Dies einige Beispiele:

  • Verstärkte Alpha-Aktivität frontal links —> Depression

  • Verstärkte Alpha-Aktivität frontopolar —> Hypoaroused ADS

  • Verstärkte Beta-Aktivität zentral  —> Hyperarousal, limbische Überaktivierung bei Angsterkrankung

  • Erhöhte Theta-Beta-Ratio —> ADHS

Die bei Depressionen häufig beobachtete verstärkte Alpha-Aktivität frontal links - als Ausdruck einer kortikalen Unteraktivierung - sieht so aus:

 
Frontales Alpha bei Depression.png

KEP-Neuromarker

Im Gegensatz zum qEEG, welches die Selbstorganisation abbildet, sind die kognitiv evozierten Potentiale ein Index für das Antwortverhalten neuronaler Netze. Es stehen damit Neuromarker für die sensorische Verarbeitung und attentionale Subsysteme zur Verfügung.

 
Kortikales Antwortverhalten.png
 

Wie beim qEEG werden die gemessenen Potentiale mit einer Normdatenbank verglichen, um allfällige Abweichungen quantifiziert angeben zu können. Auch hier ein paar Beispiele für Veränderungen, die gefunden werden können:

  • verminderte CNV —> Vermindertes Bereitschaftspotential bei ADHS oder Frontalhirnfunktionsstörung

  • vermindertes P3 NoGO-GO —> Vermindertes Monitoring bei ADHS, Psychose oder Frontalhirnfunktionsstörung

  • verstärktes P3 NoGO-GO —> Verstärktes Monitoring bei Hyperarousal bei Ängsten oder auch Zwängen

Eine verminderte CNV bei z.B. schwer ausgeprägter ADHS sieht so aus:

 
Bild CNV.png


Gezieltere Therapie

Durch die genauere Kenntnis des Aktivierungszustandes der verschiedenen funktionellen neuronalen Systeme kann eine gezieltere Therapie abgeleitet werden. Zeigt sich, dass die Leistung - z.B. der Aufmerksamkeit - wegen einer Überaktivierung schlecht ist, so muss zu beruhigenden therapeutischen Massnahmen gegriffen werden. Dies veranschaulicht die nächste Abbildung:

 
Cooling down Deutsch.png
 

Ausgewählte Literatur:

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Stuss, D.T., Shallice, T., Alexander, M.P., Picton, T.W. A multidisciplinary approach to anterior attentional functions. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1995; 769: 191–211.

Arns M, et al. EEG Vigilance and Phenotypes in Neuropsychiatry: Implications for Intervention. In: Coben R, Evans JR (2011): Neurofeedback and Neuromodulation Techniques and Applications.Elsevier Inc.

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Cohen MX, et al. Midfrontal conflict-related theta-band power reflects neural oscillations that predict behavior. J Neurophysiol 2013; 110: 2752-2763.

Luck, Steven J. / Kappenmann Emily S. (2013): The Oxford Handbook of Event-Related Potential Components, Oxford University Press.

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Kropotov, Juri D. (2016): Functional Neuromarkers in Psychiatry, Academic Press.