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Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der EEG-Forschung

Die Elektroenzephalographie (EEG) spielt eine zentrale Rolle in der heutigen Erforschung des menschlichen Gehirns und wird seit über 80 Jahren eingesetzt. Als Methode zur Erfassung der Gehirnfunktion ist sie nach wie vor eine der wenigen Methoden, die in direktem Zusammenhang mit der neuronalen Aktivität steht.

Wenn Neuronen feuern oder Signale untereinander austauschen, erzeugen sie einen elektrischen Strom – wenn genügend dieser elektrischen Ströme gleichzeitig entstehen, kann eine Elektrode sie erfassen, und wir können beginnen, die Funktionsweise des Gehirns zu erforschen. Um zu verstehen, wie die heutige Forschung durch dieses Instrument geprägt wurde, ist es hilfreich, einen Blick auf dessen Geschichte zu werfen. In diesem Artikel werden wir die Grundlagen und die Erfindung des EEG untersuchen, wie es im Laufe der Jahre eingesetzt wurde und wofür es heute verwendet wird.

Das menschliche Gehirn in seiner ganzen Pracht

Die Geschichte des EEG verlief nicht geradlinig. Es gab einige Irrwege, die von makaberen und bizarren bis hin zu bloß missverstandenen Experimenten reichten. Die heutige Forschung ist weitaus fortgeschrittener, lässt sich jedoch noch immer direkt auf ihre Ursprünge zurückführen.

Am Anfang…

Unsere Reise könnte mit Luigi Galvani (1737–1798) beginnen, jenem bedeutenden Wissenschaftler, der neben vielen anderen Errungenschaften und Entdeckungen nachwies, dass elektrische Impulse die Hinterbeine eines Frosches zucken und anspannen lassen können. Der elektrische Strom regte die Nervenfasern an und löste Muskelkontraktionen aus. Dies sorgte natürlich für Jahre lang für makabere Experimente im naturwissenschaftlichen Unterricht. Vor allem aber war Galvani der Erste, der zeigte, dass Elektrizität eine Kraft ist, die unseren Körper steuern kann. Dies war ein entscheidender Moment für die Biowissenschaften und bildet die Grundlage für unser heutiges Verständnis der Neurowissenschaften.

Mit weniger wissenschaftlichem Geist, aber nach denselben Prinzipien nutzte Galvanis Neffe Giovanni Aldini (1762–1834) die Kombination aus Elektrizität und der Leiche eines kürzlich verstorbenen Verbrechers, um eine makabre Straßenattraktion zu inszenieren, bei der er das klassische Frosch-Experiment im menschlichen Maßstab nachstellte – mit unmenschlichen Folgen.

Es überrascht wohl kaum, dass dies gleichermaßen Menschenmassen anzog wie auch Kritik hervorrief, doch glücklicherweise wurden bald darauf auf der Grundlage der Erkenntnisse Galvanis weitere wissenschaftliche Unternehmungen in Angriff genommen. Dazu bedurfte es der Einsichten von Emil du Bois-Raymond (1818–1896) und seines Wissens über die elektrischen Eigenschaften menschlicher Zellen. Bois-Raymond leistete Pionierarbeit für unser Verständnis der grundlegenden Mechanismen von Aktionspotenzialen – der Art und Weise, wie eine Nervenzelle feuert oder Signale an eine andere sendet. Auf diese Weise kommuniziert unser Gehirn. Bois-Raymond zeigte uns somit, dass nicht nur unser Körper elektrisch ist, sondern auch unser Gehirn.

Durch die Arbeit dieser wegweisenden Wissenschaftler (und vieler weiterer, hier nicht genannter Persönlichkeiten – siehe Volta, Ohm und Faraday, um nur einige zu nennen) wurde der Weg für Richard Catton geebnet, der mit elektrischen Aufzeichnungen des Gehirns begann – ähnlich den EEG-Experimenten, die wir heute kennen. Indem er Elektroden an den Gehirnhälften (wenn auch am Gehirn eines Kaninchens und eines Affen) anbrachte, zeigte er, dass sich der elektrische Strom je nach Verhalten verändern konnte. Die Ergebnisse nahmen weniger als eine Viertelseite im British Medical Journal ein, wurden weitgehend ignoriert und in seinem Nachruf vergessen. In der Wissenschaft gibt es manchmal wenig Prestige.

Der Vater des EEG

Es bedurfte des Scharfsinns von Hans Berger (1873–1941), einem deutschen Psychiater mit einer Vorliebe für das Mystische – und dem Glauben an Telepathie –, um diese Innovation weiter voranzutreiben. Im Jahr 1929 veröffentlichte er „Über das Elektroenzephalogramm des Menschen“, in dem er das EEG in einer Form darstellte, die fast identisch mit der heute bekannten Technologie ist. Die Abhandlung beschrieb die Funktionsweise des EEG auf nicht weniger als 44 Seiten und dokumentierte akribisch die elektrischen Wellen, die im Gehirn auftreten.

Diese Wellen – neuronale Oszillationen – zeigten, wie das synchronisierte Zusammenspiel Tausender feuernender Neuronen elektrische Felder erzeugen konnte, die mittels EEG erfasst und gemessen werden können. Bergers Ausrüstung war zwar alles andere als ausgereift, doch seine Erkenntnisse waren geradezu bemerkenswert. Diese Ansicht teilten viele in der wissenschaftlichen Welt, die schließlich die Legitimität einer solch sensationellen Entdeckung in Frage stellten. In den folgenden 9 Jahren und 14 Berichten widerlegte er seine Kritiker und erweiterte die Ideen des EEG mit akribischer Genauigkeit.

Bereits 1939 sprachen Wissenschaftler von „Alphas“ und „Betas“, um die Frequenz der neuronalen Aktivität zu beschreiben, und diskutierten Anwendungsmöglichkeiten in der Epilepsieforschung. Die häufigste Frequenz der neuronalen Aktivität bei einem wachen Menschen, die Alphawelle, war ursprünglich als „Berger-Rhythmus“ bekannt – ein passendes Epithet, das sich jedoch letztlich nicht durchsetzen konnte. Da wir uns im Jahr 1939 befanden, war die Welt natürlich weitgehend vom Ausbruch des Krieges erfasst – dies hatte unweigerlich Auswirkungen auf viele Bereiche der Wissenschaft, und die EEG-Forschung bildete da sicherlich keine Ausnahme.

Bereits 1945 sagten Walter und Dawson jedoch einen anhaltenden Anstieg der EEG-Nutzung voraus: „Mit der Rückkehr zu friedlichen Verhältnissen dürfte die Zahl der Einrichtungen, die Elektroenzephalografiegeräte installieren möchten, zunehmen …“. Es ist schwer, Vorhersagen über die Zukunft zu treffen, doch diese hat sich als richtig erwiesen.

Die nächsten Jahrzehnte

In den 1950er Jahren drehten sich die Diskussionen größtenteils um zwei Themen – zum einen um die Hardware, wobei ausführlich über Versuche zur Automatisierung und Lokalisierung debattiert wurde. Das andere Thema betraf Medikamente. Die „Arzneibuchliste“ jener Zeit war eine übersichtliche Aufstellung von Komplexbildnern, milden Hypnotika und Antimykotika. Dr. Sem-Jacobsen wurde insbesondere dafür bekannt, die Grenzen der Arzneimittelforschung und der EEG-Aufzeichnungen zu erweitern, indem er Meskalin und Lysergsäurediethylamid (besser bekannt als LSD) verabreichte. Dies war eine Ära der Wissenschaft, die sich deutlich von der heutigen unterschied.

In einem Bericht des British Medical Journal (das ursprünglich Richard Cattons kurze Mitteilung über erfolgreiche EEG-Experimente veröffentlicht hatte) aus dem Jahr 1966 wurde festgestellt, dass es in Großbritannien zu wenige EEG-Einrichtungen gab. Angesichts der Tatsache, dass die Bedienung der Geräte damals sowohl die Arbeit eines „Aufzeichners“ als auch eines „Mediziners“ erforderte, können wir heute zumindest froh sein, dass sich dieses Bild gewandelt hat und die EEG-Forschung noch nie so einfach war wie heute.

In den folgenden Jahrzehnten nahm der Einsatz des EEG in verschiedenen Anwendungsbereichen stetig zu. Dank der einfachen Handhabung und der aussagekräftigen Ergebnisse von EEG-Aufzeichnungen konnten Forscher Fortschritte bei der Erforschung von Hirnpathologien, Hirnfunktionen und Verhaltensweisen erzielen. Diese Fortschritte waren insbesondere in der Schlafforschung und bei der Diagnose
von Epilepsie von Bedeutung, während die hohe zeitliche Auflösung eine passende Ergänzung zur hohen räumlichen Auflösung von MRT/fMRT darstellte.

Es wurden auch einige eher esoterische Themen untersucht, von Bewusstsein und freiem Willen bis hin zur ersten Schnittstelle zwischen menschlichen Gehirnen. Letzteres ist eine passende Erfindung für Hans Berger, den Vater des EEG, da sich sein Glaube an Telepathie technisch gesehen als wahr erwiesen hat (wenn auch natürlich ohne jegliche mystische Züge).

Wo stehen wir heute?

In den letzten Jahren wurden die inhärenten Vorteile des EEG zunehmend genutzt. Als bildgebendes Verfahren ist es relativ kostengünstig und mobil geworden, was zu einer breiten Anwendung bei Kleinkindern und Säuglingen geführt hat. Es überrascht kaum, dass Kinder in der wissenschaftlichen Forschung schwierige Probanden sein können; daher war die gebotene Flexibilität von entscheidender Bedeutung für die Vertiefung unseres Verständnisses des sich früh entwickelnden Gehirns. Die einfache Kombinierbarkeit mit anderen biometrischen oder bildgebenden Verfahren hat zudem bisher isolierte Erkenntnisse erweitert und Forschern dabei geholfen, noch tiefer in das Gehirn und den Geist einzublicken.

Eine der bedeutendsten und zugleich einfachsten Neuerungen in der EEG-Forschung war der Übergang von analogen zu digitalen Aufzeichnungen. Die Zeiten, in denen elektrische Impulse mit Tinte auf Papier übertragen wurden, sind längst vorbei. Es gibt keine endlosen Datenrollen mehr; stattdessen können die Forscher nun selbst durch die Daten scrollen. Der Aufstieg automatisierter und integrierter Computer-EEG-Systeme hat ein sowohl zugängliches als auch anpassungsfähiges System für die Forschung geschaffen, während neue und innovative Analysemethoden das Beste aus den Ergebnissen herausholen.

iMotions ist führend bei der Optimierung von EEG-basierten Forschungsarbeiten, indem es die Durchführung von EEG-Experimenten vereinfacht und gleichzeitig Flexibilität sowie Kompatibilität mit anderen biometrischen Messungen bietet. Als Softwarelösung bietet es eine All-in-One-Umgebung für die gleichzeitige Präsentation von Reizen und die Erfassung von Probandendaten. Der wissenschaftliche Fortschritt schreitet schneller voran als je zuvor und nimmt ständig zu – iMotions ist darauf ausgelegt, an der Spitze zu stehen und weiterhin eine Vorreiterrolle in der EEG-Forschung und darüber hinaus einzunehmen.

Seit den Tagen Galvanis haben wir einen langen Weg zurückgelegt, und obwohl viele Fragen bereits beantwortet wurden, wird das Bestreben, das menschliche Gehirn zu verstehen, noch einige Zeit in Anspruch nehmen. iMotions möchte dazu beitragen, diese Fragen zu beantworten, und auch in Zukunft ein Teil der EEG-Geschichte bleiben.

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