EEG vs. MRT vs. fMRT – Was sind die Unterschiede?

Entdecken Sie die Unterschiede zwischen EEG, MRT und fMRT – drei zentralen bildgebenden Verfahren zur Untersuchung des Gehirns. Erfahren Sie, wie die einzelnen Methoden funktionieren, welche besonderen Vorteile sie bieten und wie sie in der neurowissenschaftlichen Forschung eingesetzt werden.

Es gibt viele Ansätze, um menschliches Denken und Verhalten zu verstehen, aber um wirklich zu begreifen, wie das Gehirn funktioniert, muss man einen Blick ins Innere werfen. Das muss gar nicht so gruselig sein, wie es klingt, denn viele der heutigen bildgebenden Verfahren sind völlig nicht-invasiv.

Im Folgenden werden wir die gängigsten bildgebenden Verfahren zur Untersuchung des Gehirns – EEG und (f)MRT – näher betrachten, um zu verstehen, wie sie funktionieren und wie sie sich im Vergleich zueinander verhalten, wobei wir die jeweiligen Vor- und Nachteile beleuchten. Durch die Lektüre dieses Artikels erhalten die Leser ein besseres Verständnis von EEG, MRT und fMRT und davon, wie diese Verfahren dazu beitragen können, unser Wissen über das Gehirn und das Verhalten zu erweitern.

Was ist ein EEG?

Das EEG (Elektroenzephalogramm) misst die elektrische Aktivität unseres Gehirns mithilfe von Elektroden, die auf der Kopfhaut angebracht werden. Anhand der an der Oberfläche gemessenen Werte lässt sich erkennen, wie aktiv das Gehirn ist.

Dies kann hilfreich sein, um schnell festzustellen, wie sich die Gehirnaktivität als Reaktion auf Reize verändert, und eignet sich auch zur Messung abnormaler Aktivität, beispielsweise bei Epilepsie [1].

Wie funktioniert ein EEG?

Das Gehirn ist ein elektrisches System – alle unsere Gedanken (ob bewusst oder unbewusst) entstehen durch ein Netzwerk von Neuronen, die mithilfe elektrischer Ströme Signale untereinander austauschen. Je mehr elektrische Signale, desto intensiver die neuronale Kommunikation, was einer höheren Gehirnaktivität entspricht.

Die Elektroden eines EEG-Headsets können keine Veränderungen einzelner Neuronen erfassen, sondern nur die elektrischen Veränderungen von Tausenden von Neuronen, die gleichzeitig Signale aussenden.

Das Signal von den Elektroden wird dann an einen Verstärker weitergeleitet, der – wie nicht anders zu erwarten – das Signal verstärkt. Ein Computer empfängt dieses Signal anschließend und kann daraus verschiedene Karten der Gehirnaktivität mit hoher zeitlicher Auflösung erstellen.

Ein Nachteil des EEG ist die räumliche Auflösung – da die Elektroden die elektrische Aktivität an der Oberfläche des Gehirns messen, lässt sich nur schwer feststellen, ob das Signal in der Nähe der Oberfläche (im Kortex) oder in einer tieferen Region entstanden ist.

Es gibt Berechnungsmethoden, mit denen versucht wird, diese Einschränkung zu umgehen (z. B. [2]), doch bleibt dies eine Herausforderung für die EEG-Forschung.

Lesen Sie mehr: Was ist ein EEG und wie funktioniert es?

Was ist eine MRT-Untersuchung?

Die MRT (Magnetresonanztomographie) liefert eine Abbildung des Gehirns – so, wie es zu einem bestimmten Zeitpunkt aussieht.

Diese strukturellen Informationen können hilfreich sein, um festzustellen, wie sich die Größe bestimmter Hirnareale bei verschiedenen Menschen unterscheidet, oder ob bei einem bestimmten Gehirn eine Anomalie vorliegt (zum Beispiel ein Tumor).

Wie funktioniert die MRT?

Die MRT ist ein komplexes bildgebendes Verfahren, aber wir werden versuchen, Ihnen hier einen Überblick zu geben.

Wie der Name schon sagt, spielen Magnete bei der Magnetresonanztomographie eine zentrale Rolle, sind jedoch um einiges stärker – etwa 1.000- bis 3.000-mal stärker als ein gewöhnlicher Kühlschrankmagnet.

Das Magnetfeld des MRT wirkt auf die Protonen in unseren Wasserstoffatomen ein [3] (es ist natürlich sehr praktisch, dass wir zu 70 % aus Wasser bestehen – so stehen dem Magneten reichlich Wasserstoffatome zur Verfügung, auf die er einwirken kann).

Normalerweise sind diese Protonen in alle möglichen Richtungen ausgerichtet, aber das Magnetfeld sorgt dafür, dass sich ein Großteil von ihnen in dieselbe Richtung ausrichtet. Wir liegen also im MRT-Gerät, und die Protonen in den Wasserstoffatomen (die sich im Wasser unseres Körpers befinden) zeigen größtenteils in dieselbe Richtung. Puh.

Im nächsten Schritt wird ein Funkimpuls ausgesendet (genau wie ein normales Funksignal, nur viel schneller). Auch dieser wirkt auf die Protonen ein und lenkt sie im Wesentlichen zur Seite ab. Da die Hochfrequenz jedoch nur für einen kurzen Moment anliegt, kehren die Protonen wieder in ihren ursprünglichen, ausgerichteten Zustand zurück.

Das ist der entscheidende Punkt: Wenn sich die Protonen entspannen, wird Energie freigesetzt, die von Sensoren im MRT-Gerät erfasst werden kann. Anhand bestimmter Berechnungen (die den Rahmen dieses Blogbeitrags sprengen würden, siehe jedoch hier: [4]) kann der Computer anhand dieser freigesetzten Energie bestimmen, wie das Gewebe aussah, und uns ein Bild davon anzeigen.

Natürlich liefert uns die MRT nur ein statisches Bild des Gehirns – ein anatomisches Bild, nicht aber ein Bild der tatsächlichen Gehirnaktivität. Wie können wir also ein Bild der Gehirnaktivität erhalten? Hier kommt die fMRT ins Spiel.

Was ist mit der fMRT?

Wenn ich meinen rechten Arm bewegen möchte, müssen einige Dinge geschehen. Ein bestimmter Teil meines Gehirns steigert seine Aktivität, um das Signal zur Ausführung dieser Bewegung zu senden, und dieser Bereich des Gehirns wird mit etwas mehr sauerstoffreichem Blut versorgt.

Bei der fMRT geschieht dasselbe wie bei der MRT – es wird die Energie gemessen, die bei der Relaxation von Protonen freigesetzt wird –, doch zielen die Berechnungen darauf ab, festzustellen, wie sich der Durchfluss von sauerstoffreichem Blut verändert.

Wenn in einem Teil des Gehirns mehr sauerstoffreiches Blut vorhanden ist als in anderen, ist es wahrscheinlich, dass dieser Bereich des Gehirns aktiver ist [5]. Dies wird als „Blood-Oxygenation Level Dependent“-Reaktion (auch bekannt als BOLD) bezeichnet.

Das sind die Daten, die wir bei der fMRT sehen und die oft über einem MRT-Bild dargestellt werden.

Ein Nachteil der fMRT ist die zeitliche Auflösung. Da es mehrere Sekunden dauert, bis sich der Blutfluss verändert, und die eigentliche Aufzeichnung durch rechnerische Faktoren begrenzt ist, verlangsamt sich die Datenerfassung.

Dies bedeutet oft, dass die Teilnehmer einem Reiz mehrmals ausgesetzt werden und jedes Mal verschiedene Zeitpunkte ihrer Gehirnreaktion aufgezeichnet werden (z. B. wird die Reaktion beim ersten Mal beim Einsetzen des Reizes aufgezeichnet, beim zweiten Mal 10 ms nach dem Einsetzen des Reizes und so weiter) [6].

Dies kann natürlich die Genauigkeit der Erfassung einer neuen Reaktion beeinträchtigen, liefert jedoch ein umfassendes Spektrum an Gehirnreaktionen.

Wie schneiden sie im Vergleich zueinander ab?

Wie wir oben gesehen haben, gibt es einige Unterschiede darin, wie die Informationen aus der Bildgebung des Gehirns bei den einzelnen Technologien bereitgestellt werden.

Es gibt noch weitere Aspekte zu berücksichtigen: Die Kosten für ein MRT-Gerät sind deutlich höher als die für ein EEG (sowohl bei der Anschaffung als auch bei der Wartung), und der erforderliche Ausbildungsaufwand ist wesentlich größer.

Feldforschung mit MRT/fMRT ist ebenfalls nicht möglich, da es keine Möglichkeit gibt, ein solches Gerät wirklich mobil zu machen.

Die Vorbereitung eines Experiments mit EEG ist ebenfalls ohne großen Aufwand möglich – manchmal reicht es schon aus, ein Headset aufzusetzen und die Datenqualität zu überprüfen. Automatisch berechnete Kennzahlen können zudem schnelle Einblicke in das menschliche Verhalten mittels EEG liefern.

Während das Einsteigen in ein MRT-Gerät relativ einfach ist, erfordert die Entscheidung, welcher Radiowellenimpuls abgegeben werden soll, oder die Auswertung der Daten ein hohes Maß an Wissen und Fachkompetenz.

Wir haben die Vor- und Nachteile der einzelnen Optionen in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Welches solltest du verwenden?

Wie immer hängt dies von Ihrer Forschungsfrage ab. Wenn Sie sich eher für strukturelle und funktionelle Details interessieren, könnten MRT oder fMRT die richtige Wahl für Sie sein, sofern Sie bereit sind, die damit verbundenen erheblichen Kosten zu tragen.

Für schnellere, kostengünstige und leicht zugängliche Einblicke in die Gehirnfunktion mit hoher zeitlicher Auflösung ist das EEG die Methode der Wahl.

Wenn Sie weitere Unterstützung bei der Wahl der geeigneten Methode für Ihre Forschung benötigen, wenden Sie sich gerne an unser Team.

Ich hoffe, diese Erläuterung und dieser Vergleich von MRT, fMRT und EEG waren hilfreich für Sie. Wenn Sie sich noch eingehender mit dem EEG befassen möchten, laden Sie sich unten unseren kostenlosen Leitfaden herunter!

Literaturverzeichnis

[1] Noachtar, S., & Rémi, J. (2009). Die Rolle des EEG bei Epilepsie: Eine kritische Übersicht. Epilepsy & Behavior, 15(1), 22–33. doi: 10.1016/j.yebeh.2009.02.035

[2] Oja, E., Harmeling, S. & Almeida, L. (2004). Independent Component Analysis and Beyond. Signal Processing, 84(2), 215–216. doi: 10.1016/j.sigpro.2003.11.005

[3] Mills, A., Sakai, O., Anderson, S. & Jara, H. (2017). Grundlagen der quantitativen MRT-Bildgebung mit illustriertem Überblick über anwendbare modulare Impulsdiagramme. Radiographics, 37(7), 2083–2105. doi: 10.1148/rg.2017160099

[4] Jung, B., & Weigel, M. (2013). Spin-Echo-Magnetresonanztomographie. Journal of Magnetic Resonance Imaging, 37(4), 805–817. doi: 10.1002/jmri.24068

[5] Hillman, E. (2014). Kopplungsmechanismus und Bedeutung des BOLD-Signals: Ein Statusbericht. Annual Review Of Neuroscience, 37(1), 161–181. doi: 10.1146/annurev-neuro-071013-014111

[6] Hennig, J., Speck, O., Koch, M. & Weiller, C. (2003). Funktionelle Magnetresonanztomographie: Ein Überblick über methodische Aspekte und klinische Anwendungen. Journal of Magnetic Resonance Imaging, 18(1), 1–15. doi: 10.1002/jmri.10330