Neuronale Oszillationen – Interpretation von EEG-Frequenzbändern

Verschiedene Anwendungsbereiche des Elektroenzephalogramms (EEG), insbesondere im Zusammenhang mit gedankengesteuerter Technologie, finden zu Recht große Beachtung. Dank der rasanten Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen können Forscher Geräte entwickeln, die Nutzer mit ihren Gedanken steuern können.

Diese Geräte reichen von Roboterarmen (1) bis hin zu synthetischen Klavieren (2), und ihnen ist gemeinsam, dass sie die an der Kopfhaut aufgezeichnete elektrische Hirnaktivität als Eingabe nutzen. Diese ausgefeilte Technologie basiert auf der weit verbreiteten EEG-Methode der Leistungsspektrumanalyse. Die Algorithmen verwenden lediglich die Leistung (d. h. die quadrierten Schwingungsamplituden) in verschiedenen Frequenzbändern und an verschiedenen Elektrodenpositionen als Grundlage für die Interpretationen.

Frequenzbänder

Vor einiger Zeit gab es Berichte über den „glücklichsten Menschen der Welt“, einen tibetischen Mönch, dessen Gehirn Gammawellen erzeugte, die in der Neurowissenschaft bisher noch nie beobachtet worden waren. Es hat sich gezeigt, dass Meditation einen Einfluss auf die Aktivität im Gamma-Frequenzband hat (3), die mit höheren kognitiven Funktionen in Verbindung gebracht wird… Aber wie sind diese Frequenzbänder eigentlich zu interpretieren?

Im Folgenden finden Sie eine kurze Einführung in die verschiedenen Frequenzbänder und ihre Bedeutung für verschiedene mentale Prozesse.

Alpha-Wellen

Wenn Sie mit der Forschung zur präfrontalen Asymmetrie auf der Grundlage von Davidsons Erkenntnissen (4) vertraut sind, haben Sie wahrscheinlich schon vom Alpha-Frequenzband gehört, das im Allgemeinen im Bereich von 7–12 Hz liegt. Zur kurzen Zusammenfassung: Es wird angenommen, dass die Alpha-Leistung umgekehrt proportional zur kortikalen Aktivierung ist und dass eine erhöhte Aktivität im linken präfrontalen Kortex mit einer Annäherungsmotivation assoziiert ist. Obwohl dies auch als Indikator für positiv bewertete emotionale Reaktionen interpretiert wurde, zeigen Belege, dass dies nicht ganz zutreffend ist. So sind emotionale Zustände wie Wut und Eifersucht negativ bewertet, lösen jedoch ebenfalls eine relativ stärkere Aktivierung der linken Hemisphäre aus (5).

Die der Forschung zur EEG-Asymmetrie zugrunde liegende Annahme lautet, dass Alphawellen lediglich den Ruhezustand des Gehirns anzeigen. Viele Autoren weisen jedoch darauf hin, dass diese Annahme zu stark vereinfacht ist, da sie weder den aktuellen Wissensstand über die funktionelle Rolle von Alpha-Oszillationen noch die Differenzierung präfrontaler Netzwerke widerspiegelt (6).

Es hat sich gezeigt, dass Alpha-Oszillationen eine Schlüsselrolle bei der Hemmung nicht essenzieller Verarbeitungsprozesse spielen, was wiederum die Aufgabenleistung erleichtert (7). Darüber hinaus stehen Alpha-Wellen in engem Zusammenhang mit der Steuerung der Wahrnehmungsaufmerksamkeit und der Aufmerksamkeitskontrolle (6). Somit könnten sie stattdessen als Indikator für die Top-down-Verarbeitung angesehen werden und einen Mechanismus zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses darstellen (8).

Delta-Wellen

Delta-Oszillationen weisen den niedrigsten Frequenzbereich auf (<4 Hz) und sind an Motivationsprozessen beteiligt (9). In ERP-Studien wurde gezeigt, dass die Delta-EEG-Leistung positiv mit der Amplitude der P300-Komponente korreliert, die üblicherweise mit Prozessen im Dopamin-Belohnungssystem in Verbindung gebracht wird. Dies deutet darauf hin, dass Zustände, die mit der Notwendigkeit der Befriedigung grundlegender biologischer Bedürfnisse verbunden sind, mit einer erhöhten Delta-Aktivität in Verbindung gebracht werden können. Tatsächlich gibt es sowohl bei Kindern als auch bei Erwachsenen Hinweise darauf, dass Verhaltensweisen, die mit einem ungezügelten Drang nach biologisch relevanten Belohnungsobjekten einhergehen, von einer verstärkten Slow-Wave-Aktivität begleitet werden (9).

Theta-Wellen

Theta-Oszillationen (4–7 Hz) werden häufig mit Gedächtnisprozessen und der Regulierung von Emotionen in Verbindung gebracht. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Theta-Oszillationen an der Kodierung von Informationen während explorativer Bewegungen und der räumlichen Orientierung beteiligt sind (9). Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass die Unterscheidung zwischen Bildern mit positiver oder negativer emotionaler Valenz mit einer frühen synchronisierten Theta-Aktivität assoziiert ist (10) und dass sich Teilnehmer mit niedrigen bzw. hohen Hautleitfähigkeitsreaktionen hinsichtlich der Leistungsänderungen im Theta-Band unterscheiden (11). Ähnlich wie Delta-Oszillationen stehen auch Theta-Oszillationen mit der P300-ERP-Komponente in Zusammenhang und spielen eine Rolle bei der Erkennung von Salienz, was den engen Zusammenhang zwischen motivationalen und emotionalen Prozessen bestätigt (9).

Bemerkenswert ist, dass bei erwachsenen Menschen die Alpha-Frequenz vorherrscht, während im EEG nichtmenschlicher Säugetiere die Theta-Frequenz und im EEG von Reptilien die Delta-Frequenz dominiert. Diese Erkenntnisse könnten darauf hindeuten, dass das Verhalten von Reptilien hauptsächlich von motivationalen Antrieben gesteuert wird, während das Verhalten nichtmenschlicher Säugetiere stärker von emotionalen Reaktionen und emotionalem Lernen abhängt (9).

Was die Rolle von Alpha-Oszillationen im menschlichen EEG betrifft, lässt sich ableiten, dass die Entwicklung höherer Gehirnfunktionen stark von inhibitorischen Mechanismen oder anderen mit Alpha-Oszillationen verbundenen Funktionen abhängt, wie beispielsweise dem Arbeitsgedächtnis und der mentalen Repräsentation von Objekten und Ereignissen (9). Hinzu kommt, dass mit zunehmender Reife der Kinder der Anteil und die Leistung der langsamen Wellen in ihrem Gehirn abnehmen, während die Alpha-Leistung mit zunehmendem Alter massiv zunimmt (12). Also ja, Alpha ist mehr als nur der Ruhezustand des Gehirns.

Beta-Wellen

Das Beta-Band (12–30 Hz) wird am häufigsten im Zusammenhang mit sensomotorischem Verhalten untersucht, und es ist bekannt, dass die Leistung im Beta-Band während der Vorbereitung und Ausführung willkürlicher Bewegungen abnimmt und nach Beendigung der Handlung sprunghaft ansteigt (13). Doch es steckt noch mehr dahinter – das Gehirn reagiert auf dieselbe Weise, wenn man die Bewegung beobachtet oder sich vorstellt. Selbst wenn keine muskuläre Aktivität damit einhergeht, sind bei der mentalen Umkehrung einer motorischen Handlung weitgehend dieselben kortikalen Bereiche beteiligt, die auch während der tatsächlichen Bewegung aktiviert werden (14). Auf diese Weise wird es möglich, eine Roboterhand allein durch Vorstellungskraft zu steuern.

Während es als gesichert gilt, dass die Aktivität im Alpha-Band eine wichtige Rolle beim Aufmerksamkeitsverhalten spielt, hat die Rolle des Beta-Bands bislang weitaus weniger Beachtung gefunden. Studien haben jedoch gezeigt, dass die Aktivität im Beta-Band ebenfalls als Träger für die Aktivierung der Aufmerksamkeit dient (15) – sie fördert die Wachsamkeit oder Erregung, die es uns ermöglicht, Reize wahrzunehmen –, selbst wenn diese nur sehr kurz präsentiert werden (16).

Gammawellen

Das Gamma-Band (30–50 Hz oder höher) wird mit der Konstruktion von Objektrepräsentationen in Verbindung gebracht. Es umfasst die Verknüpfung einzelner Teile desselben Objekts durch Bottom-up-Prozesse sowie die Aktivierung, den Abruf oder die Wiederholung einer internen Repräsentation durch Top-down-Prozesse (17). Da die Aktivität im Gamma-Band bei komplexen und aufmerksamkeitsintensiven Aufgaben zunimmt, wird induzierte Gamma-Aktivität häufig als neuronales Substrat kognitiver Prozesse interpretiert (ebenda). 

Es ist bekannt, dass verschiedene Eigenschaften von Objekten oder Ereignissen in unterschiedlichen Bereichen des Gehirns kodiert und verarbeitet werden, und möglicherweise ist es den Gamma-Oszillationen zu verdanken, dass wir kohärente Repräsentationen wahrnehmen. So wurde beispielsweise gezeigt, dass die Gamma-Aktivität eine Rolle dabei spielt, räumlich getrennte Merkmale visueller Objekte miteinander zu verknüpfen, und dass sie Assoziationen zwischen Wörtern und ihren Bedeutungen widerspiegelt. Sie wurde zudem mit der Integration sensorischer und motorischer Prozesse während der Bewegung in Verbindung gebracht (17).

Wie bereits erwähnt, führt Meditation zu einer Synchronisation der Gammawellenaktivität (3), was wiederum mit der Verknüpfung verschiedener Aspekte der Wahrnehmung zu einem kohärenten und einheitlichen Konzept in Verbindung gebracht wird (17). Vielleicht erklärt dies auch den veränderten Bewusstseinszustand, von dem regelmäßige Meditierende berichten.

Psychologische Prozesse messen? Kein Problem.

Wir haben hier gezeigt, dass die Struktur der Hirnschwingungen sowohl die evolutionäre Vergangenheit widerspiegelt als auch mit dem Reifungsprozess des menschlichen Gehirns zusammenhängt. Noch wichtiger ist jedoch, dass Motivation, Emotionen, Aufmerksamkeit und höhere kognitive Prozesse eng mit Hirnwellen in verschiedenen Frequenzbändern verknüpft sind. Dies deutet darauf hin, dass die Untersuchung frequenzspezifischer Veränderungen in EEG-Daten wertvolle Erkenntnisse darüber liefern kann, wie die Studienteilnehmer verschiedene Reize verarbeiten oder darauf reagieren.

Beachten Sie, dass die iMotions-Software automatisch Werte für die spektrale Leistungsdichte für alle Frequenzbänder und alle Elektrodenpositionen berechnet. Vielleicht kann die EEG-Spektralanalyse auch für Ihre (zukünftigen) Studien von Nutzen sein.

Weitere Informationen zum EEG finden Sie unten in einem kostenlosen Taschenführer, der Ihnen den Einstieg in Ihre EEG-Forschung erleichtert:

1. McFarland, D. J., Sarnacki, W. A. & Wolpaw, J. R. (2010). Elektroenzephalographische (EEG) Steuerung dreidimensionaler Bewegungen. Journal of Neural Engineering, 7(3), 036007.
2. Deuel, T. A., Pampin, J., Sundstrom, J. & Darvas, F. (2017). Das Encephalophone: Ein neuartiges musikalisches Biofeedback-Gerät, das die bewusste Steuerung des Elektroenzephalogramms (EEG) nutzt. Frontiers in Human Neuroscience, 11, 213.
3. Lutz, A., Greischar, L. L., Rawlings, N. B., Ricard, M. & Davidson, R. J. (2004). Langjährige Meditierende induzieren während mentaler Übungen selbst eine Gamma-Synchronie mit hoher Amplitude. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101(46), 16369–16373.
4. Davidson, R. J., Ekman, P., Saron, C. D., Senulis, J. A. & Friesen, W. V. (1990). Annäherung und Rückzug sowie zerebrale Asymmetrie: Emotionaler Ausdruck und Gehirnphysiologie: I. Journal of Personality and Social Psychology, 58(2), 330.
5. Harmon-Jones, E., & Gable, P. A. (2017). Zur Rolle der asymmetrischen Aktivität im frontalen Kortex bei der Annäherungs- und Rückzugsmotivation: Eine aktualisierte Übersicht über die Forschungsergebnisse. Psychophysiology.
6. Grimshaw, G. M., & Carmel, D. (2014). Ein asymmetrisches Hemmungsmodell für hemisphärische Unterschiede bei der emotionalen Verarbeitung. Frontiers in Psychology, 5, 489.
7. Klimesch, W., Sauseng, P. & Hanslmayr, S. (2007). EEG-Alpha-Oszillationen: die Inhibitions-Timing-Hypothese. Brain Research Reviews, 53(1), 63–88. O. M. & Vernon, D. (2014). Interpretation der EEG-Alpha-Aktivität. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 44, 94–110.
8. Bazanova, O. M., & Vernon, D. (2014). Interpretation der Alpha-Aktivität im EEG. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 44, 94–110.
9. Knyazev, G. G. (2007). Motivation, Emotionen und ihre inhibitorische Kontrolle, widergespiegelt in Hirnschwingungen. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 31(3), 377–395.
10. Aftanas, L., Varlamov, A., Pavlov, S., Makhnev, V. & Reva, N. (2001). Ereignisbezogene Synchronisation und Desynchronisation während der affektiven Verarbeitung: Entstehung von valenzbezogenen zeitabhängigen hemisphärischen Asymmetrien im Theta- und oberen Alpha-Band. International Journal of Neuroscience, 110(3-4), 197-219.
11. Aftanas, L. I., Savotina, L. N., Makhnev, V. P. & Reva, N. V. (2004). Ereignisbezogene Synchronisation und Desynchronisation des EEG während der Wahrnehmung emotionaler Reize: Zusammenhang mit der Aktivität des autonomen Nervensystems. Rossiiskii fiziologicheskii zhurnal imeni IM Sechenova, 90(11), 1314–1323.
12. Soroko, S. I., Shemyakina, N. V., Nagornova, Z. V. & Bekshaev, S. S. (2014). Längsschnittstudie zur Reifung der EEG-Frequenzen und zu Leistungsänderungen bei Kindern im russischen Norden. International Journal of Developmental Neuroscience, 38, 127–137.
13. Nam, C. S., Jeon, Y., Kim, Y. J., Lee, I. & Park, K. (2011). Bewegungsvorstellungen als Ursache für die Lateralisation ereignisbezogener (De-)Synchronisation (ERD/ERS): Auswirkungen der Dauer motorischer Vorstellungen. Clinical Neurophysiology, 122(3), 567–577.
14. Neuper, C., Scherer, R., Wriessnegger, S. & Pfurtscheller, G. (2009). Motorische Vorstellung und Handlungsbeobachtung: Modulation sensomotorischer Hirnrhythmen während der mentalen Steuerung einer Gehirn-Computer-Schnittstelle. Klinische Neurophysiologie, 120(2), 239–247.
15. Gola, M., Magnuski, M., Szumska, I. & Wróbel, A. (2013). Die EEG-Aktivität im Beta-Band steht im Zusammenhang mit der Aufmerksamkeit und Aufmerksamkeitsdefiziten bei der visuellen Leistungsfähigkeit älterer Probanden. International Journal of Psychophysiology, 89(3), 334–341.
16. Hanslmayr, S., Aslan, A., Staudigl, T., Klimesch, W., Herrmann, C. S. & Bäuml, K. H. (2007). Prestimulus-Oszillationen sagen die Leistung der visuellen Wahrnehmung sowohl zwischen als auch innerhalb von Probanden voraus. Neuroimage, 37(4), 1465–1473.
17. Tallon-Baudry, C., & Bertrand, O. (1999). Oszillatorische Gamma-Aktivität beim Menschen und ihre Rolle bei der Objektdarstellung. Trends in Cognitive Sciences, 3(4), 151–162.