Hirnelektrische Grundlagen psychischer Erkrankungen

Unser Gehirn besteht aus ca. 100 Milliarden Nervenzellen, die über das ca. 10.000-fache an Synapsen miteinander in Verbindung stehen. Jede Nervenzelle erhält Input von ca. 10.000 anderen Zellen und beeinflusst wiederum ca. 10.000 andere Zellen, sodass bereits nach etwa 3 Verschaltungen jede Nervenzelle mit jeder in Verbindung steht. Nur ein sehr geringer Anteil der Nervenzellen sind Sinneszellen (ca. 3 Millionen). Dieses ungeheuer komplexe, hochintegrierte Gebilde interagiert permanent mit sich selbst. Neuronale Aktivitätsmuster führen ununterbrochen in rekursiver Weise zu neuen neuronalen Aktivitätsmustern, wobei hierdurch nicht nur die Hirnfunktion, sondern über eine Vielzahl plastischer Vorgänge auch permanent die Struktur (Neuroneogenese, Synapsenbildung, Rezeptorenmodifikationen etc.) des ZNS verändert wird. Die nur ansatzweise verstandene Rolle der Gliazellen erhöht die Komplexität.

Hält man sich diese Fakten vor Augen, so werden die Grenzen der häufig für die Erklärung der Funktion des ZNS verwendeten Metaphern deutlich. Das Gehirn repräsentiert nicht analog einem Fotoapparat die Umwelt, sondern die verschwindend wenigen Sinneszellen können die permanent ablaufende rekursive Aktivität des Gehirns lediglich modifizieren und Wahrnehmen wird zu einem „für wahr nehmen“, einem aktiven, konstruierenden Vorgang. Halluzinationen und Träume machen deutlich, wie wenig wir den sensorischen Input für Wahrnehmen und Erleben benötigen. Weder die Sinneszellen noch die übrigen Zellen des ZNS warten auf „Input“ oder einen Tastendruck analog einem Computer, sondern sind inklusive der Sinneszellen auch ohne einen physikalischen „Input“ von außen permanent aktiv. Eine Trennung von Hardware und Software ist nicht möglich. Auch ist das ZNS genau genommen kein informationsverarbeitendes System. Es gibt keine Instanz im ZNS, die entscheidet, ob ein Aktionspotenzial oder beliebige andere Veränderung Information im umgangssprachlichen Sinne transportieren oder nicht. Ist alles Information, dann verliert der Begriff seinen Sinn. Richtiger formuliert müsste es heißen, dass eine bestimmte Aktivität des ZNS informiertes Verhalten hervorbringt oder ermöglicht. Das Abgrenzen bestimmter Netzwerke und die Darstellung von Aktivitätsweiterleitungen mit Telefonkabel-ähnlichen Verbindungen, wie oft in neuroanatomischen oder hirnfunktionellen Abbildungen zu sehen, erscheint meist nur dann plausibel, wenn der generell hohe Vernetzungsgrad des ZNS und die 100.000 weiteren Verbindungen in den Abbildungen sowie auch gedanklich ausgeblendet werden. Auch die unter dem Begriff „Phrenologie“ kritisierte Neigung, bestimmte im verbalen oder averbalen Verhaltensbereich beobachtbare Phänomene innerhalb des ZNS zu lokalisieren, beeinflusst nach wie vor implizit neurophysiologische Forschung und Erklärungsansätze psychischer Störungen. Die Versuchung Verhaltensphänomene wie z. B. informiertes, aufmerksames oder emotionales Verhalten im Gehirn zu idealisieren, ist groß, auch wenn die Zuordnung nicht zu umschriebenen Hirnarealen sondern zu umschriebenen „Netzwerken“ erfolgt.

Ein wichtiger Teil der neuronalen Prozesse läuft über neuroelektrische Phänomene. Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf die hirnelektrischen Prozesse als einem Teilaspekt der Neurophysiologie.

Durch die laminäre und kolumnäre Struktur des Kortex weisen die durch neuronale Aktivität entstehenden Stromflüsse in ihrer Summe eine Richtung auf. Wenn nun eine große Zahl kortikaler Neurone synchron aktiv ist, bilden sich größere elektrische Felder, die auch in einiger Entfernung noch messbar sind. Dies ermöglicht, synchronisierte neuronale kortikale Massenaktivität mittels EEG von der Kopfhaut abzuleiten. Inhibitorische und exzitatorische postsynaptische Potenziale liefern den wesentlichen Beitrag zu diesen intrakortikalen Stromflüssen und zu der mit dem EEG messbaren kortikalen neuroelektrischen Aktivität. Mit dem EEG können wir so dem Gehirn bei der Arbeit zusehen, sozusagen die „Melodie der Hirnrinde“ hören.

Das EEG ist damit das einzige nichtinvasive Verfahren, das direkt neuroelektrische Aktivität abbildet. Andere funktionsdiagnostische Verfahren können dies nur indirekt: Sie bilden Änderungen der Oxygenierung (funktionelle Magnetresonanztomographie, fMRT; BOLD-Effekt) oder die Glukoseaufnahme im Gehirn (FDG-Positronenemissionstomographie) ab, wie sie in Folge neuronaler Aktivität auftreten.

Ein weiterer entscheidender Vorteil der hirnelektrischen Verfahren ist die beliebig hohe zeitliche Auflösung. Beim fMRT liegt diese dagegen im Bereich mehrerer Sekunden. Neuronale Prozesse laufen jedoch im Millisekundenbereich ab und in diesem Bereich liegen auch Rhythmisierungen und Synchronisationsprozesse, die als Korrelate sensorischer und kognitiver Prozesse in der Hirnfunktion eine zentrale Rolle spielen. Ohne hohe zeitliche Auflösung ist ein tieferes Verständnis der Hirnfunktionsstörungen im Rahmen psychischer Störungen kaum zu erreichen.

Die räumliche Auflösung ist dagegen die große Stärke des fMRT. Diese liegt beim EEG auch bei Vielkanalableitungen und Verwendung von Quellenlokalisationsprogrammen im Bereich von 1–2 cm und ist zudem weitgehend auf kortikale Strukturen beschränkt, da nur diese leicht messbare, von der Kopfhaut ablesbare Potenziale generieren.

Eine Besonderheit des EEGs ist zudem, dass es lediglich synchronisierte Aktivität abbildet. Kleinere Amplituden von EEG-Kurven oder ereigniskorrelierten Potenzialen können deshalb Folge einer geringeren Synchronisation der neuronalen Aktivität sein, aber auch andere Ursachen haben wie eine geringere Aktivität der einzelnen aktiven Neuron, einen kleineren aktivierten Kortexbereich oder eine größere Dicke der Kalotte oder Kopfhaut.

Umgekehrt gibt das BOLD-Signal im fMRT keine Auskunft, ob die veränderte Blut-Oxygenierung im Rahmen synchronisierter oder desynchronisierter neuronaler Aktivität erfolgt ist. Für manche Forschungsfragen werden heute im Rahmen simultaner EEG-fMRT-Untersuchungen beide Verfahren kombiniert.

Die räumliche Auflösung und hirnanatomische Interpretierbarkeit des EEGs wurde durch verschiedene Verfahren der Quellenlokalisation deutlich verbessert. Hierdurch wurde eine Zuordnung der hirnelektrischen Aktivität zu bestimmten kortikalen Strukturen mit einer Auflösung von 1–2 cm möglich. Das Verfahren der Dipolquellenanalyse versucht die Aktivität bestimmter kortikaler Areale durch Summendipole zu erklären und über diesen Weg die an der Kopfhaut gemessene neuroelektrische Aktivität möglichst optimal durch die Aktivität dieser hypothetischen Summendipole zu erklären. Ereigniskorrelierte Potenziale wie beispielsweise die akustisch evozierte N1/P2-Komponente oder die P300 lassen sich so in Subkomponenten zerlegen, die unterschiedlichen kortikalen Strukturen zugeordnet werden können, wodurch die Reliabilität und physiologische Validität dieser Potenziale verbessert wurde (Hegerl und Frodl-Bauch 1997; Frodl-Bauch et al. 1999). Ein weiteres Verfahren zur Lokalisation hirnelektrischer Aktivität stellt die LORETA (Low Resolution Electromagnetic Tomography; Pascual-Marqui et al. 1994, 1999) und mit verbesserter Lokalisierungsleistung die sLORETA (standardised LORETA; Pascual-Marqui 2002; Wagner et al. 2004; Soufflet und Boeijinga 2005) dar. Dieses Verfahren erfordert kein Vorwissen noch Vorannahmen über die Zahl und Lokalisation von kortikalen Aktivierungen. In einer Reihe von Validierungsstudien mit simultaner EEG-fMRT-Messung konnte eine gute Lokalisationsgenauigkeit nachgewiesen werden (Mulert et al. 2004, 2005). Das Verfahren erlaubt jedoch auch nur eine relativ niedrige räumliche Auflösung im Bereich von 1–2 cm.

Die mittels des EEG oder der ereigniskorrelierten Potenziale erfasste kortikale neuronale Massenaktivität zeichnet sich durch

In einer neueren großen gemeindebasierten Untersuchung (N = 4026) von jugendlichen Zwillingen und deren Eltern wurde die Heritabilität einfacher EEG-Parameter zwischen 0,49 und 0,85 geschätzt, bei einem Median von 0,78 (Malone et al. 2014). Dieses Ergebnis steht in Übereinstimmung mit einer Reihe früherer Studien, die hohe und teils noch höhere Heritabilitätswerte für verschiedene EEG-Parameter berichteten. EEG-Parameter sind deshalb als Biomarker und Endophänotypen für molekulargenetische Untersuchungen von großem Interesse. Zudem reagiert die hirnelektrische Aktivität mit höchster Empfindlichkeit auf alle Veränderungen innerhalb und außerhalb des Organismus und weist damit eine sehr hohe Zustandsabhängigkeit auf. Dies bedingt sehr große methodische Anforderungen an EEG-basierte Untersuchungen. Die hohe Zustandsabhängigkeit erklärt, warum in zahlreichen Studien über Veränderungen der hirnelektrischen Aktivität oder ereigniskorrelierter Potenziale in Verbindung mit verschiedensten kognitiven und psychischen Störungen berichtet wurde, aber auch viele der Inkonsistenzen in der Literatur.

Schwere psychische Erkrankungen wie affektive oder schizophrene Störungen erfassen alle Lebensbereiche der erkrankten Person und es ist deshalb wenig verwunderlich, dass Parameter wie das EEG und die ereigniskorrelierten Potenziale, die in sensibler Weise funktionelle Aspekte des Zentralnervensystems (ZNS) abbilden, in vielfacher Hinsicht bei diesen Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollen modifiziert sind.

Wichtiger und mühsamer als der Nachweis derartiger neurophysiologischer Veränderungen ist deshalb der Weg zu ihrer weiteren Charakterisierung, z. B. hinsichtlich ihrer pathogenetischen oder klinischen Bedeutung. Auf diesem Weg stellt sich immer von neuem eine Reihe von Fragen, die in der folgenden Übersicht zusammengestellt sind. Diese Fragen, die zentrale Prüfsteine der biologisch-psychiatrischen und damit auch der neurophysiologischen Forschung sind, sollen knapp erläutert werden.

Während die klinische Bedeutung hirnelektrischer Untersuchungen in Kap. Neurophysiologische Untersuchungsmethoden, in der Psychiatrie dargestellt wird, soll im Folgenden an 2 Beispielen der Beitrag hirnelektrischer Untersuchungen für pathogenetische Modelle psychischer Störungen verdeutlicht werden.