Enzyklopädie der Schlafmedizin
Autoren
Ingo Fietze

Elektrodermale Aktivität

Unter elektrodermaler Aktivität werden die auf der Haut messbaren elektrischen Phänomene zusammengefasst. Die Messung stellt ein indirektes Verfahren zur Erfassung der autonomen Erregung dar. Veränderungen der elektrodermalen Aktivität im Schlaf sind seit den 1940er-Jahren nachgewiesen worden. Die Haut hat passive (tonische) und aktive (phasische) elektrische Eigenschaften. Potenzialdifferenzen zwischen 2 Punkten der Haut charakterisieren die aktiven Eigenschaften und spiegeln die phasischen Veränderungen der Hautwiderstandskurve wider. Diese können unspezifisch oder als Reaktion auf einen Reiz auftreten. Der dem Durchfluss eines elektrischen Stroms entgegen gestellte Widerstand, das Hautwiderstandsniveau, gilt als passive Eigenschaft, als tonische Komponente der Haut. Während das Hautwiderstandsniveau als Basispegel für die Aktivität der Schweißdrüsen und als relativer Indikator für den Sympathikotonus verstanden werden kann, ist die Hautwiderstandsreaktion vornehmlich ein Marker für die Höhe der Erregung im sympathischen Nervensystem.

Synonyme

EDA; Hautwiderstand; Hautleitfähigkeit

Englischer Begriff

electrodermal activity; skin resistance; skin conductance

Definition

Unter elektrodermaler Aktivität werden die auf der Haut messbaren elektrischen Phänomene zusammengefasst (Brown 1967). Die Messung stellt ein indirektes Verfahren zur Erfassung der autonomen Erregung dar. Veränderungen der elektrodermalen Aktivität im Schlaf sind seit den 1940er-Jahren nachgewiesen worden. Die Haut hat passive (tonische) und aktive (phasische) elektrische Eigenschaften. Potenzialdifferenzen zwischen 2 Punkten der Haut charakterisieren die aktiven Eigenschaften und spiegeln die phasischen Veränderungen der Hautwiderstandskurve wider. Diese können unspezifisch oder als Reaktion auf einen Reiz auftreten. Der dem Durchfluss eines elektrischen Stroms entgegen gestellte Widerstand, das Hautwiderstandsniveau, gilt als passive Eigenschaft, als tonische Komponente der Haut. Während das Hautwiderstandsniveau als Basispegel für die Aktivität der Schweißdrüsen und als relativer Indikator für den Sympathikotonus verstanden werden kann, ist die Hautwiderstandsreaktion vornehmlich ein Marker für die Höhe der Erregung im sympathischen Nervensystem.

Messverfahren

Physiologische und pathophysiologische Grundlagen des Messverfahrens

Veränderungen der elektrischen Eigenschaft der Haut wurden erstmals 1849 von DuBois-Reymond (in Neumann und Blanton 1970) beschrieben. 1881 zeigte Herrmann, dass Hautareale mit hoher Schweißproduktion, wie Handflächen und Fußsohlen, besonders gut für die Ableitung von elektrodermaler Aktivität geeignet sind. In dieser Zeit wurde erstmals auch der Einfluss der Psyche auf die elektrodermale Aktivität beschrieben. Heute ist die elektrodermale Aktivität ein häufig verwendetes Instrument zur indirekten Darstellung zentralnervöser Aktivierungsvorgänge in Untersuchungen zu Aufmerksamkeit und Informationsverarbeitung. In der Psychophysiologie wird die Registrierung der elektrodermalen Aktivität als Biofeedback-Methode in der Angstbehandlung angewandt. Auch als Entspannungsmethode ist sie einsetzbar.
Stellgrößen der elektrodermalen Aktivität sind im Wesentlichen die Änderung der Hautdurchblutung, die Aktivität des autonomen (sympathischen) Nervensystems und der Metabolismus, insbesondere der Wasser- und Elektrolythaushalt. Die anatomische Struktur der Haut bedingt, dass die tiefer gelegenen Hautschichten mehr Feuchtigkeit enthalten als die fetthaltige Hautoberfläche (Epidermis) und daher Strom besser leiten. Die Epidermis ist eher ein elektrischer Isolator, dessen Leitfähigkeit vom Durchfeuchtungsgrad und der Hauttemperatur abhängt.
Dermis und Subkutis, die beiden inneren Schichten der Haut, enthalten nicht nur mehr Flüssigkeit, sondern auch die Schweißdrüsen, die mit der Oberfläche der Haut in Verbindung stehen. Aktivität der Schweißdrüsen ändert wesentlich die Leitfähigkeit der Hautoberfläche. Die Drüsen sind sympathisch innerviert, daher führt ein erhöhter Sympathikotonus zum Anstieg der Schweißsekretion und zur Abnahme des Hautwiderstands. Schwitzen kann auch thermoregulatorisch, emotional, pharmakologisch, ubiquitär spontan, gustatorisch und reflexbedingt sein. Als perspiratio insensibilis wird die Schweißsekretion bezeichnet, die ohne besondere neurogene oder pharmakologische Stimulation vonstattengeht, also auch unabhängig von der Durchblutung. Ein Einflussfaktor für alle Formen des Schwitzens ist die Umgebungstemperatur. Fußsohlen und Handflächen nehmen innerhalb des Systems der Schweißregulierung eine Sonderstellung ein. Hier findet vorwiegend emotionelles statt rein thermoregulatorisches Schwitzen statt. Sogenanntes kaltes Schwitzen (adrenerges Schwitzen) tritt bei plötzlichem Anstieg des Sympathikotonus als Reaktion auf einen akuten Reiz auf und ist an den Handflächen gut messbar. Dabei sind typischerweise die Hautgefäße eng.
Die Schweißbildung als Folge der Änderung von Sympathikotonus, Durchblutung und Wasser- und Elektrolythaushalt ist die wesentliche pathophysiologische Grundlage dafür, dass elektrodermale Aktivität messbar ist. Die Aktivität der Schweißdrüsen unterliegt zirkadianen und ultradianen Einflüssen, zusätzlich sind spontane Schwankungen des Gefäßwiderstands als Ausdruck der autonomen peripheren Regulation bekannt (Sinz 1978).

Elektrodermale Aktivität und Schlaf

Schon in den 1940er-Jahren konnte nachgewiesen werden, dass während des Schlafs der elektrische Hautwiderstand ansteigt. Da gleichzeitig die Hautdurchblutung steigt, eine Folge der Thermoregulation im Schlaf, kommt es zu keiner Änderung der Aktivität der sympathischen Hautfasern. Die spontan auftretenden elektrischen Potenzialschwankungen der elektrodermalen Aktivität ändern sich ebenfalls im Schlaf. Dabei ist interessant, dass diese Änderungen erst mit Eintritt des Schlafstadiums 2 zu verzeichnen sind. Beim Einschlafen und während des Schlafstadiums NREM1 sind keine wesentlichen Änderungen der elektrodermalen Aktivität im Vergleich zum Wachzustand zu verzeichnen. Im weiteren Schlafverlauf ändert sich sowohl die Amplitude als auch die Frequenz der elektrodermalen Aktivität, jedoch unterschiedlich. Ab dem Schlafstadium NREM2 nehmen die Schwankungen der spontanen elektrodermalen Aktivität an Frequenz und Amplitude bis hin zum Schlafstadium 4 zu, im REM-Schlaf aber wieder ab, ausgenommen die Phasen mit aktiven Augenbewegungen. Ein psychologischer Zusammenhang zwischen Trauminhalten und der elektrodermalen Aktivität ist bisher nicht nachgewiesen.
Während die Amplitude der elektrodermalen Aktivität eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Schlaftiefe zeigt, ist für das Frequenzverhalten im Schlaf eine U-Kurven-Form charakteristisch. Der Hautwiderstand ist im NREM-Schlaf hoch, ausgenommen in Phasen mit K-Komplexen, dort nimmt er ab, die Aktivität sympathischer Hautnerven nimmt zu. Der Hautwiderstand korreliert negativ und der Hautleitwert positiv mit dem zirkadianen Körpertemperaturrhythmus.
Das basale Niveau der elektrodermalen Aktivität kann auch als Vigilanzindex verstanden werden. Die spontane elektrodermale Aktivität ist ein uniformer Indikator für den Grad der zentralnervösen Aktiviertheit beziehungsweise der Wachheit. Auch der Hautwiderstand korreliert mit dem Arousal-Niveau.
In einer neueren Untersuchung konnte gezeigt werden, dass sich der Tonus des Hautwertwiderstandes sowohl bei Gesunden als auch Patienten mit Schlafstörungen in allen Schlafstadien vom Wachzustand unterscheidet. Die spontan auftretenden Potentialschwankungen, die elektrodermale Reaktion ändert sich im Schlaf auch, vornehmlich beim Vergleich Tief- und Traumschlaf mit Wach. Die Varianz dieser Änderungen ist bei Patienten größer als bei den gesunden Schläfern (Herlan et al. 2019).
Untersuchungen der elektrodermalen Aktivität im Schlaf bei Parkinsonpatienten ergaben keine Unterschiede im Vergleich zu Normalpersonen. Sogar bei Patienten mit einer Sympathikusdysregulation zeigen sich keine wesentlichen Veränderungen der elektrodermalen Aktivität im Schlaf. Anders bei Obstruktiver Schlafapnoe (OSA; siehe „Obstruktive Schlafapnoe“). Hier zeigen sich Veränderungen der elektrodermalen Aktivität im Vergleich vor und nach einer Beatmungstherapie. Unter effektiver Beatmungstherapie nimmt die elektrodermale Aktivität deutlich ab. Dies spricht für eine nächtliche sympathikotone Aktivierung vor Therapie, die mit anderen indirekten Verfahren wie Herzfrequenzvariabilität oder mit direkten Messverfahren wie muskuläre sympathische Nervenaktivität (MSNA) ebenfalls nachgewiesen werden konnte.
Sowohl Patienten mit einer chronischen idiopathischen oder organisch bedingten Insomnie als auch Patienten mit Obstruktiver Schlafapnoe zeigen Änderungen der elektrodermalen Aktivität als Zeichen des pathologisch veränderten Arousal-Status. Bei Patienten mit einer chronischen Insomnie ist eine erhöhte spontane elektrodermale Aktivität, ein erhöhter Hautwiderstand und ein verringerter Hautleitwert nachgewiesen. Insbesondere die Schlafbezogenen Atmungsstörungen (siehe „Schlafbezogene Atmungsstörungen“) stellen ein Modell für den sich ändernden nächtlichen Arousal-Status dar. Es ist davon auszugehen, dass die elektrodermale Aktivität nicht nur nachts im Mittel verändert ist, sondern sich auch kurzfristig im Verlauf einer Apnoe ändert. Zu Beginn der Apnoe ist sie eher niedrig und mit Einsetzen des die Atmung stimulierenden Arousal steigt sie an. Eigene Beobachtungen bestätigen diese Vermutung, jedoch ist bisher keine repräsentative wissenschaftliche Untersuchung der elektrodermalen Aktivität bei Schlafapnoepatienten durchgeführt worden. Es bedarf hierfür standardisierter Untersuchungsbedingungen, wie die aus den sogenannten Bunkerversuchen zur zirkadianen Rhythmik bekannte Methode der „constant routine“, und die Beseitigung sämtlicher Störfaktoren, um den Zusammenhang zwischen der elektrodermalen Aktivität, dem vegetativen Nervensystem und den Atmungsstörungen insgesamt und speziell einer einzelnen Atmungsstörung zu erforschen („Chronobiologie“).
Auch in Schlafdeprivationsexperimenten konnten bisher keine einheitlichen Aussagen zum Verhalten der elektrodermalen Aktivität getroffen werden. Es gibt widersprüchliche Resultate bei unterschiedlichen Studiendesigns. Eine aktuelle Studie (Miro et al. 2002) hat gezeigt, dass eine 48 Stunden dauernde totale Schlafdeprivation das Hautwiderstandsniveau erhöht. Gleichzeitig nimmt die Körpertemperatur gering ab von 36,44 auf 36,3. Deswegen haben die Versuchspersonen nach Schlafentzug am Morgen gefroren, obwohl die Außentemperatur unverändert war. Dies darf als Ergebnis der niedrigen metabolischen Rate bei Mangel an Bewegung gewertet werden und nicht als Folge einer gestörten Thermoregulation.

Auswerteverfahren, Bewertung

Die spontanen Potenzialschwankungen und Änderungen des Hautleitwerts werden subjektiv nicht wahrgenommen und dauern nur bis zu 4 Sekunden. Änderungen des Hautwiderstandniveaus können als Trend über eine längere Zeit gemessen werden. Änderungen um 10 % stellen dabei eine deutliche Reaktion dar. Normwerte gibt es nicht, daher ist die Bedeutung der gemessenen Absolutwerte sehr gering. Die differentialen Änderungen über die Zeit sind entscheidend. Voraussetzung ist, dass die äußeren Bedingungen während der Messung gleich bleiben. Dann sind Änderungen des Hautwiderstands am ehesten auf vegetative Veränderungen zurückzuführen, häufig als Folge psychischer und emotionaler Einflüsse.
Um die Entwicklung über einen längeren Zeitraum beurteilen zu können, sollte die Raumtemperatur konstant sein. Folgende sonstige Faktoren üben Einfluss auf den Hautwiderstand aus: die Atmung (Einatmung ist Aktivierung, Ausatmung ist Entspannung), der Elektrodendruck, die Hornhautdicke (Zunahme des Hautwiderstands bei starker Hornhautbildung), das Alter (der Hautwiderstand nimmt zu), „Nikotin“ (verringert den Hautwiderstand und die Hauttemperatur) sowie warme schwitzende Hände, die den Widerstand verringern.
Handflächen, Fingerkuppen und Fußsohlen sind am dichtesten mit Schweißdrüsen besetzt. Die Finger selbst oder der Unterarm haben eine geringere Anzahl von Schweißdrüsen. Dadurch lässt sich der rein sympathische Einfluss auf den Hautwiderstand hier eher objektivieren. Ein weiterer Grund, warum die Finger, zumindest der Ringfinger der nicht dominanten Hand, zum Messen genutzt werden, ist der die Messung beeinflussende Hornhautbesatz. Er ist an dieser Körperstelle sehr gering. Bei Schlafuntersuchungen wird das Auftreten spontaner EDA-Schwankungen pro Minute oder pro Epoche als Indikator allgemeiner emotionaler Aktivität gewertet. Pro Zeiteinheit oder Epoche werden dabei die maximale Amplitude und die Zahl der Nullliniendurchgänge ermittelt.

Apparative Umsetzung, Geräte

Die Messung erfolgt mittels auf die Haut aufgetragener Elektroden, wobei Elektrodengröße und Elektrodenlokalisation einen Einfluss haben. So ist eine elektrodermale Asymmetrie während des Schlafs bekannt, die bis zu 80 % betragen kann. Bei konstanter Stromstärke <10 mA kann entsprechend dem Ohm-Gesetz die Spannung gemessen werden. Die aufgezeichneten Spannungsschwankungen spiegeln die Veränderungen des Hautwiderstands, der sogenannten „skin resistance“ wider. Hält man die Spannung konstant und misst die Stromschwankungen, erhält man die Reziproke des Widerstands, nämlich die Hautleitfähigkeit, die sogenannte „skin conductance“. Die Arbeitsgruppe um Boucsein hat auch neue Messverfahren validiert, beispielsweise die Erfassung der elektrodermalen Aktivität mittels Wechselspannung (Schaefer und Boucsein 2000). Studien zum ambulanten 24-Stunden-Monitoring der elektrodermalen Aktivität sind noch nicht veröffentlicht. Weitere Messgrößen in Untersuchungen mit Applikation von Reizen sind die Amplitude als maximale Auslenkung einer elektrodermalen Reaktion, die Latenzzeit zwischen Reizapplikation und Änderung der elektrodermalen Aktivität, die Anstiegssteilheit und die Reaktionsrückbildung.

Indikationen

Anwendung findet das Messverfahren als sogenannter Lügendetektor, als Biofeedback-Methode in der Verhaltenstherapie (siehe „Kognitive Verhaltenstherapie“) und in der psychologischen und zunehmend auch in der Schlafforschung.

Grenzen der Methode

Untersuchungen zum Hautwiderstand wurden bisher nur in einzelnen schlafmedizinischen Studien durchgeführt. Systematische klinische Studien mit einheitlich zu interpretierenden Ergebnissen liegen bisher nicht vor. Die Veränderungen der elektrodermalen Aktivität in den einzelnen Schlafstadien sind überdies zu gering und die individuellen Schwankungen zu groß, als dass eine Differenzierung der Schlafstadien mittels der elektrodermalen Aktivität möglich wäre. Im Moment ist der Wert der EDA Messung für die Beurteilung der Schlafqualität vergleichbar mit der Aktigraphie oder der Herzfrequenzvariabilität (Herlan et al. 2019). Für die Schlafmessung ist dieser Parameter allein bisher nicht geeignet (Romine et al. 2019). Das ist auch der Grund, warum diese Messmethode in der Routineschlafaufzeichnung bisher keine Rolle spielt. Darüber hinaus ist das Verfahren mit dem Nachteil behaftet, dass es relative Veränderungen angibt, die am ehesten zur Charakterisierung intraindividueller Verläufe geeignet sind. Daher stellt die elektrodermale Aktivität zwar einen interessanten Parameter dar, aber in die klinisch etablierte Kardiorespiratorische Polysomnographie hat sie bisher keinen Eingang gefunden.
Literatur
Brown CC (1967) A proposed standard nomenclature for psychophysiologic measures. Psychophysiology 4:260–264CrossRef
Canisius S, Penzel T (2007) Vigilance monitoring – review and practical aspects. Biomed Tech (Berl) 52(1):77–82. ReviewCrossRef
Herlan A, Ottenbacher J, Schneider J, Riemann D, Feige B (2019) Electrodermal activity patterns in sleep stages and their utility for sleep versus wake classification. J Sleep Res 28(2):e12694. https://​doi.​org/​10.​1111/​jsr.​12694. Epub 2018 May 2
Miro E, Cano-Lozano MC, Buela-Casal G (2002) Electrodermal activity during total sleep deprivation and its relationship with other activation and performance measures. J Sleep Res 11:105–112CrossRef
Neumann E, Blanton R (1970) The early history of electrodermal research. Psychophysiology 6:453–475CrossRef
Romine W, Banerjee T, Goodman G (2019) Toward sensor-based sleep monitoring with electrodermal activity measures. Sensors (Basel) 19(6):e1417. https://​doi.​org/​10.​3390/​s19061417
Schaefer F, Boucsein W (2000) Comparison of electrodermal constant voltage and constant current recording techniques using the phase angle between alternating voltage and current. Psychophysiology 37(1):85CrossRef
Sinz R (1978) Zeitstrukturen und organische Regulation. Akademie, Berlin