Nervensystem, spezielle Messverfahren im Schlaf

Unterzieht man das (digitalisierte) Elektroenzephalogramm einer Frequenzanalyse, beispielsweise mittels schneller Fourier-Transformation, der Fast-Fourier-Transformation (FFT), erhält man ein Histogramm der in dem untersuchten Zeitintervall auftretenden Frequenzen des EEG-Signals mit Quantifizierung ihrer Amplitude oder Power und ihrer Phasenlage (Abb. 1B). Zur Vereinfachung fasst man die Amplituden oder die Power zu 5 Frequenzbändern zusammen (Tab. 1).

Diese Frequenzanalyse, auch Spektralanalyse genannt, bildet neben der Mustererkennung spezifischer Graphoelemente im Elektroenzephalogramm die Grundlage für die computerunterstützte Schlafstadienbestimmung. Es ist anzumerken, dass die Frequenzen im Deltaband in der Schlaf-EEG-Auswertung nach Rechtschaffen und Kales per Definition 0,5–3,5 Hz betragen (siehe auch „Polysomnographie und Hypnogramm“).

Brain Mapping dient der Darstellung der EEG-Aktivität in den in Tab. 1 genannten Frequenzbändern projiziert auf die Kopfoberfläche. Hierzu wird das Elektroenzephalogramm mit bis zu 20 und mehr Elektroden, die nach dem 10–20-System auf der Kopfhaut platziert werden, aufgezeichnet. Hieraus werden mittlere Frequenzspektren und die Power der Frequenzbänder errechnet und farbkodiert auf der Schädeloberfläche dargestellt (Abb. 1D). Diese Maps können statisch sein, das heißt, sie geben die Verteilung der EEG-Amplituden eines definierten Zeitraums wieder. Dynamische Maps in Form animierter Bildfolgen geben einen Eindruck über die zeitliche und räumliche Veränderung der Hirnaktivität.

Basierend auf EEG-Registrierungen lassen sich durch die mathematischen Verfahren der Autokorrelation und Cross-Korrelation lineare Rhythmen und Synchronisationsgrad der hirnelektrischen Aktivität messen. Mittels Kohärenzanalysen (Abb. 1C) werden Informationen über die Funktion des neuronalen Netzwerks im Schlaf zugänglich (Duckrow und Zaveri 2005).

Aufgrund der Nichtlinearität des EEG-Signals finden Analyseverfahren der nonlinearen Dynamik Anwendung. Untersucht werden beispielsweise Komplexität, Korrelationsdimension D2, größter Lyapunov-Exponent LI und die Kolmogorof-Entropie K2. Die Ergebnisse werden im Phasenraum oder als Koeffizienten dargestellt und geben Auskunft über den Organisationsgrad, die nichtlineare Rhythmizität und den Synchronisationsgrad von Signalen (Fell et al. 1996).

Unter Elektroneurographie versteht man die Messung der Nervenleitgeschwindigkeit. Der entsprechende periphere Nerv wird durch Reizelektroden depolarisiert, die fortgeleiteten Aktionspotenziale werden als extrazelluläres Summenaktionspotenzial über Elektroden in definiertem Abstand zu den Reizelektroden registriert. Aus der Zeitlatenz errechnet sich die Nervenleitgeschwindigkeit. Bei der Mikroneurographie werden feinste Nadelelektroden in periphere Nerven eingebracht, die die Ableitung der Aktivität weniger Nervenfasern ermöglichen. Anwendung findet diese Technik zum Beispiel bei der Messung der sympathischen Nervenaktivität im Schlaf. Hier leistet die Neurographie einen wichtigen Beitrag bei der Bestimmung der sympathischen Aktivierung, etwa in Folge von Apnoen bei Schlafbezogenen Atmungsstörungen. Die Invasivität der Mikroneurographie und die mögliche Schlafstörung durch die periphere Reizung bei der Neurographie stellen Grenzen der Anwendbarkeit beider Methoden im Schlaf dar.

Aktive Hirnareale können mittels funktioneller Magnetresonanztomographie, auch Kernspinresonanztomographie oder Kernspintomographie genannt, detektiert werden. Die räumliche Auflösung liegt bei 1–3 mm. Gemessen werden Dichte und Relaxationszeiten magnetisch angeregter Protonen. Die Anregung erfolgt mittels um den Patienten angeordneter Elektromagneten, die starke, kurzdauernde Feldimpulse von bis zu 7 Tesla erzeugen. Neuronale Aktivität im Zentralnervensystem führt zu einer gesteigerten lokalen Durchblutung mit sauerstoffreichem Blut. Oxygeniertes Blut ist weniger paramagnetisch, wodurch angeregte Protonen langsamer in den Ausgangszustand zurückkehren, sodass die Magnetresonanz länger anhält und ein stärkeres Signal im Magnetresonanztomogramm entsteht.

Zu den tomographischen nuklearmedizinischen Verfahren zählen die „single photon emission computed tomography“ (SPECT) und die Positronenemissionstomographie („positron emission tomography“; PET). Beide Verfahren nutzen Gammakameras, die Gammastrahlen von injizierten Radioisotopen aufnehmen. Je nach Beschaffenheit des injizierten Präparats können regionale Durchblutungs- oder Stoffwechselunterschiede bildlich und im Zeitverlauf dargestellt werden. Durch Überlagerung mit den anatomischen Daten aus Kernspin- (MRT) oder Computertomographie (CT) gelingt die dreidimensionale Zuordnung der funktionellen Messungen zu anatomischen Strukturen, etwa beim SPECT-CT-3D-Verfahren. Während die SPECT mit langlebigeren Radioisotopen des Technetiums, Jods oder Xenons arbeitet, werden bei der PET Radioisotope des Kohlenstoffs, Stickstoffs, Sauerstoffs oder Fluors mit Halbwertszeiten im Sekunden- bis Minutenbereich verwendet. Bei der PET wird nicht nur eine zirka vierfach höhere Auflösung gegenüber der SPECT erzielt, es können auch Verteilungen und Anreicherungen an isotopenhaltigen physiologischen Substanzen nachverfolgt werden. Die notwendigen Isotope müssen in der Regel vor Ort hergestellt werden. Hierdurch ist das Verfahren vergleichsweise teuer. Die räumliche Auflösung liegt derzeit bei 4–8 mm, die zeitliche Auflösung bei ca. 1 Sekunde.