Artefakte bei der Selbstkontrolle langsamer Hirnpotentiale

Abstract

Seit dem Beginn der Biofeedbackforschung stellt sich die Frage, ob Menschen Selbstkontrolle über vegetative sowie zentrale Parameter ihres Körpers erlangen können, ohne sich dabei bewusst leicht zugänglicher Mediatoren zu bedienen. Insbesondere bei der Selbstkontrolle langsamer kortikaler Hirnpotentiale (LKP) ist diese Frage von großer Bedeutung, da das EEG-Signal sehr schwach ist und außerdem leicht durch verschiedene artifizielle Einflüsse, sowohl technischer als auch biologischer Natur, überlagert werden kann.

In vorliegender Studie sind vor allem die biologischen Artefakte wie Augen-, Kiefer-Zungen- und Kopfbewegungen, Aktivitäten der Kau-, Stirn- und Nackenmuskulatur sowie die Atmung Gegenstand der Untersuchung. Diese physiologischen Aktivitäten werden in der Literatur über EEG-Feedback-Forschung für relevante, das EEG kontaminierende Artefaktquellen gehalten.

Die Studie setzt sich zusammen aus Vor- und Hauptstudie, sie umfasst insgesamt 28 Probanden, darunter trainierte und untrainierte. Um zu prüfen, ob o.g. Mechanismen bei LKP-Feedback-Verfahren eine Rolle spielen und wenn ja, wie sie sich auf den Trainingserfolg auswirken, wurden in einem LKP-Training für Erwachsene (1. Versuchsteil) die LKP, das vertikale und horizontale EOG, EMG-Potentiale (abgeleitet am Zungengrund, dem Massetermuskel, der Stirn und dem Trapeziusmuskel im Nackenbereich) sowie Atemparameter erfasst und auf ihre Zusammenhänge hin untersucht. Um herauszufinden, ob der Trainingszustand der Probanden dabei mit eine Rolle spielt, wurden die Messergebnisse von Trainierten und Untrainierten getrennt voneinander untersucht. Bei den Trainierten wurde außerdem noch die LKP-Ausbreitung im Liquorraum des Rückenmarks untersucht. Insgesamt hat sich ein klarer Trend (bei Trainierten und Untrainierten) gegen die Zuhilfenahme von Aktivitäten im Kopf- und Nackenbereich, damit einhergehenden Bewegungsartefakten sowie der Atmung bei der Selbstkontrolle der LKP ergeben. In einem 2. Versuchsteil wurden die Probanden instruiert, bewusst Artefakte durch die o.g. Aktivitäten zu erzeugen. Dabei zeigte sich, dass nur vertikale Kopfbewegungen signifikant hohe Schwankungen der LKP verursachen und dadurch die Trefferquote unterstützen können. Der etwas kleinere Einfluss von Muskel-/Bewegungsartefakten im Mundbereich auf die von der Kopfhaut abgeleiteten LKP ist vermutlich auf die als Ladungsträger fungierende Zunge zurückzuführen. Die Zunge hat also auch einen geringen, die Trefferquote unterstützenden Effekt. Dieser tritt ebenfalls bei vertikalen Augenbewegungen nach oben auf, wo aufgrund der Dipoleigenschaft des Augapfels die an der Kopfhaut abgeleiteten LKP positiviert werden.

Die in der Hauptstudie zusätzlich untersuchten kortexfernen Aktivitäten (des Beckenbodens und der großen Zehen) hinsichtlich ihres Einflusses auf die LKP zeigten keine signifikant hohen Potentialveränderungen in den EEG-Ableitungen, scheinen sich also nicht wesentlich auf die LKP-Selbstkontrolle auszuwirken. Die Untersuchung der LKP-Ausbreitung im Liquorraum des Rückenmarks ergab keine signifikanten Zusammenhänge zwischen den an der Kopfhaut abgeleiteten LKP und den extern an der Wirbelsäule abgeleiteten Potentialen. Dieses Ergebnis ist jedoch aufgrund der EKG-Überlagerung und Artefakten der tiefen Rückenmuskulatur kritisch zu betrachten und erlaubt deshalb keine aussagekräftigen Schlüsse. Die Studienergebnisse stimmen weitgehend mit den bis dato in der Feedback-Forschung gemachten Erkenntnissen über biologische Artefaktquellen bei der LKPSelbstkontrolle überein. Es gilt, die Probanden/Patienten auch künftig gezielt aufzuklären, um so ein möglichst artefaktfreies LKP-Training durchführen zu können.

Since the beginning of the biofeedback research the question remains whether people are able to gain self-regulation about autonomic as well as central parameters of their body without using easy available mediators. This question is particularly substantial for the self-regulation of slow cortical potentials (SCP) as the EEG signal is very low-powered and besides easily can be interfered with artificial influences originated from technical as well as biological nature. The targets of the present study are especially biological artefacts like eye, jawbone, tongue and head movements as well as activities of chewing, forehead and nape muscles. These physiological activities are considered to be relevant sources of artefacts which contaminate the EEG.

The study consists of a preliminary and a main study, altogether it contains 28 subjects, including trained and not trained subjects. In order to verify if the abovementioned mechanisms are of importance during SCP procedures and if so, how they have an effect on the results of the training, an experiment to the SCP regulation of adults was conducted. Thereby the SCP, vertical and horizontal EOG, EMG potentials (discharged from the base of the tongue, the masseter muscle, the forehead, the trapezius muscle in the area of the nape) as well as breathing parameters are recorded and analysed at their correlations. To find out if the training condition of the subjects is of importance in the process, the measurement results of the trained and not trained subjects are analysed separately. In the trained subjects there was additionally analysed the propagation of the SCP in the liquor area of the medulla. All in all it has resulted a trend against the assistance of physiological activities in the area of the head and the nape and with it associated movement artefacts as well as breathing artefacts during the self-regulation of SCP. In the second part of the study the subjects were briefed to generate consciously the abovementioned artefacts. Thereby it turned out that only vertical head movements cause significant fluctuations of the SCP and thus may support the hit rate. The lower influence of muscle and movement artefacts in the area of the mouth on the SCP which are discharged from the scalp is probably attributed to the tongue acting as a charge carrier. So the tongue has also a low influence on the hit rate. This effect occurs during vertical rising eye movements, too. In this process the SCP discharged from the scalp are shifting to the anode due to the eyeballs electrical characteristic as a dipole.

The additionally analysed activities far from cortical activities verified in the main study (pelvic floor and big toes) regarding their influence on the SCP turned out to have no significant potential fluctuations in the EEG discharges and therefore seem to have no relevant influence on the self-regulation of SCP. The analysis of the SCP propagation in the liquor area of the medulla showed no significant correlations between the SCP discharged from the scalp and the potentials discharged from the external spine. However, this result has to be considered critically because of artefacts caused by the interference of the EKG and the deep back muscles and therefore significant conclusions cannot be drawn. The results of the study largely agree with the scientific findings of the feedback research about the biological artefacts during the self-regulation of SCP until this day. It is essential, to clear up the subjects/patients systematically also in the future in order to realise a SCP training which is free from artefacts.