Quellenlokalisation – der Weg des Signals vom Neuron bis zum Mathematiker

1. Quellenlokalisation – der Weg des Signals vom Neuron bis zum Mathematiker Priv.-Doz. Dr. Christoph Kellinghaus Klinik für Neurologie

2. Neuronen-netzwerk und Aufbau einer Nervenzelle (Neuron) Axon Dendriten Zellkern

3. Erregende und hemmende Synapsen

4. Spannungsfeld über „einem“ Neuron

5. EEG-Feldpotentiale

6. 10/10-EEG-Elektrodenverteilung AEEGS 1994

7. Eingang A EEG Eingang B 10/10-EEG-Elektrodenverteilung AEEGS 1994

8. Reihenschaltung Referenzschaltung Mittelwertschaltung Elektrodenverschaltungen

9. Eingang A Eingang B Hirnrindenaktivität EEG Reihenschaltung

10. Eingang A Eingang B Hirnrindenaktivität EEG Reihenschaltung

12. Problems of reconstruction - depth

13. Problems of reconstruction - orientation

14. Interiktuale epileptiforme Aktivität – Mechanismen der Entstehung I • Neurone mit „Burster“- Eigenschaften • physiologisch: Verstärker-Elemente in neuronalen Netzwerken • pathologisch: • erhöhter Anteil von „Burster“-Neuronen • vermehrte rekurrente exzitatorische Verbindungen • verminderte laterale Inhibition

15. Interiktuale epileptiforme Aktivität – Mechanismen der Entstehung II • Synchrone Entladung einer großen Population kortikaler Neurone • Intrazellulär: PDS (paroxysmal depolarizing shift) • Extrazellulär: epileptiformes Feldpotential • EEG: Spike / Sharp Wave

16. Spike / Sharp Wave I • Oberflächen-Negativität kurzer Dauer • Spike: bis 80 ms • Sharp Wave 80 bis 200 ms • Unterscheidung klinisch WENIG relevant • rekurrente und laterale Inhibition: => langsames Nachpotential: obligat!

17. Wie viele Neuronen sind notwendig? • 600-800 synchronisierte Neuronen = 6cm² Kortexoberfläche (Lehmkühler et al. 1991) • in vitro-Experimente deuten auf wesentlich kleinere Zahlen (Gorji et al. 2006, Speckmann 1998)

18. Und das MEG? • Entdeckt Magnetfelder bis zu 10-15 Tesla (Erdmagnetfeld: 5x10-2 Tesla) • Ortsauflösung <1mm, zeitl. Auflösung <1msec - Erkennt oberflächennahe Potentiale mit tangentialer Orientierung

20. Spike / Sharp Wave II • Im ambulanten Routine-EEG: Wichtigstes EEG-Merkmal für die Diagnose einer Epilepsie, da Registrierung von Anfällen/Anfallsaktivität meist nicht verfügbar - Fehlen von Spikes / Sharp Waves schließt eine Epilepsie natürlich nicht aus

21. Regionale (fokale) Spikes / Sharp Waves • Hinweis auf lokalisiertes epileptogenes Areal • Lokalisation von großer diagnostischer Bedeutung: • Epilespiesyndrom ? • Korrelation mit strukturellen Läsionen (MRT) ? • Möglichkeit epilepsiechirurgischer Therapie ? (zusammen mit Anfallsregistrierungen)

22. Regionale (fokale) Spikes / Sharp Waves – Lokalisation I

23. Regionale (fokale) Spikes / Sharp Waves – Lokalisation II • Referenzableitung: Maximale Amplitude • Bipolare Ableitung: Negative Phasenumkehr

32. Normal variants resembling epileptiform activity Wickets/Wicket spikes • Incidence: 0,9% • adults, elderly (> 30 – 50 yrs) • Morphology: series of monophasic waves, shparly contoured • drowsiness, light sleep • bilateral • mostly temporal • Frequency 6-11 Hz, amplitude 60-120 µV If strictly unilateral and/or aftergoing slow wave -> most likely epileptiform

35. Normal variants resembling epileptiform activity 6 Hz Phantom Spike and Wave • Inzidence: 2,5% • Adults, adolescents • Morphology: Series of Spike wave complexes • low-amplitude spike of positive polarity (phantom spike) • prominent slow wave • drowsiness, light sleep • bilateral synchronous or diffuse • Frequency: 5-7 Hz, duration: 1-2 sec Two types: predominantly occipital, duringdrowsiness: -> benign variant predominantly anterior, during wakefulness: -> epileptiform

36. Mothersill/Gloor

37. EEG-Beispiele

38. Wo bleibt der Dipol? • Negativer Pol mit hoher Amplitude ist oberflächennah (near field potential) • gegenüberliegender Pol projiziert in die tiefen Hirnstrukturen oder den Körper • meist mit niedriger Amplitude, breiter Wellenform (far field potential) • keine Elektroden nahe dem Feldmaximum • Untergang im Grundrauschen, oft nur sichtbar nach ‚averaging‘ • spielt in der klinischen Praxis keine Rolle

39. ‚Spike marking‘ • Markierung an der Spitze des negativen Feldes d.h. - Auswahl des Kanals mit der höchsten Amplitude (Referenzschaltung) bzw. der Elektrode der Phasenumkehr (Reihenschaltung) Küpper 2012

40. ‚Spike marking‘ • Markierung an der Spitze des negativen Feldes d.h. • Auswahl des Kanals mit der höchsten Amplitude (Referenzschaltung) bzw. der Elektrode der Phasenumkehr (Reihenschaltung) • dort ist die höchste Synchronizität • nur dort kann genügend vom Grundrauschen abgegrenzt werden Küpper 2012

41. Quellenlokalisation • ‚inverse problem‘ = Errechnung der ‚wahren‘ Lokalisation anhand der Meßwerte • ohne Vorannahmen nicht errechenbar • wichtige Vorannahmen: • ‚dipole fit‘ -> ‚initial guess‘ als Startpunkt notwendig • lineares Modell (‚minimum norm estimation‘) -> vordefinierter Satz von bekannten Dipolen wird verglichen, kein ‚initial guess‘ nötig • ‚forward problem‘ = Errechnung der Feldverteilung einer bekannten Quelle • theoretisch errechenbar, in der Praxis eingeschränkt durch Unbekannte (Gewebeinhomogenität, Anisotropie)

42. Quellenlokalisation Der errechnete Dipol repräsentiert keine physikalische Struktur!

43. ‚Spike-marking‘ - Zusammenfassung • Markierung aller epilepsietypischer Potentiale (‚Spikes‘) an ihrem negativen Peak • Zusammenfassung aller Spikes mit der gleichen Peak-Elektrode in Gruppen (‚Cluster‘) • Spikes einer Gruppe werden gemeinsam ausgewerted (‚averaging‘) • keine standardisierte Suche nach weiteren Spikes, die vom klinischen Evaluator übersehen wurden • MEG-Auswertung nicht unabhängig, sondern abhängig vom EEG

44. Problem 1: Reliabilität • Wie abhängig ist das Ergebnis von Ausbildung, Vorlieben, Aufmerksamkeit eines einzigen Auswerters? • > 3 unabhängige Auswerter (Kellinghaus, Küpper, Rampp) • > Markierung des negativen Peaks (+/- 45ms) im Kanal der höchsten Amplitude • > ‚wahrer‘ Spike: Übereinstimmung von 2 Auswertern • > ‚falsch positiver‘ Spike: Keine Übereinstimmung • > ‚falsch negativer‘ Spike: nicht markiert, aber von den anderen 2 Auswertern markiert

45. Problem 1: Reliabilität • 19 Dateien von 4 Patienten (7,5-10min pro Datei) • 1107 Spikes markiert • 754 mit Übereinstimmung 2/3 (true positive) • 85 mit Übereinstimmung 3/3 (11%) • Reviewer 1: Sensitivität 60%, Präzision 76% • Reviewer 2: Sensitivität 92%, Präzision 64% • Reviewer 3: Sensitivität 94%, Präzision 44% • Mean: Sensitivität 78%, Präzision 61%

46. Problem 2: Wo ist der Referenzpunkt? • Für das Averaging ist ein Referenzpunkt notwendig! Küpper 2012

47. Problem 2: Wo ist der Referenzpunkt? • Matlab Procedure: • selektiert den maximal negativen Kanal in der Nähe des Markers • sucht automatisch den negativsten Punkt • errechnet die benachbarten Elektroden • errechnet das lokale Minimum Küpper 2012

48. Problem 2: Wo ist der Referenzpunkt? Programm errechnet die Veränderung zum handmarkierten Punkt Programm errechnet die Veränderung der Amplitude des Potentials

49. Problem 2: Wo ist der Referenzpunkt? • 19 Dateien von 4 Patienten (7,5-10min pro Datei) • 1107 Spikes markiert • 883 Spikes wurden korrigiert (80%) • Mittlere Abweichung 6,85ms +/- 4,54 ms • Mittlere Amplitudenkorrektur: 7,25µV (+/- 7,12 µV) = 32,94%

50. Einfluss der Änderungen auf die Quellenrekonstruktion • Koregistrierung des T1-MRT und der EEG/MEG-Sensoren • Segmentation: Haut, Schädelknochen (2 Schichten), Kortex • Konduktivität: 0,33 S/m (Haut, Kortex); 0,0042 (Knochen) • 3-Schichten BEM Model • ‚moving dipole solution‘ , Konfidenz-Ellipsoide • Ellipsoid-Achsenlänge invers proportional zu SNR • Ellipsoid-Volumen invers proportional zu SNR³