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Die Suche nach dem Wesentlichen - Signalanalyse von MEG und EEG

Selbst im Schlaf gibt das Gehirn keine Ruhe. Unermüdlich treibt es Körper und Geist des Menschen an. Hier werden 24 Stunden am Tag und sieben Tage in der Woche Gedanken, Gefühle und Bewusstsein erzeugt. In diesem alltäglichen Treiben des unermesslichen Nervenzellgespinstes untersuchen die Forscher des MPI für Kognitons- und Neurowissenschaften mit ihren Experimenten, wie neuronale Aktivität und eine ganz spezifische Aufgabe zusammenhängen. Wenn die Studien mit den Testpersonen im Magnetenzephalographen (MEG) oder am Elektroenzephalographen (EEG) beendet sind, geht die Arbeit erst richtig los. Die Fragen: Wie lassen sich in diesem Meer der elektrischen bzw. magnetischen Signale diejenigen finden, die die spezifische Antwort des Gehirns auf die gestellte Versuchsaufgabe wiedergeben? Und welche Verfahren setzen die Signale so um, dass letztlich ein plastisches Bild des Gehirns mit den korrekten räumlichen Aktivierungen entsteht?

Für die Signalanalyse und das so genannte Modellieren der MEG- und EEG-Daten aus den sprachlichen Experimenten ist ein Team aus Elektrotechnikern, Mathematikern, Physikern und Informatikern um Burkhard Maess zuständig. Das MEG beispielsweise registriert mit 148 Kanälen die magnetischen Felder und erstellt dabei in Millisekunden-Schritten ein scheinbar chaotisches Bild von Kurven und Zacken, das den zeitlichen Verlauf der Hirnaktivierung spiegelt. Ihr Ort lässt sich daraus nicht direkt ablesen. Zunächst liefern die MEG-Geräte nur eine Art Landkarte der einzelnen magnetischen Messorte - mit einer Farbverteilung, wie sie jeder von der Wetterkarte kennt. Sie beschreibt nur die Magnetfeldverteilung im MEG-Gerät außerhalb des Kopfes.

So stellt sich den Forschern das so genannte "Inverse Problem". Ziel ist es, die außen gemessenen magnetischen Felder einzelnen Arealen im Gehirn der Testpersonen zuzuordnen - und diesen Arealen wiederum bestimmte Funktionen, die mit der gestellten Aufgabe zusammenhängen. Man sucht also nach dem Ort der aktiven Nervenzellen, die die magnetischen Felder erzeugt haben. Für diese Ursachenforschung der besonderen Art braucht es ausgefeilte mathematisch-technische Modellierungen im Computer. Sie werden gespeist mit der räumlichen Anordnung der Mess-Sensoren, der Körpergeometrie und der Leitfähigkeitsverteilung innerhalb und außerhalb des Gehirns.

In einem ersten Schritt erstellen die Forscher ein Kopf-Modell jeder einzelnen Testperson, das auf Magnetresonanz-Tomographie-Aufnahmen beruht. Aus den Helligkeitsunterschieden in den Bildern werden die Grenzflächen berechnet, die Kopfhaut, Schädel, Hirnflüssigkeit und Gehirn abbilden. Diese Grenzschichten sind die Basis für ein dreidimensionales Gittermodell (Boundary Element Model, BEM), das die Geometrie und die Leitfähigkeitsverteilung des Kopfes beschreibt.

 
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