Willentliche Kontrolle kortikaler Areale

Seit den 70er Jahren ist bekannt, dass Individuen bestimmte Signale Ihres Gehirns willentlich steuern können. Neuere Ergebnisse belegen, dass mit Hilfe von Echtzeit-fMRI sogar die neuronale Aktivität in bestimmten Gehirnregionen reguliert werden kann. Auf fMRI basierendes Neurofeedback hat allerdings gewisse Nachteile. Neben den hohen Kosten sind hier Verzögerungen im Zeitverlauf der hämodynamischen Antwort zu nennen. Diese führen zu verzögertem Feedback, was wiederum den Lernprozess verlangsamen könnte. Um eine alternative Methode ohne diese Nachteile bereitzustellen, soll im vorliegenden Projekt ein EEG-basiertes Neurofeedbackverfahren entwickelt werden, das die intentionale Kontrolle lokalisierter kortikaler Aktivität (Intentional Control of Cortical Areas, ICCA) ermöglicht. Dabei werden gesunde Probanden darin trainiert, die Stromdichte im dorsolateralen präfrontalen Cortex (DLPFC) als einer exemplarischen Region willentlich zu erhöhen oder zu verringern. Um eine ausreichende räumliche Auflösung zu gewährleisten, wird eine Echtzeitversion des Verfahrens "LORETA" (low-resolution electromagnetic tomography) entwickelt. Im Anschluss an die Entwicklung und Implementierung dieses (ICCA)-Verfahrens in Phase 1, ist Phase 2 dem Training und der Evaluation durch die gleichzeitige Aufzeichnung von EEG und fMRI gewidmet. Dadurch kann überprüft und bestätigt werden, dass die von den Probanden willentlich erzeugten Aktivitätsänderungen tatsächlich in der Zielregion, dem DLPFC, stattfinden. In Phase 3 wird schließlich die Auswirkung des Trainings auf kognitive Leistungen in einer Aufgabe zum logischen Schlussfolgern überprüft, an der der DLPFC entscheidend beteiligt ist. Da ICCA die Untersuchung systematisch erhöhter oder reduzierter Aktivität in bestimmten neokortikalen Gehirnregionen ermöglicht, hat es das Potential, zu einem wertvollen Werkzeug für neurowissenschaftliche Forschung zu werden. Darüber hinaus könnten sich mögliche Anwendungen auf die Verbesserung von Aufmerksamkeit und Arbeitsgedächtnis und auf klinische Therapie erstrecken.

Neurofeedback ist im Bereich der Psychotherapie, der Klinischen und der Gesundheitspsychologie ein durchaus etabliertes Interventionsverfahren. Allerdings ist seine Wirkung lediglich empirisch belegt und nicht durch spezifische Wirkmodelle beschrieben. Es ist zwar erwiesen, dass Personen die jeweilige Zielvorgabe, z.B. Erhöhung des a- Wellen-Anteiles im EEG, erreichen (erlernen), wie das allerdings gelingt, und wo im Gehirn der entscheidende Prozess abläuft, und ob das bei verschiedenen Personen immer gleich erfolgt, ist völlig unklar. Es löste daher großes Interesse aus, als 2003 ein Forschungsbericht von Ch. deCharms aufzeigte, dass Neurofeedback lokaler Hirnaktivität mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) möglich ist. Mittlerweile gibt es etwa 15 Berichte über derartige Forschungen, de facto allerdings kaum welche über erfolgreiche Anwendungen. Weil das MRT-Verfahren sehr teuer und nicht überall verfügbar ist und die Situation im Tomographen nicht therapiefreundlich ist, hatte es sich das gegenständliche Projekt zur Aufgabe gemacht, ein vergleichbares Verfahren auf EEG-Basis zu entwickeln und zu testen. Dazu wurde einerseits ein mathematisches Verfahren (BEM-based SMS- LORETA; [http://arxiv.org/abs/1106.2679] 2011, [http://arxiv.org/pdf/0806.4845] 2008) entwickelt, welches es ermöglicht, automatisch und in sehr kurzer Zeit, ausgehend von der mittels Elektroden gemessenen Potentialverteilung auf der Kopfhaut, die generierenden Großhirnaktivitäten hinsichtlich Lage und Intensität zu bestimmen. Andererseits wurde eine universell verwendbare Trainingssituation kreiert, in welcher Probanden konkrete kognitive /motorische Aufgaben zu bearbeiten haben und parallel dazu spezifische Hirnaktivitätssignale extrahiert werden können. Bei Broca-Aphasie, nach einem Schlaganfall etwa, werden die linkshemisphärischen Sprachareale als Trainingszielgebiete ausgewählt; der/die Patient/in erhält während des Trainings z.B. sogenannte Benennaufgaben via Bildschirm dargeboten, einfache Darstellungen von Tätigkeiten, zu welchen er/sie das Verb finden und in Gedanken aussprechen muss. Wann immer während der Aufgabenbearbeitung ausgehend von der Potentialverteilung auf der Kopfhaut Aktivität im gewählten Zielgebiet geortet wird, erhält der/die Patient/in entsprechend der Aktivitätsstärke Rückmeldung/Feedback via Bildschirm, z.B. durch grünes Licht - Zweitauftrag ist es, dieses Feedback möglichst häufig zu erhalten und möglichst intensiv zu machen, wodurch die Rehabilitation geschädigter Areale forciert wird. In einem Experiment mit 13 Trainingseinheiten, 120 Bilder, an gesunden Probanden konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass dies gelingt (Bauer, Pllana & Sailer, 2011) - das Verfahren wurde "Local Brain Activity (LBA-) Feedback" genannt und ist derzeit das einzige, das dies auf EEG-Basis leistet. Das entwickelte Computerprogramm hat eine graphische Bedienungsoberfläche und ist derart flexibel, dass Anwendungen in verschiedensten Bereichen, von der Neurorehabilitation über Psychotherapie bis hin zum Kognitionstraining möglich sind.