Was sind die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der folgenden Methoden: Transkranielle Magnetstimulation (TMS), Elektroenzephalographie (EEG), funktionale Magnetresonanztomographie (fMRT, engl. fMRI). Was sind die jeweiligen Vorteile und Nachteile dieser Methoden?

Antwort:

Um die Aktivität des Gehirns zu untersuchen, haben Forschende mit der Zeit zahlreiche Methoden entwickelt. Häufig basieren diese Methoden auf den elektrischen Signalen, welche die Nervenzellen des Gehirns (Neuronen) zur Informationsübertragung senden. Sowohl die Transkranielle Magnetstimulation (TMS) als auch die Elektroenzephalographie (EEG) und die funktionale Magnetresonanztomographie (fMRT) machen sich diese Eigenschaft zu Nutze. Während EEG und fMRT bildgebende Verfahren sind, ist das Ergebnis der TMS nur anhand der Reaktion der Testpersonen ersichtlich. Alle drei Methoden sind non-invasiv (Baddeley et al., 2025).

Bei der Elektroenzephalographie (EEG) wird die elektrische Aktivität des Gehirns gemessen, indem eine Vielzahl Elektroden an der Kopfhaut angebracht werden. Der grosse Vorteil des EEGs ist, dass die elektrischen Signale direkt gemessen werden, d.h. das EEG hat eine hohe zeitliche Auflösung (im Bereich von Millisekunden). Dies ist besonders hilfreich in der psychologischen Forschung, welche ereigniskorrelierte Potentiale (EKP ́s bzw. ERP¹ ́s) untersucht. Hierbei wird das EEG während konkreter kognitiver Aufgaben aufgezeichnet und das entstandene spezifische Muster ausgewertet. Um das Grundrauschen des EEGs von den Reaktionen auf den untersuchten Reiz (bzw. die Aufgabe) zu trennen und das Reaktionsmuster sichtbar zu machen, werden mehrere Messdurchgänge miteinander verglichen (sogenannte Signalmittelung). EEG ist zudem einfach anzuwenden und verursacht keine hohen Kosten (Baddeley et al., 2025). Ein grosser Nachteil des EEG, welcher auch die Auswertung der ereigniskorrelierten Potentiale erschwert, ist die geringe räumliche Auflösung. Da die Elektroden an der Aussenseite des Kopfes angebracht werden, können sie immer nur die Gesamtaktivität der elektrischen Signale messen (Baddeley et al., 2025). Die Summe aller elektrischen Impulse setzt sich zusammen aus vielen elektrischen Ereignissen, wie Aktionspotentialen, postsynaptischen Potentialen oder den elektrischen Signalen der Haut und Muskeln (Pinel et al., 2024). Die einzelnen Prozesse oder konkrete Gebiete des Gehirns, welche dieser Aktivität zu Grunde liegen, können im EEG nicht sichtbar gemacht werden (Baddeley et al., 2025).

Eine hohe räumliche Auflösung hingegen hat die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT). Bei diesem Verfahren werden Bilder erzeugt anhand der magnetischen Eigenschaften oxygenierten (sauerstoffreichen) Bluts, welches die aktiven Bereiche des Gehirns mit der notwendigen Energie versorgt (Pinel et al., 2024). So kann dargestellt werden, welche Gehirnregionen während bestimmter Zustände oder Aufgaben besonders aktiv sind. Das bedeutet, das fMRT misst die elektrischen Signale der Neuronen nur indirekt, nämlich anhand der durch die neuronale Aktivität ausgelösten Blutversorgung. Im Vergleich zum EEG verfügt das fMRT deshalb über eine schlechtere, jedoch immer noch akzeptable, zeitliche Auflösung (1-2 Sekunden). Die Verzögerung wird durch die Dauer des Blutflusses in die aktiven Regionen bedingt. Hierin liegt auch der Nachteil des fMRT: Es ist oft schwer interpretierbar, in welcher Reihenfolge oder wie lange die einzelnen Regionen aktiviert werden. Somit kann zwar die funktionelle Konnektivität unterschiedlicher Strukturen dargestellt werden, zeitgleich ablaufende Prozesse (innerhalb einer einzelnen Struktur und zwischen Strukturen) werden jedoch nicht erkannt (Baddeley et al., 2025). Ein weiterer Nachteil des fMRT sind die hohen Kosten, welche durch die Anschaffung und den Betrieb der komplexen MRT-Geräte und ihrer Komponenten verursacht werden. Aufgrund ihrer sich ergänzenden Vorteile werden EEG und fMRT oft miteinander kombiniert, um eine hohe zeitliche sowie räumliche Genauigkeit der gemessenen Aktivität zu erhalten (Baddeley et al., 2025).

Im Unterschied zu den bildgebenden Verfahren – EEG und fMRT – , deren Ziel die Darstellung neuronaler Aktivität ist, wird bei der Anwendung der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) die Gehirnaktivität aktiv beeinflusst. Durch das Anlegen von Spulen an die Schädeldecke, entstehen magnetische Impulse, welche die darunterliegenden Regionen des Gehirns hemmen oder stimulieren. Gleichsam wie das fMRT ist also die TMS ein Verfahren, welches auf Magnetfeldern basiert. Der grösste Vorteil der TMS besteht darin, dass kausale Rückschlüsse über die Beteiligung spezifischer Gehirnregionen an der Ausführung kognitiver Aufgaben gezogen werden können: Kann eine Aufgabe bei Anwendung der TMS z.B. nicht mehr ausgeübt werden, ist diese Region relevant für die Ausführung. Da die Anwendung – wie beim EEG – auf der Aussenseite des Schädels erfolgt, kann der beteiligte Gehirnbereich jedoch nicht eindeutig umrissen werden. Die fehlende Präzision ist daher einer der Nachteile der TMS. Gleichsam können subkortikale Strukturen (wie z.B. der Thalamus) mit TMS nur schwer erreicht werden (Baddeley et al., 2025).

Inzwischen wird auch TMS in Kombination mit EEG und fMRT genutzt. Dies erlaubt Forschenden, die Ausführung einer kognitiven Aufgabe aktiv zu beeinflussen und die Auswirkungen in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu beobachten (Baddeley et al., 2025).

Literaturverzeichnis

Baddeley, A., Eysenck, M. W., & Anderson, M. C. (2020). Memory (3. Auflage). Routledge.

Bewertung

Bewertung durch das Modulteam

Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden werden dargelegt. Einige Begrifflichkeiten (z.B. BOLD, ERP) werden allerdings nicht definiert. Zudem könnten einige Inhalte präziser erläutert werden (z.B., dass EEG eine Erfassung vor Allem auf kortikaler Ebene ermöglicht oder das mittels TMS reversible Läsionen erzeugt werden).

Achten SIe zudme darauf, dass Sie eingeführte Abkürzungen auch für den weiteren Verlauf ihres Textes verwenden.

Note: 4.5

Fussnoten

1. Englische Abkürzung für „event related potentials“