Aperiodische Aktivität in Gehirn- und Herzsignalen

Aperiodische Aktivität im Gehirn ist etwas, das Forscher genau unter die Lupe nehmen. Diese Art von Aktivität zeigt sich auf verschiedene Weisen, sei es durch invasive Techniken wie Elektrokortikographie (ECoG) oder nicht-invasive Methoden wie Magnetoenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG). Selbst wenn wir uns anschauen, wie das Blut im Gehirn fliesst, wie bei funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI), sehen wir ähnliche Muster.

Wenn Wissenschaftler diese aperiodische Aktivität untersuchen, tun sie das oft, indem sie sie in einem Graphen darstellen, der Frequenz gegen Leistung zeigt. Was sie herausfinden, ist ein stetiger Rückgang der Leistung, je höher die Frequenz wird. Das beschreibt man als linearen Trend, und es folgt einer bestimmten Verteilung, die als „Potenzgesetz“ bekannt ist. Die Forscher haben begonnen, mehrere Begriffe zur Beschreibung dieses Signals zu verwenden, darunter „skalierungsfrei“ und „1/f-Rauschen“, sowie den neueren Begriff „aperiodische Aktivität“.

#Analyse aperiodischer Aktivität in der Literatur

Ein grosser Teil des Verständnisses aperiodischer Aktivität kommt aus der wissenschaftlichen Literatur. Eine aktuelle Studie hat 489 Abstracts aus einer Datenbank namens PubMed untersucht. Die Analyse ergab, dass Veränderungen in der aperiodischen Aktivität mit häufigen Merkmalen, Zuständen und Gesundheitsstörungen sowohl der Gehirn- als auch der Herzaktivität verbunden sind. Interessanterweise besprachen nur eine kleine Anzahl von Studien-nur 4-sowohl die aperiodische Aktivität im Gehirn als auch im Herzen zusammen. Noch überraschender ist, dass keine Studien untersucht haben, wie die aperiodische Aktivität im Herzen unsere Messungen des Gehirns beeinflussen könnte.

Die Literatur zeigt, dass das Interesse an der Untersuchung aperiodischer Aktivität in den letzten Jahren, besonders in den 2020er Jahren, deutlich gewachsen ist. Dies spiegelt ein zunehmendes Interesse an diesem Thema innerhalb der Neurowissenschafts-Community wider. Wenn man sich näher mit Studien zu M/EEG (was sowohl MEG als auch EEG umfasst) beschäftigt, die sich auf aperiodische Aktivität konzentrieren, fanden die Forscher heraus, dass nur etwa 17 % der EEG-Studien erwähnten, Herzaktivität entfernt zu haben, und 45 % der MEG-Studien berichteten dasselbe. Zudem verwenden viele Forscher unterschiedliche Methoden, um Herzsignale zu identifizieren und zu entfernen, aber die unabhängig komponenten Analyse (ICA) ist die am häufigsten verwendete Technik.

#Verschiedene Frequenzbereiche in der Forschung

Ein weiteres interessantes Ergebnis aus der Literatur ist, dass es eine grosse Vielfalt in den Frequenzbereichen gibt, die zur Analyse aperiodischer Aktivität verwendet werden. Während viele Studien einen Bereich zwischen 0,1 und 50 Hz fokussieren, verwenden andere vielleicht ganz andere Bereiche für ihre Analyse. Diese Variabilität kann den Vergleich von Ergebnissen über verschiedene Studien hinweg komplizieren, besonders da die Herzaktivität diese Frequenzbereiche unterschiedlich beeinflussen könnte.

Historisch gesehen wurde aperiodische neuronale Aktivität oft als Rauschen abgetan und aus Aufnahmen entfernt. In den letzten Jahren gab es jedoch einen Wandel im Interesse. Forscher erkennen jetzt, dass diese Art von Aktivität von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden kann, darunter Alter, ob eine Person wach oder schläft, und bestimmte Gesundheitszustände wie Parkinson und Epilepsie. Aperiodische Aktivität findet sich nicht nur in Gehirnaufnahmen; sie ist auch Teil von Herz- und Muskelaufnahmen. Kardiologische Signale, die durch Elektrokardiographie (EKG) gemessen wurden, zeigen, dass aperiodische Aktivität ähnlich von Alter und Gesundheitszuständen beeinflusst werden kann.

#Die Verbindung zwischen neuronaler und kardiologischer aperiodischer Aktivität

Da sowohl neuronale als auch kardiale aperiodische Aktivität in ähnlicher Weise mit Merkmalen und Gesundheitsproblemen variieren kann, stellt sich eine grosse Frage: Sind Veränderungen in der aperiodischen neuronalen Aktivität mit Veränderungen in der aperiodischen kardialen Aktivität verbunden oder nicht? Um das herauszufinden, schauten die Forscher sich die Beziehung zwischen aperiodischer Aktivität und Alter anhand eines bestimmten Datensatzes an. Sie fanden heraus, dass ein erheblicher Teil dessen, was als altersbedingte Veränderungen in der aperiodischen Aktivität im Gehirn angesehen wird, tatsächlich durch die Herzaktivität erklärt werden kann.

Ausserdem können die Auswirkungen altersbedingter Veränderungen in der aperiodischen Aktivität je nach Frequenzbereich und Ort der Messungen unterschiedlich sein. Diese Komplexität deutet darauf hin, dass wir vorsichtig sein müssen, wenn wir aperiodische Aktivität als rein „neural“ interpretieren, ohne die Einflüsse des Herzens zu berücksichtigen.

#Alterung und Herzaktivität

Die Ergebnisse in Bezug auf das Altern deuten darauf hin, dass Veränderungen in der aperiodischen Aktivität in Aufnahmen von Gehirn und Herz anscheinend miteinander verknüpft sind. Die meisten Studien zu EKG-Signalen konzentrieren sich jedoch typischerweise auf niedrigere Frequenzbereiche, oft unter 0,4 Hz, die eng mit der Herzfrequenzvariabilität verbunden sind. Obwohl es viele nützliche Informationen gibt, die wir aus niedrigen Frequenzen gewinnen können, ist über die aperiodische Aktivität in höheren Frequenzen in EKG-Messungen nicht viel bekannt.

Um diese Verbindungen besser zu verstehen, analysierten Forscher mehrere altersgemischte Populationen, um zu sehen, ob aperiodische EKG-Signale bedeutungsvolle Informationen über das Altern liefern könnten, ähnlich dem, was oft in M/EEG-Aufnahmen zu sehen ist. Sie fanden heraus, dass die Steigung des aperiodischen EKG-Signals mit dem Alter in verschiedenen Frequenzbereichen tendenziell abflacht. Diese Ergebnisse sind im Allgemeinen ähnlich zu dem, was für Gehirnaufnahmen berichtet wurde, zeigen jedoch auch einige Nuancen, wie eine altersbedingte Steilheit des Signals in bestimmten Datensätzen.

#Arbeitsgedächtnis und aperiodische Aktivität

Neben dem Einfluss des Alters auf die aperiodische Aktivität haben Forscher auch untersucht, wie kognitive Aufgaben-wie das Arbeitsgedächtnis-die aperiodische Aktivität im Herzen beeinflussen können. Während einer Arbeitsgedächtnisaufgabe fanden die Forscher heraus, dass die aperiodische Aktivität im Herzen im Vergleich zu einer Basislinie eine signifikante Abflachung der Steigung zeigte. Das Ausmass dieser Abflachung variierte ebenfalls je nach Anforderungen der Aufgabe, was darauf hindeutet, dass die kognitive Belastung diese Herzaktivität ebenfalls beeinflussen kann.

#Fazit: Der Bedarf an weiterer Forschung

Die Untersuchung aperiodischer Aktivität in neuronalen und kardialen Signalen zeigt ein komplexes Zusammenspiel, das von Alter, kognitiven Aufgaben und anderen Faktoren beeinflusst wird. Eine wichtige Erkenntnis ist der Bedarf, neuronale und kardiale Aufnahmen zu kombinieren, um ihre Zusammenhänge mit Altern, kognitiven Zuständen und verschiedenen Gesundheitszuständen besser zu verstehen. In Zukunft ist es entscheidend, dass Forscher diese Faktoren zusammen analysieren und physiologische Einflüsse berücksichtigen, wenn sie aperiodische Aktivität untersuchen.

Neue Methoden sind notwendig, um diese Signale effektiv zu trennen und besser zu verstehen, insbesondere in nicht-invasiven Aufnahmen. Da das Interesse in diesem Bereich wächst, werden koordinierte Anstrengungen in der Forschungsgemeinschaft entscheidend sein, um unser Verständnis der komplexen Beziehungen zwischen Gehirn- und Herzaktivität zu vertiefen. Dies wird nicht nur die Qualität der Forschung verbessern, sondern auch unser Verständnis der grundlegenden Mechanismen, die bei der menschlichen Gesundheit und Kognition eine Rolle spielen, erweitern.