K-Komplex-Studie 

4. K-Komplex-Studie

4.1 K-Komplexe und ihre Eigenschaften

K-Komplexe sind Potentiale im Schlaf-EEG des Menschen, die durch abrupte, kräftige und seltene Reize, wie beispielsweise Lichtblitze oder intensiven Schall, ausgelöst werden können.
Sie sind im EEG deutlich als spannungshohe, auffällige und charakteristische Muster zu erkennen (Abb.4.1). Ihr Erscheinungsbild ist nicht konstant, es treten meist bi- oder triphasische Wellen, selten auch monophasische auf; oft werden sie von Spindeln oder Delta-Gruppen gefolgt /5/. Einige Autoren unterscheiden bis zu sechs verschiedene Typen /6/.   Außerdem sind die Latenzzeiten und die Amplituden sehr veränderlich.
Da sich nicht immer K-Komplexe evozieren lassen, läßt sich eine Auslösbarkeit  als Verhältnis der Anzahl reizbezogen ausgelöster K-Komplexe zur Anzahl der gegebenen Reize innerhalb einer festen Zeitdauer definieren.
Es bestehen große interindividuelle und intraindividuelle Unterschiede:
  = 0,4 ... 0,65   /6/  =   0,2... 0,5  /7/
K-Komplexe sind unabhängig von den Reizmodalitäten, wie Reizart und physikalische Parameter des Reizes. Falls die Ursache der K-Komplex-Auslösung nicht bekannt ist, bezeichnet man sie als spontane, anderenfalls als evozierte K-Komplexe.
Abb.4.1 K-Komplexe im Elektroenzephalogramm einer 45-jährigen Patientin im Schlafstadium S2   (aus /1/)
Die Bezeichnungen am linken Rand geben standardisierte Elektrodenpositionen an.
 

4.2 Bedeutung der K-Komplexe

Durch ihr Einsetzen ab einer gewissen Schlaftiefe haben K-Komplexe eine Bedeutung für die Befundung des Schlafpolygramms. Nach /9/ trennen sie definitionsgemäß die Stadien S1 und S2.
K-Komplexe können nur im schlafenden oder bewußtlosen Zustand evoziert werden. Die Ursachen sowohl für das Einsetzen einer K-Komplexe-Auslösbarkeit wie auch deren Nichtauslösbarkeit sind bis heute nicht geklärt. In /5/ wird ein enger Zusammenhang mit dem dynamischen Gleichgewicht zwischen Wach- und Schlafsystem diskutiert. So haben K-Komplexe zum einen schlaf-protegierende Eigenschaften und zum anderen die Charakteristik sogenannter Arousals, die wichtige Elemente von Schlafstadien-Übergangsprozessen sind. Sie stellen Fluktuationen in der Schlaftiefe bereit und erlauben einen schnellen Übergang in den wachen Zustand. Oft werden sie als abbrechende Arousal-Reaktion bzw. als eine Form des Mikro-Arousals interpretiert /5/. Für die schlaf-protegierende Funktion spricht die eingeschränkte Auslösbarkeit auf bedeutsame, d.h. kräftige, abrupte und unregelmäßige Ereignisse /10/ /11/ /12/.
 
 

 4.3 Angaben zum zugrundeliegenden Experiment

Die nachfolgenden Untersuchungen wurden an Meßdaten vorgenommen, die aus einer Studie vom Jahr 1992 stammen /2/.
10 gesunde Probanden schliefen eine Nacht im Schlaflabor. Sie wurden mit Doppeltönen (Interstimulus-Intervall=3s, f=1kHz, Dauer=50ms, Lautstärke=60dB(A)) beschallt. Der Zeitraum zwischen zwei Doppelton-Reizungen (Intertrial-Intervall) lag zwischen 20 und 30 Sekunden.
Die Erkennung der K-Komplexe wurde visuell von einer erfahrenen Person geleistet.
Die Probanden wurden zusätzlich instruiert, auf beide Reize motorisch zu reagieren. Dazu mußte eine an der Hand fixierte Taste gedrückt werden.

Bei der Auswertung wurden daher folgende Antwortkategorien gezählt:
K00 - auf beide Reize wurden keine K-Komplexe ausgelöst.
M00 - auf beide Reize erfolgte keine motorische Reaktion.
K10  -  nur auf den 1. Reiz wurde ein K-Komplex ausgelöst.
M10  -  nur auf den 1. Reiz erfolgte eine motorische Reaktion.
K01 - nur auf den 2. Reiz wurde ein K-Komplex ausgelöst.
M01 - nur auf den 2. Reiz erfolgte eine motorische Reaktion.
K11 -  auf beide Reize wurden K-Komplexe ausgelöst.
Ml l -  auf beide Reize erfolgte eine motorische Reaktion
 

Abb.4.2 Auslösbarkeiten evozierter K-Komplexe im Doppelton-Paradigma  /2/

Die Auslösbarkeiten von K-Komplexen für die vier möglichen Varianten zeigt Abb. 4.2. Auf die Auswertung motorischer Reaktionen wird im Rahmen dieser Arbeit nicht eingegangen.
 

4.4 Pre-Stimulus-EEG

Für die nachfolgenden Untersuchungen wurde angenommen, daß es Kurzzeit-Zustände des Schlaf-Wach-Systems, sogenannte Mikrostates, gibt. Manche Mikrostates mögen so angelegt sein, daß sie die Auslösung von K-Komplexen zulassen und manche wiederum so, daß sie eine Auslösung verhindern.
Eine weitere Annahme bestand in der Beschreibbarkeit dieser Mikrostates durch die spektrale Leistungsdichte des EEG. Andere Signale, wie bspw. das MEG, könnten eventuell mit geringeren Fremdeinflüssen diese Mikrostates repräsentieren. Auch effizientere Merkmale lassen sich unter Umständen aus dem EEG extrahieren. Beide Fragestellungen waren jedoch nicht zum Gegenstand der Untersuchungen gestellt worden.
Es sollte die spektrale Leistungsdichte eines EEG-Segmentes, deren Länge 2 Sekunden betrug, unmittelbar vor der Reizgabe verwendet werden. Diese sogenannten Pre-Stimulus-EEG-Segmente sollten anhand der spektralen Leistungsdichte als Merkmalsvektor klassifiziert werden. Gelingt die Klassifikation, hätte man eine mehr oder weniger kompakte Abbildung der Mikrostates in den Frequenzraum des EEGs gefunden. Dies wäre ein wichtiger Verbesserungsschritt für das Verständnis der Feindynamik im Schlaf-EEG.
 

4.5 Statistische Untersuchungen

Aus den Daten des Doppelton-Experimentes wurden insgesamt 3581 Epochen zu je 30 Sekunden ausgewertet. Es wurde nur die Ableitung Cz-Pz analysiert /2/.
Die spektrale Leistungsdichte wurde in vier Bändern zusammengefaßt. Das Delta-Band umfaßte Frequenzen von 1.0 bis 3.5 Hz, das Theta-Band Frequenzen von 4.0 bis 7.5 Hz, das Alpha-Band Frequenzen von 8.0 bis 13.5 Hz und das Beta-Band Frequenzen von 14.0 bis 20.0 Hz.
Anschließend wurden die Leistungsdichten der vier möglichen Antwortmuster (K00,...,K11) paarweise innerhalb der Frequenzbänder statistisch geprüft /3/. Da der Test auf Normalverteilung negativ war, wurde ein auf Rangsummen basierter Test, der Wilcoxon-Man-Test, verwendet /3/.
In allen Frequenzbändern wurden signifikante Unterschiede, mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von unter einem Prozent, zwischen den Klassen K01 und K10, den Klassen K01 und K11, den Klassen K10 und K00 und den Klassen K11 und K00 gefunden. Zwischen den Klassen K01 und K00 und den Klassen K10 und K11 wurden keine   Signifikanzen gefunden.
Vereinfacht man die Auswertung auf ein Zwei-Klassen-Problem, bei dem nur die erste Reaktion von Interesse ist, so daß man K01 und K00 zu K0 und K10 und K11 zu K1 zusammenfaßt, so ergibt sich ein simples Resultat. Die Leistungen in allen Frequenzbändern sind bei Klasse K0 signifikant verschieden von denen in Klasse K1. Zwischen den Unterklassen von K0 bzw. K1 gibt es keine signifikanten Unterschiede.
Diese Resultate stehen im Widerspruch zu ähnlichen Untersuchungen von /5/, bei denen keine signifikanten Unterschiede der Leistungsdichte von vier verschiedenen K-Komplex-Typen und von Nichtauslösungen gefunden wurden. Bedauerlicherweise gelingt auf Basis der Rangsummentests keine genauere Analyse, da der Rangsummentest ein grober Test für ordinal skalierte Merkmale ist /4/, bei dem nur die Vorzeichen der Größenvergleiche gezählt werden, nicht aber deren Stärke in das Kalkül gezogen werden können. Das Verfahren basiert daher nur auf simple Schwellenwert-Berechnungen im Merkmalsraum, ist also ein lineares Verfahren mit eingeschränkten Freiheitsgraden.
 l. Ist eine Klassifikation der vier Klassen mit nichtlineren, verteilungsunabhängigen    Verfahren, wie bspw. den künstlichen Neuronalen Netzen, möglich?
2. Kann auf die Anwendung der Frequenzbänder verzichtet werden und dadurch eine deutliche Verbesserung der Klassifikationsraten erreicht werden?
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