EEG Related to Cerebral Metabolism and Blood Flow

Summary

It has long been known that the EEG relates in a general fashion to cerebral metabolism and blood flow. At an early stage it was found that, for example, comatous states with their slow wave EEG pattern showed a reduced cerebral metabolism and blood flow, as measured with the Kety nitrous oxide technique. Vice versa, states with an increased metabolism, such as hyperthyroidism and epileptic seizures with a high frequency EEG pattern, showed an increased metabolism and blood flow. These observations suggested that the EEG carries information on the neuronal metabolic work and which in its turn controls the blood flow via the so-called metabolic regulation. The present opinion is that the EEG is ultimately determined by fluctuating rhythmic brain potentials in synchronized masses of neuropil in the cerebral cortex. These rhythmic changes ultimately depend upon membrane activities involving ionic transport, which in its turn requires oxidative metabolism. Possibly the EEG thus reflects energy consuming processes in neuronal cortical membranes mainly in the so-called neuropile (Creutzfeldt).

Recent studies of the frequency content of the human EEG have shown that it correlates distinctly to the over-all cerebral oxygen uptake as well as blood flow. Correlations between EEG and specific regions of the brain are also being studied. Thus, the normal waking state in undisturbed subjects, when the alpha rhythm shows its typical parieto-occipito-temporal distribution and higher frequencies frontally, is accompanied by a significant increase of the cerebral blood flow (and metabolism) in frontal areas and lower flows and metabolism in posterior regions. This state, which can be understood as a prerequisite for consciousness, has been interpreted as due to higher activities in efferent “behavioural” parts of the cerebral cortex and inhibition of afferentgnostic regions where the alpha rhythm prevails. Results relating to this concept and also to regional EEG analyses during voluntary movements, speech, conditioning experiments, etc will be discussed as will implications of the general concept presented, i.e., that the typical EEG of a focal lesion due to epilepsy, tumors, cerebrovascular disorders, etc, implies altered cerebral metabolism and blood flow. In general it appears that the normal EEG as well as EEG abnormalities may be interpreted in cerebral metabolic and circulatory terms.

Zusammenfassung

Es ist hinlänglich bekannt, daß zwischen EEG, Hirnstoffwechsel und Hirndurchblutung ein Zusammenhang besteht. Frühere Versuche ergaben z.B. bei komatösen Zuständen mit einem verlangsamten EEG eine reduzierte Tätigkeit des Hirnstoffwechsels und der Hirndurchblutung (mit der Kety Stickstoffoxydul-Technik registriert). Hingegen wurde bei Zuständen mit erhöhter Stoffwechseltätigkeit, wie bei Hyperthyreosis und Anfällen von Epilepsie, welche von hochfrequenten EEG-Mustern begleitet sind, eine Zunahme des Stoffwechsels und der Hirndurchblutung nachgewiesen. Diese Beobachtungen lassen das EEG als geeignetes Instrument erkennen, um über die Tätigkeit des Neuronenmetabolismus, welcher seinerseits die Hirndurchblutung über die metabolische Regulierung kontrolliert, Auskunft zu erhalten. Man ist heute der Ansicht, daß das EEG die Resultante fluktuierender rhythmischer Potentiale in synchronisierten Neuropilmassen der Gehirnrinde darstellt. Diese rhythmischen Veränderungen stehen im Zusammenhang mit membrangebundenen Aktivitäten, u.a. Ionentransport, die ihrerseits von Oxydationsprozessen abhängig sind. Es ist also anzunehmen, daß das EEG energieverbrauchende Prozesse in Membranen von kortikalen Neuronen, hauptsächlich im Neuropil (Creutzfeldt), reflektiert.

Vor kurzem durchgeführte Studien über die Frequenzverteilung des menschlichen EEG zeigten wesentliche Korrelationen zur gesamten Sauerstoffaufnahme und Durchblutung des Gehirns. Auch Korrelationen dieser Art auf regionaler Ebene werden gegenwärtig untersucht. Bei ruhenden, wachen Subjekten ist ein typisches Bild vorhanden, mit parieto-okzipito-temporalen Alpharhythmen und höheren Frequenzen im Frontalbereich, das von einem signifikanten Anstieg der Hirndurchblutung und des Hirnstoffwechsels im frontalen Bereich und einer Abnahme derselben in hinteren Regionen begleitet ist Diese für den Bewußtseinszustand als Voraussetzung anzusehende Situation wird als die Folge höherer Aktivitäten in efferenten, das Verhalten bestimmenden Regionen des Kortex angesehen, mit gleichzeitiger Inhibition afferenter, an gnostischen Funktionen beteiligten Regionen, in welchen der Alpha-Rhythmus vorherrscht.

Zur Diskussion gestellt werden nun die mit diesem Konzept zusammenhängenden Ergebnisse, sowie Resultate lokaler EEG-Analysen während willkürlichen Bewegungen, dem Sprechen, Konditionierungsexperimenten etc. Eine allgemeine Diskussion wird sich auch ergeben über die Folgerungen des in dieser Abhandlung vorgestellten Konzepts, nämlich daß die typischen EEG-Zeichen einer fokalen Läsion (Epilepsie, Tumore, zerebrovaskuläre Störungen etc.) auf Veränderungen der Hirndurchblutung und des Hirnstoffwechsels beruhen. Allgemein kann gesagt werden, daß das normale EEG sowie das pathologische EEG, Hirndurchblutung und Hirnstoffwechel widerspiegeln.