3&4 Die modernen bildgebenden Verfahren in der Hinforschung Flashcards
Einteilung der verschiedenen Metoden in der kognitiven Neurowissenschaft
Methodentyp - recording - stimulation Invasivniss - nicht und ja zugrunde liegende Prozesse -elektrisch -elektromagentisch -magentisch -hemodynamisch
EEG/ERP
recording
non invasdive
electrical
Signal cell (& multi unit)
recording
invasive
electrical
TMS
stimulation
non invasive
electromagnetic
MEG
recording
non invasive
magnetisch
PET
recording
invasiv
hemodynamic
fMRI
recording
noninvasiv
hemodynamic
NEuroimaging and electrophyysiological methods
Brain activation 1. metabolism - regional zerebral blood flow (PET,fMRT) 2. Neural Signaling - electrical currents - release of neurotransmitters (EEG,MEG, Signle cell recording)
Indirect signals are produced by brain metabolism and blood flow (glucose and oxygen for MRI/fMRI), and radioactive tracers (PET).
Direct brain signals are usually electromagnetic. (EEG, MEG, single-cell electrical recording, direct stimulation of neurons).
PET & MRT Studien zeitlicher Verlauf
PET & MRI Studien nehmen immer mehr zu 2003 1/5 aller Studien
EEG
Elektroenzephalogramm
• Bedeutet die nicht- invasive Aufzeichnung von Hirnströmen auf der Kopfoberfläche
• Erstmals von Hans Berger 1924 in Jena entwickelt
• ungefährlich, schmerzlos und beliebig wiederholbar
Wie funktioniert ein EEG?
- Durch Aktivitäten großer Nervenzellverbände entstehen elektrische Hirnströme
- Beim EEG werden Spannungsschwankungen dieser Gehirnströme gemessen (in mV)
Wie wird ein EEG abgeleitet?
• Auf der Kopfhaut werden 20, 32, 64 oder 128 Elektroden platziert
• Diese messen elektrische Spannungen
• …welche anschließend verstärkt und als
Hirnstromwellen aufgezeichnet werden
• Platzierung der Elektroden meist durch EEG-Hauben
Hirnstromwellen im EEG
Jeden Kurve repräsentiert Spannungsverlauf (also über die Zeit) einer Elektrode
Klinische Fragestellungen: Diagnosemöglichkeiten durch
EEG (sog. klinische EEGs)
- Krampfpotentiale können erkannt werden (Epilepsie)
- Herdbefunde, durch lokale Hirnerkrankungen wie Schlaganfall oder Tumor
- Allgemeine Veränderungen im EEG können z.B. entzündliche oder stoffwechselbedingten Hirnerkrankungen hindeuten
- Null-Linie weist Hirntod nach
Hirnforschung: Analysemöglichkeiten des
EEG
Hirnstromwellen können unterschiedlich ausgewertet werden: 1. Frequenz (in Hz) 2. Amplitude 3. Latenzen 4. Lokalisation
Analyse der Frequenzbänder
• 8-13 Hz (hochfrequent):
– Alphawellen, Grundrhythmus des ruhenden Hirns mit geschlossenen Augen
• 14-30 Hz:
– Betawellen, bei Reizwahrnehmung oder Aktivität
(Konzentration)
• 4-7 Hz (langsam od. niederfrequent):
– Thetawellen, bei Schlaf (und bei Kindern)
• 1-4 Hz (sehr langsam):
– Deltawellen: tiefer Schlaf (und bei Kindern)
EKPs oder ERPs
• In der Hirnforschung werden selten reine (klinische) EEGs abgeleitet
• Stattdessen wird EEG verwendet um ereigniskorrelierte Potentiale (EKP, engl. event-related potentials, ERPs) abzuleiten
• Damit ist gemeint, dass die Hirnströme in Bezug auf einen Ereignis (Töne, Bilder, Wörter, Erinnerungen, …… ), das mehrfach dem Probanden präsentiert wird, gemessen werden
Anschließend werden die Hirnströme zu diesem Ereignis über alle Präsentationen (also zeitlich) und auch über alle Ableiteorte (also räumlich) gemittelt (= grand average)
• Übrig bleiben dann gemittelte Kurven, die in der Regel unterschiedliche Reize oder Versuchsbedingungen repräsentieren
(z.B. korrekte oder inkorrekte Antworten)
• Entsprechende Unterschiede bei bestimmten Komponenten sind dann Ergebnisse, die
psychologische Vorgänge widerspiegeln
Peaks, Komponenten, Latenzen und Wellen
- Unterschiede lassen sich hinsichtlich der Zeit und der Höhe der Komponenten, also der Amplitude, festmachen
- Zeit: Latenzen, d.h. unterschiedliche zeitliche Charakteristiken
- Amplitude = Peaks, Wellen
- P = positive Welle
- N = negative Welle
- Bsp.: P 300 = Positive Welle 300ms nach Reiz (oft auch einfach P3 genannt)
Zusammengefasst: Das EEG
- Misst noninvasiv Hirnströme
- Durch Mittelung der Signale zum Stimulus können ereigniskorrelierte Potentiale (EKP) analysiert werden.
- Vorteile: zeitliche Auflösung, Kosten
- Nachteile: räumliche Auflösung
MEG
Magnetoencephalogramm
• Bedeutet die nicht-invasive Aufzeichnung von Magnetfeldern auf der Kopfoberfläche
• Ende der 1970er entwickelt
• ungefährlich, schmerzlos und beliebig wiederholbar
Was misst das MEG?
- MEG zeichnet winzig kleine Unterschiede in den Magnetfeldern auf, die beim Denken produziert werden
- Jeder elektrische Leiter produziert ein Magnetfeld
- Auch Neurone, die Hirnströme produzieren
- Denkprozesse beruhen auf Veränderungen in den Hirnstömen, die somit Veränderungen der Magnetfelder verusachen
- Das MEG versucht, diese sehr kleinen Veränderungen der Magnetfelder zu messen
Wie misst das MEG?
• Da die Magnetfelder extrem klein sind, müssen die Versuche in einer magnetisch möglichst geschützten Umgebung stattfinden
• MEG-Kammer
• hohe Anfälligkeit für elektrische Störungen
(z.B. Straßenbahn, vorbeifahrende Betten)
• Für den Probanden können relativ bequem (im Sitzen) experimentelle Studien durchgeführt werden
- Die Magnetfelder werden durch Detektoren erfasst, die im Kyro (im ‚Helm‘) angebracht sind
- Diese sind supraleitend (SQUIDs) und müssen entsprechend durch Helium gekühlt werden (hoher Kostenfaktor)
- Jeder Detektor zeigt dann (wie beim EEG) eine Linie der magnetischen Feldaktivität an einem Ort der Ableitung am Kopf
Vorteile zum EEG
EEG und MEG basieren auf (fast) den identischen neuronale Prozessen
• MEG zeigt aber bessere Qualität (= höhere Sensitivität)
• z.B. weil Magnetfelder nicht durch Kopfhaut, Schädel, Haare verfälscht werden (Magnetfelder durchdringen diese)
• aber einige Aktivitäten können nicht gemessen werden (radiale Quellen)
• Und: sehr viel teurer
• Und: der schicke Konkurrent: fMRI
Zusammengefasst: Das MEG
- Misst Magnetfelder
- Durch Mittelung der Signale zum Stimulus können ereigniskorrelierte Potentiale (EKP) analysiert werden.
- Vorteile: zeitliche Auflösung
- Nachteile: räumliche Auflösung, teuer, empfindlich
PET
• ab 1979: PET
• = Positronen-Emisions- Tomograph
• invasiv, nicht beliebig wiederholbar
• großer Nachteil:
Radioaktivität!
• Abbildung von Stoffwechselvorgängen
• erstmals wurde funktionale Aktivierung angezeigt!
in den 80er Jahren zunehmend durch fMRT ersetzt
• Aufwand, Kosten-Nutzen-Relation bei PET meist ungünstiger als MRT
• Heute vor allem wichtig wenn Stoffwechselprozesse betrachtet werden sollen
Zusammengefasst: PET
- PET = Positronen-Emissions- Tomographie
- Misst Verteilung einer radioaktiven Substanz im Gehirn
- Vorteil: Auch biochemische Prozesse können untersucht werden
- Nachteil: Radioaktivität, schlechte zeitliche Auflösung
Das MRT
1970: Lauterbur / Mansfield – Magnetresonanztomographie (MRT)
Effekt wurde 1971 entdeckt, aber erst später für medizinische Zwecke verwendet
• basiert auf Kernspinresonanz
• starke Magnetfelder und magnetische Wechselfelder im Radiofrequenzbereich regen Wasserstoffatome resonant an
• dadurch wird im Empfängerstromkreis ein elekt. Signal induziert
• Bildkontraste entstehen durch unterschiedliche Relaxationszeiten von Geweben
• im Hirn: sauerstoffarmes vs. sauerstoffreiches Blut
• =>Auflösung von Strukturen im Sub- Millimeterbereich möglich!
• Ohne Radioaktivität!
• 3D-Scan dauert ca. 5min,
• Forschungsprojekt typisch c a. 1h Kontraindikationen:
• Metall im Körper (Herzschrittmacher….)
• Angstvor enger Röhre
• Tinnitus (starkeGeräusche!)
Funktionelle Bildgebung: fMRT
1980er: fMRT (funktionelles MRT)
• Wie MRT, aber hier funktional
• Nicht mehr hochauflösend, aber funktionale Aussagen sind möglich
• FMRTmachtDurchblutungsänderungen (Sauerstoffsättigung) im Hirn sichtbar
• DiesewerdenaufneuronaleAktivität zurückgeführt
• Hintergrund(wiebeimMRT): unterschiedliche magnetische Eigenschaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Blut
• DiesesVerhältniswirdauchBOLD-Kontrast genannt (blood oxygen level dependent)
• ZeitfürdieEntstehungeinerBOLD:ca. 15sec!
Wenn ein Hirnareal aktiviert wird, kommt es zu einer Steigerung des Stoffwechsels
⇒ überproportionale Erhöhung des Blutflusses (=neurovaskuläre Kopplung)
⇒ Konzentration von oxygenierten Blut steigt
⇒ Veränderung des Relaxationsverhaltens des Wasserstoffkerns führt zu einer Signalveränderung im MRT
UmRückschlüsseaufneuronale Aktivität ziehen zu können, wird das neuronale Areal zu zwei Zeitpunkten verglichen
• Bsp.:Ruhephasevs.Aktivität
• Aktivitäten können dann statistisch ausgewertet werden
BOLD
blood oxygen level dependent
The BOLD effect takes place over time as blood flows in and out. The signal tends to look like this
Funktionelle Bildgebung: Kombination fMRT und EEG
EEG: gute zeitliche Auflösung
MRT: gute räumliche Auflösung
Idee: Kombination beider Methoden
Aber viele Schwierigkeiten zu meistern.
Zusammengefasst: fMRT
Nachteil: • schlechte zeitliche Auflösung • Preis Vorteile: • Gute räumliche Auflösung • Keine Radioaktivität • Preis
NIRS
- = Nahinfrarot Spektroskopie
- nicht-invasiv
- Mißt Unterschiede in der Sauerstoffsättigung im Blut (genau wie fMRT): Konzentrations- änderungen von Hämoglobin in oberen Schichten des Gehirns
- Nah-Infrarot Licht wird auf die Kopfhaut eingestrahlt, passiert die Kopfhaut und Schädel, wird vom Hämoglobin im Blut absorbiert und abhängig vom Sauerstoffgehalt wieder reflektiert und gemessen
Zusammengefasst: NIRS
- Vorteile: Kosten
* Nachteile: geringe Tiefe, geringe zeitliche und räumliche Auflösung
Das TMS
1985: TMS (transkranielle Magnetstimulation)
• TMS = transkranielle Magnetstimulation
• Misst nichts, sondern appliziert starke Magnetfelder
• Diese Magnetfelder können temporär zur „Ausschaltung“ von Hirnarealen verwendet werden: „virtuelle Läsionen“ – von hohem wiss. Interesse
• AuchklinischvonhohemInteresse – vor allem: Depression
– Parkinson
– Tinnitus
– Schizophrenie
• AllerdingsnochimForschungsstadium • Risiken:
- Kopfschmerzen
- epil. Anfall (als größtes Risiko)
Zusammengefasst: TMS
- TMS = transkranielle Magnetstimulation
- Misst nichts, sondern appliziert starke Magnetfelder
- Vorteil: „virtuelle Läsionen“ - temporäre Ausschaltung von Hirnbereichen
- Nachteil: Positionierung oft problematisch
Unterschied von PET und fMRT
- Gehirn verbraucht 20% des gesamten aufgenommenen Sauerstoffs!
- ..kann aber kein Sauerstoff oder Glukose speichern
- Neuronale Aktivität erhöht den Sauerstoffverbrauch im Gehirn
- Folge: Mehr Blut wird in aktive Hirnareale gepumpt (zur Kompensation)
- PET: misst regionalen Blutfluss im Hirn
- fMRT: misst Sauerstoffkonzentration im Blut
PET und fMRI Unterschiede
…
Was ist fMRT?
• fMRT und MRT verwendet dasselbe Gerät!
• fMRT nutzt lediglich ein anderes Protokoll
• MRT -> strukturelles Bild des Gehirns etc.
• fMRT -> funktionelles Bild des Gehirns
• welche Funktion? Die, die ich experimentell induziere!
Also: MRT liefert ein Bild – fMRT nutzt MRT- Bilder, um ein Experiment durchzuführen, das Rückschlüsse auf Funktionszuschreibungen zulässt
• Die Güte dieser Rückschlüsse hängt stark von der Qualität des Experimentes ab!
• Wie nutzt fMRT das MRT? Was genau ist der Unterschied?
• Bei einem MRT-Protokoll wird langsam und sorgfältig das Gehirn gescannt
• Bei einem fMRT-Protokoll werden schnell (z.B. alle 2 sec) Hunderte von Hirnbildern aufgenommen
• Entsprechend sind fMRT-Bilder „verschwommen“
Wie kommt man nun von diese vielen unscharfen Bildern zu Funktionsabbildungen in hochauflösenden MRT-Bildern?
• fMRT-Bilder werden zu verschiedenen Bedingungen verglichen und Average gebildet
• Schließlich werden Ergebnisse farblich markiert (Blobs) und über ein hochauflösendes MRT-Bild gelegt
• Wie funktioniert dieser Vergleich?
Wie werden fMRT-Daten ausgewertet? Subtraktionsmethode
- Das Gehirn ist immer aktiv – Um auf funktionelle Aktivierung zu schließen, müssen relative Unterschiede betrachtet werden
- Es müssen also Bedingungen verglichen werden (Subtraktionsmethode)
- „Aktiv“ ist eine Region dann, wenn Sie eine höhere Aktivierung als die Kontrollbedingung hat
Nicht jede Aktivität macht Sinn
- Ob diese Aktivierung sinnvoll interpretierbar ist, hängt vor allem von den experimentellen Bedingung ab (und von der Qualität der Kontrollbedingung!!!)
- Psychologisches Wissen über die Aufgabe und vermutete Rollen der beteiligten Hirnareale ist deswegen unverzichtbar
Wie wertet man fMRT Daten aus?
- Subtraktionsmethode
- Konnektivitätsansätze
- Multi-Voxel-Pattern Analyse
Grenzen und Kritik des Neuroimaging: Blobology?
Bildgebungsstudien sagen uns wo etwas passiert, aber nicht wie!
• Sagen uns RT-Experimente aber auch nicht
• Was wir messen sind immer nur Daten
• Es sind Theorien nichtDaten,diedasWIEerklären
=> Imaging gibt uns weitere Informationen
Grenzen und Kritik des Neuroimaging
Einen neue Phrenologie
• unterschiedlicheGrößen/ Auswölbungen auf dem Schädel lassen Rückschlüsse auf kognitive Fähigkeiten / Persönlichkeit zu • Kritik:Anekdotisch, pseudowissenschaftlich, FranceGall,1758-1828 keine Mechanismen
Grenzen und Kritik des Neuroimaging
Allerdings:
• Annahme der Lokalisation von psychischen Störungen ist immer noch aktuell
Grenzen und Kritik des Neuroimaging
Aber mit Einschränkungen:
- Hirnregionen sind meist nicht nur an einer bestimmten Funktion beteiligt
- Vice Versa: Funktionen beruhen auf verschiedene Lokationen, auf Netzwerke
Methodenkritische Aspekte:
Das Problem der false positives!
Der Lachs im Hirnscanner
How 2 read an fMRI paper
- Reverse Inference
- Neuronale Korrelate?
- Signifikanznivau
- regions of interests
- Die Kontrollgruppe
- Wieviele Probanden muss man eigentlich mindestens haben für eine fMRT-Studie?
- Was misst fMRT genau?
Wie liest man ein fMRT Paper
1.
2
6.
