H7 Flashcards
Manipuleren en meten van hersenen en gedrag
- Postmortem onderzoek (obductie), neuropsychologische testen na hersenbeschadiging
- Manipuleren van hersenen en gedrag: DBS, T MS
- Meten van elektrische hersenactiviteit: EEG, MEG
- Anatomische imaging technieken: CT, MRI
- Functionele imaging technieken: fMRl, fNlRS, PET
Obductie
Post-mortem kunnen de hersen veel vertellen
- CVA’s
- Meningioom en Glioom (tumor)
- zwarte stof (bijv. Parkinson)
Spatiële resolutie
Hoe gedetailleerd worden hersenstructuren weergegeven (mm - cm)
Temporele resolutie
Hoe nauwkeurig is de meting in de tijd (ms-s-min)
Invasiviteit
Is meten mogelijk vanaf de buitenkant (non-invasief) of moet het (hersen)weefsel worden binnengedrongen (erg invasief)
Anatomische vs functionele imaging technieken
- Anatomisch = statisch
- Functioneel = dynamisch
Stereotactisch apparaat
Bepaald heel nauwkeurig een precieze locatie in de hersenen
- psychochirurgie (ablatie, laesies, gamma “knife” bestraling)
- deep brain stimulation (Parkinson)
Ablatie
Delen weg halen
Laesie
Incisie maken en deel uitschakelen
Reversibele laesie
Voorkomt dat het omliggende gebied in de laesie komt doormiddel van koelen en lokale toediening van GABA agonist
–> Gebied wordt dan tijdelijk uitgeschakeld ipv blijvend
Irreversibele laesie
Blijvende laesie –> brein gaat compenseren (neuroplasticiteit)
- Elektrolytisch = wegbranden dmv. elektroden
- Neurotoxisch = vergiftiging van weefsel via infuus
- High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) = opwarmen weefsel met geluidsgolven
Deep Brain Stimulation
Elektrodes geïmplanteerd in de hersenen stimuleren een specifiek gebied met continue laagspanning pulsen van elektrische stroom om gedrag te faciliteren
Bij Parkinson –> gebied van stimulatie = basale ganglia (globus pallidus, subthalamische nucleus)
Optogenetica
Manipuleren en meten van neurale activiteit in ‘natuurlijke bewegende’ dieren
–> genetisch manipuleren om op lichtgolven te reageren en dan experimenteren met lichtgolven
Transcraniële Magnetische Stimulatie (TMS)
Met een hele sterke magneet de hersenen stimuleren
- 8 vormige spoel waar heel kort een hele sterke stroom doorstroomt (magnetisch veld)
- Het magnetisch veld verstoort de ionen stroom in je hersenen
Online rTMS
rTMS tijdens een taak met herhaaldelijke stimulatie
Offline rTMS
rTMS voorafgaand aan een taak
Single Pulse rTMS
rTMS met tussenpozes van stimulatie
Meten van elektrische hersenactiviteit, Vier belangrijke technieken:
- Single-cel recordings –> actiepotentialen
- Elektro-encefalografie (EEG) –> graduele potentialen
- Event-related potentials (ERPs) –> in reactie op stimulus
- Magneto-encefalografie (MEG) –> magnetische activiteit
Single Cell Recordings
- Extracellulair –> meten van elektrische activiteit van meerdere neuronen (clusters)
- Intracellulair –> meten van elektrische activiteit van één enkele neuron
e.g. cellen in auditieve cortex die ‘vuren’ in reactie op lage of hoge tonen
cellen in de hippocampus die vuren bij betreden van bepaalde plaats in omgeving
NB: belangrijkste nadeel –> voornamelijk geschikt voor ‘kweekneuronen’ (in petrischaaltje) of ‘levende’ coupes (dunne plakjes hersenweefsel) EN Psychochirurgie vereist (invasief) indien toegepast in levend organisme (in vivo)
Elektro-encefalografie (EEG)
Meet graduele potentialen (EPSPs en IPSPs) op neuronen met gelijke oriëntatie die tegelijk actief zijn
* + goedkoop
* + non-invasief
* + hoge temporele resolutie
* - lage spatiele resolutie > 1 cm
* - bron van activiteit moeilijk te achterhalen
Hoe hoger de frequentie van het EEG, hoe actiever de hersenen
Waarom kan EEG geen actiepotentialen meten?
Potentialen zijn alleen meetbaar op de hoofdhuid als ze gelijktijdig optreden in grote clusters van neuronen (duizenden tot miljoenen)
Actiepotentialen kunnen niet worden gemeten met EEG omdat:
* Actiepotentialen kortdurend zijn (1 ms)
* Neuronen zelden op exact hetzelfde moment ‘vuren’
* Axonen relatief ‘random’ georiënteerd zijn (i.e. liggen niet allemaal in dezelfde richting)
Waarom kan EEG wel graduele potentialen meten?
Graduele potentialen kunnen wel worden gemeten met EEG omdat:
* EPSPs en IPSPs meestal langer duren (10’s -100’s ms)
* EPSPs en IPSPs lokaal optreden (i.e. verplaatsen zich niet door een axon)
* EPSPs en IPSPs op dendrieten en cellichamen optreden, en deze staan over het algemeen loodrecht op de oppervlakte van cerebrale cortex
NB: graduele potentialen gemeten op de hoofdhuid reflecteren de som van alle EPSPS en IPSP
Event Related Potentials (ERP)
in reactie op stimulus
Magneto-encefalografie (MEG)
magnetische activiteit
MEG = magnetische tegenhanger van EEG
* + non-invasief
* + hoge temporele resolutie (-1 ms)
* + hoge spatiele resolutie (2-3 mm)
* - veel duurder dan EEG speciale magnetisch afgeschermde ruimte nodig)
* - bron van activiteit moeilijk te achterhalen
Waarom heeft MEG een hogere spatiele resolutie dan EEG?
Magnetische golven ondervinden minder verstoring van hersenweefsel, schedel en hoofdhuid dan elektrische signalen (EEG, ERP)
Bronlokatie EEG en MEG
EEG+MEG: eerst activiteit opmeten, dan pas proberen te verklaren wat de bron was
Inverse probleem: er is geen unieke oplossing voor de waargenomen activiteit –> meerdere bronnen kunnen leiden tot dezelfde activiteit op de hoofdhuid
Meest plausibele oplossingen kunnen worden afgeleid op basis van a priori kennis van hersenfuncties
Histologie
Kleuren (‘stainen’) van dunne plakjes hersenweefsel (coupes) –> post-mortem, ex vivo of in vitro
Meer recente technieken werken ook in levend weefsel (in vivo) –> DTI: Diffusion Tensor Imaging
Computed Tomography CT
- lage temporele resolutie (1 sec)
- hoge spatiele resolutie (1 mm)
- relatief goedkoop
- maakt gebruik van rôntgenstraling (X-ray = invasief) –> kan DNA beschadigen
- Geschikt voor lokalisatie van botfracturen, hersentumoren of laesies
Mate van stralingsabsorptie hangt af van weefseldichtheid:
* Hoge dichtheid (e.g. bot) absorbeert veel straling –> licht/wit op CT scan
* Lage dichtheid (e.g. CSV, bloed) absorbeert weinig straling –> donker/zwart op CT
* Absorptie van hersenweefsel ligt daar tussenin –> korrelig op CT
NB: met CT kan geen onderscheid worden gemaakt tussen grijze en witte stof
Magnetic Resonance Imaging MRI
Magnetic resonance imaging (MRI) = magnetische tegenhanger van CT
* - duur, stilliggen in nauwe ruimte, herrie, langzaam –> MRI: 20-40 min, CT: 5-10 min
* - lage temporele resolutie (1-4 sec)
* + hoge spatiele resolutie (1-5 mm)
* + grijze en witte stof goed te onderscheiden met MRI
* + non-invasief (elektromagnetische straling is onschadelijk)
Waterstofatomen gedragen zich als spinnende staafmagneten in aanwezigheid van een magnetisch veld
* Gebieden met veel waterstof (cellichamen): donker op MRI
* Gebieden met minder waterstof (axonen): lichter op MRI
* Geschikt om hersenweefsel in detail te onderzoeken
Diffusion Tensor Imaging (DTI)
- Diffusion tensor imaging (DTI) = MRI methode die stroomrichting van watermoleculen detecteert
- Water kan relatief vrij bewegen in axonen, maar minder vrij in cellichamen
- Gebruikt om (virtuele) afbeeldingen te maken van zenuwvezelbundels in het centrale zenuwstelsel (tractussen) en om veranderingen in myelinisatie van axonen te monitoren (bijv. Multiple Sclerose)
Magnetic Resonance Angiography (MRA)
Magnetic resonance angiography (MRA) = MRI voor imaging van bloedvaten
Functionele MRI (fMRI)
fMRl = functionele MRI
* - lage temporele resolutie (10 sec)
* + hoge spatiele resolutie (1-5 mm)
* + non-invasief
- Wanneer een hersengebied actief is, neemt de hoeveelheid bloed, zuurstof en glucose die naar dit gebied stroomt toe
- fMRl meet de veranderingen in hersenactiviteit door de relatieve verschillen in bloedtoevoer of stoffen in het bloed te meten (e.g. zuurstof, glucose, ijzer)
NB: zuurstofrijk bloed is minder magnetisch dan zuurstofarm bloed
Functional near infrared spectroscopy (fNIRS)
fNIRS = Functional near-infrared spectroscopy (vorm van optische tomografie)
* + goedkoop, non-invasief
* + redelijke temporele resolutie (100 ms)
* + redelijk hoge spatiele resolutie (1 cm),
* - max. diepte is 2 cm dus beperkt tot oppervlakkige lagen
- fNlRS gebruikt mate van gereflecteerd infrarood licht om activiteit in hersenweefsel te bepalen
- Absorptiespectrum van infrarood licht is verschillend voor zuurstofrijk en zuurstofarm bloed
- Door de mate van lichtabsorptie te meten kan het gemiddelde zuurstofverbruik worden bepaald van onderliggende hersenweefsel in cerebrale cortex (zoals fMRl, maar dan oppervlakkig)
Positron emission tomography (PET)
PET = Positron emission tomography
* + redelijk hoge spatiele resolutie (4-6 mm)
* - lage temporele resolutie (2 mins)
* - vereist injectie (in bloedbaan = invasief) van kleine hoeveelheid water gelabeld met radioactieve moleculen (= erg duur)
* Gebruikt om de metabolische activiteit van
hersenweefsel te bestuderen
- Radioactieve moleculen zenden positronen uit, deze ‘botsen’ met elektronen in het hersenweefsel –> hierbij komt gamma straling vrij uit het hoofd –> wordt gedetecteerd met PET scanner
- PET scanner detecteert (indirect) bloedtoevoer in hersenweefsel door relatieve verschillen in opname van zuurstof, glucose en neurotransmitters, en eiwitten te meten
EEG en fNIRS combinatie
- Hoge temporele resolutie (EEG)
- Redelijk hoge spatiele resolutie (fNlRS)
NB: max. diepte is 2 cm dus beperkt tot oppervlakkige lagen
EEG en fMRI combinatie
- Hoge temporele resolutie (EEG)
- Hoge spatiele resolutie (fMRl)
Vereist MRI compatibele EEG versterkers en elektrodes (relatief duur)
