Hjärnavbildningstekniker Flashcards
How can we study brain activity during a task using EEG?
För att studera hjärnakitivitet under en uppgift med EEG placeras elektroder på skalpen för att mäta de elektriska signalerna från stora grupper av nervceller.
Rå EEG-data är svår att tolka för specifika kognitiva processer, så man använder ERP (Event Related Potentials).
ERPs extraheras genom att upprepa en stimulus flera gånger och sen räkna medelvärdet på signalen, vilket gör att smår förändringar i hjärnaktiviteten kopplade till uppgiften kan observeras.
EEg har mycket hög tidsmässig upplösning men begränsad spatial precision och är bäst lämpad för att studera kortikala processer.
What are the differences and similarities between EEG and MEG?
EEg och MEG är båda neurofysiologiska tekniker som mäter hjärnaktivitet med hög temporal upplösning.
Likheter:
- mäter hjärnaktvitet direkt genom att registrera neuronernas elektriska aktivitet.
- hög temporal upplösning (millisekunder) som gör de lämpliga för att studera snabb förändringar.
- icke-invasiva metoder.
- begränsad spatial upplösning, det kan vara svårt att lokalisera exakt vart i hjärnan aktiviteten sker.
Skillnader:
- registreringsmetod; EEG mäter elektriska potentialer via elektroder på skalpen. MEG mäter magnetiska fält som genereras av elektrisk aktivitet i neuroner, genom sensorer utanför skallen.
- spatial upplösning, MEG har något bättre spatial upplösning än EEG.
- praktisk tillämpning; EEG är billigare och mer tillgängligt och används ofta i kliniska miljöer, MEG kräver skyddad miljö och rä dyrare.
Which neuroimaging technique has the best temporal resolution: EEG or fMRI?
EEG har bättre temporal upplösning än fMRI.
EEG är därför bättre för att studera snabba, kortvariga hjärnporcesser, medan fMRI är bättre för att lokalisera aktiva områden i hjärnan med hög sptial upplösning.
Which neuroimaging technique has the best spatial resolution: EEG or fMRI?
fMRI har bättre spatial upplösning är EEG så den rä bättre för att identifiera var i hjärnan aktiviteten sker, medan EEG är bättre för att studera när aktiviteten sker.
What is the name (full name) of the MRI sequence that is used to measure microstructural white matter integrity?
Diffusion Tenson Imaging (DTI) används för att mäta mikrostrukturell integritet i vit substans.
What can we measure with T1-weighted MRI?
T1-viktade bilder används ofta i forskning och klinik för att analysera hjärnans struktur vid sjukdomstillstånd eller åldrande.
De strukturella egenskaper man främst mäter är:
- hjärnans anatomi, detaljerad bild av hjärnstrukturen.
- hjärnregioners volym, för att ex identifiera atrofi vid neurodegenerativa sjukdomar.
- morfometri - form och storlek på hjärnstrukturer.
- grå och vit substans, särskilja hjärnvävnader.
Describe how a T1-weighted image is built by an MRI scanner using the following words: spin/proton, equilibrium, magnetic field, radiofrequency wave, flip, relaxation.
En T1-viktad bild byggs upp i en MRI-skanner på följande sätt:
1. Equilibrium - när personen placeras i skannern anpassar sig spins/protons i vävnaden till det starka magnetic field som skapas av skannern.
2. Radiofrequency wave - en kort puls ksickas in i hjärnan, vilket får protonerna att flippa bort från sin jämviktposition.
3. Relaxation - när radiofrekvenspulsen stängs av återgår protonerna till equilibrium vilket frigör energi.
4. Signalmätning - skannern registrerar denna energi och omvandlar den till en bild där kontrasten mellan olika vävnader baseras på hur snabbt relaxation sker.
Detta ger en tydlig kontrast mellan, grå-, vit substans och cerebrospinalvätska.
What is a voxel, and what is its size approximately in a T1-weighted MRI sequence?
En voxel (volymetrisk pixel) är den minsta enheten i en 3D-bild som genereras av en MRI-skanner. Varje voxel representerar en liten kub av hjärnvävnad med en viss intensitet baserat på MRI-signalen.
I en T1-viktad MRI-sekvens är den typiska storleken på en voxel 1x1x1 mm vilket ger en hög upplösning som möjliggör detaljerade analyser av hjärnans struktur.
What is an anisotropic medium? How does a water molecule move in an anisotropic medium?
Ett anisotropiskt medium är ett material där ämnen, som vattenmolekyler, inte kan röra sig fritt i alla riktningar, utan deras rörelse styrs av strukturen i mediet.
I hjärnan är vit substans ett exempel på ett anisotropiskt medium. Den består av myeliniserade axoner, som är organiserade i buntar vilket gör att vattenmolekyler inte kan sprida sig jämnt i alla riktningar.
I ett anisotropiskt medium som vit substans rör sig vattenmolekyler främst längs axonernas riktning, eftersom myelin och cellmembran hindrar rörelsen i andra riktningar. Detta mönster av vattenspridning används i Diffusion Tensor Imaging (DTI) för att kartlägga hjärnans nervbanor och mäta mikrostrukturell integritet.
Which are the main measures calculated on DTI images, and what do they reflect?
De huvudsakliga måtten som beräknas på DTI-bilder är:
FA: Fractional Anisotropy: Mäter riktad diffusion av vatten. Höga FA-värden tyder på välorganiserade och intakta nervbanor, låga FA-värden kan indikera skador eller nedbrytning av vit substans.
MD: Mean Diffusivity: Mäter total diffusivitet av vatten oavsett riktning. Höga MD-värden kan tyda på cellulär degeneration.
AD: Axial Diffusivity: Mäter diffusion längst med axonernas riktning. Minskad AD kan vara tecken på skador i axoner.
RD: Radial Diffusivity: Mäter diffucion tvärs över axonernas riktning. Förhöjd RD kan tyda på myelinskador.
What is the name of the method used to highlight white-matter tracts?
Tractography och bygger på DTI och används för att rekonstruera och visualisera nervbanor genom att spåra vattenmolekylernas diffusion längs med axonernas riktning.
What is the physiological basis of the fMRI signal?
Den fysiologiska grunden för fMRI-signalen är BOLD (Blood-Oxygen-Level-Dependent).
1. När en hjärnregion aktiveras ökar dess syreförbrukning, vilket leder till ett ökat blodflöde till området.
2. Detta skapar en förändring i förhållandet mellan oxyhemoglobin (syresatt hemoglobin) och deoxyhemoglobin (syrefattigt hemoglobin).
3. Oxyhemoglobin är svagt magnetiskt, medan deoxyhemoglobin är svagt paramagnetiskt och stör det magnetiska fältet.
4. När mängden deoxyhemoglobin minskar, blir BOLD-signalen starkare och kan detekteras av fMRI.
Does fMRI really measure brain activity? Describe how we obtain an fMRI signal using the following words: neurovascular coupling, blood flow, stimulus, BOLD, hemoglobin, magnetic, oxygenated, deoxygenated, neuronal activity.
fMRI mäter inte direkt hjärnaktivitet, utan registrerar förändringar i blodflödet som är kopplad till neuronal aktivitet i en process som kallas neuronal coupling.
1. När ett stimulus presenteras aktiveras specifika nervceller, vilket leder till ökad neuronal aktivitet.
2. För att stödja den ökade aktiviteten ökar blodflödet till det aktiva området i hjärnan.
3. Detta blodflöde för med sig mer oxygenated hemoglobin, medan mängden deoxygenated hemoglobin minskar.
4. Eftersom oxygenated hemoglobin är svagt magnetiskt, medan deoxygenated hemoglobin är mer känsligt för magnetfält, förändras de lokala magnetiska egenskaperna.
5. Denna förändring skapar en BOLD-signal (Blood-Oxygen-Level-Dependent signal), som kan detekteras av fMRI-scannern och användas för att kartlägga hjärnans aktivitet indirekt.
If, during fMRI, the scanner records one brain volume of activation every 2 seconds, if the experiment lasts 12 minutes, how many functional brain images will you obtain?
360 bilder
What are the differences between a block design and an event-related design in fMRI?
fMRI-experiment används 2 huvudsakliga design:
Block design:
Struktur: stimuli av samma struktur presenteras i block, ex. 20 sekunder av bilder med ansikten och 20 sekunder av bilder med hus.
Signalstyrka: ger starkare BOLD-signal eftersom hjärnaktiviteten ackumuleras över tid.
Fördel: högre statistisk styrka och enklare att analysera.
Nackdel: mindre flexibel, svårt att särskilja svar på enskilda stimuli och kan leda till förutsägbarhet.
Event related design:
Struktur: enskilda stimuli presenteras slumpmässigt, med varierande tid mellan dem.
Signalstyrka: lägre än i blockdesign men möjliggör analys av individuella stimulusresponser.
Fördel: gör det möjligt att särskilja svar på enskilda stimuli, undviker förväntanseffekter.
Nackdel: kräver mer avancerad analys och längre experimenttid för att uppnå tilräcklig statistisk styrka.
Define “spatial normalization”. Why is this preprocessing step needed to perform group analyses?
Spatial normalisering är en förbehandlingsprocess i fMRI där individuella hjärnor anpassas till en standardiserad hjärnatlas.
Det innebär att alla hjärnor sträcks, roteras och skalas så de får samma form och storlek, trots individuella anatomiska skillnader.
Behövs för:
- Jämförbarhet mellan deltagare
- Statistisk kraft, möjliggör gruppering av data för att identifiera gemensamma mönster i hjärnaktivitet.
- hjärnatlas och koordinatsystem, gör det möjligt att lokalisera aktiveringsområden utifrån standardiserade koordinater, vilket förenklar tolkning och replikation av resultat.
What is the reason why we need to have a “control” or “baseline” condition in an fMRIexperiment?
I ett fMRI-experiment behövs en kontroll- eller baslinje för att säkerställa att vi mäter specifik hjärnaktivitet kopplad till en uppgift, och inte allmän aktivitet som alltid pågår i hjärnan.
What can we study with resting-state fMRI?
Resting state-fMRI används för att undersöka hjärnan funktionella nätverk genom att analysera spontana fluktationer i BOLD-signalen när personen ligger stilla utan att utföra en specifik uppgift.
Användningsområden:
- Funktionell konnektivitet, identifiera hur olika hjärnsområden är funktionellt sammankopplade.
- Hjärnnätverk i vila, kartlägga vilotillståndsnätverk, ex Default Mode Network, som är aktivt när vi inte fokuserar på en specifik uppgift.
- Neuropsykiatriska och neurologiska sjukdomar, upptäcka förändringar i hjärnans nätverk vid tillstånd som Alzheimers, depression, Schizofreni och ADHD.
- Utveckling och åldrande
Can everybody have an MRI? What are the risks for human health?
Nej, alla kan inte genomgå en MRI-skanning då MRI använder ett starkt magnetfält kan vissa personer vara i riskzonen om de har metallinplantat eller medicinska enheter.
Risker och kontraindikationer:
- Metall och implantat, ex pacemaker, metallimplantat, metallfragment från kirurgi eller skador.
- Graviditet, anses generellt vara säkert men udnviks under första trimestern.
- Klaustrofobi och obehag.
- Kontrastmedel, njurproblem och kan ge allergisk reaktion.
What are the strengths and limitations of PET?
Styrkor
- kan mäta molekylära processer, PET kan studera neurotransmittorer, metabolism och patologi genom radioaktiva markörer.
- bra spatial upplösning.
- kan användas för att diagnostisera sjukdomar.
- kan mäta både funktion och aktivitet till skillnad från fMRI som bara mäter aktivitet.
Svagheter
- dålig temporal upplösning.
- invasiv metod, kräver en radioaktiv tracer
- dyr och komplicerad, kräver en cyclotron för att producera radioaktiva markörer.
- kort halveringstid hos tracers, vilket begränsar undersökningstiden.
Describe how PET works, using the following words: cyclotron, radiotracer, injection, positron, electron, annihilation, photon, detectors.
PET (Positron Emission Tomography) fungerar genom att mäta radioaktiva markörers fördelning i kroppen för att studera hjärnans metabolism och funktion.
1. En cyclotron används för att producera en radiotracer som innehåller en radioaktiv isotop.
2. Radiotracers ges till patienten genom en injjektion i blodet, den sprids sedan till hjärnan och ackumuleras till aktiva områden.
3. När isotopen sönderfaller avger den en positron, den positiva motsvarigheten till en elektron.
4. När en positron kolliderar med en elektron, sker annihilation, vilket producerar två fotoner som rör sig i motsatta riktningar.
5. Dessa fotoner registreras av detectors runt patientens huvud, vilket gör det möjligt att kartlägga vart i hjärnan tracern har ansamlats.
The brain is made of gray matter, white matter and cerebrospinal fluid (CSF).
Describe in detail at the microscopic level what gray matter, white matter and CSF are made of?
Grå substans:
- Neuronala cellkroppar, här sker synaptisk kommunikation.
- Dendriter
- Omyeliniserade axon
- Gliaceller
- Kapillärer, grå substans har rik blodförsörjning för att försörja neuronerna med glukos och syre.
- Grå substans finns främst i cortex, basala ganglierna och talamus.
Vit substans:
- Myeliniserade axoner
- Oligodendrocyter som producerar myelin
- Vit substans är organiserad i banor (tracts) som förbinder olika delar av hjärnan.
Cerebrospinalvätska:
- Vatten, 99%
- Joner
- Glukos
- Proteiner
- Leukocyter
- Produceras i hjärnans ventriklar.
Which MRI sequences would you use to study the volume of gray matter and the structural integrity of the white matter (explain the principles of these sequences briefly)?
T1-viktad MRI för att mäta volymen i grå substans
- T1-viktade MRI avbilar hjärnans anatomi genom att mäta skillnaden i relaxtionstiden för väteprotoner i olika vävnader.
- Grå substans har en kortare relaxtionstid än CSF och längre än vit substans, vilket gör att den syns tydligt i bilderna.
Diffusion Tensor Imaging för att mäta vita substansen strukturella integritet:
- DTI bygger på att vattenmolekyler rör sig anisotropt (i en riktad rörelse), längs axonbanorna i vit substans.
- kartlägger vita substans-banor (white matter tracts) med hjälp av tractography
- mäter parametrar såsom: FA (Fractional Anisotropy och Mean Diffusivity
