Neuromethoden 1 Flashcards
Strukturelles Neuroimaging: (4)
- CT
- MRT
- DTI
- Angiographie
CT: Was und wie?
- Computertomographie
- Aufnahme des Gehirns mit Röntgenstrahlen mit oder ohne Kontrastmittel
- Röntgenröhre rotiert dabei um den Kopf des Patienten und macht viele einzelne horizontale Aufnahmen des Gehirns
- Aufnahmen können mit einem Computer zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden
CT - Vorteile
- Geht schnell – wird auch während OP durchgeführt (intraoperativ)
- Auch Patienten mit Implantaten aus Metall können untersucht werden
- Kann grobe Unterschiede zwischen grauer und weißer Substanz sichtbar machen
CT - Nachteile
- Belastung durch Röntgenstrahlen
- Relativ grobe Auflösung (keine feinen Gehirnstrukturen erkennbar)
- Keine direkte Kombination mit funktionellen Methoden möglich
MRT: Was und wie?
Magnetresonanztomographie/Magnetic Resonance Imaging
- Starkes Magnetfeld des MRT-Gerätes (1,5 bis 7 Tesla)
- Verschiedene Gewebe (z.B. Fett, graue Substanz, Weiße Substanz) enthalten u.a. Protonen –> Protons, Energiefreisetzung gemessen
MRT - Vorteile
- Keine ionisierende Strahlung
- Keine Radioisotope
- Keine Kontrastmittel
- Hohe Gewebekontraste (Fett, weiße/graue Substanz)
- Hohe räumliche Auflösung
- Inzwischen hohe Verfügbarkeit zumindest an Klinken
- Lässt sich leicht mit funktionellen Methoden kombinieren (fMRT)
MRT - Nachteile
- Sehr teuer
- Keine Untersuchung, wenn Metallprothesen im Körper
DTI: Was und wie?
Diffusion Tensor Imagine - misst Faserbindung
- Kein Kontrastmittel: Diffusionsrichtung wird mittels magnetischer Feldgradienten erzeugt MRT-Gerät kann bestimmte Feldgradienten erzeugen um Nervenbahnen zu sehen
- Messung im MRT-Scanner
- Stellt die Diffusionsbewegung (Brownsche Molekularbewegung) von Wassermolekülen im Gewebe räumlich dar
- Wasser-Moleküle können sich im Gehirn nicht beliebig bewegen (Isotropie), sondern Bewegung wird u.a. durch Zellmembranen eingeschränkt (Anisotropie)
- Moleküle können sich in myelinisierten Nervenfaserbündeln entlang der Axone ungehinderter bewegen als quer zu ihnen.
- Aus Diffusionsverhalten kann auf Verlauf großer Nervenfaserbündel (vgl. Capsula interna, Assoziationsfasern) geschlossen werden
Angiographie: Was und wie?
- Aufzeichnung des Blutflusses
- Durch Injektion von Kontrastmittel (Färbemittel) in eine zerebrale Arterie, bindet an Hämoglobin im Blut
- sichtbar machen mit Röntgenstrahlen im z.B. Angiographen (spezielle Zusatztechnik zum CT) oder magnetisch (spezielle Zusatztechnik zum MRT)
- Analyse von Blutfluss nach Schlaganfall
Funktionelle Neuroimaging (4)
- EEG/ERP
- Magnetenzephalographie
- fMRT
- PET
EEG: Was und wie?
- Elektroenzephalographie
- Elektrische Leitfähigkeit wird über eine Elektrode auf der Kopfhaut gemessen
- Unter einer Elektrode befinden sich viele Nervenzellen im Gehrin
- Elektrische Signal, welches Elektrode misst, ist ein Mittelwert der EPSPs, IPSPs und APs über alle Nervenzellen
- Pyramidenzellenorientierung im Kortex –> Elektrische Aktivierung der Gyri besser zu messen als Sulci
- Elektrodenposition (32) entsprechen den darunterliegenden Gehirnarealen (pro Areale wird Mittelwert ausgerechnet)
EEG/ERP - Vorteile
- EEG-Kappe relativ angenehm zu tragen - Schlaf-EEG; Epilepsie-EEG möglich
- Hohe zeitliche Auflösung (misst PSPs/APs –> Millisekunden)
- Relativ billig, und wenig Platzaufwand –> hohe Verfügbarkein in Forschung und an Kliniken
- Lässt sich auch mich strukturellen oder anderen funktionellen Methoden kombinieren (fMRT)
EEG/ERP - Nachteile
Schlechte räumliche Auflösung (Elektroden nur an der Kopfoberfläche)
Welche neuroelektrische Aktivierung kann EEG/ERP messen?
- Postsynaptische Potential (PSP) - Dauer: 15ms-200ms; Viel Signal für Messung
- Aktionspotential (AP) - Dauer: sehr kurz, 1ms; Wenig Signal für Messung
Was zeigt die EEG-Aktivierung bei epileptischen Menschen?
EEG lässt erkennen, wann eine Störung (e.g. Epilepsie) eintritt, auch wenn diese noch nicht im Verhalten sofort erkennbar ist –> Vorhersage
ERP - Event-related Potential: Was und wie?
- Elektrischen Potentiale zum Stimulus werden an verschiedenen Elektroden gemessen
- Electrodes measure after each stimulus-presentation and act as amplifier
- Einzelne Ereignisabschnitte des EEG‘s werden gemittelt
- Resultat: Ereigniskorreliertes Potential (EKP; engl. ERP
- sehr gute zeitliche Auflösung (ms-Bereich)
Was zeigen Topographien?
- die Aktivierungen an allen Elektroden zu ausgewählten Zeitpunkten
- ERP-Trace (= Spur): zeigt zeitlichen Aktivierungsverlauf einer Elektrode an
MEG: Was und wie?
- MEG-Gerät erzeugt kleine Magnetfelder unter der Kopfhaut
- Diese interagieren mit der Richtung der elektrischen Leitung der aktiven Neurone
- Spannungsänderungen werden aufgezeichnet
- Aktivierungsmuster sehen ähnlich aus wie beim EKP
fMRT: Was und wie?
- fMRT im selben MRT-Gerät, jedoch muss der/die Proband*in jetzt eine Aufgabe (= Funktion) machen
- Die Gehirnaktivierung während des Verhaltens (z.B.: Hören, Sehen, Taste drücken) wird gemessen
fMRT: Physiologische Grundlagen (2)
- Hämodynamische Kopplung
- Elektrische Aktivierung (Aktionspotential) der Zelle führt zu erhöhten Sauerstoff- und Glukoseverbrauch
- Mehr sauerstoffreiches Blut (Oxyhämoglobin) muss nachfließen um das Neuron zu versorgen
- Erhöhten Sauerstoffverbrauch kann man messen - Sauerstoffarmes und -reiches Blut haben unterschiedliche magnetische Eigenschaften
- Diese magnetischen Unterschiede werden durch Anlegen eines starken Magnetfeldes (fMRT) gemessen
- Das BOLD-Signal (Blood- Oxygenation-Level-Dependent Signal) zeigt den Sauerstoffverbrauch eines arbeitenden (aktivierten) Gehirnareals an
- Dauert 4-6 Sekunden bis Blut mit Sauerstoff ins Gehirn fließt
fMRT - Messung
- Je nach Art des Sehreizes wird eine unterschiedliche Menge an Sauerstoff verbraucht => das BOLD-Signal ändert sich
- Es wird pro Gehirnareal der Mittelwert (MW) über alle BOLD- Signale eines Typs (Haus/Gesicht) berechnet.
Differenz bei fMRT: Subtraktionsmethode
Um die funktionsspezifische Aktivierung zu erhalten, müssen Differenzen aus den Mittelwerten berechnet werden
E.g. MW-Gesicht minus MW- Haus der BOLD-Signale gibt an, welcher Teil des visuellen Kortex spezifisch für Gesichter aktiviert, aber eben nicht für andere visuelle Reize wie Häuser
fMRT Kombination mit MRT
- MRT: Langsam und genau messen, alles erkennen, 1 Gehirnbild 5-6min, sehr hochauflösend
- fMRT: relativ schnelle Messung für eine magnet-resonanz-Methode, 1 Gehirnbild pro Sekunde, weniger hochauflösend
- fMRT über MRT Bild überlagern, funktionsspezifische Aktivierung wird angezeigt
fMRT Kombination mit DTI
E.g. Welche Faserbündel verlaufen durch das FFA (Fusiforme Face Areal) => aktiviert spezifisch beim Erkennen von Gesichtern?
–> Nicht nur die Faserbündel, sondern auch die Funktion
PET: Was und wie?
- Methode älter als fMRT
- Liefert Messung der regionalen Hirndurchblutung (regional cerebral blood flow; rCBF): Stimulation – Kontrolle = Differenz/Aktivierung
- Invasiv – Injektion eines radioaktiven Tracers
- Langsam (Darbietungsdauer 20-30 Minuten)
- Funktion: Aktivierungsdifferenzen für spezifische Funktionen werden ähnlich wie beim fMRT-berechnet
PET: Physiologische Grundlage
- Aktiver Zellen verbrauchen nicht nur Sauerstoff sondern auch Zucker
- Radioaktive Glukose wird in die Halsarterie injiziert
- Diese wird im Blut aufgenommen und von den aktiven Zellen aufgenommen
- Ort und Zerfall der radioaktiven Glukose wird vom PET mit Hilfe der Gammastrahlen detektiert
- PET-Gerät hat Gammastrahldetektoren – erhöhte Konzentration von Gammastrahlung markiert Punkte erhöhter neuronaler Aktivität
PET - Vorteile
- Man kann radioaktive Stoffe entwickeln (Radioligands) die an bestimmte Rezeptoren binden können, e.g. Serotonin
- Targets specific chemicals or metabolites, like neurotransmitters to relate the concentration of those substances to behaviour, genetics, or differences among individuals
- Different targeted Receptors can indicate different diseases and aid diagnosis, treatments and planning
PET - Nachteile
Teuer
Neurostimulation (4)
- Zellableitung
- Transkraniale Magnetstimulation (TMS)
- Transcranial direct current stimulation (tCS)
- Deep Brain Stimulation (DBS)
Zellableitung
- Wird meist zur Ableitung (d.h. Messung) der neuronalen Aktivierung einzelner Zellen genutzt (heutzutage eher selten, strenge Ethikregeln)
- Electrode just stuck into brain, uncool
- Elektrode misst Aktivierung bei Stimuli
- Anstatt Abzuleiten, können die Neurone per Elektrode auch elektrisch stimuliert (inhibiert/erregt) werden.
- Am Menschen in Ausnahmefällen
–> z.B. während OP zur Entfernung epilepsie-auslösender Gehirnareale
–> Fokale Epilepsie kann temporale, ventromedial-frontale Areale inkludieren:
–> Stimulation stellt sicher, welche Areale mit z.B. Sprachverarbeitung verbunden sind und nicht operativ entfernt werden sollten.
Transkraniale Magnetstimulation (TMS)
- Stimulation mit Magnetspule stört (hemmt oder erregt) kurzzeitig die neuronale Weiterleitung (PSPs/APs) der darunterliegenden Neurone
- Erreicht nur Neurone direkt unter Schädeldecke
- Kann entweder hemmend (kurzfristiger Ausfalleiner Funktion) oder erregend (Verbesserung in der Ausübung einer Fkt.) wirken
- Hängt ab von
–> Stärke der TMS- Stimulation
–> Zeitintervall zw. TMS und Aufgabenpräsentation
Transcranical direct current stimulation (tCS)
- Schwämme am Kopf mit Elektroden
- Kann erregend oder hemmend wirken (je nach Polung: Anode/Kathode)
- Nicht-invasiv (zwei mit Elektroden versetzte Schwämmchen auf Kopfoberfläche)
- Nachteil:
–> Keine genaue Lokalisation
–> Erreicht nur Gehirnareale direkt unter Schädeldecke
Deep Brain Stimulation
- Eine Elektrode wird in ein fehlfunktionierendes Gehirnareale implantiert
- Stromfluss kann erregend oder hemmend auf das Gehirnareal wirken, je nach Polung (Anode/Kathode) durch Neurostimulator
- Anwendung: Parkinson, Depression, weitere in Forschung
–> Nur wo man genau weiß, welches Gehirnareal betroffen ist
