WS Vorlesung 6 Flashcards
Beschreiben Sie Methoden zur Messung der Hirnaktivität. Was wird dabei
gemessen? Bewerten Sie diese kurz anhand zweier ausgewählter Kriterien
(zeitl./räuml. Aufl.).
EEG = ElektroEncephaloGramm
Elektrokortikogramm: Dasselbe direkt auf Hirnrinde (bei
geöffnetem Schädel: näher dran bessere räumliche
Auflösung von < 1 cm)
bescheidene räumliche Auflösung
Ereigniskorrelierte Potentiale (EKP, ERP) Zeitliche Auflösung: super (ms-genau) Räumliche Auflösung: mehrere cm (= eher ungenau, vgl. HochhausMetapher) Wie entsteht das Signal? Postsynaptische Potentiale Ionenströme: • elektrochemische Aktivität der Neurone • neuronale Aktivität geht einher mit Aufnahme negativer/positiver Ionen • Repolarisation führt zu Ionenströmen Richtung Schädeldecke • geschieht in größeren Neuronenverbänden synchron • daraus folgt: messbarer elektrischer (extrazellulärer) Stromfluss
MEG
Magnet-Encephalo-Gramm
Misst magnetische Aktivität des Gehirns
Enger Zusammenhang mit elektrischer Aktivität: elektrische
Ströme erzeugen (winzige) Magnetfelder
Ca. 300 Sensoren
Super-Teuer: u.a. ca. 400l Helium/Monat nötig
Gleiche (sehr gute) zeitliche Auflösung wie EEG, aber bessere
räumliche Auflösung (dadurch bessere Lokalisation)
Erste Aufzeichnung: D. Cohen (1968, MIT)
Messung von Stromflüssen tangential zur Cortex-Oberfläche
(Sulci) => Kombination mit EEG führt zu besserer räumlicher
Auflösung funktionaler Prozesse des Cortex
Positronenemisionstomographie (PET)
Positronen: „positive“ Elektronen
Moleküle werden mit einem radioaktiven Element „markiert“
(z.B. 11C, 13N, l5O, or 18F) z.B. Glucose
Markierte Moleküle verteilen sich in spezifischen Arealen
Positron wird von markiertem Molekül abgegeben
Kollidiert (meist innerhalb von 1 mm) mit einem freien Elektron
-> Energie-Materietransformation
Gamma Strahlung wird im Winkel von 180° abgegeben
Invasive Methode!
Vorteil: Messung des „Verbrauchs“ bestimmter psychologisch
interessanter Moleküle im Gehirn (sowie Verteilung bestimmter
Rezeptorsysteme)!
Funktionelle Kernspintomographie (fMRT)
= funktionelle
Magnet-ResonanzTomographie
= functional magnetic
resonance imaging
(fMRI)
Was wird gemessen?
Stufenübersicht zum Verfahren:
0. Wasserstoffatome im Körper haben Dipol-Charakter und drehen sich
(normalerweise) zufällig im Raum (Spin)
1. Ein starkes Magnetfeld richtet die Spins der Wasserstoffatome entlang
einer Achse aus
2. Ein radiofrequenter Puls (RF-Puls) beeinflusst die Spinaktivität: Er „kippt“
die Protone (den Spin des Atomkerns) und bewirkt, dass alle phasengleich
rotieren
3. Mit dem Ende des RF-Pulses „kippen“ die Atome zurück (T1-Signal) und
rotieren wieder in individueller Phase (T2 bzw. T2-Signal, dephasing)
Geschwindigkeit, mit der T2-Prozess abläuft, sagt etwas über den
Sauerstoffgehalt des Blutes aus gemessenes Signal
In einem extern angelegten Magnetfeld (B0) rotieren die Protonenspins um die Längsachse des Magnetfeldes = Präzession. LARMOR Frequenz = Frequenz der Präzession (γ[H] ≈ 42,5 MHz / T) Diese Lamorfrequenz ist proportional zur Feldstärke des externen Magnetfeldes B0.
Externes, horizontales Magnetfeld (RF-Pulse)
- Wird im rechten Winkel zum vertikalen Magnetfeld angebracht
und von Hochfrequenzspule ausgesendet
- Die vom linken Magnetfeld parallel ausgerichteten Atome werden
über einen kurzen Radiowellen-Puls (RF-Pulse) bzw.
Hochfrequenzpuls (HF-Pulse) blitzartig bewegt (kurz „angetippt“):
gepulste Kernresonanz
Durch RF-Puls kippen die Protonen aus ihrer vertikalen (longitudinalen) Lage
RF-Puls führt bei den Atomen zur synchronen Präzession
(= Schwingen in Phase)
Nach Ende des RF-Pulses (nach dem „Antippen“) kippt der Kernspin wieder zurück in die (durch das vertikale Magnetfeld aufgezwungene) gleichförmige vertikale Ausrichtung
T1-Relaxation = longitudinale Relaxation
Rückkehr der Protonenspins in vertikale
(longitudinale) Ausgangslage
= Wiederaufbau der Längsmagnetisierung
T1-Relaxation = longitudinale Relaxation
T1 = Zeitpunkt, an dem 63% der
Längsmagnetisierung wieder erreicht ist
T2-Relaxation (spin spin-Relaxation) =
transversale Relaxation
Nach RF-Puls verlieren die Protonen auch die
Synchronizität der Präzession, d.h. sie gehen
„außer Phase“ (dephasing)
Messbar als Reduktion der transversalen
Magnetisierung
Oxygeniertes und desoxygeniertes Blut haben
unterschiedliche magnetische Eigenschaften.
– Oxygeniertes Blut: diamagnetisch
– Desoxygeniertes Blut: paramagnetisch
Dabei spiegelt sich der Unterschied in der T2*
Relaxationszeit wider (im Bildkontrast)
Blood Oxygen Level Dependent (BOLD)-Response hinkt immer ca. 5s „hinterher“ Signal summiert sich auf und muss per linearer Regression wieder “zurückgerechnet” werden
fMRI: Designvarianten
Wichtig: Ein buntes fMRI-Bild ist kein „Foto“ der Hirnaktivität (dann würde
alles stark „leuchten“), sondern stellt immer einen Kontrast zwischen zwei
Versuchsbedingungen da
Statistical Parametric Mapping (SPM)
Standardverfahren zur Auswertung von fMRT-Daten
• Allgemeines lineares Modell (Regression)
• Anpassung von Modellen der hämodynamischen Response (BOLD) an die
gemessenen Daten
• Schätzung der Modell-Parameter
• Voxelweise t-Tests (Voxel = „3D-Pixel“)
• Erstellung von z-Maps
Alternative zu fMRI: fNIRS (near infrared spectroscopy)
pro: billiger, einfacher anzuwenden, höhere zeitl. Auflösung,
contra: geringere räuml. Auflösung, schlechteres S/N ratio
Einzelzellableitung
Z.B. Moran & Desimone, 1985
Methode:
- Einzelzellableitung bei Affen im ventralen System
- Präsentation von zwei Reizen: einer löst Neuron aus (effektiv), der andere nicht (ineffektiv)
- Aufmerksamkeit entweder auf effektiven oder ineffektiven Reiz gelenkt
- Aktivitätsmessung in V4 und IT
Ergebnis:
- Richtung der Aufmerksamkeit auf den ineffektiven Reiz verringert die Feuerrate bezüglich
des effektiven Reizes (Inhibition von „Irrelevantem“)
Fazit:
- räumliche Aufmerksamkeitsausrichtung moduliert Neuronenaktivität in V4 und IT (später
auch für V1, V2 und im dorsalen System nachgewiesen)
Läsionsstudien
Z.B. Erkenntnisse aus Neglect-Patienten:
- Läsion im rechten inferioren posterioren Parietalcortex (PPC)
- können Aufmerksamkeit nicht auf linke Seite lenken bei intakter Sehkraft:
- Essen linke Seite vom Teller nicht leer
- Stoßen gegen Hindernisse links von ihnen
- Durchstreichaufgabe: Wenn sie viele Linien durchstreichen sollen, machen
sie das nur für Linien auf der rechten Seite
- durch spatial cueing teilweise kompensierbar (Karnath, 1988)
Fazit:
- PPC (und auch der superiore Temporalcortex) spielt eine Rolle zur kontralateralen
Aufmerksamkeitsausrichtung (sowohl für das WAS- als auch das WO/WIE-System)
Problem von Läsionsstudien: natürliche Läsionen oft sehr unspezifisch
Neurowissenschaftliche Methoden als UV:
Transcranielle Magnetstimulation (TMS)
Applikation eines kurzen starken Magnetpulses
Induziert elektrischen Stromfluss im Gehirn
Führt je nach Stimulationsfrequenz zur Exzitation oder Inhibition
entsprechender Neuronenpopulationen
Arten der TMS-Stimulation
Single pulse-TMS (motorisch evozierte Potentiale: Erregung von Neuronen)
rTMS (r = repetitive): führt zur Habituation von Neuronen (virtuelle Läsionen)
Genauigkeit: Man kann z.B. gezielt den Zeigefinger „zum Zucken“ bringen
Neuere Alternativen:
- transcranial ultrasound (Hameroff et al., 2012)
- transcranial direct-current stimulation (tDCS, transkranielle
Gleichstromstimulation, Nitsche & Paulus, 2000) …
Wie funktioniert ein EEG? Was misst es? Durch welche Prozedur lassen sich EEGDaten kognitiven Prozessen zuordnen?
EEG = ElektroEncephaloGramm
Elektrokortikogramm: Dasselbe direkt auf Hirnrinde (bei
geöffnetem Schädel: näher dran bessere räumliche
Auflösung von < 1 cm)
Wie wird gemessen?
z.B. 10-20-Methode
Ein Zyniker könnte behaupten: „Mit dem EEG die Vorgänge im Gehirn verstehen zu
wollen ist wie mittels Messung der Lautstärke per Mikrophonen an Hochhäusern das
Denken der Menschen darin verstehen zu wollen“ bescheidene räumliche Auflösung
Was ist der Unterschied zwischen PET und fMRT? Welche Methode würden sie
aus welchen Gründen bevorzugen?
Funktionelle Kernspintomographie (fMRT) = funktionelle Magnet-ResonanzTomographie = functional magnetic resonance imaging (fMRI)
Wie kann man den zeitlich andauernden Ausfall eines Areals bei gesunden
Probanden simulieren?
???
Warum appliziert man beim fMRI einen radiofrequenten Puls, wenn doch
sowieso bereits ein Magnetfeld anliegt? Welche zwei Prozesse werden dabei
ausgelöst und was bedeuten sie?
??
Was ist ein Block-Design beim fMRT und gibt es Alternativen dazu?
??
Was ist der Unterschied zwischen overter und coverter Aufmerksamkeit, und was hat das mit
active/passive vision zu tun?
Coverte - Overte Aufmerksamkeit Passive - Active Vision - Aufmerksamkeit als Selektion z.B. Posners Cueing, Visual Search Dominanz eines „passive vision“-Ansatzes in der visuellen Aufmerksamkeitsforschung!
Wie lassen sich Augenbewegungen kategorisieren?
???
Was ist ein OKN?
???
Beschreiben und vergleichen Sie verschiedene Methoden zur Messung von Blickbewegungen.
Moderne Eye Tracker messen meist die Pupillenposition (evtl. zzgl.
Cornealreflex)
• Gute stationäre Tracker können Sakkaden (die ja nur 20-40 ms dauern)
und Fixationen unterscheiden (Samplingrate > 200 Hz)
• Mobile Tracker (Glasses + Clip-On-Device) sind räumlich inzwischen recht
genau, lösen aber zeitlich nicht so gut auf
• Große Unterschiede zwischen Herstellern in Software-Flexibilität
• EOG ist zwar billig, aber kaum räumliche Information (gut z.B. als
Kontrolle für Experimente, in denen größere Blickbewegungen
vermieden werden sollen, oder zur Messung von Lidschlag)
Welche messtechnische Auflösung benötigt man bei einem Eye Tracker, um Sakkaden und Fixationen gut
unterscheiden zu können?
Segmentierung und Klassifikation
von Daten
Sind die Bewegungen beider Augen perfekt konjugiert?
Fast!
Beschreiben Sie vier räumliche/zeitliche Blickbewegungsparameter.
Räumlich: Fixationswahrscheinlichkeit Sakkadenamplitude/-länge; Fixationspostition Fixationshäufigkeit Refixationshäufigkeit
Zeitlich: Initiale Fixationsdauer Refixationsdauer Blickzeit Gesamtblickzeit
Was ist der Unterschied zwischen Regressionen und Refixationen?
Fixationen: Aufnahme visueller Information
???
Was sind mislocated fixations?
da Fixationspositionen (unsystematisch und systematisch) vom selektierten Ziel abweichen können (mislocated fixations)
