Buffl

2. Sitzung - Elektrophysiologie

HM
by Hanna M.

Grandmother cells

  • Im visuellen System gibt es eine Hierarchie der Verarbeitung – Antworten von Zellen werden komplexer, je höher diese in der Hierarchie liegen

  • Was für Zellen stehen ganz oben in der Hierachie?

-> „Grandmother cells“ – hypothetische Zellen, die nur auf das Bild der eigenen Großmutter reagieren


Primäre visuelle Koretx (niedrig gelegen):

  • verarbeitet namle Reizeigenschaften (simpel)


Höher gelegene Synapsen:

  • wesentlich komplexere Verarbeitung (z.B. Gesichtserkennung)


Neuronale Codes


letztere: verteilte Darstellung, in der ein kleiner Teil der Neuronen Informationen über einen Reiz/ ein Ereignis trägt


  • Neuronen im Schläfenkontext von Affen reagierten auf mehrere verschiedene Gesichter (aus einer Gruppe von 5) allerdings in unterschiedlichen Maße

  • Y Achse: Feuerrate des Neurons

  • Negative Feuerrate: geringer als Baseline (unter der Baseline)

  • Gesichtsrate höher als bei Objekten

  • Wurde versucht zu zeigen, wie stark einzelne Neurone feuern, wenn verschiedene Gesichter gezeigt werden



  • manche Neuronen haben sehr hohe Selektivität (Neuron in Person hat Jennifer Aniston konsequent wiedererkannt)

  • ein Neuron von einer Person


Peri-stimulus time histograms

  • Übliches Format, in dem Daten von Einzelzellableitungen präsentiert werden



  • Stimulus. Sydney Oper House

  • kann zeigen wann Reiz bei Neuron ankom (200msec. im Bsp.) —> sehr gute zeitliche Auflösung! (im Millisekundenbereich)

  • Raster Plot: Neuron hat anfangs Spintanaktivität, später viele Aktionspotentiale (Feuerrate erhöht -> erkennbar anhand Histogramm)

  • Gestrichelte Linie: Bild wurde präsentiert und entfernt

  • Antwort des Neurons wird auf zwei Arten dargestellt: Ein Raster Plot (blau) zeigt den Verlauf des Neurons über die Zeit (horizontal von links nach rechts dargestellt) durch Schattierungen, wenn das Neuron feuert

  • Jede Zeile ist eine andere Aufzeichnung mit diesem Stimulus

  • das Histogramm (rot) fast zusammen, wie oft das Neuron zu jedem Zeitpunkt gefeuert hat


Neuronale Codes



  • Ursachen: relative + absolute Refraktärzeit, Steigung der Aufstrichphase des Aktionspotenzials

  • je selektiver Neuron auf Reiz reagiert, desto stärker feuert Neuron



Rate Coding:

  • Der Informationsgehalt eines Neurons kann mit der Anzahl der Aktionspotentiale pro Sekunde zusammenhängen

 

Temporal Coding

  • Synchronität des Feuerns kann von einer Population von Neuronen verwendet werden, um denselben Stimulus oder dasselbe Ereignis zu kodieren


EEG - Elektroencephalogramm



  • Elektroden in Hauben/Kappen auf Kopfhaut fixiert

  • Bis zu max. 256 Elektroden

  • Einzelne Elektroden an den Augen (Elektrookulogramm) -> Augenbewegungen & Blinks führen zu Artefakten im EEG

    (besonders an frontalen Elektroden), die damit später korrigiert werden können



Ergänzung Buch - Wie funktioniert EEG?


  • Verfahren ist nicht invasiv, beinhaltet Aufzeichnung (keine Lösung zur Stimulation) ist es als Methode völlig harmlos

  • Damit elektrisches Signal an der Kopfhaut nachweisbar ist, müssen eine Reihe grundlegender Anforderungen in Bezug auf das zugrundeliegende neuronale Feuern erfüllt werden

  • Eine ganze Population von Neuronen muss synchron aktiv sein, um ein ausreichend großes elektrisches Feld zu erzeugen

  • Diese population von Neuronen muss in einer parallelen Ausrichtung  angelegt sein -> damit sie sich summieren und nicht aufheben (Neuronen in Großhirnrinde sind auf diese Weise angeordnet)

  • Messen summierte elektrische Aktivität über Millionen von Neuronen

  • Die Methode der event related potential (Eriegnisbezogenen Potential) misst die Menge an elektrischer Aktivität (als Spannungsänderung an der Kopfhaut) als Ergebnis eines Stimulus

  • Je höher die elektrische Aktivität von Neuronen, desto größer ist die Veränderung an der Kopfhaut


Das 10-20 System


-> ermöglicht Elektroden vergleichbar auf Schädeloberfläche zu platzieren


Ergänzung Buch

  • Elektroden sind an verschiedenen Stellen auf der Kopfhaut angeordnet (10-20-System)

  • Elektroden sind entsprechend ihrer Lage (Frontal, Parietal usw.) und der betroffenen Hemisphäre (ungerade Zahlen für links, gerade Zahlen für rechts und z für die Mittellinie) gekennzeichnet 

  • Wichtig: Die an jedem Ort aufgezeichnete Aktivität kann nicht unbedingt auf neuronale Aktivität in der Nähe dieser Region zurückgeführt werden

  • Elektrische Aktivität an einem Ort kann an entfernten Orten erfasst werden

  • EEG nicht am besten geeignet, um den Ort der neuronalen Aktivität zu erfassen

 



Das EEG Signal

Das EEG Signal I


  • KEINE Messung von einzelnen Aktionspotentialen

  • Inhibitorische und exzitatorische postsynaptische Potentiale (IPSPs und EPSPs) führen zu Ladungsverschiebungen (Bildungen von Dipolen) die an der Kopfoberfläche gemessen werden können

  • EEG-Rythmen /Oszillationen spiegelen synchrone Aktivität großer Neuronenverbände wieder

-> messe synchrone Potentialverschiebungen (von großen Neuronenpopulationen)

  • nicht invasiv

  • sehr gute, zeitliche Auflösung

  • vergleichsweise schlechte räumliche Auflösung (im Vgl zu anderen Bildgebenden Verfahren wie z.B. MRT)

  • Keine Stimulation, nur Messung

Das EEG Signal II

  • Negative und positive EEG Ausschläge spiegeln die Orientierung von Dipolen im Gehirn wider!



Das EEG Signal III


Dipolfelder

  • ergebn sich aus Ladungsverschiebungen

  • intrazellulär: wird positiver (unten)

  • extrazellulär: wird negativer (oben)


-> führt zu Skalp Negatives gemessenes EEG Signal


in Abbildung:

  • Pyramidenzellen


positives Potential:

  • wenn eine oberflächennahe inhibitorische oder eine tiefliegende exitatorische Synapse aktiviert ist


Das EEG Signal IV


Die Polarität des an der Schädeloberfläche gemessenen Signals hängt davon ab

  • ob EPSPs oder IPSPs ausgelöst wurden

  • wo der synaptische Kontakt liegt (höhere vs. tiefere kortikale Schichten)


Von der Polarität des am Skalp gemessenen Signals („skalppositiv“/ „skalp-negativ“) kann nicht auf die ablaufenden zellulären Prozesse geschlossen werden (ob gehemmt oder erregt)



Das EEG Signal V


  • Dipole können nur gemessen werden, wenn viele parallel angeordnete Zellen synchron aktiv sind.

  • Dipole müssen möglichst senkrecht zur Elektrode angeordnet sein .

  • Entgegengesetzte Effekte im gleichen Kortexbereich stellen eine Schwierigkeit dar (ABbildung: Viele Neuronen im gefalteten Kortex)

    -> es wird ja nur ein Summenpotenzial gemessen.

  • Tieferliegende Hirnstrukturen können nicht bzw. nur schlecht gemessen werden (Feldstärke eines Dipols nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab)




Das EEG SIgnal VI


-> je kleiner die Fläche desto mehr Signal geht verloren


EEG: Zusammenfassung


  • Nicht-invasive Methode, um synchrone Potenzialverschiebungen großer Neuronenverbände zu messen

  • Sehr gute zeitliche Auflösung (im Millisekundenbreich), räumliche Auflösung deutlich schlechter als z.B. fMRT

  • Es wird direkt neuronale Aktivität gemessen, im Gegensatz zu z.B. fMRT


EEG


Es gibt zwei primäre Anwendungsfelder in den kognitiven Neurowissenschaften:

  1. Ereigniskorrelierte Potentiale (EKPs) – Eventrelated

potentials (ERPs)

  1. Analyse oszillatorischer Aktivität


EEG: Ereignis-korrelierte Potenziale (EKPs)



EKPs

  • Ereigniskorrelierte Potentiale: EEG-Signal wird im Hinblick auf ein bestimmtes Ereignis zeitlich synchronisiert (time-locked, z.B. auf Präsentation eines Reizes) und über viele Trials gemittelt (um den Effekt von Rauschen im Signal zu reduzieren)

  • Das Ergebnis ist für jede Elektrode eine Zeitreihe (typischerweise post-Stimulus) mit charakteristischen positiven und negativen Ausschlägen (siehe Abbildung rechte Graphik)

  • Zeitverlauf und Amplitude dieser Ausschläge stehen ggf. mit verschiedenen Aspekten der Aufgabe (z.B. Reizverarbeitung, Aufmerksamkeit) in Beziehung


Grundidee EKP:

  • Rauschen ist unsystematisch

  • über viele Durchgänge mitteln: Mittle alles aus was nichts mit dem Reiz zu tun hat (z.B. Hund) —> um rauschem wegzubekommen

  • EEG Signal nach einem Durchgang: nicht aussagekräftig (erste Linie Abbildung links)



  • Mittelung über 100 Durchgänge (Abbildung: 1 (=eine Elektrode in einem Trial -> bekomme an einer Elektrode den charakteristischen Zeitverlauf)  10, 50, 100 Durchgänge)

  • Rauschen vermeiden durch mitteln (Probanden konzentrieren sich nicht nur Experiment)

  • brauche viele Trials um gutes Signal zu bekommen

  • Zeitverläufe sehen unterschiedlich aus, je nach Modalität


-> 1, N1 usw.: EKP Komponenten


EKP-Komponenten (VL)


  • EKPs lassen sich in sog. Komponenten einteilen.


Komponenten sind charakterisiert durch

  • Amplitude

  • Latenz

  • Skalpverteilung


Eine Komponente muss reproduzierbar und manipulierbar sein:

  • Reproduzierbar: tritt in verschiedenen Menschen in unterschiedlichen Kontexten auf

  • Manipulierbar: konsistent veränderbar durch experimentelle Manipulationen (z.B. Aufmerksamkeit) -> Veränderung von Amplitude, Latenz und/oder Skalpverteilung



EKP-Komponenten


Manchmal wird zwischen exogenen und endogenen

Komponenten unterschieden:

  • Exogen: durch externen Stimulus ausgelöste Komponente

  • Endogen: durch Aufgabe ausgelöste Komponente (nur dadaurch das ich Aufmerksamkeitsverschiebung habe zum Beispiel)


    -> Unterscheidung nicht immer eindeutig, z.B. bei kontextabhängiger Verarbeitung von Reizen.


EKPs: Vor- und Nachteile


  • Veränderungen in den Dipolen spiegelt direkt neuronale Aktivität wider (im Gegensatz zu z.B. fMRT)

  • exzellente zeitliche Auflösung

  • schlechte räumliche Auflösung (EEG Signale recht ähnlich)

  • Weniger sensitiv für subkortikale Regionen als z.B. fMRT (sehr tiefe Regionen, z.B. Hirnstamm, Amygdala, Limbisches System usw.)

  • Signal wird durch Schädel und Hirnhäute beeinträchtigt

  • „Forward problem“: Rückschluss von Dipol-Verteilung auf

    Potenzialveränderungen an der Schädeldecke -> kein Problem

  • „Inverse problem“: Rückschluss von Potenzialveränderungen an der Schädeldecke auf Dipol-Verteilung -> keine eindeutige Lösung (weiß nicht, welche Dipole wie verteilt sind um dieses Signal hervorzurufen)

    -> kann nicht sagen welche Dipole die Spannungsverteilung verursachen —> gibt unendlich viele Lösungen

    —> Aber: verschiedene Lösungen können miteinander verglichen werden.

 



Gesichtserkennung


  • 1. Perzeptuelle Verarbeitung des Gesichts

  • 2. Gesichtserkennung (Prozess zur Identitätserkennung läuft)

  • Personenidentifikation (Gesicht & Name)

    -> im 3. Schritt folgen semantische Assoziationen (erkenne Person zu Gesicht; Name, Berufung usw.) -> mit EEG nicht gut untersuchbar


  • wichtig in Gesichtserkennung: N170 (negativer Ausschlag im EEG 170ms nach Reizpräsentation), N250

  • 0-100ms Kein Unterschied

  • ab 170ms: unterschiedliche gesichtsspezifische Verarbeitung für Tiere und Mneschen im Vgl. zu Objekten

  • ab 250ms: Unterschiedliche Verarbeitung spezifisch für menschliche Gesichter

  • P1: basale viseulle Verarbeitunf

  • Spezifische Gesichtsverrbitung nach 170ms

  • N250: Wieso N? Ist doch Positivierung? —> Grund: Komponenten sind definiert über Differenzmaß; Differenziert menschliche Gesichter

 

Weitere bekannte EKP-Komponenten

  • N1/P1 – frühe aufmerksamkeitssensitive Komponenten

  • P300

  • N400

  • ERN (Error-related negativity)



  • ganz frühe Aufmerksamkeitssensitive Komponenten, die dadurch moduliert werden, dass wir unsere Aufmerksamekit auf die Position eines akkustsichen oder visuellen Reizes lenken

  • Positivierung ca. 300ms nach Stimulus-Onset (Reiz Präsentation)

  • wird durch verhaltensrelevanten Oddball Reiz ausgelöst (ein Zielreiz in einer Reihe von Nicht-Zielreizen) —> hängt davon ab ob Reiz für mch relevant ist; Zeilreiz



  • Negative Komponente 400ms nach Reizpräsentation -> relevant für semantische Verarbeitung (Sprache & Bildliche Infos)

  • tritt immer dann auf, wenn ein Mismatch zwischen dem semantsichen Kontext eines Satzes und dem aktuellen Wort stattfindet -> nicht nur bei Sprache, auch wenn leute Videos gucken und etwas widersprüchliches tritt auf)

  • semantischer Fehler (He Spread the warm bread with SOCKS)

  • N400 wird aktiv

  • Grand average (Mittelung der Werte der Probanden)


  • ERN bezeichnet eine charakteristsiche Spannungswelle unter der Schädeldecke, die sich immer dann messen lässt, wenn das Hirn registriert, dass es einen Fehler begangen hat

  • mit Fehlerverarbeitung assoziiert



Beispiel das es sich nicht immer auf Reize beziehen muss, auch auf Responses

 

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Hanna M.

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