Lektion 1

• Messung magnetischer Felder, verursacht durch elektrische Hirnaktivität.

• Detektoren für magnetische Felder: SQUIDs („Superconducting Quantum Interference Devices“), hoch empfindliche Detektoren.

  • Um Detektoren supraleitend zu halten, werden sie mit flüssigem Helium auf –269°C abgekühlt

• Messposition: Probanden werden meist im Sitzen untersucht, moderne Systeme bieten auch die Möglichkeit im Liegen zu messen.

• Sensoranzahl: Zwischen 100 und 300 Sensoren, ohne direkten Kontakt zum Kopf der Versuchsperson. Probanden sitzen unter einer überdimensionalen Haube.

  • Probandenkooperation: Wichtig, da Probanden sich während der Messung möglichst nicht bewegen sollten.

• Messvorbereitung: Meist kurz im Vergleich zum EEG, da keine Elektrodenhaube angebracht werden muss.

• Kosten: Hoher Anschaffungspreis, bedingt durch aufwendige bauliche Maßnahmen im Vergleich zum EEG.

• Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten der sogenannten Sprungtemperatur (auch kritische Temperatur) gegen null geht

• Supraleiter werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter in der Magnetenzephalografie (MEG) für die Kühlung der SQUIDs.

• Untersuchungsmethode, bei der die elektrische Aktivität der Hirnrinde über Elektroden gemessen wird. Es werden Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche aufgeaufgezeichnet.

• Herausforderungen:

  • Geringe Stärke des vom Gehirn erzeugten Magnetfeldes.

  • Hohe Anfälligkeit gegenüber Störungen.

• Maßnahmen zur Störunterdrückung:

  • Aufbau von MEG-Systemen in magnetisch abgeschirmten Kammern.

  • Einsatz von speziellen Sensoren (axiale Gradiometer) zur Filterung von Störquellen.

• Elektrische Aktivität und magnetische Signale:

  • Magnetische Signale basieren auf der elektrischen Aktivität von Nervenzellen.

  • Gemessene Magnetfeldschwankungen sind sehr schwach & liegen unterhalb eines pico Tesla im Femto-Tesla-Bereich (fTesla).

• Detektion im MEG:

  • Magnetische Felder stehen in einem Winkel von 90° senkrecht zu den elektrischen Feldern.

  • Nur Magnetfelder von Neuronen, die horizontal („tangential“) zur Schädeloberfläche stehen, werden detektiert.

  • Aktivität in den Sulci (Furchen) der Hirnrinde wird vorwiegend erfasst.

  • Erregungsmuster größerer Zellverbände in der Hirnrinde können erfasst werden.

• Begriff stammt aus der Oberflächenanatomie des Gehirns und bezieht sich auf eine aus der Hirnmasse hervortretende Gehirnwindung.

• Die Aktivität der Gyri geht beim detektieren durch MEG weitgehend verloren, ausgenommen die, die horizontal zu den Ableitsensoren liegen, etwa die des Temporallappens.

• Zeitliche Auflösung: Entsprechend der hohen Geschwindigkeit der meisten Verarbeitungsprozesse im Gehirn.

• Unverzerrte Messung: Magnetfelder werden im Vergleich zu elektrischen Potenzialen weder durch Volumenleitungseffekte verzerrt noch durch den Schädelknochen oder die Kopfhaut abgeschwächt.

• Genauere Bestimmung der Ursprungsquellen: Im Vergleich zum Elektroenzephalogramm (EEG) ermöglicht die MEG eine genauere Bestimmung der Ursprungsquellen der hervorgerufenen Magnetfelder.

• Gute räumliche und sehr hohe zeitliche Auflösung, ergänzt andere psychophysiologische Messverfahren wie EEG oder funktionales Magnetresonanzverfahren (fMRT) sehr gut.

• Untersuchung von Bewusstseinszuständen, Aufmerksamkeitsprozessen und Erkennensprozessen

• nichtinvasive Messmethoden mit einer zeitlichen Auflösung, die der hohen Geschwindigkeit der meisten Verarbeitungsprozesse im Gehirn entspricht

• Messung physiologischer und biochemischer Prozesse wie Stoffwechselaktivität, Blutfluss, chemische Zusammensetzungen und Verteilungen.

• Kann auch statische Messungen umfassen, wie die Dichte eines bestimmten Rezeptors.

• Enge Definition: Messung mentaler Prozesse des Gehirns, mit zeitlich aufgelösten Bildern der Gehirnfunktionen.

• Positronenemissionstomografie (PET) & funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT)

• Lieferung räumlich aufgelöster morphologischer Abbildungen des Gehirns.

• Magnetresonanztomografie (MRT) & Diffusionstensorbildgebung (DTI)

• Erweiterung des Methodenspektrums:

  • In den vergangenen Jahren enorm gewachsen.

  • Ziel: Darstellung von Strukturen und Aktivitäten des Gehirns für ein besseres Verständnis seiner Funktionen.

  • Einsatz auch in der klinischen Diagnostik.

• Bildgebende Verfahren:

  • Unterteilung in funktionelle und strukturelle Methoden.

  • Unterteilung dient als grober Anhaltspunkt zur Einordnung der Anwendungsmöglichkeiten verschiedener Methoden.

• Mithilfe eines starken Magnetfelds erzeugt die MRT Schnittbilder des Körperinneren.

• Durch ihre Detailgenauigkeit zeigen die Bilder auch kleine Veränderungen auf.

• basiert auf dem Prinzip des Eigendrehimpulses von Atomkernen mit ungerader Protonen oder Neutronenzahl. (anderer Name für diese Methode auch Kernspintomografie)

• Messbare Atome im Körper:

  • Beispiele: Kohlenstoff, Natrium, Phosphor, Helium, Xenon und vor allem Wasserstoff.

• Signalerzeugung:

  • Atomkerne richten sich parallel zum äußeren Magnetfeld aus.

  • Durch Hochfrequenzimpuls wird Ausrichtung gestört, Wasserstoffkerne nehmen Energie auf (Resonanz).

  • Nach Impuls kehren Kerne zur ursprünglichen Ausrichtung zurück (Relaxation), dabei geben sie Energie in Form schwacher hochfrequenter Strahlung ab.

• Signalverarbeitung:

  • Signale werden von Empfängerspule aufgezeichnet.

  • Dauer der Relaxation variiert je nach Gewebeart.

• Bildgebung:

  • Unterschiedliche Signalstärken je nach Gewebeart ermöglichen die Erstellung von Bildern.

  • Ermöglicht dreidimensionale Bilder der Gehirnanatomie.

• Anwendungen:

  • Lokalisierung von Gehirnschädigungen (z.B. nach Schlaganfall oder Tumoren).

  • Zuordnung neuropsychologischer Verhaltensabweichungen zu bestimmten kortikalen Regionen.

Als Axon oder Neurit bezeichnet man den Fortsatz einer Nervenzelle, der elektrische Nervenimpulse vom Zellkörper wegleitet. Mehrere dieser Fasern sind in Axonbündeln zusammengefasst.

• nutzt die MRT zur Messung von Diffusionsbewegungen von Wassermolekülen im Gewebe, die dann räumlich aufgelöst dargestellt werden können

• Prinzip:

  • Axone verlaufen meist parallel zueinander und sind von einer Myelinschicht umgeben.

  • Myelinschicht behindert thermische Bewegung von Wasser quer zur Faser, jedoch nicht entlang der Faser.

• Diffusionsrichtung:

  • Wassermoleküle können entlang der axonalen und dendritischen Faserverbindungen fast ungehindert diffundieren, quer dazu jedoch nur langsam.

  • Die Richtung der Wassermoleküle zeigt die Hauptausrichtung der Faserbündel an.

• Nuklearmedizinisches, molekulares, funktionelles bildgebendes Verfahren.

• Vorgehen:

  • Injektion einer leicht radioaktiven Substanz in die Blutbahn des Probanden.

  • Verwendung von instabilen Radioisotopen, die im Zyklotron produziert werden.

• Isotope:

  • Atomarten mit gleicher Anzahl Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl Neutronen.

  • Beispiele: Sauerstoffisotope wie 16^O, 18^O oder 17^O.

• Funktionsweise:

  • Markierte Liganden verteilen sich im Körper und zerfallen im Zielorgan unter Freisetzung eines Positrons.

  • Positron trifft auf Elektron, was zur Aussendung von zwei Photonen führt.

  • PET-Scanner registriert die Photonen und erstellt ein dreidimensionales Bild des Verteilungsmusters der Zerfälle.

• Beispiele für Liganden:

  • Glukose, Wasser, Neurotransmitter wie Dopamin.

• Messung des Blutflusses:

  • Beispielsweise mit 15O-markiertem Wasser (H2O).

• Räumliche Auflösung:

  • Etwa 3–6 mm.

• Nachteile:

  • Invasiv und oft unangenehm für den Probanden.

  • Gesundheitliche Risiken durch Strahlenbelastung.

• fMRT wurde zur Messung neuronaler Aktivitätsveränderungen etabliert und stellt eine Weiterentwicklung der MRT dar

• Überlegenheit gegenüber PET:

  • Höhere räumliche und zeitliche Auflösung.

  • Völlig nebenwirkungsfrei, ermöglicht Mehrfachmessungen an einer Versuchsperson und Messungen an Kindern.

• Signal der fMRT basiert hauptsächlich auf zwei Phänomenen:

• Zum einen wird in aktiviertes neuronales Gewebe mehr Sauerstoff mit dem Blut transportiert als dort verbraucht wird. Das führt zu einer lokalen Anreicherung des Sauerstoffs in Abhängigkeit vom Aktivierungsgrad der Neuronenverbände.

• Zum anderen besitzt das Hämoglobin nach der Sauerstoffbindung – als Oxyhämoglobin – andere magnetische Eigenschaften und sauerstoffreiches Blut führt damit im MRT-Scanner zu einem Signalanstieg. Das erlaubt die Sichtbarmachung und Lokalisierung von Sauerstoffanreicherungen im aktivierten Hirngewebe.

• Dieses Signal wird als BOLD-(„Blood Oxygen Level Dependent“-)Effekt bezeichnet. Durch die Messung der metabolischen Konsequenzen von neuronaler Aktivität stellt der BOLD-Effekt ein indirektes Maß für die neuronale Aktivität im Gehirn dar.

• Inzwischen weiß man, dass das Signal stärker mit synaptischer Übertragung als mit den Aktionspotenzialen korreliert. Die fMRT misst daher synaptische Prozesse, die in Gehirnregionen bei der Verarbeitung von Information auftreten.

Als Artefakt bezeichnet man in der Messtechnik und anderen Gebieten ein unechtes, durch Eigenschaften der Methode hervorgerufenes Ergebnis. Bei der Herzratenmessung können das z. B. Bewegungsartefakte sein.

Der Sympathikus oder auch sympathisches Nervensystem ist ein Teil des vegetativen Nervensystems. Durch ihn werden vorwiegend Körperfunktionen innerviert, die den Körper in erhöhte Leistungsbereitschaft versetzen. Der Gegenspieler des Sympathikus ist der Parasympathikus.

Das limbische System ist ein an der Steuerung von Antrieb, Lernen, Gedächtnis, Emotionen und vegetativen Funktionen (Verdauung, Fortpflanzung) beteiligter Teil des Gehirns.

Die emotionale Valenz bezieht sich in der Psychologie auf den emotionalen Wert, der mit einem Reiz verbunden ist.