02_Grundlagen funktioneller Bildgebungsmethoden

• ein Neuron kommuniziert, indem es elektrische Signale (Aktionspotenziale) entlang seines Axons schickt

• Ausgangszustand ist das Ruhepotenzial, wo Neuron kein Signal sendet und das Innere des Neurons negativ geladen ist

• Erst ab bestimmter Schwellenspannung, ausgelöst durch einen Reiz an den Dendriten, kommt es zum Auslösen eines Aktionspotenzials

• Es erfolgt die Depolarisation, d.h. das Innere des Neurons wird zunehmend positiv geladen, wodurch es zum Startschuss des Signals kommt

• Dann kommt die Repolarisation, wo das Neuron wieder Richtung Normalzustand geht, d.h. wieder zunehmend negativ geladen ist

• Dann erfolgt die Hyperpolarisation - ein Zustand in dem das Neuron eine negativere Ladung hat als im Ruhepotenzial —> Schutzmechanismus um nicht dauernd Signale zu senden

• Danach geht das Neuron wieder in das Ruhepotenzial

Axial/ Transversal: Liegt etwas dorsal (oben) oder ventral (unten)?

Coronal: Liegt etwas frontal/anterior (vorne) oder posterior (hinten)?

Sagittal: Lieht etwas eher links oder rechts?

• Läsion in Bereich X beeinträchtigt Funktion A, aber nicht Funktion B

• Spricht nicht zwingend dafür, dass Funktion A und B unterschiedliche Hirnsysteme beanspruchen

• Funktion A und B können dasselbe neuronale System in unterschiedlichem Ausmaß beanspruchen, sodass der geschädigte Bereich dennoch in der Lage ist die leichtere Aufgabe auszuführen und nur die schwierigere beeinträchtigt ist

• Läsion in Bereich X führt zu Beeinträchtigung von Funktion A, Funktion B bleibt intakt

• Läsion in Bereich Y führt zu Beeinträchtigung von Funktion B, Funktion A bleibt intakt

• Evidenz, dass Funktionen A und B separate Syteme beanspruchen

Regularisierungsfehler

Irreguläre Wörter (z.B. Worcestershire) werden regular ausgesprochen

Lexikalisierungsfehler

Es wird ein anderes Wort gelesen z.B. wird ein Pseudowort “grenty” als “grumpy” gelesen

Das Zwei-Wege-Modell von Coltheart erklärt wie geschriebene Wörter gelesen werden und wieso dabei unterschiedliche Fehler auftreten können.

• Bekannte Wörter werden i.d.R. über den lexikalischen Weg gelesen

• Pseudowörter können nur über den sublexikalischen Weg gelesen werden

• Irreguläre Wörter benötigen den lexikalischen Weg, um korrekt ausgesprochen zu werden

Das Grapheme-Phoneme-Sytem ist geschädigt, sodass einzelne Buchstaben nicht in Laute übersetzt werden können. Damit funktioniert der sublexikalische Weg in der Wortverarbeitung nicht und Pseudowörter können nicht korrekt ausgesprochen werden.

Das Orthographic Input Lexicon und das Phonological Output Lexicon sind geschädigt, sodass der lexikalische Weg, also die Verarbeitung des geschriebenen Wortes als Ganzes nicht mehr funktioniert. Folglich werden Irreguläre Wörter falsch ausgesprochen, da sie nun über den lexialischen Weg verarbeitet werden.

Beim Single-Cell Recording wird die Frequenz der Aktionspotenziale (Spikes) eines einzelnen Neurons gemessen. Die Methode ermöglicht eine Untersuchtung der Synchronisierung verschiedener Neurone.

• Sehr invasive Methode (Tierstudien oder Studien mit Patienten)

• Sehr präzise Methode, die starkes Signal liefert

Wie erfolgt die hierarchische Verarbeitung von Reizen beim Lesen von Worten?

Was bedeuten lokale und verteilte Repräsentation?

• Lokale Repräsentation meint, dass ein einzelnes Neuron sehr spezifisch feuert. Man spricht auch von der “grandmother cell”. Allerdings feuert Neuron nicht nur bei diesem Reiz, sondern auch bei gelernten Assoziationen

• Verteilte Repräsentation meint, dass die neuronale Repräsentation eines Reizes über ein Muster mehrerer Neurone erfolgt. Letztlich sind auch grandmother cells Teil eines Neuronennetzwerkes.

• Elektroden außerhalb des Schädels

• Neuronale Signale sehr schwach und stark verzerrt

• viel Rauschen durch Blinzeln, Muskelaktivität, Augenbewegungen usw.

Bearbeitung der Daten erfolgt via

• Ausschließen von Artefakten (z.B. durch Blinzeln)

• Vergleich mit Baseline (Mastoid-Knochen Elektrode als Referenz oder Durchschnitt aller Elektroden)

Zwei Annahme zum zeitlichen Ablauf der Aktivierung von Neuronen:

• Synchronisierung - Spikes sind nicht zufällig, sondern aufeinander abgestimmt

• Parallele Ausrichtung - Neuronen sind räumlich/ funktional auf dasselbe Ziel ausgerichtet

• zeitlich gebundene Veränderungen im EEG, die durch ein Ereignis ausgelöst werden (experimentelles Paradigma)

• Präsentation desselben Reizes mehrere Male (z.B. 50-100 Trials pro VP)

• Betrachtung der EEG-Segmente die zeitlich parallel zum Ereignis stattgefunden haben

• Mitteln der EEG-Segmente

—> Zufälliges Rauschen in den Daten mitteilt sich somit aus und erhalten bleibt ein ereignisgebundenes Signal

Beispielsweise im klinischen/pädagogischen Kontext zur Untersuchung einer isolierten Leseschwäche oder einer isolierten Rechtschreibschwäche.

• Veränderungen in der Late Positive Component (späte Welle in ereigniskorrelierten Potenzialen), welche mit kontrollierter Verarbeitung in Verbindung gebracht wird, weisen auf Störungen in den orthographischen Abruf- und Outputprozessen hin

ERPs sind btw keine Aktionspotenziale sondern die großflächige dendritische Aktivität

• sind rhythmische Schwankungen bzw. periodische Muster mit denen Neuronen zeitlich koordiniert arbeiten

• Spontane oder reizinduzierte Synchronisierung einer Gruppe von Neuronen

• Sind also typische Aktivitätsmuster mit einem bestimmten Frequenzband

• Bsp.: Synchronisierung zu Sprache

  • Prosodie (Melodische und rhythmische Eigenschaften von Sprache): Delta

  • Silben: Theta

  • Phoneme (kleinste bedeutungsunterscheidende Einheit, z.B. ch = ein Phonem): Gamma

• Das Gehirn nutzt also unterschiedliche Oszillationsfrequenzen, um sprachliche Einheiten unterschiedlicher zeitlicher Größe zu verarbeiten

• Neural Oscillations (Synchronisierung von Neuronen) produzieren magnetische Felder, welche mithilfe von “Superconducting

  quantum interference device” (SQUID) gemessen werden können

• Untersuchung Ereigniskorrelierter Potenziale

• Bessere räumliche Auflösung als EEG

• Aber: Viel teurer und umständlicher!

• Das Gehirn verbraucht in etwa 20% des aufgenommenen Sauerstoffs, speichert allerdings keinen Sauerstoff und muss daher über die lokale Durchblutung mit Sauerstoff versorgt werden

• Neuronale Aktivität → erhöhter Energiebedarf → Reduktion von sauerstoffreichem Blut → wird durch verstärkte Versorgung aktiver Regionen mit sauerstoffreichem Blut (über)kompensiert

• Funktionelle Bildgebung = Messung von Fluktuationen metabolischer Prozesse (Stoffwechsel), die mit neuronalen Prozessen korreliert sind, die ihrerseits mit kognitiven Prozessen korreliert sind

• Beispiele:

  − PET: regionaler Blutfluss

  − fMRT: Sauerstoffkonzentration im Blut

• Funktionelle Aktivierung wird aus relativen Unterschieden der metabolischen Prozesse zwischen experimentellen Bedingungen erschlossen

• Wahl sinnvoller Vergleichsbedingungen auf der Basis von psychologischem Wissen über Aufgaben und kognitive Prozesse ist entscheidend, denn metabolische Prozesse haben Latenz von mehreren Sekunden → schlechte zeitliche Auflösung

• Messung der regionalen Hirndurchblutung (regional cerebral blood flow; rCBF)

• Radioaktiver Tracer (mit radioaktivem Sauerstoff-Isotop 15O markiertes Wasser) wird ins Blut injiziert

• Isotop emittiert Positronen, die mit Elektronen kollidieren → zwei Photonen werden in entgegengesetzter Richtung ausgesandt

• PET-Scanner registriert die Strahlen

• Aus raumzeitlicher Verteilung und Koinzidenzen der Zerfallsereignisse wird auf räumliche Verteilung des Radiopharmakons im Gehirn geschlossen und Serie von Schnittbildern errechnet

• Nachteile: Teuer, invasiv, schlechte zeitliche Auflösung (minimal einige Minuten)

• Ist nach wie vor wichtige Methode für bestimmte Fragestellungen (z.B. Untersuchung v. Neurotransmittersystemen; pharmakologisches Imaging)

Strukturelles MRT (sMRT)

• Darstellen von Weichgewebe

• Weichgewebe besteht teilweise aus Wasser

• Protonen in den Wassermolekülen haben ein schwaches magnetisches Feld

• Magnetisches Feld wird von Scanner produziert, wodurch sich Protone reorientieren, das Magnetisches Feld ändert sich und ein MR-Signal entsteht

Funktionelles MRT (fMRT)

• Kombiniert hochauflösende anatomische Bilder mit funktionellen Scans der hämodynamischen Aktivität (Blutströmungsmechanik)

• Basiert darauf, dass neuronale Aktivität die Zufuhr sauerstoffhaltigen Bluts in aktive Gehirnregionen erhöht

• Dies verändert magnetische Eigenschaften des Blutes

• Sauerstoff ist ein natürliches Kontrastmittel: Deoxyhämoglobin ist paramagnetisch (stört Magnetfeld leicht), Oxyhämoglobin nicht

• Ist Grundlage des BOLD- (blood oxygen level dependent) Kontrasts

• Peak der hämodynamischen Antwort nach 6 bis 10 Sek.

Problem: Gehirn ist immer aktiv → Um Aktivität auf einen bestimmten Reiz zu quantifizieren, brachen wir eine Vergleichskondition

Möglichkeiten sind:

• Subtraktionsmethode

• Faktorielles Design (Cognitive Conjunction)

• Parametrisches Design

• basierend auf der Annahme das komplexe kognitive Prozesse aus einfacheren Teilprozessen bestehen

• AktivierungExperiment - AktivierungBaseline (Experiment minus Baseline-Messung)

• bei Faktoriellen Designs/ Cognitive Conjunctions werden mehrere Faktoren gleichzeitig variiert (z.B. 2x2 Design)

• Beispiel: Untersuchung wieso wir uns nicht selbst kitzeln können, Bedingung 1: Selbst/Fremd-induzierte Bewegung, Bedingung 2: Berührung ja nein

  • Aktivität im somatosensorischen Kortex, die durch Berührung ausgelöst wird, ist kleiner für selbstgenerierte im Vergleich zu fremdgenerierten taktilen Reizen

  • Effekt von Berührung (touch): Aktivierung aller Regionen, die mit dem Gefühl der Berührung assoziiert sind

  • Effekt von Bewegung (self-movement): Aktivierung aller Regionen, die mit der Bewegung assoziiert sind

  • Interaktion: Regionen, die in der Self-Movement - und Touch + Kondition aktiviert sind, aber nicht bei den anderen, sind Korrelate für die Wahrnehmung von Kitzeln

• Variation einer kontinuierlich abgestuften unabhängigen Variablen

• z.B. Grad der Arbeitsgedächtnisbelastung; Schwierigkeit einer Problemlösenaufgabe

  • Suche nach Hirnregionen, in denen Aktivierung mit der Variation der UV korreliert

  • Bsp.: Verschiedene Hirnregionen zeigen unterschiedliche Reaktionsprofile auf unterschiedliche schnelle Wortpräsentationen

• Gehirn ist immer aktiv

• Es braucht eine gute Baseline-Messung

• systematisches Ausprobieren vieler statistischer Analysen bis ein signifikanter p-Wert gefunden wird

• Problem: Neurowissenschaftliche Daten sind häufig hochdimensional (viele Voxel, Elektroden, Zeitpunkte, Frequenzen), rauschbehaftet und werden häufig in kleinen Stichproben erhoben —> dadurch viele Freiheitsgrade

• Neurokognitive Theorien oft zu unspezifisch für eine Eingrenzung des exakten Bereichs / Zeitfensters …

Hinzukommende Probleme:

• Publikationsbias: Selektive Publizierung von Studien mit signifikanten Ergebnissen (File Drawer Problem)

• Niedrige statistische Power: häufig in Neuro-Studien, wegen dem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis

Folgen:

→ Hohes Verhältnis von False Positive und True Positive Ergebnissen

→ Niedrige Replizierbarkeit, entweder weil (1) Originalstudie False Positive, oder (2) weil Replikationsstudie unterpowert

• Magnetfelder werden generiert

• Aktivierung von Aktionspotentialen in der Region

• Interferenz mit relevanten kognitiven Funktionen

• TMS: Dauer von <1 ms, Effekt auf Kognition: paar Dutzend ms

• rTMS (repetitive TMS): Stimulation von mehreren Minuten, Effekt auf Kognition: ca. 20 Minuten

• Online versus Offline: Bearbeitung einer Aufgabe während vs. nach der Stimulierung