Methoden der kognitiven Neurowissenschaften IV

• Aktivität einer Region ≠ Region ist für die Aufgabe entscheidend oder notwendig ist

  • z.B. erhöhte Aufmerksamkeit bei bestimmten Aufgaben kann zusätzliche aber nicht notwendige Hirnregionen aktivieren

• Funktionelle Bildgebung liefert Hinweise, welche Regionen für die Ausführung einer bestimmten Aufgabe hinreichend sind, aber nicht unbedingt, welche Regionen für die Ausführung der Aufgabe notwendig sind.

• Bei der funktionellen Bildgebung werden nur korrelative (keine kausalen) Aussagengetroffen.

Läsionsstudien

• Ort der Läsion (UV) wird „manipuliert“ (bzw. entsprechende Patientengruppe ausgewählt)

• das resultierende Verhalten/Kognition (A V) wird beobachtet

  
  

  ->kausaler Zusammenhang zwischen Läsion & Verhalten angenommen

Funktionelle Bildgebung

• Aufgabe (UV) wird manipuliert

• Veränderungen in Hirnregionen (AV) werden beobachtet

  
  

  -> korrelativer Zusammenhang zwischen Aufgabe & Aktivität in bestimmten Regionen

Mögliche Ursachen für Hirnschädigungen

• Schädel-Hirn-Trauma

• Schlaganfall

• Tumore

• Virusinfektionen

• Neurochirurgische Eingriffe

• Neurodegeneration

Einfache & doppelte Dissoziation

Einfache Dissoziation:

Patient mit Läsion A hat Beeinträchtigung bei Aufgabe A‘, aber nicht bei Aufgabe B‘

• Schlussfolgerung: Kognitive Verarbeitungsprozesse und neuronale Grundlagen sind für Aufgabe A‘ und B‘ unterschiedlich.

• Alternative Schlussfolgerung: Aufgaben A‘ und B‘ beanspruchen dieselben kognitiven bzw. neuronalen „Ressourcen“, aber in unterschiedlichem Ausmaß (z.B. Aufgabe A‘ ist schwieriger)

Doppelte Dissoziation:

• Patient mit Läsion A hat Beeinträchtigung bei Aufgabe A‘, aber nicht bei Aufgabe B‘ Patient mit Läsion B hat Beeinträchtigung bei Aufgabe B‘, aber nicht bei Aufgabe A‘

• -> Hinweis auf Unabhängigkeit von kognitiven Verarbeitungssystemen neuronalen Grundlagen

wichtige Rolle bei der Untersuchung von kognitiven Verarbeitungsstufen und Komponenten durch ausführliche neuropsychologische Testungen

• Assoziationen zwischen Läsion & Verhaltensdefiziten

  etablieren

• Gruppierung abhängig von der Fragestellung, z.B. nachSyndrom, nach kognitiven Symptomen oder nach anatomischer Lokalisation der Läsion

• Variabilität hins. Größe der Läsionen, Betroffenheit des umliegenden Gewebes, Konnektivität zu anderen Regionen

• Aufgrund von Läsion-Verhaltensassoziationen kann man nicht schließen,

  • dass Region X nur für Funktion F verantwortlich ist (ggf. auch andere Funktionen)

  • dass Region X alleine für F verantwortlich ist (ggf. auch andere Regionen an F beteiligt)

• Auch eine diskrete Läsion in einer bestimmten Hirnregion kann die Funktion einer entfernter liegenden Region beeinträchtigen (Diaschisis)

• Man kann nur schlussfolgern, dass Region X kritisch ist für Funktion F (zumindest für einige wesentliche Aspekte).

• Gegensätzliche Defizite können zusammen auf die Unabhängigkeit von kognitiven Verarbeitungssystemen und neuronalen Grundlagen hinweisen (doppelte Dissoziation).

✓ Starke Hinweise auf Struktur-Funktion Beziehungen: liefern Belege, dass die geschädigte Region eine notwendige (kausale) Rolle für eine bestimmte Funktion spielt

✘  beim Menschen nur „natürliche Läsionsstudien“: keine Manipulation, keine Prä-/Post- Messungen möglich

✘  Läsionen oft groß bzw. in multiplen Regionen

✘  Läsion kann auch andere oder entfernter liegende Regionen beeinflussen (Konnektivität)

✘  kompensatorische Mechanismen möglich

• Die Hirnaktivität kann von außen nicht-invasiv beeinflusst werden.

• Dabei wird die Aktivität von Neuronen i.d.R. „gestört“ und eine „virtuelle Läsion“ kurzzeitig induziert (reversible Läsion)

  
  

• Häufigste Methoden: transkranielle Magnetstimulation (TMS) & transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS)

transkranielle Magnetstimulation(TMS)

Prinzip der elektromagnetischen Induktion:

• Mittels einer Spule wird über einer bestimmten Hirnregion ein elektromagnetischer Impuls (<1ms) appliziert. Durch das kurzzeitig aufgebaute Magnetfeld werden elektrische Ströme induziert, die das Hirngewebe bis zu ca. 5 cm unterhalb des Schädels (kortikale Regionen,1-2cm3) beeinflusst.

1. niederfrequente wiederholte TMS-Applikation (slow repetitive TMS, srTMS)

   • zur funktionalen Hemmung des Hirngewebes („virtuelle Läsion“)

2. hochfrequente kurzfristige TMS-Applikation

   • zur funktionalen Erregung des Hirngewebes

3. kurze Applikation von Einzelimpulsen während der Bearbeitung einer Aufgabe

   • kurzzeitige Störung neurophysiologischer Prozesse, insbes. um zeitliche Komponenten der Informationsverarbeitung zu untersuchen

TMS -Vor-/Nachteile

✓  kausale Struktur-Funktions-Zusammenhänge können nicht-invasiv und auch bei Gesunden untersucht werden

✓  örtliche Manipulation der Läsion & Prä-/Post-Messungen möglich

✓  gute zeitliche Auflösung (vs. Läsionsstudien)

✓  Untersuchung von zeitlichen Komponenten bei Verarbeitungsprozessen möglich

✓  keine Reorganisation/Kompensationsmechanismen (vs. Läsionsstudien)

✓  Einsatz in Therapie & Rehabilitation

✘  nur TMS des Kortex möglich

✘  räumliche Auflösung schlecht (∼2 cm)

✘  trotz fokaler Stimulation sind Effekte auf andere Regionen möglich

✘  Auswahl der Kontrollbedingung schwierig

• Schwache elektrische Ströme (∼1-2 mA) werden über zwei großflächige Schwammelektroden (∼20 cm2) ins Hirngewebe geleitet.

• Eine Elektrode wird über dem untersuchten Hirngebiet angebracht, die andere über einer Kontrollregion. Der schwache elektrische Strom fließt von der Anode (+) zur Kathode (-).

  
  

• Abgrenzung zur Elektrokonvulsionstherapie (EKT): unter Narkose wird das Gehirn fur̈ ca. 30s mit sehr kurzen elektrischen Impulsen (~0.9A) angeregt; Behandlung therapieresistenter Patienten mit schweren psychischen Erkrankungen.

• Anodale Stimulation: Hirngewebe unter der Anode wird erregt, d.h. Depolarisation der Neurone und Verstärkung der neuronalen Aktivität

• Kathodale Stimulation: Hirngewebe unter der Kathode wird gehemmt, d.h. Hyperpolarisation der Neurone und Hemmung der neuronalen Aktivität

transcranial direct current stimulation (tDCS)

• gleichmäßiger Strom fließt in eine Richtung transcranial

alternating current stimulation (tACS)

• Strom mit alternierender Richtung

transcranial random noise stimulation (tRNS)

• Strom mit fluktuierender Richtung und Amplitude

Oszillationen mit bestimmten Frequenzen im Gehirn können mit bestimmten kognitiven Funktionen in Verbindung gebracht werden

tDCS – Vor-/Nachteile gegenüber TMS

✓  Kontrollbedingung leichter zu realisieren (keine Geräusche, Zuckungen)

✓  Einsatz in Therapie & Rehabilitation, aber auch bei Gesunden zur Verbesserung der kognitiven Leistungsfähigkeit

✘  räumliche Auflösung schlechter als TMS

✘  zeitliche Auflösung z.T. schlechter als TMS

• invasive Methode, Elektroden werden in subkortikale Kerngebiete implantiert und mit einem subkutan implantierten Neurostimulator („Hirnschrittmacher“) verbunden.

• Durch Applikation kontinuierlicher Stromimpulse kann die neuronale Aktivität der Zielregion systematisch & reversible moduliert werden.

• Bsp: bei Patientin mit der Parkinson Krankheit wird der Nucleus subthalamicus stimuliert

Neurofeedback

• Durch Messung und Rückmeldung der Hirnaktivität lernen Probanden ihre Hirnaktivität zu beeinflussen

• EEG-Feedback: Mit Elektroden wird die EEG- Aktivität gemessen. Ein Computer berechnet bestimmte EEG-Kennwerte, die dann auf einem Bildschirm dem Pb zurückgemeldet werden (z.B. als Balken)

• Der Proband lernt, die EEG-Aktivität in einem bestimmten Bereich zu halten.

• Therapeutische Anwendung in verschiedenen Bereichen (z.B. ADHS, Epilepsie)

• Neurofeedback mit Echtzeit fMRT

• (real-time fMRI)

• Hämodynamische Antwort einer bestimmten Hirnregion wird in Echtzeit berechnet und zurück-gemeldet.

  
  

• Zeitverzögerung des Feedbacks größer als bei EEG

• Kombinationsmöglichkeiten zwischen EEG & Echtzeit fMRT für bessere räumliche & zeitliche Auflösung.