Methoden der kogniviten Neurowwischenschaft III

Methoden unterscheiden sich hinsichtlich:

• Räumlicher Auflösung

• Zeitlicher Auflösung

• Invasivität

• Messung der Veränderungen im regionalen Blutfluss und des Sauerstoffgehaltes im Blut

• indirektes Maß für die neuronale Aktivität

• Grundlage der fMRT ist der BOLD-Effekt

  • Abhängig von der neuronalen Aktivität nimmt die Durchblutung des aktivierten Gewebes zu, wobei ein lokaler Überschuss an sauerstoffreichem Blut (oxygeniertes Blut) entsteht und die Konzentration des sauerstoffarmen Bluts (deoxygeniertes Blut) abnimmt.

  
  

BOLD (blood oxygen-level-dependent) Kontrast

Deoxygeniertes und oxygeniertes Blut haben unterschiedliche messbare magnetische Eigenschaften (Deoxyhämoglobin ist paramagnetisch und stört das MR-Signal).

• Der BOLD-Effekt basiert auf der Tatsache, dass aktive Gehirnregionen mehr Sauerstoff und Glukose benötigen als inaktive Regionen.

• Wenn eine bestimmte Gehirnregion aktiv ist, erhöht sich die Durchblutung in dieser Region und der Blutsauerstoffgehalt nimmt ab, da das Hämoglobin des Bluts mehr Sauerstoff an die aktiven Neuronen abgibt.

• Die fMRT-Technologie misst diese Veränderungen des Blutsauerstoffgehalts, um die Aktivität im Gehirn während der Durchführung von Aufgaben oder der Verarbeitung von Reizen zu visualisieren.

Die BOLD-Reaktion verläuft sehr langsam und erreicht ihr Maximum nach 4-8 s!

Die Veränderung des BOLD-Signals über die Zeit wird als ham̈ odynamische Antwortfunktion bezeichnet und läuft in drei Phasen ab:

• Initial dip: Durch den Verbrauch von Sauerstoff im aktivierten Gewebe erhöht sich zunächst die Konzen- tration von Deoxyhämoglobin (niedrige Signalintensität)

• Overcompensation: Durch den kompensatorischen Einstrom von sauerstoffreichem Blut in das aktivierte Gewebe sinkt die relative Konzentration von Deoxyhämoglobin (BOLD-Signal steigt, ca. 8s)

• Undershoot: Nach einer kurzzeitigen Erhöhung der Deoxyhämoglobin-Konzentration kehrt das Signal wieder zum Ausgangsniveau zurück (ca. 16-18s).

HRF (hemodynamic response function)

• mathematische Funktion, die die zeitliche Veränderung der Blutfluss- und Sauerstoffaufnahmevorgänge im Gehirn als Antwort auf neuronale Aktivität beschreibt = Veränderung des BOLD-Signals über die Zeit

  • Wenn neuronale Aktivität in einer bestimmten Gehirnregion erhöht wird, erhöht sich der Sauerstoffverbrauch in dieser Region. Das führt zu einer Erhöhung der Durchblutung in der Region, um den Sauerstoffbedarf zu decken.

• Die HRF beschreibt, wie sich die Durchblutung und der Sauerstoffverbrauch im Gehirn ändern, nachdem eine Stimulierung stattgefunden hat.

• Die HRF kann durch verschiedene experimentelle Methoden gemessen werden, wie zum Beispiel die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT).

Emotionserkennungsdefizite bei HD

• Bereits im prämanifesten Stadium und >15 Jahre vor ersten motorischen Symptomen objektivierbar

• Zusammenhang mit Funktionsfähigkeit im sozialen Alltag und psychiatrischen Auffälligkeiten vermutet

• fMRT Paradigma zur Untersuchung der neuronalen Korrelate von Defiziten in der Emotionserkennung:

  • Video-Sequenzen mit verschiedenen Emotionsausdrücken

  • Pbn geben per Tastendruck an, welche Emotion sie erkannt haben

  • Event-related Design, pseudo-randomisierte Abfolge - geeignete Kontrollbedingung?

• Wenn mehrere Reize zeitnah nacheinander präsentiert werden, überlagern sich die verschiedenen HRF.

• Auf Basis der zeitlichen Abfolge der Reizdarbietung und der HRF wird bei der Auswertung im Wesentlichen untersucht, welche Voxel im Gehirn die vorhergesagten Veränderungen im BOLD-Signal über die Zeit aufweisen.

• Dafür ist eine ausreichende Variabilität der Daten notwendig (z.B. „null events“, Ruhe- bzw. Baseline Bedingung, ausreichendes Interstimulusintervall etc.).

Block-Design:

• Zusammengehörende Stimuli einer Bedingung werden gruppiert und als Block dargeboten. Abfolge der Blöcke z.B. (pseudo-)randomisiert.

Event-related-Design:

• Verschiedene Stimuli/Bedingungen vermischt (z.B. in randomisierter Reihenfolge) präsentiert.

Statistische Auswertung:

Für Wahl einer geeigneten Kontrollbedingung ist es wichtig zwei Aufgaben zu finden (Experimental- und Kontrollbedingung), die sich in möglichst wenigen kognitiven Komponenten unterscheiden.

Probleme:

Nicht immer additiv! Hinzunahme einer

Komponente kann Verarbeitung einer anderen

verändern, Interaktionseffekte sind möglich

Statistische Auswertung:

• Für jedes Voxel im Gehirn (>50.000) wird ein statistischer Test durchgeführt. Mit jedem Vergleich steigt die Irrtums- wahrscheinlichkeit (⍺-Inflation) und die Wahrscheinlichkeit für falsch-positive Ergebnisse (gilt auch für VBM, DTI etc.)

• Klassische Korrekturmethoden (z.B. Bonferroni Korrektur) sind zu konservativ und berücksichtigen nicht, dass benachbarte Voxel nicht unabhängig sind und räumlich korrelieren.

• Die Random field theory (RFT) bezieht diese räumliche Korrelation mit ein und erlaubt Korrekturen für Vergleiche bei 3D-Daten.

• Neben der Aktivierung in einzelnen Hirnregionen kann man auch die Ko-Aktiverung (funktionelle Kopplung) zwischen Regionen untersuchen: Wenn zwei oder mehr Regionen sehr ähnliche Fluktuationen im BOLD-Signal zeigen, also hoch korrelieren, dann lässt sich daraus eine funktionelle Konnektivität zwischen diesen Regionen ableiten und Netzwerke identifizieren.

• Die funktionelle Konnektivität wird nicht nur mit aufgaben-basierten fMRT Daten untersucht, sondern auch im Ruhezustand, um Ruhenetzwerke (resting-state networks) zu identifizieren (z.B. default mode network).

• Die Analyse der funktionellen Konnektivität kann sehr gut mittels Auswertungen zur strukturellen Konnektivität (DTI) ergänzt werden.

Prinzip:

• Ähnlich wie bei der fMRT basiert die fNIRS auf der hämodynamischen Antwort, d.h. Veränderungen im regionalen Blutfluss und des Sauerstoffgehaltes dienen als indirektes Maß für die neuronale Aktivität

• Licht im nahinfraroten Spektrum (Wellenlänge 650-950 nm) wird von einer Lichtquelle (Emitter) ausgesandt und durchdringt das biologische Gewebe (Haut, Schädelknochen), wo es gestreut und absorbiert wird. Nicht-absorbiertes Licht wird von einem Detektor aufgenommen und die Lichtintensitaẗ gemessen.

• Oxygeniertes vs. deoxygeniertes Blut haben unterschiedliche Absorptionsspektren von nahinfrarotem Licht.

Vor-/Nachteile gegenüber fMRT:

✓ günstiger

✓ einfache Handhabung

✓ weniger Bewegungsartefakte

✓ natürlicheres Setting

✓ auch tragbare Systeme

✓ bessere zeitliche Auflösung

✓ gut bei Kindern & Säuglingen einsetzbar

✘ Messtiefe beschränkt auf Kortex

✘ geringere räuml. Auflösung

✘ bei Erwachsenen aufgr. von dickerer Kopfhaut, Haaren problematisch

Prinzip:

Die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) ist ein bildgebendes Verfahren, das verwendet wird, um die Aktivität im Gehirn (oder anderen Organen) zu messen. Die PET-Technologie basiert auf der Emission von Positronen durch radioaktive Elemente, die in den Körper injiziert oder inhaliert werden.

• Die lokale Konzentration von radioaktiv markierten Substanzen in bestimmten Hirngebieten wird gemessen.

• Dafür wird ein radioaktiver Tracer injiziert, deren Konzentration in neuronal erregten Regionen mit stärkerer Durchblutung erhöht ist. Sensoren des PET-Scanners messen die vom Tracer emittierte Strahlung.

• Beispiel: 18F-Fluordesoxyglucose (FDG): Anreicherung bei hohem Glukoseverbrauch

✓ nicht-invasiv: körpereigene magnetische Eigenschaften genutzt

✓ zeitliche Auflösung: 1-4 Sekunden

✓ räumliche Auflösung: 1-4 mm3

✓ Block- und Event-related Designs möglich

✘ sensitiv auf Konzentrationsveränderungen von Sauerstoff im Blut

PET

✘  invasive Methode: radioaktiver Tracer

✘  zeitliche Auflösung: 30 Sekunden -> schlechter

✘  räumliche Auflösung: 5-10 mm3 -> schlechter

✘  nur Block-Design möglich

✓  misst direkt Veränderungen im Blutfluss

✓  Lokalisierung von Neurotransmittern und deren Rezeptoren möglich

Invasive Methoden: Einzelzell-/Mehrzellableitungen

• Elektroden werden direkt auf Kortexoberfläche platziert oder in das Gewebe eingeführt, um die Aktionspotenziale eines oder mehrerer Neurone pro Sekunde als Reaktion auf einen bestimmten Stimulus zu messen.

  • Tierexperimente; seltener: Humanexperimente im Rahmen von neuro- chirurgischen Eingriffen.

Prinzip: Elektrische Signale des Gehirns werden nicht-invasiv über mehrere Elektroden, die an der Schädeloberfläche platziert sind, gemessen. Die summierte elektrische Aktivität, d.h. die elektrischen Ströme an Dendriten (nicht Aktionspotenziale) von einer Vielzahl parallel ausgerichteter Neuronen, wird aufgezeichnet.

20-Elektrodensystem (nach Jasper 1958)

• zur standardisierten Platzierung der Elektroden entlang des Schädels

• Position jeder Elektrode wird mit Buchstaben und Nummern gekennzeichnet:

F: frontal T: temporal P: parietal O: okzipital C: Sulcus centralis

ungerade Zahlen: linke Hemisphäre gerade Zahlen: rechte Hemisphäre z: entlang der Zentrallinie

• Es gibt auch andere Systeme mit mehr (>32) Elektroden; erweiterte EEG-Systeme verwenden 128 oder 256 Elektrodenpositionen.

EEG-Analyse kann unterschiedlich erfolgen, grundsätzlich wird unterschieden zwischen:

• amplitudenbezogene Analysen

• frequenzbezogenen Analysen

• Analyse von ereigniskorrelierten Potenzialen (EKP)

✓  EEG/ERP steht in direktem Zusammenhang mit der neuronalen Aktivität und hat dadurch eine sehr gute zeitliche Auflösung im Millisekunden Bereich.

✓  Ermöglicht die Untersuchung insbes. der zeitlichen Abläufe und frühe Verarbeitungs- stufen kognitiver Prozesse

✓  günstiger

✘  Signale werden von verschiedenen Quellen im Gehirn generiert; nur schlecht möglich, von der Kopfoberfläche auf die Lokalisation dieser Quellen zu schließen (sog. inverses Problem).

✘  Nur kortikale Aktivität wird gemessen, nicht von tieferliegenden Hirnstrukuren.

✘ Die Gehirnaktivität wird nur indirekt über die lokalen Veränderungen im Blutfluss und des Sauerstoffgehaltes im Blut gemessen, wodurch die zeitliche Auflösung im Sekunden Bereich liegt.

✘ Untersuchungen besonders früher Verarbeitungsstufen oder kurzfristiger Ereignisse weniger gut möglich.

✘ teurer

✓ bessere räumliche Auflösung (1-4 mm)

✓ Untersuchungen über das gesamte Gehirn sind möglich (Bildgebung in manchen Hirnregionen schwieriger).

Prinzip:

• Im Gegensatz zum EEG (Elektroenzephalogramm) misst die MEG magnetische Felder, die von der elektrischen Aktivität der Neuronen im Gehirn erzeugt werden.

  • Als Folge der elektrischen Ladungsverschiebungen im Kortex werden im Gehirn schwache Magnetfelder generiert (<1 pico Tesla),

  • die nicht-invasiv mit hochempfindlichen Detektoren (bis zu 300) gemessen werden können (ca. 10-15 mm von der Kopfoberfläche entfernt).

    
    

• Die MEG wird durch das Platzieren von Sensoren um den Kopf des Patienten herum durchgeführt, wobei die Sensoren die magnetischen Felder aufzeichnen, die von der neuronalen Aktivität im Gehirn erzeugt werden. Die aufgezeichneten Daten werden dann verwendet, um eine Karte der neuronalen Aktivität im Gehirn zu erstellen.

  
  

• Nur Dipole längs der Kortexoberfläche, deren Magnetfeldlinien vertikal aus dem Schädel austreten, produzieren ein Feld, das außerhalb des Kopfes messbar ist. D.h. die Messungen sind sensitiver auf Aktivität in Sulci als Gyri:

Vor-/Nachteile gegenüber EEG:

✓ geringerer Einfluss des Schädelknochens, Kopfhaut; bessere räumliche Auflösung (2-3 mm) bei gleich guter zeitlicher Auflösung im ms Bereich.

✘ weniger sensitiv auf Aktivität in Gyri; Störung durch externe Magnetfelder (abgeschirmte Messkabinen); teuer!