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24 Cards in this Set
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Magnetresonanztomographie (MRT)
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• Statisches Magnetfeld (20.000-80.000 x so hoch wie Erdmagnetfeld
• Wasserstoffkerne (Protonen), die besonders in gut durchblutetem Gewebe vorhanden sind und normalerweise in alle Richtungen ausgerichtet sind, richten sich im Magnetfeld parallel aus • Radiofrequenzpulse (elektromagnetische Wellen) sorgen für Auslenkung u. Rotation • Nach Abschalten eines Pulses kehren die Protonen in Ausgangsposition zurück („Relaxation“) • Die dabei abgegebenen Radiowellen werden gemessen und unterscheiden sich je nach Gewebe |
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Strukturelle MRT
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• Anwendungen in den Neurowissenschaften:
• Lokalisation von Hirnschädigungen bei Patienten • Voxel-based morphometry (VBM): statistischer Vergleich der anatomischen MRT zweier Probandengruppen; Voxel (3D-Pixel): Volume + Pixel (3x3x3mm) • Korrelation mit Verhaltensdaten • Longitudinalstudien (Entwicklung und Plastizität) • Erleichterte Lokalisation von EEG/MEG-Quellen • Durch die Wahl der verschiedenen Pulse, den Messzeitpunkt der Relaxation und anderer Pa- rameter kann man unterschiedliche Kontraste erzeugen, z.B. Unterschied fettreicher u. was- serreicher Areale (z.B. dunkle Liquorräume) |
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MRT: Diffusions-Tensor-Imaging
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• Auch anatomisch, aber darauf fokussiert, welche Areale mit welchen verbunden sind
• „Fiber Tracking“: Faserverbindungen (weiße Substanz) • Es wird gemessen, wie sich Wasser im Gehirn bewegt; die Bewegung ist nicht zufällig, weil Axone eine Längsrichtung habenRekonstruktion des Faserverlaufs im Gehirn • Alle Bewegungsrichtungen werden in unterschiedlichen Farben dargestellt |
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Funktionelle MRT (fMRT)
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• Prinzip
• Gehirn verbraucht 20% des im Körper benötigten Sauerstoffs • Sauerstoff und Glucose werden ständig über Blutversorgung geliefert • fMRT-Signal basiert auf BOLD-Kontrast (blood oxygen level dependent response): unter- schiedliche magnetische Eigenschaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglob- in (in roten Blutkörperchen) • Erhöhung der neuronalen Aktivität bewirkt verstärkten Blutfluss • Diese sogenannte hämodynamische Antwort ist langsam (Peak nach 4-6 s, Dauer 14-20 s) • Vorteile • Nicht-invasiv • Relativ gute räumliche Auflösung (2-4 mm), auch Signale aus tieferen Hirnregionen • Akzeptable zeitliche Auflösung (Sekunden; aber schlechter als EEG u. MEG) |
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Limitationen
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• Signalverlust und –verzerrung in der Nähe der Sinus (z.B. orbitofrontaler Kortex, Temporalla-
ppen) • Beobachtete Aktivität ist nicht kausal für Verhalten und nicht immer notwendig für Verhal- tensaufgabe, z.B. hippocampale Aktivität in Arbeitsgedächtnisaufgaben, in denen hippocam- pale Schädigungen keine Beeinträchtigung bewirken • Niemals möglich: Rückschlüsse auf kognitive Prozesse basierend auf fMRT-Aktivierung („re- verse inference“) |
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fMRT-Analyse und -Darstellung
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• Funktional-regionale Spezialisierung
• Aufnahme des ganzen Gehirns besteht aus ca. 30-40 einzelnen Schichten u. dauert ca. 1,5-3 s • Es werden viele Aufnahmen gemacht (z.B. 30 min Gesamtdauer); nicht so hochauflösend • Prinzip wie bei anderen Verfahren: Daten über viele gleiche Reize / Aufgaben mitteln und statis- tisch mit Kontrollaufgabe vergleichen • Man kann sagen in welchen Teilen des Gehirns der Blutfluss durch die Experimental-Aufgabe zugenommen hat und schließt indirekt auf neuronale Aktivität zurück • Das statistische Verfahren zum Vergleich der gemessenen BOLD-Antwort zwischen Experimen- talbedingung und Kontrollaufgabe ergibt statistische Kennwerte (T- und Z-Werte), aus denen die Signifikanz hervorgeht • In der Ergebnisdarstellung wird eine Signifikanzschwelle definiert und die signifikanten Werte farbcodiert dargestellt • Diese Werte werden über eine anatomische/strukturelle Aufnahme gelegt (meist nicht von demselben Probanden), um die Lokalisation zu ermöglichen |
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fMRT – weitere Analysemethoden
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• Konnektivitätsanalysen: aus dem zeitlichen Muster der Aktivierung verschiedener Hirnareale kann man auf funktionelle Netzwerke schließen („welche Regionen arbeiten zusammen“)
• Multivariate Mustererkennung: Information einzelner Voxel wird genutzt, um Daten zu klassifi- zieren u. computerisiert zu erkennen, welche Reize/Aufgaben eine Person wann bekommen hat |
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Positronenemissionstomographie (PET)
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1. Herstellung einer radioaktiv markierten Substanz (enthält Radioisotop von F, C, N oder O)
2. Injektion dieses sogenannten Tracers 3. Isotope zerfallen und emittieren Positronen 4. Positronen kollidieren mit Elektronen u. erzeugen Photonen hoher Energie (werden im Winkel von 180° freigesetzt) 5. Photonen werden als Gammastrahlung an Detektoren gemessen |
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PET: Prinzip
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• Photonen verlassen Kopf in entgegengesetzter Rich- tung
• Detektoren registrieren gleichzeitig eintreffende Strahlung • Daraus lässt sich Entstehungsort der Strahlung ermitteln • >12.000 Detektoren in hintereinander liegenden Ringen ermöglichen räumliche Auflösung von ca. 5-10 mm |
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PET: Radiopharmaka
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• Radioisotope können in viele verschiedene Substanzen eingebaut werden
• Radiopharmaka konzentrieren sich an Stellen im Gehirn, wo sie binden oder verstärkt benötigt werdenMessung vieler verschiedener Parameter möglich, z.B. Stoffwechselaktivität, Durch- blutung, Synthese und Ausschüttung bestimmter Transmitter • Darstellung meist wie fMRT, basierend auf statistischen Signifikanzwerten • Halbwertszeit je nach verwendetem Isotop 2-120 min, deswegen muss Zyklotron vor Ort sein (Teilchenbeschleuniger zur Erzeugung der radioaktiven Isotope – teuer!) |
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Nutzen von PET
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• Nachteile: Strahlung, sehr hohe Kosten, schlechtere (v.a. zeitliche) Auflösung als fMRT
• Vorteil: Spezifität der Tracer heute häufigster Einsatz zur Untersuchung bestimmter Transmittersysteme |
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Weitere Messmethoden
Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS) |
• Kostengünstig und nicht-invasiv
• Basiert wie fMRT auf Blutfluss (hämodynamische Antwort): misst unterschiedliche Absorptionen von Licht im Nah-Infrarotbereich durch oxygeniertes und desoxygeniertes Hämoglobin • Nur für oberflächennahe Areale • Klein und tragbar: Probanden können z.B. im Raum navigieren • Auch bei Kleinkindern anwendbar, da keine Nebenwirkungen |
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Mikrodialyse
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• Messung der Konzentration von extrazellulären Substan- zen, z.B. Neurotransmitter
• Invasives Verfahren nur im Tierversuch • Kanüle, in der Flüssigkeit zirkuliert, wird in ein Areal plat- ziert und Substanzen aus der Extrazellulärflüssigkeit dif- fundieren in die Flüssigkeit • Flüssigkeit wird gesammelt und chemisch analysiert |
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Patch-Clamp-Technik
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• Messung der elektrischen Signale von einzelnen Ionenkanälen oder ganzen Zellen möglich
• Feine Glaselektrode (1 μm) wird an die Zellmembran gebracht • Spannung der Zellmembran kann experimentell kontrolliert werden • Es können Substanzen in die Zelle eingebracht werden • Gleichzeitig kann die Zelle in vitro mit Elektroden oder von anderen Zellen (synaptisch) stimuliert werden |
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Beeinflussung neuronaler Aktivität
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• Kurzzeitige, kontrollierte Gabe einer pharmakologischen Substanz (z.B. Koffein, Nikotin, andere Drogen, Transmitteragonisten oder –antagonisten, Hormone)
• Messung der Verhaltensparameter im Vergleich von experimenteller Substanz und Placebo • Gleichzeitige Messung neuronaler Aktivität möglich • Studien mit menschlichen Probanden: Substanz kann nur systemisch verabreicht werden, nicht selektiv in einzelne Hirnregionen; Einschränkungen wegen Nebenwirkungen / Sicherheit • In Tierstudien: Substanzen können mittels Kanülen in spezifische Hirnregionen verabreicht wer- den; größere Bandbreite an möglichen Pharmaka |
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Kontrollierte Läsionsstudien
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• Ist eine bestimmte Hirnregion notwendig für eine bestimmte Aufgabe?
• Invasiv, gezielte Schädigung (Läsion) nur im Tierversuch • Hirnareal wird selektiv lädiert, anschließend Messung der Verhaltensparameter im Vergleich mit Kontrollgruppe und/oder im Vergleich derselben Tiere vor der OP • Zu berücksichtigen: Einfluss auf Verhalten kann indirekt (über Beeinflussung eines anderen Ver- haltens) erfolgen; Läsion eines Areals beeinflusst weitere Areale eines Netzwerks |
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Invasive Studien: Durchführung
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• Stereotaktischer Hirnatlas enthält Koordinaten der Gehirnareale
• Stereotaktische Apparatur fixiert Kopfposition in Haltevorrichtung • Ausrichtung in stereotaktischem Apparat ermöglicht präzise Positionierung, z.B. von Elektroden • Stereotaktische Operationen sowohl bei Versuchstieren als auch bei medizinischen Operationen bei Patienten eingesetzt (Patient bei Bewusstsein u. kann mit Arzt kommunizieren) |
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Transkranielle Magnetstimulation (TMS)
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• Spule erzeugt ein Magnetfeld über der Kopfoberfläche
• Löst Stromfluss in oberflächennahen Neuronen aus u. stört dadurch Informationsverarbeitung • „Virtuelle Läsion“ – temporäre Beeinflussung / Unterdrückung neuronaler Aktivität • Kontrollierte Störung eines bestimmten Areals u. gleichzeitige Messung d. Verhaltensparameter • Einzelne Pulse: zeitlich genau kontrollierte, kurze Störungen • Repetitive TMS (rTMS): längere Stimulation (über Minuten)Störung noch nach Ende der TMS • Nebenwirkungen je nach Stimulationsort: Muskelzuckungen, Kopfschmerzen • Zu berücksichtigen: • Positionierung schwierig, exakte Ausrichtung der Spule notwendig • Welche Kontrollbedingung? Stimulation zu anderen Zeitpunkten der Aufgabe Stimulation über anderen Arealen • Geringe Tiefe der Stimulation (1-2 cm) • Ähnlich wie bei Läsionsstudien nicht eindeutig – Beeinflussung anderer Hirnareale im selben Netzwerk |
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Patientenstudien
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• Verhalten wird in Bezug gesetzt zu pathologischen Veränderungen bei Patienten mit Läsionen, z.B. nach Trauma, Gehirn-OP, Tumor, Schlaganfall oder wegen neurodegenerativen Erkrankung
• Zwei Typen von Studie: Einzelfälle und Patientengruppen (mit ähnlichen Läsionen) • Zwei verschiedene Ansätze: • Funktion eines Areals charakterisieren (z.B. „trägt Region X zu Funktion Y bei?“) • Kognitive Verarbeitungsprozesse charakterisieren (z.B. „werden visuelle Inputs von einem zentralen System erkannt?“) • Probleme: • Wie bei Läsionen im Tierversuch: Läsion beeinflusst andere Areale im Netzwerk; Einfluss auf Verhalten kann indirekt sein • Läsionen sind meist groß, nicht selektiv • Im Zeitraum seit der Läsion hat sich das Gehirn verändert (Reorganisation, Kompensation) |
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Genetische Studien
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• Genetische Variabilität in Zusammenhang setzen mit neuronaler Aktivität (EEG, fMRT etc.) und Verhalten
• Für einzelne Gene gibt es oft mehrere Varianten (Allele), die in der Bevölkerung unterschiedlich häufig vorkommen • Gene, für die eine neuronale Bedeutung bekannt ist (z.B. Gene für bestimmte Transmitterrezep- toren o. Enzyme), können mit Verhalten korreliert werden • Probleme • Meist ist die physiologische Auswirkung der unterschiedlichen Varianten unbekannt, sodass Interpretation der Studien eingeschränkt ist • Viele Befunde können nicht repliziert werden |
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Periphere Messwerte
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• Prozesse im Gehirn (z.B. Emotionen, Wachheit) beeinflussen vegetatives u. muskuläres System
• Periphere Messwerte können psychologische Vorgänge widerspiegeln |
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Periphere Messwerte: Herzfrequenz
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• Längerdauernde Einflüsse
• Beschleunigung: Schmerz, Angst • Verlangsamung: Entspannung, Konzentration • Phasische Einflüsse: kurze Änderungen (10-15 s) mit kleiner Amplitude (ca. 5 Schläge/min) • Beschleunigung: emotionale Stimuli • Verlangsamung: Orientierungsreaktion auf neue Stimuli |
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Periphere Messwerte: Hautleitfähigkeit
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• Elektrodermale Aktivität (EDA): Veränderungen des Hautwiderstands im Zusammenhang mit psychischen Prozessen; je mehr Wasser (Schweiß), desto leitfähiger ist die Haut
• Gemessen werden Höhe und Latenz einer phasischen Reaktion • Erhöhte Leitfähigkeit mit zunehmender Aktiviertheit • Ursache: vermutlich sympathische Regulation der Schweißdrüsen |
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Periphere Messwerte: Blickbewegungen
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• Elektrookulogramm: Retina ist gegenüber Hornhaut negativ geladen – Potentialschwankungen von Elektroden registrieren Bewegungen (im Auge entsteht Dipol)
• Eye-Tracking: Videokamera u. schwache Infrarotquelle zur Aufzeichnung von Pupille und Horn- hautreflex; Pupillenerweiterung in Reaktion auf Stimuli wird mit erfasst |
