Klinische Neuropsychologie H4. Beeldvorming Van De Hersenen

Front 1

Ontwikkeling van het beeldvormend onderzoek door de tijd

Zoals in hoofdstuk 1 is beschreven, wordt er al sinds de oudheid nagedacht over de werking en functie van de hersenen. Lange tijd had men niet de middelen om bij levende mensen naar de structuur en de werking van de hersenen te kijken.

Men was afhankelijk van onderzoek van de hersenen van overleden: het

Back 1

post mortem onderzoek. Het duurde tot in de negentiende eeuw voordat nauwkeurige informatie over de hersenen beschikbaar kwam.

Front 2

Met de komst van beeldvormende methoden om de hersenen af te beelden, veelal aangeduid met

Back 2

neurobeeldvorming ( neuro-imaging), werd het mogelijk de (aangedane) hersengebieden en hun (afwijkende) functies bij de levende mens (in-vivo) en niet-invasief te onderzoeken.

Front 3

In 1919 introduceerde de Amerikaanse neurochirurg Dandy de pneumo-encefalografie.

Pneumo- encefalografie betreft

Back 3

een invasieve techniek waarbij hersenvocht wordt verwijderd en vervangen door licht in de ventrikelruimtes van de hersenen. Deze procedure was echter behalve invasief ook zeer pijnlijk. Hij werd daarom spoedig vervangen door niet-invasieve modernere beeldvormende technieken.

In eerste instantie was dat echo-encefalografie. Bij echo-encefalografie werden geluidsgolven door de schedel gezonden en de echo’s daarvan werden opgevangen.

Front 4

EEG

Back 4

Bij echo-encefalografie werden geluidsgolven door de schedel gezonden en de echo’s daarvan werden opgevangen.

Front 5

CT-scan

Rond 1970 werd door Cormack en Hounsfield in Londen de

Back 5

computer axoial tomography (CAT) of computertomografie (CT) geïntroduceerd, waarmee anatomische beelden van de hersenen beschikbaar kwamen.

Vooral om in een acuut stadium bij opnamen van een patiënt snel een uitspraak te kunnen doen, geniet tot op de dag van vandaag de CT-scan veelal de voorkeur. Zo kan ontdekt worden of er sprake is van een hersenbloeding, confusiehaarden na een neurotrauma of dat er sprake is van een schedelbasisfractuur.

Voor wetenschappelijk anatomisch onderzoek naar de ontwikkeling van de hersenen heeft MRI inmiddels de voorkeur. CT-scans laten te weinig zien van de subtiele verschillen in hersenweefsel, met name tussen grijze en witte stof, om hersenstructuren goed af te beelden.

Front 6

Vooral om in een acuut stadium bij opnamen van een patiënt snel een uitspraak te kunnen doen, geniet tot op de dag van vandaag de …….. veelal de voorkeur.

Back 6

CT-scan veelal de voorkeur.

Zo kan ontdekt worden of er sprake is van een hersenbloeding, confusiehaarden na een neurotrauma of dat er sprake is van een schedelbasisfractuur.

Voor wetenschappelijk anatomisch onderzoek naar de ontwikkeling van de hersenen heeft MRI inmiddels de voorkeur. CT-scans laten te weinig zien van de subtiele verschillen in hersenweefsel, met name tussen grijze en witte stof, om hersenstructuren goed af te beelden.

Front 7

Voor wetenschappelijk anatomisch onderzoek naar de ontwikkeling van de hersenen heeft ……..inmiddels de voorkeur.

Back 7

MRI inmiddels de voorkeur.

CT-scans laten te weinig zien van de subtiele verschillen in hersenweefsel, met name tussen grijze en witte stof, om hersenstructuren goed af te beelden.

Front 8

SPECT- en PET-technieken

Dankzij chemische en natuurkundige ontwikkelingen werd het begin jaren tachtig mogelijk om specifieke weefsels in de hersenen aan te kleuren en in beeld te brengen.

Radioactieve deeltjes kunnen ingebouwd worden in

Back 8

moleculen die na toediening bij een patiënt aan heel specifieke neuronen blijven hangen (receptoren).

Met camera’s voor singlephotonemissiecomputertomografie (SPECT) en positronemissietomografie (PET) worden de radioactieve deeltjes gelokaliseerd en als plaatje afgebeeld.

Front 9

SPECT en PET zijn nucleaire geneeskundige beeldvormende technieken die functionele processen van de hersenen in beeld brengen.

Door specifieke receptoren te meten kan afgeleid worden of

Back 9

bepaalde neurotransmittersysteem afwijkend functioneren.

Ook kunnen doorbloeding en energieverbruik (metabolisme) in beeld worden gebracht. Beide geven informatie over de ernst van schade na bijvoorbeeld een hersenbloeding.

Front 10

MRI

Geeft een eendimensionaal MR-beeld. Het eerste eendimensionale MR-beeld werd gemaakt in 1950 door Carr.

Met behulp van MRI kunnen

Back 10

veranderingen in de bloeddoorstroming gemeten worden, waarmee de functionele MRI of fMRI een feit werd.

Front 11

MEG en EROS

Andere beeldvormende technieken van de hersenen die momenteel toegepast worden betreffen de

M

E

Back 11

magneto-encefalografie (MEG), die gebruikmaakt van magnetische velden die worden geproduceerd tijdens neurale activiteit;

event-related optical signal (EROS), waarbij gebruik wordt gemaakt van infrarood licht aan de hand van optische fibers om hersenactiviteit te meten; en de ultrasound, die gebruikmaakt van geluidsgolven en wel toegepast mag worden bij prenataal hersenonderzoek.

Front 12

magneto-encefalografie (MEG),

Back 12

die gebruikmaakt van magnetische velden die worden geproduceerd tijdens neurale activiteit;

event-related optical signal (EROS), waarbij gebruik wordt gemaakt van infrarood licht aan de hand van optische fibers om hersenactiviteit te meten; en de ultrasound, die gebruikmaakt van geluidsgolven en wel toegepast mag worden bij prenataal hersenonderzoek.

Front 13

event-related optical signal (EROS),

Back 13

waarbij gebruik wordt gemaakt van infrarood licht aan de hand van optische fibers om hersenactiviteit te meten; en de ultrasound, die gebruikmaakt van geluidsgolven en wel toegepast mag worden bij prenataal hersenonderzoek.

Front 14

4.2 structurele beeldvorming

Om de anatomie van de hersenen in vivo in beeld te brengen wordt vooral gebruik gemaakt van

C

M

Back 14

de CT-scanner en de MRI-scanner. Beide methoden vullen elkaar aan, hoewel voor wetenschappelijk onderzoek naar de hersenen MRI in veel gevallen de voorkeur heeft.

Front 15

CT-scan: beeldvorming

Met behulp van CT werd het voor het eerst mogelijk om hersenweefsel

Back 15

niet-invasief en hoog resoluut zichtbaar te maken.

De klassieke röntgenfoto wordt gemaakt door röntgenstralen door het lichaam te zenden en op te vangen op een filmplaat die gevoelig is voor die stralen. Bij CT worden er in wezen heel veel foto’s gemaakt. Vervolgens worden de beelden samengevoegd met wiskundige algoritmen en kan men in detail op elke lek in het hoofd kijken.

Met behulp van de CT-scanner is het bot heel goed in beeld te brengen. Ook zijn de ventrikels goed te onderscheiden van hersenweefsel. Om te onderzoeken of er sprake is van een bloeding of ruimte- innemend proces wordt ook veel van de CT-scanner gebruikgemaakt. Ondanks de nadelen van CT, zoals een lagere spatiële resolutie dan MRI en de kankerverwekkende röntgenstraling, is de CT-scan nog steeds de enige optie voor mensen met contra-indicaties voor MRI, zoals metalen implantaten, claustrofobie of sterk overgewicht.

Front 16

Met behulp van de CT-scanner is

het …..heel goed in beeld te brengen.

Ook zijn de …... goed te onderscheiden van …….

Om te onderzoeken of er sprake is van …... wordt ook veel van de CT-scanner gebruikgemaakt.

Back 16

het bot heel goed in beeld te brengen.

Ook zijn de ventrikels goed te onderscheiden van hersenweefsel.

Om te onderzoeken of er sprake is van een bloeding of ruimte- innemend proces wordt ook veel van de CT-scanner gebruikgemaakt.

Ondanks de nadelen van CT, zoals een lagere spatiële resolutie dan MRI en de kankerverwekkende röntgenstraling, is de CT-scan nog steeds de enige optie voor mensen met contra-indicaties voor MRI, zoals metalen implantaten, claustrofobie of sterk overgewicht.

Front 17

Ondanks de nadelen van CT, zoals een lagere spatiële resolutie dan MRI en de kankerverwekkende röntgenstraling, is de CT-scan nog steeds de enige optie voor mensen met

Back 17

contra-indicaties voor MRI, zoals metalen implantaten, claustrofobie of sterk overgewicht.

Front 18

MRI-scan: MRI als techniek

Van de moderne beeldvormende methoden is de MRI-scanner een zeer belangrijke en veelgebruikte.

MRI geeft in hoge resolutie informatie over hersenstructuur.

Met behulp van MRI kunnen

Back 18

grijze en witte stof goed onderscheiden worden.

Met structurele MRI is het daardoor mogelijk om te meten hoe groot de hersenen zijn, hoeveel van de hersenen bestaat uit bedrading en hoeveel van de hersenen bestaat uit neuropil (grijze stof, waartoe de kernen behoren van de neuronen en andere cellen).

Front 19

MRI geeft zeer nauwkeurige informatie over de hersenen en is niet schadelijk.

Soms wordt gebruikgemaakt van gadolinium als contrastof om hersenbeschadigingen beter af te beelden.

Een MRI-scanner bestaat uit

Back 19

een zeer sterke hoofdmagneet die permanent aanstaat, en een aantal ‘bijmagneten’ die heel snel aangezet en weer uitgeschakeld kunnen worden.

In een sterk magneetveld reageert weefsel een klein beetje, in die zin dat waterstofdeeltjes hun as van rotatie langs de veldlijnen leggen.

Elke waterstofdeeltje bevat 1 proton, met een positieve lading, dat van nature om zijn eigen as draait. In een magneetveld neemt de snelheid van rotatie toe.

De draaisnelheid is direct gekoppeld aan de sterkte van het magneetveld, en dat is 42,5 miljoen wentelingen per tesla (eenheid van magneetveldsterkte).

Front 20

De draaisnelheid is direct gekoppeld aan de sterkte van het magneetveld, en dat is 42,5 miljoen wentelingen per tesla (eenheid van magneetveldsterkte).

Bij een dergelijke snelheid wekt een proton een

Back 20

klein magneetveld van zichzelf op, wat ertoe leidt dat het weefsel licht magnetische wordt en reageert op veranderingen in het magneetveld.

Een heel klein deel van de protonen draait zich evenwijdig aan het grote magneetveld. In de behuizing van de MRI-scanner zitten ook een zender en ontvangers voor radiogolven ingebouwd.

De zender geeft heel korte pulsen af, die de evenwijdig draaiende protonen even uit het loods slaan; ze nemen in feite de energie van de puls in zich op. Zodra een puls stopt, vallen deze protonen terug in hun originele oriëntatie, en geven daarbij energie af in de vorm van radiogolven, die vervolgend door de ontvangers worden opgepikt.

Nu is het zo dat een proton alleen radiogolven opneemt die precies bij zijn draaisnelheid passen, de voorkeursfrequentie. Aangezien de draaisnelheid puur afhangt van de sterkte van het magneetveld in zijn directe omgeving, leidt een plaatselijke afwijking van de sterkte tot een afwijkende voorkeursfrequentie.

Front 21

Een heel klein deel van de protonen draait zich evenwijdig aan het grote magneetveld. In de behuizing van de MRI-scanner zitten ook een zender en ontvangers voor radiogolven ingebouwd.

De zender geeft

Back 21

heel korte pulsen af, die de evenwijdig draaiende protonen even uit het loods slaan; ze nemen in feite de energie van de puls in zich op. Zodra een puls stopt, vallen deze protonen terug in hun originele oriëntatie, en geven daarbij energie af in de vorm van radiogolven, die vervolgend door de ontvangers worden opgepikt.

Nu is het zo dat een proton alleen radiogolven opneemt die precies bij zijn draaisnelheid passen, de voorkeursfrequentie. Aangezien de draaisnelheid puur afhangt van de sterkte van het magneetveld in zijn directe omgeving, leidt een plaatselijke afwijking van de sterkte tot een afwijkende voorkeursfrequentie.

Front 22

Nu is het zo dat een proton alleen radiogolven opneemt die precies bij zijn draaisnelheid passen, de voorkeursfrequentie.

Aangezien de draaisnelheid puur afhangt van de sterkte van het magneetveld in zijn directe omgeving, leidt een plaatselijke afwijking van de sterkte tot ...

Back 22

een afwijkende voorkeursfrequentie.

Front 23

Om een volledig beeld van het weefsel te maken moeten er reeksen van pulsen en gradiënten worden aangezet. Zo kan elk soort weefsel helder gemaakt worden of juist donker.

Informatie over schillende weefsels wordt verkregen doordat

Back 23

protonen, afhankelijk van het soort weefsel waarin zij zich bevinden, er korter of langer over doen om terug te keren in hun oorspronkelijke lage energetische staat.

Deze worden beschreven in waarden zoals T1, T2 of T2. Voor hersenanatomie wordt veelal gebruikgemaakt van een T1-gewogen scan van het hele hoofd. T2-gewogen beelden worden vaak gemaakt om wittestofintensiteiten goed zichtbaar te maken.

Front 24

Structurele beeldverwerking

De verwerking en kwantificatie van de hersenfoto’s wordt vaak aangeduid als

Back 24

beeldverwerking of image processing.

Aangezien de beeldverwerking bij MRI veelvuldig wordt toegepast om relevante anatomische informatie te relateren aan psychologische functies en aan neurologische en psychiatrische afwijkingen, is het relevant om wat langer stil te staan bij de methoden die hiervoor ontwikkeld zijn.

Front 25

Volumetrie en VBM

Het volume van de hersenen, de totale grijze en witte stof, de hoeveelheid cerebrospinaal vocht en dat van verschillende kernen in de hersenen, kan goed worden bepaald op basis van

Back 25

T1-gewogen MRI-scans van de hele hersenen.

Bij deze volumetrie wordt gebruikgemaakt van zogenaamde voxels (driedimensionale pixels met een resolutie van ongeveer 1 kubieke millimeter). Iedere voxel heeft een bepaalde grijswaarde, die gerelateerd is aan een bepaald soort weefsel. Door die voxels te labelen die bij een bepaald weefsel horen kan door de voxels te tellen en te vermenigvuldigen met hun grootte, eenvoudigweg het volume bepaald worden. Het is ook mogelijk om de dichtheid van de grijze en witte stof te bepalen, namelijk met voxel-based morfometrie (VMB). Het behulp van VBM wordt per voxel vastgesteld wat de dichtheid is van de grijze (of witte) stof.

Front 26

Bij deze volumetrie wordt gebruikgemaakt van zogenaamde voxels (driedimensionale pixels met een resolutie van ongeveer 1 kubieke millimeter).

Iedere voxel heeft een bepaalde grijswaarde, die gerelateerd is aan een bepaald soort weefsel. Door die voxels te labelen die bij een bepaald weefsel horen kan door de voxels te tellen en te vermenigvuldigen met hun grootte, eenvoudigweg ….

Back 26

het volume bepaald worden.

Het is ook mogelijk om de dichtheid van de grijze en witte stof te bepalen, namelijk met voxel-based morfometrie (VMB). Het behulp van VBM wordt per voxel vastgesteld wat de dichtheid is van de grijze (of witte) stof.

Front 27

Cortical thickness

In veel onderzoek wordt ook de dikte van de cortex onderzocht. Cortical thickness verschilt van de eerdergenoemde methodes in die zin dat

Back 27

lokaal de dikte van de cortex wordt bepaald, en niet het volume of de kans op grijze stof ter plaatse.

Daarnaast kan ook de cortical surface van de hersenen worden gemeten. Deze meting geeft informatie over het oppervlak van de cortex en de curvatures.

Het is bekend dat neuronen binnen de hersenschors (cortex) georganiseerd zijn in ontogenische kolommen die zich dwars op het hersenoppervlak bevinden. Er wordt vanuit gegaan dat de cortical thickness iets zegt over het aantal cellen binnen een kolom.

Front 28

Het is bekend dat neuronen binnen de hersenschors (cortex) georganiseerd zijn in ontogenische kolommen die zich dwars op het hersenoppervlak bevinden.

Er wordt vanuit gegaan dat de cortical thickness iets zegt over

Back 28

het aantal cellen binnen een kolom.

Front 29

DTI

Bij het maken van diffusiescans wordt gebruikgemaakt van de eigenschappen van

Back 29

watermoleculen.

Watermoleculen bewegen zich in een vrij medium in alle richtingen gelijk: zij vertonen isotrope diffusie. In weefsel echter wordt de bewegingsvrijheid beperkt in bepaalde richtingen, en in dat geval is de diffusie ongelijk verdeeld: ze is anisotroop.

Zo heeft een molecuul binnen een axon van een neuron een lagere kans om het membraan te kruisen en heeft deze meer de neiging om in de lengterichting van de axon te bewegen. Door lokaal de fractionele anisotropie (FA) te berekenen, kunnen op basis van die richting informatie wittestofbanen worden gereconstrueerd.

Front 30

Watermoleculen bewegen zich in een vrij medium in alle richtingen gelijk: zij vertonen….

Back 30

isotrope diffusie.

In weefsel echter wordt de bewegingsvrijheid beperkt in bepaalde richtingen, en in dat geval is de diffusie ongelijk verdeeld: ze is anisotroop.

Zo heeft een molecuul binnen een axon van een neuron een lagere kans om het membraan te kruisen en heeft deze meer de neiging om in de lengterichting van de axon te bewegen. Door lokaal de fractionele anisotropie (FA) te berekenen, kunnen op basis van die richting informatie wittestofbanen worden gereconstrueerd.

Front 31

Zo heeft een molecuul binnen een axon van een neuron een lagere kans om het membraan te kruisen en heeft deze meer de neiging om in de lengterichting van de axon te bewegen.

Door lokaal de fractionele anisotropie (FA) te berekenen, kunnen op basis van die richting….

Back 31

informatie wittestofbanen worden gereconstrueerd.

Front 32

MRS

Magnetische-resonantiespectroscopie (MRS) geeft op een niet-invasieve manier informatie over concentraties van bepaalde moleculen in de hersenen.

Hoe sterker het magnetische veld, hoe

Back 32

nauwkeuriger de meting.

Hoewel MRS beeldvorming van de hele hersenen mogelijk maakt, wordt veelal juist meer informatie van een specifieke locatie in de hersenen verkregen.

De techniek maakt gebruik van de eigenschappen van waterstof (H) en fosfor (P). Nadat bij het maken van de MRI-scan de vrijgekomen energie is gedetecteerd door de scanner, wordt het signaal mathematisch uitgelezen is een proces dat fouriertransformatie heet.

Front 33

Hoewel MRS beeldvorming van de hele hersenen mogelijk maakt, wordt veelal juist meer informatie van een specifieke locatie in de hersenen verkregen.

De techniek maakt gebruik van de eigenschappen van

W

F

Back 33

waterstof (H) en fosfor (P).

Nadat bij het maken van de MRI-scan de vrijgekomen energie is gedetecteerd door de scanner, wordt het signaal mathematisch uitgelezen is een proces dat fouriertransformatie heet.

Front 34

Functionele beeldvorming

De relatie tussen gedrag en neurale activiteit in de hersenen is een van de belangrijkste onderwerpen van wetenschappelijk onderzoek.

Voor het bemeten van hersenfuncties zijn we aangewezen op een methode waarmee

Back 34

een verandering in activiteit gemeten wordt.

Het basisprincipe is dat activiteit van een gebied alleen kan worden afgelezen aan het verschil in energieverbruik tussen de actieve toestand en de rusttoestand.

De eenvoudigste toepassing is de subtractiemethode, waarbij twee metabolismescans worden genomen: de eerste scan terwijl de persoon geen bepaalde taak uitvoert en de tweede terwijl deze taak wel wordt uitgevoerd.

Door het eerste beeld van het tweede af te trekken kunnen we zien welke gebieden meer of minder actief zijn tijdens uitvoering van de taak in vergelijking met de rusttoestand. Alle gebieden die niet betrokken zijn, zijn in beide beelden even actief en verdwijnen door subtractie uit het eindbeeld. Alle functionele beeldvormende technieken zijn gebaseerd op het substractieprincipe.

Front 35

De eenvoudigste toepassing is de subtractiemethode, waarbij twee metabolismescans worden genomen: de eerste scan terwijl de persoon geen bepaalde taak uitvoert en de tweede terwijl deze taak wel wordt uitgevoerd.

Door het eerste beeld van het tweede af te trekken kunnen we zien

Back 35

welke gebieden meer of minder actief zijn tijdens uitvoering van de taak in vergelijking met de rusttoestand.

Alle gebieden die niet betrokken zijn, zijn in beide beelden even actief en verdwijnen door subtractie uit het eindbeeld. Alle functionele beeldvormende technieken zijn gebaseerd op het substractieprincipe.

Functionele beeldvormende technieken verschillen van elkaar in termen van spatiële en temporele resolutie, oftewel wat betreft de scherpte van de beelden en de snelheid van opnames.

Front 36

Functionele beeldvormende technieken verschillen van elkaar in termen van

Back 36

spatiële en temporele resolutie, oftewel wat betreft de scherpte van de beelden en de snelheid van opnames.

Front 37

Het meten van elektrische signalen

De actiepotentialen die hersencellen genereren bij het overdragen van informatie veroorzaken elektrische velden die aan de buitenkant van het hoofd kunnen worden gemeten.

We kunnen daarbij ruwweg twee soorten van activiteit onderscheiden:

CN

CG

Back 37

communicatie tussen neuronen binnen een hersengebied, en

communicatie tussen verschillende gebieden.

Elektro-encefalografie (EEG) is de meest gebruikte methode voor functionele beeldvorming. Met ingewikkelde rekenmodellen kunnen de posities van actieve neuronen tot op zekere hoogste worden achterhaald. Een probleem hierbij is dat de elektrische velden verstoord worden door omliggend weefsel, de schedel en de huid, waardoor de foutmarge bij de positiebepaling vrij groot is. Magneto-encefalografie (MEG) meet de magnetische velden die door actiepotentialen worden opgewekt: een elektrisch veld wekt tegelijk een magnetisch veld op, een fenomeen dat bekendstaat als elektromagnetische inductie.

Magnetische velden worden niet verstoord door weefsel of bot, en daardoor maakt MEG een nauwkeuriger plaatsbepaling van hersenactiviteit mogelijk dan EEG.

Front 38

Elektro-encefalografie (EEG) is de meest gebruikte methode voor functionele beeldvorming.

Met ingewikkelde rekenmodellen kunnen de posities van actieve neuronen tot op zekere hoogste worden achterhaald. Een probleem hierbij is dat

Back 38

de elektrische velden verstoord worden door omliggend weefsel, de schedel en de huid, waardoor de foutmarge bij de positiebepaling vrij groot is.

Magneto-encefalografie (MEG) meet de magnetische velden die door actiepotentialen worden opgewekt: een elektrisch veld wekt tegelijk een magnetisch veld op, een fenomeen dat bekendstaat als elektromagnetische inductie. Magnetische velden worden niet verstoord door weefsel of bot, en daardoor maakt MEG een nauwkeuriger plaatsbepaling van hersenactiviteit mogelijk dan EEG.

Front 39

Magneto-encefalografie (MEG) meet de magnetische velden die door actiepotentialen worden opgewekt:

Back 39

een elektrisch veld wekt tegelijk een magnetisch veld op, een fenomeen dat bekendstaat als elektromagnetische inductie.

Magnetische velden worden niet verstoord door weefsel of bot, en daardoor maakt MEG een nauwkeuriger plaatsbepaling van hersenactiviteit mogelijk dan EEG.

Front 40

Elektro-encefalografie (EEG)

Enkele tientallen elektroden worden op het hoofd verdeeld over de schedel aangebracht, met gel om een geleidende verbinding te maken met de huid. De elektrische velden die opgewekt worden in de hersenen worden door alle elektroden opgepikt.

Uit al die signalen kunnen drie soorten informatie worden gehaald:

Back 40

1. Informatie dat afkomstig is van het signaal dat elke elektrode oppikt van het hersenweefsel dat daar het dichtst bij ligt. Uit het gemiddelde signaal, de event-related potential (ERP) genoemd, kan informatie over het tijdsverloop en de sterkte van de neurale reactie worden afgeleid.

2. De schommeling van het EEG-signaal. De schommelingen worden veroorzaakt door elektrische ritmen in het brein. Bepaalde ritmen, zoals de alfa- en bètagolven, worden geassocieerd met hersenfuncties. De sterkte van de verschillende golven kan berekend worden, en geeft bijvoorbeeld een indicatie van de mate van concentratie.

3. EEG-data kan zo omgerekend worden dat de locaties van gebieden die op een taak reageren, kunnen worden bepaald in de hersenen, zelfs als ze dieper gelegen zijn.

Front 41

De temporele resolutie voor EEG is hoog, maar de gevoeligheid is veel te laag voor het meten van individuele neuronen.

Het EEG meten we vooral

Back 41

signalen van grote aantallen neuronen die gezamenlijk reageren, en dat beperkt detectie tot sterke veranderingen in hersenactiviteit.

De elektrische velden zijn het sterkst rond de zenuwbundel die verschillende, afgelegen, hersengebieden met elkaar verbinden, dus waarschijnlijk meet EEG vooral signalen langs die verbindingen.

De spatiële resolutie is beperkt tot ongeveer 1 a 2 cm (gebieden die dichter bij elkaar liggen zien eruit als 1 gebied) door weefsel en schedel, en zowel de nauwkeurigheid als de gevoeligheid neemt sterk af naarmate hersengebieden dieper liggen.

Front 42

De elektrische velden zijn het sterkst rond de zenuwbundel die verschillende, afgelegen, hersengebieden met elkaar verbinden, dus waarschijnlijk meet EEG vooral signalen langs die verbindingen.

De spatiële resolutie is beperkt tot

Back 42

ongeveer 1 a 2 cm (gebieden die dichter bij elkaar liggen zien eruit als 1 gebied) door weefsel en schedel, en zowel de nauwkeurigheid als de gevoeligheid neemt sterk af naarmate hersengebieden dieper liggen.

Front 43

Magneto-encefalografie (MEG)

MEG meet de magnetische velden die neuronen opwekken, en kan nauwkeuriger de plaats van actieve gebieden bepalen. Bovendien kunnen met MEG hersengolven gemeten worden die met EEG niet goed te zien zijn, namelijk de zogenaamde hoge gammagolven.

Deze worden gegenereerd door

Back 43

plaatselijke communicatie tussen neuronen binnen een gebied.

Ook voor MEG geldt dat de nauwkeurigheid en de gevoeligheid sterk afnemen voor dieper gelegen gebieden.

Front 44

Het meten van hemodynamische signalen

In de jaren tachtig van de vorige eeuw werd voor het eerst met succes hersenactiviteit gemeten met PET. Hiervoor werd water radioactief gemaakt en in de bloedbaan ingebracht.

Het water wordt opgenomen door hersenweefsel in een mate die afhankelijk is van het plaatselijke zuurstofgebruik. Een hoge mate van neurale activiteit leidt dus tot

Back 44

opnamen van veel radioactief water uit het bloed.

De camera ziet dan een hoge concentratie radioactiviteit in dat specifieke hersengebied. Uniek aan deze methoden waren de spatiële resolutie en de gevoeligheid voor activiteit in dieper gelegen gebieden.

In het begin van de jaren negentig kwam functionele magnetic resonance imaging (fMRI) op als sterke concurrent.

Front 45

fMRI

Functionele MRI maakt gebruik van een MRI-scanner. Injectie van een contrastvloeistof is niet nodig.

De MRI-scanner is in staat om

Back 45

elke seconde een compleet beeld van de hersenen te maken, waardoor ook korte momenten van activiteit zichtbaar zijn. De temporele resolutie is beperkt.

Omdat de hemodynamische respons, de reactie van de bloedvaten op een toename van neurale activiteit, veel trager is dan de neurale respons zelf: een neurale respons van enkele tientallen milliseconden leidt tot een toenamen van doorbloeding twee seconde later. De spatiële respons is bijzonder goed.

Front 46

Omdat de hemodynamische respons, de reactie van de bloedvaten op een toename van neurale activiteit, veel trager is dan de neurale respons zelf:

Back 46

een neurale respons van enkele tientallen milliseconden leidt tot een toenamen van doorbloeding twee seconde later.

De spatiële respons is bijzonder goed.

Front 47

Voor fMRI maakt de MRI-scanner series van scans die inzicht geven in veranderingen in hersenactiviteit.

De scans zijn zo gemaakt dat ze gevoelig zijn voor bepaalde eigenschappen van bloed. De essentie van fMRI is

Back 47

dat we hemoglobine (Hb) in het bloed gebruiken als natuurlijke contrastvloeistof.

Daar waar neuronen actiever worden neemt de bloedtoevoer toe, en wordt meer zuurstof afgenomen van de hemoglobinemoleculen. Zuurstofrijk Hb, die net van de longen afkomt, verstoort het magneetveld niet. Als echter de zuurstof is afgegeven en de Hb zuurstofarm is geworden, reageren de ijzerdeeltjes wel op het veld.

De scanner krijgt dan minder signaal terug van de originele frequentie, en dat vertaalt zich in een donker puntje in het eindbeeld. Kortom: daar waar meer zuurstof wordt opgenomen, daalt de signaalsterkte in het fMRI-plaatje.

Front 48

Functionele beeldverwerking

Analyse van hersenfunctiemetingen is niet eenvoudig. Voor het in beeld brengen van activiteitspatronen worden wiskundige modellen gebruikt die voor elke meetmethode verschillend zijn.

De essentie voor de analyses is echter hetzelfde:

Back 48

voor elk gebied wordt vastgesteld of het signaal de taak die de proefpersoon uitvoert volgt.

De taak is zo samengesteld dat specifieke hersenfuncties worden aangeroepen op specifieke momenten.

Front 49

De afgelopen jaren zijn er twee nieuwe methoden ontwikkeld om functionele neuro- imaginggegeven (voornamelijk afkomstig van fMRI) te analyseren, waarbij niet elk gebied apart wordt bekeken, maar juist de samenhang tussen gebieden.

De eerste, de zogenaamde resting state- methode, zoekt naar

Back 49

de correlaties tussen (signalen van) gebieden, en levert een beeld op van functionele netwerken. Hiervoor is geen taak nodig, dus de proefpersoon hoeft alleen maar 5 tot 10 minuten te ontspannen.

Hier spelen twee factoren een rol:

-tijdens ontspanning gaat het signaal heel langzaam omhoog en omlaag (low frequency fluctuation), en dit patroon is gelijk voor alle gebieden binnen een netwerk.

-Daarnaast leiden gedachten tot korte, willekeurige, momenten van activatie van een netwerk.

Front 50

De tweede methode wordt ook wel de mind reading genoemd, en gebruikt patronen van

Back 50

hersenactivatie om te herleiden wat een persoon ziet. Eerst worden hersenpatronen bepaald, die opgeroepen worden met een taak.

Verschillende visuele stimuli worden aangeboden, bijvoorbeeld foto’s van huizen en gezichten. Nadat de twee patronen zijn berekend, ziet de persoon weer foto’s van dezelfde twee categorieën.

Ditmaal zoekt een computerprogramma naar het voorkomen van twee patronen, en rapporteert wanneer het een patroon ziet optreden. Zo kan de onderzoeker uit de hersenactiviteit afleiden of de persoon een huis of een gezicht ziet.