Brain Imaging Methods
College 1 – Introductie
Cognitieve neuropsychologie: studie van de relatie tussen structuur en functie van de hersenen en specifieke cognitieve functies (o.a. taal,
geheugen, aandacht). Er kan hierbij gekeken worden naar:
- Cognitieve processen in gezonde mensen.
- Cognitieve processen bij mensen met hersenschade door verschillende oorzaken.
Studie Ali et al. (2014): mensen zijn snel overtuigd als het gaat om ‘neuroscience’ informatie. Studenten konden overtuigd worden dat een
haardroger uit een salon een instrument was om gedachtes te lezen. Ze zeiden dat de methode goed was en waren verder niet sceptisch.
Studie Verbeke (2009): zei dat binnen 5 jaar hersenscans gebruikt zullen worden bij het solliciteren naar belangrijke banen. Dit wordt niet
gedaan omdat fMRI alleen wat kan zeggen op groepsniveau en niet over individuen.
Andere toepassingen van hersenscans: rechtszaal
- Persoonlijkheidsmetingen
- Leugendetectie
- Brain decoding: techniek waarbij mensen proberen mentale toestanden, percepties of intenties af te leiden uit hersenactiviteit.
Meestal wordt hier fMRI voor gebruikt.
o Persoon kijkt aantal keer naar dezelfde stimuli (plaatje van een huis). Tijdens het kijken wordt de hersenactiviteit
gemeten.
o Een algoritme leer welke activatiepatronen horen bij welke type stimulus.
o Het algoritme krijgt nieuwe data en probeert te voorspellen wat de persoon zag. Je kunt bekende patronen vergelijken
met nieuwe en zo bepalen of een persoon een stimuli al eerder heeft gezien.
Neurowetenschappelijk bewijs heeft invloed waarop de rechter oordeelt, soms is er een kortere straf als er bewezen is dat er iets mis is in de
hersenen van de dader.
Sterke en zwakke punten hersenscans
- Hersenscans zijn goed voor: tumoren, dementie, milde cognitieve achteruitgang (neurologisch).
- Hersenscans zijn slecht voor: depressie, autisme, schizofrenie (psychiatrie en mentale stoornissen). Komt omdat hierin veel
heterogeniteit is: verschillen worden vooral op het niveau van een groep gezien. Je kunt het dus (nog) niet gebruiken om een
individu een diagnose te geven.
Basis van neurale signalen
Neuronen: hersencellen met een celkern in de grijze massa van de cerebrale cortex en subcorticale structuren. De witte stof bevat axonen.
In rust heeft een neuron een potentiaal van -70mV. Post-synaptisch potentiaal kan veranderen als er input is van synapsen op dendrieten van
de naastgelegen cel. Door bijvoorbeeld excitatie van neurotransmitters in de synaptische spleet kan er een actiepotentiaal ontstaan:
- Rusttoestand (-70mV).
- Stimulus wordt aangeboden en de vuurdrempel op axonheuvel wordt bereikt (-55mV).
- Depolarisatie (spike): potentiaal stijgt (+40mV).
- Repolarisatie: potentiaal daalt naar rusttoestand (-70mV).
- Hyperpolarisatie: door openstaande K-kanalen daalt potentiaal (-73mV).
- Rusttoestand (-70mV).
Beschrijving van signalen
Signaal: verandering van functie van het post-synaptisch neuron door de input dat het krijgt. Daarnaast
hangt activatie van de post-synaptische cel af van de totale excitatie/inhibitie som.
Sinusoïde oscillatie: het simpelste signaal wat er is. Dit signaal wordt weergegeven als één lijn en gaat
steeds op en neer (zie plaatje).
Frequentie: de snelheid waarmee een signaal verandert in de tijd (hoe vaak een bepaald patroon of golf zich herhaalt per seconde). De
frequentie wordt vaak gemeten in Hertz. Als je 1 Hz hebt wil dit zeggen dat de golf 1 seconde duurt, de golf dus één keer op en neer per
seconde. Hoe meer golven er in een seconde passen, hoe hoger de frequentie.
Biologische signalen hebben nooit één frequentie die steeds gelijk blijft, het
zijn veel verschillende ‘lijntjes’ die elk hun eigen frequentie hebben. Complexe
(biologische) signalen kun je opdelen in frequentie componenten:
- Frequentie: aantal golven per seconde.
- Amplitude: de hoogte van één golf.
- Fase: wanneer een golf omhoog gaat, je kunt dit ook zien als je
verschuiving op de x-as. Als de golf begint bij 0 graden, zal het
midden van de golf bij 180 graden kruisen. Als de golf begint bij 20
graden, zal het midden van de golf bij 160 graden kruisen (zie
plaatje).
Frequentie spectrum: laat zien welke frequenties aanwezig zijn in een signaal.
- Hoogste frequentie: wordt beperkt hoe vaak je meet (sampling frequentie).
Volgens het Nyquist theorema is de bijbehorende formule: max frequentie
= 0.5 x sampling frequentie. Voorbeeld: als je 1000 keer per seconde meet
is de hoogste frequentie 500 Hz.
- Laagste frequentie wordt beperkt door hoe lang je meet. Hoe langer je meet,
hoe lagere frequenties je kunt detecteren. Bijbehorende formule: min
frequentie = 1 / meetduur in seconden. Voorbeeld: als je 10 seconden meet
is de laagste frequentie 0.1 Hz.
1
,Filtering: bepaalde frequenties uit het signaal harder of zachter maken.
- Low-pass filter: laat alleen lage frequenties door, hoge frequenties
worden eruit gehaald.
- High-pass filter: laat alleen hoge frequenties door, lage frequenties
worden eruit gehaald.
- Band-pass filter: laat een specifiek bereik van frequenties door, alles
daarnaast wordt eruit gehaald.
Spectrogram: laat zien welke frequenties er in een signaal zitten en hoe sterk de
frequenties zijn op elk moment in de tijd. Het combineert tijd, frequentie en
amplitude (sterkte). Bij het sluiten van de ogen wordt een EEG signaal sterker, op
het spectrogram zie je dan een rode/gele kleur.
Moleculaire signalen
Bekijken van chemische substanties en moleculen:
- Depolarisatie (influx Na+) en repolarisatie (efflux K+) meten.
- Two-photon calcium imaging: de calciumconcentratie is hoog in
actieve neuronen. Er wordt gemeten waar het hoogste niveau van calcium is.
Hemodynamische signalen
Dit is een meting op een grotere schaal dan moleculaire signalen. Voor actiepotentialen in cellen is energie nodig, energie komt van glucose
en glucose wordt door het bloed vervoert. Door hemodynamica kun je de bloedstroom meten en dus meten waar de meeste activiteit is.
- Temporele resolutie slecht (elektrische metingen zijn veel beter).
- Spatiele resolutie varieert sterk (varieert wel minder sterk dan elektrische signalen).
o Invasieve optische imaging: kolommenstructuur zichtbaar.
o Niet-invasieve fNIRS: aantal cm in de hersenen kunnen meten.
Maar er is een debat: er is ook energie nodig om de rustpotentiaal te herstellen en het exciteren van neurotransmitters kost ook energie. De
specifieke verdeling van energie kan verschillen tussen verschillende diersoorten en neuronen.
Dus elektrofysiologische gebeurtenissen hebben energie nodig. De amplitude van een potentiaal zegt niet veel over het energieverbruik; een
actiepotentiaal is een kettingreactie die niet erg veel energie verbruikt. Alleen het terugbrengen naar een rustpotentiaal kost energie:
energieconsumptie van een neuron correleert met het aantal actiepotentialen.
Als je iets hemodynamisch meet kun je NOOIT een uitspraak doen over een causale relatie.
Soorten kaarten in de hersenen
Niet-invasieve methoden kunnen niet zorgen voor een beeld van één neuron. Methoden met de hoogste spatiële resolutie mogelijk leggen
nog steeds een gemiddelde van heel veel neuronen vast.
Clustering
Neuronen die dezelfde functie hebben liggen in een cluster samen. Hoe meer clustering, hoe meer het gemiddelde signaal dat wordt opgepakt
overeenkomt met de signalen van de individuele neuronen.
De sensitiviteit van een niet-invasieve techniek hang af van hoeveel clustering er aanwezig is. Er is clustering op verschillende niveaus:
- Neuron: één enkele cel waar geen clustering is.
- Kolommen: neuronen die bij elkaar liggen en dezelfde functie hebben (o.a. voor zicht).
- Topografie: verzameling van kolommen (o.a. homunculus).
- Gebied: een grote verzameling neuronen die in een gebied in de hersenen liggen (o.a. motoriek).
- Systeem: gebieden die met elkaar samenwerken (o.a. voor taal).
Oriëntatie kolommen: neuronen met dezelfde voorkeur voor lijnoriëntatie. Dit komt niet in alle soorten voor: als je een gemiddeld signaal
bij ratten neemt is er een voorkeur voor een bepaalde oriëntatie te vinden. Als je invasieve optische imaging doet met 20 nm kun je
oriëntatiekolommen waarnemen, als je een lagere resolutie doet zal het wazig worden.
Drie dimensies van methodes
- Temporeel: kleinste hoeveelheid van de tijd die je met een methode kunt meten.
- Spatieel: kleinste hoeveelheid ruimte die je waar kunt nemen. Schadelijkere methoden hebben betere spatiele resolutie. Spatiele
resolutie wordt beïnvloed door de volgende factoren:
o Afstand tussen de elektrode en de bron van het signaal (neuron).
o Weefsel tussen neuron en meetinstrument (schedel).
o Bij niet-invasieve metingen kunnen de hoogste frequenties niet gemeten worden: verschillende frequenties hebben
verschillende informatie.
- Invasiviteit: schadelijkheid voor de hersenen.
Histologie
Hersenen worden eerst in de vriezer gedaan, hierna kan het makkelijker in plakjes gesneden worden. Daarna wordt er een stof toegevoegd
die verschillende kleuren aanneemt op basis van bepaalde soorten neuronen. Deze methode is heel erg invasief.
Structural magnetic resonance imaging (MRI)
Wordt gebruikt om de volgende redenen:
- Anatomie onderzoeken in individuen.
- Anatomische lokalisatie van functionele bevindingen.
2
, - Je kunt dus anatomische structuren relateren aan verschillen in mensen. Het ene gebied is groter dan bij een ander persoon: man
en vrouw vergelijken. Je kunt het ook gebruiken om ziektes te beoordelen (o.a. hersenbloeding).
Studie Quiroga et al. (2005) elektrofysiologische activiteit: studie over single unit recordings in mensen met epilepsie. Er is een elektrode
ingebracht en wachten tot er een aanval komt en dan kan je de oorzaak achterhalen.
In deze studie werden ook verschillende gezichten laten zien aan mensen, er werden tegelijk spikes in cellen gemeten. Bij een
gezicht kan je het aantal spikes (vuren) meten. Mensen reageerden specifiek op Jennifer Aniston. Hierdoor ontstaat een debat over
een grandmother cell: neuronen die mensen hebben specifiek om hun grootouders te kunnen herkennen.
EEG
Signalen meten en daar een gemiddelde van maken. Hierdoor kan er geen onderscheid gemaakt worden tussen verschillende mensen.
- Amplitude van P1 en N170 is sterker voor gezichten dan voor stoelen.
- Anatomische lokalisatie is slecht.
Perifere metingen: metingen om dingen uit het perifere zenuwstelsel (PNS) te meten.
- Hartslagvariabiliteit: vooral invloed van PNS, een beetje door ANS.
o Manier om de invloed van het parasympatische zenuwstelsel te meten.
o Veel variabiliteit is goed.
Hogere HRV gerelateerd aan sporten, gezond eten en goed slapen.
o Bloeddruk is een maat om stressniveau te meten.
- Zweetklieractiviteit: invloed van alleen ANS.
o Manier om de invloed van het sympathische zenuwstelsel te meten.
o Als er veel positieve of negatieve stimuli zijn is er meer geleiding dan neutrale stimuli.
o Er is een iets sterker effect van negatieve stimuli.
- Pupilgrootte: invloed van PNS en ANS is gelijk.
- Oogbewegingen: meten van visuele aandacht.
o Saccades: snelle bewegingen (20-40ms); er komt geen nieuwe informatie binnen.
o Fixaties: informatie komt hier wel binnen.
o Eye-tracking bij ALS-patiënten: meer fixaties en saccades dan gezonde mensen.
- Spieractiviteit: dit kun je eten met EMG.
o Onderzoek spierbewegingen in gezicht: mensen moesten een online spel spelen met een bal. Wanneer mensen
werden buitengesloten van het spel gingen zij de orbicularis oculi en zygomaticus major aanspannen zodat er een
duchenne-lach ontstaat, om zo vriendelijker over de komen in de hoop om betrokken in het spel te raken.
College 2 – EEG: Fysiologische basis en meettechnieken I
Bij EEG kijken participanten naar een scherm en kunnen verschillende taken doen, zoals een reactietijdexperiment. Zij hebben een kapje op
met sensoren (noem het GEEN elektroden). Hersenen sturen veel microvolt uit, de sensoren zijn daarom erg sensitief.
Wat wordt er gemeten met EEG?
De elektriciteit die gemeten wordt komt van post-synaptische potentialen, het komt dus niet van actiepotentialen.
- Actiepotentialen: korte, snelle elektrische signalen die langs het axon van een neuron gaan. Ze ontstaan wanneer de
membraanpotentiaal een bepaalde drempel bereikt en de cel ‘vuurt’.
o Hebben altijd dezelfde amplitude, zijn altijd in één richting en duren heel kort (milliseconden).
o Omdat actiepotentialen kort en klein zijn, kunnen ze niet individueel worden opgevangen door EEG.
- Postsynaptische signalen: als neurotransmitters zich binden aan receptoren op het postsynaptisch neuron, verandert de
permeabiliteit van de celmembraan. Hierdoor bewegen ionen de cel in of uit. Dit kan leiden tot excitatie of inhibitie.
o Duurt langer dan actiepotentialen, amplitude per signaal is kleiner dan een actiepotentiaal, maar veel signalen van
verschillende neuronen kunnen worden opgeteld. Door de cumulatieve signalen ontstaat er een zodanig groot
elektrisch veld dat het groot genoeg is om door de schedel gemeten te worden met EEG.
Van neuronen naar elektromagnetisch veld
1. Postsynaptische signalen (EPSP of IPSP) in piramidale neuronen veroorzaken dipolen.
o Dipool: elektrisch veld met een positief en een negatief uiteinde (zoals een batterij).
2. Als neurotransmitters binden aan receptoren op dendrieten verandert de ionenverdeling:
o EPSP: positieve ionen komen de cel binnen bij dendriet; dendriet wordt positief (extracellulair wordt negatief).
Hierdoor ontstaat een stroomrichting van de dendriet naar het cellichaam. Dit zorgt voor een elektrisch veld die een
EEG waar kan nemen.
o IPSP: negatieve ionen komen de cel binnen bij dendriet: dendriet wordt negatief (extracellulair wordt positief).
Hierdoor kan de stroomrichting van de dipool tegengesteld zijn aan die van een EPSP, afhankelijk van waar het IPSP
ontstaat. De plek waar de axonterminal eindigt, wordt de cel op die plek positief.
3. Hierdoor ontstaan er in een EEG positieve en negatieve golven.
Dipool tot EEG-signaal
EEG meet samengevoegde elektrische velden van veel neuronen.
- Dendrieten negatief = negatief EEG.
- Dendrieten positief = positief EEG.
Veel neuronen die synchroon vuren en dezelfde oriëntatie hebben tellen op waardoor er een detecteerbaar signaal ontstaat. Neuronen die
tegengesteld liggen of in tegengestelde richting vuren neutraliseren elkaar, waardoor het signaal klein of nul kan worden. Dus: EEG is vooral
gevoelig voor grote groepen piramidale cellen die parallel en synchroon georiënteerd zijn in de cortex.
Dendritische architectuur
De richting van de stroom in dendrieten bepaalt de EEG-polariteit:
- Stroom naar het cellichaam toe: EEG-signaal richting negatief.
- Stroom van cellichaam af: EEG-signaal richting positief.
3
College 1 – Introductie
Cognitieve neuropsychologie: studie van de relatie tussen structuur en functie van de hersenen en specifieke cognitieve functies (o.a. taal,
geheugen, aandacht). Er kan hierbij gekeken worden naar:
- Cognitieve processen in gezonde mensen.
- Cognitieve processen bij mensen met hersenschade door verschillende oorzaken.
Studie Ali et al. (2014): mensen zijn snel overtuigd als het gaat om ‘neuroscience’ informatie. Studenten konden overtuigd worden dat een
haardroger uit een salon een instrument was om gedachtes te lezen. Ze zeiden dat de methode goed was en waren verder niet sceptisch.
Studie Verbeke (2009): zei dat binnen 5 jaar hersenscans gebruikt zullen worden bij het solliciteren naar belangrijke banen. Dit wordt niet
gedaan omdat fMRI alleen wat kan zeggen op groepsniveau en niet over individuen.
Andere toepassingen van hersenscans: rechtszaal
- Persoonlijkheidsmetingen
- Leugendetectie
- Brain decoding: techniek waarbij mensen proberen mentale toestanden, percepties of intenties af te leiden uit hersenactiviteit.
Meestal wordt hier fMRI voor gebruikt.
o Persoon kijkt aantal keer naar dezelfde stimuli (plaatje van een huis). Tijdens het kijken wordt de hersenactiviteit
gemeten.
o Een algoritme leer welke activatiepatronen horen bij welke type stimulus.
o Het algoritme krijgt nieuwe data en probeert te voorspellen wat de persoon zag. Je kunt bekende patronen vergelijken
met nieuwe en zo bepalen of een persoon een stimuli al eerder heeft gezien.
Neurowetenschappelijk bewijs heeft invloed waarop de rechter oordeelt, soms is er een kortere straf als er bewezen is dat er iets mis is in de
hersenen van de dader.
Sterke en zwakke punten hersenscans
- Hersenscans zijn goed voor: tumoren, dementie, milde cognitieve achteruitgang (neurologisch).
- Hersenscans zijn slecht voor: depressie, autisme, schizofrenie (psychiatrie en mentale stoornissen). Komt omdat hierin veel
heterogeniteit is: verschillen worden vooral op het niveau van een groep gezien. Je kunt het dus (nog) niet gebruiken om een
individu een diagnose te geven.
Basis van neurale signalen
Neuronen: hersencellen met een celkern in de grijze massa van de cerebrale cortex en subcorticale structuren. De witte stof bevat axonen.
In rust heeft een neuron een potentiaal van -70mV. Post-synaptisch potentiaal kan veranderen als er input is van synapsen op dendrieten van
de naastgelegen cel. Door bijvoorbeeld excitatie van neurotransmitters in de synaptische spleet kan er een actiepotentiaal ontstaan:
- Rusttoestand (-70mV).
- Stimulus wordt aangeboden en de vuurdrempel op axonheuvel wordt bereikt (-55mV).
- Depolarisatie (spike): potentiaal stijgt (+40mV).
- Repolarisatie: potentiaal daalt naar rusttoestand (-70mV).
- Hyperpolarisatie: door openstaande K-kanalen daalt potentiaal (-73mV).
- Rusttoestand (-70mV).
Beschrijving van signalen
Signaal: verandering van functie van het post-synaptisch neuron door de input dat het krijgt. Daarnaast
hangt activatie van de post-synaptische cel af van de totale excitatie/inhibitie som.
Sinusoïde oscillatie: het simpelste signaal wat er is. Dit signaal wordt weergegeven als één lijn en gaat
steeds op en neer (zie plaatje).
Frequentie: de snelheid waarmee een signaal verandert in de tijd (hoe vaak een bepaald patroon of golf zich herhaalt per seconde). De
frequentie wordt vaak gemeten in Hertz. Als je 1 Hz hebt wil dit zeggen dat de golf 1 seconde duurt, de golf dus één keer op en neer per
seconde. Hoe meer golven er in een seconde passen, hoe hoger de frequentie.
Biologische signalen hebben nooit één frequentie die steeds gelijk blijft, het
zijn veel verschillende ‘lijntjes’ die elk hun eigen frequentie hebben. Complexe
(biologische) signalen kun je opdelen in frequentie componenten:
- Frequentie: aantal golven per seconde.
- Amplitude: de hoogte van één golf.
- Fase: wanneer een golf omhoog gaat, je kunt dit ook zien als je
verschuiving op de x-as. Als de golf begint bij 0 graden, zal het
midden van de golf bij 180 graden kruisen. Als de golf begint bij 20
graden, zal het midden van de golf bij 160 graden kruisen (zie
plaatje).
Frequentie spectrum: laat zien welke frequenties aanwezig zijn in een signaal.
- Hoogste frequentie: wordt beperkt hoe vaak je meet (sampling frequentie).
Volgens het Nyquist theorema is de bijbehorende formule: max frequentie
= 0.5 x sampling frequentie. Voorbeeld: als je 1000 keer per seconde meet
is de hoogste frequentie 500 Hz.
- Laagste frequentie wordt beperkt door hoe lang je meet. Hoe langer je meet,
hoe lagere frequenties je kunt detecteren. Bijbehorende formule: min
frequentie = 1 / meetduur in seconden. Voorbeeld: als je 10 seconden meet
is de laagste frequentie 0.1 Hz.
1
,Filtering: bepaalde frequenties uit het signaal harder of zachter maken.
- Low-pass filter: laat alleen lage frequenties door, hoge frequenties
worden eruit gehaald.
- High-pass filter: laat alleen hoge frequenties door, lage frequenties
worden eruit gehaald.
- Band-pass filter: laat een specifiek bereik van frequenties door, alles
daarnaast wordt eruit gehaald.
Spectrogram: laat zien welke frequenties er in een signaal zitten en hoe sterk de
frequenties zijn op elk moment in de tijd. Het combineert tijd, frequentie en
amplitude (sterkte). Bij het sluiten van de ogen wordt een EEG signaal sterker, op
het spectrogram zie je dan een rode/gele kleur.
Moleculaire signalen
Bekijken van chemische substanties en moleculen:
- Depolarisatie (influx Na+) en repolarisatie (efflux K+) meten.
- Two-photon calcium imaging: de calciumconcentratie is hoog in
actieve neuronen. Er wordt gemeten waar het hoogste niveau van calcium is.
Hemodynamische signalen
Dit is een meting op een grotere schaal dan moleculaire signalen. Voor actiepotentialen in cellen is energie nodig, energie komt van glucose
en glucose wordt door het bloed vervoert. Door hemodynamica kun je de bloedstroom meten en dus meten waar de meeste activiteit is.
- Temporele resolutie slecht (elektrische metingen zijn veel beter).
- Spatiele resolutie varieert sterk (varieert wel minder sterk dan elektrische signalen).
o Invasieve optische imaging: kolommenstructuur zichtbaar.
o Niet-invasieve fNIRS: aantal cm in de hersenen kunnen meten.
Maar er is een debat: er is ook energie nodig om de rustpotentiaal te herstellen en het exciteren van neurotransmitters kost ook energie. De
specifieke verdeling van energie kan verschillen tussen verschillende diersoorten en neuronen.
Dus elektrofysiologische gebeurtenissen hebben energie nodig. De amplitude van een potentiaal zegt niet veel over het energieverbruik; een
actiepotentiaal is een kettingreactie die niet erg veel energie verbruikt. Alleen het terugbrengen naar een rustpotentiaal kost energie:
energieconsumptie van een neuron correleert met het aantal actiepotentialen.
Als je iets hemodynamisch meet kun je NOOIT een uitspraak doen over een causale relatie.
Soorten kaarten in de hersenen
Niet-invasieve methoden kunnen niet zorgen voor een beeld van één neuron. Methoden met de hoogste spatiële resolutie mogelijk leggen
nog steeds een gemiddelde van heel veel neuronen vast.
Clustering
Neuronen die dezelfde functie hebben liggen in een cluster samen. Hoe meer clustering, hoe meer het gemiddelde signaal dat wordt opgepakt
overeenkomt met de signalen van de individuele neuronen.
De sensitiviteit van een niet-invasieve techniek hang af van hoeveel clustering er aanwezig is. Er is clustering op verschillende niveaus:
- Neuron: één enkele cel waar geen clustering is.
- Kolommen: neuronen die bij elkaar liggen en dezelfde functie hebben (o.a. voor zicht).
- Topografie: verzameling van kolommen (o.a. homunculus).
- Gebied: een grote verzameling neuronen die in een gebied in de hersenen liggen (o.a. motoriek).
- Systeem: gebieden die met elkaar samenwerken (o.a. voor taal).
Oriëntatie kolommen: neuronen met dezelfde voorkeur voor lijnoriëntatie. Dit komt niet in alle soorten voor: als je een gemiddeld signaal
bij ratten neemt is er een voorkeur voor een bepaalde oriëntatie te vinden. Als je invasieve optische imaging doet met 20 nm kun je
oriëntatiekolommen waarnemen, als je een lagere resolutie doet zal het wazig worden.
Drie dimensies van methodes
- Temporeel: kleinste hoeveelheid van de tijd die je met een methode kunt meten.
- Spatieel: kleinste hoeveelheid ruimte die je waar kunt nemen. Schadelijkere methoden hebben betere spatiele resolutie. Spatiele
resolutie wordt beïnvloed door de volgende factoren:
o Afstand tussen de elektrode en de bron van het signaal (neuron).
o Weefsel tussen neuron en meetinstrument (schedel).
o Bij niet-invasieve metingen kunnen de hoogste frequenties niet gemeten worden: verschillende frequenties hebben
verschillende informatie.
- Invasiviteit: schadelijkheid voor de hersenen.
Histologie
Hersenen worden eerst in de vriezer gedaan, hierna kan het makkelijker in plakjes gesneden worden. Daarna wordt er een stof toegevoegd
die verschillende kleuren aanneemt op basis van bepaalde soorten neuronen. Deze methode is heel erg invasief.
Structural magnetic resonance imaging (MRI)
Wordt gebruikt om de volgende redenen:
- Anatomie onderzoeken in individuen.
- Anatomische lokalisatie van functionele bevindingen.
2
, - Je kunt dus anatomische structuren relateren aan verschillen in mensen. Het ene gebied is groter dan bij een ander persoon: man
en vrouw vergelijken. Je kunt het ook gebruiken om ziektes te beoordelen (o.a. hersenbloeding).
Studie Quiroga et al. (2005) elektrofysiologische activiteit: studie over single unit recordings in mensen met epilepsie. Er is een elektrode
ingebracht en wachten tot er een aanval komt en dan kan je de oorzaak achterhalen.
In deze studie werden ook verschillende gezichten laten zien aan mensen, er werden tegelijk spikes in cellen gemeten. Bij een
gezicht kan je het aantal spikes (vuren) meten. Mensen reageerden specifiek op Jennifer Aniston. Hierdoor ontstaat een debat over
een grandmother cell: neuronen die mensen hebben specifiek om hun grootouders te kunnen herkennen.
EEG
Signalen meten en daar een gemiddelde van maken. Hierdoor kan er geen onderscheid gemaakt worden tussen verschillende mensen.
- Amplitude van P1 en N170 is sterker voor gezichten dan voor stoelen.
- Anatomische lokalisatie is slecht.
Perifere metingen: metingen om dingen uit het perifere zenuwstelsel (PNS) te meten.
- Hartslagvariabiliteit: vooral invloed van PNS, een beetje door ANS.
o Manier om de invloed van het parasympatische zenuwstelsel te meten.
o Veel variabiliteit is goed.
Hogere HRV gerelateerd aan sporten, gezond eten en goed slapen.
o Bloeddruk is een maat om stressniveau te meten.
- Zweetklieractiviteit: invloed van alleen ANS.
o Manier om de invloed van het sympathische zenuwstelsel te meten.
o Als er veel positieve of negatieve stimuli zijn is er meer geleiding dan neutrale stimuli.
o Er is een iets sterker effect van negatieve stimuli.
- Pupilgrootte: invloed van PNS en ANS is gelijk.
- Oogbewegingen: meten van visuele aandacht.
o Saccades: snelle bewegingen (20-40ms); er komt geen nieuwe informatie binnen.
o Fixaties: informatie komt hier wel binnen.
o Eye-tracking bij ALS-patiënten: meer fixaties en saccades dan gezonde mensen.
- Spieractiviteit: dit kun je eten met EMG.
o Onderzoek spierbewegingen in gezicht: mensen moesten een online spel spelen met een bal. Wanneer mensen
werden buitengesloten van het spel gingen zij de orbicularis oculi en zygomaticus major aanspannen zodat er een
duchenne-lach ontstaat, om zo vriendelijker over de komen in de hoop om betrokken in het spel te raken.
College 2 – EEG: Fysiologische basis en meettechnieken I
Bij EEG kijken participanten naar een scherm en kunnen verschillende taken doen, zoals een reactietijdexperiment. Zij hebben een kapje op
met sensoren (noem het GEEN elektroden). Hersenen sturen veel microvolt uit, de sensoren zijn daarom erg sensitief.
Wat wordt er gemeten met EEG?
De elektriciteit die gemeten wordt komt van post-synaptische potentialen, het komt dus niet van actiepotentialen.
- Actiepotentialen: korte, snelle elektrische signalen die langs het axon van een neuron gaan. Ze ontstaan wanneer de
membraanpotentiaal een bepaalde drempel bereikt en de cel ‘vuurt’.
o Hebben altijd dezelfde amplitude, zijn altijd in één richting en duren heel kort (milliseconden).
o Omdat actiepotentialen kort en klein zijn, kunnen ze niet individueel worden opgevangen door EEG.
- Postsynaptische signalen: als neurotransmitters zich binden aan receptoren op het postsynaptisch neuron, verandert de
permeabiliteit van de celmembraan. Hierdoor bewegen ionen de cel in of uit. Dit kan leiden tot excitatie of inhibitie.
o Duurt langer dan actiepotentialen, amplitude per signaal is kleiner dan een actiepotentiaal, maar veel signalen van
verschillende neuronen kunnen worden opgeteld. Door de cumulatieve signalen ontstaat er een zodanig groot
elektrisch veld dat het groot genoeg is om door de schedel gemeten te worden met EEG.
Van neuronen naar elektromagnetisch veld
1. Postsynaptische signalen (EPSP of IPSP) in piramidale neuronen veroorzaken dipolen.
o Dipool: elektrisch veld met een positief en een negatief uiteinde (zoals een batterij).
2. Als neurotransmitters binden aan receptoren op dendrieten verandert de ionenverdeling:
o EPSP: positieve ionen komen de cel binnen bij dendriet; dendriet wordt positief (extracellulair wordt negatief).
Hierdoor ontstaat een stroomrichting van de dendriet naar het cellichaam. Dit zorgt voor een elektrisch veld die een
EEG waar kan nemen.
o IPSP: negatieve ionen komen de cel binnen bij dendriet: dendriet wordt negatief (extracellulair wordt positief).
Hierdoor kan de stroomrichting van de dipool tegengesteld zijn aan die van een EPSP, afhankelijk van waar het IPSP
ontstaat. De plek waar de axonterminal eindigt, wordt de cel op die plek positief.
3. Hierdoor ontstaan er in een EEG positieve en negatieve golven.
Dipool tot EEG-signaal
EEG meet samengevoegde elektrische velden van veel neuronen.
- Dendrieten negatief = negatief EEG.
- Dendrieten positief = positief EEG.
Veel neuronen die synchroon vuren en dezelfde oriëntatie hebben tellen op waardoor er een detecteerbaar signaal ontstaat. Neuronen die
tegengesteld liggen of in tegengestelde richting vuren neutraliseren elkaar, waardoor het signaal klein of nul kan worden. Dus: EEG is vooral
gevoelig voor grote groepen piramidale cellen die parallel en synchroon georiënteerd zijn in de cortex.
Dendritische architectuur
De richting van de stroom in dendrieten bepaalt de EEG-polariteit:
- Stroom naar het cellichaam toe: EEG-signaal richting negatief.
- Stroom van cellichaam af: EEG-signaal richting positief.
3
