Moleculaire signalen
Two-photon calcium imaging: in beeld brengen van de concentratie calcium in neuronen om
de neuronale activiteit te meten
Spatiële resolutie: single-neuron resolutie
Temporele resolutie: zeer goed -> communicatie tussen neuronen
Invasiveness: invasief
Perifere metingen
Huidgeleiding: index van (sympathische) arousal intensiteit bij affectieve of cognitieve
verwerking
Hartactiviteit: zowel hartslag, als hartslagvariabiliteit en bloeddruk. De hartslagvariabiliteit meet
de invloed van het perifere zenuwstelsel op het hart en bloeddruk is een meting van stress
Spieractiviteit: een EMG van het gezicht als een tool voor het afleiden van affectieve staten. Als
iemand ergens meer betrokken bij is, is er een hogere activiteit van de gezichtsspier
Oogbewegingen: goede meting voor visuele aandacht (saccades: geen nieuwe informatie wordt
verkregen; fixaties: informatieverwerking vindt plaats)
Pupildilatatie: indicatief voor intense emotionele arousal tegenover plezierige en onplezierige
stimuli en ervaringen. Hangt af van het licht, maar reflecteert ook mentale workload en het
verwerken van emotionele stimuli
Elektrofysiologische methoden -> Meten van elektrofysiologische activiteit.
Temporele resolutie: meeste methoden hebben goede temporele resolutie; spatiële resolutie:
varieert sterk
Patch-clamp recording: hol glazen buisje gevuld met een elektrolytoplossing en een recording
elektrode verbonden met een versterker die in contact gebracht wordt met het membraan van een
geïsoleerde cel
Spatiële resolutie: optimaal
Temporele resolutie: zeer hoog -> enige techniek die veranderingen in het
membraanpotentiaal betrouwbaar meet met slechts zeer beperkte verstoringen
Invasiveness: invasief
1
,Extracellular single-unit recording: elektrode in de cortex geplaatst, zo dicht mogelijk bij
een enkel neuron. Pikt actiepotentialen van dat neuron op. Voorwaarde: elektrode moet een sterke
weerstand hebben, zodat enkel signalen van zeer dichtbij worden opgepikt
Spatiële resolutie: zeer hoog, iets minder dan patch-clamp recording
Temporele resolutie: zeer hoog -> kan actiepotentialen oppikken
Invasiveness: invasief
Multi-unit recording: meten van actiepotentialen van meerdere dicht bij elkaar gelegen units
tegelijkertijd. Maakt gebruik van een high-pass filter, omdat actiepotentialen gekarakteriseerd
worden door snelle veranderingen in de membraanpotentiaal en hiermee hoge frequenties
behouden blijven
Spatiële resolutie: zeer hoog, minder dan patch-clamp recording en single-unit recording (->
meerdere neuronen tegelijkertijd)
Temporele resolutie: zeer hoog -> actiepotentialen kunnen gemeten worden
Invasiveness: invasief
Local field potentials (LFPs): meten van actiepotentialen van meerdere dicht bij elkaar
gelegen units tegelijkertijd. Maakt gebruik een low-pass filter, waardoor informatie over de
langzamere veranderingen in de membraanpotentiaal van alle dichtbijgelegen neuronen verkregen
kan worden
Spatiële resolutie: zeer hoog, minder dan patch-clamp recording en single-unit recording (->
meerdere neuronen tegelijkertijd)
Temporele resolutie: zeer hoog -> actiepotentialen kunnen gemeten worden
Invasiveness: invasief
Bovenstaande methoden zijn risicovol in levende organismen, omdat ze vereisen dat de dura om de
cortex (= bescherming tegen infecties) opengemaakt moet worden
2
,Intracraniële recording: elektroden op de bovenkant van de dura plaatsen, waarbij de dura
intact blijft (-> vereist het openen van de schedel (craniotomie)). Elektrode kan dicht bij het neurale
weefsel geplaatst worden, waardoor het signaal niet verstoord wordt door de schedel
Spatiële resolutie: zeer hoog, minder dan bovenstaande (-> dura blijft intact)
- Meten op specifieke locaties in de hersenen
- Beter dan EEG
Temporele resolutie: zeer hoog
- Dichter bij de bron -> helderder signaal
- Beter dan EEG
Invasiveness: invasief
Benaderingen:
- Electrocorticography (ECoG): elektrische activiteit van de cortex registreren
Idee: elektroden direct op de blootgestelde oppervlakte van de hersenen
plaatsen
- Stereo-electroencephalography (SEEG): elektro-encefalografische signalen
registeren
Idee: elektroden diep in de hersenen plaatsen
❖ ECoG en SEEG hebben een veel betere signal-to-noise ratio dan EEG -> geen tussenliggend
weefsel
❖ Hangen af van beschikbare subjecten en er is beperkte tijd beschikbaar
o Niet vaak gebruikt -> er zijn niet veel patiënten met elektroden op dezelfde locaties
(die dezelfde regio coveren)
❖ Geen controlegroep beschikbaar -> als je iets vindt, weet je niet of dit specifiek is voor die
patiënt, of dat het in de hele populatie van patiënten zo is
❖ Kan gebruikt worden als men niet van tevoren weet welke regio ergens verantwoordelijk
voor is <-> fNIRS: je kunt alleen specifieke regio’s vinden
❖ Sensitiever dan PET
❖ In specifieke gevallen te gebruiken waarbij de gehoorgang voor interferentie kan zorgen <->
fMRI: gehoorgang zorgt voor drop out signal -> geen signaal van de hersenen
Electro-encefalografie (EEG): meten van het elektrische signaal dat geproduceerd wordt door
cerebrale activiteit: postsynaptische potentialen van apicale dendrieten van piramideneuronen
Idee: elektroden meten de fysieke consequentie van membraanpotentialen: als de
membraanpotentialen veranderen, stroomt er een zwakke stroom in het neuron en de
extracellulaire ruimte. Deze stroom wordt verder door het hersenweefsel geleid en zo wordt
er een elektrisch veld gegenereerd. Methode om met een hoge temporele resolutie corticale
informatieverwerking te kunnen vastleggen (real-time processing). Er wordt geen stroom in
de hersenen gebracht
3
, Spatiële resolutie: zeer laag -> signaal reflecteert de activiteit van vele cm3 van de hersenen;
signaal moet door alle lagen (dura mater, schedel, scalp), dus activiteit smeert uit
- Minder goed dan ECoG en SEEG
Temporele resolutie: hoog (ms; temporeel bereik: ms-uren) -> temporale onderscheiding van
de stadia van informatieverwerking is mogelijk
- Gelijk aan MEG
- Veel hoger dan fMRI
- Minder goed dan ECoG en SEEG
Invasiveness: niet-invasief
- Elektroden staan in contact met de scalp
Toepassingen:
- Bepalen van de time course van de stadia van informatieverwerking met een
precisie van milliseconden (real-time processing)
- Signalen over en lange tijdsperiode meten -> temporeel bereik van ms tot uren
covert een groot bereik aan issues over de relatie tussen neurale activiteit en
gedragsfenomenen en psychologische fenomenen
- Informeren over cognitieve processen als er geen gedragsrespons is
❖ Er kan gebruikgemaakt worden van kleine, draagbare apparaten <-> MEG
❖ Temporale onderscheiding van de stadia van informatieverwerking is mogelijk met EEG/MEG
<-> fMRI: heel moeilijk, dan wel niet onmogelijk doordat er gebruikgemaakt wordt van
langzame hemodynamische signalen
❖ EEG heeft een veel lagere signal-to-noise ratio dan ECoG en SEEG -> tussenliggend weefsel
Experiment:
- Electrically shielded room
Idee: het signaal geeft informatie over de onderliggende neurale systemen die
verschillende typen neuronen bevatten. De signalen reflecteren de dendritische
activiteit van piramideneuronen. Elke lijn uit het EEG representeert een elektrode
Idee: een punt zonder activiteit (reference) wordt vergeleken met een punt waar wel
hersenen liggen -> voltageverschil tussen 2 elektroden
o Internationaal 10-20 systeem -> 19 elektroden, a.d.h.v. nasion, inion,
preauricular points en vertex
o Reference elektrode: biologische baseline van het voltagelevel -> top van
de neus, neusholte (Pg1 en Pg2), oorlellen (A1 en A2), mastoids (M1 en
M2)
o Ground elektrode: verminderen van omgevingsruis (environmental
noise)
4
Two-photon calcium imaging: in beeld brengen van de concentratie calcium in neuronen om
de neuronale activiteit te meten
Spatiële resolutie: single-neuron resolutie
Temporele resolutie: zeer goed -> communicatie tussen neuronen
Invasiveness: invasief
Perifere metingen
Huidgeleiding: index van (sympathische) arousal intensiteit bij affectieve of cognitieve
verwerking
Hartactiviteit: zowel hartslag, als hartslagvariabiliteit en bloeddruk. De hartslagvariabiliteit meet
de invloed van het perifere zenuwstelsel op het hart en bloeddruk is een meting van stress
Spieractiviteit: een EMG van het gezicht als een tool voor het afleiden van affectieve staten. Als
iemand ergens meer betrokken bij is, is er een hogere activiteit van de gezichtsspier
Oogbewegingen: goede meting voor visuele aandacht (saccades: geen nieuwe informatie wordt
verkregen; fixaties: informatieverwerking vindt plaats)
Pupildilatatie: indicatief voor intense emotionele arousal tegenover plezierige en onplezierige
stimuli en ervaringen. Hangt af van het licht, maar reflecteert ook mentale workload en het
verwerken van emotionele stimuli
Elektrofysiologische methoden -> Meten van elektrofysiologische activiteit.
Temporele resolutie: meeste methoden hebben goede temporele resolutie; spatiële resolutie:
varieert sterk
Patch-clamp recording: hol glazen buisje gevuld met een elektrolytoplossing en een recording
elektrode verbonden met een versterker die in contact gebracht wordt met het membraan van een
geïsoleerde cel
Spatiële resolutie: optimaal
Temporele resolutie: zeer hoog -> enige techniek die veranderingen in het
membraanpotentiaal betrouwbaar meet met slechts zeer beperkte verstoringen
Invasiveness: invasief
1
,Extracellular single-unit recording: elektrode in de cortex geplaatst, zo dicht mogelijk bij
een enkel neuron. Pikt actiepotentialen van dat neuron op. Voorwaarde: elektrode moet een sterke
weerstand hebben, zodat enkel signalen van zeer dichtbij worden opgepikt
Spatiële resolutie: zeer hoog, iets minder dan patch-clamp recording
Temporele resolutie: zeer hoog -> kan actiepotentialen oppikken
Invasiveness: invasief
Multi-unit recording: meten van actiepotentialen van meerdere dicht bij elkaar gelegen units
tegelijkertijd. Maakt gebruik van een high-pass filter, omdat actiepotentialen gekarakteriseerd
worden door snelle veranderingen in de membraanpotentiaal en hiermee hoge frequenties
behouden blijven
Spatiële resolutie: zeer hoog, minder dan patch-clamp recording en single-unit recording (->
meerdere neuronen tegelijkertijd)
Temporele resolutie: zeer hoog -> actiepotentialen kunnen gemeten worden
Invasiveness: invasief
Local field potentials (LFPs): meten van actiepotentialen van meerdere dicht bij elkaar
gelegen units tegelijkertijd. Maakt gebruik een low-pass filter, waardoor informatie over de
langzamere veranderingen in de membraanpotentiaal van alle dichtbijgelegen neuronen verkregen
kan worden
Spatiële resolutie: zeer hoog, minder dan patch-clamp recording en single-unit recording (->
meerdere neuronen tegelijkertijd)
Temporele resolutie: zeer hoog -> actiepotentialen kunnen gemeten worden
Invasiveness: invasief
Bovenstaande methoden zijn risicovol in levende organismen, omdat ze vereisen dat de dura om de
cortex (= bescherming tegen infecties) opengemaakt moet worden
2
,Intracraniële recording: elektroden op de bovenkant van de dura plaatsen, waarbij de dura
intact blijft (-> vereist het openen van de schedel (craniotomie)). Elektrode kan dicht bij het neurale
weefsel geplaatst worden, waardoor het signaal niet verstoord wordt door de schedel
Spatiële resolutie: zeer hoog, minder dan bovenstaande (-> dura blijft intact)
- Meten op specifieke locaties in de hersenen
- Beter dan EEG
Temporele resolutie: zeer hoog
- Dichter bij de bron -> helderder signaal
- Beter dan EEG
Invasiveness: invasief
Benaderingen:
- Electrocorticography (ECoG): elektrische activiteit van de cortex registreren
Idee: elektroden direct op de blootgestelde oppervlakte van de hersenen
plaatsen
- Stereo-electroencephalography (SEEG): elektro-encefalografische signalen
registeren
Idee: elektroden diep in de hersenen plaatsen
❖ ECoG en SEEG hebben een veel betere signal-to-noise ratio dan EEG -> geen tussenliggend
weefsel
❖ Hangen af van beschikbare subjecten en er is beperkte tijd beschikbaar
o Niet vaak gebruikt -> er zijn niet veel patiënten met elektroden op dezelfde locaties
(die dezelfde regio coveren)
❖ Geen controlegroep beschikbaar -> als je iets vindt, weet je niet of dit specifiek is voor die
patiënt, of dat het in de hele populatie van patiënten zo is
❖ Kan gebruikt worden als men niet van tevoren weet welke regio ergens verantwoordelijk
voor is <-> fNIRS: je kunt alleen specifieke regio’s vinden
❖ Sensitiever dan PET
❖ In specifieke gevallen te gebruiken waarbij de gehoorgang voor interferentie kan zorgen <->
fMRI: gehoorgang zorgt voor drop out signal -> geen signaal van de hersenen
Electro-encefalografie (EEG): meten van het elektrische signaal dat geproduceerd wordt door
cerebrale activiteit: postsynaptische potentialen van apicale dendrieten van piramideneuronen
Idee: elektroden meten de fysieke consequentie van membraanpotentialen: als de
membraanpotentialen veranderen, stroomt er een zwakke stroom in het neuron en de
extracellulaire ruimte. Deze stroom wordt verder door het hersenweefsel geleid en zo wordt
er een elektrisch veld gegenereerd. Methode om met een hoge temporele resolutie corticale
informatieverwerking te kunnen vastleggen (real-time processing). Er wordt geen stroom in
de hersenen gebracht
3
, Spatiële resolutie: zeer laag -> signaal reflecteert de activiteit van vele cm3 van de hersenen;
signaal moet door alle lagen (dura mater, schedel, scalp), dus activiteit smeert uit
- Minder goed dan ECoG en SEEG
Temporele resolutie: hoog (ms; temporeel bereik: ms-uren) -> temporale onderscheiding van
de stadia van informatieverwerking is mogelijk
- Gelijk aan MEG
- Veel hoger dan fMRI
- Minder goed dan ECoG en SEEG
Invasiveness: niet-invasief
- Elektroden staan in contact met de scalp
Toepassingen:
- Bepalen van de time course van de stadia van informatieverwerking met een
precisie van milliseconden (real-time processing)
- Signalen over en lange tijdsperiode meten -> temporeel bereik van ms tot uren
covert een groot bereik aan issues over de relatie tussen neurale activiteit en
gedragsfenomenen en psychologische fenomenen
- Informeren over cognitieve processen als er geen gedragsrespons is
❖ Er kan gebruikgemaakt worden van kleine, draagbare apparaten <-> MEG
❖ Temporale onderscheiding van de stadia van informatieverwerking is mogelijk met EEG/MEG
<-> fMRI: heel moeilijk, dan wel niet onmogelijk doordat er gebruikgemaakt wordt van
langzame hemodynamische signalen
❖ EEG heeft een veel lagere signal-to-noise ratio dan ECoG en SEEG -> tussenliggend weefsel
Experiment:
- Electrically shielded room
Idee: het signaal geeft informatie over de onderliggende neurale systemen die
verschillende typen neuronen bevatten. De signalen reflecteren de dendritische
activiteit van piramideneuronen. Elke lijn uit het EEG representeert een elektrode
Idee: een punt zonder activiteit (reference) wordt vergeleken met een punt waar wel
hersenen liggen -> voltageverschil tussen 2 elektroden
o Internationaal 10-20 systeem -> 19 elektroden, a.d.h.v. nasion, inion,
preauricular points en vertex
o Reference elektrode: biologische baseline van het voltagelevel -> top van
de neus, neusholte (Pg1 en Pg2), oorlellen (A1 en A2), mastoids (M1 en
M2)
o Ground elektrode: verminderen van omgevingsruis (environmental
noise)
4
