Brain imaging methods
Inhoud
Hoofdstuk 1: Introductie ......................................................................................... 2
Hoofdstuk 2 + 3 + 4: EEG .......................................................................................... 6
Hoofdstuk 5: Structural Neuroimaging: MRI .......................................................... 20
Hoofdstuk 6: Hemodynamic imaging methods: fMRI ............................................. 31
Hoofdstuk 7:(Geavanceerde) statistische fMRI analyses ....................................... 39
Hoofdstuk 8: (f)NIRS/PET/SPECT ........................................................................... 45
Hoofdstuk 9: Causal methods ............................................................................... 49
Hoofdstuk 10: Methods in neurosurgery is geen tentamenstof .............................. 59
Hoofdstuk 11: Animal models ............................................................................... 60
Hoofdstuk 12: Genetics, computational modelling & multimodal imaging ............ 64
1
,Hoofdstuk 1: Introductie
Cognitieve Neuropsychologie: Het onderzoek naar de relatie tussen structuur en
functie van de hersenen en specifieke cognitieve functies (bijv. taal, geheugen,
aandacht, ...)
- door deze cognitieve processen te onderzoeken bij normale, gezonde mensen
- door de verstoring van deze processen te onderzoeken bij mensen met hersenschade
(als gevolg van verworven hersenschade (breintumor bijvoorbeeld) of als gevolg van een
ontwikkelingsstoornis)
- Neurowetenschappelijke informatie beïnvloedt het oordeel van mensen.
- Hersenscans worden nog steeds niet gebruikt in de standaard praktijk, omdat het
niet gevoelig genoeg is om iets over een individueel te zeggen.
- Neurowetenschappelijk bewijs beïnvloedt de perceptie van juryleden over
verantwoordelijkheid en hun oordeel over zelfbeheersing. => versoepelde
omstandigheden? => kortere straffen
Objectieve diagnose van ziektes:
Goede vooruitgang voor verschillende neurologische syndromen
• Hersentumoren, dementie, milde cognitieve stoornis, …
Maar minder vooruitgang voor psychiatrische en mentale syndromen
• Depressie, autismespectrumstoornis, schizofrenie, ...
• Verschillen op groepsniveau
• Maar niet groot en consistent genoeg om een diagnose bij een individuele patiënt
mogelijk te maken
Basis van neurale signalen
Neuronen, met cellichamen in de grijze stof van de
hersenschors en subcorticale structuren; de witte stof bevat
axonen (verbindingen tussen cellen). Een actiepotentiaal reist
langs het axon naar alle uiteinden.
➔ Zonder input (in rust) heeft het celmembraan van een
neuron een elektrisch potentiaalverschil tussen binnen
en buiten van -70 mV.
➔ De postsynaptische potentiaal wordt bepaald door de
input van vele synapsen in de dendrieten te integreren.
Neurale communicatie
Inputneuronen (via neurotransmitters): actiepotentialen in de tijd
→Membraanpotentiaal van postsynaptisch neuron depolariseert of hyperpolariseert
In de loop van de tijd verandert de membraanpotentiaal van postsynaptisch neuron
afhankelijk van de input die het ontvangt = signaal
samenvatting van het inputniveau zal leiden tot relatieve mate van
exciterende/inhiberende input, wanneer een actiepotentiaal wordt geactiveerd.
Signal description
Eenvoudigste signaal = sinusvormige oscillatie.
Complexe signalen kunnen worden ontbonden in frequentiecomponenten.
2
, - Frequentie: de snelheid waarmee een signaal verandert, bijvoorbeeld in de
tijdsdimensie
• 1 Hz = het voltooien van een volledige cyclus (omhoog en omlaag) in één
seconde
• Biologische signalen bevatten nooit slechts één frequentie (dit gebeurt wel bij
kunstmatige signalen, bijvoorbeeld een zuivere toon)
- Amplitude: hoeveel het stijgt en daalt
- Fase: wanneer het stijgt en daalt
Frequentiespectrum: gemeten frequentiebereik
• Hoogste frequentie: Beperkt door de bemonsteringsfrequentie, ½ *
bemonsteringsfrequentie (Nyquist-bemonsteringstheorema)
• Laagste frequentie: Beperkt door de meetduur van het signaal, 1 / aantal seconden
gemeten.
Filteren: het verzwakken of uitsluiten van een bepaald deel van het
gemeten frequentiespectrum (laagdoorlaat, hoogdoorlaat of
banddoorlaat)
Spectrogram: de sterkte van elke signaalcomponent op elk
moment. -> des te roder -> hoe sterker het signaal op een bepaald
moment in de tijd.
Moleculaire en hemodynamische signalen
Elektrofysiologische veranderingen zijn verbonden met andere soorten veranderingen...
Op kleinere schaal: beweging van chemische stoffen en moleculen
• Bijv. depolarisatie: instroom van Na+; repolarisatie: uitstroom van K+
• Bijv. hoge calciumconcentratie in elektrisch actieve neuronen → tweefoton-
calciumbeeldvorming
Op grotere schaal: hemodynamiek
• De bloedtoevoer wordt aangepast aan de actuele energiebehoefte (energie komt van
glucose)
Energieverbruik
3
, Elektrofysiologische processen vereisen energie
De amplitude van potentiaalveranderingen is niet per se de beste voorspeller van
energieverbruik
➔ Actiepotentiaal = passieve keten van gebeurtenissen die niet veel energie
verbruikt
➔ Het herstellen van de rustpotentiaal vereist energie → het energieverbruik van een
neuron zou kunnen correleren met het aantal actiepotentialen.
Pre- en postsynaptische factoren (bijv. neurotransmitterafgifte) vereisen ook energie
De exacte energieverdeling over verschillende processen kan variëren
(soort, neuronentype)
Clustering -> fMRI
Niet-invasieve methoden kunnen geen resolutie op het niveau van individuele neuronen
bereiken: Methoden met de hoogste ruimtelijke resolutie middelen nog steeds signalen
van vele neuronen.
Neuronen met vergelijkbare functionele eigenschappen worden samen geclusterd
• Hoe meer clustering, hoe meer het gemiddelde signaal van vele neuronen
overeenkomt met het signaal van de individuele neuronen
→ De gevoeligheid van een niet-invasieve beeldvormingstechniek hangt af van de
hoeveelheid clustering
• Clustering op verschillende ruimtelijke schalen
Overzicht van methoden
Drie dimensies:
• Temporele resolutie: de kleinste tijdseenheid die door een methode kan worden
onderscheiden
• Spatiële resolutie: de kleinste ruimtelijke eenheid die kan worden opgelost
• Invasiviteit: de meeste methoden zijn ofwel volledig invasief (de schedel moet worden
doorboord) of helemaal niet-invasief. Focus op minder invasieve technieken (=> kunnen
bij mensen worden toegepast)
4
Inhoud
Hoofdstuk 1: Introductie ......................................................................................... 2
Hoofdstuk 2 + 3 + 4: EEG .......................................................................................... 6
Hoofdstuk 5: Structural Neuroimaging: MRI .......................................................... 20
Hoofdstuk 6: Hemodynamic imaging methods: fMRI ............................................. 31
Hoofdstuk 7:(Geavanceerde) statistische fMRI analyses ....................................... 39
Hoofdstuk 8: (f)NIRS/PET/SPECT ........................................................................... 45
Hoofdstuk 9: Causal methods ............................................................................... 49
Hoofdstuk 10: Methods in neurosurgery is geen tentamenstof .............................. 59
Hoofdstuk 11: Animal models ............................................................................... 60
Hoofdstuk 12: Genetics, computational modelling & multimodal imaging ............ 64
1
,Hoofdstuk 1: Introductie
Cognitieve Neuropsychologie: Het onderzoek naar de relatie tussen structuur en
functie van de hersenen en specifieke cognitieve functies (bijv. taal, geheugen,
aandacht, ...)
- door deze cognitieve processen te onderzoeken bij normale, gezonde mensen
- door de verstoring van deze processen te onderzoeken bij mensen met hersenschade
(als gevolg van verworven hersenschade (breintumor bijvoorbeeld) of als gevolg van een
ontwikkelingsstoornis)
- Neurowetenschappelijke informatie beïnvloedt het oordeel van mensen.
- Hersenscans worden nog steeds niet gebruikt in de standaard praktijk, omdat het
niet gevoelig genoeg is om iets over een individueel te zeggen.
- Neurowetenschappelijk bewijs beïnvloedt de perceptie van juryleden over
verantwoordelijkheid en hun oordeel over zelfbeheersing. => versoepelde
omstandigheden? => kortere straffen
Objectieve diagnose van ziektes:
Goede vooruitgang voor verschillende neurologische syndromen
• Hersentumoren, dementie, milde cognitieve stoornis, …
Maar minder vooruitgang voor psychiatrische en mentale syndromen
• Depressie, autismespectrumstoornis, schizofrenie, ...
• Verschillen op groepsniveau
• Maar niet groot en consistent genoeg om een diagnose bij een individuele patiënt
mogelijk te maken
Basis van neurale signalen
Neuronen, met cellichamen in de grijze stof van de
hersenschors en subcorticale structuren; de witte stof bevat
axonen (verbindingen tussen cellen). Een actiepotentiaal reist
langs het axon naar alle uiteinden.
➔ Zonder input (in rust) heeft het celmembraan van een
neuron een elektrisch potentiaalverschil tussen binnen
en buiten van -70 mV.
➔ De postsynaptische potentiaal wordt bepaald door de
input van vele synapsen in de dendrieten te integreren.
Neurale communicatie
Inputneuronen (via neurotransmitters): actiepotentialen in de tijd
→Membraanpotentiaal van postsynaptisch neuron depolariseert of hyperpolariseert
In de loop van de tijd verandert de membraanpotentiaal van postsynaptisch neuron
afhankelijk van de input die het ontvangt = signaal
samenvatting van het inputniveau zal leiden tot relatieve mate van
exciterende/inhiberende input, wanneer een actiepotentiaal wordt geactiveerd.
Signal description
Eenvoudigste signaal = sinusvormige oscillatie.
Complexe signalen kunnen worden ontbonden in frequentiecomponenten.
2
, - Frequentie: de snelheid waarmee een signaal verandert, bijvoorbeeld in de
tijdsdimensie
• 1 Hz = het voltooien van een volledige cyclus (omhoog en omlaag) in één
seconde
• Biologische signalen bevatten nooit slechts één frequentie (dit gebeurt wel bij
kunstmatige signalen, bijvoorbeeld een zuivere toon)
- Amplitude: hoeveel het stijgt en daalt
- Fase: wanneer het stijgt en daalt
Frequentiespectrum: gemeten frequentiebereik
• Hoogste frequentie: Beperkt door de bemonsteringsfrequentie, ½ *
bemonsteringsfrequentie (Nyquist-bemonsteringstheorema)
• Laagste frequentie: Beperkt door de meetduur van het signaal, 1 / aantal seconden
gemeten.
Filteren: het verzwakken of uitsluiten van een bepaald deel van het
gemeten frequentiespectrum (laagdoorlaat, hoogdoorlaat of
banddoorlaat)
Spectrogram: de sterkte van elke signaalcomponent op elk
moment. -> des te roder -> hoe sterker het signaal op een bepaald
moment in de tijd.
Moleculaire en hemodynamische signalen
Elektrofysiologische veranderingen zijn verbonden met andere soorten veranderingen...
Op kleinere schaal: beweging van chemische stoffen en moleculen
• Bijv. depolarisatie: instroom van Na+; repolarisatie: uitstroom van K+
• Bijv. hoge calciumconcentratie in elektrisch actieve neuronen → tweefoton-
calciumbeeldvorming
Op grotere schaal: hemodynamiek
• De bloedtoevoer wordt aangepast aan de actuele energiebehoefte (energie komt van
glucose)
Energieverbruik
3
, Elektrofysiologische processen vereisen energie
De amplitude van potentiaalveranderingen is niet per se de beste voorspeller van
energieverbruik
➔ Actiepotentiaal = passieve keten van gebeurtenissen die niet veel energie
verbruikt
➔ Het herstellen van de rustpotentiaal vereist energie → het energieverbruik van een
neuron zou kunnen correleren met het aantal actiepotentialen.
Pre- en postsynaptische factoren (bijv. neurotransmitterafgifte) vereisen ook energie
De exacte energieverdeling over verschillende processen kan variëren
(soort, neuronentype)
Clustering -> fMRI
Niet-invasieve methoden kunnen geen resolutie op het niveau van individuele neuronen
bereiken: Methoden met de hoogste ruimtelijke resolutie middelen nog steeds signalen
van vele neuronen.
Neuronen met vergelijkbare functionele eigenschappen worden samen geclusterd
• Hoe meer clustering, hoe meer het gemiddelde signaal van vele neuronen
overeenkomt met het signaal van de individuele neuronen
→ De gevoeligheid van een niet-invasieve beeldvormingstechniek hangt af van de
hoeveelheid clustering
• Clustering op verschillende ruimtelijke schalen
Overzicht van methoden
Drie dimensies:
• Temporele resolutie: de kleinste tijdseenheid die door een methode kan worden
onderscheiden
• Spatiële resolutie: de kleinste ruimtelijke eenheid die kan worden opgelost
• Invasiviteit: de meeste methoden zijn ofwel volledig invasief (de schedel moet worden
doorboord) of helemaal niet-invasief. Focus op minder invasieve technieken (=> kunnen
bij mensen worden toegepast)
4
