Cognitive Neuropsychology | Marleen de Jong
Cognitive Neuropsychology
Learning goals
By the end of the course, the students should be able to:
- Describe how a range of experimental methods used in cognitive neuropsychology (sMRI,
fMRI, EEG, TMS, PET, single cell recordings,…) work.
- Explain the neuropsychological basis of these measurements and the way they inform us
about the functioning of the brain.
- Evaluate the relative strengths and weaknesses of these methods.
- Evaluate quality and relevance of cognitive neuropsychological research.
- Design a proper scientific experiment using the discussed techniques.
Hoorcollege 1: Introduction (Ch1)
Oefenvragen
PET is de beste manier om neurotransmitters te meten
MRS is niet event-related
TMS gaat over een causale rol, voor oppervlakkige regio’s. fMRI gaat over correlatie
DBS (Deep Brain Stimulation). Te gebruiken voor subcorticale regio’s (bijv. de diPFC die niet diep in
de hersenen ligt)
Brain enthusiasm
Hersenscans worden weleens als bewijs gebruikt in de rechtszaal. Ook worden hersenscans door
leken vaak overgeïnterpreteerd en bijv. belangrijker gevonden dan de expertise van een getuige. Dit
komt door de overtuigende kracht van het woord ‘neuro’.
Wat betreft hersenscans bestaat er een goede voortgang wat betreft het kunnen vaststellen van
neurologische syndromen, zoals hersentumoren, dementie en milde cognitieve verslechtering. Wat
betreft psychiatrische en mentale syndromen, zoals depressie, autisme spectrum stoornis en
schizofrenie bestaat er echter minder voortgang. Er bestaan verschillen op groepslevel, maar deze
zijn niet groot en consistent genoeg om een diagnose te kunnen stellen bij een individu. Er bestaan
namelijk altijd individuele verschillen, waardoor het heel moeilijk is om op individueel niveau dingen
vast te stellen.
1
, Cognitive Neuropsychology | Marleen de Jong
Definition
Cognitieve neuropsychologie is de studie van de relatie tussen de structuur en functie van de
hersenen en specifieke cognitieve functies (bijv. taal, geheugen, aandacht) door het volgende te
onderzoeken:
- Deze cognitieve processen bij normale, gezonde personen
- De afbraak van deze processen bij mensen met hersenschade (als gevolg van verworven
hersenschade of als gevolg van een ontwikkelingsstoornis)
Basis of neural signs
De basis van alle neurale signalen ligt in een aantal fundamentele neurofysiologische en
metabolische fenomenen.
De basis van neurale signalen zijn neuronen. Deze
bestaan uit dendrieten, het cellichaam en een axon.
Cellichamen vormen de grijze stof van de cerebrale
cortex en subcorticale structuren. De witte stof
bestaat uit axonen. Onder de cortex neemt deze
witte stof een groot volume in en in het perifere
zenuwstelsel vormen de axonen zenuwbundels en tracts.
Zonder input (bij rust), heeft het membraan van een neuron een elektrisch potentiaalverschil tussen
de binnen-en buitenkant van -70 mV. De post-synaptische potentiaal wordt bepaald door
integrerende input van vele synapsen bij de dendrieten. Actiepotentialen ontstaan als de drempel
(threshold) bereikt wordt. Het kan zowel hyperpolariseren als depolariseren. Over het algemeen
ontstaat er als de drempel bereikt wordt eerst depolarisatie, gevolgd door repolarisatie en
hyperpolarisatie. Het cellichaam krijgt informatie vanuit de dendrieten en de potentialen worden
gegenereerd bij de axonheuvel. Hierna wordt het snel getransporteerd door het axon die eindigt bij
de synapsen. De actiepotentiaal triggert de afgifte van neurotransmitters, waardoor hetzelfde
gebeurt in het volgende neuron
2
, Cognitive Neuropsychology | Marleen de Jong
Neural communication
Zonder enige input is het neuron in een staat van rust,
die gekarakteriseerd wordt door het rustpotentiaal.
De input van neuronen vanuit andere neuronen
(doordat neurotransmitters worden afgegeven bij de
synapsen in de dendrieten van het neuron) is
actiepotentialen over tijd. Receptoren in het
membraan van het neuron reageren op de
neurotransmitters en hierdoor raakt het
rustpotentiaal verstoord. Hierdoor depolariseert of
hyperpolariseert het membraanpotentiaal van het
post-synaptische neuron. De richting van het effect
verschilt over de verschillende neurotransmitters
(glutamaat is bijv. exitatoir en GABA inhiberend).
Excitatoire signalen zorgen ervoor dat het ontvangende neuron ‘actiever’ wordt; inhiberende
neuronen zorgen ervoor dat het ontvangende neuron minder actief wordt. De neurotransmitter
input van een excitatoir neuron maakt het potentiaalverschil minder negatief (depolarisatie) (-70 mV
wordt -65 mV). De neurotransmitter input van een inhiberend neuron maakt het potentiaalverschil
negatiever (hyperpolarisatie)
Over tijd verandert de membraanpotentiaal van het postsynaptische neuron als functie van de input
die het ontvangt. Het integreert alle input die het ontvangt. Dit wordt het signaal genoemd: een
samenvatting van het level van de input (hoeveel input ontvangt het neuron), de relatieve mate van
excitatoire en inhiberende input en een samenvatting van wanneer de actiepotentiaal getriggerd
wordt. Als er voldoende exitatoire input ontvangen wordt, bereikt het membraanpotentiaal het
kritieke level en wordt er een actiepotentiaal getriggerd. De veranderingen in het
membraanpotentiaal zorgen evoor het signaal dat gedetailleerde informatie geeft over wat er in het
neuron gebeurt. Het feit dat een postsynaptisch neuron een actiepotentiaal vuurt, zegt echter niks
over welk presynaptisch neuron de depolarisatie veroorzaakt heeft.
Signal description
Het simpelste signaal is de sinusoidal oscillation (de sinus).
Frequentie is de mate van veranderingen van signaal, bijv. in de
tijddimensie. Hoe lang duurt het om een volledige cyclus te
doorlopen. Het signaal gaat op en neer en hoe lang duurt het dan om 1 cyclus te voltooien. 1 Hz
betekent het doorlopen van een volledige cyclus (op en neer) in 1 seconde. Biologische signalen
bevatten nooit slechts een frequentie (dit is het geval in kunstmatige signalen, zoals een pure toon),
maar bestaat uit sub-signalen of frequentie componenten die allemaal een verschillende frequentie
hebben variërend van langzaam tot snel.
In de natuur komen enkel complexe signalen voor. Deze kunnen ontleed worden in frequentie
componenten. Elk component wordt bepaald door 3 parameters: frequentie, amplitude en phase.
- Elk signaal heeft een bepaalde frequentie (bijv. 1 Hz, 2 Hz, 3 Hz,…)
- Amplitude: hoeveel gaat het op en neer
- Phase: wanneer gaat het op en neer
3
, Cognitive Neuropsychology | Marleen de Jong
Linksboven: de paarse golf gaat heftiger op en neer dan de groene golf
Rechtsboven: de golven beginnen op een ander punt in de tijd
Linksonder: de groene golf gaat sneller heen en weer dan de paarse golf
Het bereik van frequenties in een signaal is niet oneindig. Het frequency spectrum is het gemeten
bereik van frequenties. De hoogste frequentie wordt beperkt door hoe vaak het signaal gemeten
wordt, ook wel de sampling frequency. Je kunt enkel fluctuaties vastleggen van de helft van de
sampling frequency (½ * sampling frequency (Nyquist sampling theorem)). Stel je legt je gewicht
iedere dag vast, dan kun je fluctuaties over de dagen meten, maar niet binnen de dagen. Je kunt
enkel fluctuaties vastleggen van langzamer dan 2 dagen. Ander voorbeeld: stel de sampling
frequency is 100 Hz (je krijgt een sample elke 10 milliseconden). Dit is dan niet bruikbaar voor een
experiment voor actiepotentialen die maar 1-2 milliseconden duren. Op het moment dat de
tijdspunten dus dichter bij elkaar liggen, kun je een hogere frequentie meten. De laagste frequentie
wordt beperkt door hoe lang het signaal gemeten wordt. Als een signaal 3 seconden nodig heeft om
op en neer te gaan, maar je meet slechts 1 seconde, dan wordt het signaal niet vastgelegd. Ander
voorbeeld: als een signaal voor 2 seconden gemeten wordt bij een hoge sampling frequency, dan is
het mogelijk om frequentie componenten van 0.5 Hz te meten, maar niet om frequenties te meten
die lager zijn dan dat. Deze beperking wordt weergegeven als 1/het aantal seconden dat gemeten
wordt.
Filteren betekent het verzwakken/dempen of uitsluiten van een bepaald deel van een gemeten
frequency spectrum. Er zijn 3 belangrijke types van filtering:
- Low-pass filtering: de lagere/langzamere
frequenties worden niet veranderd, terwijl
hogere/snellere frequenties verzwakt
worden of zelfs helemaal uit het signaal
verwijderd worden. Ook wel smoothing
- High-pass filtering: de hogere frequenties
kunnen door de filter en de lagere
frequenties worden verzwakt
- Band-pass filtering: enkel een bepaald
bereik (‘band’) van frequenties kan door
de filter. Alle frequenties lager en hoger
dan dit bereik worden verzwakt
4
Cognitive Neuropsychology
Learning goals
By the end of the course, the students should be able to:
- Describe how a range of experimental methods used in cognitive neuropsychology (sMRI,
fMRI, EEG, TMS, PET, single cell recordings,…) work.
- Explain the neuropsychological basis of these measurements and the way they inform us
about the functioning of the brain.
- Evaluate the relative strengths and weaknesses of these methods.
- Evaluate quality and relevance of cognitive neuropsychological research.
- Design a proper scientific experiment using the discussed techniques.
Hoorcollege 1: Introduction (Ch1)
Oefenvragen
PET is de beste manier om neurotransmitters te meten
MRS is niet event-related
TMS gaat over een causale rol, voor oppervlakkige regio’s. fMRI gaat over correlatie
DBS (Deep Brain Stimulation). Te gebruiken voor subcorticale regio’s (bijv. de diPFC die niet diep in
de hersenen ligt)
Brain enthusiasm
Hersenscans worden weleens als bewijs gebruikt in de rechtszaal. Ook worden hersenscans door
leken vaak overgeïnterpreteerd en bijv. belangrijker gevonden dan de expertise van een getuige. Dit
komt door de overtuigende kracht van het woord ‘neuro’.
Wat betreft hersenscans bestaat er een goede voortgang wat betreft het kunnen vaststellen van
neurologische syndromen, zoals hersentumoren, dementie en milde cognitieve verslechtering. Wat
betreft psychiatrische en mentale syndromen, zoals depressie, autisme spectrum stoornis en
schizofrenie bestaat er echter minder voortgang. Er bestaan verschillen op groepslevel, maar deze
zijn niet groot en consistent genoeg om een diagnose te kunnen stellen bij een individu. Er bestaan
namelijk altijd individuele verschillen, waardoor het heel moeilijk is om op individueel niveau dingen
vast te stellen.
1
, Cognitive Neuropsychology | Marleen de Jong
Definition
Cognitieve neuropsychologie is de studie van de relatie tussen de structuur en functie van de
hersenen en specifieke cognitieve functies (bijv. taal, geheugen, aandacht) door het volgende te
onderzoeken:
- Deze cognitieve processen bij normale, gezonde personen
- De afbraak van deze processen bij mensen met hersenschade (als gevolg van verworven
hersenschade of als gevolg van een ontwikkelingsstoornis)
Basis of neural signs
De basis van alle neurale signalen ligt in een aantal fundamentele neurofysiologische en
metabolische fenomenen.
De basis van neurale signalen zijn neuronen. Deze
bestaan uit dendrieten, het cellichaam en een axon.
Cellichamen vormen de grijze stof van de cerebrale
cortex en subcorticale structuren. De witte stof
bestaat uit axonen. Onder de cortex neemt deze
witte stof een groot volume in en in het perifere
zenuwstelsel vormen de axonen zenuwbundels en tracts.
Zonder input (bij rust), heeft het membraan van een neuron een elektrisch potentiaalverschil tussen
de binnen-en buitenkant van -70 mV. De post-synaptische potentiaal wordt bepaald door
integrerende input van vele synapsen bij de dendrieten. Actiepotentialen ontstaan als de drempel
(threshold) bereikt wordt. Het kan zowel hyperpolariseren als depolariseren. Over het algemeen
ontstaat er als de drempel bereikt wordt eerst depolarisatie, gevolgd door repolarisatie en
hyperpolarisatie. Het cellichaam krijgt informatie vanuit de dendrieten en de potentialen worden
gegenereerd bij de axonheuvel. Hierna wordt het snel getransporteerd door het axon die eindigt bij
de synapsen. De actiepotentiaal triggert de afgifte van neurotransmitters, waardoor hetzelfde
gebeurt in het volgende neuron
2
, Cognitive Neuropsychology | Marleen de Jong
Neural communication
Zonder enige input is het neuron in een staat van rust,
die gekarakteriseerd wordt door het rustpotentiaal.
De input van neuronen vanuit andere neuronen
(doordat neurotransmitters worden afgegeven bij de
synapsen in de dendrieten van het neuron) is
actiepotentialen over tijd. Receptoren in het
membraan van het neuron reageren op de
neurotransmitters en hierdoor raakt het
rustpotentiaal verstoord. Hierdoor depolariseert of
hyperpolariseert het membraanpotentiaal van het
post-synaptische neuron. De richting van het effect
verschilt over de verschillende neurotransmitters
(glutamaat is bijv. exitatoir en GABA inhiberend).
Excitatoire signalen zorgen ervoor dat het ontvangende neuron ‘actiever’ wordt; inhiberende
neuronen zorgen ervoor dat het ontvangende neuron minder actief wordt. De neurotransmitter
input van een excitatoir neuron maakt het potentiaalverschil minder negatief (depolarisatie) (-70 mV
wordt -65 mV). De neurotransmitter input van een inhiberend neuron maakt het potentiaalverschil
negatiever (hyperpolarisatie)
Over tijd verandert de membraanpotentiaal van het postsynaptische neuron als functie van de input
die het ontvangt. Het integreert alle input die het ontvangt. Dit wordt het signaal genoemd: een
samenvatting van het level van de input (hoeveel input ontvangt het neuron), de relatieve mate van
excitatoire en inhiberende input en een samenvatting van wanneer de actiepotentiaal getriggerd
wordt. Als er voldoende exitatoire input ontvangen wordt, bereikt het membraanpotentiaal het
kritieke level en wordt er een actiepotentiaal getriggerd. De veranderingen in het
membraanpotentiaal zorgen evoor het signaal dat gedetailleerde informatie geeft over wat er in het
neuron gebeurt. Het feit dat een postsynaptisch neuron een actiepotentiaal vuurt, zegt echter niks
over welk presynaptisch neuron de depolarisatie veroorzaakt heeft.
Signal description
Het simpelste signaal is de sinusoidal oscillation (de sinus).
Frequentie is de mate van veranderingen van signaal, bijv. in de
tijddimensie. Hoe lang duurt het om een volledige cyclus te
doorlopen. Het signaal gaat op en neer en hoe lang duurt het dan om 1 cyclus te voltooien. 1 Hz
betekent het doorlopen van een volledige cyclus (op en neer) in 1 seconde. Biologische signalen
bevatten nooit slechts een frequentie (dit is het geval in kunstmatige signalen, zoals een pure toon),
maar bestaat uit sub-signalen of frequentie componenten die allemaal een verschillende frequentie
hebben variërend van langzaam tot snel.
In de natuur komen enkel complexe signalen voor. Deze kunnen ontleed worden in frequentie
componenten. Elk component wordt bepaald door 3 parameters: frequentie, amplitude en phase.
- Elk signaal heeft een bepaalde frequentie (bijv. 1 Hz, 2 Hz, 3 Hz,…)
- Amplitude: hoeveel gaat het op en neer
- Phase: wanneer gaat het op en neer
3
, Cognitive Neuropsychology | Marleen de Jong
Linksboven: de paarse golf gaat heftiger op en neer dan de groene golf
Rechtsboven: de golven beginnen op een ander punt in de tijd
Linksonder: de groene golf gaat sneller heen en weer dan de paarse golf
Het bereik van frequenties in een signaal is niet oneindig. Het frequency spectrum is het gemeten
bereik van frequenties. De hoogste frequentie wordt beperkt door hoe vaak het signaal gemeten
wordt, ook wel de sampling frequency. Je kunt enkel fluctuaties vastleggen van de helft van de
sampling frequency (½ * sampling frequency (Nyquist sampling theorem)). Stel je legt je gewicht
iedere dag vast, dan kun je fluctuaties over de dagen meten, maar niet binnen de dagen. Je kunt
enkel fluctuaties vastleggen van langzamer dan 2 dagen. Ander voorbeeld: stel de sampling
frequency is 100 Hz (je krijgt een sample elke 10 milliseconden). Dit is dan niet bruikbaar voor een
experiment voor actiepotentialen die maar 1-2 milliseconden duren. Op het moment dat de
tijdspunten dus dichter bij elkaar liggen, kun je een hogere frequentie meten. De laagste frequentie
wordt beperkt door hoe lang het signaal gemeten wordt. Als een signaal 3 seconden nodig heeft om
op en neer te gaan, maar je meet slechts 1 seconde, dan wordt het signaal niet vastgelegd. Ander
voorbeeld: als een signaal voor 2 seconden gemeten wordt bij een hoge sampling frequency, dan is
het mogelijk om frequentie componenten van 0.5 Hz te meten, maar niet om frequenties te meten
die lager zijn dan dat. Deze beperking wordt weergegeven als 1/het aantal seconden dat gemeten
wordt.
Filteren betekent het verzwakken/dempen of uitsluiten van een bepaald deel van een gemeten
frequency spectrum. Er zijn 3 belangrijke types van filtering:
- Low-pass filtering: de lagere/langzamere
frequenties worden niet veranderd, terwijl
hogere/snellere frequenties verzwakt
worden of zelfs helemaal uit het signaal
verwijderd worden. Ook wel smoothing
- High-pass filtering: de hogere frequenties
kunnen door de filter en de lagere
frequenties worden verzwakt
- Band-pass filtering: enkel een bepaald
bereik (‘band’) van frequenties kan door
de filter. Alle frequenties lager en hoger
dan dit bereik worden verzwakt
4
