winter+sommer2023bp

Nicht invasives neurophysiologisches Verfahren zur kurzfristigen Stimulation oder Hemmung von Hirnstrukturen, Alternative zu Läsionsstudien ("virtuelle" Läsionen, reversibel)

Nutzt Prinzip der elektromagnetischen Induktion (Magnetfeld erzeugt Strom) um Ionenströme an Zellmembran und damit deren Erregbarkeit zu beeinflussen, verändert kortikale Informationsverarbeitung

Einsatz:
Untersucht kausale Zusammenhänge zwischen Gehirn und Verhalten

- Erforschung Funktion eines Hirngebiets für kognitiven Prozess, Kontrollmessung in gleicher VP möglich da Läsionen reversibel - Trial and Error anhand ausgelöster Reaktionen möglich
- in Diagnostik (zB MS): lässt Rückschlüsse auf motorisches System, Nervenleitgeschwindigkeit, Intaktheit der Nervenfasern, Größe der motorischen Repräsentation zu
- als Therapie bei Depressionen eingesetzt 

tDCS nutzt unterschwellige tonische Elektrostimulation mit Gleichstrom, ruft keine direkte Hirnaktivität hervor, sondern verschiebt nur Ruhemembranpotential und erschwert oder erleichtert somit die Auslösung von APs

TMS nutzt überschwellige Stimulation, die direkte Hirnaktivität (APs) hervorruft

neurophysiologische Grundlage identisch mit EEG: Neurone werden durch EPSPs und IPSPs zu Dipolen
Stromfluss in Neuronen verursacht ein Magnetfeld, dafür sind v.a. intrazelluläre Ströme entscheidend
Sind Neurone parallel zum Skalp angeordnet kann deren Magnetfeld mit Hilfe von Magnetometern erfasst werden
Magnetometer sind Spulen in denen die Magnetfelder aus dem Gehirn Ströme erzeugen

• Ca 800ml Blut versorgen Gehirn jede Minute mit Sauerstoff und Glukose, 
• Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid über Kapillaren, jede Zelle sehr nah an einer Kapillare
• Entspricht 20% des gesamten Blutflusses des Körpers
• Unterbrechung Blutversorgung (Hirninfarkt) häufigste Ursache für Hirnschäden, zweithäufigste Blutungen (beides oft als Schlaganfall bez.)

Zuführende Arterien

• A. carotis interna spaltet sich auf in A. cerebri anterior und media: versorgen frontal, parietal und teile des temporallappen, sowie Auge und Hypophyse
• Die beiden vertebralis arterien schließen sich zusammen zur A. basilaris, A. basilaris spaltet sich auf in die beiden A. cerebri posteriores: versorgung okzipital und temporallappen
• Circulus arteriosus cerebri: Gefäßsystem – a. cerebri anteriores sind verbunden durch a. communicans anterior und a. communicans posterior (aus a. carotis interna) verbindet a. cerebri posteriores mit vorderem Kreislauf
• Kreislauf kann langsame einseitige bis 90%ige Stenose einer zuführenden Arterie ausgleichen

Stenosen (Verschluss einer zuführenden Arterie)

i.d.R. sind kleine Gefäße betroffen

• Cerebri anterior: Lähmung / Sensibilitätsstörung im Bein-/Fußbereich, evtl. Persönlichkeitsstörung
• Cerebri media: kontralaterale Lähmung / Sensibilitätsstörung Kopf und Armbereich, Sprachstörung, Blickabweichung nach ipsilateral
• Cerebri posterior: zB halbseitige Blindheit
• Basilarisverschluss führt zum Tod

• Visuelles System kreuzt zur Hälfte im Chiasma opticum
• Taktiles System: Schmerz und Temperatur kreuzt auf RM Ebene des betroffenen Segments, also sehr früh, verläuft hauptsächlich kontralateral, andere Somatosensorik kreuzt auf Höhe der M.O.
• Gustatorisches Sytem kreuzt im Thalamus
• Olfaktorische Bahn kreuzt auch irgendwo, verläuft auch viel gekreuzt

• Räumliche Auflösung bei fMRT immer geringer als bei struktureller, weil:
  1. SNR: das Signal, welches fMRT untersucht (Veränderung des Verhältnisses von sauerstoffarmem zu sauerstoffreichem Blut in einem Voxel) ist sehr klein
     Je kleiner das Voxel, desto schlechter das SNR – bei kleinem Signal und kleinem Voxel viel zu viel Rauschen im Verhältnis zum Signal
  2. Akquisitionszeit: je höher die Auflösung, desto länger die Akquisitionszeit 
     linearer Zusammenhang zwischen Anzahl der Schichten und Akquisitionszeit
     in-plane-auflösung = Anzahl der Pixel in Ausleserichtung, (field of view/matrix, also umgekehrt proportional zur Pixelgröße, je mehr Pixel, desto kleiner, je weniger, desto größer) – je höher die in plane Auflösung desto länger die Datenverarbeitung
• Tatsächliche räumliche Auflösung hängt auch von Korrespondenz zwischen neuronaler Aktivität und vaskulärer Reaktion ab

Preprocessing: Serie mathematischer Prozesse die im Prinzip für alle Fragestellungen gleich ablaufen 
Ziel: Rauschen reduzieren und Daten auf Weiterverarbeitung vorbereiten
Davor sollte Qualität der Daten manuell überprüft werden

Teile des Preprocessing:

• Bewegungskorrektur: schon kleine Bewegung verursacht große Artefakte
  Lösung: rigid body transformation, Verchieben/Drehen, sodass Bilder wieder alle übereinander liegen, als Referenz oft erstes Bild der experimentellen Session
• Normalisierung: Anpassung an Standardgehirn, für Vergleich zwischen Probanden/Studien, dazu Coregistrierung strukturelles Bild aufgrund besserer Auflösung, strukturelles Bild wird normalisiert und Normalisierungsparameter können dann auf funktionelles übertragen werden
• Smoothing (räuml. Glättung): räumlicher Low-Pass Filter, reduziert Wahrscheinlichkeit falsch positiver Ergebnisse – Werte für jedes Voxel werden neu berechnet, indem Werte der benachbarten Voxel mit einbezogen werden (je weiter entfernt, desto weniger) FWHM= räumliche Distanz bei der Hälfte des Signals noch mitberücksichtigt wird -> man macht das für Gewinn SNR, da benachbarte Voxeldaten korreliert sind, geringer Verlust räumliche Auflösung
• Zeitliche Filterung: Frequenz-Spektrum auftskken, maximal erfassbare Frequenz durch TR bestimmt (maximal erfassbare Frequenz=Nyquist-Frequenz, entspricht Hälfte der Aufnahmefrequenz), high pass Filter für Scanner Drift, band-stop für Atmung oder Herzschlag

Grundlage dieselbe wie beim EEG, Neurone werden durch EPSPs und IPSPs zu Dipolen. Hinzu kommt der Faktor des Elektromagnetismus: Jeder stromdurchflossene Leiter erzugt ein Magnetfeld -> stromdurchflossene Neurone erzeugen Magnetfelder, hierfür sind v.a. die intrazellulären Ströme entscheidend

Magnometer, die über dem Kopf angebracht sind, können diese Magnetfelder erfassen. Magnometer = Spulen, in denen Magnetfelder aus dem Gehirn elektrische Ströme erzeugen. Induzierter Strom ist proportional zur Stärke des Magnetfeldes.

• EKP lässt sich in Komponenten einteilen: unterscheiden sich in Amplitude, Latenz und Skalpverteilung
• müssen reproduzierbar und manipulierbar sein
• N negativ, P positiv, fortlaufende Nummerierung oder Nummer = Latenz
• können Prä oder Post Stimulus auftreten und endogen oder exogen sein

Beispiele

1. Auditorische N1:

• Negativierung 100ms nach auditorischem Reiz, kann schon ab 75ms auftreten,
• frontozentrales Maximum,
• Ursprung primärer auditorischer Cortex,
• abhängig von physikalischen Eigenschaften,
• keine bewusste Reizverarbeitung notwendig
• Modulation durch Aufmerksamkeit möglich (Unetrdrückung der N1 bei selbstgeneriertem Ton)

2. Visuelle P1

• Beginn meist zwischen 60 und 90ms nach Reiz
• Peak zwischen 100 und 130
• am stärksten lateral okzipital ausgeprägt
• sensitiv für physikalische Stimulusparameter
• beeinflusst durch räumliche Aufmerksamkeit und Aktivierungslevel

3. Visuelle N1

• frühe anteriore Subkomponente nach 100-150ms
• zwei spätere Subkomponenten mit Quellen im Parietal und OKzipitacortex
• Einfluss räumlicher Aufmerksamkeit

4. P300

• Positivierung 300ms nach Reiz
• unabhängig von Modalität
• variable Skalpverteilung
• am stärksten beforschte Komponente
• repräsentiert Erwartungsverletzungen: je größer die Abweichung desto größer Amplitude und Latenz
• Reize müssen aufgabenrelevant sein
• größere Amplitude bei größerer Anstrengung, geringere Amplitude bei größerer Unsicherheit bzgl. des Zielreizes
• Latenz spiegelt Dauer der Evaluation wider - steigt im Alter, bei neurodegenerativen Erkrankungen und bei Alkoholismus

5. N400

• Negativierung 400ms nach Reiz
• Centroparietal, leicht rechtshemisphärisch
• spezifisch für semantische Erwartungsverletzung, meist bei Sprache
• auch unpassende nicht sprachliche Reize können N400 auslösen

weitere Komponenten: feedback related negativity(Quelle im ACC, stärker bei negativem Feedback, bei versch. Arten von Feedback), error related negativity(Negativierung bei Fehlern, auch ohne bewusste Fehlerentdeckung)

Amplitude in Mikrovolt (uV)

Frequenz in Hz

Latenz in ms