Methoden der kognitiven Neurowissenschaften

Transkript

1 Methoden der kognitiven Neurowissenschaften SS 2014 Hirnstimulation Jonas Obleser

2 Datum Thema Einführung und Organisation Karfreitag Neuropsychologie Freitag nach 1.Mai Behaviorale Methoden (Reaktionszeit, Signal Detection Theory, ) Elektrophysiologie EEG Freitag nach Himmelfahrt MEG NIRS MRT fmri 4.7. fmri ff. + PET TMS/TDCS Abschluß, Nachbesprechung & Prüfungsvorbereitung

3 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Transkranielle Durch die intakte Schädeldecke hindurch Magnet- Stimulation Durch ein (dynamisches) Magnetfeld verursacht Anregung von Nerven!

4 TMS Physiologische und technische Grundlagen

5 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Grundlagen Mittels TMS werden bestimmte Hirnstrukturen kurzzeitig stimuliert oder gehemmt. Bei einer Hemmung spricht man auch von einer virtuellen Läsion. Gehört zu den Standardverfahren der kognitiven Neurowissenschaften und zu den ergänzenden Verfahren der bildgebenden Methoden.!

6 TMS, demonstriert von Vincent Walsh, TMS-Gott

7 Was macht TMS? TMS interferiert mit physiologischen Prozessen.

8 Was macht TMS? TMS interferiert mit physiologischen Prozessen. Vgl. alle sonstigen hier besprochenen Verfahren: Sie messen physiologische Prozesse Was sollen wir also messen in TMS-Experimenten? Wir messen den Einfluß / die Interferenz / die Auswirkung der TMS. à Verhalten: Reaktionszeiten; Fehlerraten; Verschiebungen von psychometrischen Kurven à eventuell auch ( à TMS und Bildgebung ) Physiologische Signale (peripher, zb. Elektromyogramm, EMG) Physiologische Signale (zentralnervös, zb. EEG, fmrt)!

9 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Echte Läsionen Defizite führen mit der Zeit zu einer Reorganisation / Kompensation Können nur bei Tieren gezielt angebracht werden, beim Menschen ist man auf Verletzungen / Erkrankungen angewiesen. Können mittels Bildgebung genau lokalisiert werden. Zeigen oft sehr deutliche Beeinträchtigung des Verhaltens. Nicht Ausfall sondern Kompensation wird gemessen

10 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Virtuelle Läsionen Führen zu keiner Reorganisation / Kompensation! Können benutzt werden, um das Timing der Kognition zu untersuchen. Können sehr präzise und fokussiert angebracht werden. Können an einer Versuchsperson an unterschiedlichen Stellen angebracht werden. Ausfall / Stimulation kann direkt gemessen und mit Kontrollbedingung verglichen werden.

11 Methodenübersicht TMS

12 Methodenübersicht Walsh & Cowey (2000)

13 Seit Ende des 19. Jahrhunderts Versuche zur magnetischen Stimulation des Gehirns à Phosphene (Lichtblitze) à Schwindelattacken Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Geschichte und technische Grundlagen Magnusson y Stevens (1911)

14 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Geschichte und technische Grundlagen Magnetfeld von 140 mt mit 50 Hz schwache, flackernde Leuchtreize Magnetosphene (induktiv hervorgerufene Wirbelströme in der Netzhaut). Silvanus P. Thompson (1910)

15 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Geschichte und technische Grundlagen Baker et al stellt erstes TMS-Gerät vor Anthony T. Barker (1985)

16 Entstehen einer elektrischen Spannung entlang einer Leiterschleife durch die Änderung des magnetischen Flusses Strom erzeugt Magnetfeld. Magnetfeld erzeugt Strom. Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen Elektromagnetische Induktion

17 TMS Neuronale Grundlagen Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Bei einem Aktionspotential wird elektrische Ladung in der Zelle bewegt. Prinzip: Man möchte künstlich eine Potentialveränderung einer Nervenzelle erreichen.

18 TMS Neuronale Grundlagen Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Vergleiche MEG: Das Gehirn generiert auch schwache magnetische Felder, die von Detektoren gemessen werden können. Magnetfeld breitet sich ohne Beeinflussung des Gewebes oder der Knochen bis an die Kopfoberfläche aus.

19 Technische Grundlagen Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Reizspule (Coil) wird auf der Kopfhaut platziert, darüber wird kurzzeitig und impulsartig ein magnetisches Feld aufgebaut. Dadurch werden elektrische Ströme im Gewebe unterhalb der Spule induziert.

20 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen Spulen Früher: Rundspulen, Nachteil: Relativ grosse induzierte Magnetfelder. Heute: Schmetterlingsspule ( Figureof-8-coil ) mit 70mm Durchmesser Bietet ein stärkeres und fokussierteres Magnetfeld als die Rundspulen Stromfluss: ca. 5kA

21 Technische Grundlagen Stärke des Magnetfeldes Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Durch TMS wird ein Strom im Gewebe induziert. Stärke des Induktionsstroms hängt vom Gewebe und dessen Widerstand ab. Stimulation bis zu einer Tiefe von 2 cm möglich.

22 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen Geräte (MPI CBS) Magstim Rapid2 Peak: Wdh-Rate: Pulslänge: Auflösung: 3,5 Tesla bis 100Hz (30%) bis 25Hz (100%) ca. 400µs ca. 5mm

23 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen Magnetfeld und Nervenzellen Änderungen eines Magnetfeldes induzieren Änderungen des Membranpotentials an den Neuronen (bevorzugt an den parallel zum induzierten Strom verlaufenden Axonen). Auslösung von Aktionspotentialen (neuronales Rauschen). Vor allem Neurone, deren Axone oder Dendriten parallel zur Hirnoberfläche verlaufen, werden depolarisiert. Wichtig: Bedenke dass die Ziel-Region auch primär inhibitorische Eigenschaften haben könnte à Eine Virtuelle Läsion durch TMS ergäbe dann netto (für Hirnregionen, die Input aus unserer Zielregion bekommen!) ein weniger an Inhibition!

24 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen Reizimpuls Reizimpuls hat rasche Anstiegsflanke (< 10 μs) und fällt dann langsam ab ( μs). Während der schnellen Anstiegs- phase wird ein kurzer, das kortikale Gewebe erregender Induktions- strom generiert. Der induzierte Strom führt zu einer Veränderung des Magnetfeldes im Gewebe.

25 Transkranielle Magnetstimulation (TMS)

26 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Interferenz-Mechanismen? TMS induziert Rauschen ( Noise ) in die neuronalen Prozesse.! Unwahrscheinlich, dass während einer neuronalen Aktivität und einem gegebenen TMS-Impuls genau das Muster der neuronalen Aktivität induziert wird. TMS induziert eher Unordnung als Ordnung. TMS kann damit ähnliche Defizite herbeiführen, die man sonst bei neuropsychologischen Patienten (z.b. durch Läsionen) feststellt.

27 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten Einzelpuls-TMS Standarddiagnostikverfahren um Funktion des motorischen Kortex zu überprüfen. TMS-Impuls über motorischem Kortex appliziert. magnetisch/motorisch evoziertes Potential (MEP) an Hand gemessen. EMG-Elektroden messen Amplitude, Latenz, Vorhandensein eines Potentials und lassen Rückschlüsse auf Intaktheit des Systems zu. Einzelimpulse über dem somatosensorischen Kortex führen zu Parästhesien. Einzelimpulse über Okzipitalkortex resultieren in Phosphenen (kurze Lichtblitze).

28 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) MEP Amplitude und Latenz

29 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten Einzelpuls-TMS Typischer Fingermuskel M. abductor pollicis brevis (APB)

30 Transkranielle Magnetstimulation (TMS)

31 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten Einzelpuls-TMS Impulsschwelle Bei Untersuchungen am motorischen Kortex kann die Stimulation als MEP gemessen werden. Aus Gründen der Vergleichbarkeit muss jeweils die individuelle Reizschwelle bestimmt werden. Schwellenwert (Psychophysik): Geringste Reizintensität, die notwendig ist, um bei 50 % der Stimulationen Reizantworten mit mindestens 50 μv in einem Fingermuskel zu evozieren.

32 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten repetitive TMS Wiederholte Stimulation mit einer Frequenz von bis zu 60 Hz. Längere rtms mit niedriger Frequenz (ca. 1-2 Hz) führen zu einerart virtueller oder transienter Läsion der stimulierten Hirngebiete. Funktion des Gebietes kann gehemmt werden. long term depression bleibt für ca. 15 Minuten bestehen. Höherfrequente Stimulationen (> 4 Hz) haben dagegen einen faszilierenden Effekt auf die stimulierten Hirngebiete. Erhöhung der Effizienz/Bahnung von exzitatorischen Synapsen long term potentiation bleibt für mehrere Minuten bestehen.

33 Anwendungen Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Neurophysiologie (Bestimmung der Nervenfunktion) Auslösung magnetisch evozierter Potentiale (MEPs). Unterscheidung z.b. zwischen demyelinisierenden und axonalen Erkrankungen experimentell-klinisch M. Parkinson (Koch et al., Neurology 2005) endogene Depressionen (Isenberg et al.,ann Clin Psychiatry 2005) Zwangsstörungen, Gilles de la Tourette (Mantovani et al., Int J Neuropsychopharmacol 2006) Schizophrenie (Brunelin et al., Schizophr Res 2006)

34 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Anwendungen Kognitive Neurowissenschaften Stimulation kann zu einer (undramatischen, aber messbaren) Veränderung der Leistungsfähigkeit in einer engumschriebenen Aufgabe führen à Interferenz à Zeigt die Relevanz eines Gehirnbereiches für einen bestimmten kognitiven Prozess. Zum Vergleich: fmrt zeigt nur die Gleichzeitigkeit ( Korrelation ) zwischen Aufgaben-Ausführung/kognitivem Prozess und Durchblutungsveränderungen in umschriebenen Hirnbereichen!

35 TMS Praktische und Psychologische Erwägungen

36 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen Online TMS wird während des Experimentes gegeben. Gleichzeitige Aktivierung grösserer Nervenverbände für wenige Millisekunden. Kann sich sowohl förderlich als auch hinderlich auf Leistung auswirken (abhängig von dem Zeitpunkt der Stimulation).!

37 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen Offline TMS wird vor dem Experiment z.b. über 10 Minuten hinweg gegeben. Noch über wenige Minuten ist die Kommunikation des stimulierten Hirnbereiches mit dem Rest des Gehirns verändert. Kann sich sowohl förderlich als auch hinderlich auf Leistung auswirken (abhängig von Dauer und Frequenz der Stimulation).!

38 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen Condition and Perturb 1. TMS wird vor dem Experiment z.b. über 10 Minuten hinweg gegeben, um Areal A tonisch zu beeinträchtigen ( offline, to condition area A ) 2. TMS wird während der Aufgabe in Einzelpulsen gegeben, um Areal B phasisch zu beeinträchtigen ( online, to perturb area B ) à Guter Ansatz um Netzwerk-Zusammenhänge zwischen Arealen zu studieren.!

39 Transkranielle Magnetstimulation (TMS)

40 Transkranielle Magnetstimulation (TMS)

41 Platzierung der Spulen Iterative Suche Grundproblem: Korrektes Platzieren der Spulen auf Schädeloberfläche. Vorgehen bei Diagnostik des motorischen Kortex: Mittelinie auf Schädelkalotte identifizieren. Position des Motorkortex abschätzen Spule tangential über Motorkortex anbringen und Impuls generieren. Überprüfen ob ein MEP am Finger ableitbar ist und evtl. korrigieren. Wenn die richtige Position gefunden wurde, kann diese markiert werden und für weitereanwendungen verwendet werden. Iterative Suche Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Problematisch bei Regionen die weniger klar abgrenzbar sind.

42 Transkranielle Magnetstimulation (TMS)

43 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Platzierung der Spulen System System ist anerkanntes System mittels dessen man EEG-Elektroden auf der Schädeloberfläche platziert. Es gibtarbeiten, die anhand von normalisierten Gehirnen die unter den Elektrodenpositionen lokalisierten Hirngebiete kartieren. Landmarken haben zwar Spannbreiten von bis zu 2 cm, diese liegen aber innerhalb des Ungenauigkeitsbereichs einer TMS-Stimulation.

44 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Platzierung der Spulen Neuronavigation Mittels normalisiertem Standardgehirn oder MRT-Bild und einem Analysesystem kann TMS-Spule an die richtige Position navigiert werden. Sehr präzise, noch relativ teuer.

45 TMS Paradigmen Online: Timing (Beckers & Zeki, 1995) Stimulation über V5 (MT): Effekt auf Erkennen von Bewegungsrichtung bei einem Zeitfenster von -20 bis 10 ms. Stimulation über Region zwischen V5 und V1: Kein Effekt auf Erkennen von Bewegungsrichtung. Stimulation über V1: Effekt auf Erkennen von Bewegungsrichtung bei einem Zeitfenster von 60 bis 70 ms nach Target-Präsentation.

46 Paradigmen Online: Timing (Beckers & Zeki, 1995) Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Bislang wurde davon ausgegangen, dass alle visuelle Information via V1 in weitere visuelle Areale weitergeleitet wird. Dann müsste eine Stimulation über V1 einen früheren Effekt zeigen als eine Stimulation über V5. Hier ist es aber umgekehrt Autoren stellen die Hypothese auf, dass V5 Informationen über mindestens zwei Routen bekommen kann. V1 Direkt über Korpus geniculatum laterale.

47 Ein Video noch (Wieder Vincent Walsh!)

48 Kombinationen mit anderen Methoden z.b. fmri, PET, EEG Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Zeitpunkt: vorher, nacher, simultan Art: offline, online, Localizer

49 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS und Bildgebung Bildgebung (fmrt, PET, u.u. MEG) kann anatomischen Ort einer Funktion kartieren. Unbeantwortet bleibt dann aber die Frage, welche Funktion genau das kartierte Neuronenensemble für die entsprechende Aufgabe hat. hemmend? stimulierend? Die Veränderungen des Verhaltens nach einer TMS-Intervention erlauben Rückschlüsse auf die funktionale Bedeutung der entsprechenden Struktur.!

50 Transkranielle Magnetstimulation (TMS)

51 Nebenwirkungen, Gefahren Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Epileptische Anfälle 8 Fälle wurden in deranfangsphase (bis 1996) berichtet International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996 (Wassermann, Electroencephal Clin Neurophys 1997):Ausschlusskriterien, Stimulationsmaxima. seither keineanfälle mehr berichtet Paradox: TMS bei Epilepsiepatienten zeigt eher eine Reduktion epileptiformer Aktivität im EEG (Fregni et al., Epilepsy Behav 2005) Zucken der Kopfhaut und der Kaumuskulatur, Spannungskopfschmerz; keine Langzeitnebenwirkungen!

52 tdcs, tas, zusammen tes

53 tes transkranielle Elektrische Stimulation Sammelbegriff für: transkranielle Gleichstrom-Stimulation (transcranial Direct Current Stimulation, tdcs) transkranielle Wechselstrom-Stimulation (transcranial Alternating Current Stimulation, tacs)!

54 tdcs vs. tacs transcranial direct current stimulation tdcs transcranial alternating current stimulation tacs

55 tes Die einzige Methode wirklich direkt aus dem Baumarkt: Ein Stromgenerator, Zwei Schwämmchen-Elektroden, Zwei Kabel. Kosten als kommerzielles Gerät ~5000

56 Überblick tdcs focal, subthreshold, tonic non-invasive brain stimulation technique - modulation of the spontaneous firing rate - no direct induction of action potentials (like in TMS) but - modulation of the resting membrane potential à increase (anodal) or decrease (cathodal) in cortical activity à online-application during experimental paradigm à tool for basic neuroscientific research (brainbehavior relationship à potential use in neurorehabilitation tdcs workshop 3rd IMPRS NeuroCom Summer School Methoden MPI Leipzig, der kognitiven Department Neurowissenschaften of Neurology

57 Effekte von konstanter vs gepulster Stimulation auf neurale Aktivität trancranial direct current stimulation tdcs trancranial alternating current stimulation tacs Bindman et al. J Physiol. 1964; Fröhlich et al. Neuron 2010

58 tdcs über dem primären Motorischen Kortex Beeinflusst dies die Potentiale, die ein TMS-Puls auslösen kann? anodal tdcs erregend à tdcs induziert Veränderungen der Hirnaktivität (hier operationalisiert als Hirnerregbarkeit)! t (min) cathodal tdcs hemmend Nitsche et al., J Neurophysiol 2007

59 Beispiel: tdcs-trainingsprotokoll verbessert Wissenserwerb Meinzer et al., 2014: Verbesserter lexikalischer Erwerb durch anodale tdcs

60 Beispiel: tdcs-trainingsprotokoll verbessert Wissenserwerb sham = Kontroll- oder auch Placebo -Bedingung à Siehe hierzu auch die TMS-Slides Meinzer et al., 2014: Verbesserter lexikalischer Erwerb durch anodale tdcs Sham bei tes: Aufdrehen des Stroms ( kitzelt an der Kopfhaut), aber dann wieder unbemerktes Abdrehen des Stroms

61 experimental design - sham control intensity intensity time skin sensations time sham condition induces the same skin sensations as real tdcs sham control always needed questionnaire after the experiment: what did you notice? sham or real? tdcs workshop 3rd IMPRS NeuroCom Summer School Methoden MPI Leipzig, der kognitiven Department Neurowissenschaften of Neurology

62 Beispiel: tacs synchronisiert den endogenen Hirnrhythmus

63 Beispiel: tacs synchronisiert den endogenen Hirnrhythmus Kleine Übung: Wie interpretieren Sie diese Abbildung? Welche Informationen bekommen wir?

64 Ziel: klinische Anwendung von tes in der Neurorehabilitation Vielversprechend: -moduliert kortikale Aktivität - induziert anscheinend plastische Veränderungen - sicher und einfach anzuwenden - billig Herausforderungen : Effekte sind transient Effektgrößen sind wenig beeindruckend Die Wirkweise von tes ist schlecht verstanden Ausstehend: Optimierung der Parameter hinsichtlich Zeit und Intensität? in welchem Zeitfenster (zb während eines Lernvorgangs, aber auch wann in der Rehabilitation)? Platzierung der Elektroden?!

65 Literatur der heutigen Veranstaltung Walsh, V., & Cowey,A. (2000). Transcranial magnetic stimulation and cognitive neurscience. Nature Reviews Neuroscience, 1, Siebner, H. R., Willoch, F., Peller, M.,Auer, C., Boecker, H., Conrad, B., & Bartenstein, P. (1998). Imaging brain activation induced by long trains of repetitive transcranial magnetic stimulation. NeuroReport, 9, Beckers, G., & Zeki, S. (1995). The consequences of inactivating areas V1 and V5 on visual motion perception. Brain, 118,