Methoden der kognitiven Neurowissenschaften

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1 Methoden der kognitiven Neurowissenschaften SS 2013 Funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie (fmrt) Jöran Lepsien

2 Zeitplan Datum Thema Einführung und Organisation Behaviorale Methoden Augenbewegungen 3.5. Elektrophysiologie (Freitag nach Himmelfahrt) EEG MEG NIRS 7.6. PET MRT fmrt Neuropsychologie 5.7. TMS & Nachbesprechung, Prüfungsvorbereitung verschoben auf 5.7. (direkt nach regulärer Vorlesung)

3 fmri, oft synonym verwendet mit funktionelle Magnetresonanztomographie functional magnetic resonance imaging funktionelle Kernspintomographie EPI-Sequenz **) BOLD-Antwort **) Echo-Planar-Imaging

4 fmrt Grundlagen MRT dient zur Messung der Gehirnanatomie Funktionelles MRT (fmrt) dient zur Messung von Gehirnfunktionen.

5 Methodenübersicht Jezzard (1999)

6 Methodenübersicht

7 fmri-hardware: Identisch mit MRI-Hardware! fmri macht sich lediglich andere Sequenzen zu Nutze möglichst rasch hintereinander aufgenommene, weniger hoch aufgelöste (zb 2 4 mm3), T2*-gewichtete Bilder (vgl. herkömmliches anatomisches MRT-Bild: hoch aufgelöst, zb 1 mm 3, T1-gewichtet)

8 MRI Hohe Auflösung (1 mm) fmrt Grundlagen fmri Niedrige Auflösung (~3 mm besser ist möglich) Ein Bild fmri Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) Indirektes Mass für neuronale Aktivität Viele Bilder (z.b., alle 2 s während 5 min.) Neuronale Aktivität Blut-Sauerstoff fmri-signal

9 fmrt Geschichte Angelo Mosso ( ) E = mc 2??? [In Mosso s experiments] the subject to be observed lay on a delicately balanced table which could tip downward either at the head or at the foot if the weight of either end were increased. The moment emotional or intellectual activity began in the subject, down went the balance at the head-end, in consequence of the redistribution of blood in his system. -- William James, Principles of Psychology (1890)

10 fmri Grundlagen Hirndurchblutung und Versorgung mit Sauerstoff Neurovaskuläre Kopplung : neuronale Aktivität erhöhter zellulärer Energiebedarf reduziert sauerstoffreiches Blut (Oxyhämoglobin) zu Deoxyhämoglobin Sauerstoff ist ein natürliches Kontrastmittel: Deoxyhämoglobin ist paramagnetisch (~stört Magnetfeld leicht!), Oxyhämoglobin nicht Diese lokalen Unterschiede im DeOxy / Oxy Verhältnis können statistisch ausgewertet werden

11 fmrt Grundlagen BOLD-Effekt Oxygeniertes Blut "Nicht"-magnetisch Kein Signalverlust Deoxygeniertes Blut Paramagnetisch Signalverlust

12 fmrt Grundlagen BOLD-Effekt M xy Signal S task S control M o sinθ T 2 * task T 2 * control S TE optimum time vorsorgliche Überkompensation: Aktivierung zu einem Anstieg des oxygenierten Bluts Überversorgung.

13 fmrt Grundlagen BOLD-Effekt

14 fmrt Grundlagen BOLD-Effekt

15 fmrt Geschichte Seiji Ogawa (*1934) Gilt als Begründer der funktionellen Magnet- Resonanz-Tomographie. Er entdeckte 1990 den BOLD-Effekt dass das Oxygenierungsniveau des Blutes im Gehirn mittels fmrt gemessen werden kann. Veröffentlicht 1992 (Ogawa et al. 1992, gleichzeitig mit Kwong et al., 1992) die erste Studie mit BOLD- Signal-Messungen.

16 fmrt Zusammenfassung des BOLD Effekts Blutoxygenierung führt zu einem Anstieg der MR- Signalstärke Sauerstoff also natürliches Kontrastmittel Ratte atmet 100% O2 Blutoxygenierung abhängig von Hirnaktivität Blood Oxygenation Level dependent (BOLD) Effect Ratte atmet nur 20% O2- Gemisch 20

17 fmrt Grundlagen

18 Das ist einigermassen gut verstanden (z.b. Psychophysik, Neurophysiologie) fmrt Grundlagen Das ist noch nicht so gut verstanden. Das ist einigermassen gut verstanden (z.b. MR Physik)

19 fmrt Die BOLD-Kurve Nerv der Ratte wird stimuliert (schwarzer Balken) Durchmesser der Arteriole Flußgeschwindigkeit des Bluts Blutdruck Beachte die Zeitskala! Alle hämodynamischen Effekte sind im 5 10 s Bereich!

20 fmrt Grundlagen Dies interessiert uns. Dies misst fmri.

21 fmrt Grundlagen Was wird beim BOLD-Effekt eigentlich gemessen? Indirektes Mass BOLD misst die neuronale Aktivität nur indirekt via angenommene hämodynamische Korrelate. Exzitation oder Inhibition? Exzitation als auch Inhibition können BOLD-Effekt verursachen. Synaptische Übertragung findet in beiden Fällen statt. Neuronal Deaktivierung ist verbunden mit einer Verringerung des CBF und damit einer Reduktion des BOLD-Signals. Auflösung Gemessen werden Neuronenpopulationen Aufgrund der Auflösung misst fmri selbst in einem einzigen Voxel die hämodynamische Reaktion. Unklar ob fmri zwischen einem starken Signal von wenigen Neuronen und einem schwachen Signal von vielen Neuronen unterscheiden kann.

22 fmrt Grundlagen Walsh & Cowey (2000)

23 fmrt-experimente Grundlagen kognitive Subtraktion Knopfdruck Knopfdruck visueller Input Gedächtnis = visueller Input Gedächtnis

24 Kognitive Subtraktion fmrt-experimente Grundlagen Ziel: Vergleich von kognitiven Zuständen, z.b. Augen geschlossen vs Augen geöffnet; Geräusche vs Stille Freies Sprechen/Beschreiben ( propositional speech ) vs Bloßes Zählen ( non-propositional speech ) verständliche Sprache vs gleich komplexe, aber unverständliche Laute Parametrisch: keine vs geringe vs moderate vs hohe Arbeitsgedächtnis-Last

25 Untersuchungsdesigns fmrt-experimente Grundlagen Block (auch: Boxcar )-Design simpel durchzuführen und auszuwerten exp.psychologisch sehr limitiert

26 Untersuchungsdesigns fmrt-experimente Grundlagen Block (auch: Boxcar )-Design simpel durchzuführen und auszuwerten exp.psychologisch sehr limitiert Event-related Design komplexer auszuwerten, Events der A- und B-Sorte müssen gut gemischt und gejittert werden exp.psychologisch (fast) ideal

27 fmrt-experimente Grundlagen Untersuchungsdesigns Ein ganz einfaches Beispiel mit Block-Design

28 fmrt-experimente Grundlagen Untersuchungsdesigns Block-Design

29 fmrt-experimente Grundlagen Untersuchungsdesigns Zweites Beispiel Abhängiges Maß im fmri: % signal change vgl.miteinerbaseline!!! Mov Moving stimuli Stat Static stimuli

30 fmrt-experimente Auswertung Was sind also die Daten, die wir auswerten müssen? courtesy of J. Neumann, Leipzig

31 fmrt-experimente Auswertung Was sind also die Daten, die wir auswerten müssen? Signale variieren von Magnetspulezu Magnetspule, von Voxel zu Voxel, von Tag zu Tag, von Vp zu Vp. y-achse wird in % Veränderung umgerechnet: (x - Baseline) / Baseline 100 Veränderungentypischerweiseum Bereich von %.

32 fmrt-experimente Auswertung Kognitive Subtraktion und Statistische Inferenz: Subtraktion zweier Versuchs-Bedingungen A vs. B (zb. Repeat words vs. Passive words) = Erbringt Areale mit selektiv stärkerer Aktivierung in Bedingung A Stärke und Verteilung dieses Unterschieds kann dann gegen den Zufall abgesichert (d.h., statistisch geprüft) werden. zb. t = diff(a B) / Streuung(A,B) Mittelung über Versuchspersonen erbringt Gruppenergebnis

33 fmrt-experimente Auswertung Auswertung ist immer ein Vergleich von Zuständen, zb. 40 Ereignisse aus Zustand A mit 40 aus Zustand B Einfach geht dies mit einem simplen linearen Modell: a = Eine Konstante (= b0) y = Signal change in einem Bildpunkt über die Zeit y = a + b x + e b = oft auch tatsächlich als betas bezeichnet im fmri-jargon, das Gewicht der Variablen x x = unsere Einflußgrößen / unabh. Variable = Zustand A vs B e = Fehler, nicht-erklärte Varianz

34 fmrt-experimente Auswertung courtesy of J. Neumann, Leipzig gemessene Werte = Zeit-Reihe (zb. ein Voxel) Für diese Zeit-Reihe (zb ein Voxel) ist also Bed. 1 einflußreicher als Bed. 2!

35 fmrt-experimente Auswertung Welche Voxel im Gehirn sind stärker in Bed. 1 als in Bed. 2 aktiviert?

36 fmrt-experimente Auswertung Functional data Design matrix Contrasts Preprocessing Smoothed normalized data Generalised linear model Parameter estimates SPMs Templates Thresholding

37 fmrt-experimente Auswertung Auswertung erfolgt also univariat univariat = eine abhängige Variable, hier: 1 Zeitreihe in einem Voxel Jeder Bildpunkt = ein separater T-Test!

38 fmrt-experimente Auswertung Voxel-weise T-Tests Behalte nur Voxels über α-level Schwelle uα Erbringt beste räumliche Spezifität! Die Nullhypothese wird per Voxel verworfen/ beibehalten uα Significant Voxels space No significant Voxels

39 fmrt-experimente Auswertung Cluster-weise T-Tests Ein Zwei-Schritt-Vorgehen Was gilt als Cluster : arbiträre Anzahl uclus Behalte Cluster, die größer sind als die Schwelle kα uclus Cluster not significant kα kα space Cluster significant

40 fmrt Grenzen und Probleme Das sog. Multiple Comparisons Problem Wieviele von 100,000 Voxeln sind signifikant? α=0.05 5,000 falsch-positive Voxel! Lösungen: z.b. Bonferroni, Betrachtung von Clustern, aber: meist auch ein Power-Problem: Auch die wahren Effekte im fmrt sind eher schwach! t > 0.5 t > 1.5 t > 2.5 t > 3.5 t > 4.5 t > 5.5 t >

41 fmrt Grenzen und Probleme Problem: Lautstärke Echo Planar Imaging-Sequenzen (die fürs fmri standardmäßig verwendet werden) sind besonders laut. 30 Schichten in 2 s ca. 100dB weniger Schichten (z.b. 15) leiser (ca. 94dB), aber auch anderes Geräusch Problem (trivial): Ist der Stimulus noch hörbar? Problem (nicht trivial): Scanner-Geräusch könnte auditive Regionen sättigen.

42 fmrt Grenzen und Probleme Lösung: Temporally sparse imaging Da die BOLD-Antwort so träge ist, kann auch eine Verzögerung eingebaut werden: Nur der (vermutete/errechnete) Gipfel der BOLD-Antwort wird gescannt (Scan etwa alle 8 16 s) Stimuli / Aufgaben können in Stille präsentiert werden. BOLD-Antwort auf Scannernoise ist weitgehend abgeklungen bis zum nächsten Scan!

43 Problem: Suszeptibilitätsartefakte fmrt Grenzen und Probleme Sog. Suszeptibilitätsartefakte (susceptibility artefacts) Überall dort, wo Luft/Hohlraum und Hirn eng beieinander liegen Problem im f/mri, und es steigt mit der Feldstärke (Tesla)

44 Kanwisher et al., J Neurosci 1997 fmrt Anwendungsbeispiel 56

45 fmrt Anwendungsbeispiel Gyrus Fusiformis

46 fmrt Anwendungsbeispiel Scan Scan, meint manchmal: ganze Messung, einen Run (z.b. 5 Min; hier), ein aufgezeichnetes Volumen

47 fmrt Anwendungsbeispiel Scanning parameter:

48 fmrt Anwendungsbeispiel Scanning parameter:

49 fmrt Anwendungsbeispiel faces vs objects :

50 fmrt Anwendungsbeispiel

51 fmrt Anwendungsbeispiel What often separates okay from very good studies: a lot of control conditions

52 Conclusions: fmrt Anwendungsbeispiel

53 fmri ist teuer (~500 USD / Stunde) fmrt Schwächen fmri hat eine unbefriedigende zeitliche Auflösung (Daumenregel: höchstens ms, vgl. M/EEG: 1 4 ms, << aber vgl. PET: 5 30 min) fmri benötigt immer eine Referenz-Bedingung, wir schauen immer Signal- Änderungen an >> verkompliziert Designs und Interpretation TAKE HOME MESSAGE: Aussagen wie Empathie sitzt in Hirnregion A sind unzulässig. Empathie mehr als was?, muss dann gefragt werden! fmri-maß (Blutoxygenierung) ist nicht nur indirekt, sondern auch noch träge (Gipfel 4 6 s nach Ereignis) << kann auch Vorteil sein (siehe Slide zu temporal sparse sampling im auditiven fmri)

54 fmrt Stärken fmri hat eine hohe räumliche Präzision (je nach Aufzeichnung und Feldstärke des Scanners: < 5 mm bis zu ~1 mm). fmri ist immer sehr eng an die Neuroanatomie gekoppelt (für Gruppenstatistiken per Atlas, aber auch individuell, zb. in Läsionspatienten; siehe auch Slide #6). Erlaubt direkte Rückschlüsse auf beteiligte Hirnstrukturen! fmri kann mit TMS, EEG, und natürlich Verhaltensmaßen kombiniert und korreliert werden. fmri ist non-invasiv und frei von Kontrastmitteln/Radioaktivität etc.

55 Literatur der heutigen Veranstaltung Jänke, L. (2005). Methoden der Bildgebung in der Psychologie und den kognitiven Neurowissenschaften. Stuttgart: Kohlhammer. Kapitel 3: Die Magnetresonanztomographie. Kapitel 4: Die strukturelle Magnetresonanztomographie. Schild, H. H. (1990). MRI made easy. Berlin: Schering. Kanwisher N, McDermott J, Chun MM. (1997). The fusiform face area: a module in human extrastriate cortex specialized for face perception. J Neurosci Jun 1;17(11):