Methodender kognitiven Neurowissenschaften

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1 Methodender kognitiven Neurowissenschaften SS 2014 Nah-InfraRot-Spektroskopie (NIRS) Jöran Lepsien

2 Zeitplan kleine Änderung 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 PET & fmrt(i) 4.7. PET & fmrt(ii) TMS/TDCS Abschluß, Nachbesprechung& Prüfungsvorbereitung

3 Nah-InfraRot-Spektroskopie (NIRS) Gemeinsamkeit?

4 NIRS - Grundlagen Streuung von Licht!

5 NIRS - Grundlagen Lichtspektrum

6 NIRS - Grundlagen Licht kann Gewebe durchdringen Georges de La Tour ( ): St. Joseph

7 Lichtspektrum - Infrarot NIRS - Grundlagen Nahinfrarotes Spektrum des Lichtes: zwischen 650 nm und 1000 nm geht Licht besonders gut durch Gewebe hindurch und ermöglicht somit eine Infrarotstrahlung liegt zwischen sichtbarem Licht und Mikrowellen verschiedene Bereiche: Nah (NIR) (z.b. Fernbedienungen) Mittel (MIR)! Fern (FIR) (z.b. Mikrowellen) Analyse von tieferen Gewebeschichten

8 NIRS - Grundlagen Licht kann Gewebe durchdringen und wird teilweise absorbiert Georges de La Tour ( ): St. Joseph

9 NIRS - Grundlagen Absorptionsspektrum von Blut Optical Window ~ nm! Hämoglobin: Sauerstoffreich sauerstoffarm

10 NIRS - Grundlagen Exkurs: Hämoglobin Hämoglobin: eisenhaltiger roter Blutfarbstoff in den roten Blutkörperchen (Erythrozyten) wichtiger Sauerstoff- Zulieferer im Körper Hämoglobin-Molekül: 4 Proteine und 4 Häm- Gruppen.

11 NIRS - Grundlagen Exkurs: Häm Nichtproteinanteil des Hämoglobins Im Zentrum ist ein Eisen(II)-Ion gebunde.

12 NIRS - Grundlagen Exkurs: Häm Nichtproteinanteil des Hämoglobins. Im Zentrum ist ein Eisen(II)-Ion gebunden.

13 NIRS - Grundlagen Exkurs: Oxygenierung Sauerstoff wird an Eisenkern gebunden Eisenatom wird durch Sauerstoffbindung von zweiwertigem zu dreiwertigem Eisen oxidiert Sind alle vier Häms mit Sauerstoff gebunden spricht man von Oxyhämoglobin (HbO 2 )

14 NIRS - Grundlagen Exkurs: Oxygenierung und Deoxygenierung Wird der Sauerstoff wieder abgegeben wird Oxyhämoglobin (HbO 2 ) zu Deoxyhämoglobin (Hb)

15 NIRS - Grundlagen Anwendungsbeispiel: Pulsoxymetrie nicht invasive Ermittlung der arteriellen Sauerstoffsättigung mittels Messung der Lichtabsorption

16 NIRS - Grundlagen Und was hat das jetzt mit Kognition zu tun??? Neurovaskuläre Kopplung! Es gibt einen zeitlichen und räumlichen Zusammenhang zwischen neuronaler Aktivität, Blutfluß und dem Sauerstoffgehalt des Blutes.

17 NIRS - Grundlagen Neurovaskuläre Kopplung!

18 NIRS - Grundlagen Neurovaskuläre Kopplung!

19 NIRS - Grundlagen Auch mit NIRS messbar: Cytochrom-C-Oxidase - mitochondrialesenzym - endständig in Atmungskette - Indikator für intrazellulären Energie-Metabolismus

20 NIRS - Messung Messen mit Licht Optoden Prinzipiell kann jedes Gewebe damit gemessen werden, z.b. Muskeln, Gehirn, etc.

21 NIRS - Messung Messung mit Licht Bei Messungen der Hirnaktivität werden dynamische Änderungen des Sauerstoffgehaltes des Blutes durch die Schädeldecke hindurch gemessen. Sauerstoffreiches Blut ist heller als sauerstoffarmes.! Hieraus können aufgrund des Prinzips der neurovaskulären Kopplung Rückschlüsse auf umschriebene Aktivierungen in der Großhirnrinde abgeleitet werden. Sowohl Oxyhämoglobin als auch Deoxyhämoglobin werden gemessen. Daraus kann Gesamt-Hämoglobin errechnet werden und damit das Blutvolumen.

22 NIRS - Messung Frans Jöbsis ( ) Jöbsis, F. (1977). Noninvasive, Infrared Monitoring of Cerebral and Myocardial Oxygen Sufficiency and Circulatory Parameters, Science, 198,

23 NIRS - Messung Spektroskopie: Lambert-Beer'sches Gesetz! Absorption Streuung Kombination Biologisches Gewebe Intensitätsminderung

24 Spektroskopie: Lambert-Beer'sches Gesetz Intensitätsminderung ist abhängig von: Konzentration c des Chromophors! Weglänge d des Lichtes durch das Medium Extinktionskoeffizienten ε (Absorption durch Chromophor bei Wellenlänge λ) Lambert-Beer'sches Gesetz: log (I 0 /I X ) = ε * c * d (log (I 0 /I X ): Verhältnis zwischen eingestrahltem und detektiertem Licht)

25 Annahmen NIRS - Messung Streufaktor ist groß aber konstant Extracerebrales Gewebe trägt nicht zu Signaländerungen bei! + Einheitlichkeit des Gewebes + homogene Messung des untersuchten Volumens d

26 NIRS - Messung Anordnung von Laserdioden Lichtquelle Detektor

27 Anordnung von Laserdioden NIRS - Messung I 0 I x d

28 NIRS - Messung Anordnung von Laserdioden!

29 Signal-Eigenschaften NIRS - Messung Die zusätzliche Durchdringung eines streuenden Mediums ( Milchglass ) verringert die räumliche Auflösung Schädel Gehirn Die zeitliche Auflösung und die spektroskopische Spezifität bleibt aber erhalten δ[deoxy-hb] / a.u time / s

30 NIRS - Messung Messverfahren Invasiv: Direkte Offenlegung des Hirngewebes (Abnahme der Schädeldecke oder ähnliches) Tierstudien Im Rahmen operativer Eingriffe auch beim Menschen Nicht Invasiv: Erfassung der optischen Signale durch den intakten Schädel. Untersuchungen am Menschen Problem: multiple Streuung des Lichts beim zweimaligen Durchtritt durch extrazerebrales Gewebe. Verzerrung der optischen Signale Ziel der nicht invasiven optischen Verfahren: möglichst gute Extraktion der optischen Parameter aus verzerrtem Gesamtsignal

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32 NIRS - Messung Messung Continuous Wave Systems Häufigste und einfachste Methode. Lichtquelle: kontinuierlich Lichtemission. Typischerweise wird an einer bestimmten Stelle auf der Schädeloberfläche NIR-Licht ausgestrahlt und an einer weiteren Position in der Nähe wird das reduzierte und gestreute Licht gemessen. Gemessener Parameter: Intensitätsminderung.

33 NIRS - Messung Messung Time Domain System Misst Intensitätsminderung und Verteilung der Ankunftszeiten der Photonen. Lichtquelle: Emission von Lichtimpulsen im Picosekundenbereich. Gemessene Parameter: Intensitätsminderung Verteilung der Ankunftszeiten der Photonen

34 NIRS - Messung Messung Time Domain System Annahme: je tiefer die Photonen eindringen, desto länger verweilen sie im Gewebe Tiefenauflösung längere Bewegungszeit tiefere Schicht Berechnung der mittleren Flugzeit.

35 NIRS - Messung Messung Frequency-domain systems Lichtquelle: Hochfrequente ( MHz) sinusoidale Modulation des ausgesandten Lichts Detektiertes Licht zeigt gleiche Modulation, nur phasenverschoben! Gemessene Parameter: Intensitätsminderung Phasenverzögerung: proportional zur mittleren Flugzeit Berechnung der Ankunftszeiten der Photonen sehr gute Tiefenauflösung

36 NIRS Mess-Systeme Continuous Waves Frequency Domain Time Domain

37 NIRS Optical Topography Messtechnik um ähnlich dem EEG Hirnaktivität an der Kortexoberfläche zu messen. Zweidimensionales Abbild der Gehirnaktivation. Durch ein dichtes Netz an Dioden und Detektoren, die relative nahe beieinander angeordnet sind, können Signale schnell erfasst werden (Im Bereich von ca. 100 ms).

38 NIRS Optical Tomography Erzeugen eines dreidimensionalen Abbildes des Gehirns. Prinzip: Eine bestimmte Anzahl von Messpunkten auf der Schädeloberfläche genügt um einen Ebenenschnitt oder eine 3D- Simulation herzustellen.

39 NIRS Optical Tomography Probleme und Einschränkungen Abbildung kann durch unterschiedliche Konstellationen entstehen. große Anzahl unbekannter Variablen (Auflösung, Gewebe) nur bei Säuglingen, da bei größeren Schädeln zu wenig Licht an die andere Seite dringt

40 NIRS Zeitliche und räumliche Auflösung Zeitliche Auflösung Die typische zeitliche Auflösung bei CW Systemen liegt bei wenigen Hertz. Durch die Langsamkeit der hämodynamischen Reaktion bei neuronaler Aktivierung liegt sie aber effektiv bei 0.3 bis 0.5 Hz.

41 NIRS Zeitliche und räumliche Auflösung Räumliche Auflösung lateral vs. Tiefe abhängig von der räumlichen Anordnung der Lichtquellen und der Detektoren größere Dichte der Quellen und Detektoren feinere Messung tiefere Messung durch größere Distanzen von Quelle und Detektor gute Tiefeninformation durch Variation von Quellen-Detektoren-Distanzen räumliche Auflösung besser als beim EEG aber nicht so gut wie fmrt

42 NIRS Vergleich bildgebende Verfahren

43 NIRS Vergleich mit anderen bildgebenden Verfahren NIRS vs. fmrt NIRS misst sowohl HbO 2 als auch Hb, fmrt misst nur Hb. Höhere zeitliche Auflösung, geringerer Signal-to-Noise-Ratio. Toleranter gegenüber Körperbewegungen. Lärmpegel sehr viel geringer. Handlicher, kostengünstiger, bessere Verträglichkeit mit Herzschrittmachern, Hörgeräten, etc. Geringere räumliche Auflösung.!

44 NIRS Vergleich mit anderen bildgebenden Verfahren NIRS vs. EEG / MEG Haben ähnliche Vorteile in Bezug auf Kosten, Geräuschpegel wie NIRS. Lokalisation von neuronalen Quellen ist bei EEG schlechter als bei NIRS, bei MEG allerdings sehr viel besser. EEG und MEG messen im Millisekundenbereich, das heisst, die präsentierten Stimuli müssen zeitlich sehr präzise präsentiert werden. Dies muss bei NIRS und fmri nicht unbedingt sein, hier können Stimuli längere Zeit, im Sekundenbereich präsentiert werden, wenn keine präzise Synchronität gefordert wird.!

45 NIRS Einschränkungen von NIRS Schlechtere räumliche Auflösung verhindert das Untersuchen tiefer gelegener Hirnregionen. Basalganglien im Zusammenhang mit Sprach- und Grammatikverarbeitung. Amygdala im Zusammenhang mit Emotionen und Gedächtnis. Hängt von systematischen vaskulären Effekten ab. Muss beim Erstellen des Designs berücksichtigt werden. Oder muss mitgemessen werden. Kann auch durch Muskelbewegungen beim Sprechen beeinflusst werden.

46 Zeit für Fragen

47 Beispiel Francescini et al., 2003

48 Beispiel Francescini et al., 2003 Drei Aufgaben: Finger selbst berühren, Finger werden berührt, Elektrische Stimulation der Hand. Gehirnreaktion gemessen mit NIRS.

49 Beispiel Francescini et al., 2003 NIRS: Effektive Methode um Sauerstoffgehalt im Blut zu messen. Ähnlich wie PET und fmri aber kostengünstiger. Gehirnreaktion gemessen mit NIRS. Reaktion auf Handstimulation am primären sensomotorischen Kortex gemessen.

50 Beispiel Francescini et al., 2003 Früher konnte nur mit einem Detektor gemessen werden, zeitliche Auflösung sehr gering, 1 Hz. Aktuelle Studie mit verbesserter Technik: 5.6 x 6.0 cm2 16 Dioden (je 8 mit 690 nm und 830 nm) 16 Detektoren Sampling-Rate 50 Hz

51 Beispiel Francescini et al., 2003 Warum zwei Wellenlängen? isobestischer Punkt bei 800 nm spezifische Absorptionskoeffizienten sind gleich simultanes Erfassen mehrerer Wellenlängen erlaubt das das Messen von Veränderungen von der Konzentrationen von HbO2 und Hb mehrere Wellenlängen führen zu genauerer Messung.!

52 Beispiel Francescini et al., 2003 Ergebnisse Oxyhämoglobin

53 Beispiel Francescini et al., 2003 Ergebnisse Deoxyhämoglobin

54 Beispiel Francescini et al., 2003 Ergebnisse

55 Beispiel Francescini et al., 2003 Ergebnisse Herzrate steigt in allen drei Aufgaben an Oxyhämoglobin hängt von arteriellem Blutfluss ab muss korrigiert werden, hier durch Hämoglobinveränderungen in unabhängigem Areal.

56 Beispiel Francescini et al., 2003 Ergebnisse

57 Beispiel Francescini et al., 2003 Diskussion NIRS kann evozierte Antworten des Gehirns auf Stimulation messen. Bisherige Befunde mit fmri und PET können repliziert werden. Optical Imaging kann zu einer nicht-invasiven Alternative für funktionelle, bildgebende Verfahren darstellen.

58 NIRS NIRS mit Säuglingen Relative Toleranz gegenüber Bewegungen Relativ portabel Leise Nicht-Invasiv Macht NIRS zu einem wertvollen Messinstrument in der Säuglingsforschung. Daten können mit Erwachsenendaten verglichen werden. Paradigmen können relativ gut aus behavioralen Experimenten übernommen werden.

59 Beispiel: Taga et al., 2003

60 Beispiel: Taga et al., 2003 Abstract Funktionale Bildgebung bei Säuglingen im Alter von 2 bis 4 Monaten. Mehr-Kanal-NIRS Bisherige Forschung vor allem behavioral. fmri kaum möglich mit gesunden Kindern in diesem Alter. Alternative: NIRS. Visueller Kortex

61 Beispiel: Taga et al., 2003 Methode Wellenlängen: 780 und 830 nm

62 Beispiel: Taga et al., 2003 Methode

63 Beispiel: Taga et al., 2003 Ergebnisse HbO 2 Hb

64 Beispiel: Taga et al., 2003 Ergebnisse

65 Beispiel: Taga et al., 2003 Ergebnisse

66 Beispiel: Taga et al., 2003

67 NIRS Zusammenfassung: Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS) Nicht-Invasive Technik zur Erfassung von Durchblutungsveränderungen des Gehirns. Technik arbeitet mit optischen Strahlungen im Bereich von nm. Liegt im Bereich des infraroten Lichtes Nah-Infrarot-Spektroskopie (Near-Infrared Spectroscopy). Licht durchdringt Gehirngewebe relativ ungehindert. Bestimmte Lichtkomponenten werden reflektiert und absorbiert. Reflektierte und absorbierte Lichtsignale werden gemessen und analysiert. Erlaubt auf die Konzentration von oxygeniertem und deoxygeniertem Blut zu schliessen (also auf Gehirnaktivität). Zur Messung werden Laser-Dioden auf der Schädeloberfläche angebracht.!

68 NIRS Zusammenfassung: Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS) Vorteile: Relativ leicht beweglich, relativ kostengünstig. Nicht-invasiv, für Menschen geeignet. Schnelle und langsame Antworten des Gehirns können gemessen werden. Hohe zeitliche Auflösung. Kann leicht mit weiteren bildgebenden Verfahren kombiniert werden. Robust gegenüber Bewegungsartefakten. Kann gut mit Kindern, Säuglingen und Patienten angewendet werden.!

69 NIRS Zusammenfassung: Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS) Nachteile: Relativ geringe räumliche Auflösung Vor allem kortikale und nicht tiefer gelegene Areale können gemessen werden Geringe Eindringtiefe Keine Aussagen über tiefer gelegene Strukturen Keine genaue Lokalisation Verzerrung der Signale durch extrazerebrales Gewebe. Keine absolute Konzentrationsbestimmung, nur relative Messwerte (Veränderung der Konzentration).!

70 Literatur der heutigen Veranstaltung Jänke, L. (2005). Methoden der Bildgebung in der Psychologie und den kognitiven Neurowissenschaften. Stuttgart: Kohlhammer. Kapitel 10: Optische Bildgebung. Schröter, M. L. (2006). Enlightening the Brain Optical Imaging in Cognitive Neuroscience. Dresden: SDV. Frostig, R. D. (2002). In Vivo Optical Imaging of Brain Function. Boca Raton, FL, USA: CRC Press.

71 Zusätzliche Literatur Literatur der heutigen Veranstaltung Francescini, M. A., Fantini, S., Thompson, J. H., Culver, J. P., & Boas, D. A. (2003). Hemodynamic evoked response of the sensorimotor cortex measured noninvasively with near-infrared optical imaging. Psychophysiology, 40, Taga, G., Asakawa, K., Maki, A., Konishi, Y., & Koizumi, H. (2003). Brain imaging in awake infants by near-infrared optical topography. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 100,