Cognitive neuropsychology
Hoorcollege 1
Definitie cognitieve neuropsychologie: de studie naar de relatie tussen structuur en functie van het
brein en zijn cognitieve functies door onderzoek te doen naar:
Cognitieve processen bij normale, gezonde mensen.
De afbraak van deze processen bij mensen met hersenschade.
Brain enthusiasm
De overtuigende kracht van het woord ‘neuro’ zorgt er vaak voor de een hersenscan door
leken over geïnterpreteerd wordt (bv. het wordt in een rechtszaal belangrijker gevonden dan
de getuigenverklaring).
Een hersenscan kan wel gebruikt worden in een rechtszaal voor bv.:
persoonlijkheidsassessment, controle van acties en leugen detectie.
Er wordt goede vooruitgang geboekt in de hersenscans voor het vaststellen van neurologische
syndromen (bv. hersentumoren, dementie en milde cognitieve stoornissen). Er is minder
vooruitgang in het gebruiken van hersenscans voor het vaststellen van metalen stoornissen
(bv. depressie, autisme en schizofrenie), er bestaan hierbij wel verschillen op groepsniveau
maar die zijn niet groot en consistent genoeg om te gebruiken voor het stellen van een
diagnose bij een individu.
De basis van neurale signalen
De drempelwaarde voor een actiepotentiaal wordt bereikt door eerst een depolarisatie, dan
een repolarisatie en tot slot een hyperpolarisatie.
Het post-synaptische membraan krijgt input vanuit meerdere neuronen, deze input samen
bepaald of de drempelwaarde bereikt wordt (en er dus een actiepotentiaal plaatsvindt). of
het effect van het pre-synaptische neuron inhiberend of exciterend is hangt af van de
neurotransmitters (bv. glutamaat is exciterend en GABA inhiberend). Een exciterend signaal
maakt het potentiaalverschil minder negatief (depolarisatie) en een inhiberend signaal maakt
het potentiaalverschil negatiever (hyperpolarisatie).
Als het post-synaptische membraan de drempelwaarde bereikt wordt er een actiepotentiaal
(signaal) gegenereerd, dit signaal geeft informatie over wat er in het neuron gebeurt, maar
het zegt niets over welk pre-synaptische neuron de depolarisatie veroorzaakte.
Signaal beschrijvingen
Sinusoidal oscillation: het simpelste signaal.
Frequentie (Hz): de mate van verandering in een signaal langs een bepaalde dimensie zoals
tijd en ruimte, bestaat uit de componenten amplitude (maximale uitwijking) en fase (wanneer
gaat de trilling omhoog en omlaag).
Bij een biologische bevat nooit slechts één frequentie (dit is alleen het geval bij een
kunstmatige pure toon) maar bestaat uit sub-signalen of frequentie componenten die
allemaal een verschillende frequentie hebben.
Frequentie spectrum: het gemeten bereik van de frequenties
o Hoogste frequentie: wordt beperkt door hoe vaak het signaal gemeten wordt (dit
wordt de sampling frequency genoemd). Je kunt enkel fluctuaties van de helft van de
sampling frequency vastleggen (1/2×sampling frequency (Nyquist sampling theorem)).
Bv. je hebt een sampling frequency van 100 Hz (elke 10 ms een sample), dan is dit niet
bruikbaar voor een experiment voor actiepotentialen die maar 1-2 ms duren.
1
, o Laagste frequentie: wordt beperkt door hoe lang het signaal gemeten wordt. Bv. een
signaal van 3s kan je niet vastleggen als je maar 1s meet. Of als een signaal voor 2s
gemeten wordt bij een hoge sampling frequency, dan is het mogelijk om frequentie
componenten te meten van 0,5Hz, maar niet om frequenties te meten die lager zijn.
Deze beperking wordt weergegeven als 1/het aantal seconden dat er gemeten wordt.
Filtering: een specifiek deel van het gemeten frequentiespectrum wordt verzwakt of
uitgesloten.
o Low-pass filtering: de lagere (langzame) frequenties worden niet veranderd terwijl de
hoge (snelle) frequenties verzwakt of verwijderd worden (heet ook wel smoothing).
o High-pass filtering: de hogere frequenties veranderen niet en de lagere frequenties
worden verzwakt of verwijderd.
o Band-pass filtering: alleen een bepaald bereik (band) van de frequenties kan door het
filter, alle frequenties die hoger of lager zijn worden verzwakt.
Spectrogram: sterkte van elk signaalcomponent op elk moment.
Moleculaire en hemodynamische signalen
Veranderingen in het membraanpotentiaal vinden plaats door beweging van chemische
stoffen en moleculen in en uit neuronen, dit kan op een kleine schaal (beweging van
chemische substaties en moleculen) en op grote schaal waarbij er gekeken wordt naar de
energiebehoefte (bv. hemodynamics: de bloedtoevoer wordt aangepast aan de
energiebehoefte, dit kan gebruikt worden bij een fMRI).
Elektrofysiologische gebeurtenissen vereisen energie, maar de amplitude van potentiële
veranderingen zijn niet noodzakelijk de beste voorspeller van energieverbruik.
Een actiepotentiaal is een passieve keten van gebeurtenissen waarvoor niet veel energie
nodig is, voor het herstellen van het rustpotentiaal is echter wel energie nodig.
Pre- en postsynaptische factoren (bv. afgifte neurotransmitters) vereisen ook energie, de
precieze energieverdeling naar verschillende processen kan dus variëren.
Maps in de brain
Bij niet-invasieve methode kunnen geen metingen doen op het niveau van een enkel neuron.
Clustering: de neiging van neuronen met dezelfde functionele eigenschappen om dicht bij
elkaar te gaan liggen en een cluster te vormen. Hoe meer clustering, hoe meer het
gemiddelde signaal van vele neuronen samen correspondeert met het signaal van de
individuele neuronen (hoe beter het signaal). De gevoeligheid van niet-invasieve technieken is
afhankelijk van de hoeveelheid clustering.
Clustering bestaat op verschillende spatiële schalen (bv. kolom (kolom neuronen die reageren
op dezelfde stimuli), topografie, gebied en systeem (bv. visuele systeem)).
2
,Overview of methods
De 3 dimensies:
Spatiële resolutie: de kleinste unit van ruimte die bepaald kan worden (dus hoe scherp is het
beeld).
Temporele resolutie: de kleinste unit van tijd die onderscheiden kan worden.
Invasiveness: de afstand tussen het neurale weefsel dat het signaal uitzendt en de detector.
4 klasse aan methodes:
Hemodynamische methoden
Elektrofysiologische methoden
Causale methoden
Anatomische methoden
Meten van hersenstructuur
Histologie: invasieve waarbij de hersenen in stukken/plakken gesneden worden, deze plakken
worden chemisch bewerkt om de verschillende structuren duidelijk de maken hoge
spatiële resolutie.
MRI: niet-invasieve methode om een beeld te krijgen van de anatomische structuren. De
verschillende toepassingen van MRI zijn:
o Onderzoek naar de anatomie in individuen.
o Anatomische lokalisatie van bepaalde functies.
o Verschillen in anatomische structureren tussen mensen relateren aan gedrag of een
ziekteclassificatie.
Meten van hemodynamic
Kijkt naar de veranderingen in bloedstroom en bloedvolume (en laat daarmee dus de
energiebehoefte zien).
De temporele resolutie van hemodynamische beeldvorming is slechter dan bij elektrische
beeldvormingstechnieken door de traagheid van hemodynamische gebeurtenissen.
De spatiële resolutie varieert sterk, maar is kleiner dan voor een elektrisch signaal.
o (invasieve) optische beeldvorming: laat kolomstructuren zien, gebruikt het effect van
de zuurstofvoorziening van weefsel op de reflectie van licht dat door het weefsel
schijnt.
o (niet-invasief) fNIRS (functional near-infrared spectroscopy): heeft een zeer lage
resolutie van enkele centimeters, dit signaal is beperkt tot corticale gebieden direct
onder de schedel.
PET (positron emission tomography): veranderingen in het bloedvolume worden gemeten
door het bloed te labelen met een radioactieve stof. Heeft een spatiele resolutie van 1-2 cm
en een zeer slechte temporele resolutie (tientallen seconden).
fMRI (functional magnetic resonance imaging): niet-invasieve methode die wordt gebruikt
om de hemodynamische activiteit te meten die samenhangt met de neurale activiteit. Heeft
binnen de niet-invasieve methode de hoogste spatiele resolutie.
Meten van elektrofysiologische activiteit
Hebben meestal een goede temporele resolutie, de spatiele resolutie varieert erg tussen de
verschillende methoden. De spatiele resolutie wordt beïnvloed door:
o De afstand tussen de elektroden en de bron van het signaal.
o Tussenliggend weefsel (bv. schedel): maakt het signaal slechter.
3
, o Noninvasiveness: de hoogste frequentie kunnen niet worden opgepikt, hierdoor krijg je
dus maar de informatie van een deel van het signaal.
Patch-clamp recordings (invasief): de methode met de beste spatiele resolutie en de enige
methode de veranderingen in het membraanpotentiaal betrouwbaar meet door een
elektroden in het membraan van een enkele cel in te brengen.
Extracellular single-unit recordings (invasief): er wordt een elektrode in de cortex geplaatst
zo dicht mogelijk bij het enkele neuron waarvan je het actiepotentiaal wil meten. de elektrode
moet hiervoor een sterke weerstand hebben zodat alleen het signaal van erg dichtbij opgepikt
wordt.
Multi-unit recording en local field potentials (LFPs (invasief)): de elektrode geeft minder
weerstand waardoor de actiepotentialen van meerdere dicht bij elkaar liggende units
opgepikt worden.
Intracraniële recordings (invasief): er wordt een elektroden op de bovenkant van de dura
geplaats (dura blijft intact), hierdoor wordt het signaal niet verstoord door de schedel.
MEG (magneto-encephalography (non-invasief)): meten van de elektrische activiteit door
gebruik te maken van magnetische velden die ontstaan door de elektrische stromen.
EEG (electro-encephalography)/ERP (non-invasief)): elektrodes op het hoofd die elk de
elektrische activiteit van een groot deel van de hersenen opvangen. Heeft net als de MEG een
slechte spatiele resolutie doordat de schedel het signaal verstoord.
Perifere metingen
Huidgeleiding: index van de sympathische arousal intensity bij affectieve of cognitieve
verwerking. De verschillenen tussen mensen zijn hierbij erg groot.
Hartactiviteit: hartslag, hartslagvariabiliteit en bloeddruk. De hartslagvariabliteit geeft
informatie over de invloed van het parasympatische zenuwstelsel op het hart en de bloeddruk
is een meting van stress.
Spieractiviteit: een EMG (elektromyogram) van het gezicht geeft informatie over affectieve
toestanden (als iemand ergens meer betrokken bij is, is er een hogere activiteit van
gezichtsspieren).
Oogmetingen:
o Oogbewegingen: goede meting voor visuele aandacht.
Saccades: tijdens saccades wordt er geen nieuwe informatie verkregen.
Fixaties: er wordt wel informatie verkregen.
o Pupildilatatie (verwijding): indicatie voor intense emotionele arousal (voor zowel
aangename als onaangename stimuli), geeft vooral informatie over het sympathische
zenuwstelsel.
Hoorcollege 2: EEG part 1
Waarom wordt EEG gebruikt?
We zijn benieuwd naar de uitkomsten van sensorische, beslissings- en motorische processen.
Dit kan uitgedrukt worden in reactietijd.
EEG kan het tijdsverloop van deze stadia met een precisie van milliseconden bijhouden.
EEG kan ons informatie geven over cognitieve processen, ook als er helemaal geen respons is
op een taak.
Wat wordt er gemeten met een EEG?
Met een EEG meet je geen actiepotentialen omdat deze maar zeer kort duren en niet bij
elkaar opgeteld kunnen worden. In plaats van het meten van actiepotentialen meten de
4
Hoorcollege 1
Definitie cognitieve neuropsychologie: de studie naar de relatie tussen structuur en functie van het
brein en zijn cognitieve functies door onderzoek te doen naar:
Cognitieve processen bij normale, gezonde mensen.
De afbraak van deze processen bij mensen met hersenschade.
Brain enthusiasm
De overtuigende kracht van het woord ‘neuro’ zorgt er vaak voor de een hersenscan door
leken over geïnterpreteerd wordt (bv. het wordt in een rechtszaal belangrijker gevonden dan
de getuigenverklaring).
Een hersenscan kan wel gebruikt worden in een rechtszaal voor bv.:
persoonlijkheidsassessment, controle van acties en leugen detectie.
Er wordt goede vooruitgang geboekt in de hersenscans voor het vaststellen van neurologische
syndromen (bv. hersentumoren, dementie en milde cognitieve stoornissen). Er is minder
vooruitgang in het gebruiken van hersenscans voor het vaststellen van metalen stoornissen
(bv. depressie, autisme en schizofrenie), er bestaan hierbij wel verschillen op groepsniveau
maar die zijn niet groot en consistent genoeg om te gebruiken voor het stellen van een
diagnose bij een individu.
De basis van neurale signalen
De drempelwaarde voor een actiepotentiaal wordt bereikt door eerst een depolarisatie, dan
een repolarisatie en tot slot een hyperpolarisatie.
Het post-synaptische membraan krijgt input vanuit meerdere neuronen, deze input samen
bepaald of de drempelwaarde bereikt wordt (en er dus een actiepotentiaal plaatsvindt). of
het effect van het pre-synaptische neuron inhiberend of exciterend is hangt af van de
neurotransmitters (bv. glutamaat is exciterend en GABA inhiberend). Een exciterend signaal
maakt het potentiaalverschil minder negatief (depolarisatie) en een inhiberend signaal maakt
het potentiaalverschil negatiever (hyperpolarisatie).
Als het post-synaptische membraan de drempelwaarde bereikt wordt er een actiepotentiaal
(signaal) gegenereerd, dit signaal geeft informatie over wat er in het neuron gebeurt, maar
het zegt niets over welk pre-synaptische neuron de depolarisatie veroorzaakte.
Signaal beschrijvingen
Sinusoidal oscillation: het simpelste signaal.
Frequentie (Hz): de mate van verandering in een signaal langs een bepaalde dimensie zoals
tijd en ruimte, bestaat uit de componenten amplitude (maximale uitwijking) en fase (wanneer
gaat de trilling omhoog en omlaag).
Bij een biologische bevat nooit slechts één frequentie (dit is alleen het geval bij een
kunstmatige pure toon) maar bestaat uit sub-signalen of frequentie componenten die
allemaal een verschillende frequentie hebben.
Frequentie spectrum: het gemeten bereik van de frequenties
o Hoogste frequentie: wordt beperkt door hoe vaak het signaal gemeten wordt (dit
wordt de sampling frequency genoemd). Je kunt enkel fluctuaties van de helft van de
sampling frequency vastleggen (1/2×sampling frequency (Nyquist sampling theorem)).
Bv. je hebt een sampling frequency van 100 Hz (elke 10 ms een sample), dan is dit niet
bruikbaar voor een experiment voor actiepotentialen die maar 1-2 ms duren.
1
, o Laagste frequentie: wordt beperkt door hoe lang het signaal gemeten wordt. Bv. een
signaal van 3s kan je niet vastleggen als je maar 1s meet. Of als een signaal voor 2s
gemeten wordt bij een hoge sampling frequency, dan is het mogelijk om frequentie
componenten te meten van 0,5Hz, maar niet om frequenties te meten die lager zijn.
Deze beperking wordt weergegeven als 1/het aantal seconden dat er gemeten wordt.
Filtering: een specifiek deel van het gemeten frequentiespectrum wordt verzwakt of
uitgesloten.
o Low-pass filtering: de lagere (langzame) frequenties worden niet veranderd terwijl de
hoge (snelle) frequenties verzwakt of verwijderd worden (heet ook wel smoothing).
o High-pass filtering: de hogere frequenties veranderen niet en de lagere frequenties
worden verzwakt of verwijderd.
o Band-pass filtering: alleen een bepaald bereik (band) van de frequenties kan door het
filter, alle frequenties die hoger of lager zijn worden verzwakt.
Spectrogram: sterkte van elk signaalcomponent op elk moment.
Moleculaire en hemodynamische signalen
Veranderingen in het membraanpotentiaal vinden plaats door beweging van chemische
stoffen en moleculen in en uit neuronen, dit kan op een kleine schaal (beweging van
chemische substaties en moleculen) en op grote schaal waarbij er gekeken wordt naar de
energiebehoefte (bv. hemodynamics: de bloedtoevoer wordt aangepast aan de
energiebehoefte, dit kan gebruikt worden bij een fMRI).
Elektrofysiologische gebeurtenissen vereisen energie, maar de amplitude van potentiële
veranderingen zijn niet noodzakelijk de beste voorspeller van energieverbruik.
Een actiepotentiaal is een passieve keten van gebeurtenissen waarvoor niet veel energie
nodig is, voor het herstellen van het rustpotentiaal is echter wel energie nodig.
Pre- en postsynaptische factoren (bv. afgifte neurotransmitters) vereisen ook energie, de
precieze energieverdeling naar verschillende processen kan dus variëren.
Maps in de brain
Bij niet-invasieve methode kunnen geen metingen doen op het niveau van een enkel neuron.
Clustering: de neiging van neuronen met dezelfde functionele eigenschappen om dicht bij
elkaar te gaan liggen en een cluster te vormen. Hoe meer clustering, hoe meer het
gemiddelde signaal van vele neuronen samen correspondeert met het signaal van de
individuele neuronen (hoe beter het signaal). De gevoeligheid van niet-invasieve technieken is
afhankelijk van de hoeveelheid clustering.
Clustering bestaat op verschillende spatiële schalen (bv. kolom (kolom neuronen die reageren
op dezelfde stimuli), topografie, gebied en systeem (bv. visuele systeem)).
2
,Overview of methods
De 3 dimensies:
Spatiële resolutie: de kleinste unit van ruimte die bepaald kan worden (dus hoe scherp is het
beeld).
Temporele resolutie: de kleinste unit van tijd die onderscheiden kan worden.
Invasiveness: de afstand tussen het neurale weefsel dat het signaal uitzendt en de detector.
4 klasse aan methodes:
Hemodynamische methoden
Elektrofysiologische methoden
Causale methoden
Anatomische methoden
Meten van hersenstructuur
Histologie: invasieve waarbij de hersenen in stukken/plakken gesneden worden, deze plakken
worden chemisch bewerkt om de verschillende structuren duidelijk de maken hoge
spatiële resolutie.
MRI: niet-invasieve methode om een beeld te krijgen van de anatomische structuren. De
verschillende toepassingen van MRI zijn:
o Onderzoek naar de anatomie in individuen.
o Anatomische lokalisatie van bepaalde functies.
o Verschillen in anatomische structureren tussen mensen relateren aan gedrag of een
ziekteclassificatie.
Meten van hemodynamic
Kijkt naar de veranderingen in bloedstroom en bloedvolume (en laat daarmee dus de
energiebehoefte zien).
De temporele resolutie van hemodynamische beeldvorming is slechter dan bij elektrische
beeldvormingstechnieken door de traagheid van hemodynamische gebeurtenissen.
De spatiële resolutie varieert sterk, maar is kleiner dan voor een elektrisch signaal.
o (invasieve) optische beeldvorming: laat kolomstructuren zien, gebruikt het effect van
de zuurstofvoorziening van weefsel op de reflectie van licht dat door het weefsel
schijnt.
o (niet-invasief) fNIRS (functional near-infrared spectroscopy): heeft een zeer lage
resolutie van enkele centimeters, dit signaal is beperkt tot corticale gebieden direct
onder de schedel.
PET (positron emission tomography): veranderingen in het bloedvolume worden gemeten
door het bloed te labelen met een radioactieve stof. Heeft een spatiele resolutie van 1-2 cm
en een zeer slechte temporele resolutie (tientallen seconden).
fMRI (functional magnetic resonance imaging): niet-invasieve methode die wordt gebruikt
om de hemodynamische activiteit te meten die samenhangt met de neurale activiteit. Heeft
binnen de niet-invasieve methode de hoogste spatiele resolutie.
Meten van elektrofysiologische activiteit
Hebben meestal een goede temporele resolutie, de spatiele resolutie varieert erg tussen de
verschillende methoden. De spatiele resolutie wordt beïnvloed door:
o De afstand tussen de elektroden en de bron van het signaal.
o Tussenliggend weefsel (bv. schedel): maakt het signaal slechter.
3
, o Noninvasiveness: de hoogste frequentie kunnen niet worden opgepikt, hierdoor krijg je
dus maar de informatie van een deel van het signaal.
Patch-clamp recordings (invasief): de methode met de beste spatiele resolutie en de enige
methode de veranderingen in het membraanpotentiaal betrouwbaar meet door een
elektroden in het membraan van een enkele cel in te brengen.
Extracellular single-unit recordings (invasief): er wordt een elektrode in de cortex geplaatst
zo dicht mogelijk bij het enkele neuron waarvan je het actiepotentiaal wil meten. de elektrode
moet hiervoor een sterke weerstand hebben zodat alleen het signaal van erg dichtbij opgepikt
wordt.
Multi-unit recording en local field potentials (LFPs (invasief)): de elektrode geeft minder
weerstand waardoor de actiepotentialen van meerdere dicht bij elkaar liggende units
opgepikt worden.
Intracraniële recordings (invasief): er wordt een elektroden op de bovenkant van de dura
geplaats (dura blijft intact), hierdoor wordt het signaal niet verstoord door de schedel.
MEG (magneto-encephalography (non-invasief)): meten van de elektrische activiteit door
gebruik te maken van magnetische velden die ontstaan door de elektrische stromen.
EEG (electro-encephalography)/ERP (non-invasief)): elektrodes op het hoofd die elk de
elektrische activiteit van een groot deel van de hersenen opvangen. Heeft net als de MEG een
slechte spatiele resolutie doordat de schedel het signaal verstoord.
Perifere metingen
Huidgeleiding: index van de sympathische arousal intensity bij affectieve of cognitieve
verwerking. De verschillenen tussen mensen zijn hierbij erg groot.
Hartactiviteit: hartslag, hartslagvariabiliteit en bloeddruk. De hartslagvariabliteit geeft
informatie over de invloed van het parasympatische zenuwstelsel op het hart en de bloeddruk
is een meting van stress.
Spieractiviteit: een EMG (elektromyogram) van het gezicht geeft informatie over affectieve
toestanden (als iemand ergens meer betrokken bij is, is er een hogere activiteit van
gezichtsspieren).
Oogmetingen:
o Oogbewegingen: goede meting voor visuele aandacht.
Saccades: tijdens saccades wordt er geen nieuwe informatie verkregen.
Fixaties: er wordt wel informatie verkregen.
o Pupildilatatie (verwijding): indicatie voor intense emotionele arousal (voor zowel
aangename als onaangename stimuli), geeft vooral informatie over het sympathische
zenuwstelsel.
Hoorcollege 2: EEG part 1
Waarom wordt EEG gebruikt?
We zijn benieuwd naar de uitkomsten van sensorische, beslissings- en motorische processen.
Dit kan uitgedrukt worden in reactietijd.
EEG kan het tijdsverloop van deze stadia met een precisie van milliseconden bijhouden.
EEG kan ons informatie geven over cognitieve processen, ook als er helemaal geen respons is
op een taak.
Wat wordt er gemeten met een EEG?
Met een EEG meet je geen actiepotentialen omdat deze maar zeer kort duren en niet bij
elkaar opgeteld kunnen worden. In plaats van het meten van actiepotentialen meten de
4
