ALGEMENE INLEIDING, ONDERZOEKSTECHNIEKEN (1)
neurofysiologie = studie van de werking van neuronen (zenuwstelsel)
zenuwstelsel:gus
centraal zenuwstelsel : hersenen (grote en kleine), hersenstam, ruggenmerg
perifeer zenuwstelsel : somatische ZS (perifere zenuwen) & autonoom ZS
o sensorisch: input naar CZS
o motorisch: output van CZS
algemene werking van de hersenen:
1. Opvangen van prikkels uit omgeving of intern ( zintuigen)
2. Sensatie = omzetting fysische prikkels in elektrische signalen
a. Wat hersenen aangeleverd krijgen
b. Hersenen begrijpen de signalen & verder verwerken
3. Hersenen verwerken deel van informatie ( veel gaat verloren)
4. Perceptie = interpretatie/reactie van hersenen op informatie
a. Integratie = Hersenen verwerken de informatie
b. Perceptie = interpretatie & niet zuiver passieve registratie van info door zingtuigen
= resultaat van selectie, organisatie & interpretatie van informatie
Omgeving is bepalend voor perceptie
5. Output: motorische interactie met omgeving
Optische illusie
= foutieve interpretatie van hersenen op prikkel of informatie
- sensatie = iedereen kijkt naar hetzelfde maar
- perceptie = iedereen ziet iets anders qua interpretatie
(afbeelding zie je cirkel en iemand anders rechthoeken of blauw/zwart of wit/goud kleed)
1: Hoe werking van de hersenen bestuderen
A: cel-theorie methode
cel = basiseenheid van levend organisme
begrijpen hoe cel werkt = begrijpen hoe systeem werkt
hersenen hebben verschillende soorten cellen ~ moeilijke methode
Nissle kleuring Golgi kleuring
Primitief idee = hersenen zijn kluwen of Veel specifieker & gans neuron in kaart
neststructuren van cellen
- foute redenering Microscopisch onderzoek besluit dat hersenen
- niet zo specifieke kleuring ( kern ) bestaan uit individuele cellen
1
,B: neuron doctrine methode
neuronen = basiseenheid van ZS
werking hersenen door onderzoek tot elektrische activiteit van neuronen
op deze manier verband tussen werking neuronen & creëren bepaald gedrag door hersenen
reductionisme = onderzoeken meerdere neuronen ( ipv 1) om gedrag te verklaren
gedrag ~ samenwerking meerdere neuronen
conclusie: werking van de hersenen vloeit voort uit 2 dingen:
1) intrinsieke eigenschappen van neuronen
2) schakelingen van neuronen met:
▪ periferie: receptor epithelen (huid, netvlies…)
▪ effectororganen (spieren, klieren,…)
▪ andere neuronen : vormen netwerk & connecties tussen hersengebieden
Belangrijk wetenschappelijk werk omtrent menselijk genoom
1. human genome project
= proberen menselijk DNA volledig in kaart brengen
o zoogdieren: netwerken & connecties voor elk individu UNIEK
2. the human connectome
= onderlinge connecties van neuronen & zenuwen in kaart brengen ( ! voor neuronale
aandoeningen begrijpen)
Gliacellen = lijm
Vroeger : ondersteunende functie aan neuronen
Nu : verschillende soorten gliacellen met verschillende ondersteunende functies
4 types met belangrijke rol in de werking van neuronen:
Astrocyten Energie metabolisme voor neuronen
- Via voetjes glucose uit BV < lactaat = brandstof voor neuronen
Regulatie werking synapsen
- Voetjes rond synaps: Calcium instroom induceren voor NT vrijzetting
Microglia Noodzakelijk voor immuunrespons
oligondendrocyten Vormen myelineschede rond axon
- Geleiding AP & prikkels
Ependymcellen Productie hersenvocht
2
,Complexiteit hersenen
Drie redenen waarom relatie tussen structuur & functie van hersenen complexer is dan andere
organen:
1: structurele & functionele diversiteit
- Meer verschillende celtypes in hersenen dan andere organen
- Cellen eigen specifieke functies
2: aanwezigheid veel niveaus in organisatie
- CZS, systemen, mappen, netwerken, neuronen,…
- Specifieke neuronen voor licht, beweging, kleur,…
3: oorzaak & gevolg moeilijk onderscheiden
- Normaal: gen < structuur < functie: NIET in hersenen
- Bv: autisme
o Verschillen in morfologie/functie/bedraging van neuronen?
o Geen duidelijke oorzaak van autisme
o 1e hypothese : ‘is slecht werkend spiegelsysteemoorzaak/gevolg van autisme?
Situatie a: je hebt pijn < activatie bepaalde neuronen
Situatie b: je ziet iemand pijn hebben < activatie idem neuronen = spiegelsysteem
= je kan jezelf inleven in iemands pijn & hebt empathisch inlevingsvermogen
Conclusie: oorzaak & gevolg moeilijk onderscheiden
Niveaus organisaties van CZS
Afwijking op een niveau = verstoring van het hele systeem
Hersenaandoeningen/ziekten t.g.v. veranderingen op meerdere niveau
- Daarom complex om te begrijpen
- Analyse van elk niveau met bepaalde techniek
Opmerking: systeem = motorisch, visueel, auditief,… systeem id hersenen
3
,Indeling neurofysiologische onderzoekstechnieken
= noodzakelijk voor neuronale activiteit te bestuderen
structuur Functie = werking
MRI
- Niet invasieve manier stofbanen analyseren
- Onderscheid tussen verschillende weefsels: witte stof, grijze stof, BV, CZS,..
- Densiteit van protonen weergeven
- Diffussiemetingen: kleurtjes geven welke richting witte stofbanen lopen
o Rood : Verbindingen tussen L hersenhelft en R hersenhelft
o Groen : van voor naar achter of achter naar voor
o Blauw : in de diepte van hersenen
4
,Tract-tracing technieken
- Eiwitten/stoffen in gebied inspuiten: actief transporteren via axonen
- In gebied terecht
Anterograde tracing Retrograde tracing
Opnemen door cellichaam via axon naar Via voetjes tegenovergestelde richting naar
terminalen cellichaam en labelen
Met wat is je doelgebied geconnecteerd, geeft Vanwaar krijgt doelgebied informatie binnen
informatie door aan welke gebieden van andere gebieden in de hersenen
Diffusie-metingen m.b.v. MRI (niet-invasief): DTI Diffusion tensor imaging
- Meten van verplaatsing van watermoleculen (diffusie) in verschillende richtingen in voxel
- Axon ( witte stofbaan met myeline) : H-molecule parallel makkelijker bewegen i.p.v.
loodrecht erop ( want botst tegen zijkant anders van axon)
- H-molecule meebewegen met axon < analyse van richting
- Voxel = deeltje in hersenen
- FA = fractionele anisotropie = index voor hoeveelheid diffusie asymmetrie in voxel
o Bij isotropie < water in alle richtingen even vlot bewegen < geen witte stofbaan
o Bij anisotropie < bepaalde richting verder bewegen < witte stofbaan in die richting
o Witte gebieden = anisotropie & grijze gebieden = isotropie
Stroomlijn
- verbinden van punten om de stroomlijn van een witte baan beschrijven
- analyse van de informatieflow-richting
- via DTI: kan NIET meerdere kruisende bundels/voxels onderscheiden
5
,overzichtsfiguur van verschillende onderzoekstechnieken:
- Y-as = spatiale resolutie & x-as = temporele resolutie
- Indelen o.b.v.:
• Tijd (abscissa)
• Ruimte (ordinaat)
• Invasiviteit ( kleur)
Elektrofysiologie: extracellulaire afleidingen van neuronen
Micro-elektroden
= kleine elektroden elektrische potentialen buiten de cel meet
Directe meting van neuronale activiteit = enkel individuele neuronen bestuderen
Illustratie: aap experiment
Aap heeft ingebouwde elektrode aan het motorneuron
Situatie 1: aap zit stil & kijkt naar vrouw die appel grijpt
o activatie motor neuron gemeten door elektrode
o veel geluid te horen : hoe hoger spikes
= meer AP = sterker signaal
situatie 2: vrouw induceert grijpbeweging
o steeds neuronale activiteit maar minder
o minder geluid hoorbaar
Voordelen Nadelen
Geen beschadiging neuronen Slechts 1 of enkele cellen tegelijk
: langdurig of vaak bestuderen Sampling bias: voornamelijk grotere meer actieve
In wakkere dieren of in mens ( uitzondering) neuronen
Goede spatiale en temporele resolutie
multi-unit elektrodes registreren gelijktijdig veel single units
Bv: multi elektrode array: 100 recording sites
Elektrofysiologie: intracellulaire afleidingen van neuronen
Patch Clamp techniek
Directe meting van neuronale activiteit = enkel individuele neuronen bestuderen
Werking:
- glazen micropipette (scherp of patch-clamp)
o patch-clamp = opzuigen van stukje membraan van de cel
o scherp = met elektroden zelf in axon prikken
- in-vitro of in-vivo
6
, - toegang tot intracellulaire milieu
- informatie over output (AP’s) en input (PSP’s)
- informatie over het teken van input (EPSP of IPSP)
Voordelen Nadelen
Zeer grote spatiale en temporele resolutie Schade aan de cel = celmembraan kapot
Massapotentialen : EEG, MEG
Directe meting van neuronale activiteit = meerdere neuronen bestuderen
EEG = Elektro Encefalo Grafie : stroompjes meten
MEG = Magneto Encefalo Grafie : magnetische veldjes meten
werking:
- Elektroden plaatsen op de schedel
- meting van kleine elektrische/magnetische velden t.h.v. schedelhuid als bij prikkel meerdere
neuronen actief worden
- geen informatie wat individuele cellen doen
- zeer grote populaties van neuronen samen actief om meetbare potentialen te creëren
Voordelen Nadelen
Zeer grote temporele resolutie (snel) Povere spatiale resolutie
Eenvoudig en goedkoop
Niet invasief (toepasbaar op mensen)
Probleem = povere ruimtelijke resolutie
elektrode meet potentiaalverandering, veroorzaakt door meerdere geactiveerde neuronen
moeilijk zeggen waar in hersenen activiteit plaatsvindt omdat schedel signalen afzwakt
source localization probleem
oplossing = combinatie technieken voor betere ruimtelijke resolutie ( EEG/fMRI)
o EEG = beter in tijd weergeven & fMRI = locatie beter weergeven
o Elektroden onder schedel plaatsen = meer invasief = ECOG diepte-elektroden)
Voorbeelden: invasieve methoden
7
,Electro-corticogram ECOG
Om ethische redenen < beperkt gebruik bij mensen
Parkinson, epilepsie, motorische aandoeningen,…
Epilepsie patiënt:
- Elektroden aanbrengen in hersenen
- Hersenactiviteit meten bij aanval = locatie van overactiviteit zichtbaar
- Gebruiken van diepte-elektroden = signaal hersenactiviteit niet meer verzwakt door schedel
Diepte elektroden = stimulatie & celafleiding
Oppervlakte elektroden = grid boven (epiduraal) of onder (subduraal) de dura mater
: elektroden niet rechstreeks in hersenen
Brain-machine interfaces (BMI, BCI)
werking:
1. Array met naaldjes volzitten met elektroden in hersenen plaatsen
2. Hersenen zenden grijpsignaal uit < elektroden meten hersenactiviteit < signaal doorgeven ad
robotarm
in klinische context:
- bepaald medisch probleem oplossen : doofheid, verlapping, blind
- problemen met sensorische input / motorische output oplossen
- Tetraplegie = hersentumor in hersenstam ~ wegnemen ~ verlamming 4 ledenmaten
- Motorische baan oplossen door sensorisch systeem af te lezen
DBS bij behandeling ziekte van Parkinson:
- DBS = diepe brain stimulatie
- Elektroden in diepe hersenstructuur : via fijne stroompjes bewegingssymptomen onder
controle houden ( beven, stijfheid,..)
8
,Functionele beeldvormingstechnieken!
Via technieken neuronale activiteit indirect meten adhv het verband tussen:
1) neuro-metabole koppeling
verband: neuronale activiteit (synaps, AP) en glucose ( energie metabolisme)
neuronen hebben veel E nodig: glucose
asterocyten glucose opnemen uit BB & omzetten naar lactaat
verdere afbraak van lactaat om APs af te vuren, NT vrij te zetten,…
link tussen neuronale activiteit & glucosegehalte & zuurstofspanning
2) neuro-vasculaire koppeling
verband neuronale activiteit en BV
hoe actiever neuronen : hoe hoger zuurstofspanning : hoe hoger flow/aanvoer
hoe hoger bloedvolume ( vasodilatatie) : hoe hoger bloedstroming : hoe hoger
deoxyhemoglobine
link tussen neuronale activiteit & de eigenschappen van een bloedvat
neuro-metabole koppeling
neuronale activiteit toenemen = lokaal glucose & O2 verbruik toenemen
meting van metabole veranderingen : zo kunnen meten verandering neuronale activiteit
positron emission tomography (PET)
= technieken die neurometabole koppelingen in beeld brengen
Werking : indirecte meting van neuronale activiteit gebaseerd op neuro-metabole koppeling
- Inspuiten radioactief molecule met korte halfwaardetijd (FDG = fluorodeoxyglucose)
- FDG opgenomen door astrocyten & traag afgebroken
- Positronen emissie < botsen tegen elektronen < 2 fotonen ontstaan < tegenovergestelde
richting bewegen < detectie door scanner
- Via fluorescentie: zichtbaar beelden
- Enkel klinisch gebruik van PET-scans
9
, Voordelen Nadelen
Overzicht van heel hersenen Slechte spatiale en temporele resolutie
Invasief
Vergelijken tussen 2 condities
Hoge kostprijs ( cyclotron)
Inspuiten radio-actieve stof = niet veel meer gebruikt
Alzheimer:
- Minder glucose opname achteraan de hersenen
FTD = frontale temporale dementie
- Minder glucose opname vooraan + zijkant
- Eerst neuronen afsterven aan frontale lobben
- Dan temporale neuronen aan zijkant afsterven
Veel neuronale activiteit = cellen veel E nodig = veel FDG opname
Neuronale afwijkingen = minder intense activiteit = minder FDG
Pet-scans in klinische studie:
A: bij kankers
1. Radio-isotoop koppelen aan metabole moleculen (glucose, O2)
2. Inspuiten
3. Opname in de tumorcellen ( want verbruikt veel E)
4. Aantonen van uitzaaiing/lokalisatie tumor
B: Neurologische ziekte
1. Radio-isotoop bindt aan receptor agonisten : Parkinson
< bindt aan dopaminereceptor, weinig dopamine-activiteit bij parkinson
2. Radio-isotoop bindt aan biomarkers : Alzheimer
< bindt aan amyloid eiwit dat talrijk aanwezig is bij Alzheimer
Koppeling isotopen aan moleculen, receptor agonisten of biomarkers
Functionele magnetic resonance imaging (fMRI)
= indirecte meting van neuronale activiteit gebaseerd op neuro-vasculaire koppeling
werking:
meest gebruikte techniek hersenfunctie of activiteit onderzoek bij mens
meting over de volledige hersenen
hoofd in tunnel: prenten zichtbaar : stimulatie neuronale activiteit
hogere flow doorheen bloedvaten = vasodilatatie = grotere neuronale activiteit = stijging
fMRI signaal
10
neurofysiologie = studie van de werking van neuronen (zenuwstelsel)
zenuwstelsel:gus
centraal zenuwstelsel : hersenen (grote en kleine), hersenstam, ruggenmerg
perifeer zenuwstelsel : somatische ZS (perifere zenuwen) & autonoom ZS
o sensorisch: input naar CZS
o motorisch: output van CZS
algemene werking van de hersenen:
1. Opvangen van prikkels uit omgeving of intern ( zintuigen)
2. Sensatie = omzetting fysische prikkels in elektrische signalen
a. Wat hersenen aangeleverd krijgen
b. Hersenen begrijpen de signalen & verder verwerken
3. Hersenen verwerken deel van informatie ( veel gaat verloren)
4. Perceptie = interpretatie/reactie van hersenen op informatie
a. Integratie = Hersenen verwerken de informatie
b. Perceptie = interpretatie & niet zuiver passieve registratie van info door zingtuigen
= resultaat van selectie, organisatie & interpretatie van informatie
Omgeving is bepalend voor perceptie
5. Output: motorische interactie met omgeving
Optische illusie
= foutieve interpretatie van hersenen op prikkel of informatie
- sensatie = iedereen kijkt naar hetzelfde maar
- perceptie = iedereen ziet iets anders qua interpretatie
(afbeelding zie je cirkel en iemand anders rechthoeken of blauw/zwart of wit/goud kleed)
1: Hoe werking van de hersenen bestuderen
A: cel-theorie methode
cel = basiseenheid van levend organisme
begrijpen hoe cel werkt = begrijpen hoe systeem werkt
hersenen hebben verschillende soorten cellen ~ moeilijke methode
Nissle kleuring Golgi kleuring
Primitief idee = hersenen zijn kluwen of Veel specifieker & gans neuron in kaart
neststructuren van cellen
- foute redenering Microscopisch onderzoek besluit dat hersenen
- niet zo specifieke kleuring ( kern ) bestaan uit individuele cellen
1
,B: neuron doctrine methode
neuronen = basiseenheid van ZS
werking hersenen door onderzoek tot elektrische activiteit van neuronen
op deze manier verband tussen werking neuronen & creëren bepaald gedrag door hersenen
reductionisme = onderzoeken meerdere neuronen ( ipv 1) om gedrag te verklaren
gedrag ~ samenwerking meerdere neuronen
conclusie: werking van de hersenen vloeit voort uit 2 dingen:
1) intrinsieke eigenschappen van neuronen
2) schakelingen van neuronen met:
▪ periferie: receptor epithelen (huid, netvlies…)
▪ effectororganen (spieren, klieren,…)
▪ andere neuronen : vormen netwerk & connecties tussen hersengebieden
Belangrijk wetenschappelijk werk omtrent menselijk genoom
1. human genome project
= proberen menselijk DNA volledig in kaart brengen
o zoogdieren: netwerken & connecties voor elk individu UNIEK
2. the human connectome
= onderlinge connecties van neuronen & zenuwen in kaart brengen ( ! voor neuronale
aandoeningen begrijpen)
Gliacellen = lijm
Vroeger : ondersteunende functie aan neuronen
Nu : verschillende soorten gliacellen met verschillende ondersteunende functies
4 types met belangrijke rol in de werking van neuronen:
Astrocyten Energie metabolisme voor neuronen
- Via voetjes glucose uit BV < lactaat = brandstof voor neuronen
Regulatie werking synapsen
- Voetjes rond synaps: Calcium instroom induceren voor NT vrijzetting
Microglia Noodzakelijk voor immuunrespons
oligondendrocyten Vormen myelineschede rond axon
- Geleiding AP & prikkels
Ependymcellen Productie hersenvocht
2
,Complexiteit hersenen
Drie redenen waarom relatie tussen structuur & functie van hersenen complexer is dan andere
organen:
1: structurele & functionele diversiteit
- Meer verschillende celtypes in hersenen dan andere organen
- Cellen eigen specifieke functies
2: aanwezigheid veel niveaus in organisatie
- CZS, systemen, mappen, netwerken, neuronen,…
- Specifieke neuronen voor licht, beweging, kleur,…
3: oorzaak & gevolg moeilijk onderscheiden
- Normaal: gen < structuur < functie: NIET in hersenen
- Bv: autisme
o Verschillen in morfologie/functie/bedraging van neuronen?
o Geen duidelijke oorzaak van autisme
o 1e hypothese : ‘is slecht werkend spiegelsysteemoorzaak/gevolg van autisme?
Situatie a: je hebt pijn < activatie bepaalde neuronen
Situatie b: je ziet iemand pijn hebben < activatie idem neuronen = spiegelsysteem
= je kan jezelf inleven in iemands pijn & hebt empathisch inlevingsvermogen
Conclusie: oorzaak & gevolg moeilijk onderscheiden
Niveaus organisaties van CZS
Afwijking op een niveau = verstoring van het hele systeem
Hersenaandoeningen/ziekten t.g.v. veranderingen op meerdere niveau
- Daarom complex om te begrijpen
- Analyse van elk niveau met bepaalde techniek
Opmerking: systeem = motorisch, visueel, auditief,… systeem id hersenen
3
,Indeling neurofysiologische onderzoekstechnieken
= noodzakelijk voor neuronale activiteit te bestuderen
structuur Functie = werking
MRI
- Niet invasieve manier stofbanen analyseren
- Onderscheid tussen verschillende weefsels: witte stof, grijze stof, BV, CZS,..
- Densiteit van protonen weergeven
- Diffussiemetingen: kleurtjes geven welke richting witte stofbanen lopen
o Rood : Verbindingen tussen L hersenhelft en R hersenhelft
o Groen : van voor naar achter of achter naar voor
o Blauw : in de diepte van hersenen
4
,Tract-tracing technieken
- Eiwitten/stoffen in gebied inspuiten: actief transporteren via axonen
- In gebied terecht
Anterograde tracing Retrograde tracing
Opnemen door cellichaam via axon naar Via voetjes tegenovergestelde richting naar
terminalen cellichaam en labelen
Met wat is je doelgebied geconnecteerd, geeft Vanwaar krijgt doelgebied informatie binnen
informatie door aan welke gebieden van andere gebieden in de hersenen
Diffusie-metingen m.b.v. MRI (niet-invasief): DTI Diffusion tensor imaging
- Meten van verplaatsing van watermoleculen (diffusie) in verschillende richtingen in voxel
- Axon ( witte stofbaan met myeline) : H-molecule parallel makkelijker bewegen i.p.v.
loodrecht erop ( want botst tegen zijkant anders van axon)
- H-molecule meebewegen met axon < analyse van richting
- Voxel = deeltje in hersenen
- FA = fractionele anisotropie = index voor hoeveelheid diffusie asymmetrie in voxel
o Bij isotropie < water in alle richtingen even vlot bewegen < geen witte stofbaan
o Bij anisotropie < bepaalde richting verder bewegen < witte stofbaan in die richting
o Witte gebieden = anisotropie & grijze gebieden = isotropie
Stroomlijn
- verbinden van punten om de stroomlijn van een witte baan beschrijven
- analyse van de informatieflow-richting
- via DTI: kan NIET meerdere kruisende bundels/voxels onderscheiden
5
,overzichtsfiguur van verschillende onderzoekstechnieken:
- Y-as = spatiale resolutie & x-as = temporele resolutie
- Indelen o.b.v.:
• Tijd (abscissa)
• Ruimte (ordinaat)
• Invasiviteit ( kleur)
Elektrofysiologie: extracellulaire afleidingen van neuronen
Micro-elektroden
= kleine elektroden elektrische potentialen buiten de cel meet
Directe meting van neuronale activiteit = enkel individuele neuronen bestuderen
Illustratie: aap experiment
Aap heeft ingebouwde elektrode aan het motorneuron
Situatie 1: aap zit stil & kijkt naar vrouw die appel grijpt
o activatie motor neuron gemeten door elektrode
o veel geluid te horen : hoe hoger spikes
= meer AP = sterker signaal
situatie 2: vrouw induceert grijpbeweging
o steeds neuronale activiteit maar minder
o minder geluid hoorbaar
Voordelen Nadelen
Geen beschadiging neuronen Slechts 1 of enkele cellen tegelijk
: langdurig of vaak bestuderen Sampling bias: voornamelijk grotere meer actieve
In wakkere dieren of in mens ( uitzondering) neuronen
Goede spatiale en temporele resolutie
multi-unit elektrodes registreren gelijktijdig veel single units
Bv: multi elektrode array: 100 recording sites
Elektrofysiologie: intracellulaire afleidingen van neuronen
Patch Clamp techniek
Directe meting van neuronale activiteit = enkel individuele neuronen bestuderen
Werking:
- glazen micropipette (scherp of patch-clamp)
o patch-clamp = opzuigen van stukje membraan van de cel
o scherp = met elektroden zelf in axon prikken
- in-vitro of in-vivo
6
, - toegang tot intracellulaire milieu
- informatie over output (AP’s) en input (PSP’s)
- informatie over het teken van input (EPSP of IPSP)
Voordelen Nadelen
Zeer grote spatiale en temporele resolutie Schade aan de cel = celmembraan kapot
Massapotentialen : EEG, MEG
Directe meting van neuronale activiteit = meerdere neuronen bestuderen
EEG = Elektro Encefalo Grafie : stroompjes meten
MEG = Magneto Encefalo Grafie : magnetische veldjes meten
werking:
- Elektroden plaatsen op de schedel
- meting van kleine elektrische/magnetische velden t.h.v. schedelhuid als bij prikkel meerdere
neuronen actief worden
- geen informatie wat individuele cellen doen
- zeer grote populaties van neuronen samen actief om meetbare potentialen te creëren
Voordelen Nadelen
Zeer grote temporele resolutie (snel) Povere spatiale resolutie
Eenvoudig en goedkoop
Niet invasief (toepasbaar op mensen)
Probleem = povere ruimtelijke resolutie
elektrode meet potentiaalverandering, veroorzaakt door meerdere geactiveerde neuronen
moeilijk zeggen waar in hersenen activiteit plaatsvindt omdat schedel signalen afzwakt
source localization probleem
oplossing = combinatie technieken voor betere ruimtelijke resolutie ( EEG/fMRI)
o EEG = beter in tijd weergeven & fMRI = locatie beter weergeven
o Elektroden onder schedel plaatsen = meer invasief = ECOG diepte-elektroden)
Voorbeelden: invasieve methoden
7
,Electro-corticogram ECOG
Om ethische redenen < beperkt gebruik bij mensen
Parkinson, epilepsie, motorische aandoeningen,…
Epilepsie patiënt:
- Elektroden aanbrengen in hersenen
- Hersenactiviteit meten bij aanval = locatie van overactiviteit zichtbaar
- Gebruiken van diepte-elektroden = signaal hersenactiviteit niet meer verzwakt door schedel
Diepte elektroden = stimulatie & celafleiding
Oppervlakte elektroden = grid boven (epiduraal) of onder (subduraal) de dura mater
: elektroden niet rechstreeks in hersenen
Brain-machine interfaces (BMI, BCI)
werking:
1. Array met naaldjes volzitten met elektroden in hersenen plaatsen
2. Hersenen zenden grijpsignaal uit < elektroden meten hersenactiviteit < signaal doorgeven ad
robotarm
in klinische context:
- bepaald medisch probleem oplossen : doofheid, verlapping, blind
- problemen met sensorische input / motorische output oplossen
- Tetraplegie = hersentumor in hersenstam ~ wegnemen ~ verlamming 4 ledenmaten
- Motorische baan oplossen door sensorisch systeem af te lezen
DBS bij behandeling ziekte van Parkinson:
- DBS = diepe brain stimulatie
- Elektroden in diepe hersenstructuur : via fijne stroompjes bewegingssymptomen onder
controle houden ( beven, stijfheid,..)
8
,Functionele beeldvormingstechnieken!
Via technieken neuronale activiteit indirect meten adhv het verband tussen:
1) neuro-metabole koppeling
verband: neuronale activiteit (synaps, AP) en glucose ( energie metabolisme)
neuronen hebben veel E nodig: glucose
asterocyten glucose opnemen uit BB & omzetten naar lactaat
verdere afbraak van lactaat om APs af te vuren, NT vrij te zetten,…
link tussen neuronale activiteit & glucosegehalte & zuurstofspanning
2) neuro-vasculaire koppeling
verband neuronale activiteit en BV
hoe actiever neuronen : hoe hoger zuurstofspanning : hoe hoger flow/aanvoer
hoe hoger bloedvolume ( vasodilatatie) : hoe hoger bloedstroming : hoe hoger
deoxyhemoglobine
link tussen neuronale activiteit & de eigenschappen van een bloedvat
neuro-metabole koppeling
neuronale activiteit toenemen = lokaal glucose & O2 verbruik toenemen
meting van metabole veranderingen : zo kunnen meten verandering neuronale activiteit
positron emission tomography (PET)
= technieken die neurometabole koppelingen in beeld brengen
Werking : indirecte meting van neuronale activiteit gebaseerd op neuro-metabole koppeling
- Inspuiten radioactief molecule met korte halfwaardetijd (FDG = fluorodeoxyglucose)
- FDG opgenomen door astrocyten & traag afgebroken
- Positronen emissie < botsen tegen elektronen < 2 fotonen ontstaan < tegenovergestelde
richting bewegen < detectie door scanner
- Via fluorescentie: zichtbaar beelden
- Enkel klinisch gebruik van PET-scans
9
, Voordelen Nadelen
Overzicht van heel hersenen Slechte spatiale en temporele resolutie
Invasief
Vergelijken tussen 2 condities
Hoge kostprijs ( cyclotron)
Inspuiten radio-actieve stof = niet veel meer gebruikt
Alzheimer:
- Minder glucose opname achteraan de hersenen
FTD = frontale temporale dementie
- Minder glucose opname vooraan + zijkant
- Eerst neuronen afsterven aan frontale lobben
- Dan temporale neuronen aan zijkant afsterven
Veel neuronale activiteit = cellen veel E nodig = veel FDG opname
Neuronale afwijkingen = minder intense activiteit = minder FDG
Pet-scans in klinische studie:
A: bij kankers
1. Radio-isotoop koppelen aan metabole moleculen (glucose, O2)
2. Inspuiten
3. Opname in de tumorcellen ( want verbruikt veel E)
4. Aantonen van uitzaaiing/lokalisatie tumor
B: Neurologische ziekte
1. Radio-isotoop bindt aan receptor agonisten : Parkinson
< bindt aan dopaminereceptor, weinig dopamine-activiteit bij parkinson
2. Radio-isotoop bindt aan biomarkers : Alzheimer
< bindt aan amyloid eiwit dat talrijk aanwezig is bij Alzheimer
Koppeling isotopen aan moleculen, receptor agonisten of biomarkers
Functionele magnetic resonance imaging (fMRI)
= indirecte meting van neuronale activiteit gebaseerd op neuro-vasculaire koppeling
werking:
meest gebruikte techniek hersenfunctie of activiteit onderzoek bij mens
meting over de volledige hersenen
hoofd in tunnel: prenten zichtbaar : stimulatie neuronale activiteit
hogere flow doorheen bloedvaten = vasodilatatie = grotere neuronale activiteit = stijging
fMRI signaal
10
