NEUROSCIENTIFIC METHODS (KA)
INLEIDING
* Meten van ‘hersenactiviteit’ op systeemniveau (niet eencellig)
* Niet-invasief (niet ‘binnen’ de hersenen, maar op schedelniveau)
* Fundamenteel onderzoek
- Motorische controle, motorisch leren
- Cognitie
- Geheugen
- ...
* Klinisch onderzoek
- Neurale processen die ten grondslag liggen aan veroudering
- Neurale basis van ziekten (beroerte, Parkinson, epilepsie, neurologische
ontwikkelingsstoornissen..)
- Neurale evaluatie van ziekteprogressie
- Neurale evaluatie van interventies/behandelingen
- ...
METHODEN
* Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)
* Diffusie Magnetische Resonantie Beeldvorming
(dMRI)
* Functionele nabij-infraroodspectroscopie (FNIRS)
* Elektro-Encefalografie (EEG)
* Transcraniële magnetische stimulatie (TMS)
⇨ Uitrusting
⇨ Neurofysiologische basis
⇨ Voorbeelden van toepassingen
MAGNETIC RESONANCE IMAGING (MRI)
WAT IS FMRI NIET?
fMRI is geen bumpologie
* Beweert dat bultjes op de schedel overdreven functies/eigenschappen weerspiegelden → specifieke
bumps in schedel zouden specifieke functies hebben
* Er ontbrak elk mechanisme die aan zijn beweringen ten grondslag ligt.
* Er werd gebruik gemaakt van anekdotisch, in plaats van wetenschappelijk bewijs.
* Niettemin bleef het centrale idee bestaan: Lokalisatie van functie
fMRI leest geen gedachten
fMRI is niet invasief
* ó Positron Emission Tomography (PET)
* ó Intracranial Stimulation/Recording
1
,WAT IS FMRI WEL?
Equipment:
Giant Magnet
Head Coil
* MRI: Hersenanatomie
* fMRI: hehrsen activiteit
* fcMRI: functionele connectiviteit
1972 – Damadian
1924 - Pauli 1937 – Rabi patents idea for
suggests that measures magnetic large NMR scanner
nuclear particles moment of nucleus. to detect malignant 1985 – Insurance
may have angular Coins “magnetic tissue. reimbursements for
momentum (spin). resonance”. MRI exams begin.
1973 – Lauterbur MRI scanners 1995 – Biswal and
1944 – Rabi wins publishes method for colleagues measure
become clinically
Nobel prize in generating images functional connectivity in
prevalent.
Physics. using NMR the motor cortex of
1952 – Purcell and gradients. resting human brain
Bloch share Nobel using echo-planar MRI.
prize in Physics.
M R I f
NMR becomes MRI .
C
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005
1973 – Mansfield 1990 – Ogawa and
independently colleagues create
1946 – Purcell shows publishes gradient functional images
that matter absorbs 1959 – Singer approach to MR. using endogenous,
energy at a resonant measures blood
blood-oxygenation
frequency. flow using NMR (in
contrast.
mice).
1975 – Ernst
develops 2D-
1946 – Bloch demonstrates
Fourier transform
that nuclear precession can
for MR.
be measured in detector
coils.
MRI
BIOLOGISCHE BASIS VAN MRI
* Meet de anatomie van de hersenen
* Naam: (Nucleaire) magnetische resonantiebeeldvorming
* Heeft niets met ‘radioactiviteit’ te maken, maar met de
magnetische eigenschappen van protonen, in de kernen van
atomen
* Protonen:
- Hebben een massa
- Zijn positief (+)
- Maken een draai (ze draaien zich om)
• Omdat ze zich omdraaien, hebben ze een klein, maar meetbaar magnetisch veld
* Protonen worden vooral aangetroffen in water en vetweefsel
2
,* In één enkel molecuul water, H2O er zijn 10 protonen (1 uit elke waterstof en 8 uit zuurstof)
* Bijvoorbeeld
- een waterblokje van 2 x 2 x 5 mm bevat 6 * 1015 protonen
- 6.000.000.000.000.000
a. In het dagelijks leven zijn de protonen in ons lichaam in balans, willekeurig georiënteerd, maar
wel in balans
• Niet 1 specifieke richting per proton
b. In de MRI-scanner, die één gigantische magneet is, zijn de protonen uitgelijnd met het
magnetische veld (B0). Hetzij parallel (dezelfde richting) of anti-parallel (tegengestelde
richting)
• Sommigen parallel of anti-parallel
c. De meerderheid van de atomen is parallel uitgelijnd, waardoor de NETTO-magnetisatie van de
protonen in de richting van B0 kan worden gedefinieerd
⇨ Dit is wat er gebeurt als u in de scanner zit. En dit magnetische veld staat ALTIJD aan.
Reuzenmagneet, altijd
aan, veroorzaakt B0
Hoofdspoel, aan of uit te
zetten met een computer.
Ook wel Radiofrequentie-
spoel genoemd, omdat
deze een radiofrequentie
uitzendt
3
, Uitzending van een radiofrequentiepuls door de kopspoel
induceert een omslag van de NET-magnetisatie
(in plaats van uit te lijnen op de Z-as, worden de protonen
nu uitgelijnd in het X-Y-veld)
Proton is in ‘excitation state’
Protonen houden er echter niet van om in deze ‘high-energy’
excitatietoestand te verkeren, en vanaf het moment dat de
radiofrequentiepuls wordt uitgeschakeld, zal deze ‘ontspannen’
naar zijn oorspronkelijke positie (dat wil zeggen, terug uitlijnen op
de z-as van het B0-veld).
Tijdens deze ‘relaxatietoestand’ zenden de protonen zelf
radiofrequentie uit en dit signaal wordt gemeten.
→ Proton zendt radiofrequentie uit tijdens ‘relaxatietoestand’
(de hoofdspoel zendt en meet radiofrequenties)
Proton zendt radiofrequentie
uit tijdens ‘Relaxation state’
T1-RELAXATIE
T1-relaxatie: De tijd die een proton nodig heeft om te ontspannen tot 63% van zijn oorspronkelijke toestand
(langs de z-as)
Niet alle weefsels ‘ontspannen’ op dezelfde manier → de
snelheid waarmee het proton terugkeert naar zijn
oorspronkelijke positie is verschillend voor verschillende
soorten weefsels
Protonen in vet (bijvoorbeeld witte stof) ontspannen veel
sneller dan protonen in vloeistof (bijvoorbeeld hersenvocht)
Door de relaxatie in verschillende weefsels te meten kunnen contrasten zichtbaar worden gemaakt!
In zogenaamde ‘T1-gewogen’ afbeeldingen is vloeistof donker (er wordt minder energie
uitgestoten) en vet is helder (er wordt meer energie uitgestoten)
4
INLEIDING
* Meten van ‘hersenactiviteit’ op systeemniveau (niet eencellig)
* Niet-invasief (niet ‘binnen’ de hersenen, maar op schedelniveau)
* Fundamenteel onderzoek
- Motorische controle, motorisch leren
- Cognitie
- Geheugen
- ...
* Klinisch onderzoek
- Neurale processen die ten grondslag liggen aan veroudering
- Neurale basis van ziekten (beroerte, Parkinson, epilepsie, neurologische
ontwikkelingsstoornissen..)
- Neurale evaluatie van ziekteprogressie
- Neurale evaluatie van interventies/behandelingen
- ...
METHODEN
* Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)
* Diffusie Magnetische Resonantie Beeldvorming
(dMRI)
* Functionele nabij-infraroodspectroscopie (FNIRS)
* Elektro-Encefalografie (EEG)
* Transcraniële magnetische stimulatie (TMS)
⇨ Uitrusting
⇨ Neurofysiologische basis
⇨ Voorbeelden van toepassingen
MAGNETIC RESONANCE IMAGING (MRI)
WAT IS FMRI NIET?
fMRI is geen bumpologie
* Beweert dat bultjes op de schedel overdreven functies/eigenschappen weerspiegelden → specifieke
bumps in schedel zouden specifieke functies hebben
* Er ontbrak elk mechanisme die aan zijn beweringen ten grondslag ligt.
* Er werd gebruik gemaakt van anekdotisch, in plaats van wetenschappelijk bewijs.
* Niettemin bleef het centrale idee bestaan: Lokalisatie van functie
fMRI leest geen gedachten
fMRI is niet invasief
* ó Positron Emission Tomography (PET)
* ó Intracranial Stimulation/Recording
1
,WAT IS FMRI WEL?
Equipment:
Giant Magnet
Head Coil
* MRI: Hersenanatomie
* fMRI: hehrsen activiteit
* fcMRI: functionele connectiviteit
1972 – Damadian
1924 - Pauli 1937 – Rabi patents idea for
suggests that measures magnetic large NMR scanner
nuclear particles moment of nucleus. to detect malignant 1985 – Insurance
may have angular Coins “magnetic tissue. reimbursements for
momentum (spin). resonance”. MRI exams begin.
1973 – Lauterbur MRI scanners 1995 – Biswal and
1944 – Rabi wins publishes method for colleagues measure
become clinically
Nobel prize in generating images functional connectivity in
prevalent.
Physics. using NMR the motor cortex of
1952 – Purcell and gradients. resting human brain
Bloch share Nobel using echo-planar MRI.
prize in Physics.
M R I f
NMR becomes MRI .
C
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005
1973 – Mansfield 1990 – Ogawa and
independently colleagues create
1946 – Purcell shows publishes gradient functional images
that matter absorbs 1959 – Singer approach to MR. using endogenous,
energy at a resonant measures blood
blood-oxygenation
frequency. flow using NMR (in
contrast.
mice).
1975 – Ernst
develops 2D-
1946 – Bloch demonstrates
Fourier transform
that nuclear precession can
for MR.
be measured in detector
coils.
MRI
BIOLOGISCHE BASIS VAN MRI
* Meet de anatomie van de hersenen
* Naam: (Nucleaire) magnetische resonantiebeeldvorming
* Heeft niets met ‘radioactiviteit’ te maken, maar met de
magnetische eigenschappen van protonen, in de kernen van
atomen
* Protonen:
- Hebben een massa
- Zijn positief (+)
- Maken een draai (ze draaien zich om)
• Omdat ze zich omdraaien, hebben ze een klein, maar meetbaar magnetisch veld
* Protonen worden vooral aangetroffen in water en vetweefsel
2
,* In één enkel molecuul water, H2O er zijn 10 protonen (1 uit elke waterstof en 8 uit zuurstof)
* Bijvoorbeeld
- een waterblokje van 2 x 2 x 5 mm bevat 6 * 1015 protonen
- 6.000.000.000.000.000
a. In het dagelijks leven zijn de protonen in ons lichaam in balans, willekeurig georiënteerd, maar
wel in balans
• Niet 1 specifieke richting per proton
b. In de MRI-scanner, die één gigantische magneet is, zijn de protonen uitgelijnd met het
magnetische veld (B0). Hetzij parallel (dezelfde richting) of anti-parallel (tegengestelde
richting)
• Sommigen parallel of anti-parallel
c. De meerderheid van de atomen is parallel uitgelijnd, waardoor de NETTO-magnetisatie van de
protonen in de richting van B0 kan worden gedefinieerd
⇨ Dit is wat er gebeurt als u in de scanner zit. En dit magnetische veld staat ALTIJD aan.
Reuzenmagneet, altijd
aan, veroorzaakt B0
Hoofdspoel, aan of uit te
zetten met een computer.
Ook wel Radiofrequentie-
spoel genoemd, omdat
deze een radiofrequentie
uitzendt
3
, Uitzending van een radiofrequentiepuls door de kopspoel
induceert een omslag van de NET-magnetisatie
(in plaats van uit te lijnen op de Z-as, worden de protonen
nu uitgelijnd in het X-Y-veld)
Proton is in ‘excitation state’
Protonen houden er echter niet van om in deze ‘high-energy’
excitatietoestand te verkeren, en vanaf het moment dat de
radiofrequentiepuls wordt uitgeschakeld, zal deze ‘ontspannen’
naar zijn oorspronkelijke positie (dat wil zeggen, terug uitlijnen op
de z-as van het B0-veld).
Tijdens deze ‘relaxatietoestand’ zenden de protonen zelf
radiofrequentie uit en dit signaal wordt gemeten.
→ Proton zendt radiofrequentie uit tijdens ‘relaxatietoestand’
(de hoofdspoel zendt en meet radiofrequenties)
Proton zendt radiofrequentie
uit tijdens ‘Relaxation state’
T1-RELAXATIE
T1-relaxatie: De tijd die een proton nodig heeft om te ontspannen tot 63% van zijn oorspronkelijke toestand
(langs de z-as)
Niet alle weefsels ‘ontspannen’ op dezelfde manier → de
snelheid waarmee het proton terugkeert naar zijn
oorspronkelijke positie is verschillend voor verschillende
soorten weefsels
Protonen in vet (bijvoorbeeld witte stof) ontspannen veel
sneller dan protonen in vloeistof (bijvoorbeeld hersenvocht)
Door de relaxatie in verschillende weefsels te meten kunnen contrasten zichtbaar worden gemaakt!
In zogenaamde ‘T1-gewogen’ afbeeldingen is vloeistof donker (er wordt minder energie
uitgestoten) en vet is helder (er wordt meer energie uitgestoten)
4
