2. Technieken om hersenfuncties te bestuderen
❖ technieken om de hersenen te bestuderen, bezitten elk een specifieke spatiale en
temporele resolutie
Letselstudies
❖ laesies: postmortem (autopsie) of dmv beeldvormingstechnieken (CT, MRI) in het licht
gesteld en gecorreleerd aan functieverlies
❖ proefdieren
➢ experimentele letsels maken (resectie, hitteletsel, MPTP,...)
➢ tijdelijke en reversibele (in)activatie door injectie van farmacologische agentia
(muscimol: GABAA-agonist, bicuculline: GABAA-anatgonist) of door koeling
❖ zelden volledig overlap met een functioneel gebied
EEG en MEG
EEG
❖ electro-encephalografie (EEG)
❖ niet-invasieve meting van hersenactiviteit waarbij elektrodes worden aangebracht op
de scalp
❖ van klinisch belang binnen slaaponderzoek en bij diagnose van epilepsie
❖ standaard posities op de schedel waar de EEG-elektroden worden aangebracht
❖ EEG meet microvolt fluctuaties die worden veroorzaakt door de elektrische activiteit
van grote populaties neuronen, vooral van neuronen gelegen in de cortex tegenaan
de schedel
➢ dus niet of in veel mindere mate de neuronen in de sulci of in dieper gelegen
hersenkernen
❖ bijdrage v/e individueel neuron tot het EEG-signaal is klein → amplitude v/h
EEG-signaal bepaald door de mate van synchroniciteit waarmee neuronen actief zijn
➢ groot aantal neuronen actief op verschillende momenten in de tijd:
EEG-signaal klein + onregelmatig
➢ alle neuronen gelijktijdig actief en inactief: groot signaal → EEG uit grote,
regelmatige golven
❖ aantal actieve neuronen + timing is belangrijk
❖ door het ontstaan van zeer veel dipolen rond aanliggende neuronen, zal een
potentiaal ontstaan die gemeten kan worden via de oppervlakte-elektroden
❖ EEG omvat de activiteit van meerdere vierkante centimeters cortex
→ slechte spatiale resolutie, maar een hoge temporele resolutie
❖ geëvoceerde potentialen (EP) meten: één stimulus verscheidene malen herhaald en
de respons wordt gemiddeld over de verschillende trials
MEG
❖ magneto-encephalografie
❖ andere manier om hersenactiviteit op een niet-invasieve manier te meten met een
hoge temporele en spatiale resolutie
❖ zwakke magnetische velden meten die geïnduceerd worden door miljoenen
aanpalende actieve neuronen
1
, ❖ door hogere spatiale resolutie de bron van signalen beter lokaliseren dan EEG
❖ meet vooral de activiteit van piramidale neuronen in de sulci
Invasieve elektrode-registraties: micro-electrode registraties
❖ EEG-signaal kan ook intracranieel (iEEG) gemeten worden dmv macro-elektroden op
de hersenschors (ECOG) of dmv diepte-elektroden
❖ spikes (single-unit activity [SUA] en multi-unit activity [MUA]) kunnen worden geregistreerd
door het plaatsen van extracellulaire micro-elektroden in het hersenparenchym
➢ registraties kunnen acuut of chronisch gebeuren, via een enkele elektrode of
via multi-elektrodes
❖ lokale veldpotentialen (LFP): lokale EEG meten in hersenen
➢ maat voor de activiteit van neuronen in een gebied van enkele mm rond de
elektrode
❖ invasieve rechtstreekse metingen van neuronale activiteit met micro-elektroden
❖ extracellulair
➢ actiepotentialen (elektrische activiteit)
➢ locale veldpotentialen (LFP): populatieantwoord (nog onduidelijk wat dit precies
weergeeft)
❖ intracellulair
➢ veranderingen in membraanpotentiaal
PET en FMRI
❖ fMRI (functional magnetic resonance imaging) en PET (positron emission tomography)
❖ lage temporele resolutie (in de orde van seconden) + lagere spatiele resolutie (in de orde van
mm, veel beter dan EEG, maar minder goed dan single-cell registraties)
❖ overzicht geven v/d activiteit v/d hele hersenen tijdens bepaalde taken
❖ PET en fMRI: indirecte technieken
➢ omdat het gevolg v/e verandering van neurale activiteit gemeten wordt: meten
met name effecten op de bloedvoorziening
❖ verhoogde neurale activiteit gaat gepaard met een verhoogde zuurstofnood
→ toegenomen bloedtoevoer naar dit gebied
❖ temporele resolutie: zeer traag antwoord (6-10s)
❖ spatiale resolutie: mm3
➢ meting v/h gemiddeld antwoord van duizenden neuronen
❖ PET-scans
➢ meten de regionale bloedtoevoer na injectie v/e radioactieve merker
➢ hebben een eerder lage spatiële resolutie
❖ fMRI
➢ signaal bepaald door de verhouding tussen oxy- (diamagnetisch) en
deoxyhemoglobine (paramagnetisch)
➢ BOLD-signaal (blood oxygen level dependent)
➢ tijdens specifieke cognitieve taken wordt het BOLD-signaal in de
verschillende voxels berekend en vergelijken
➢ goede spatiale resolutie
➢ minder goede temporele resolutie
2
,TMS en TDCS
❖ transcraniële magnetische stimulatie (TMS)
➢ niet-invasieve techniek
➢ gebruikt bij gezonde vrijwilligers
➢ verandering in magnetische veldsterkte induceert een stroom
➢ grote elektromagneet op schedel: korte intense stroompuls gegenereerd door
een spoel
→ °magneetveld (kan in schedel dringen tot op een diepte van 2 cm) met inductie v/e
elektrische stroom in het onderliggende hersenweefsel
→ transiënte verandering v/d lokale neurale activiteit
➢ goede temporele resolutie
➢ geen fijne spatiale resolutie
➢ enkel focaal en oppervlakkig bruikbaar, met een activatieradius van 1 cm
❖ transcraniële direct current stimulation (tDCS)
➢ gebruikt een zwakke gelijkstroom tussen 2 elektroden op de hoofdhuid
❖ invasieve registratie bij de mens
➢ epilepsie (als onvoldoende reageren op medicatie)
➢ diepte elektrodes mediaal in temporaalkwab
➢ aantal weken
➢ vrij beperkt in de tijd: korte studies
➢ vrij beperkt in de ruimte: locatie obv klinische indicaties
❖ stimulatie/inactivatie: causale verbanden (proefdieren)
➢ intracraniële elektrische microstimulatie
■ verbindingen tussen hersengebieden in kaart brengen
■ causaal verband tussen activiteit in hersengebied en gedrag
➢ reversiebele (chemische) inactivaties
Optogenetica
❖ dmv virale vectoren worden genen die coderen voor lichtgevoelige eiwitten
ingebracht en via glasvezels/LED’s worden de lichtgevoelige eiwitten (bv
channelrhodopsin, halorhodpsin) geactiveerd
➢ als het ware een lichtschakelaar
➢ zo bestaat er een sterke koppeling tussen het vuren van specifieke neuronen
en het licht
❖ bepaalde fysiologische of pathologische netwerken kunnen bestudeerd worden door
neuronen selectief te activeren of inactiveren
❖ hoge temporele en spatiale resolutie
3
,4
, 3. Sensoriële codering
❖ sensoriële eenheid: eerste-orde sensorieel neuron en de daarmee verbonden
receptoren
❖ receptorpotentiaal en actiepotentiaal
❖ receptief veld: deel v/h receptoroppervlak van waaruit de sensoriële eenheid kan
gestimuleerd worden
❖ innervatiedensiteit: aantal sensoriële eenheden per oppervlakte-eenheid
➢ bepaalt resolutie v/h zintuig (bv meer in vingertoppen en retina dan in rug)
❖ stimulus = speciale energieverdeling die beperkt is in ruimte en tijd
➢ energie kan mechanisch, elektromagnetisch,... zijn
1. Sensoriële eenheid
= geheel gevormd door het sensoriële neuron v/d eerste orde en de daarmee verbonden
receptoren
❖ functie: uitwendige energie, die inwerkt op de receptor, omzetten in een reeks
actiepotentialen
❖ sensoriële eenheden indelen naargelang de soort energie waarvoor ze gevoelig zijn
➢ mechanisch
➢ thermisch
➢ chemisch
➢ fotoreceptoren
❖ bevat 3 structuren
➢ prereceptorstructuur
■ alles wat tussen de buitenwereld en de receptor gelegen is
■ output receptor: receptorpotentiaal (langzame potentiaal)
■ amplitudo: proportioneel aan inwerkende energie
● geen drempel
● geen summatie
■ receptorpotentiaal omgezet in actiepotentialen in het axon: doorgeven
aan volgende neuron
■ amplitudomodulatie wordt omgezet in de frequentie van
actiepotentialen
● drempel
● saturatie
● relatieve refractaire periode
stimulus = speciale energieverdeling, beperkt in ruimte en tijd
5
, ❖ receptieve veld
➢ deel v/h receptoroppervlak van waaruit de sensoriële eenheid kan worden
gestimuleerd
➢ voor neuronen van hogere orde, die ook inhibitorische gebieden kunnen
hebben, is dit het deel v/h receptoroppervlak van waaruit het neuron kan
worden beïnvloed
❖ innervatiedensiteit
➢ aantal sensoriële eenheden per oppervlakte-eenheid v/h receptoroppervlak
➢ hoge innervatiedensiteit: hogere spatiale resolutie v/h systeem
➢ vele sensoriële eenheden hebben een specialisatie: bepaalde delen worden
denser bezenuwd dan andere
Codering van de stimulus
❖ codering van modaliteit
➢ klassieke zintuigen + pijn, temperatuur, jeuk, proprioceptie en evenwicht
➢ labeled lines code
■ visuele banen: interpretatie als zicht
■ auditieve banen: interpretatie als geluid
■ somatosensoriële stimulatie: interpretatie als tast
➢ soort energie: gecodeerd door specificiteit v/d sensoriële eenheid
➢ specificiteit door de relatieve specificiteit v/d receptor die door de drempel v/h
neuron wordt omgezet in een absolute specificiteit
➢ wet v/d specifieke zenuwenergieën
■ activiteit in het neuron v/d eerste orde duidt aan welk soort energie
aanwezig is
➢ receptoren zetten specifieke soorten energie om in elektrisch signaal
➢ elke receptor is gevoelig voor een beperkt bereik van stimulus energie(bandbreedte)
➢ selectiviteit v/d receptor is relatief
❖ codering van locatie: topografie
➢ plaats v/d inwerkende energie wordt gecodeerd door de topografische
organisatie v/d sensoriële systemen
➢ spatiale relaties tussen receptoren blijven bewaard in de kernen of banen van
hogere orde
➢ 3 systemen zijn duidelijk topografisch georganiseerd
■ somatische systeem
■ auditieve systeem
■ visuele systeem
1) spatiale distributie van geactiveerde sensoriële neuronen
- receptieve veld = deel v/h receptoroppervlak vanwaaruit de sensoriële
eenheid (neuron en de daarmee verbonden receptoren) kan beïnvloed worden
(excitatie en inhibitie)
2) grootte v/d stimulus 〜 aantal geactiveerde receptoren
3) densiteit v/d receptoren bepaalt de resolutie v/h receptoroppervlak
6
❖ technieken om de hersenen te bestuderen, bezitten elk een specifieke spatiale en
temporele resolutie
Letselstudies
❖ laesies: postmortem (autopsie) of dmv beeldvormingstechnieken (CT, MRI) in het licht
gesteld en gecorreleerd aan functieverlies
❖ proefdieren
➢ experimentele letsels maken (resectie, hitteletsel, MPTP,...)
➢ tijdelijke en reversibele (in)activatie door injectie van farmacologische agentia
(muscimol: GABAA-agonist, bicuculline: GABAA-anatgonist) of door koeling
❖ zelden volledig overlap met een functioneel gebied
EEG en MEG
EEG
❖ electro-encephalografie (EEG)
❖ niet-invasieve meting van hersenactiviteit waarbij elektrodes worden aangebracht op
de scalp
❖ van klinisch belang binnen slaaponderzoek en bij diagnose van epilepsie
❖ standaard posities op de schedel waar de EEG-elektroden worden aangebracht
❖ EEG meet microvolt fluctuaties die worden veroorzaakt door de elektrische activiteit
van grote populaties neuronen, vooral van neuronen gelegen in de cortex tegenaan
de schedel
➢ dus niet of in veel mindere mate de neuronen in de sulci of in dieper gelegen
hersenkernen
❖ bijdrage v/e individueel neuron tot het EEG-signaal is klein → amplitude v/h
EEG-signaal bepaald door de mate van synchroniciteit waarmee neuronen actief zijn
➢ groot aantal neuronen actief op verschillende momenten in de tijd:
EEG-signaal klein + onregelmatig
➢ alle neuronen gelijktijdig actief en inactief: groot signaal → EEG uit grote,
regelmatige golven
❖ aantal actieve neuronen + timing is belangrijk
❖ door het ontstaan van zeer veel dipolen rond aanliggende neuronen, zal een
potentiaal ontstaan die gemeten kan worden via de oppervlakte-elektroden
❖ EEG omvat de activiteit van meerdere vierkante centimeters cortex
→ slechte spatiale resolutie, maar een hoge temporele resolutie
❖ geëvoceerde potentialen (EP) meten: één stimulus verscheidene malen herhaald en
de respons wordt gemiddeld over de verschillende trials
MEG
❖ magneto-encephalografie
❖ andere manier om hersenactiviteit op een niet-invasieve manier te meten met een
hoge temporele en spatiale resolutie
❖ zwakke magnetische velden meten die geïnduceerd worden door miljoenen
aanpalende actieve neuronen
1
, ❖ door hogere spatiale resolutie de bron van signalen beter lokaliseren dan EEG
❖ meet vooral de activiteit van piramidale neuronen in de sulci
Invasieve elektrode-registraties: micro-electrode registraties
❖ EEG-signaal kan ook intracranieel (iEEG) gemeten worden dmv macro-elektroden op
de hersenschors (ECOG) of dmv diepte-elektroden
❖ spikes (single-unit activity [SUA] en multi-unit activity [MUA]) kunnen worden geregistreerd
door het plaatsen van extracellulaire micro-elektroden in het hersenparenchym
➢ registraties kunnen acuut of chronisch gebeuren, via een enkele elektrode of
via multi-elektrodes
❖ lokale veldpotentialen (LFP): lokale EEG meten in hersenen
➢ maat voor de activiteit van neuronen in een gebied van enkele mm rond de
elektrode
❖ invasieve rechtstreekse metingen van neuronale activiteit met micro-elektroden
❖ extracellulair
➢ actiepotentialen (elektrische activiteit)
➢ locale veldpotentialen (LFP): populatieantwoord (nog onduidelijk wat dit precies
weergeeft)
❖ intracellulair
➢ veranderingen in membraanpotentiaal
PET en FMRI
❖ fMRI (functional magnetic resonance imaging) en PET (positron emission tomography)
❖ lage temporele resolutie (in de orde van seconden) + lagere spatiele resolutie (in de orde van
mm, veel beter dan EEG, maar minder goed dan single-cell registraties)
❖ overzicht geven v/d activiteit v/d hele hersenen tijdens bepaalde taken
❖ PET en fMRI: indirecte technieken
➢ omdat het gevolg v/e verandering van neurale activiteit gemeten wordt: meten
met name effecten op de bloedvoorziening
❖ verhoogde neurale activiteit gaat gepaard met een verhoogde zuurstofnood
→ toegenomen bloedtoevoer naar dit gebied
❖ temporele resolutie: zeer traag antwoord (6-10s)
❖ spatiale resolutie: mm3
➢ meting v/h gemiddeld antwoord van duizenden neuronen
❖ PET-scans
➢ meten de regionale bloedtoevoer na injectie v/e radioactieve merker
➢ hebben een eerder lage spatiële resolutie
❖ fMRI
➢ signaal bepaald door de verhouding tussen oxy- (diamagnetisch) en
deoxyhemoglobine (paramagnetisch)
➢ BOLD-signaal (blood oxygen level dependent)
➢ tijdens specifieke cognitieve taken wordt het BOLD-signaal in de
verschillende voxels berekend en vergelijken
➢ goede spatiale resolutie
➢ minder goede temporele resolutie
2
,TMS en TDCS
❖ transcraniële magnetische stimulatie (TMS)
➢ niet-invasieve techniek
➢ gebruikt bij gezonde vrijwilligers
➢ verandering in magnetische veldsterkte induceert een stroom
➢ grote elektromagneet op schedel: korte intense stroompuls gegenereerd door
een spoel
→ °magneetveld (kan in schedel dringen tot op een diepte van 2 cm) met inductie v/e
elektrische stroom in het onderliggende hersenweefsel
→ transiënte verandering v/d lokale neurale activiteit
➢ goede temporele resolutie
➢ geen fijne spatiale resolutie
➢ enkel focaal en oppervlakkig bruikbaar, met een activatieradius van 1 cm
❖ transcraniële direct current stimulation (tDCS)
➢ gebruikt een zwakke gelijkstroom tussen 2 elektroden op de hoofdhuid
❖ invasieve registratie bij de mens
➢ epilepsie (als onvoldoende reageren op medicatie)
➢ diepte elektrodes mediaal in temporaalkwab
➢ aantal weken
➢ vrij beperkt in de tijd: korte studies
➢ vrij beperkt in de ruimte: locatie obv klinische indicaties
❖ stimulatie/inactivatie: causale verbanden (proefdieren)
➢ intracraniële elektrische microstimulatie
■ verbindingen tussen hersengebieden in kaart brengen
■ causaal verband tussen activiteit in hersengebied en gedrag
➢ reversiebele (chemische) inactivaties
Optogenetica
❖ dmv virale vectoren worden genen die coderen voor lichtgevoelige eiwitten
ingebracht en via glasvezels/LED’s worden de lichtgevoelige eiwitten (bv
channelrhodopsin, halorhodpsin) geactiveerd
➢ als het ware een lichtschakelaar
➢ zo bestaat er een sterke koppeling tussen het vuren van specifieke neuronen
en het licht
❖ bepaalde fysiologische of pathologische netwerken kunnen bestudeerd worden door
neuronen selectief te activeren of inactiveren
❖ hoge temporele en spatiale resolutie
3
,4
, 3. Sensoriële codering
❖ sensoriële eenheid: eerste-orde sensorieel neuron en de daarmee verbonden
receptoren
❖ receptorpotentiaal en actiepotentiaal
❖ receptief veld: deel v/h receptoroppervlak van waaruit de sensoriële eenheid kan
gestimuleerd worden
❖ innervatiedensiteit: aantal sensoriële eenheden per oppervlakte-eenheid
➢ bepaalt resolutie v/h zintuig (bv meer in vingertoppen en retina dan in rug)
❖ stimulus = speciale energieverdeling die beperkt is in ruimte en tijd
➢ energie kan mechanisch, elektromagnetisch,... zijn
1. Sensoriële eenheid
= geheel gevormd door het sensoriële neuron v/d eerste orde en de daarmee verbonden
receptoren
❖ functie: uitwendige energie, die inwerkt op de receptor, omzetten in een reeks
actiepotentialen
❖ sensoriële eenheden indelen naargelang de soort energie waarvoor ze gevoelig zijn
➢ mechanisch
➢ thermisch
➢ chemisch
➢ fotoreceptoren
❖ bevat 3 structuren
➢ prereceptorstructuur
■ alles wat tussen de buitenwereld en de receptor gelegen is
■ output receptor: receptorpotentiaal (langzame potentiaal)
■ amplitudo: proportioneel aan inwerkende energie
● geen drempel
● geen summatie
■ receptorpotentiaal omgezet in actiepotentialen in het axon: doorgeven
aan volgende neuron
■ amplitudomodulatie wordt omgezet in de frequentie van
actiepotentialen
● drempel
● saturatie
● relatieve refractaire periode
stimulus = speciale energieverdeling, beperkt in ruimte en tijd
5
, ❖ receptieve veld
➢ deel v/h receptoroppervlak van waaruit de sensoriële eenheid kan worden
gestimuleerd
➢ voor neuronen van hogere orde, die ook inhibitorische gebieden kunnen
hebben, is dit het deel v/h receptoroppervlak van waaruit het neuron kan
worden beïnvloed
❖ innervatiedensiteit
➢ aantal sensoriële eenheden per oppervlakte-eenheid v/h receptoroppervlak
➢ hoge innervatiedensiteit: hogere spatiale resolutie v/h systeem
➢ vele sensoriële eenheden hebben een specialisatie: bepaalde delen worden
denser bezenuwd dan andere
Codering van de stimulus
❖ codering van modaliteit
➢ klassieke zintuigen + pijn, temperatuur, jeuk, proprioceptie en evenwicht
➢ labeled lines code
■ visuele banen: interpretatie als zicht
■ auditieve banen: interpretatie als geluid
■ somatosensoriële stimulatie: interpretatie als tast
➢ soort energie: gecodeerd door specificiteit v/d sensoriële eenheid
➢ specificiteit door de relatieve specificiteit v/d receptor die door de drempel v/h
neuron wordt omgezet in een absolute specificiteit
➢ wet v/d specifieke zenuwenergieën
■ activiteit in het neuron v/d eerste orde duidt aan welk soort energie
aanwezig is
➢ receptoren zetten specifieke soorten energie om in elektrisch signaal
➢ elke receptor is gevoelig voor een beperkt bereik van stimulus energie(bandbreedte)
➢ selectiviteit v/d receptor is relatief
❖ codering van locatie: topografie
➢ plaats v/d inwerkende energie wordt gecodeerd door de topografische
organisatie v/d sensoriële systemen
➢ spatiale relaties tussen receptoren blijven bewaard in de kernen of banen van
hogere orde
➢ 3 systemen zijn duidelijk topografisch georganiseerd
■ somatische systeem
■ auditieve systeem
■ visuele systeem
1) spatiale distributie van geactiveerde sensoriële neuronen
- receptieve veld = deel v/h receptoroppervlak vanwaaruit de sensoriële
eenheid (neuron en de daarmee verbonden receptoren) kan beïnvloed worden
(excitatie en inhibitie)
2) grootte v/d stimulus 〜 aantal geactiveerde receptoren
3) densiteit v/d receptoren bepaalt de resolutie v/h receptoroppervlak
6
