Samenvatting cognitive neuropsychology
Aantekeningen bij de hoorcolleges, aangevuld met info uit het boek
2020-2021 Tilburg University – Femke van Leth
Inhoudsopgave
Hoorcollege 1 – Introductie............................................................................................................................ 2
Hoorcollege 2 – EEG en ERP deel 1................................................................................................................. 5
Event-related potentials (ERP’s)...........................................................................................................................7
Hoorcollege 3 – MRI en structurele beeldvorming........................................................................................11
Structurele beeldvorming...................................................................................................................................13
Hoorcollege 4 – MRS en fMRI....................................................................................................................... 15
Hemodynamische beeldvormende technieken...................................................................................................16
Functionele MRI (fMRI).......................................................................................................................................17
Hoorcollege 5 – fMRI experimenten en analyses..........................................................................................19
Pre-processing van fMRI-data (practicum)........................................................................................................23
Hoorcollege 6 – fNIRS, PET en SPECT............................................................................................................ 23
Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS)..................................................................................................23
PET en SPECT......................................................................................................................................................24
Hoorcollege 7 – Causale methodes............................................................................................................... 26
Klinische groepen................................................................................................................................................29
Hoorcollege 8 – Dieronderzoek.................................................................................................................... 30
Hoorcollege 9 – Beeldvormende technieken in neurologische operatie.........................................................33
Hoorcollege 10 – EEG en ERP deel 2.............................................................................................................. 36
Het analyseren van EEG-data aan de hand van ERP’s.......................................................................................36
Het analyseren van EEG-data aan de hand van oscillaties................................................................................38
Het evalueren van een ERP-onderzoek...............................................................................................................39
Hoorcollege 11 – Imaging Genetics en Computational Modelling..................................................................40
Imaging genetics................................................................................................................................................40
Computational modelling...................................................................................................................................43
Hoorcollege 12 – Multi-modal imaging en statistische kwesties....................................................................44
Multi-modal imaging..........................................................................................................................................44
Statistische kwesties...........................................................................................................................................45
Hoorcollege 13 – Inhibitory control.............................................................................................................. 46
EEG en het Stroop-effect.....................................................................................................................................47
, Neurale basis van het Stroop-effect...................................................................................................................48
Hoorcollege 1 – Introductie
- Cognitieve neuropsychologie bestudeert de relatie tussen de structuur en functies
van het brein en specifieke cognitieve functies (zoals taal, geheugen en aandacht)
o Dit wordt gedaan door deze cognitieve processen te bestuderen in gezonde
proefpersonen + door de achteruitgang van deze cognitieve processen te
bekijken bij proefpersonen met hersenschade (aangeboren of ontwikkeld)
Kijken naar gezonde proefpersonen is pas recent ontstaan -> vroeger
werd alleen maar gefocust op mensen met hersenschade (maar: bias)
- Omdat er steeds meer interesse ontstaat voor de neurologische wetenschap en de
breinscans die hierin gemaakt worden, zijn mensen (leken én studenten) al snel veel
te overtuigd van de kracht en mogelijkheden van deze breinscans -> niet kritisch…
o We moeten onthouden dat breinscans relatief goed zijn geworden in het
diagnosticeren van enkele neurologische syndromen (tumoren, dementie,
milde cognitieve beperking), maar dat ze nog lang niet zo betrouwbaar en
objectief zijn als we gaan kijken naar psychiatrische- of mentale stoornissen
Dit komt vooral omdat breinscans inmiddels heel goed zijn geworden
in het onderscheiden van verschillen tussen groepen mensen, maar
voor het trekken van conclusies op individueel niveau zijn ze niet goed
genoeg (dit betekent ook dat ze (nog) niet gebruikt kunnen worden
tijdens sollicitatiegesprekken of in de rechtszaal als leugendetector)
Deze kennis moeten we onthouden om over-enthousiasme (en
het verkeerd gebruiken van neurologische data) te voorkomen
- De cellichamen van neuronen liggen in de grijze stof van de cerebrale cortex en de
subcorticale structuren, de axonen van de neuronen zorgen voor info-overdracht en
vormen de witte stof -> de elektrische rustpotentiaal van het celmembraan is -70 mV
als je de binnenkant vergelijkt met de buitenkant. Door input van meerdere synapsen
aan de dendrieten van het neuron, kan er hyperpolarisatie of depolarisatie ontstaan
o Hyperpolarisatie is een nog groter verschil tussen de binnen- en buitenkant
van het neuron, depolarisatie is een minder groot verschil -> doordat het
post-synaptische neuron enorm veel input (via neurotransmitters) ontvangt,
veranderen de potentialen van dit neuron heel snel -> dit vormt een signaal
Op deze manier communiceren neuronen met elkaar en kan info zich
enorm snel van het ene neuron naar het andere neuron verplaatsen
- Het meest simpele signaal heet de sinusoidal oscillation -> de
frequentie van dit signaal is 1 Hz -> dit betekent dat de
tijdsdimensie van het signaal 1 volledige golf per seconde is
o In de praktijk heb je zelden 1 frequentie (een pure
toon), vaak heb je een complex signaal dat je kan
onderverdelen in verschillende frequentiecomponenten (meerdere tonen)
o Andere kenmerken van het signaal: amplitude (hoe hoog de golf is) en de
fase (wanneer de golf naar boven en beneden gaat) -> elk signaal heeft dus
weer een andere amplitude, fase en frequentie -> dit kan je hieronder zien
o Het frequentiespectrum is de gemeten range van
frequenties: de hoogste frequentie die je kan meten
, is afhankelijk van hoe vaak je een sample trekt en kan dus worden berekend
door ½ de sample-frequentie (dit heet ook wel het Nyquist sampling
theorem) + de laagste frequentie is afhankelijk van hoe lang je het signaal
1
meet en kan worden berekend door:
aantal sec gemeten
Hoe hoger je sample-frequentie (dus hoe vaker je meet per seconde),
hoe beter je een signaal met een hogere frequentie kan beschrijven +
hoe langer je het signaal meet (dus hoe veel secondes je meet), hoe
beter je een signaal met een veel lagere frequentie kan beschrijven
Filteren: het afzwakken of verwijderen van bepaalde delen van het
gemeten frequentiespectrum: low-pass (hoge frequenties worden niet
meegenomen), high-pass (lage frequenties worden niet meegenomen)
of band-pass (specifieke frequenties worden niet meer meegenomen)
o Spectrogram: de amplitude van elke frequentiecomponent op elk moment
- De besproken elektrofysiologische signalen correleren met andere veranderingen:
o Beweging van chemische deeltjes en moleculen (Na +, K+ of Ca2+) -> activiteit
Dit is op een hele kleine schaal, dus hier gaan we niet echt naar kijken,
omdat het enorm invasief is om deze veranderingen te kunnen meten
o Hemodynamica: de bloedtoevoer naar een bepaalde breinregio is afhankelijk
van de noodzaak voor energie in die regio -> elektro-fysische veranderingen
vereisen energie: het ontstaan van een actiepotentiaal kost niet heel veel
energie (omdat het een automatisch proces is), maar het terugkeren naar de
rustpotentiaal kost wel energie -> hoe veel energie een neuron nodig heeft, is
dus wel gecorreleerd met hoe veel actiepotentialen het neuron produceert
Pre- en post-synaptische processen (neurotransmitters) vereisen ook
energie, maar het verschilt per neurotransmitter en ook per situatie
hoeveel energie er nodig is (bij remmende neurotransmitters minder)
- In mensen is het moeilijk om te kijken naar de activiteit van 1
neuron, omdat deze methodes enorm invasief zijn (en dus ook
gevaarlijk) -> daarom worden vaak de signalen van enorm veel
neuronen samengenomen om een beeld te kunnen produceren ->
je zou denken dat dit weinig info oplevert, maar gelukkig clusteren
neuronen met gelijke functies samen -> hoe meer clustering, hoe
meer het gemiddeld genomen signaal correspondeert met de
signalen die de individuele neuronen daadwerkelijk uitzenden
o De gevoeligheid van een non-invasieve beeldvormende
techniek is dus sterk afhankelijk van de mate van clustering
in de hersengebieden waar je dan in geïnteresseerd bent
o Er vindt clustering plaats op meerdere niveaus binnen onze hersenen:
Column: neuronen die vuren op basis van dezelfde soort info (V1)
Oriëntatie columns (neuronen die een specifieke voorkeur
hebben voor een bepaalde lijn-oriëntatie) zien we vaak niet
terug bij alle diersoorten, alleen bij complexere dieren (mens)
o De spatiale resolutie van je methode moet wel goed zijn
om deze columns zichtbaar te maken (invasief)
Topografisch: neuronen die reageren op een specifiek lichaamsdeel
Gebied: alle neuronen in 1 gebied werken aan eenzelfde soort taak
, Systemen: hersennetwerken zijn gespecialiseerd in complexe taken
- De methodes die we gebruiken om hersenscans te maken hebben 3 eigenschappen:
o Temporele resolutie: de kleinste tijdsspan
die onderscheiden kan worden door de
methode -> dit bepaalt hoe snel je de
fysieke veranderingen kan waarnemen
o Spatiale resolutie: het kleinste ruimtelijke
deeltje dat kan worden waargenomen
Deze resolutie bepaalt dus de
scherpte van het beeld dat je vormt
o Invasiviteit: de meeste methodes zijn of
volledig invasief (de schedel moet erbij
doorboord worden) of helemaal niet invasief -> in deze cursus gaan we vooral
kijken naar niet-invasieve methodes, omdat die gebruikt worden in mensen
De minst invasieve methodes hebben vaak ook lage spatiale resolutie
- Breinscans kunnen goed worden gebruikt om de hersenstructuur in kaart te brengen:
o Histologie (dit is een vorm van morfologie: de bouw en vorm bestuderen van
een organisme -> histologie = de bouw en vorm van onze weefsels): je snijdt
hierbij het brein in stukjes (bijvoorbeeld een stukje van de hersenen van een
muis) en je dient vervolgens een chemisch stofje toe om een specifieke area
of structuur zichtbaar te maken -> dit is vroeger gedaan bij overleden mensen
o MRI: we kunnen de anatomie van levende individuen en de anatomische
lokalisatie van functies relatief scherp in kaart brengen -> dit kunnen we ook
gebruiken om de anatomische structuur tussen individuen te gaan vergelijken
o Hemodynamica: het meten van veranderingen in bloed en O2 (activiteit) -> de
temporele resolutie van deze methodes is vaak een stuk slechter, omdat de
bloedstroom heel veel langzamer gaat dan bijvoorbeeld elektrische signalen
De spatiale resolutie verschilt sterk per methode: fNIRS < PET < fMRI
o Elektrofysiologische activiteit: de
spatiale resolutie is sterk afhankelijk
van de afstand tussen de elektrode
en de bron van het signaal en van het
weefsel dat tussen de bron en de
elektrode ligt + je krijgt niet alle info
met niet-invasieve methodes zoals
EEG/MEG/ERP (omdat je de hoogste frequenties niet kan waarnemen hierbij)
Bij heftige epilepsiepatiënten zijn wel eens invasieve metingen gedaan
van enkele neuronen (om de bron van de epileptische activiteit te
kunnen achterhalen) -> dit is super interessant, maar het kan niet met
gezonde mensen worden gedaan (niet ethisch) + het is lastig om een
experimentele controlegroep te selecteren (de epilepsie is een bias)
Je zag hierbij dat enkele neuronen in de FFA specifiek reageren
op 1 persoon -> dit kan niet worden gezien met een EEG, want
de spatiale resolutie is hierbij veel slechter (geen differentiatie)
- Perifere metingen kijken naar de andere zenuwstelsels (niet het CNS): huidgeleiding
(arousal-intensiteit tijdens affectieve/cognitieve verwerking), hartactiviteit (hartslag,
hartslag-variabiliteit, bloeddruk), spieractiviteit (gezicht-EMG voor het bepalen van
Aantekeningen bij de hoorcolleges, aangevuld met info uit het boek
2020-2021 Tilburg University – Femke van Leth
Inhoudsopgave
Hoorcollege 1 – Introductie............................................................................................................................ 2
Hoorcollege 2 – EEG en ERP deel 1................................................................................................................. 5
Event-related potentials (ERP’s)...........................................................................................................................7
Hoorcollege 3 – MRI en structurele beeldvorming........................................................................................11
Structurele beeldvorming...................................................................................................................................13
Hoorcollege 4 – MRS en fMRI....................................................................................................................... 15
Hemodynamische beeldvormende technieken...................................................................................................16
Functionele MRI (fMRI).......................................................................................................................................17
Hoorcollege 5 – fMRI experimenten en analyses..........................................................................................19
Pre-processing van fMRI-data (practicum)........................................................................................................23
Hoorcollege 6 – fNIRS, PET en SPECT............................................................................................................ 23
Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS)..................................................................................................23
PET en SPECT......................................................................................................................................................24
Hoorcollege 7 – Causale methodes............................................................................................................... 26
Klinische groepen................................................................................................................................................29
Hoorcollege 8 – Dieronderzoek.................................................................................................................... 30
Hoorcollege 9 – Beeldvormende technieken in neurologische operatie.........................................................33
Hoorcollege 10 – EEG en ERP deel 2.............................................................................................................. 36
Het analyseren van EEG-data aan de hand van ERP’s.......................................................................................36
Het analyseren van EEG-data aan de hand van oscillaties................................................................................38
Het evalueren van een ERP-onderzoek...............................................................................................................39
Hoorcollege 11 – Imaging Genetics en Computational Modelling..................................................................40
Imaging genetics................................................................................................................................................40
Computational modelling...................................................................................................................................43
Hoorcollege 12 – Multi-modal imaging en statistische kwesties....................................................................44
Multi-modal imaging..........................................................................................................................................44
Statistische kwesties...........................................................................................................................................45
Hoorcollege 13 – Inhibitory control.............................................................................................................. 46
EEG en het Stroop-effect.....................................................................................................................................47
, Neurale basis van het Stroop-effect...................................................................................................................48
Hoorcollege 1 – Introductie
- Cognitieve neuropsychologie bestudeert de relatie tussen de structuur en functies
van het brein en specifieke cognitieve functies (zoals taal, geheugen en aandacht)
o Dit wordt gedaan door deze cognitieve processen te bestuderen in gezonde
proefpersonen + door de achteruitgang van deze cognitieve processen te
bekijken bij proefpersonen met hersenschade (aangeboren of ontwikkeld)
Kijken naar gezonde proefpersonen is pas recent ontstaan -> vroeger
werd alleen maar gefocust op mensen met hersenschade (maar: bias)
- Omdat er steeds meer interesse ontstaat voor de neurologische wetenschap en de
breinscans die hierin gemaakt worden, zijn mensen (leken én studenten) al snel veel
te overtuigd van de kracht en mogelijkheden van deze breinscans -> niet kritisch…
o We moeten onthouden dat breinscans relatief goed zijn geworden in het
diagnosticeren van enkele neurologische syndromen (tumoren, dementie,
milde cognitieve beperking), maar dat ze nog lang niet zo betrouwbaar en
objectief zijn als we gaan kijken naar psychiatrische- of mentale stoornissen
Dit komt vooral omdat breinscans inmiddels heel goed zijn geworden
in het onderscheiden van verschillen tussen groepen mensen, maar
voor het trekken van conclusies op individueel niveau zijn ze niet goed
genoeg (dit betekent ook dat ze (nog) niet gebruikt kunnen worden
tijdens sollicitatiegesprekken of in de rechtszaal als leugendetector)
Deze kennis moeten we onthouden om over-enthousiasme (en
het verkeerd gebruiken van neurologische data) te voorkomen
- De cellichamen van neuronen liggen in de grijze stof van de cerebrale cortex en de
subcorticale structuren, de axonen van de neuronen zorgen voor info-overdracht en
vormen de witte stof -> de elektrische rustpotentiaal van het celmembraan is -70 mV
als je de binnenkant vergelijkt met de buitenkant. Door input van meerdere synapsen
aan de dendrieten van het neuron, kan er hyperpolarisatie of depolarisatie ontstaan
o Hyperpolarisatie is een nog groter verschil tussen de binnen- en buitenkant
van het neuron, depolarisatie is een minder groot verschil -> doordat het
post-synaptische neuron enorm veel input (via neurotransmitters) ontvangt,
veranderen de potentialen van dit neuron heel snel -> dit vormt een signaal
Op deze manier communiceren neuronen met elkaar en kan info zich
enorm snel van het ene neuron naar het andere neuron verplaatsen
- Het meest simpele signaal heet de sinusoidal oscillation -> de
frequentie van dit signaal is 1 Hz -> dit betekent dat de
tijdsdimensie van het signaal 1 volledige golf per seconde is
o In de praktijk heb je zelden 1 frequentie (een pure
toon), vaak heb je een complex signaal dat je kan
onderverdelen in verschillende frequentiecomponenten (meerdere tonen)
o Andere kenmerken van het signaal: amplitude (hoe hoog de golf is) en de
fase (wanneer de golf naar boven en beneden gaat) -> elk signaal heeft dus
weer een andere amplitude, fase en frequentie -> dit kan je hieronder zien
o Het frequentiespectrum is de gemeten range van
frequenties: de hoogste frequentie die je kan meten
, is afhankelijk van hoe vaak je een sample trekt en kan dus worden berekend
door ½ de sample-frequentie (dit heet ook wel het Nyquist sampling
theorem) + de laagste frequentie is afhankelijk van hoe lang je het signaal
1
meet en kan worden berekend door:
aantal sec gemeten
Hoe hoger je sample-frequentie (dus hoe vaker je meet per seconde),
hoe beter je een signaal met een hogere frequentie kan beschrijven +
hoe langer je het signaal meet (dus hoe veel secondes je meet), hoe
beter je een signaal met een veel lagere frequentie kan beschrijven
Filteren: het afzwakken of verwijderen van bepaalde delen van het
gemeten frequentiespectrum: low-pass (hoge frequenties worden niet
meegenomen), high-pass (lage frequenties worden niet meegenomen)
of band-pass (specifieke frequenties worden niet meer meegenomen)
o Spectrogram: de amplitude van elke frequentiecomponent op elk moment
- De besproken elektrofysiologische signalen correleren met andere veranderingen:
o Beweging van chemische deeltjes en moleculen (Na +, K+ of Ca2+) -> activiteit
Dit is op een hele kleine schaal, dus hier gaan we niet echt naar kijken,
omdat het enorm invasief is om deze veranderingen te kunnen meten
o Hemodynamica: de bloedtoevoer naar een bepaalde breinregio is afhankelijk
van de noodzaak voor energie in die regio -> elektro-fysische veranderingen
vereisen energie: het ontstaan van een actiepotentiaal kost niet heel veel
energie (omdat het een automatisch proces is), maar het terugkeren naar de
rustpotentiaal kost wel energie -> hoe veel energie een neuron nodig heeft, is
dus wel gecorreleerd met hoe veel actiepotentialen het neuron produceert
Pre- en post-synaptische processen (neurotransmitters) vereisen ook
energie, maar het verschilt per neurotransmitter en ook per situatie
hoeveel energie er nodig is (bij remmende neurotransmitters minder)
- In mensen is het moeilijk om te kijken naar de activiteit van 1
neuron, omdat deze methodes enorm invasief zijn (en dus ook
gevaarlijk) -> daarom worden vaak de signalen van enorm veel
neuronen samengenomen om een beeld te kunnen produceren ->
je zou denken dat dit weinig info oplevert, maar gelukkig clusteren
neuronen met gelijke functies samen -> hoe meer clustering, hoe
meer het gemiddeld genomen signaal correspondeert met de
signalen die de individuele neuronen daadwerkelijk uitzenden
o De gevoeligheid van een non-invasieve beeldvormende
techniek is dus sterk afhankelijk van de mate van clustering
in de hersengebieden waar je dan in geïnteresseerd bent
o Er vindt clustering plaats op meerdere niveaus binnen onze hersenen:
Column: neuronen die vuren op basis van dezelfde soort info (V1)
Oriëntatie columns (neuronen die een specifieke voorkeur
hebben voor een bepaalde lijn-oriëntatie) zien we vaak niet
terug bij alle diersoorten, alleen bij complexere dieren (mens)
o De spatiale resolutie van je methode moet wel goed zijn
om deze columns zichtbaar te maken (invasief)
Topografisch: neuronen die reageren op een specifiek lichaamsdeel
Gebied: alle neuronen in 1 gebied werken aan eenzelfde soort taak
, Systemen: hersennetwerken zijn gespecialiseerd in complexe taken
- De methodes die we gebruiken om hersenscans te maken hebben 3 eigenschappen:
o Temporele resolutie: de kleinste tijdsspan
die onderscheiden kan worden door de
methode -> dit bepaalt hoe snel je de
fysieke veranderingen kan waarnemen
o Spatiale resolutie: het kleinste ruimtelijke
deeltje dat kan worden waargenomen
Deze resolutie bepaalt dus de
scherpte van het beeld dat je vormt
o Invasiviteit: de meeste methodes zijn of
volledig invasief (de schedel moet erbij
doorboord worden) of helemaal niet invasief -> in deze cursus gaan we vooral
kijken naar niet-invasieve methodes, omdat die gebruikt worden in mensen
De minst invasieve methodes hebben vaak ook lage spatiale resolutie
- Breinscans kunnen goed worden gebruikt om de hersenstructuur in kaart te brengen:
o Histologie (dit is een vorm van morfologie: de bouw en vorm bestuderen van
een organisme -> histologie = de bouw en vorm van onze weefsels): je snijdt
hierbij het brein in stukjes (bijvoorbeeld een stukje van de hersenen van een
muis) en je dient vervolgens een chemisch stofje toe om een specifieke area
of structuur zichtbaar te maken -> dit is vroeger gedaan bij overleden mensen
o MRI: we kunnen de anatomie van levende individuen en de anatomische
lokalisatie van functies relatief scherp in kaart brengen -> dit kunnen we ook
gebruiken om de anatomische structuur tussen individuen te gaan vergelijken
o Hemodynamica: het meten van veranderingen in bloed en O2 (activiteit) -> de
temporele resolutie van deze methodes is vaak een stuk slechter, omdat de
bloedstroom heel veel langzamer gaat dan bijvoorbeeld elektrische signalen
De spatiale resolutie verschilt sterk per methode: fNIRS < PET < fMRI
o Elektrofysiologische activiteit: de
spatiale resolutie is sterk afhankelijk
van de afstand tussen de elektrode
en de bron van het signaal en van het
weefsel dat tussen de bron en de
elektrode ligt + je krijgt niet alle info
met niet-invasieve methodes zoals
EEG/MEG/ERP (omdat je de hoogste frequenties niet kan waarnemen hierbij)
Bij heftige epilepsiepatiënten zijn wel eens invasieve metingen gedaan
van enkele neuronen (om de bron van de epileptische activiteit te
kunnen achterhalen) -> dit is super interessant, maar het kan niet met
gezonde mensen worden gedaan (niet ethisch) + het is lastig om een
experimentele controlegroep te selecteren (de epilepsie is een bias)
Je zag hierbij dat enkele neuronen in de FFA specifiek reageren
op 1 persoon -> dit kan niet worden gezien met een EEG, want
de spatiale resolutie is hierbij veel slechter (geen differentiatie)
- Perifere metingen kijken naar de andere zenuwstelsels (niet het CNS): huidgeleiding
(arousal-intensiteit tijdens affectieve/cognitieve verwerking), hartactiviteit (hartslag,
hartslag-variabiliteit, bloeddruk), spieractiviteit (gezicht-EMG voor het bepalen van
