H2: Technieken om hersenfuncties te
bestuderen
1. Inleiding
Technieken om hersenen te bestuderen à specifieke spatiale & temporele resolutie
2. Letselstudies
Laesies (= letsels) postmortem (autopsie) / via beeldvorming (CT, MRI) bekijken à correleren aan
functieverlies
Tijdelijke en reversiebele (in)activatie door injectie farmacologische agentia of koeling
3. EEG & MEG
EEG = Elektro-encephalografie = niet-invasieve meting hersenactiviteit mbv elektrodes op scalp
© Klinisch belang: slaaponderzoek & diagnose epilepsie
© Meet microvoltfluctuanties (door elektrische activiteit) grote populaties neuronen (die tegen de
schedel liggen)
© Amplitude afh van synchroniciteit activiteit neuronen & aantal actieve neuronen
© Lage spatiale resolutie & hoge temporale resolutie
EEG signaal intracranieel meten door:
© Oppervlakte-elektroden op hersenschors (ECOG)
© Diepte elektroden (iEEG)
MEG = Magneto-encephalografie
© Hoge spatiale & temporale resolutie
© Meten van zwakke magnetische velden geïnduceerd door miljoenen aanpalende actieve
neuronen
© Meet vooral activiteit van neuronen id sulci
4. Micro-elektrode registraties
= invasieve rechtstreeekse metingen van neurale activiteit met microelectroden (hersenen hebben
geen pijnreceptoren)
© Extracellulair meten van:
o Actiepotentialen (electrische activiteit)
§ Single unit activity = SUA
§ Multi unit activity = MUA
1
, o Locale veldpotentialen (LFP) = populatieantwoord (meet activiteit neuronen in gebied
enkele mm rond tip elektrode)
© Intracellulair meten van: veranderingen in membraanpotentiaal
5. Functionele beeldvorming: PET en fMRI
© Lage temporele resolutie (seconden) & lager spatiale resolutie (milimeters, maar beter dan EEG)
© Overzicht activiteit hele hersenen
© Indirecte technieken: meten eYecten bloedvoorziening à verhoogde neurale activiteit ~
verhoogde zuurstofnood ~ toegenomen bloedtoevoer naar dat gebied
fMRI = functional Magnetic Resonance Imaging
© Goede spatiale resolutie & slechte temporele resolutie
© Signaal bepaald door verhouding oxy- en deoxyhemoglobine à BOLD-signaal (Blood Oxygen
Level Dependent)
PET = Positron Emission Tomography
© Lage spatiale resolutie
© Meten regionale bloedtoevoer na injectie radioactieve merker
6. TMS en tDCS
TMS = Transcraniële Magnetische Stimulatie
© Niet-invasieve techniek
© Stroom maken door verandering in magnetische
veldsterkte
© Grote elektromagneet met spoel op schedel à korte
intense stroompuls genereren in onderliggende
hersenweefsel à transiënte verandering lokale
neurale activiteit
© Goed temporele resolutie & lage spatiale resolutie
© Enkel focaal & oppervlakkig bruikbaar (activatieradius = 1 cm)
tDCS = transcraniële Direct Current Stimulation (tDCS)
© Stroom tss anode & cathode
© Anodale stimulatie: verhoogde excitabiliteit & depolarisatie neuronen
© Kathodale stimulatie: verminderde neurale activiteit
7. Optogenetica
© Inbrengen van genen die coderen voor lichtgevoelige eiwitten dmv virale vectoren
© Lichtgevoelige eiwitten activeren via glasvezels/LED’s (= lichtschakelaar)
à koppeling vuren neuronen & licht
© Bestuderen van netwerken door neuronen selectief te (in)activeren
© Hoge temporele & spatiale resolutie
2
,H3: Sensoriële codering
1. De sensoriële eenheid
Sensoriële eenheid = eerste-orde sensorieel neuron & de daarmee verbonden receptoren
© Functie: uitwendige energie omzetten in AP’s
© Indelen obv soort energie waarvoor ze gevoelig zijn (mechanisch, thermisch, chemisch,
fotoreceptoren)
© Receptorpotentiaal = output vd receptor
o Langzame potentiaal
o Amplitude // inwerkende energie
o Geen drempel
o Summatie
© Receptorpotentiaal wordt omgezet in actiepotentialen in axon
o Amplitudomodulatie à actiepotentialen
o Drempel
o Saturatie
o Relatieve refractaire periode
Receptief veld: dat deel vh receptoroppervlak van waaruit de sensoriële eenheid gestimmuleerd kan
worden
Innervatiedensiteit: # sensoriele eenheden per oppervlakte-eenheid (hoogste id vingertoppen)
à hoge innervatiedensiteit = hoge spatiale resolutie
Stimulus = speciale energieverdeling die beperkt is in ruimte & tijd (bv geluidsgolven)
Sensoriële eenheden coderen bepaalde aspecten vd
energiedistributie:
© Codering van modaliteit
© Codering van locatie
© Codering van intensiteit
© Codering van duur
Codering van modaliteit:
© Labeled lines: (bv. visuele info komt toe in visuele cortex)
© à soort energie wordt gecodeerd door specificiteit van
sensoriële eenheid
© Relatieve specificiteit receptor wordt omgezet in absolute
specificiteit door drempel van neuron
© Receptoren zetten specifieke soorten energie om in electrisch
signaal = tabel
© Elke receptor is gevoelig voor beperkt bereik van stimulus
energie = bandbreedte
o Bv oog is gevoelig voor bepaalde golflengtes van licht
3
, Codering van locatie: topografie
© Plaats van inwerkende energie wordt gecodeerd
door topografische organisatie vd sensoriële
systemen
© Receptieve veld kan positief (excitatie) of negatief
(inhibitie) beinvloed worden
© Spatiale distributie van geactiveerde sensoriele
neuronen
© Grootte van stimulus ~ aantal geactiveerde
receptoren
© Densiteit receptoren bepaalt resolutie van receptoroppervlak
Codering van intensiteit:
© Intensiteit van energie wordt gecodeerd in
frequentie van AP’s (dus niet hoe hoger de
amplitude!) & aantal geactiveerde receptoren
© Bij langzame receptorpotentiaal is er wel verband
tss intensiteit van energie & amplitude
receptorpotentiaal à later wordt receptorpot
omgezet in actiepot & dan is intensiteit bepaald
door aantal actieve neuronen
Codering van duur: adaptatie:
© Tijdsverloop stimulus gecodeerd variabele activiteits patroon
receptoren & neuronen
© Adapteren = antwoord van sensoriële eenheid houdt op terwijl
stimulus blijft
o Fasisch = totale adaptatie
o Tonisch = geen adaptatie (activatie is even lang als
stimulus)
o Fasico-tonisch = vroeg fasisch, laat tonisch deel
2. Algemene kenmerken van sensoriële systemen
© Multiple representaties of mappen: verwerking van info zintuigen in cortex op geordende manier
à cortex heeft spatiale kaart van receptoroppervlak
© Parallele informatieverwerking: gerelateerd aan multipele representaties
© Seriële schakeling van kernen: aYerente projecties via relaiskernen naar cortex & binnen cortex
serieel over versch gebieden
© Plasticiteit: letsel aYerenten à reorganisatie corticale mappen
à gedeaYerenteerde deel gaat antwoorden op naburig gelegen aYerenten = dynamische
competitie tss aYerenten
© Magnificatie en (dis)proportionele afbeeldingen: afmetingen van representatie weerspiegelt
innervatiedensiteit, niet de eYectieve fysische afmeting
© Columnaire organisatie: zuilenorganisatie in hersenschors
© Laterale inhibitie: center-surround-organisatie via inhibitorische interneuronen à zorgt voor
contrast-versterking
3. Psychofysica
© Kwantitatief bestuderen van sensoriële performantie obv relatie tss stimulus & sensoriële
gewaarwording
4
bestuderen
1. Inleiding
Technieken om hersenen te bestuderen à specifieke spatiale & temporele resolutie
2. Letselstudies
Laesies (= letsels) postmortem (autopsie) / via beeldvorming (CT, MRI) bekijken à correleren aan
functieverlies
Tijdelijke en reversiebele (in)activatie door injectie farmacologische agentia of koeling
3. EEG & MEG
EEG = Elektro-encephalografie = niet-invasieve meting hersenactiviteit mbv elektrodes op scalp
© Klinisch belang: slaaponderzoek & diagnose epilepsie
© Meet microvoltfluctuanties (door elektrische activiteit) grote populaties neuronen (die tegen de
schedel liggen)
© Amplitude afh van synchroniciteit activiteit neuronen & aantal actieve neuronen
© Lage spatiale resolutie & hoge temporale resolutie
EEG signaal intracranieel meten door:
© Oppervlakte-elektroden op hersenschors (ECOG)
© Diepte elektroden (iEEG)
MEG = Magneto-encephalografie
© Hoge spatiale & temporale resolutie
© Meten van zwakke magnetische velden geïnduceerd door miljoenen aanpalende actieve
neuronen
© Meet vooral activiteit van neuronen id sulci
4. Micro-elektrode registraties
= invasieve rechtstreeekse metingen van neurale activiteit met microelectroden (hersenen hebben
geen pijnreceptoren)
© Extracellulair meten van:
o Actiepotentialen (electrische activiteit)
§ Single unit activity = SUA
§ Multi unit activity = MUA
1
, o Locale veldpotentialen (LFP) = populatieantwoord (meet activiteit neuronen in gebied
enkele mm rond tip elektrode)
© Intracellulair meten van: veranderingen in membraanpotentiaal
5. Functionele beeldvorming: PET en fMRI
© Lage temporele resolutie (seconden) & lager spatiale resolutie (milimeters, maar beter dan EEG)
© Overzicht activiteit hele hersenen
© Indirecte technieken: meten eYecten bloedvoorziening à verhoogde neurale activiteit ~
verhoogde zuurstofnood ~ toegenomen bloedtoevoer naar dat gebied
fMRI = functional Magnetic Resonance Imaging
© Goede spatiale resolutie & slechte temporele resolutie
© Signaal bepaald door verhouding oxy- en deoxyhemoglobine à BOLD-signaal (Blood Oxygen
Level Dependent)
PET = Positron Emission Tomography
© Lage spatiale resolutie
© Meten regionale bloedtoevoer na injectie radioactieve merker
6. TMS en tDCS
TMS = Transcraniële Magnetische Stimulatie
© Niet-invasieve techniek
© Stroom maken door verandering in magnetische
veldsterkte
© Grote elektromagneet met spoel op schedel à korte
intense stroompuls genereren in onderliggende
hersenweefsel à transiënte verandering lokale
neurale activiteit
© Goed temporele resolutie & lage spatiale resolutie
© Enkel focaal & oppervlakkig bruikbaar (activatieradius = 1 cm)
tDCS = transcraniële Direct Current Stimulation (tDCS)
© Stroom tss anode & cathode
© Anodale stimulatie: verhoogde excitabiliteit & depolarisatie neuronen
© Kathodale stimulatie: verminderde neurale activiteit
7. Optogenetica
© Inbrengen van genen die coderen voor lichtgevoelige eiwitten dmv virale vectoren
© Lichtgevoelige eiwitten activeren via glasvezels/LED’s (= lichtschakelaar)
à koppeling vuren neuronen & licht
© Bestuderen van netwerken door neuronen selectief te (in)activeren
© Hoge temporele & spatiale resolutie
2
,H3: Sensoriële codering
1. De sensoriële eenheid
Sensoriële eenheid = eerste-orde sensorieel neuron & de daarmee verbonden receptoren
© Functie: uitwendige energie omzetten in AP’s
© Indelen obv soort energie waarvoor ze gevoelig zijn (mechanisch, thermisch, chemisch,
fotoreceptoren)
© Receptorpotentiaal = output vd receptor
o Langzame potentiaal
o Amplitude // inwerkende energie
o Geen drempel
o Summatie
© Receptorpotentiaal wordt omgezet in actiepotentialen in axon
o Amplitudomodulatie à actiepotentialen
o Drempel
o Saturatie
o Relatieve refractaire periode
Receptief veld: dat deel vh receptoroppervlak van waaruit de sensoriële eenheid gestimmuleerd kan
worden
Innervatiedensiteit: # sensoriele eenheden per oppervlakte-eenheid (hoogste id vingertoppen)
à hoge innervatiedensiteit = hoge spatiale resolutie
Stimulus = speciale energieverdeling die beperkt is in ruimte & tijd (bv geluidsgolven)
Sensoriële eenheden coderen bepaalde aspecten vd
energiedistributie:
© Codering van modaliteit
© Codering van locatie
© Codering van intensiteit
© Codering van duur
Codering van modaliteit:
© Labeled lines: (bv. visuele info komt toe in visuele cortex)
© à soort energie wordt gecodeerd door specificiteit van
sensoriële eenheid
© Relatieve specificiteit receptor wordt omgezet in absolute
specificiteit door drempel van neuron
© Receptoren zetten specifieke soorten energie om in electrisch
signaal = tabel
© Elke receptor is gevoelig voor beperkt bereik van stimulus
energie = bandbreedte
o Bv oog is gevoelig voor bepaalde golflengtes van licht
3
, Codering van locatie: topografie
© Plaats van inwerkende energie wordt gecodeerd
door topografische organisatie vd sensoriële
systemen
© Receptieve veld kan positief (excitatie) of negatief
(inhibitie) beinvloed worden
© Spatiale distributie van geactiveerde sensoriele
neuronen
© Grootte van stimulus ~ aantal geactiveerde
receptoren
© Densiteit receptoren bepaalt resolutie van receptoroppervlak
Codering van intensiteit:
© Intensiteit van energie wordt gecodeerd in
frequentie van AP’s (dus niet hoe hoger de
amplitude!) & aantal geactiveerde receptoren
© Bij langzame receptorpotentiaal is er wel verband
tss intensiteit van energie & amplitude
receptorpotentiaal à later wordt receptorpot
omgezet in actiepot & dan is intensiteit bepaald
door aantal actieve neuronen
Codering van duur: adaptatie:
© Tijdsverloop stimulus gecodeerd variabele activiteits patroon
receptoren & neuronen
© Adapteren = antwoord van sensoriële eenheid houdt op terwijl
stimulus blijft
o Fasisch = totale adaptatie
o Tonisch = geen adaptatie (activatie is even lang als
stimulus)
o Fasico-tonisch = vroeg fasisch, laat tonisch deel
2. Algemene kenmerken van sensoriële systemen
© Multiple representaties of mappen: verwerking van info zintuigen in cortex op geordende manier
à cortex heeft spatiale kaart van receptoroppervlak
© Parallele informatieverwerking: gerelateerd aan multipele representaties
© Seriële schakeling van kernen: aYerente projecties via relaiskernen naar cortex & binnen cortex
serieel over versch gebieden
© Plasticiteit: letsel aYerenten à reorganisatie corticale mappen
à gedeaYerenteerde deel gaat antwoorden op naburig gelegen aYerenten = dynamische
competitie tss aYerenten
© Magnificatie en (dis)proportionele afbeeldingen: afmetingen van representatie weerspiegelt
innervatiedensiteit, niet de eYectieve fysische afmeting
© Columnaire organisatie: zuilenorganisatie in hersenschors
© Laterale inhibitie: center-surround-organisatie via inhibitorische interneuronen à zorgt voor
contrast-versterking
3. Psychofysica
© Kwantitatief bestuderen van sensoriële performantie obv relatie tss stimulus & sensoriële
gewaarwording
4
