Samenvatting Cognitive Neuropsychology Imke Meyboom
Inhoud
Hoorcollege 1: Introduction...................................................................................................................1
Hoorcollege 2: Electrophysiological Neuroimaging – Electromagnetic field of the brain.......................4
Hoorcollege 3: Electrophysiological Neuroimaging – Basic analysis of electrophysiological signals......7
Hoorcollege 4: MRI (Ch2 & 3)..............................................................................................................12
Hoorcollege 5: fMRI (Ch4 & 5).............................................................................................................19
Hoorcollege 6: fMRI analysis (Ch 8) (even samenvatting ernaast houden)..........................................27
Hoorcollege 8: fNIRS & neurotransmitters (Ch 4).................................................................................32
Hoorcollege 9: Causal methods (Ch 14)...............................................................................................36
Hoorcollege 10: Animal Research........................................................................................................43
Hoorcollege 11: Imaging genetics & Computational modeling............................................................46
Hoorcollege 12: Multimodal imaging (Ch 13)......................................................................................49
Hoorcollege 1: Introduction
Cognitieve neuropsychologie = de studie van de relatie tussen de structuur en functie van de
hersenen en specifieke cognitieve functies door het volgende te onderzoeken: cognitieve processen
bij normale gezonde personen, en de afbraak van deze processen bij
mensen met hersenschade.
In rust is elektrisch potentiaalverschillen tussen binnen- en buitenkant
-70mV. Actiepotentialen ontstaan als de drempel (treshold) bereikt
wordt. Dan eerst depolarisatie (influx Na+), dan repolarisatie
(uitgaande stroom K+), dan hyperpolarisatie. Potentialen gegenereerd
bij de axonheuvel.
Simpelste signaal is de sinus/sinusoidal oscillation. Frequentie= de mate van veranderingen van
signaal. 1Hz = het doorlopen van een volledige cyclus in 1 seconde. Amplitude= hoeveel het op en
neer gaat. Phase= wanneer het op en neer gaat.
Sampling frequency= de hoogste frequentie wordt beperkt door hoe vaak het signaal gemeten
wordt. Je kunt enkel fluctuaties vastleggen van de helft van de sampling frequentie (1/2*sampling
frequency). (Vb. als je elke dag je gewicht vastlegt, kun je fluctuaties over de dagen meten, maar niet
binnen de dagen. Je kunt enkel fluctuaties vastleggen van langzamer dan 2 dagen.). De laagste
frequentie wordt beperkt door hoe lang het signaal gemeten wordt. 1/het aantal sec dat gemeten
wordt.
1
,Samenvatting Cognitive Neuropsychology Imke Meyboom
Filteren is het verzwakken/dempen of uitsluiten van een bepaald deel van het gemeten
frequentiespectrum. Types van filteren:
- Low-pass filtering: de lagere/langzamere frequenties worden niet veranderd, terwijl
hogere/snellere verzwakt of verwijderd worden. Ook wel smoothing genoemd.
- High-pass filtering: hogere frequenties kunnen door de filter en lagere verzwakt.
- Band-pass filtering: enkel een bepaald bereik kan door de filter. Alle frequenties hoger of
lager worden verzwakt.
Spectrogram is matrix die sterkte van elk signaalcomponent op elk tijdsmoment aangeeft.
Neuronen bevatten meer calcium als ze elektrisch actief zijn dan in rust. Daarom is het meten van de
calciumconcentratie nuttig om neuronale activiteit te meten. Met two-photon calcium imaging kan
dit gedaan worden. Wel invasief en heeft single-neuron resolutie.
Hemodynamics= de bloedtoevoer wordt aangepast aan de energiebehoeften op een bepaald
moment en verandert dus over tijd. Meer energie= meer bloedtoevoer. Kan dus gebruikt worden om
een fMRI signaal te krijgen.
Elektrofysiologische gebeurtenissen vereisen energie. De actiepotentiaal is een passieve keten die
weinig energie gebruikt. Het herstellen van de rustpotentiaal vereist wel energie. De
energieconsumptie van een neuron kan hierdoor dus wel correleren met het aantal actiepotentialen.
Pre- en postsynaptische factoren vereisen ook energie.
Clustering = de neiging van neuronen met eenzelfde functionele eigenschap om fysiek dicht bij
elkaar te zitten. Ze zijn geclusterd. Hoe meer clustering, hoe beter het signaal.
3 dimensies van neurowetenschappelijke technieken:
- Temporele resolutie: de kleinste unit van tijd die onderscheiden kan worden timing.
- Spatiële resolutie: de kleinste unit van ruimte die bepaald kan worden space.
- Invasiveness
Er zijn geen methoden die een hoge spatiële en hoge temporele resolutie hebben.
Methoden worden gegroepeerd in: hemodynamische, elektrofysiologische, causale en anatomische
methoden.
Histologie= invasieve methode waarbij de hersenen in stukken gesneden worden. Deze plakken
worden chemisch bewerkt om de structuren te visualiseren. Hoge spatiële resolutie, invasief.
2
,Samenvatting Cognitive Neuropsychology Imke Meyboom
Structural magnetic resonance imaging MRI = niet-invasief, anatomische structuren in kaart
gebracht.
Measuring hemodynamics: veranderingen in energieconsumptie van neuronen triggeren keten van
gebeurtenissen. Deze gebeurtenissen = hemodynamic correlates = veranderingen in
zuurstofvoorziening van bloed en weefsel, bloedstroom en bloedvolume. Temporele resolutie van
hemodynamic imaging is slechter in vergelijking met elektrische imaging, door de traagheid van
hemodynamische gebeurtenissen. De spatiële resolutie varieert sterk, maar het bereik is kleiner dan
voor elektrische signalen.
- Optical imaging (invasief) = columnar structuur zichtbaar. Gebruikt het effect van de
zuurstofvoorziening van weefsel op de reflectie van licht dat door het weefsel schijnt.
- Functional near-infrared spectroscopy fNIRS (niet-invasief) = zeer lage spatiële resolutie.
Signaal is beperkt tot corticale regio’s onder de schedel en kan dus niet voor de binnenkant
hersenen gebruikt worden.
- Positron emission tomography PET = bloed radioactief gemaakt, veranderingen
bloedvolume gemeten door het uitgezonden signaal. Sr= 1-2cm. Tr= zeer slecht.
- fMRI = niet-invasief, hemodynamisch correlaat gemeten voor neurale activiteit. Sr= hoog.
Measuring electrophysiological activity: meeste methoden met goede tr meten elektrofysiologische
activiteit. Deze hebben alleen variatie aan sr. Deze wordt beïnvloed door: afstand tussen elektrode
en bron van signaal, tussenliggend weefsel, en noninvasiveness (hoogste frequenties kunnen niet
opgepikt worden, beperkt tot lagere freq, maar een deel van het signaal).
Optimale sr verkregen door patch-clamp recordings = enige techniek die veranderingen in
membraanpotentiaal betrouwbaar meet met beperkte stroringen. Hol glazen buisje gevuld met
elektrolytoplossing en een recording elektrode verbonden met een versterker wordt in contact
gebracht met membraan van geïsoleerde cel. Bij extracellular single-unit recordings wordt elektrode
in cortex geplaatst, zo dicht mogelijk bij een enkel neuron. Als de elektrode in de cortex minder
weerstand heeft, kan multi-unit recording (actiepotentialen van meerdere dicht bij elkaar gelegen
units. Maakt gebruik van high-pass filtering.) of local field potentials LFPs (hetzelfde signaal verwerkt
met low-pass filter, waardoor info over langzamere veranderingen verkregen kan worden). Deze
methodes erg risicovol want dura moet open, slechte bescherming voor infecties.
Intracraniële recordings ook openen van schedel (craniotomie) maar alleen om elektronen op
bovenkant dura te plaatsen, dura blijft intact. Hierdoor elektrode dichter bij neuronen, signaal niet
verstoord door schedel.
Magneto-encephalography MEG = meet elektrische activiteit dmv magnetische velden die
geproduceerd worden door elektrische stromen.
Electro-encephalography EEG = elektrodes geplaatst op hoofd, elke elektrode meet gecombineerde
signaal van groot volume van de hersenen, en scalp ERP’s. EEG en ERP’s hebben lage sr.
Functionele hersen imaging methodes gebruiken verschillende fysieke principes zoals elektriciteit,
magnetisme, optics, nucleaire resonantie en radiatie om elektrische of hemodynamische signalen op
te pikken.
Peripheral measures:
- Huidgeleiding
3
, Samenvatting Cognitive Neuropsychology Imke Meyboom
- Hartactiviteit: zowel hartslag als hartslagvariabiliteit (meet invloed van het perifere zs op
hart) en bloeddruk (meting van stress)
- Spieractiviteit
- Oogmetingen
o Oogbewegingen: goede meting voor visuele aandacht
Saccades: zeer snel, geen nieuwe info
Fixaties: infoverwerking vindt hier meestal plaats.
o Pupildilatatie: indicatief voor intense emotionele arousal, hangt af van licht maar
reflecteert ook mentale workload en verwerken emotionele stimuli.
Hoorcollege 2: Electrophysiological Neuroimaging –
Electromagnetic field of the brain
Waarom EEG?: Reactietijd is de uiteindelijke uitkomst van sensorische, beslissing en motorische
processen. We weten niet wat er in de hersenen gebeurt tijdens deze processen. EEG is goed in het
bepalen van de stadia hierbij. EEG kan de time course van deze stadia met een precisie van
milliseconden tracken. EEG kan ons informeren over cognitieve processen als er geen gedragsrespons
is.
EEG wordt gebruikt om met hoge tr corticale informatieverwerking vast te leggen. Real-time
processing kan hiermee onderzocht worden. Als resultaat van fysiologische activiteit kan elektrische
activiteit worden geobserveerd in cellen, weefsels en organen. Deze elektrofysiologische activiteit
karakteriseert vooral de hersenen.
De hoge tr is een duidelijk voordeel tov fMRI. Temporale onderscheiding van stadia
informatieverwerking is mogelijk met M/EEG, maar heel moeilijk of onmogelijk als er gebruik wordt
gemaakt van de langzame hemodynamische signalen van de fMRI.
Hans Berger eerste EEG. Hij documenteerde twee patronen: alfagolven (langzaam, hoge amplitude)
en bètagolven (snel, lage amplitude). Ogen dicht meer alfa, open meer bèta.
What is measured?: Elektrische signaal dat geproduceerd wordt door cerebrale activiteit.
Belangrijkste bijdrager signaal is de postsynaptische potentiaal in apicale dendrieten van corticale
piramideneuronen. Excitatory en inhibitory postsynaptische potentialen genereren een complexe
mix van postsynaptische stromen.
Met EEG meet je GEEN actiepotentialen (te moeilijk door de korte duur ervan en je kunt ze niet
optellen). De elektrodes meten de fysieke consequentie van de membraanpotentialen. Als de
membraanpotentialen veranderen, stroomt er een zwakke stroom in het neuron in de extracellulaire
ruimte. Deze stroom wordt verder door hersenweefsel geleid en zo een elektrisch veld gegenereerd.
De postsynaptische potentialen worden gemeten (bij EEG, als je activiteit hersenen wil meten)/
hebben langere duur en kunnen bij elkaar worden opgeteld, ze zijn monophasic.
Het is belangrijk dat de potentialen in dezelfde richting wijzen. Anders tellen ze samen om als 0.
Wat wordt er gemeten?: Postsynaptische potentialen bij apicale dendritische bomen van
piramidecellen. Deze dendrieten staan loodrecht op de corticale oppervlakte. Hierdoor kan het veld
van PSP’s beschouwd worden als een vector die langs de dendrieten ligt en die zijn sterkte en
richtingen constant verandert, gebaseerd op de balans tussen EPSP’s en IPSP’s.
4
Inhoud
Hoorcollege 1: Introduction...................................................................................................................1
Hoorcollege 2: Electrophysiological Neuroimaging – Electromagnetic field of the brain.......................4
Hoorcollege 3: Electrophysiological Neuroimaging – Basic analysis of electrophysiological signals......7
Hoorcollege 4: MRI (Ch2 & 3)..............................................................................................................12
Hoorcollege 5: fMRI (Ch4 & 5).............................................................................................................19
Hoorcollege 6: fMRI analysis (Ch 8) (even samenvatting ernaast houden)..........................................27
Hoorcollege 8: fNIRS & neurotransmitters (Ch 4).................................................................................32
Hoorcollege 9: Causal methods (Ch 14)...............................................................................................36
Hoorcollege 10: Animal Research........................................................................................................43
Hoorcollege 11: Imaging genetics & Computational modeling............................................................46
Hoorcollege 12: Multimodal imaging (Ch 13)......................................................................................49
Hoorcollege 1: Introduction
Cognitieve neuropsychologie = de studie van de relatie tussen de structuur en functie van de
hersenen en specifieke cognitieve functies door het volgende te onderzoeken: cognitieve processen
bij normale gezonde personen, en de afbraak van deze processen bij
mensen met hersenschade.
In rust is elektrisch potentiaalverschillen tussen binnen- en buitenkant
-70mV. Actiepotentialen ontstaan als de drempel (treshold) bereikt
wordt. Dan eerst depolarisatie (influx Na+), dan repolarisatie
(uitgaande stroom K+), dan hyperpolarisatie. Potentialen gegenereerd
bij de axonheuvel.
Simpelste signaal is de sinus/sinusoidal oscillation. Frequentie= de mate van veranderingen van
signaal. 1Hz = het doorlopen van een volledige cyclus in 1 seconde. Amplitude= hoeveel het op en
neer gaat. Phase= wanneer het op en neer gaat.
Sampling frequency= de hoogste frequentie wordt beperkt door hoe vaak het signaal gemeten
wordt. Je kunt enkel fluctuaties vastleggen van de helft van de sampling frequentie (1/2*sampling
frequency). (Vb. als je elke dag je gewicht vastlegt, kun je fluctuaties over de dagen meten, maar niet
binnen de dagen. Je kunt enkel fluctuaties vastleggen van langzamer dan 2 dagen.). De laagste
frequentie wordt beperkt door hoe lang het signaal gemeten wordt. 1/het aantal sec dat gemeten
wordt.
1
,Samenvatting Cognitive Neuropsychology Imke Meyboom
Filteren is het verzwakken/dempen of uitsluiten van een bepaald deel van het gemeten
frequentiespectrum. Types van filteren:
- Low-pass filtering: de lagere/langzamere frequenties worden niet veranderd, terwijl
hogere/snellere verzwakt of verwijderd worden. Ook wel smoothing genoemd.
- High-pass filtering: hogere frequenties kunnen door de filter en lagere verzwakt.
- Band-pass filtering: enkel een bepaald bereik kan door de filter. Alle frequenties hoger of
lager worden verzwakt.
Spectrogram is matrix die sterkte van elk signaalcomponent op elk tijdsmoment aangeeft.
Neuronen bevatten meer calcium als ze elektrisch actief zijn dan in rust. Daarom is het meten van de
calciumconcentratie nuttig om neuronale activiteit te meten. Met two-photon calcium imaging kan
dit gedaan worden. Wel invasief en heeft single-neuron resolutie.
Hemodynamics= de bloedtoevoer wordt aangepast aan de energiebehoeften op een bepaald
moment en verandert dus over tijd. Meer energie= meer bloedtoevoer. Kan dus gebruikt worden om
een fMRI signaal te krijgen.
Elektrofysiologische gebeurtenissen vereisen energie. De actiepotentiaal is een passieve keten die
weinig energie gebruikt. Het herstellen van de rustpotentiaal vereist wel energie. De
energieconsumptie van een neuron kan hierdoor dus wel correleren met het aantal actiepotentialen.
Pre- en postsynaptische factoren vereisen ook energie.
Clustering = de neiging van neuronen met eenzelfde functionele eigenschap om fysiek dicht bij
elkaar te zitten. Ze zijn geclusterd. Hoe meer clustering, hoe beter het signaal.
3 dimensies van neurowetenschappelijke technieken:
- Temporele resolutie: de kleinste unit van tijd die onderscheiden kan worden timing.
- Spatiële resolutie: de kleinste unit van ruimte die bepaald kan worden space.
- Invasiveness
Er zijn geen methoden die een hoge spatiële en hoge temporele resolutie hebben.
Methoden worden gegroepeerd in: hemodynamische, elektrofysiologische, causale en anatomische
methoden.
Histologie= invasieve methode waarbij de hersenen in stukken gesneden worden. Deze plakken
worden chemisch bewerkt om de structuren te visualiseren. Hoge spatiële resolutie, invasief.
2
,Samenvatting Cognitive Neuropsychology Imke Meyboom
Structural magnetic resonance imaging MRI = niet-invasief, anatomische structuren in kaart
gebracht.
Measuring hemodynamics: veranderingen in energieconsumptie van neuronen triggeren keten van
gebeurtenissen. Deze gebeurtenissen = hemodynamic correlates = veranderingen in
zuurstofvoorziening van bloed en weefsel, bloedstroom en bloedvolume. Temporele resolutie van
hemodynamic imaging is slechter in vergelijking met elektrische imaging, door de traagheid van
hemodynamische gebeurtenissen. De spatiële resolutie varieert sterk, maar het bereik is kleiner dan
voor elektrische signalen.
- Optical imaging (invasief) = columnar structuur zichtbaar. Gebruikt het effect van de
zuurstofvoorziening van weefsel op de reflectie van licht dat door het weefsel schijnt.
- Functional near-infrared spectroscopy fNIRS (niet-invasief) = zeer lage spatiële resolutie.
Signaal is beperkt tot corticale regio’s onder de schedel en kan dus niet voor de binnenkant
hersenen gebruikt worden.
- Positron emission tomography PET = bloed radioactief gemaakt, veranderingen
bloedvolume gemeten door het uitgezonden signaal. Sr= 1-2cm. Tr= zeer slecht.
- fMRI = niet-invasief, hemodynamisch correlaat gemeten voor neurale activiteit. Sr= hoog.
Measuring electrophysiological activity: meeste methoden met goede tr meten elektrofysiologische
activiteit. Deze hebben alleen variatie aan sr. Deze wordt beïnvloed door: afstand tussen elektrode
en bron van signaal, tussenliggend weefsel, en noninvasiveness (hoogste frequenties kunnen niet
opgepikt worden, beperkt tot lagere freq, maar een deel van het signaal).
Optimale sr verkregen door patch-clamp recordings = enige techniek die veranderingen in
membraanpotentiaal betrouwbaar meet met beperkte stroringen. Hol glazen buisje gevuld met
elektrolytoplossing en een recording elektrode verbonden met een versterker wordt in contact
gebracht met membraan van geïsoleerde cel. Bij extracellular single-unit recordings wordt elektrode
in cortex geplaatst, zo dicht mogelijk bij een enkel neuron. Als de elektrode in de cortex minder
weerstand heeft, kan multi-unit recording (actiepotentialen van meerdere dicht bij elkaar gelegen
units. Maakt gebruik van high-pass filtering.) of local field potentials LFPs (hetzelfde signaal verwerkt
met low-pass filter, waardoor info over langzamere veranderingen verkregen kan worden). Deze
methodes erg risicovol want dura moet open, slechte bescherming voor infecties.
Intracraniële recordings ook openen van schedel (craniotomie) maar alleen om elektronen op
bovenkant dura te plaatsen, dura blijft intact. Hierdoor elektrode dichter bij neuronen, signaal niet
verstoord door schedel.
Magneto-encephalography MEG = meet elektrische activiteit dmv magnetische velden die
geproduceerd worden door elektrische stromen.
Electro-encephalography EEG = elektrodes geplaatst op hoofd, elke elektrode meet gecombineerde
signaal van groot volume van de hersenen, en scalp ERP’s. EEG en ERP’s hebben lage sr.
Functionele hersen imaging methodes gebruiken verschillende fysieke principes zoals elektriciteit,
magnetisme, optics, nucleaire resonantie en radiatie om elektrische of hemodynamische signalen op
te pikken.
Peripheral measures:
- Huidgeleiding
3
, Samenvatting Cognitive Neuropsychology Imke Meyboom
- Hartactiviteit: zowel hartslag als hartslagvariabiliteit (meet invloed van het perifere zs op
hart) en bloeddruk (meting van stress)
- Spieractiviteit
- Oogmetingen
o Oogbewegingen: goede meting voor visuele aandacht
Saccades: zeer snel, geen nieuwe info
Fixaties: infoverwerking vindt hier meestal plaats.
o Pupildilatatie: indicatief voor intense emotionele arousal, hangt af van licht maar
reflecteert ook mentale workload en verwerken emotionele stimuli.
Hoorcollege 2: Electrophysiological Neuroimaging –
Electromagnetic field of the brain
Waarom EEG?: Reactietijd is de uiteindelijke uitkomst van sensorische, beslissing en motorische
processen. We weten niet wat er in de hersenen gebeurt tijdens deze processen. EEG is goed in het
bepalen van de stadia hierbij. EEG kan de time course van deze stadia met een precisie van
milliseconden tracken. EEG kan ons informeren over cognitieve processen als er geen gedragsrespons
is.
EEG wordt gebruikt om met hoge tr corticale informatieverwerking vast te leggen. Real-time
processing kan hiermee onderzocht worden. Als resultaat van fysiologische activiteit kan elektrische
activiteit worden geobserveerd in cellen, weefsels en organen. Deze elektrofysiologische activiteit
karakteriseert vooral de hersenen.
De hoge tr is een duidelijk voordeel tov fMRI. Temporale onderscheiding van stadia
informatieverwerking is mogelijk met M/EEG, maar heel moeilijk of onmogelijk als er gebruik wordt
gemaakt van de langzame hemodynamische signalen van de fMRI.
Hans Berger eerste EEG. Hij documenteerde twee patronen: alfagolven (langzaam, hoge amplitude)
en bètagolven (snel, lage amplitude). Ogen dicht meer alfa, open meer bèta.
What is measured?: Elektrische signaal dat geproduceerd wordt door cerebrale activiteit.
Belangrijkste bijdrager signaal is de postsynaptische potentiaal in apicale dendrieten van corticale
piramideneuronen. Excitatory en inhibitory postsynaptische potentialen genereren een complexe
mix van postsynaptische stromen.
Met EEG meet je GEEN actiepotentialen (te moeilijk door de korte duur ervan en je kunt ze niet
optellen). De elektrodes meten de fysieke consequentie van de membraanpotentialen. Als de
membraanpotentialen veranderen, stroomt er een zwakke stroom in het neuron in de extracellulaire
ruimte. Deze stroom wordt verder door hersenweefsel geleid en zo een elektrisch veld gegenereerd.
De postsynaptische potentialen worden gemeten (bij EEG, als je activiteit hersenen wil meten)/
hebben langere duur en kunnen bij elkaar worden opgeteld, ze zijn monophasic.
Het is belangrijk dat de potentialen in dezelfde richting wijzen. Anders tellen ze samen om als 0.
Wat wordt er gemeten?: Postsynaptische potentialen bij apicale dendritische bomen van
piramidecellen. Deze dendrieten staan loodrecht op de corticale oppervlakte. Hierdoor kan het veld
van PSP’s beschouwd worden als een vector die langs de dendrieten ligt en die zijn sterkte en
richtingen constant verandert, gebaseerd op de balans tussen EPSP’s en IPSP’s.
4
