Modul KN Kognitive Neurowissenschaften Gruppe D Einfhrung Einfhrung

Modul KN Kognitive Neurowissenschaften Gruppe D Einführung

Einführung ¡ ¡ Womit beschäftigen sich die kognitiven Neurowissenschaften? Sehr kurzer Überblick über die Methoden (siehe Bio) l l l ¡ ¡ Seminar beschäftigt sich primär mit der Anwendung auf kognitionspsychologische Fragestellungen (spätere Sitzungen) Sehr kurzer Überblick, was mit den jeweiligen Daten analytisch angestellt werden kann l ¡ Welche Methoden gibt es? Funktionsprinzipien Relative Vor- und Nachteile Selektive Vertiefung in späteren Sitzungen an konkreten empirischen Beispieldatensatz EEG

Womit beschäftigen sich die kognitiven Neurowissenschaften? ¡ Gruppenarbeit 10 Minuten l Themen, Methoden, Daten, Erkenntnisse, Anwendungen…

Womit beschäftigen sich die kognitiven Neurowissenschaften? ¡ ¡ Wie sind kognitive Funktionen im Hirn implementiert? Können wir etwas aus Hirnprozessen über kognitive Prozesse lernen? Eher Arbeit mit Daten die im lebenden und gesunden Menschen gewonnen werden können Nicht bzw. minimal invasive Methoden Trotzdem natürlich Verknüpfung mit Erkenntnissen aus tierexperimenten Studien (single-cell; kontrollierte reversible Läsionen, Optogenetik)!

Womit beschäftigen sich die kognitiven Neurowissenschaften? ¡ Betonung auf Prozess! D. h. , weniger strukturelle Eigenschaften wie Cytoarchitektur, Rezeptorarchitektur oder strukturelle Konnektivität per se! ¡ Trotzdem können solche Variablen interessant sein a) um Ideen zu bekommen, welche Prozesse durch bestimmte strukturelle Organisationseigenschaften begünstigt sind (per se) b) wie strukturelle Eigenschaften mit bestimmten kognitiven Prozessen (interindividuell oder über längere Lernzeiträume) zusammenhängen

Grundsätzliche Fragen ¡ ¡ Können wir geistige/ psychische/ mentale/ seelische Phänomen auf neuronale Funktionen zurückführen? Gibt es eine modulare Zuordnung von Hirnarealen zu kognitiven Funktionen?

Grundsätzliche Fragen ¡ Braucht die Psychologie die kognitiven Neurowissenschaften?

Welche Methoden gibt es?

Welche Methoden gibt es? Korrelative Methoden ¡ Stimulationsmethoden ¡ Läsionsmethoden ¡ [Simulationsmethoden] ¡

Korrelative Methoden ¡ Elektrophysiologie l l l ¡ Haemodynamik l l l ¡ EEG MEG Einzelzellableitungen PET f. MRT NIRS Struktur – Verhaltensbeziehungen l s. MRT; DTI; PET receptor mapping

Stimulationsmethoden ¡ Elektrophysiologisch l Direkte intrakraniale Elektrostimulation (Penfield: Homukuli) l l TMS t. DCS Pharmakologisch ¡ Optogenetisch ¡

Läsionsmethoden „Virtuelle Läsion“: TMS, t. DCS ¡ Irreversibel (Lashley frühes 20. Jahrhundert: ¡ Auf der Suche nach dem Engram) Reversible ¡ [natürlich auftretende Neuropsychologie] ¡

Exkurs strukturelle Methoden Cytorachitektur ¡ Myeloarchitektur ¡ Rezeptorarchitektur ¡ Traktographie ¡ ¡ http: //www. fz-juelich. de/inm 1/DE/Home/home_node. html

Cytoarchitektur 1/10 mm

Cytoarchitektur Korbidian Brodmann (1905)

Myeloarchitektur Geburt Lenneberg 1969 24 Monate

Rezeptorarchitektur

… mit PET Figure 4. Distribution of [11 C]2ß-carbomethoxy-3ß- (4 -fluorophenyl)tropane, [11 C]CFT in a primate brain. [11 C]CFT is a sensitive ligand for dopamine transporters. High accumulation (red color) is an indication of high receptor density in caudate and putamen Quelle: http: //www. nmr. mgh. harvard. edu/martinos/research/technologies. PET. php

Traktographie

Traktographie (DTI)

Intro Sitzung 2 ¡ Womit beschäftigen sich die kognitiven Neurowissenschaften? ¡ Sehr kurzer Überblick über die Methoden (siehe Bio) l l ¡ Sehr kurzer Überblick, was mit den jeweiligen Daten analytisch angestellt werden kann l ¡ Welche Methoden gibt es? Funktionsprinzipien Selektive Vertiefung in späteren Sitzungen an konkreten empirischen Beispieldatensatz EEG

Fragen zur letzten Woche? Orga ¡ Literatur ¡

Zusammenfassung/ Fragen Methoden ¡ Gruppenarbeit 10 Minuten l l l Gruppe A: Korrelativ Gruppe B: Stimulativ Gruppe C: Strukturell

Funktionsprinzipien

EEG/ MEG Funktionsprinzipien

EEG/ MEG Funktionsprinzipien

EEG/ MEG Funktionsprinzipien parallel ausgerichtete apicale Dendriten Scheme of a cortical pyramidal cell showing the patterns of current flow caused by two modes of synaptic activation at an excitatory ( E ) and an inhibitory ( I ) synapse. Typically the apical dendrites of these cells are oriented toward the cortical surface. EPSP : current flow caused by the activation of an excitatory synapse at the level of the apical dendrite creates a current sink in the extracellular medium next to the synapse. The extracellularly recorded EPSP is drawn on the left. It has a negative polarity at the level of the synapse. At the soma there is a distributed passive current source resulting in an extracellular potential of positive polarity. IPSP : current flow caused by activation of an inhibitory synapse at the level of the soma creates an extracellular source at the level of the soma and a passive sink at the basal and apical dendrites. The IPSP recorded extracellularly at the level of the soma and of the apical dendrites is shown. Note that both cases show a dipolar source–sink configuration. (Adapted from Niedermeyer 2005 ; Lopes da Silva and van Rotterdam 2005)

TMS/ t. DCS Funktionsprinzipien Vereinfacht: Dreht vorheriges Prinzip um!

Haemodynamik Funktionsprinzipien (PET, f. MRT, NIRS) • Sensitivität für relative molekulare Zusammensetzung des Blutes (z. b. Sauerstoffgehalt; radioaktiv markierte Moleküle); • BOLD response primärer Kontrast in f. MRI • neuronale Aktivität (a) verändert diese Zusammensetzung direkt (b) ist vaskulär gekoppelt • Physikalische Messprinzipien?

Haemodynamik Funktionsprinzipien Neurovaskuläre Kopplung Cerebral Cortex, Vol. 12, No. 3, 225 -233, March 2002 © 2002 Oxford University Press Blood Capillary Distribution Correlates with Hemodynamic-based Functional Imaging in Cerebral Cortex Robert V. Harrison, Noam Harel, 1, Jaswinder Panesar and Richard J. Mount

f. MRT – räumliche Auflösung Laminar specificity of functional MRI onset times during somatosensory stimulation in rat. Afonso C. Silva and Alan P. Koretsky 5182– 15187 PNAS November 12, 2002 vol. 99 no. 23

f. MRT – räumliche Auflösung Figure 1 | Specificity of GE-EPI and SE-EPI. Examples of high-resolution GE-EPI and SE-EPI (courtesy J. Goense, MPI for Biological Cybernetics). a, b, Two slices of GE-EPI demonstrating the high functional signal-to-noise ratio (SNR) of the images, but also the strong contribution of macrovessels. The yellow areas (indicated with the green arrows) are pia vessels, of which is shown in the inset scanning electron microscopy image (total width of inset, 2 mm). For the functional images red indicates low and yellow indicates high. In-plane resolution 3333333 mm 2; slice thickness 2 mm. c, Anatomical scan, SEEPI, 2503188 mm 2, 2 mm slice, with time to echo (TE) and repetition time (TR) 70 and 3, 000 ms respectively. d, e, Two slices of SE-EPI showing the reduction of vascular contribution at the pial side of the cortex. In-plane resolution 2503175 mm 2, slice thickness 2 mm. f, The anatomical scan is the SEEPI used for obtaining the functional scans (TE/TR 548/2, 000 ms) but at different greyscale and contrast. The resolution of the anatomical scan permits the clear visualization of the Gennari line (red arrow), the characteristic striation of the primary visual

Relative Vor- und Nachteile? - Invasivität Interpretierbarkeit (Kausalität, Lokalisation) Praktikabilität, Kosten

Historische Perspektive

Zusammenfassung/ Fragen Funktionsprinzipien ¡ Gruppenarbeit 10 Minuten l l Gruppe A: Elektrophysiologie Gruppe B: Haemodynamik

Was kann mit den jeweiligen Daten angestellt werden? Welche EEG Parameter können analysiert werden ¡ Welche TMS Parameter können analysiert werden ¡ Welche f. MRT Parameter können analysiert werden ¡

EEG/ MEG S R mit Ablenkung S R ohne Ablenkung

EEG/ MEG ¡ Frequenzanalysen oszillatorischer Prozesse l l Als spontane (freilaufende) rhythmische Aktivität in einem Frequenzbereich (z. B. Alpha generiert durch Interaktion zw. Thalamus und Kortex) Als „induzierte“ Verstärkung freilaufender rhythmischer Aktivität durch externen Input oder intern getriggerte Prozesse (Phasenungleichheit) Als „evozierte“ rhythmische Aktivität durch externen Input oder intern getriggerte Prozesse (Phasengleichheit, z. B. 40 Hz Gamma? ) Kohärenzanalysen zur Bestimmung funktioneller Konnektivität zw. entfernten kortikalen Arealen (Phasenkopplung in einem Frequenzbereich)

EEG/ MEG ¡ Gemittelte ereigniskorrelierte Potentiale l l Evoziert durch externen Input (exogen) oder intern getriggerte Prozesse (endogen) unabhängig von freilaufenden oszillatorischen Prozessen! Induziert durch Phasen-Reset freilaufender rhythmischer Aktivität durch externen Input oder intern getriggerte Prozesse

Spontane oszillatorische Prozesse

Spontane oszillatorische Prozesse

Stationäre Frequenzanalyse

Zeitaufgelöste Frequenzanalyse

Evozierte vs. induzierte oszillatorische Aktivität Pantev 95

EEG Phasensynronisation Fell et al. 2011

EEG Phasensynronisation Über Frequenzen hinweg: Fell et al. 2011

Gemittelte ereigniskorrelierte Potentiale (EKP)

EKP – evoziert vs. Phasenreset Sauseng 07

EKP – evoziert vs. Phasenreset Sauseng 07

EEG – Lokalisation? Lokalisation der Quellen von EEG/EKPs grundsätzlich nicht möglich „Inverses Problem“ Dennoch: (1) Vorwärts-Modell: Dipol-Modellierung • • in Kombi mit bildgebenden Verfahren zur Eingrenzung möglicher Quellen In Kombi mit bildgebenden Verfahren für ein „Realistic Head model“: (individuelle) strukturelle Aufnahmen

EEG – Lokalisation?

EKP - Komponentenzerlegung • [PCA (Principle component analysis)] • ICA (Independent component analysis) • Dipolmodellierung • Geschickte Subtraktion: z. B. LRP Luck 2005

Zusammenfassung/ Fragen EEG Analytik ¡ Gruppenarbeit 10 Minuten

EEG live ¡ ? ? ?

Was kann mit den jeweiligen Daten angestellt werden? Welche EEG Parameter können analysiert werden ¡ Welche TMS Parameter können analysiert werden ¡ Welche f. MRT Parameter können analysiert werden ¡

Transkranielle Magnetstimulation

Transkranielle Magnetstimulation

Transkranielle Magnetstimulation Kombination mit f. MRT?

Was kann mit den jeweiligen Daten angestellt werden? Welche EEG Parameter können analysiert werden ¡ Welche TMS Parameter können analysiert werden ¡ Welche f. MRT Parameter können analysiert werden ¡

f. MRT ? S R mit Ablenkung S R ohne Ablenkung

f. MRT Datenbeispiel ¡ Single-Subject data… l l l Aktiviertungkarte Rohdaten in voxel Ereigniskorrelierte BOLD response in voxel

Segregation vs. Integration ¡ Functional segregation/ specialization l ¡ Univariate f. MRT (voxel-by-voxel; A vs. B) Functional integration l Co-variability between regions Cross-correlation, Granger Causality ¡ PPI ¡ SEM ¡ DCM Training set ¡ Multivariate Classifier ¡ Meta-analytik ¡ Test set

Univariate f. MRT ¡ Block Design l l ¡ Event-related l ¡ Limitationen… Pluspunkte? Rapid event-related Mixed Block/ Event-related

Ereigniskorrelierte f. MRT Burock et al. 98

Ereigniskorrelierte f. MRT Miezin 2000

Ereigniskorrelierte f. MRT ¡ Limitationen l l Nonlinearität Neutrale Baseline?

Non-Linearität der BOLD response Dale & Buckner 1997

Relative zeitliche Auflösung black = contralateral 1 st red = contralateral 2 nd Miezin 2000

Mixed design Visscher et al. 03

Grundsätzliche Fragen 1. Braucht die Psychologie die kognitiven Neurowissenschaften? 2. Gruppenarbeit: Schöne neue Neurowelt Gruppe A+B: bis excl. Impfen geg. Alzheimer Gruppe A: weiter bis Maschineller IQ Test Gruppe B: ab da bis Ende 15 Min. Lesen; pro Gruppe 10 Minuten Diskutieren

Was steht noch aus f. MRT: live Datenanalyse ¡ Filmchen zur molekularbiologischen Grundlagen der Neurowissenschaft ¡

Nächste Woche ¡ Elektrophysiologie – Studien l l Meine Vorschläge auf meiner Internetseite zum Runterladen Bei selbständiger Wahl: Bitte guten Methodenmix beachten (z. B. EKP + Frequenzanalyse + Methodenstudie)