Biologische Psychologie (Subject) / Methoden 4 - funktionelle MRT (Lesson)

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• warum ist fMRT eine korrelative Methode? es wird eine Mechanismus gesucht, der zur Änderung im MRT-Kontrast führt und dadurch neuronale Aktivität widerspiegelt 
• wie viel ml Blut versorgen das Gehirn jede Minute mit Sauerstoff und Glukose? wie viel % des gesamten Blutflusses ist das? wie viel % des Sauerstoffs verbraucht das Gehirn 800ml 15-20% des gesamten Blutflusses  20% der Sauerstoffs, macht aber nur 2-3% des Gewichts aus 
• womit versorgt Blut das Gehirn? Sauerstoff und Glukose
• Sauerstoffversorgung im Blut 1) im arteriellen System bindet Sauerstoff an Hämoglobin-Moleküle in den roten Blutkörperchen 2) über Kapillare findet ein Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid in den Zellen statt 3) über das Venensystem findet ein Abtransport von Desoxyhämoglobin statt 
• sauerstoffreiches Blut Oxyhämoglobin
• sauerstoffarmes Blut Desoxyhämoglobin
• wie weit liegt jede Zelle des Körper maximal von einer Kapillare entfernt? 50 mikroMeter 
• welche 3 Mechanismen kann man im MRT sichtbar machen? 1. lokale Änderungen des Blutvolumens: durch paramagnetische Kontrastmittel -> mehr Blut = stärkere Dephasierung der Spins  2. Änderungen im Blutfluss 3. Mechanismus auf der Basis der Abhängigkeit des MRT-Signals vom Sauerstoffgehalt 
• Pauling und Coryell entdeckten dass Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben 
• was ist die unterschiedliche magnetische Eigenschaft zwischen Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin? Desoxyhämoglobin hatte eine um ca. 20% erhöhte magnetische Suszeptibilität, also eine um 20% erhöhte Magnetisierung 
• Desoyhämoglobin dient als __ und hat den gleichen Effekt wie endogenes Kontrastmittel  paramagnetische exogene Kontrastmittel, nur schwächer 
• Was hängt vom Prozentsatz des sauerstoffreichen Blutes ab? Der Zerfall der transversalen Magnetisierung (xy) und damit das T2/ T2* gewichtete Signal 
• Desoxyhämoglobin gerät aufgrund der höheren magnetischen Suszeptibilität schneller außer Phase. Somit hat es eine kleinere T2/ T2* Relaxationszeit als Oxyhämoglobin. 
• Oxyhämoglobin gerät langsamer außer Phase, da es eine geringere magnetische Suszeptibilität hat.  Das führt zu einer längeren T2* Relaxationszeit 
• Der Quotient 1/ Relaxationszeit ist bei Oxyhämoglobin kleiner als bei Desoxyhämoglobin für T2 gewichtete Bilder. Auf T1 gewichtete Bilder hat der Sauerstoffgehalt keinen Effekt 
• Blood Oxygen Level-Dependent Effekt Der Effekt ist umso stärker Je mehr Sauerstoff im Blut ist, desto geringer die magnetische Suszeptibilität, desto länger ist die T2/* Relaxationszeit je stärker das Magnetfeld
• Die Stärke des BOLD-Effekts wächst mit dem Quadrat der magnetischen Feldstärke 
• Je mehr Oxyhämoglobin desto __ das MR-Signal stärker 
• BOLD-Kontrast Wann ist der Signalverlust am stärksten? Im sauerstoffarmen Blut bei T2*sensitiven Messsungen (Gradientenecho) man sieht keine Veränderung im Spin-Echo und im sauerstoffreichen Blut 
• Desoxyhämoglobin und T2* gewichtetes MR-Signal Desoxyhämoglobin reduziert das T2* gewichtete Signal: mehr dunkle Bereich, beeinflusst auch Umgebung 
• Desoxyhämoglobin führt zu einer ___ des T2* gewichteten MR-Signals. Neuronale Aktivität führt zu einer ___ des T2* gewichteten MR-Signals Reduzierung/ Abschwächung  Erhöhung
• Wie kann es sein, dass Desoxyhämoglobin das T2* MR-Signal reduziert und neuronale Aktivität das T2* MR-Signal erhöht? --> müsste neuronale Aktivität nicht zu weniger Sauerstoff führen und dann ein niedrigeres Signal verursachen? Nein, neuronale Aktivität führ zwar zu einen Anstieg im Desoxyhämoglobin, es gibt aber sofort auch einen Anstieg im Oxyhämoglobin. Dieser Ansteig ist so hoch, dass das Angebot den Bedarf überschreitet und das wird auch auf benachbarte Areale erweitert.  Das sauerstoffarme ersetzt das sauerstoffreiche Blut 
• Auch kurze Reize erzeugen eine Veränderung im MR-Signal, z.B. viuselle Stimuli 
• Verzögerung von wie viel Sek. zw. Stimulus und Signalspitze bei 2 Sek. Reizstimulation? 3,5 Sekunden 
• Die hämodynamische Antwortkurve - hemodynamic response function (HRF) - es gibt nicht - die HRF läuft die typische Veränderung des MR-Signals im Zusammenhang mit neuronaler Aktivität  - die HRF, sie unterliegt vielen Einflüssen sie ist unterschiedlich durch Hirnregion, Dauer und Intensität der neuronalen Aktivität  - der neuronalen Aktivität hinterher 
• Verlauf der HRF - initial dip (leichte Reduktion im Signal) - nach 4 Sek. Anstieg im signal - Maximum bei 8 Sekunden - nach 12 Sek. post stimulus undershott - Baseline nach ca. 20 Sek. erreicht 
• Was spiegelt das BOLD wider? die postsynaptischen Poentiale, also den Input für eine Region  --> im Exp. durch local field potentials gezeigt (LFP)  nicht die APS/ der Output 
• fMRT ist im Vergleich zu EEG ___ der neuronalen Aktivität indirekte Messung 
• Messung des fMRT Signals - man präsentiert einen Stimuli und dabei werden Schichten angregt um die Aktivität in diesen zu extrahieren 
• räumliche Auflösung - determiniert durch determiniert durch Voxelgröße (Schichtdicke, Field of View, Matrixgröße) 
• entspricht die in-plane Voxelgröße der Schichtdicke so spricht man von isotropen Voxeln 
• die räumliche Auflösung ist bei fMRT fast immer __ als bei struktureller MRT warum? geringer  1) SRV: je kleiner das Voxel, desto geringer das SRV und das braucht man um Veränderung von Desoxyhämoglobin zu Hämoglobin wahrzunehmen  2) Akquisitionszeit: hängt linear mit Schichtdicke zusammen, je höher die Auflösung desto länger die Akquistionszeit  3) Korrespondenz zw. neuronaler Aktivität und Sauerstoffgehalt des Blutes; Signal vasukläre Veränderung sind größer als das Signal neuronale Aktivität 
• zeitliche Auflösung von fMRT Basiseinheit für die zeitliche Auflösung beim fMRT ist ___ variiert meist zwischen je ____ die __ desto besser die zeitliche Auflösung die TR 500-3000ms je kleiner die TR, desto besser die zeitliche Auflösung, aber ab einem gewissen Punkt gibt es keine Veränderung mehr (zw. 375 und 750ms)
• sehr kurze TR verbessert Erfassung der HRF nicht mehr 
• die HRF entwickelt sich über 10 Sekunden, auch wenn die neuronale Aktivität selbst nicht so lange andauert 
• Zusammenhang zeitliche und räumliche Auflösung - Wahl der TR hängt von zeitl. und räumlicher Aufläsung ab  - man muss gucken wie viele Schichten pro TR aufgenommen werden können (Gehrin beträgt vertikal 110mm) 
• Signal und Rauschen beim fMRT Signal = BOLD-Signal: Veränderung durch experimentelle Manipulatin  Rauschen: Veränderungen im BOLD Signal über Zeit 
• wie kann das SNR verbessert werden? 1) stärkeres Magnetfeld 2) Aufnehmen von mehr Daten 3) gutes experimentelles Design 4) Korrektur-Algorithmen 
• Hauptquellen für Rauschen: 1. thermisches Rauschen (in Spulen) 2. Systemrauschen (bei Verarbeitung)  3. Bewegung und physiologisches Rauschen: Bewegungen/ Atmung/ Herzschlag etc.  4- nicht-aufgabenrelevante neuronale Aktivität  5. interindividuelle Unterscheide in Strategie und Verhalten 
• Daten-Struktur und Daten-Vorverarbeitung: bei einer TR von 2000ms und einer 30 min. Messung ergeben sich 900 Aufnahmen des Gehirns => preprocessing: eine Serie von mathematischen Prozeduren um Rauschen zu reduzieren und die Daten für die statistische Weiterverarbeitung vorzubereiten 
• preprocessing - Teile 1. Bewegungskorrektur 2. Normalisierung 3. Räumliche Glättung/ smoothing 4. zeitliche Filterung 
• Bewegungskorrektur welche Bewegungen gibt es? 1. Translation 2. Rotation  => beides entlang 3 Achsen  --> rigid body transformation: Verschiebung/ Drehung der Bilder in allen 3 Dimensionen so dass sie übereinander liegen => Realignment und Co-Regestrierung - Referenzbild ist meist das erste Bild einer Session 
• Normalisierung - Anpassung an ein Standardgehirn (Talairch oder MNI) - um Aktivität verschiedener VP zu vergleich Co-Regestrierung: strukturelles Bild wird normalisiert, Parameter werden dann auf funktionelle Bilder übertragen 
• räumliche Glättung/ smooting - räumlicher low-pass/ Gauss Filter - Werte jedes aller benachbarten Voxel werden miteinbezogen um Voxelwert neu zuberechnen  => Full Width Half Maximum (FWHM): räumliche Distanz in mm, bei der die Hälfte des Signals eines gegebene Voxels noch mitberücksichtigt wird benachbarte Voxel werden ähnlicher: Verlust an räumlicher Auflösung aber Gewinn an SNR  => Reduktion falsch positiver Ergebnisse 
• Zeitliche Filterung zeitlicher Verlauf des Signals eines Voxels kann durch Fourier-Analyse in die Frequenzdomäne übertragen werden  - maximal erfassbare Frequenz: Nyquist-Frequenz: halbe Aufnahmefrequenz High-Pass-Filter: sehr kleine Frequenzen (Scannerdrifts) können rausgerechnet werden  Band-Stop-Filter: bestimte Frequenzen wie Atmung und Herzschlag können rausgerechnet werden 
• Ziel fast aller fMRT Studien ist das Auswerten von Modellen 
• was wird vor einer fMRT Studie gemacht? die HRF Antwort für jedes Voxel für das gesamte Experiment vorher moduliert 
• für die statistische Auswertung von fMRTs verwendet man Multiple Regressionen im Rahmen des allgemeinen linearen Modells 
• multiple Regression im Rahmen des allgemeinen linearen Modells y=ß0+ß1*x1+ß2*x2+ß3*x3...+e x = Regressor  ß = Gewicht des Regressors  ß0 = konstante Faktoren  E = Fehler 
• Regressor of interest orthogonal zueinander  müssen unabhängig sein  baseline und eine Aufgabe sind nicht unabhängig voneiander  zwei verschiedene Aufgaben schon 

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