Neuro (Fach) / Vorlesung 3 (Lektion)

Vorlesung 3

Diese Lektion wurde von Amalaswinthaa erstellt.

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• Repräsentationen - mentale Repräsentationen = die Art, in der Eigenschaften der Umwelt (z.B. Farbe, Objekte, Bewegungen) durch ein kognitives System kopiert/simuliert werden - neuronale Repräsentation = die Art, in der sich Eigenschaften der Umwelt in neuronalen Signalen (z.B. unterschiedlichen Feuerraten von Neuronen) manifestieren - es ist nicht immer einfach, diese beiden Aspekte zu verknüpfen --> keine 1:1 Zuordnung aber häufig korrelativer Zusammenhang
• Neuronale Infoverarbeitung - ein Neuron integriet den Input einer großen Zahl anderer Neurone - wenn eingehende Signale eine Schwelle überschreiten (räumliche und zeitliche SUmmation) wird ein AP ausgelöst
• Einzelzellableitung - invasive Methode, keine Stimulation - Elektrode wird in ein Axon (intrazellulär) oder außerhalb der Axonmembran (extrazellulär) implantiert - Aktivität einer einzelnen Zelle (single cell) oderer mehrerer Zellen (multi-unit) wird gemessen --> Problem des Spike Sorting - im Menschen: um epileptischen Herd zu identifizieren werden manchmal in Patienten mit besonders schwerer Erkrankung in-vivo Messungen durchgeführt Tiefenelektroden --> subkortikale Regionen Elektrodennetz (Muli-electrode Grid) --> kortikale regionen
• Grandmother Cells - im visuellen System gibt es eine Hierarchie der Verarbeitung - Antowrten von Zellen werden komplexer, je höher diese in der Hierarchie liegen - Grandmother cells = hypothethische Zellen, die nur auf das Bild der eigenen Großmutter reagieren
• Neuronale Codes - Rolls und Deco (2002) unterscheiden 3 Möglichkeiten: 1. Lokale Repräsentation: alle Info über einen Reiz befindet sich in EINEM Neuron -> Grandmother cell 2. Fully distributed representation: Info über einen Reiz befindet sich verteilt in allen Neuronen einer Population 3. sparse distributed representation: Info über einen Reiz befindet sich verteilt in einem Teil der Neuronenpopulation Studie1: Zellen antworten meist auf verschiedene Reize der gleichen Kategorie, jedoch unterschiedlich stark , eher nicht konsistent mit Grandmother cells Studie 2: Messung mittels Tiefenelektrode in Epilepsiepatienten zur Lokalisation der Anfangsquelle (medialer Temporallappen) - manche Neurone (hier: Hippokampus) sind erstaunlich selektiv für bestimmte Reizkategorien (z.B. Jennifer Aniston Neurone), aber: hier gab es begrenzte Testreize
• Peri-Stimulus time histograms - übliches Format, in dem Daten von Einzelzellableitungen präsentiert werden - blau, Punkte ,oben: Rasterplott: Zeichen = Trials, Striche = Spikes - rot, Balken, unten: Histrogramm der spike rate über alle Trials Begrenzung bei Histogramm: Beginn und Ende der Präsentation des Bidles
• Rate vs. temporal Coding Rate coding = Die Feuerrate des Neurons kodiert Info, Ursache: relative und absolute Refraktärzeit, Steigung der Aufstrichphase des AP Temporal Coding = die Synchronizität mehrerer Neurone (oder Neuronenverbände) kodiert Info
• EEG - Elektroden - Elektroden in Hauben/Kappen auf Kopfhaut fixiert - bis zu max. 256 Elektroden - einzelne Elektroden an den Augen (Elektrookulogramm) --> Augenbewegungen und Blinks führen zu Artefakten im EEG (besonders an frontalen Elektroden), die damit später korrigiert werden Falls Abbildung kommt ( erste REihe zwischen 5 und 6) zwei kleine Einbuchtungen in der LInie --> Blink artifacts
• Das 10-20-System - nummerierung: links = ungerade Zahlen, rechts = gerade Zahlen - nach Jasper (1958): F- Frontal, P - Parietal, T - Temporal, O - Okzipital, Z - zentral zusätzlich: Referenzelektroden (z.B. Mastoiden, Ohrläppchen)
• Das EEG- Signal - KEINE Messung von APS - inhibitorische und exzitatorische postsynaptische Potentiale (IPSP UND EPSPS) führen zu Ladungsverschiebungen (Bildung von Dipolen) die an der Kopfoberfläche gemessen werden können - EEG-Rythmen und Oszillationen spiegeln synchrone Aktivität großer Neuronenverbände wieder - negative und positive EEG-Ausschläge spiegeln die Orientierung von Dipolen im Gehirn wider - Polarität des an der Schädeloberfläche gemessenen Signals hängt davon ob ob EPSP oder IPSP ausgelöst wurden und wo der synaptische Kontakt liegt (höhere vs. tiefere kortikale Schichten) - von der Polarität des am Skalp gemessenen Signals ("Skalp-positiv"/"Skalp-negativ") kann nicht auf die ablaufenden zellulären Prozesse geschlossen werden
• Probleme beim EEG-Signal - Dipole können nur gemessen werden, wenn viele parallel angeordnete Zellen synchron aktiv sind - Dipole müssen möglichst senkrecht zur Kortexoberfläche (zur Elektrode) angeordnet sein - Probleme: kortikale Sulci Entgegengesetzte Effekte im gleichen Kortexbereich (Summenpotential) tieferliegende Hirnstrukturen
• Was wird mit EEG gemessen? Irregular: asynchron aktive Pyramidenzellen - zeitlich nicht aufeinander abgestimmt - leichte Potentialverschiebungen, aber kein einheitliches Muster synchronized: synchron aktive Pyramidenzellen - es zeigen sich in der Summe bedeutsame Muster
• EKP/ERP what is it - ereigniskorrelierte Potentiale/event-related Potentials - EEG Signal wird im Hinblick auf ein bestimmtes Ereignis zeitlich synchronisiert (time locked, z.B. auf Präsentation des Reizes) und über viele Trials gemittelt (um den Effekt von Rauschen im Signal zu reduzieren) - Ergebnis ist für jede Elektrode eine Zeitreihe (post-Stimulus) mit charakteristischen positiven/negativen Ausschlägen - Zeitverlauf und Amplitude dieser Ausschläge stehen ggf. mit verschiedenen Aspekten der Aufgabe (zB. Reizverarbeitung, Aufmerksamkeit) in Beziehung
• EKP Beispiel - was mache ich nach Messung 1. Mittelung über alle Trials eines Probanden 2. Berechnung des Grand Averages über alle Probanden --> bei einzelber Reizpräsentation erkennt man gar nichts, weil alles andere (Sontanaktivität) noch im Hintergrund ist, über mehrere Trials gemittelt erkannt man deutlich das EKP, RAUSCHEN REDUZIEREN --> Antwort auf Frage warum so viel gemittelt wird
• EKP Beschriftung - Abbildung - Charakterisistische Folge von positiven und negativen Ausschlägen (peaks) - Peaks werden nach Polarität (P/N) und Latenz (in ms, z.B. N400, P300) oder Nummer des Peaks (P1, P2, N1) benannt - Negativierung wird üblicherweise nach oben aufgetragen - x Achse: time after stimulus (millisekunden), y-Achse +3 Millivolt bis - 3 Millivolt
• EKP Interpretation - Peaks entsprechen unter Umständen verschiedenen kognitiven Verarbeitungsstufen - aber: 1:1 Zuordnung nicht möglich, da immer nur eine Summe elektrischer Aktivität gemessen wrid (Korrelate der Prozesse überlagern sich)
• EKP Komponenten - exogene= durch externen Stimulus augelöste Komponente - endogene = durch Aufgabe ausgelöste Komponente - Unterscheidung nicht immer eindeutig, z.B. bei Kontextabhängiger Verarbeitung von Reizen
• EKP Vor und Nachteile + Veränderungen in den Dipolen spiegelt direkt neuronale Aktivität wieder (im Gegensatzu zu fMRT) + Änderungen in den Dipolen sind sofort an der Schädeldecke messbar --> exzellente zeitliche Auflösung - räumliche Quelle des gemessenen Signals kann nicht genau bestimmt werden --> schlechte räumliche Auflösung - nicht sensitiv für tiefere subkortikale Regionen Forward problem= Rückschluss von Dipol-Verteilung auf Potentialveränderung an der Schädeldecke ist kein Problem Inverse Problem = Rückschluss von Potentialveränderungen an der SChädeldecke auf Dipol-Verteilungen ist keine eindeutige Lösung ABER verschiedene Lösungen können immer mit einander verglichen werden
• Bekannte EKP-Komponenten - N1/P1 = frühe aufmerksamkeitssensitive Komponente - MMN = Mismatch Negativity P300 N400 ERN (error related negativity)
• MMN  - wird durch Reiz mit abweichenden physikalischen Eigenschaften ausgelöst
• P300 - wir durch verhaltensrelevanten oddball Reiz ausgelöst - spiegelt möglicherweise context updating wieder - mentales Modell der Umwelt wird aktualisiert
• N400 - negative KOmponente relevant für semantische Verarbeitung
• ERN - response-locked Komponente die mit Fehlerverarbeitung assoziiert ist - Funktionell: Fehlerentdeckungsprozess
• EEG Oszillationen - Neuronenverbände feuern oft synchron - unterschiedliche Frequenzbereiche sind mit verschiedenen Funktionen assoziiert - Delta, Theta, Alpha, Beta
• EEG: Zeit-Frequenz-Analysen - es wir dder Anteil (Power) am SIgnal für verschiedene Frequenzbänder berechnet - diese Karten können dann wieder z.B. zwischen versch. Bedingungen verglichen werden
• Magnetoencephalographie (MEG) MEG- Signal -erfasst werden magnetische Signale, die durch elektrische Aktivität des Gehirns hervorgerufen werden - Neurophysiologische Grundlade gleich wie bei EEG: Neurone werden durch EPSPs/IPSPs zu Dipolen -
• Messung des MEG-SIgnals -"Magnetometer" messen die Magnetfelder, die durch Neuronen erzeugt werden: Spulen, in denen durch die Magnetfelder wiederum Ströme induziert werden - damit die sehr geringen Ströme gemessen werden können, muss der Widerstand in den Spulen gering sein --> Supraleitung durch Heliumkühlung auf -269 Grad - >300 Sensoren in modernen Geräten - SIgnalstärke hängt ab von 1) Distanz zur Quelle und 2) Orientierung des Magnetfeldes --> stärkste Signale bei naher Quelle und senkrecht aus dem Schädel austretenden Feldlinien - Abschirmmaßnahme gegen externe Störquellen nötig
• Unterschiede zwischen EEG und MEG - EEG: basiert eher auf Signalen von senkrecht zum Schädel orientierten Pyramidenzellen - MEG: basiert eher auf SIgnalen von tangential zum SChädel orientierten Pyramidenzellen -MEG weniger durch Schädel/Hirnhäute beeinflusst - Räumliche AUsbreitung des SIgnals bei MEG geringer --> bessere räumliche Auflösung
• MEG- Analyse - event-related- magnetic fields (analog zu EKP): Magnetische Korrelate von EKP-Komopnenten, m als Zusatz, z.B. N100m, P300m - Oszillatorische Aktivität (Zeit-Frequenz Analyse) Ähnlich EEG -Dipol-Modellierung (wie auch EEG) um verschiedene Dipol-Lösungen, die die gemessenen SIgnale generiert haben, vergleichen zu können
• MEG vs. EEG Tabelle
• Schlafstadien Delta = Tiefschlaf Theta = REM-Schlaf und SChlafstadien 1&2 Alpha = Schläfrigkeit Beta = Wachphase

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