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Einführung in die Analyse und Interpretation ereigniskorrelierter Hirnrindenpotenziale

Einführung in die Analyse und Interpretation ereigniskorrelierter Hirnrindenpotenziale. Christian Kaernbach Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Motivation. Was tut das Gehirn, wenn wir etwas wahrnehmen? etwas beachten? Angst haben? eine Handlung ausführen? eine Entscheidung treffen?

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Einführung in die Analyse und Interpretation ereigniskorrelierter Hirnrindenpotenziale

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Presentation Transcript

  1. Einführung in dieAnalyse und Interpretation ereigniskorrelierter Hirnrindenpotenziale Christian Kaernbach Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

  2. Motivation • Was tut das Gehirn, wenn wir • etwas wahrnehmen? etwas beachten? • Angst haben? • eine Handlung ausführen? • eine Entscheidung treffen? • einen eigenen Fehler entdecken? • Ereigniskorrelierte Hirnaktivität • Elektroenzephalographie (EEG) • Magnetoenzephalographie (MEG) • funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) • Positronenemissionstomographie (PET) • Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) • Vorteile des EEG • direktes Maß der elektrischen Aktivität des Gehirns • hohe Zeitauflösung • unaufwendig, auch außerhalb des Labors einsetzbar

  3. Quellen des außen messbaren Potentials • Viele synchrone Aktionspotentiale in parallelen Neuronen • genauer: extrazelluläre postsynaptische Potentiale • vor allem: Dendriten der Pyramidenzellen •  messbare Ionenverschiebung in Form eines Dipols • Orientierung des Dipols je nach • kortikale Eingangsschicht =Ursprung der Erregung • II: kortikal • IV: subkortikal • Erregungsart • exzitatorisch • inhibitorisch • meist wichtig:exzitatorisch kortikal negativer Pol II III Schandry, 2006, Abb. 26.7

  4. Wikipedia Quellen des außen messbaren Potentials • Radiale versus transversale Dipole • exzitatorisch kortikal radial: negativer Pol • tangential: zwei Pole „ab vom Schuss“ Schandry, 2006, Abb. 26.7 nach Schandry, 2006, Abb. 26.7, modifiziert

  5. evoziertesPotential Spontan-aktivität Mess-ergebnis Ereignis Ereignis – 0.1 0.9 s – 0.1 0.9 s Mittelung N=10 N=200 Ereigniskorrelierte Potentiale (EKP) • Versuchsaufbau: • Stimulus (Ereignis) • Versuchsperson • Reaktion • behavioral • elektrokortikal • Ergebnis: • Überlagerung evozierter und spontaner Aktivität • Auswertung • Mittelung der Messkurven relativ zum Zeitpunkt des Ereignisses

  6. –15 –10 exogen –5 0 5 10 EKP-Komponenten • Minima und Maxima werden mit P (positiv) und N (negativ) bezeichnet unddurchnummeriert. endogen • alternativ: • N100 (ca. 100 ms) • P200 • N200 • P300 (bei 250-600 ms) • exogen / endogen • häufig umgekehrte Auftragung:negativ nach oben endogen Reiz nach Schandry, 2006, Abb. 26.5, modifiziert

  7. Bewusstseinseffekte • Forschungsansatz: Das linke und das rechte Auge liefern im Alltag teilweise widersprüchliche Bilder Kaernbach, C., Schröger, E., Jacobsen, T., Roeber, U. (1999).Effects of consciousness on human brain waves following binocular rivalry, NeuroReport 10/4, 713-716.

  8. Stimuli • Laborsituation: unterschiedliche Schraffuren • Was wird bewusst wahrgenommen? Stimulus ? Perzept • Befund: der Sinneseindruck schaltet alle paar Sekunden um • Abwechselnd dominiert das linke oder das rechte Auge Kaernbach, C., Schröger, E., Jacobsen, T., Roeber, U. (1999).Effects of consciousness on human brain waves following binocular rivalry, NeuroReport 10/4, 713-716.

  9. widersprüchlich konsistent konsistent widersprüchlich konsistent widersprüchlich Änderung Änderung Änderung Änderung konsistent konsistent Manipulation • Je nach aktuellem Perzept wird die Änderung bemerkt oder auch nicht. • Frage: Macht das einen Unterschied?Was geschieht zusätzlich im Gehirn, wenn die Veränderung bemerkt wird? t1 Perzept t2 Kaernbach, C., Schröger, E., Jacobsen, T., Roeber, U. (1999).Effects of consciousness on human brain waves following binocular rivalry, NeuroReport 10/4, 713-716.

  10. konsistent Änderung Änderung konsistent N1 EKP „konsistent / konsistent“ Kaernbach, C., Schröger, E., Jacobsen, T., Roeber, U. (1999).Effects of consciousness on human brain waves following binocular rivalry, NeuroReport 10/4, 713-716.

  11. Änderung N1 „bemerkt“ „unbemerkt“ EKP „widersprüchlich / konsistent“ wider-sprüchlich Änderung konsistent Kaernbach, C., Schröger, E., Jacobsen, T., Roeber, U. (1999).Effects of consciousness on human brain waves following binocular rivalry, NeuroReport 10/4, 713-716.

  12. wider-sprüchlich Änderung konsistent N1 Differenz „bemerkt“–„unbemerkt“ Kaernbach, C., Schröger, E., Jacobsen, T., Roeber, U. (1999).Effects of consciousness on human brain waves following binocular rivalry, NeuroReport 10/4, 713-716.

  13. wider-sprüchlich Änderung konsistent Brain Map „bemerkt – unbemerkt“Zeitpunkt 238 ms N1 Kaernbach, C., Schröger, E., Jacobsen, T., Roeber, U. (1999).Effects of consciousness on human brain waves following binocular rivalry, NeuroReport 10/4, 713-716.

  14. Ursache Wirkung Wirkung Ursache ??? Quellenlokalisation • Voraussetzung • Hohe Elektrodenzahl (64 bis 256) • genaue Kenntnis der Elektrodenpositionen:3D Messsysteme mit Ultraschall oder Infrarot • idealerweise anatomische MRT-Aufnahmen • Problem • „Vorwärtsproblem“ eindeutig lösbar • gegeben die Quellen, wie sieht die Potentialverteilung am Skalp aus? • inverses Problem nicht eindeutig lösbar • gegeben die Potentialverteilung am Skalp,wie viele Dipol-Quellen waren wo wie stark aktiv? • Ockham’s Razor: Lösung mit geringster Zahl von Quellen • oft: symmetrische Quellen unterstellt,außerdem Literaturstudium (plausible Quellen) • Software zur Quellenlokalisation • z. B. BESA (Brain Electrical Source Analysis)

  15. –15 –10 –5 0 5 Reiz 10 Wie schnell tickt das Hirn? • Ereigniskorrelierte Potentialesuggerieren: 10 Hz • Modulare Organisation des Gehirns • Notwendigkeit zur Synchronisationentfernter Hirnareale • Temporaler Code:Oszillationen im Gammaband (ca. 40-Hz) kodieren Zusammengehörigkeit (“binding”) • Aktivität im Gammaband zeigt Interaktionen zwischen Hemisphären an • Aber wo ist sie denn?

  16. – 0.1 0.9 s – 0.1 0.9 s Frequenz [Hz] Zeit [s] Messung induzierter Oszillationen evoziertesPotential Spontan-aktivität Mess-ergebnis • Induzierte Oszillationen löschen sich in der Mittelung wegen Phasenunterschieden • Frequenzanalyse • kontinuierliche Wavelet-Transformationmit Gabor-Wavelets (Morlet) • Im gemittelten Spektrum sind die Oszillationen erkennbar Ereignis Ereignis N=10 N=200

  17. 29-45 Hz 55-71 Hz Rotierende zweideutige Stimuli • Bei Gesichtern gibt es „Vorzugspositionen“, bei denen das Gesicht als solches erkannt wird. erhöhte Gammaband-Aktivität Müller, M.M., T. Gruber, and A. Keil, Modulation of induced gamma band activity in the human EEG by attention and visual information processing. International Journal of Psychophysiology, 2000. 38, 283-299.

  18. EKP vor demEreignis • Bereitschaftspotential • zwei Stimuli • Der 1. Stimulus kündigt an, dass gleich eine Bewegung erfolgen soll • Beim 2. Stimulus soll die Bewegung ausgeführt werden • zwischen den Stimuli stellt sich eine zunehmende Negativität ein • Das Libet Experiment und die Willensfreiheit • Die Versuchsperson soll • zu selbst gewählten Zeitpunkten eine Handlung ausführen (Finger heben) • präzise Messung der Bewegung mit EMG • sich den Zeitpunkt merken, zu dem sie den Entschluss zur Bewegung gefasst hat • Ablesen einer schnell laufenden Uhr • Das Bereitschaftspotential setzt ein • ca. 500 ms vor der Bewegung • ca. 300 ms vor dem willentlichen Entschluss Schandry2006,Abb. 26.6

  19. Literatur Rainer SchandryBiologische PsychologieBeltz Verlag, 2006 (2. Auflage), Kapitel 26. Todd C. HandyEvent-Related Potentials: A Methods HandbookCambridge, Mass.: The MIT Press (B&T), 2004.

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