H7

Question 1

Manipuleren en meten van hersenen en gedrag

Answer 1

• Postmortem onderzoek (obductie), neuropsychologische testen na hersenbeschadiging
• Manipuleren van hersenen en gedrag: DBS, T MS
• Meten van elektrische hersenactiviteit: EEG, MEG
• Anatomische imaging technieken: CT, MRI
• Functionele imaging technieken: fMRl, fNlRS, PET

Question 2

Obductie

Answer 2

Post-mortem kunnen de hersen veel vertellen
- CVA’s
- Meningioom en Glioom (tumor)
- zwarte stof (bijv. Parkinson)

Question 3

Spatiële resolutie

Answer 3

Hoe gedetailleerd worden hersenstructuren weergegeven (mm - cm)

Question 4

Temporele resolutie

Answer 4

Hoe nauwkeurig is de meting in de tijd (ms-s-min)

Question 5

Invasiviteit

Answer 5

Is meten mogelijk vanaf de buitenkant (non-invasief) of moet het (hersen)weefsel worden binnengedrongen (erg invasief)

Question 6

Anatomische vs functionele imaging technieken

Answer 6

• Anatomisch = statisch
• Functioneel = dynamisch

Question 7

Stereotactisch apparaat

Answer 7

Bepaald heel nauwkeurig een precieze locatie in de hersenen
- psychochirurgie (ablatie, laesies, gamma “knife” bestraling)
- deep brain stimulation (Parkinson)

Question 8

Ablatie

Answer 8

Delen weg halen

Question 9

Laesie

Answer 9

Incisie maken en deel uitschakelen

Question 10

Reversibele laesie

Answer 10

Voorkomt dat het omliggende gebied in de laesie komt doormiddel van koelen en lokale toediening van GABA agonist
–> Gebied wordt dan tijdelijk uitgeschakeld ipv blijvend

Question 11

Irreversibele laesie

Answer 11

Blijvende laesie –> brein gaat compenseren (neuroplasticiteit)
- Elektrolytisch = wegbranden dmv. elektroden
- Neurotoxisch = vergiftiging van weefsel via infuus
- High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) = opwarmen weefsel met geluidsgolven

Question 12

Deep Brain Stimulation

Answer 12

Elektrodes geïmplanteerd in de hersenen stimuleren een specifiek gebied met continue laagspanning pulsen van elektrische stroom om gedrag te faciliteren
Bij Parkinson –> gebied van stimulatie = basale ganglia (globus pallidus, subthalamische nucleus)

Question 13

Optogenetica

Answer 13

Manipuleren en meten van neurale activiteit in ‘natuurlijke bewegende’ dieren
–> genetisch manipuleren om op lichtgolven te reageren en dan experimenteren met lichtgolven

Question 14

Transcraniële Magnetische Stimulatie (TMS)

Answer 14

Met een hele sterke magneet de hersenen stimuleren
- 8 vormige spoel waar heel kort een hele sterke stroom doorstroomt (magnetisch veld)
- Het magnetisch veld verstoort de ionen stroom in je hersenen

Question 15

Online rTMS

Answer 15

rTMS tijdens een taak met herhaaldelijke stimulatie

Question 16

Offline rTMS

Answer 16

rTMS voorafgaand aan een taak

Question 17

Single Pulse rTMS

Answer 17

rTMS met tussenpozes van stimulatie

Question 18

Meten van elektrische hersenactiviteit, Vier belangrijke technieken:

Answer 18

• Single-cel recordings –> actiepotentialen
• Elektro-encefalografie (EEG) –> graduele potentialen
• Event-related potentials (ERPs) –> in reactie op stimulus
• Magneto-encefalografie (MEG) –> magnetische activiteit

Question 19

Single Cell Recordings

Answer 19

• Extracellulair –> meten van elektrische activiteit van meerdere neuronen (clusters)
• Intracellulair –> meten van elektrische activiteit van één enkele neuron
  e.g. cellen in auditieve cortex die ‘vuren’ in reactie op lage of hoge tonen
  cellen in de hippocampus die vuren bij betreden van bepaalde plaats in omgeving

NB: belangrijkste nadeel –> voornamelijk geschikt voor ‘kweekneuronen’ (in petrischaaltje) of ‘levende’ coupes (dunne plakjes hersenweefsel) EN Psychochirurgie vereist (invasief) indien toegepast in levend organisme (in vivo)

Question 20

Elektro-encefalografie (EEG)

Answer 20

Meet graduele potentialen (EPSPs en IPSPs) op neuronen met gelijke oriëntatie die tegelijk actief zijn
* + goedkoop
* + non-invasief
* + hoge temporele resolutie
* - lage spatiele resolutie > 1 cm
* - bron van activiteit moeilijk te achterhalen

Hoe hoger de frequentie van het EEG, hoe actiever de hersenen

Question 21

Waarom kan EEG geen actiepotentialen meten?

Answer 21

Potentialen zijn alleen meetbaar op de hoofdhuid als ze gelijktijdig optreden in grote clusters van neuronen (duizenden tot miljoenen)

Actiepotentialen kunnen niet worden gemeten met EEG omdat:
* Actiepotentialen kortdurend zijn (1 ms)
* Neuronen zelden op exact hetzelfde moment ‘vuren’
* Axonen relatief ‘random’ georiënteerd zijn (i.e. liggen niet allemaal in dezelfde richting)

Question 22

Waarom kan EEG wel graduele potentialen meten?

Answer 22

Graduele potentialen kunnen wel worden gemeten met EEG omdat:
* EPSPs en IPSPs meestal langer duren (10’s -100’s ms)
* EPSPs en IPSPs lokaal optreden (i.e. verplaatsen zich niet door een axon)
* EPSPs en IPSPs op dendrieten en cellichamen optreden, en deze staan over het algemeen loodrecht op de oppervlakte van cerebrale cortex

NB: graduele potentialen gemeten op de hoofdhuid reflecteren de som van alle EPSPS en IPSP

Question 23

Event Related Potentials (ERP)

Answer 23

in reactie op stimulus

Question 24

Magneto-encefalografie (MEG)

Answer 24

magnetische activiteit
MEG = magnetische tegenhanger van EEG
* + non-invasief
* + hoge temporele resolutie (-1 ms)
* + hoge spatiele resolutie (2-3 mm)
* - veel duurder dan EEG speciale magnetisch afgeschermde ruimte nodig)
* - bron van activiteit moeilijk te achterhalen

Question 25

Waarom heeft MEG een hogere spatiele resolutie dan EEG?

Answer 25

Magnetische golven ondervinden minder verstoring van hersenweefsel, schedel en hoofdhuid dan elektrische signalen (EEG, ERP)

Question 26

Bronlokatie EEG en MEG

Answer 26

EEG+MEG: eerst activiteit opmeten, dan pas proberen te verklaren wat de bron was **Inverse probleem**: er is geen unieke oplossing voor de waargenomen activiteit --> meerdere bronnen kunnen leiden tot dezelfde activiteit op de hoofdhuid Meest plausibele oplossingen kunnen worden afgeleid op basis van **a priori kennis van hersenfuncties**

Question 27

Histologie

Answer 27

**Kleuren ('stainen') van dunne plakjes hersenweefsel (coupes) --> post-mortem, ex vivo of in vitro** Meer recente technieken werken ook in levend weefsel (in vivo) --> DTI: Diffusion Tensor Imaging

Question 28

Computed Tomography CT

Answer 28

* - lage **temporele** resolutie (1 sec) * + hoge **spatiele** resolutie (1 mm) * + relatief goedkoop * - maakt gebruik van rôntgenstraling (X-ray = invasief) --> kan DNA beschadigen * Geschikt voor lokalisatie van botfracturen, hersentumoren of laesies Mate van stralingsabsorptie hangt af van weefseldichtheid: * Hoge dichtheid (e.g. bot) absorbeert veel straling --> licht/wit op CT scan * Lage dichtheid (e.g. CSV, bloed) absorbeert weinig straling --> donker/zwart op CT * Absorptie van hersenweefsel ligt daar tussenin --> korrelig op CT **NB: met CT kan geen onderscheid worden gemaakt tussen grijze en witte stof**

Question 29

Magnetic Resonance Imaging MRI

Answer 29

Magnetic resonance imaging (MRI) = magnetische tegenhanger van CT * - duur, stilliggen in nauwe ruimte, herrie, langzaam --> MRI: 20-40 min, CT: 5-10 min * - lage temporele resolutie (1-4 sec) * + hoge spatiele resolutie (1-5 mm) * + grijze en witte stof goed te onderscheiden met MRI * + non-invasief (elektromagnetische straling is onschadelijk) **Waterstofatomen** gedragen zich als spinnende staafmagneten in aanwezigheid van een magnetisch veld * Gebieden met veel waterstof (cellichamen): donker op MRI * Gebieden met minder waterstof (axonen): lichter op MRI * Geschikt om hersenweefsel in detail te onderzoeken

Question 30

Diffusion Tensor Imaging (DTI)

Answer 30

* Diffusion tensor imaging (DTI) = MRI methode die **stroomrichting van watermoleculen** detecteert * Water kan relatief vrij bewegen in axonen, maar minder vrij in cellichamen * Gebruikt om (virtuele) afbeeldingen te maken van **zenuwvezelbundels in het centrale zenuwstelsel** (tractussen) en om veranderingen in **myelinisatie van axonen** te monitoren (bijv. Multiple Sclerose)

Question 31

Magnetic Resonance Angiography (MRA)

Answer 31

Magnetic resonance angiography (MRA) = MRI voor imaging van bloedvaten

Question 32

Functionele MRI (fMRI)

Answer 32

fMRl = functionele MRI * - lage temporele resolutie (10 sec) * + hoge spatiele resolutie (1-5 mm) * + non-invasief * Wanneer een hersengebied actief is, neemt de hoeveelheid **bloed, zuurstof en glucose** die naar dit gebied stroomt toe * fMRl meet de veranderingen in hersenactiviteit door de **relatieve verschillen** in bloedtoevoer of stoffen in het bloed te meten (e.g. zuurstof, glucose, ijzer) **NB: zuurstofrijk bloed is minder magnetisch dan zuurstofarm bloed**

Question 33

Functional near infrared spectroscopy (fNIRS)

Answer 33

fNIRS = Functional near-infrared spectroscopy (vorm van optische tomografie) * + goedkoop, non-invasief * + redelijke temporele resolutie (100 ms) * + redelijk hoge spatiele resolutie (1 cm), * - max. diepte is 2 cm dus beperkt tot oppervlakkige lagen * fNlRS gebruikt mate van gereflecteerd infrarood licht om activiteit in hersenweefsel te bepalen * Absorptiespectrum van infrarood licht is verschillend voor zuurstofrijk en zuurstofarm bloed * Door de mate van lichtabsorptie te meten kan het gemiddelde zuurstofverbruik worden bepaald van onderliggende hersenweefsel in cerebrale cortex (zoals fMRl, maar dan oppervlakkig)

Question 34

Positron emission tomography (PET)

Answer 34

PET = Positron emission tomography * + redelijk hoge spatiele resolutie (4-6 mm) * - lage temporele resolutie (2 mins) * - vereist injectie (in bloedbaan = invasief) van kleine hoeveelheid water gelabeld met radioactieve moleculen (= erg duur) * Gebruikt om de metabolische activiteit van hersenweefsel te bestuderen * Radioactieve moleculen zenden positronen uit, deze 'botsen' met elektronen in het hersenweefsel --> hierbij komt gamma straling vrij uit het hoofd --> wordt gedetecteerd met PET scanner * PET scanner detecteert (indirect) bloedtoevoer in hersenweefsel door relatieve verschillen in opname van **zuurstof, glucose en neurotransmitters, en eiwitten** te meten

Question 35

EEG en fNIRS combinatie

Answer 35

* Hoge temporele resolutie (EEG) * Redelijk hoge spatiele resolutie (fNlRS) NB: max. diepte is 2 cm dus beperkt tot oppervlakkige lagen

Question 36

EEG en fMRI combinatie

Answer 36

* Hoge temporele resolutie (EEG) * Hoge spatiele resolutie (fMRl) Vereist MRI compatibele EEG versterkers en elektrodes (relatief duur)