VL 1 - Elektrophysiologie (EEG und MEG)

Question 1

Was sind mentale Repräsentationen und was sind neuronale Repräsentationen?

Answer 1

Mentale Repräsentationen:
- Die Art, in der Eigenschaften der Umwelt (wie Farben, Objekte, Bewegung) durch ein kognitives System kopiert/simuliert werden
- Unsere innere Welt und die Wahrnehmung davon auf der kognitiven Stufe

Neuronale Repräsentationen:
- Die Art, in der sich Eigenschaften der Umwelt in neuronalen Signalen (wie unterschiedliche Feuerraten von Neuronen) manifestieren
- Die gleichen Wahrnehmungsprozesse, aber auf neuronalen Stufe

Typischerweise keine 1-zu-1 Zuordnung der beiden

Question 2

Was bedeutet Einzelzellableitung?

Answer 2

• Invasive Methode
• Eine Elektrode wird entweder in Axon (intrazellulär) oder außerhalb der Axonmembran (extrazellulär) implantiert
• Die Aktivität einer einzelnen Zelle oder mehrerer Zellen (im räumlichen Nähe von der Elektrode) wird gemessen
• Es besteht typischerweise keine Stimulation, sondern werden die Aktionspotenzielle gemessen

Question 3

Was sind die zwei Methoden der Einzelzellableitung? Wo und was für Elektrode können platziert werden?

Answer 3

• Depth-electrodes (Tiefenelektroden) –> Subkortikale Regionen, die tief im Gehirn gehen
• Multi-electrode Grid (Elektrodennetz) –> Kortikale Regionen, die im oberen Teil des Gehirns implantiert werden (ein ganzes Bereich des Kortex gemessen)

Question 4

Gibt es eine Hierarchie in der Verarbeitung von Information (z.B. visuelle Reize)?

Answer 4

Ja
Im visuellen System gibt es eine Hierarchie der Verarbeitung
- Antworten von Zellen werden komplexer, je höher diese in der Hierarchie liegen
- Die hypothetische “Grandmother cells” stehen ganz oben und antworten auf ganz spezifische Reize

Question 5

Was sind die drei Möglichkeiten der neuronalen Repräsentation? (Neuronale Codes)

Answer 5

1) Lokale Repräsentation - Alle Informationen über einen Reiz befinden sich in einem Neuron (z.B. Grandmother cell) (1 von 9)

2) Vollständig verteilte Repräsentation - Information über Reiz befindet sich verteilt in allen Neuronen einer Population (9 von 9)

3) Teilweise verteilte Repräsentation - Information über Reiz befindet sich verteilt in einem Teil der Neuronenpopulation (4 von 9)

Question 6

Antworten alle Zellen auf verschiedene Reize aus der gleichen Kategorie?

Answer 6

Ja
Zellen antworten meist auf verschiedene Reize der gleichen Kategorie (jedoch unterschiedlich stark), aber sie können auch auf einen spezifischen Reiz besonders viel reagieren

Bild von “Big Ben” –> Zell A und C reagieren sehr schwach, Zell B reagiert sehr stark, Zell D reagiert nicht (alle aus der gleichen Neuronenpopulation)

Question 7

Wie sieht die Erkennung von einem Objekt auf neuronaler Ebene? (Neuronale Codes)

Answer 7

Die Feuerrate kodiert, welches Stimulus jetzt dargestellt worden ist
- Eine Zelle oder Neuronpopulation, die zuständig für die Erkennung eines Gesichts ist, feuert mit einem sehr hohen Frequenz, wenn das Gesicht dargestellt wird (die Feuerstärke ist die gleiche, die Feuerfrequenz ist aber stark)

Question 8

Was sind die zwei Arten von neuronalen Kodierung?

Answer 8

1) Rate coding: Die Feuerrate kodiert, welches Stimulus jetzt dargestellt worden ist
- Wenn z.B. ein bestimmtes Gesicht dargestellt wird, das Neuron oder Neuronpopulation, die für die Erkennung verantwortlich ist, feuert sehr häufig (nicht stärker sondern häufiger Auslösen)

2) Temporal coding: Die Synchronizität mehrerer Neuronen (oder Neuronenverbände) kodiert Information
- Information kann durch die zeitliche Auslösung von Ak.ps kodiert werden

Question 9

Was ist die Definition von Elektroencephalogramm (EEG)?

Answer 9

Die Messung von elektrischer Aktivität in der Oberfläche des Gehirns durch Elektroden auf dem Schädel

Question 10

Von wem, in welchem Jahr wurde das EEG entwickelt und was sind die wichtigsten Meilensteine?

Answer 10

Entwickler: Hans Berger
- 1902: erste Experimente in Hunden und Katzen
- 1924: Entwicklung einer Methode zur Ableitung der Hirnaktivität in Menschen
- 1930: Erste Beobachtung veränderter EEG-Aktivierung bei Tumor- und Epilepsiepatienten
- 1958: Entwicklung eines standardisierten Verfahrens zur Lokalisierung von Elektroden auf dem Kopf (10-20-System)
- 1989: Erstes digitales EEG

Question 11

Was ist die Platzierung der Elektroden auf dem Kopf?

Answer 11

• Elektroden in Kappen auf Kopfhaut fixiert
• Bis zu max. 256 Elektroden
• Einzelne Elektroden an den Augen, weil Augenbewegungen und Blinks zu Artefakten führen -> Damit sie später korrigiert werden können

Question 12

Was ist das 10-20-System nach Jasper für Platzierung der Elektroden?

Answer 12

Den Kopf entlang sind 100% –> 10% - 20% - 20% - 20% - 20% - 10% –> in der Mitte steht der Vertex Cz (der zentrale Elektrode, auf der Hälfte der Sträke zwischen Nasion und Inion)
- Zusätzliche Referenzelektroden Mastoiden, Ohrläppchen

Question 13

Misst das EEG einzelne APs oder Dipolen einer Neuronenpopulation?

Answer 13

Keine Messung von Aktionspotentialen (da sie einen zu schwachen Signal auslösen)
Mit EEG messen wir die Dipolen einer Neuronenpopulation, die an der Kopfoberfläche sich sammeln

Question 14

Was bedeutet ein Dipol?

Answer 14

Dipol: eine Trennung von Aufladung durch Distanz
- Das passiert, wenn beide Ende des Neurons eine gegenteilige Aufladung haben
- IPSPs und EPSPs führen zu einer Trennung von Aufladung durch Distanz (im Neuron)
- Das ist tatsächlich was wir mit EEG messen

Question 15

Was sind die zwei primäre Anwendungsfelder in den kognitiven Neurowissenschaften von EEG?

Answer 15

1) Ereigniskorrelierte Potentiale (EKPs) “Event-related potententials”

2) Analyse oszillatorischer Aktivität

Question 16

Was bedeutet Ereigniskorrelierte Potentiale (EKP) - EEG?

Answer 16

Eine EEG-Messung, die zeitlich mit einem Ereignis verbunden ist (time-locked) und die über viele Trials gemittelt wird (um den Effekt von Rauschen im Signal zu reduzieren)

• Die Verarbeitung von der Aufgabe ist mit spezifischen positiven oder negativen Ausschläge assoziiert
• Die verschiedenen Amplitude der Ausschläge stehen mit verschiedenen Aspekten der Aufgabe in Beziehung

Question 17

Warum werden so viele Trials in EEG gemittelt?

Answer 17

1) Um den Rausch und zufällige Aktivierung zu reduzieren
2) Um der aktivitätbezogene Signal zu verstärkern

Question 18

Was bedeutet ein EKP-Komponent?

Answer 18

Eine EKP-Komponente ist ein positiver oder negativer EEG-Ausschlag

Charakterisiert durch:
- Amplitude
- Latenz
- Skalpverteilung

Eine Komponente muss reproduzierbar (tritt in verschiedenen Menschen und unterschiedlichen Kontexte auf) und manipulierbar (konsistent veränderbar durch experimentelle Manipulation) sein

Question 19

Gibt es eine 1-zu-1 Einordnung zwischen kognitive Aufgaben und EKP-Komponenten?

Answer 19

Nein
Komponenten entsprechen unter Umständen verschiedenen kognitiven Verarbeitungsstufen, aber KEINE 1-zu-1 Einordnung, weil nur eine Summe der elektrischen Aktivität gemessen wird
- Verteilte Netzwerke: Ein Bereich ist Verbunden mit mehreren und ist auf ein einzelnen Komponent nicht erkennbar
- Überlappung von EEG-Signalen: Viele Bereiche sind an verschiedenen kognitiven Aufgaben beteiligt und die Signalen überlappen sich, was die klare Einordnung Aktivität-Bereich erschwert
- Variabilität zwischen Individuen

Question 20

Was sind die zwei Typen von EKP-Komponenten?

Answer 20

Exogen: durch externen Stimulus ausgelöste Komponente

Endogen: durch internen Stimulus/Aufgabe ausgelöste Komponente

• Der Unterschied ist nicht immer eindeutig

Question 21

Was sind die Vor- und Nachteile der EKPs?

Answer 21

1) Veränderung in Dipolen spiegelt direkt neuronale Aktivität wider (im Gegensatz zu z.B. fMRT, wo es indirekt gemessen wird)

2) Änderung in den Dipolen sind sofort an der Schädeldecke messbar –> exzellente zeitliche Auflösung

3) Räumliche Quelle des gemessenes Signals kann nicht genau bestimmt werden –> schlechte räumliche Auflösung

4) Weniger sensitiv für tiefere Regionen (subkortikal)

5) „Forward problem“: Rückschluss von Dipol-Verteilung auf
Potentialveränderungen an der Schädeldecke –> kein Problem

6) „Inverse problem“: Rückschluss von Potentialveränderungen an der Schädeldecke auf Dipol-Verteilung –>keine eindeutige Lösung.

Question 22

Was sind 4 sehr bekannte EKP-Komponenten?

Answer 22

N1/P1 - frühe aufmerksamkeitssensitive Komponenten
P300 - sensitiv für verhaltensrelevante Ziele
N400 - semantische Verarbeitung
ERN (Error-related negativity)

Question 23

Was macht die EEG Oszillation als eine Messmethode?

Answer 23

Die Oszillation - трептене

Die Wellenfrequenzen, Delta, Theta, Alpha und Beta, messen die Hirnaktivität der Neuronenverbände, die oft synchron feuern.

Die Unterschiedliche Wellenfrequenzen messen unterschiedliche Aktivierung

Question 24

Wie funktioniert die EEG Oszillation? Was ist die Fourier-Transformation?

Answer 24

Das komplexe EEG-Signal wird in den unterschiedlichen Frequenzkomponenten (Sinus/Cosinus) zerlegt. Die zerlegten Signals werden dann in einem Power-Spektrum zusammengefasst

Question 25

Was macht die Magnetoencephalographie (MEG)?

Answer 25

Messen von magnetischen Korrelaten von neuronalen Aktivitäten
Erfasst werden magnetische Signale, die durch die elektrische Aktivität des Gehirns hervorgerufen werden
- Für das MEG Signal sind eher die intrazellulären Ströme entscheidend

Question 26

Was ist der Bezug zwischen Elektrizität und Magnetism?

Answer 26

Magnetisches Feld umgibt stromdurchflossenen Leiter –> Feldlinien verlaufen senkrecht zur Stromrichtung

Question 27

Was sind die Unterschiede in Signal zwischen EEG und MEG?

Answer 27

EEG: basiert eher auf Signalen von senkrecht zum Schädel orientierten Pyramidenzellen

MEG: basiert eher auf Signalen von tangential zum Schädel orientierten Pyramidenzellen

Question 28

Wirken Gewebe auf das MEG Signal mehr im Vergleich zu EEG Signal?

Answer 28

Nein, das MEG Signal ist von den umgebenden Substanzen unbeeinträchtigt
Das Signal wird weniger von den Geweben gestört, die sich zwischen Spulen und Signal befinden

Question 29

Hat das MEG eine bessere räumliche Auflösung?

Answer 29

Ja
Räumliche Ausbreitung des Signals bei MEG geringer –> bessere räumliche Auflösung

Question 30

Wovon hängt die Stärke des MEG Signals ab?

Answer 30

Signalstärke hängt ab von 1) Distanz zur Quelle und 2)
Orientierung des Magnetfeldes ab –> stärkste Signale bei
naher Quelle und tangential aus dem Schädel austretenden
Feldlinien

Question 31

Was sind die drei Analysen der MEG?

Answer 31

1) Event-related Magnetic Fields (Analog zu EKPs)

2) Oszillatorische Aktivität

3) Dipol-Modellierung (wie beim EEG), um Dipol-Lösungen zu vergleichen

Question 32

Erkläre das “Forward Problem” und das “Inverse Problem” in EEG?

Answer 32

1) Forward Problem - Wenn ich weiß, wo die elektrische Aktivität im Gehirn stattfindet, wie würden die entsprechenden EEG-Signale auf der Kopfhaut aussehen?

2) Inverse Problem - Wenn ich die EEG-Signale von der Kopfhaut aufgezeichnet habe, kann ich herausfinden, woher die elektrische Aktivität im Gehirn stammt?