Neuroimaging: Was ist das und wie kann es das Gehirn abbilden?

Einer der Wege, auf denen die Psychologie Fortschritte gemacht hat, war der Einsatz verschiedener Neuroimaging-Methoden. In Bezug auf die Geschichte der experimentellen Psychologie begann die Neurobildgebung mit der kognitiven Revolution. Viele Wissenschaftler erkannten, dass das Verständnis der Einnahme von Medikamenten spielt eine enorme Rolle im äußeren Verhalten. Wissenschaftler verwenden auch bildgebende Verfahren und Techniken zur Vorbeugung, Diagnose und Behandlung verschiedener neurologischer Erkrankungen.

Auch heute haben wir noch kein klares Bild vom gesamten Gehirn an sich. Nicht jedes Netzwerk wurde kartiert, aber wir sind erheblich vorangekommen. Die Entwicklung von nicht-invasiven und invasiven Neuroimaging-Verfahren und deren Einsatz z Forschung und medizinische Zwecke war ein definitiver Durchbruch.

Neuroimaging – Was können wir abbilden?

Wenn man an das Gehirn und das Nervensystem denkt, fallen einem viele Dinge ein, die es zu kartieren gilt. Natürlich haben wir das Gehirn selbst, sein Teile und die Funktionen der anatomischen Funktionen. Wir haben bildgebende Verfahren, die sich genau damit befassen. Trotz der Anatomie gibt es jedoch viele bildgebende Verfahren, die versuchen, die Dinge auf einer mikroskopischeren Ebene zu betrachten.

Wir haben Methoden, die die kortikalen Bereiche des Gehirns anzeigen können. Andere Techniken betrachten kortikale Säulen und verschiedene Schichten. Wir haben Methoden, die eine einzelne Zelle selbst aufzeichnen können. Wenn wir noch weiter gehen, können wir das Soma des Neurons, den Dendriten und separat die Axone betrachten. Wir können sogar die synaptischen Verbindungen zwischen den beiden Neuronen betrachten.

Neuroimaging-Methodenklassifizierung

Auch bildgebende Verfahren umfassen nicht nur die räumliche Auflösung. Wir versuchen, Proteine, Organellen, Bakterien, Säugetierzellen, das Gehirn verschiedener Arten und schließlich menschliche Gehirne. Viele bildgebende Verfahren unterscheiden sich auch durch die zeitliche Auflösung. Sie unterscheiden sich darin, wie schnell sie ein Ereignis erkennen können passiert im Gehirn. Diese bildgebenden Verfahren unterscheiden sich in Millisekunden, Sekunden, Minuten, Stunden und Tagen. Sie unterscheiden sich auch durch die räumliche Auflösung. Einige Methoden können anatomische Strukturen gut darstellen, andere nicht. Abgesehen davon unterscheidet sich die Vielfalt der bildgebenden Verfahren danach, wie nicht-invasiv und invasiv sie sind.

Wenn man sich vorstellen kann, verwenden Wissenschaftler viel mehr nicht-invasive Neuroimaging-Methoden in der Forschung. Nicht viele regelmäßige Teilnehmer stimmen etwas zu, das möglicherweise ihre Gehirnfunktionen verändern kann. Ärzte verwenden viel häufiger invasive Neuroimaging-Methoden, um bestimmte Krankheiten zu behandeln. Verschiedene Patienten mit neurologischen Erkrankungen profitieren täglich von den invasiven neurologischen Methoden. In einigen Fällen sind die Patienten selbst in der Lage, die Stimulationsmethode zu steuern.

Elektrophysiologische Techniken

Seit vielen Jahren wissen wir, dass Neuronen elektrische Potentiale erzeugen können. Wir wissen auch, dass die synaptische Aktivität der Nervenmaterie einer Batterie ähnelt. Es fungiert als elektrischer Generator.

Wenn wir uns an die erste Vorlesung in Physiologie erinnern, die wir belegt haben, können wir uns ungefähr an die Struktur des Neurons erinnern. Worte wie der Zellkörper oder das Soma, Dendriten und ein Axon kommen einem in den Sinn. Dendriten scheinen in der Lage zu sein, elektrische Signale zu empfangen. Axon sendet elektrische Signale an den Dendriten des nächsten Neurons. Der Zellkörper kombiniert die Signale der vorherigen Neuronen. Dann sendet es ein weiteres Signal entlang des Axons für das nächste Neuron.

Innerhalb der Neuronen selbst können wir zwei verschiedene Arten elektrischer Aktivität unterscheiden.

1-Aktionspotentiale

Das Aktionspotential ist ein sehr verbreitetes Konzept, das viele Schüler in ihrer ersten Klasse über das Nervensystem lernen. Der gesamte Vorgang dauert etwa 1 ms und gipfelt in der Freisetzung von Neurotransmittern am Ende der Axone.

• Der Stimulus von einem vorherigen Neuron aktiviert die Spannungsgatter auf Natriumkanälen, die den Zufluss von positiv geladenem Natrium in die Zelle bewirken.
• Dadurch wird die Membran depolarisiert. Manchmal kann die Depolarisation der Membran die Schwelle erreichen.
• Wenn das passiert, passieren eine Reihe von Ereignissen, um das Signal entlang des Axons zum nächsten Neuron zu senden. Das nennen wir ein Aktionspotential.
• Die Kaliumkanäle sind noch geschlossen und da wir Natrium einströmen lassen, wird die Membran innen positiver als außen.
• Danach schließen sich die Kanäle für Natrium und somit stoppt auch der Natriumeinstrom.
• Dann bleiben die Kaliumkanäle offen und das Kalium kommt aus der Zelle und macht das Innere der Zelle noch einmal negativ. Diese Repolarisation des Neurons kann dazu führen, dass die Gesamtspannung unter dem ursprünglichen Ruhepotential liegt
• Dies geschieht dadurch, dass die Kaliumkanäle etwas länger geöffnet bleiben. Dies endet in einer Hyperpolarisation. Während dieser Zeit kann kein neues Aktionspotential entstehen, und das nennen wir eine Refraktärzeit des Neurons.
  • Über Oberflächenelektroden können Wissenschaftler keine Aktionspotentiale aufzeichnen. Bis heute sind wir nicht in der Lage, Potentiale von einem einzelnen Neuron aufzuzeichnen. Was wir aufzeichnen können, ist die zweite Art der elektrischen Aktivität. Wir können jedoch verwenden intrakranielle Elektroenzephalographie (EEG) um sie zu messen, was zufällig eine invasive Technik ist.

2- Postsynaptische Potentiale

Sie dauern Hunderte von Millisekunden und es ist die Addition des Potentials verschiedener Neuronen, die gleichzeitig stattfinden. Gemeinsam können wir die Potenziale erfassen. Forscher können diese Potentiale leicht von Oberflächenelektroden aufzeichnen. Elektroenzephalographie (EEG) kann diese Arten von Potentialen messen.

Letztendlich können wir also zwei Haupttypen von Neuroimaging-Methoden unterscheiden, die die elektrische Aktivität des Neurons messen.

Zwei Haupttypen elektrophysiologischer Techniken

• Single-Cell-Aufnahmen
  • Diese Aufzeichnungen können jede Sekunde eine Reihe verschiedener Aktionspotentiale messen. Die Elektroden werden innerhalb einer einzelnen Zelle oder in der Nähe eines Neurons platziert, was die Technik invasiv macht.
  • Diese Technik kann für Forscher nützlich sein, die verstehen wollen, wie einzelne Zellen funktionieren.
  • Da diese Technik es ermöglicht, einzelne Neuronen zu messen, können wir sehen, wie spezifisch diese Zellen sind.
  • Ein veröffentlichtes Papier besagt, dass einzelne Neuronen auf das Gesicht von Jennifers Aniston feuerten und auf das von niemand anderem. Dieses Niveau der Objekterkennung fällt unter ein sehr hohes Niveau Sehneuronen und das Papier erregten aufgrund einer solch seltsamen Arbeitsweise viel Aufmerksamkeit eines einzelnen Neurons. (1)
• Ereignisbezogene Potenziale (ERP)
  • Diese Aufzeichnungen erhalten die Summe verschiedener elektrischer Potentiale für eine Vielzahl von Neuronen (Millionen von ihnen). Diese Technik platziert Elektroden auf dem Schädel, daher handelt es sich um Oberflächenelektroden.

Elektroenzephalographie & ereignisbezogene Potentiale (ERP)

Da wir jetzt wissen, dass die Gehirn produziert elektrische Potenziale, wir können sie messen. Elektroenzephalographie hilft uns dabei. Wissenschaftler können verschiedene Elektroden auf der Oberfläche der Kopfhaut platzieren und dann die bioelektrische Aktivität messen, die das Gehirn produziert. Ereignisbezogene Potenziale (ERP) sind die Potentiale verschiedener Neuronen, die als Ergebnis verschiedener Stimuli auftreten, die der Wissenschaftler dem Teilnehmer gibt. Reize und Aufgaben, die die Forscher stellen, können von motorisch über sensorisch bis hin zu kognitiv reichen.

So sind die Wissenschaftler in der Lage zu messen, wo und wann die Neuronen als Folge eines bestimmten zugeordneten Stimulus spitzen werden. Forscher konnten verschiedene ERP-Komponenten oder ähnlich verteilte Neuronen finden, die gleichzeitig feuern. Sie fanden verschiedene ERP-Komponenten in Bezug auf Sprache, visuelle Aufmerksamkeit, auditive Komponenten (berühmte Konzepte wie die Mismatch-Negativität) und viele andere.

Andere bildgebende Verfahren

Magnetenzephalographie (MEG)

Neuroimaging-Verfahren beschränken sich nicht darauf, die elektrische Aktivität der Neuronen zu messen. Ein weiteres berühmtes bildgebendes Verfahren des Gehirns ist MEG – es zeichnet Magnetfelder auf. Elektrische Ströme, die bereits in der auftreten Gehirn erzeugt Magnetfelder. MEG ist in der Lage, die Gehirnfunktion direkt zu messen, was ein großer Vorteil im Vergleich zu anderen Techniken ist. Abgesehen davon hat es eine sehr hohe zeitliche Auflösung und eine hohe räumliche Auflösung, die eine der seltensten ist Dinge, wenn es um Gehirn geht Forschung. Normalerweise haben bildgebende Verfahren entweder eine höhere räumliche Auflösung oder eine höhere zeitliche Auflösung, nicht beides.

MEG ist nicht-invasiv. Wissenschaftler können es gleichzeitig mit anderen Neuroimaging-Methoden verwenden – wie dem EEG. Ein großer Nachteil von MEG ergibt sich aus der Tatsache, dass zum Erhalten der Magnetfelder ein spezieller Raum gebaut werden muss, der andere Arten von magnetischen Störungen beseitigt. Aus diesem Grund ist die Maschine ziemlich kostspielig, aber heute eine der besten Methoden zur Messung der Gehirnaktivität.

Andere bekannte Arten der Bildgebung des Gehirns messen keine direkte Gehirnaktivität, haben jedoch eine recht gute räumliche Auflösung und werden häufig für klinische und diagnostische Zwecke verwendet.

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Diese Technik liefert ein Bild der Gehirnaktivität, aber um dieses Bild zu erzeugen, muss radioaktives Material vom Teilnehmer entweder eingeatmet oder injiziert werden. Das Bild wird dann dadurch erzeugt, dass dieses radioaktive Material in die aktiven Bereiche des Gehirns gelangt.

Computertomographie-Scan (CT-Scan)

Diese Technik ist in der Lage, auch Gehirnbilder zu erzeugen. Es kann die Anatomie des Gehirns zeigen, jedoch nicht die Funktionen selbst, was ein schwerwiegender Nachteil ist, insbesondere wenn man bedenkt, dass Röntgenlicht durch den Kopf gehen muss, um das Bild zu erzeugen.

Magnetresonanztomographie (MRT)

Heutzutage eine der gängigsten Techniken. Es gibt ein Bild von anatomischen Strukturen im Gehirn. Es ist nicht-invasiv, aber der Patient muss ruhig in der MRT-Kammer bleiben, was sich für diejenigen, die unter Klaustrophobie leiden, als ziemlich schmerzhaft erweisen könnte. Abgesehen davon können keine metallischen Geräte in die Kammer gelegt werden, so dass viele Patienten und Probanden nicht in der Lage sind, einen Scan zu erhalten.

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)

Ein Upgrade von der MRT – diese Technik erkennt die vom Blutsauerstoffgehalt abhängigen Kontrastmittelwerte (BOLD) im Gehirn, das sind die Veränderungen im Blutfluss, und es gibt nicht nur die anatomischen Strukturen, sondern auch die Funktionen auch. Verschiedene Farben ändern sich je nachdem, welcher Teil des Gehirns ist aktiv. Der große Nachteil dieser Technik ist die Tatsache, dass sie nicht direkt die Gehirnaktivität misst, sondern das BOLD-Signal, sodass wir nicht mit Sicherheit sagen können, dass die Aktivität, die wir durch fMRI-Studien finden, vollständig genau ist und von Neuronen erzeugt wird.

Diffusionstensor-Bildgebung (DTI)

Eine Technik, die auf MRT basiert und die misst Art und Weise, wie das Wasser durch die weiße Substanz im Gehirn wandern kann. Es kann die Aktivität als anzeigen farbig Bereich auf dem Bild. Es ist sehr gut bei der Erkennung von Gehirnerschütterungen und kann daher in klinischen Anwendungen eingesetzt werden, was ein großer Vorteil ist. Auch hier misst es keine direkte Gehirnaktivität, was ein großer Nachteil ist, und manchmal verzerrt es auch die Bilder. DTI hat eine ziemlich niedrige räumliche Auflösung.

Transkranielle Magnetstimulation (TMS)

Das elektrische Feld, das TMS erzeugen kann, kann die im Gehirn stattfindenden Aktionspotentiale stören. Es handelt sich um eine hochinvasive Technik, die in Forschungsanwendungen für die Funktionsweise vieler Krankheiten und Pathologien eingesetzt werden kann. Was wir wissen, ist, dass sich wiederholendes TMS produzieren kann Anfälle Offensichtlich hat es einige Nebenwirkungen und muss mit Vorsicht verwendet werden.

Neuroimaging - Neue Entwicklungen in den Neurowissenschaften

Heutzutage werden neue bildgebende Verfahren und bildgebende Verfahren des Gehirns entwickelt, und vielleicht werden wir schon bald in der Lage sein, nicht nur die gesamten anatomischen Strukturen des Gehirns abzubilden, sondern auch Funktionen. Dies sind derzeit die meisten bildgebenden Verfahren, die in der kognitiven Neurowissenschaft eingesetzt werden. Vielleicht werden wir in ein paar Jahren in der Lage sein, eine kostengünstige Neuroimaging-Technik zu entwickeln, die sowohl eine hohe räumliche als auch zeitliche Auflösung hat und für die Teilnehmer nicht invasiv ist!

Referenzen

Quiroga RQ, Reddy L, Kreiman G, Koch C, Fried I. Invariante visuelle Darstellung durch einzelne Neuronen im menschlichen Gehirn. Natur [Internet]. 2005;435(7045):1102–7. Verfügbar unter: http://www.nature.com.zorac.aub.aau.dk/nature/journal/v435/n7045/abs/nature03687.html%5Cnhttp://www.nature.com.zorac.aub.aau .dk/nature/journal/v435/n7045/pdf/nature03687.pdf