GRUNDLAGEN Dipol einer Pyramidenzelle

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FoV – Methoden der BioPsy II
PD Dr. Thomas Weiß
15-04-2003
Anja Koch
MAGNETOENCEPHALOGRAPHIE - GRUNDLAGEN
GRUNDLAGEN: PHYSIOLOGIE - DIPOLSTRUKTUR DES NEOKORTEX
Dipol einer Pyramidenzelle:
Afferente Impulssalve aus Thalamus oder anderen Kortexgebieten strömen als erregendes
postsynaptisches Potential an den apikalen Dendriten.
Stromsenke: Stromeintritt
→ IZR der apikalen Dendriten: die Kationen fließen ins Zellinnere bzw. von der darüber
liegenden EEG-Elektrode weg Richtung Zellsoma
→ EZR der apikalen Dendriten: negativ = negatives Feldpotential, weil Ionen+ in die
Dendriten strömen
Stromquelle: Stromaustritt
Extrazellulär fließt der Strom von Stellen geringer Depolarisation (Soma) in Richtung
Depolarisation (apikale Dendriten) = passiver Strom, der von den Elektroden erfasst wird =
Volumenströme
Folge: Phasenumkehr zwischen Soma und apikalen Dendriten = Dipol
Das EEG misst die extrazellulären Volumenströme. Aber diese Ströme nehmen den Weg des
geringsten Widerstandes. Ihre Wege können dabei über weiße Substanz, Hirnhäute, Knochen
zurück zur Stromsenke verlaufen. Durch die unterschiedliche Leitfähigkeit dieser Strukturen
ist eine exakte Dipolbestimmung nicht möglich, Signale können „verschmieren“ und eine
Interpretation ist erschwert.
Alle experimentellen Fragestellungen und Analysen die mittels EEG bearbeitet werden,
können auch mit dem MEG durchgeführt werden.
Jede Bewegung elektrischer Ladungen generiert ein Magnetfeld. Mit dem MEG werden diese
Aktivität von Stromsenken und -quellen gemessen.
GRUNDLAGE BIOMAGNETISCHER UNTERSUCHUNGEN
Besonderheiten des MEGs
Rechte-Hand-Regel:
Die Richtung des Magnetfeldes um einen stromdurchflossenen Leiter
lässt sich durch die sog. R-H-R bestimmen. Der Daumen zeigt in die Stromrichtung, die
Finger entsprechen der Richtung der Feldlinien.
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Radiär versus tangential angeordnete Dipole:
Nur tangentiale Dipole erlauben es, ein magnetisches Feld zu produzieren, welches außerhalb
des Schädels messbar ist
Radiär / vertikal:
- Überlagerungen
- Magnetisches Feld baut sich unterhalb
der Schädeldecke auf (extern kein
messbares magnetisches Feld)
Tangential / parallel:
- Parallelität
- Magnetisches Feld außerhalb der
Schädeldecke messbar (über senkrecht
zum Schädel angeordnete Sensoren)
MEG: Messung der magnetischen Ströme, die aus den intrazellulären Strömen heraus
entstehen und die als Stromdipol (aktive Quelle des neuromagnetischen Feldes) von den
parallel zur Hirnoberfläche ausgerichteten NZ ausgehen. Bei Annahme eines kugelförmigen
Kopfes wird das messbare Magnetfeld ausschließlich durch IZ-Strömen bestimmt
BIOMAGNETISCHE FELDER
Stärke der vom menschlichen Körper erzeugten Magnetfelder:
- kardiomagnetische Felder: 10 pT;
- neuromagnetische Felder: 10-100fT
[piko = p = 10-12 T; femto = f = 10-15 T; 10-12= Billionstel
T = Tesla; Einheit der magnetischen Induktion, magnetischen
Flussdichte „Stärke des Magnetfeldes“]
Diese vom Körper erzeugten Magnetfelder sind um 9-11 Größenordnungen schwächer als die
Magnetfelder, die in der natürlichen Umgebung vorkommen.
Kann man diese schwachen Felder trotz der uns umgebenen starken Magnetfelder messen?
Ziel ist die Registrierung extrem schwacher Magnetfelder, wobei Umgebungsstörungen soweit
zu reduzieren sind, dass ein verwertbares Signal zur Verfügung steht.
METHODIK ZUR REGISTRIERUNG BIOMAGNETISCHER FELDER IM MEG
SQUIDs (Superconducting quantum interference device = supraleitendenden
Quanteninterferonmeter) = Kernstück des MEGs, welches die Aufzeichnung der
biomagnetischen Signale ermöglicht
Magnetfeldsensoren mit supraleitenden Flussdetektoren bieten höchste Auflösung für auf
Quanteneffekten beruhende Verfahren. Sie dienen der absoluten Messung des magnetischen
Flusses
Quantenmechanik: Theorie über die Bewegung und Wechselwirkungen mikrophysikalischer
System (Elementarteilchen, Atome, etc.); wobei die Teilchen über Wellenfunktionen definiert
werden;
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Normalerweise reagieren Elektronen sehr empfindlich aufeinander und sind durch angelegte
Spannung leicht ablenkbar bzw. wechselfreudig. Mittels bestimmter Effekte könne sie in ihrer
Reaktivität gebannt werden.
Meißner-Ochsenfeld-Effekt: Kühlt man einen Supraleiter (bestimmte Metalle, Metalloxide
oder Keramikverbindungen) in Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes ab, so verliert dieser
unterhalb einer Sprungtemperatur seinen Ohmschen Widerstand und drängt ein Magnetfeld
aus sich heraus. Mit der Sprungtemperatur (Materialkonstante) verliert sich der elektrische
Widerstand. Durch stabile Elektronenpaare (COOPER-Paare), kann ein verlustfreier Strom
(ohne Widerstand) ohne eigenes Magnetfeld fließen.
Josephson-Effekt: Wird an einem Supraleiter mit Josephson-Kontakten ein äußeres
Magnetfeld angelegt fließt ein spannungsloser Strom, welcher eine Messung des betreffenden
Magnetfeldes ermöglicht.
Mit magnetfeldfreien Supraleitern gelingt die Registrierung extrem schwacher biomagnetische
Felder, die vom menschlichen Hirn ausgesendet werden.
SQUIDs:
Aufgrund der Abkühlung auf ca. 4,2 K (Nähe des absoluten Nullpunktes) mittels flüssigen
Heliums entsteht eine praktisch unbegrenzte elektrische Leitfähigkeit (widerstandsloser
Stromleiter ohne eigenes Magnetfeld).
Ein SQUID besteht aus einem Supraleiterring, der durch 2 Josephson-Kontakte unterbrochen
ist. Über die Josephson-Kontakte ist ein Tunneln der Elektronen möglich. Die Elektronen
können als Cooper-Paare (= stabile Elektronenverbindung; quantenphysikalisch als Wellen
definiert) von einem Josephson-Kontakt zum anderen springen (= Tunneleffekt), ohne ihre
supraleitende Fähigkeit zu verlieren (= messbarer quantenmechanischer Tunnelstrom =
kritischer Strom = Interferenzphänomen der Cooper-Paare/Wellen). Dieser kritische Strom
reagiert periodisch auf kleinste Änderungen durch ein äußeres Magnetfeld.
Die Stärke des Tunnelstroms hängt von der Stärke des Magnetfeldes ab, das den Ring
durchdringt. SQUIDS dienen somit als Magnetometer der absoluten Messung des
magnetischen Flusses und der Lokalisation von Magnetfeldquellen.
Supraleiter 1. Art: Kühlung mit Helium, bei 4,2 K
Supraleiter 2. Art: Kühlung mit flüssigem Stickstoff, bei130 K
Um die Empfindlichkeit der SQUIDs weiter zu erhöhen, wird es induktiv mit einer
supraleitenden Aufnahmespule, die einen größeren Durchmesser aufweißt, gekoppelt. Die
Aufnahmespulen sind so angeordnet, dass sie die senkrecht zur Schädeloberfläche stehenden
Komponenten des Magnetfeldes erfassen.
Beim Ganzkopf-MEG befinden sich in einem helmartigen Kühlgefäß, Dewar, (±) 150
supraleitende Aufnahme-Spulen, halbkugelförmig um die Kopfoberfläche herum angeordnet.
Der zu registrierende magnetische Fluss wird von den Supraleitenden Induktionsspulen
aufgenommen und in die SQUID-Detektoren eingekoppelt. Das Messsystem befindet sich in
einem Isolierbehälter, in dem das flüssige Helium die Supraleitung bei einer Temperatur von
4,2 K aufrechterhält.
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Geräteaufbau des MEGs:
- Dewar (Vakuumisolierter Behälter für kryogene Flüssigkeiten, z.B. flüssiges Helium
mit einer Temperatur von 4,2 K;
- (±)1 150-kanalige Ganzkopfsysteme = Multikanalanlage vom Helmtyp; früher gab es
Eindewardsysteme bzw. Zweidewardsysteme mit entsprechend deutlich weniger
Kanälen
- (±) 150 Registrierspulen (supraleitende Antennenspulen, pick-up coils) die extern,
senkrecht zur Schädeloberfläche, den SQUIDs vorgeschaltet sind und deren
Empfindlichkeit auf 10-15T erhöhen
- SQUIDs und SQUID-Technik
- Gradiometer (in Reihe geschaltete Registrierspulen, die Störungen aus
Umgebungsfeldern eliminieren
- Abschirmungskammer
Ausschaltung von Störfaktoren (wie Erdmagnetfeld, elektrische Versorgungsnetze; etc.):
- Abschirmungskammer mit Großraumabschirmung: dient der magnetischen und
elektrischen Störfeldunterdrückung
(a) active shielding: über Magnetspulen können störende Magnetfelder kompensiert
werden
(b) passive shielding: Kammerwände aus mehrschichtigem Metall, FrequenzAbschirmung über Cu oder Al
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Gradiometer: Antennensystem zur Reduzierung von Störpegeln; bestehend aus zwei
gegenläufig gewickelte supraleitende Spulen
Gradiometer-Prinzip:
Grundlage ist, dass die Quellen der Störfelder relativ weit vom Gradiometer entfernt
liegen und ein quasi homogenes Störfeld an den Gradiometer liefern. Dagegen liegen
inhomogene, dipolartige neuromagnetische Quellen nah an den Antennen.
Es erfolgt eine Messung des gesamten magnetischen Flusses. Mittels der
Aufnahmespulen, die in Reihe den SQUIDs vorgeschaltet werden, findet eine
gegenseitige Aufhebung der homogenen magnetischen Felder aus relativ weit
entfernten Quellen und eine Verstärkung der nah liegenden neuromagnetischen Felder
statt.
„Metallfreie“ Probanden
Parallele EEG-Aufzeichnung: „saubere“ Silberchlorid-Elektroden (kalt gepresst, ohne
Lötstellen)
Kosten-Nutzen?
- Analog zu den elektrischen Potentialen können Frequenzbänder und ereigniskorrelierte
magnetische Felder (EF, ERF) ermittelt werden.
- Brain-Mapping / Grundlagenforschung:
(...tonotope Karte im auditorischen Kortex, motorischer und sensorischer Homunkulus,
Sprachareale,...)
- Prächirurgisches Brain-Mapping:
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Je nach technischer und qualitativer Ausstattung der elektrophysiologischen Labors kann die Anzahl der im
Versuch verwendeten Spulen deutlich höher sein.
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Darstellung von Arealen vor der Epilepsieherd- oder Tumorresektion bei verstrichenen
Gyri und Sulci
Komponentenauswertung durch Überlagerung:
Kombination aus MRT und MEG = zeit- und ortgetreue Darstellung der
Magnetfeldquellen in morphologischen Strukturen;
(a) MRT: Kopfoberfläche wird mit zweimal 5 Punkten über entsprechenden
Kopfregionen gekennzeichnet (Vitamin E Kapseln); auf dem MRT-Bild deutlich
sichtbar
(b) MEG: gleiche stellen werden mit Sets aus je 3 orthogonalen Spulen markiert;
relative Lage der Spulen werden über Lokalisationsprogramme den supraleitenden
Antennen automatisch zugeordnet (= Gradiometer-SQUID-Anordnung)
QUELLENANALYSE
Bsp.: Akustisch evoziertes neuromagnetisches Feld im Positionsplot
31-kanaliger Positionsplot:
→ Ortsabhängigkeit
→ M100 (100 ms nach Stimulus)
Isomagnetische Feldlinien M100 des AEF
- Position der Mittelpunkte der
Antennenspulen
- durchzogenen Linien: positive Feldwerte
- gestrichelte Linien: negative Feldwerte
- Felddifferenz zwischen 2 benachbarten
Linien
- dipolartige Feldverteilung mit
Maximum, Nulllinie, Minimum
AUSWERTEALGORHITHMEN
...sind für Signalanalyse und -verarbeitung von außerordentlicher Bedeutung unter Beachtung
von...
- Quellenmodelle (Dipol, Multidipol, Multipol, Stromdichteverteilung)
- Volumenleiter (Halbraumkugel, Kugel, mehrschalige Kugel, Ellipsoid, realistische
Volumenleiter)
- Kopfmodelle (symmetrisch, bei unsymmetrisch gehen auch Volumenströme bzgl.)
werden sie berechnet.
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Modellierung und Lokalisation bioelektrischer Aktivität
1.
Definition des Volumenleiters Kugelmodelle:
homogene Kugel oder 4-Kugelschalenmodell
2.
Festlegung der elektrischen Quelle:
3.
Vorwärtsproblem:
Überlagerungen durch Beiträge verschiedener Magnetfelder
4.
Inverseproblem:
Berechnung des Ortes und der Richtung der Quellen nicht eindeutig möglich
Quellenmodell
Versuch, bestimmte Feldverteilungen möglichst gut zu bestimmen
Beitrag bzgl. aufgeklärter Varianz durch einen Dipol, Multidipol oder Multipol.
Dipol:
- Vereinfachung des Hirns und der elektrischen Strukturen
- Magnetisches Feld wird durch eine Quelle erklärt = Punktquelle
- Ohne Aussage über umgebendes Gewebe
Kopfmodelle und Volumenleiter
Kugelmodelle zur Modellierung des menschlichen Kopfes (homogene Kugel, 4-Kugelschalen)
= grobe Vereinfachung
→ Einführung realistischer Modelle (MRT-Aufnahmen)
→ in unsymmetrischen Kopfmodellen leisten auch die Volumenströme einen Beitrag zum
gemessenen Magnetfeld.
GESAMTURTEIL:
- nicht invasiv, gute zeitliche und örtliche Darstellung von elektrophysiologischen
Hirnprozessen, kostenintensiv & aufwendig Literatur
Birbaumer, N. & Schmidt, R. F. (2003). Biologische Psychologie. Heidelberg: SpringerVerlag
Rieger, J. (2000). MEG-Untersuchung zur Maskierung und Vorhersage der Wiedererkennung
natürlicher Szenen. Dissertation - Universität Tübingen
Rösler, F. (Hrsg.). Enzyklopädie der Psychologie – Biologische Psychologie.
Themenbereiche: C.1.1; C.1.4; C.1.5.
Sato, S. (1990). Advances in Neurology. New York: Raven Press
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Weitere interessante www-Adressen:
http://www.math.uni-muenster.de/cs/u/flyer/research/cowan98/node2.html
http://www.talessin.de/scripte/mi/biosig.html
http://iva.uni-ulm.de/PHYSIK/VORLESUNG/elehre/node119.html
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