Magnetenzephalographie

Methoden der kognitiven
Neurowissenschaften
Magnetenzephalographie
Email: [email protected]; Telefon (bevorzugt): 0341 9940 2606
Leipzig • 2013-05-24
MEG
Magnetenzephalographie
Magnetenzephalograph
Magnetenzephalogramm
=
MEG
Leipzig • 2013-05-24
Methodenübersicht
Quelle: Courtesy of J. Obleser
Leipzig • 2013-05-24
Wie sieht so ein Magnetenzephalograph aus?
Leipzig • 2013-05-24
Magnetenzephalograph
 Hersteller: Elekta-Neuromag,
Helsinki, Finnland
 306 Kanäle an 102 Positionen
+ 128 EEG Kanäle (max.)
 Sitz- oder Liegeposition
 max. 4000 Hz sampling
 Helmartige Anordnung
Quelle: Elekta Neuromag Vectorview
Leipzig • 2013-05-24
Elektroenzephalographie am Menschen
Hans Berger, 1920er Jahre:
Elektrische Aktivität des Gehirn (Enzephalon)
kann non-invasiv erfasst werden.
 EEG
Quelle: Berger, 1929; http://de.wikipedia.org/wiki/Hans_Berger_(Neurologe)
Leipzig • 2013-05-24
… zum Magnetfeld
 Wo ein Strom fließt, wird auch ein Magnetfeld erzeugt
 Was passiert also magnetisch beim neuralen Stromfluss?
Leipzig • 2013-05-24
Zur Wiederholung: Entstehung des EEG
“Bei synchroner Depolarisation vieler Pyramidenzellen summiert sich
der resultierende extrazelluläre Stromfluss zum EEG, und zwar zu
einer Oberflächennegativierung” (Elbert et al., p. 197)
Leipzig • 2013-05-24
Magnetisches Feld im Gehirn
 Postsynaptische Potentiale (PSP)
 Einzelzelle: 0,2 pAm
10 nAm : 50.000 Zellen
 Aktionspotential wird (in aller
Regel) nicht gemessen
Quelle: Courtesy of B. Maess
Leipzig • 2013-05-24
Was wird gemessen?
 MEG misst vor allem die sog.
primary currents
 EEG misst primary und seconday
currents
Quelle: Baillet, 2001
Leipzig • 2013-05-24
Erste MEG-Messung am Menschen
 D. Cohen 1968, 1972
Quelle: Cohen, 1968, 1972
Leipzig • 2013-05-24
Warum MEG?
Leipzig • 2013-05-24
Warum MEG?
 Lokalisation der neuralen Quellen im Gehirn
 Hohe zeitliche Auflösung (< ms), wie auch im EEG
 Non-invasives Verfahren
 Lokalisation (in der Regel) einfacher/besser als im EEG,
weil das Magnetfeld wenig gestört wird durch Kopfgewebe
Leipzig • 2013-05-24
Vom Einkanal- zum Ganzkopfsystem
2005
1
Quelle: Courtesy of B. Maess
Leipzig • 2013-05-24
7
24 - 37
122
300
Vom Gehirn erzeugte Magnetfelder
 Magnetfeldstärken werden in
Tesla gemessen
-12
 10
-15
 10
Quelle: Courtesy of J. Obleser
Leipzig • 2013-05-24
Tesla = PicoTesla (pT)
Tesla = FemtoTesla (fT)
Abschirmung
 Messen dieser kleinen Feldstärkeänderungen erfordert
mehrschichtige Abschirmkammern
 Vor allem gegen große sich bewegende Metallteile:
 Fahrstühle, Autos, Züge, Straßenbahn
 Software zur Rauschunterdrückung, z.B. Abziehen von
Signalen die auf sog. "Referenz”-Kanälen (ohne Hirn!) und
den MEG-Kanälen (Rauschen+Hirn) zu sehen sind
 Signal Space Separation (SSS)
Methode zur mathematischen
Trennung von Signal und Rauschen
 (MEG daher in Bennewitz und nicht
in Leipzig)
Quelle: Courtesy of J. Obleser
Leipzig • 2013-05-24
Was wird gemessen? – Dipol
(Neurale Population und Ausrichtung)
Leipzig • 2013-05-24
Dipol (und dessen Orientierung)
 Dipol: Ein Model für Aktivierung einer neuronalen
Population
 Unterschiedliche Kopf-/Sensor-Verteilungen: EEG vs. MEG
Quelle: Hämäläinen et al., 1993
Leipzig • 2013-05-24
Dipol-Orientierung
 MEG ist blind für bestimmte
Quellen
 Radial vs. Tangential
ausgerichtete Dipole
Quelle: Vrba & Robinson, 2001
Leipzig • 2013-05-24
Dipol-Richtung ermitteln
 Rechte Daumenregel
Positiv: nach außen gehendes
magnetisches Feld
pos.
neg.
Negativ: nach innen gehendes
magnetisches Feld
Leipzig • 2013-05-24
MEG-Sensoren
Quelle: Elekta Neuromag Vectorview
Leipzig • 2013-05-24
MEG-Sensoren
 SQUIDS: Das Herz vom MEG
SQUID (superconducting quantum interference device)
 Hochsensitiv für magnetische Felder
 Nicht jedoch für direkte Detektion magnetischer Felder
 Gekoppelt mit Flux transformers (pick up coils)
 Externer magnetischer Fluss,
erzeugt von den Strömen im
Gehirn
 Tritt in einen supraleitenden
Mess-Coil ein
 Dort werden wiederum
Ströme erzeugt, deren
Magnetfeld im eigentlichen
SQUID registriert werden
Quelle: Hari & Salmelin, 1997
Leipzig • 2013-05-24
Supraleitung – Temperatur
 Der Coil im MEG ist nur supraleitend bei Temperaturen von
weniger als 4 Kelvin (entspricht –269° Celsius)
 Coils sind deshalb in kaltes, füßiges Helium gebettet.
 Helium verdampft langsam, muss regelmäßig (1–2 x die
Woche) nachgefüllt werden.
 Flüssiges Helium
 Exzellente Isolation:
20°C vs. -269°C
 Vakuum
 Sensoren
Quelle: Hämäläinen et al., 1993
Leipzig • 2013-05-24
Pick-up coils
 An jeder der 102 Positionen:
 Ein Magnetometer und zwei Gradiometer
Magnetometer
two loops – one
planar gradiometer
planar gradiometer
Magnetometer
Quelle: Courtesy of B. Maess; Vrba & Robinson, 2001
Leipzig • 2013-05-24
planarer Gradiometer
Magnetometer (Einheit: T)
 Quelle befindet sich senkrecht zu den Sensoren
 102 Magnetometerkanäle im Neuromag-System
Leipzig • 2013-05-24
Planare Gradiometer (Einheit: T/m)
 Quelle befindet sich direkt unter den Sensoren
 204 Gradiometerkanäle im Neuromag-System
Gradiometerpaar II
Differenz = 0
Gradiometerpaar I
Differenz > 0
Leipzig • 2013-05-24
MAG vs. GRD: Feldverteilung
Nur ein GRD-Paar hier dargestellt
Quelle: Parkkonen, 2010
Leipzig • 2013-05-24
EEG vs. MEG: Potential-/Feldverteilung
EEG
Radialer Dipol
Tangentialer Dipol
MAG
GRD
Quelle: Besa Dipole Simulator
Leipzig • 2013-05-24
Magnetometer vs. Gradiometer im MEG
Magnetometer (fT)
Gradiometer (pT/m)
 Stärkstes Signal bei
Minima/Maxima
 Stärkstes Signal direkt über der
Quelle
 Quelle etwa da, wo die
Feldlinien am engsten liegen
 Misst vorrangig oberflächliche
Quellen
 Misst auch tiefe (weiter
entfernte) Quellen
 Gut für Statistik im SensorRaum
 Information über Richtung des
Dipols
Outgoing
Ingoing
Leipzig • 2013-05-24
Ereignis-korrelierte Felder
Leipzig • 2013-05-24
Ereignis-korrelierte Felder (EKF)
 Mehr oder weniger wie im EEG
 Im MEG eventuell zuvor noch
Rauschunterdrückung
durchgeführt
 Bezeichnung der Komponenten
 A) in Anlehnung an EEG 
„m“ angefügt
 B) eigene Bezeichnung, z.B.
M50, M100, M200  ist
moderner
Leipzig • 2013-05-24
„Butterfly“ Darstellung
 „Butterfly plots“ – alle Kanäle übereinander dargestellt
 Magnetfeld steht orthogonal zum Stromfluss
 Es gibt entsprechend keine "Negativität" / "Positivität" wie
im EEG. Stattdessen: "Ingoing" / "Outgoing" field
 Vor allem deskriptiv
Magnetometer
outgoing
Quelle: Herrmann et al., 2011
Leipzig • 2013-05-24
ingoing
Zeitverlauf für bestimmte Regionen
 Region of interest (ROI) Analyse
 RMS = root mean squared amplitude (daher nur positive
Werte)
Leipzig • 2013-05-24
Darstellung einzelner Kanäle
 Vorteil: Polarität kann erhalten bleiben für Vergleich
zwischen z.B. zwei experimentellen Bedingungen
 Problem: Statistischer Unterschied zwischen 2 Amplituden
kann auch ein Unterschied im Aktivierungsmaximum sein
Quelle: Huotilainen et al., 1998
Leipzig • 2013-05-24
Statistik im Sensor-Raum?
 Potentielle Schwierigkeiten bei Statistik im Sensor-Raum
 Unterschiede in Kopfgröße zwischen Probanden
 Unterschiede in Kopfposition innerhalb und zwischen
Probanden
 Transformation auf einheitliche Kopfposition hilft beim 2.
Problem (SSS-Korrektur)
Quelle: Wehner et al., 2008; Taulu et al., 2004, 2005
Leipzig • 2013-05-24
MEG: Quellenlokalisation
 Vom magnetischen Feld (T und T/m) zur Quelle (Am)
Leipzig • 2013-05-24
Quellenlokalisation
 Ziel der Lokalisation:
 Bestimmung der aktivierten Regionen im Gehirn
 Aktivierungsstärke ermitteln
 Zeitlicher Verlauf der Aktvierung
measured
Quelle: Courtesy of B. Maess
Leipzig • 2013-05-24
Inverses Problem
Das "inverse Problem"
Helmholtz, 1881: Es existiert keine eindeutige Lösung.
Theoretisch gibt es eine unendliche Anzahl an möglichen
Quellverteilungen, welche alle exakt die gleiche Potential- bzw.
Feldverteilung auf der Kopfoberfläche erzeugen!
2D – Oberfläche
(Sensoren)
3D – Volumen
INV
(Quellen)
FWD
INV
Quelle: Baillet, 2010
Leipzig • 2013-05-24
Inverses Problem
 Um dem inserven Problem zu begegnen müssen
Restriktionen eingeführt werden:
 Anzahl zugelassener Quellen
 Ort zugelassener Quellen
 Ausrichtung zugelassener Quellen
 fMRT als „prior“ (funktionelle Vorannahmen)
 D.h. funktionelle Lokalisation hängt zu einem gewissen
Grad vom Modell und den Annahmen ab
 Es bleibt also eine Unsicherheit
INV
Leipzig • 2013-05-24
Vorwärtsproblem
 Um das inverse Problem zu lösen muss erst das
Vorwärtsproblem (forward problem) gelöst werden
 Vorwärtsproblem = Berechnung der Magnetfeldverteilung
auf der Basis einer bekannten Quelle
 Vorwärtsproblem hat eindeutige Lösung
Sensoren
INV
FWD
 Vorwärtslösung braucht
 Quellenmodel (Gehirn)
Quellen
Leipzig • 2013-05-24
 Volumenleitermodel
(Schädel, Kopfhaut …)
Iterativer Prozess
measured
Quelle: Courtesy of B. Maess
Leipzig • 2013-05-24
computed
Kopfmodellierung
 Ansätze zur Kopfmodellierung (Volumenleiter)
 D.h. Modellierung des Gewebes, welches das Magnetfeld
durchdringt
BEM –
Boundary Element Model
Kugel
(Annahme: Homogenität und
Isotropie innerhalb jeder
Oberfläche)
Anatomie von
individuellen MRT-Bildern
FEM –
Finite Element Model
Quelle: Baillet, 2010
Leipzig • 2013-05-24
(Volumennetz, Anisotropie möglich)
BEM
 BEM – Boundary Element Model
 Für EEG Quellenlokalisation alle 3 Oberflächen wichtig
 Für MEG inner skull ausreichend (FWD)
Quelle: Hämäläinen & Hari, 2004
Leipzig • 2013-05-24
Quellenmodelle
Fokale Quellen
(wenige Dipole)
ECD
Quelle: Courtesy of B. Maess
Leipzig • 2013-05-24
Music
SAM
Verteilte Quellen
(viele Dipole)
2D
(brain surface)
2,5D
(cortical)
3D
(brain vol.)
ECD – Equivalent current dipole
 Parallele Ausrichtung
der Pyramidenzellen
 Equivalent current
dipole (ECD)
Quelle: Courtesy of B. Maess; Hämäläinen et al., 1993
Leipzig • 2013-05-24
ECD – Equivalent current dipole
 Repräsentiert eine fokale Quelle
 Beschrieben durch:
 Ort (location) R, Orientierung D, Stärke
Q
z
Q
 Zeitverlauf kann
extrahiert werden
R
y
 Fixed dipole
 Moving dipole
(Zeitabhängige
Änderung)
Quelle: Courtesy of B. Maess
Leipzig • 2013-05-24
x
D
ECD – Aussehen in Anwendungen
Quelle: Salmelin, 2010; Friederici et al., 2000; McEvoy et al., 1993
Leipzig • 2013-05-24
Verteilte Quellen: Platzierung der Quellen
 Quellen im Volumen (3D)
 ~ auf einer Oberfläche (2D)
 ~ auf der kortikalen
Oberfläche (2.5D)
 Regionale Quellen – feste
Position und Orientierung
Quelle: Courtesy of B. Maess
Leipzig • 2013-05-24
2.5D – Anatomische Oberfläche
 Aktivierung auf gefalteter kortikaler Oberfläche
 Orientierung ist senkrecht zur Oberfläche (braucht gute
Segmentierung)
Quelle: Courtesy of B. Maess; Fischl & Dale, 2000
Leipzig • 2013-05-24
Gruppenstatistik (bei 2.5D Oberflächen)
 Einheitlicher Raum durch aufblasen zur Kugel und
Ausrichtung/Verformung unterschiedlicher Gehirne (nonlinear morphing)  Erlaubt Statistik über Probanden
Individuelles Gehirn
 Bei 2D sind die Knotenpunkte oft vergleichbar über
Probanden
 Bei 3D wird oftmals Verformung nötig sein
(ohne Berücksichtigung von Gyri und Sulci)
Quelle: Fischl et al., 1999
Leipzig • 2013-05-24
Oft Standardgehirne verwendet
Verteilte Quellen – Aussehen in Anwendungen
2.5D
2D
2D
links
Quelle: Halgren et al., 2002; Pulvermüller & Assadollahi, 2007; Herrmann et al., 2011
Leipzig • 2013-05-24
rechts
Quellenlokalisation: Zusammenfassung
 Volumenleitermodel und Quellenmodell benötigt
 Auf dieser Basis für alle möglichen (zugelassenen) Quellen
die resultierende Magnetfeldverteilung berechnen
 Iterativer Vergleich zwischen berechneter und gemessener
Magnetfeldverteilung
 „Best fit“, d.h. die passendste auswählen
invers
measured
Quelle: Courtesy of B. Maess
Leipzig • 2013-05-24
vorwärts
computed
Multimodales Messen
MEG
Quelle: Courtesy of B. Maess
Leipzig • 2013-05-24
+
EEG
Signal-zu-Rauschen-Verhältnis (SNR)
 MEG schlechtes SNR bei
tiefen Quellen und auf den
Gyri; besser in Sulci
 EEG schlechtes SNR in
inferior frontalen Arealen
(EEG-Haube)
 EEG + MEG am Besten
Quelle: Goldenholz et al., 2009
Leipzig • 2013-05-24
Multimodales Messen
 Lokalisation
 MEG
 EEG
 MEG+EEG
Quelle: Sharon et al., 2007
Leipzig • 2013-05-24
Cancelation effects
Quelle: Ahlfors et al., 2010
Leipzig • 2013-05-24
Multimodales Messen
 Wenn möglich, EEG und MEG kombinieren
 Erhöhte Lokalisationsgenauigkeit
 Neurale Aktivierung ganzheitlicher erfassen
 Aber, methodisch anspruchsvoller
Leipzig • 2013-05-24
MEG und EEG im Vergleich
Leipzig • 2013-05-24
MEG und EEG im Vergleich
MEG
EEG
 Zurückgeführt auf primary
currents / intrazelluläre Ströme
 Primary und secondary currents
(intra- und extrazelluläre Ströme)
 Magnetfelder passieren Schädel
und Skalp weitgehend
ungehindert  daher Vorteil bei
Lokalisation
 Koeffizienten für Leitfähigkeit von
Dura, Schädel und Skalp müssen
geschätzt bei Lokalisation
 Misst eher tangentiale Quellen
 Nicht so gut für tiefe Quellen
 Gut für fokale Quellen, z.B.
auditorischer Kortex
 Stärkere Auslöschung bei
mehreren Quellen (z.B. bei zwei
Aktivierungen in gegenüberliegenden Bänken eines
Sulcus)
Leipzig • 2013-05-24
 Misst radiale und tangentiale
Quellen
 Kann auch Signal tieferer Quellen
messen
 Auch im EEG Auslöschung bei
mehreren aktivierten Quellen,
aber geringer als im MEG
MEG: Beispiele / Anwendungen
Leipzig • 2013-05-24
Tonotopische Organisation des Auditorischen
Kortex
 Tonfrequenzen: 0,5; 1; 2; 4 kHz  N1m Dipol-Lokalisation
Quelle: Pantev et al., 1995
Leipzig • 2013-05-24
Tonotope Organisation des auditorischen Kortex
(cochleotope)
Locus of maximal deflection of the basilar membrane
depends on the frequency of the incoming sound
Quelle: Courtesy of J. Obleser
Leipzig • 2013-05-24
Medial-nach-lateral Gradient
Quelle: Pantev et al., 1995
Leipzig • 2013-05-24
Medial-nach-lateral Gradient
 Tonfrequenzen: 1; 2; 4; 8 kHz  N1m Dipol-Lokalisation
Quelle: Mühlnickel et al., 1998
Leipzig • 2013-05-24
Vergrößerte tonotopische Karte in Blinden
Quelle: Elbert et al., 2002
Leipzig • 2013-05-24
Tonotopische Karte in Blinden
 Tonfrequenzen: 0,5; 1; 2; 4 kHz
 N1m Dipole-Lokalisation  Ausgedehnte tonotopische
Karte in Blinden (Faktor 1.8 )
 N1m Latenz kürzer in Blinden
Quelle: Elbert et al., 2002
Leipzig • 2013-05-24
Semantische Verarbeitung
 Die Melodie wurde gepfiffen.
 Der Mülleimer wurde gepfiffen.
Quelle: Maess et al., 2006
Leipzig • 2013-05-24
 semantisch korrekt
 semantisch inkorrekt
Verteilte Quellen: 2D Oberfläche
 Die Melodie wurde gepfiffen.
 Der Mülleimer wurde gepfiffen.
Quelle: Maess et al., 2006
Leipzig • 2013-05-24
 semantisch korrekt
 semantisch inkorrekt
Literatur zum MEG
Hansen PC, Kringelbach ML, Salmelin R (2010) MEG: An
Introduction to Methods. Oxford University Press.
Hämäläinen MS, Hari R, Ilmoniemi RJ, Knuutila J, Lounasmaa OV
(1993) Magnetoencephalography – theory, instrumentation,
and applications to noninvasive studies of the working human
brain. Reviews of Modern Physics 65:413-497.
Vrba J, Robinson SE (2001) Signal Processing in Magnetoencephalography. Methods 25:249-271.
Leipzig • 2013-05-24