Methoden der kognitiven Neurowissenschaften

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Methoden der kognitiven
Neurowissenschaften
SS 2014
Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT)
Jöran Lepsien
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Zeitplan
Datum
Thema
11.4. Einführung und Organisation
18.4. -- Karfreitag -25.4. Neuropsychologie
2.5. -- Freitag nach 1.Mai -9.5. Behaviorale Methoden (Reaktionszeit, Signal Detection Theory, …)
16.5. Elektrophysiologie
23.5. EEG
30.5. -- Freitag nach Himmelfahrt -6.6. MEG
13.6. NIRS
20.6. MRT
27.6. PET & fMRT(I)
4.7. PET & fMRT(II)
11.7. TMS/TDCS
18.7. Abschluß, Nachbesprechung & Prüfungsvorbereitung
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Geschichte
Nikola Tesla (1856 – 1943)
•
Beschrieb 1922 die Entstehung und die
Wirkung von Magnetfeldern.
•
Nach Tesla ist das Tesla (T), die physikalische
Einheit der magnetischen Flussdichte benannt.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Geschichte
Wolfgang Ernst Pauli (1900 – 1958)
•
Entdeckte und beschrieb 1924 den Kern-Spin
zur Erklärung der Hyperfeinstruktur der
Atomspektren.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Geschichte
Felix Bloch (1905 – 1983) und Edward Purcell (1912 – 1997)
•
Bloch und Purcell entdeckten
1946 unabhängig die KernSpin-Resonanz (NMR, Nuclear
Magnetic Resonance).
Die beiden erhielten 1952
gemeinsam den Nobelpreis für
Physik.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Nomenklatur
NMR
MRI / MRT
Nuclear:
Eigenschaften von Atomkernen
Magnetic:
Magnetfeld
Resonance:
Interaktion zwischen Magnetfeld und Elektromagnetischen
Impulsen
Imaging / Tomographie:
Bildgebung
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Warum das ‘N’ weggefallen ist …
NMR
MRI / MRT
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Messapparatur
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Messapparatur
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Messapparatur - Magneten
Magnet ist wichtigster Teil des MRT-Gerätes, es braucht beträchtliche Stärke um Messungen
durchführen zu können.
Einige Größenordnungen …
Erdmagnetfeld
Kühlschrankmagnet
Kompassnadel
MRI Magnete am MPI
0.00005T
~ 0.01T
≤ 0.4T
3T & 7T
!
Permanentmagnet vs. Elektromagnet vs.
Supraleitender Magnet:
Supraleitende Spulen, mittels flüssigem Helium
gekühlt auf ca. 4 K (-269°C)
kein elektrischer
Widerstand
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Messapparatur - Magneten
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Messapparatur – Magneten
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Messapparatur – Magneten
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Messapparatur – Sicherheit
Fliegende Gegenstände können
Menschen töten. Und auch bei weniger
schweren Zwischenfällen können sie zu
einer Beschädigung der Apparatur und
einer kostenaufwendigen Abschaltung
des Magneten führen.
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MRT – Grundlagen
Kernspin und Magnetisierung
Der menschliche Körper besteht zu
65% aus Wasser!
Graue Substanz
84%
Weiße Substanz
71%
CSF
97%
Muskel
79%
Herz
80%
Leber
71%
Niere
81%
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MRT – Grundlagen
Kernspin und Magnetisierung
•
Atomkerne, die eine ungerade Anzahl von Protonen oder
Neuronen enthalten, besitzen im Grundzustand einen Kernspin.
•
Nach dem Induktionsgesetz besitzen diese auch ein
magnetisches Dipolmoment.
e–
16O
N
µ
I
1H
p+
+
1H
S
H2O
1H
p+
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!
MRT – Grundlagen
Kernspin und Magnetisierung
•
Grundlage für MRTs ist der "Kernspin"
•
Spin: Eigendrehung des Protons
Bewegte Ladung = elektrischer
Strom
erzeugt Magnetfeld
•
Proton verhält sich wie ein kleiner
Stabmagnet
•
Spin ist immer gleich stark, kann nicht
abgebremst oder beschleunigt werden
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Kernspin und Magnetisierung
Ausserhalb Magnetfeld
•
Protonen richten sich nach externem
Magnetfeld aus.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
!
MRT – Grundlagen
Kernspin und Magnetisierung
Innerhalb Magnetfeld
•
Protonen richten sich nach externem
Magnetfeld aus.
•
Können sich in zwei Richtungen
ausrichten, einerseits in Richtung des
Magnetfeldes
parallele Ausrichtung
antiparallele Ausrichtung.
•
Energieaufwand ist bei paralleler
Ausrichtung geringer, deswegen
befinden sich mehr Protonen in
paralleler Ausrichtung.
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MRT – Grundlagen
Kernspin und Magnetisierung
1‘000‘000 : 1‘000‘007
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Kernspin und Magnetisierung
•
Protonen stehen nicht starr parallel oder
antiparallel entlang der Feldlinien des
Magnetfeldes, sondern bewegen sich.
Präzession
•
Bewegung ähnlich einem Kreisel, der
angestossen wird.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Kernspin und Magnetisierung
•
Protonen stehen nicht starr parallel oder
antiparallel entlang der Feldlinien des
Magnetfeldes, sondern bewegen sich.
Präzession
•
Bewegung ähnlich einem Kreisel, der
angestossen wird.
"Torkelt" um eine Achse
•
Geschwindigkeit mit der die Protonen
"herumtorkeln"
Präzessionsfrequenz.
Hängt von Stärke des Magnetfeldes ab
Je stärker, desto schneller.
!
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MRT – Grundlagen
Larmor-Gleichung
•
Dient der Berechnung der PräzessionsFrequenz.
Sir Joseph Larmor
ω0 = γB0
•
ω0 = Präzessionsfrequenz
B0 = Stärke des externen Magnetfeldes
gemessen in Tesla
γ = Gyromagnetisches Verhältnis
•
Gyromagnetisches Verhältnis wird durch
genaue Relation zwischen Magnetfeldstärke
und Präzessionsfrequenz bestimmt.
H-Protonen: 42.6 MHz / T.
© American Scientist (2002)
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MRT – Grundlagen
Koordinatensystem
•
z-Achse = Richtung der Magnetfeldlinie.
•
x- und y- Achse = Kräfte quer zur
Magnetfeldlinie.
Z
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MRT – Grundlagen
Längsmagnetisierung
•
Durch die hohe
Präzessionsfrequenz heben sich die
Magnetkräfte der parallelen und der
antiparallelen Protonen auf.
•
Mehr parallele Protonen
bleiben übrig.
•
Kräfte dieser parallelen Protonen
addieren sich in Richtung des
Magnetfeldes auf.
•
Es entsteht ein eigenes Magnetfeld,
welches in Richtung des äusseren
Magnetfeldes liegt.
kann nicht gemessen werden!
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Längsmagnetisierung
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Resonanzbedingung
•
Sind die Spins durch ein äusseres Magnetfeld entlang der Magnetfeldlinie ausgerichtet
worden, befinden sie sich in einem relativ stabilen Zustand.
•
Zum Messen möchte man diesen Zustand verändern und führt daher mittels eines
Hochfrequenzimpulses Energie zu, die dieses System stört.
•
Weist die elektromagnetische Welle die gleiche Frequenz wie die Larmorfrequenz, wird
eine Resonanzbedingung erzeugt.
Energieübertragung funktioniert nur bei gleichen Frequenzen.
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MRT – Grundlagen
Resonanzbedingung
Dieses Phänomen nennt man Resonanz
(vgl. Magnetresonanz-T.)
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
!
MRT – Grundlagen
•
Ohne Einstrahlung der hochfrequenten Radiowelle weisen die Protonen zufällig nach
links/rechts, vorne/hinten, etc.
Dadurch heben sich ihre magnetischen Kräfte insgesamt auf.
•
Der HF-Impuls bewirkt 2 Effekte:
1.
Durch die Energieübertragung werden mehr parallele Protonen zu antiparallelen
Protonen
Magnetisierung in Längsrichtung nimmt dadurch ab.
2.
Durch den HF-Impuls zeigen die Protonen nicht mehr in zufällige und entgegengesetzte
Richtungen, sondern laufen im Gleichschritt, sind also in Phase.
Wirkung der hochfrequenten Radiowelle (HF-Impuls)
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
!
Wirkung der hochfrequenten Radiowelle (HF-Impuls)
Das Ergebnis ist
1.
Ein kleinerer Magnetvektor in Richtung der
Longitudinalmagnetisierung
2.
Ein zusätzlicher Magnetvektor der in die Richtung zeigt, in die auch die präzedierenden
Protonen zeigen.
quer / transversal zum angelegten Magnetfeld.
Transversalmagnetisierung.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Wirkung der hochfrequenten Radiowelle (HF-Impuls)
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Wirkung der hochfrequenten Radiowelle (HF-Impuls)
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Wirkung der hochfrequenten Radiowelle (HF-Impuls)
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Wirkung der hochfrequenten Radiowelle (HF-Impuls)
•
Das Ergebnis ist ein Magnetvektor der in die
Richtung zeigt, in die auch die präzedierenden
Protonen zeigen.
quer / transversal zum angelegten Magnetfeld.
Transversalmagnetisierung
Durch den HF-Impuls nimmt die
Longitudinalmagnetisierung ab und die
Transversalmagnetisierung zu.
•
Neu entstandener Vektor steht nicht still,
präzessiert ebenfalls.
•
Erzeugt ein rotierendes magnetisches Feld
Erzeugt wiederum einen elektrischen Strom.
Dieser Strom wird als Signal zur Bilderstellung
benutzt.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Wirkung der hochfrequenten Radiowelle (HF-Impuls)
•
Rotierender Magnetvektor bewegt sich
auf Detektor zu und von ihm wegPräzessionsfrequenz.
•
Was passiert aber nach Ende des HFImpulses?
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Relaxation
!
MRT – Grundlagen
•
Sobald der Hochfrequenz-Impuls abgeschaltet wird, kehrt das gesamte System, das von
ihm gestört worden war, in den ursprünglichen Zustand zurück, es entspannt sich.
•
Die neu erzeugte Transversalmagnetisierung beginnt sich abzubauen
Transversalrelaxation
•
Die Longitudinalmagnetisierung geht auf ihren Ursprungswert zurück
Longitudinalrelaxation
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Longitudinalrelaxation vs. Transversalrelaxation
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Longitudinalrelaxation
•
Protonen, die durch den Hochfrequenz-Impuls auf eine höheres Energie-Niveau
angehoben worden waren, wieder auf ein niedrigeres Niveau zurückkehren.
•
Kontinuierlicher Prozess.
•
Spin-Gitter-Relaxation
•
T1-Relaxation
wenn 63 % der Originalstärke wieder erreicht.
100 % nach 3 – 5
T1-Zeiten
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Transversalrelaxation
•
Protonen sind nicht mehr gezwungen, im Tritt bleiben, geraten rasch wieder ausser Phase.
•
Transversalmagnetisierung
nimmt mit der Zeit ab und
geht gegen Null.
•
Spin-Spin-Relaxation
Verschiedene Spins
zwischen Protonen.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Longitudinalrelaxation vs. Transversalrelaxation
•
T1 dauert ca. das 2- bis 10-fache von T2.
T1 dauert 300 bis 2000 ms.
T2 dauert 30 bis 150 ms.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Was will man mit MRT messen?
•
Pulssequenz aus aufeinanderfolgenden 90º-Impulsen.
•
Zwischenzeitraum Repetition Time (TR).
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Was will man mit MRT messen?
•
Gewebe A und B brauchen unterschiedlich lange, um volle
Longitudinalmagnetisierung zurückzuerlangen.
•
HF-Impulse werden getrennt durch lange Repetitionszeit (TRlong)
•
Weisen nach erneutem Impuls wieder die gleiche Transversalmagnetisierung auf.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Was will man mit MRT messen?
•
HF-Impulse werden getrennt durch kurze Repetitionszeit (TRshort)
•
Longitudinalmagnetisierung in Gewebe A stärker erholt als in Gewebe B.
•
Durch erneutes Kippen des Longitudinalvektors um 90 Grad wird der neue
Transversalvektor von Gewebe B kleiner als der von Gewebe A.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
!
MRT – Grundlagen
Was will man mit MRT messen? TRlong vs. TRshort
TR so wählen, dass der Gewebekontrast am ausgeprägtesten ist
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
T1-Gewichtung vs. T2-Gewichtung
•
Im beschriebenen Beispiel wird ein T1-gewichtetes Bild erzeugt.
Das Bild unterscheidet sich anhand der Signalstärke der einzelnen
Gewebe.
Der Gewebekontrast ist dabei in erster Linie auf die unterschiedlichen T1-Werte zurückzuführen.
•
Gewebekontrast hängt aber auch von T2 ab:
Gewebe
T2 decay (bei
1.5T)
Weiße Substanz
70ms
Graue Substanz
90ms
CSF
400ms
•
Über Gewichtung der Pulssequenz (und Zeitpunkt der Datenaufnahme) können
verschiedene Bilder aufgenommen werden.
•
Gewichtung wird mittels Manipulation von TR und TE (time to echo) erzeugt.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
T1-Gewichtung vs. T2-Gewichtung
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
T2-Gewichtung
•
Direkt nach 90º-Impuls sind die Protonen
in Phase
Erzeugen einen Messbaren
Transversalvektor.
•
Dephasierung beginnt aber sofort nach
Ende des Impulses.
•
Durch einen zusätzlichen 180º-Impuls
(Echo, Spin-Echo) dreht sich die
Präzession der einzelnen Protonen um und
sie bewegen sich in umgekehrter Richtung
zurück.
•
Sie sind dann zu einem bestimmten
Zeitpunkt erneut in Phase.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Spin-Echo-Frequenz
•
Pulssequenz bestehend aus zwei aufeinanderfolgenden 90º- und 180ºImpulsen.
•
90º-Impuls bewirkt eine transversale Magnetisierung, ein messbares Signal.
•
180º-Impuls rephasiert die dephasierenden Protonen, nach der Zeit TE hat man
wieder ein starkes Signal, das Spin-Echo.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
T2-Gewichtung
•
Ohne zusätzlichen 180º-Impuls
geht die Signalstärke der
Transversalmagnetisierung
gegen Null.
•
Mit zusätzlichem 180º-Impuls
flacht die Signalstärke
wesentlich langsamer ab.
•
Durch nicht zu glättende
Inhomogenitäten im Magnetfeld
können nicht alle Protonen
perfekt wieder in Phase
gebracht werden.
!
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Gewichtete Bilder des Gehirns
A
B
C
A = T1 gewichtet : Gewebe hell, Liquor dunkel
B = T2 gewichtet : Gewebe dunkel, Liquor hell
C = Protonendichte gewichtet : Gewebe hell, Liquor dunkel
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Lokalisation - Gradientenfeld
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Lokalisation - Gradientenfeld
•
In homogenen Magnetfeld haben sämtliche
Protonen die selbe Larmor-Frequenz. Man kann
einzelne Protonen also nicht lokalisieren.
•
Um eine bestimmte Schicht zu untersuchen, wird
dem externen Magnetfeld (B0) ein zweites
Magnetfeld überlagert, das in verschiedenen
Regionen unterschiedlich stark ist (-BZ bis +BZ).
Gradientenfeld
•
Das Gradientenfeld wird durch Gradientenspulen
erzeugt (gibt es in x-, y- und z-Richtung).
•
Diese Überlagerung führt zu unterschiedlichen
Präzessionsfrequenzen in den einzelnen Schichten.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Lokalisation – Frequenzkodiergradient
•
Ähnlich wie beim
Schichtenselektiongradienten wird ein
zusätzliches Gradientenfeld hinzugefügt,
nun in x-Richtung.
•
Daraus ergibt sich, dass die
Präzessionsfrequenz von links nach rechts
abnimmt.
•
Protonen in unterschiedlichen Spalten
geben Signale unterschiedlicher Frequenz
ab.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Lokalisation – Phasenkodiergradient
•
Nach dem HF-Impuls sind die Protonen in
einem Frequenzbereich in Phase.
•
Nach dem HF-Impuls wird kurzzeitig ein
magnetischer Gradient entlang dieser
Spalte angelegt.
Die Präzession der Protonen beschleunigt
sich entsprechend der Stärke des
Magnetfeldes, dem sie ausgesetzt sind.
•
Nach Abschalten des Magnetfeldes besitzen
die Protonen wieder dieselbe
Präzessionsfrequenz.
Wichtiger Unterschied zu vorher: Sie sind
jetzt ausser Phase.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
MRT – Grundlagen
Erstellen eines Bildes
Mischung verschiedenster Signale (Frequenzen, Phasen)
durch Frequenz und Phase Zuordnung zu einer bestimmten Position (Voxel)
Signalstärke in verschiedenen Graustufen angegeben
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Exkurs: Fourier-Transformation
Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830)
•
Beschrieb 1822 die nach ihm benannte FourierTransformation.
•
Fourier-Transformation erlaubt, kontinuierliche,
aperiodische Vorgänge in ein kontinuierliches
Spektrum zu zerlegen, (Summe von Sinus- und
Cosinusfunktionen). Signal wird in
Frequenzanteile zerlegt.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Exkurs: Fourier-Transformation
Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830)
•
Die Fourier Transformation kann verschiedene
Frequenzen, die zum Signal beitragen,
differenzieren.
•
Außerdem gibt sie uns Auskunft über die
Amplituden der Frequenzen, die für das Bild von
Bedeutung sind.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Maguire et al., 2000
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Maguire et al., 2000
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Maguire et al., 2000
Einleitung
•
•
•
Hippocampus zuständig für die Speicherung von räumlicher Information.
Tiere, die von Räumlich gespeicherter Information besonders abhängig sind (z.B.
weil sie Futter vergraben), haben einen vergrösserten Hippocampus im Vergleich
zum Gehirn und Körper.
Strukturelle Unterschiede wurden bereits bei Musikern im Vergleich zu NichtMusikern gefunden.
Strukturelle Unterschiede im Hippocampus bei "Raum-Gedächtnis-Experten"?
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Maguire et al., 2000
Methode
•
•
Londoner Taxifahrer, die mindestens 1.5 Jahre lizensiert sind.
Kontrollgruppe aus Struktur-Datenbank, keine Taxifahrer, ähnlicher Altersbereich
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Maguire et al., 2000
Methode
•
•
•
•
•
•
2.0 Tesla Scanner
T1-gewichtetes Bild
TR = 9.7 ms, TE = 4 ms
Flip-Winkel = 12 Grad
108 Schichten à 1.5 mm
Voxelgrösse 1 x 1 x 1.5 cm3.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Maguire et al., 2000
Ergebnisse
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Maguire et al., 2000
Ergebnisse
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Maguire et al., 2000
Ergebnisse
Posteriorer
Hippocampus
Anteriorer
Hippocampus
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Maguire et al., 2000
Interpretation
•
Taxifahrer haben vergrösserten posterioren Hippocampus im Vergleich zur Kontrollgruppe.
•
Taxifahrer haben verkleinerten anterioren Hippocampus im Vergleich zur Kontrollgruppe.
•
Zeitdauer und Erfahrung korrelieren mit Vergrösserung bzw. Verkleinerung.
•
Hippocampus ist involviert in Speicherung räumlicher Information.
•
Differentielle Veränderung zwischen anteriorem und posteriorem Hippocampus lässt auf
eine Reorganisation des Hippocampus mit zunehmender Taxi-Fahr-Erfahrung schliessen.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Draganski et al., 2000
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Beispiel – Draganski et al., 2000
Vergrösserung der grauen Substanz in Mid-temporalen
Arealen (V5) und dem linken posterioren intraparietalen
Sulcus beim zweiten Scan.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Literatur der heutigen Veranstaltung
Jänke, L. (2005). Methoden der Bildgebung in der Psychologie und den kognitiven
Neurowissenschaften. Stuttgart: Kohlhammer.
Kapitel 3: Die Magnetresonanztomographie.
Kapitel 4: Die strukturelle Magnetresonanztomographie.
Schild, H. H. (1990). MRI made easy. Berlin: Schering.
Draganski, B., Gaser, C., Busch, V., Schuierer, G., Bogdahn, U., & May, M. (2004).
Changes in grey matter induced by training: Newly honed juggling skills show
up as a transient feature on a brain-imaging scan. Nature, 427, 311-312.
Maguire, E. A., Gadian, D. G., Johnsrude, I. S., Good, C. D., Ashburner, J.,
Frackowiak, R. S. J., Frith, C. D. (2000). Navigation-related structural change in
the hippocampi of taxi drivers. Proceedings of the National Academy of
Sciences of the United States of America (PNAS), 97, 4398–4403.
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
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