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. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften 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% Methoden der kognitiven Neurowissenschaften 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+ Methoden der kognitiven Neurowissenschaften ! 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. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften 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. ! Methoden der kognitiven Neurowissenschaften 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) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften MRT – Grundlagen Koordinatensystem • z-Achse = Richtung der Magnetfeldlinie. • x- und y- Achse = Kräfte quer zur Magnetfeldlinie. Z Methoden der kognitiven Neurowissenschaften 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. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften 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
