Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
Werbung
Methoden der kognitiven Neurowissenschaften SS 2015 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Jöran Lepsien Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Zeitplan Datum Thema 17.4. Einführung und Organisation 24.4. Neuropsychologie 1.5. -- 1.Mai -8.5. Elektrophysiologie (C. Gundlach) 15.5. -- Freitag nach Himmelfahrt -22.5. EEG (T. Gunter) 29.5. Verhaltensmethoden & Psychophysik 5.6. MEG (B. Maess) 12.6. NIRS 19.6. MRT 26.6. fMRT(I) 3.7. fMRT(II) & PET 10.7. TMS & Abschluß, Nachbesprechung, Prüfungsvorbereitung 17.7. --Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Transkranielle Durch die intakte Schädeldecke hindurch Magnet- Durch ein (dynamisches) Magnetfeld verursacht Stimulation Anregung von Nerven ! Methoden der kognitiven Neurowissenschaften TMS Physiologische und technische Grundlagen Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Grundlagen • • • Mittels TMS werden bestimmte Hirnstrukturen kurzzeitig stimuliert oder gehemmt. Bei einer Hemmung spricht man auch von einer virtuellen Läsion. Gehört zu den Standardverfahren der kognitiven Neurowissenschaften und zu den ergänzenden Verfahren der bildgebenden Methoden. ! Methoden der kognitiven Neurowissenschaften TMS, demonstriert von Vincent Walsh, TMS-Gott Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Was macht TMS? TMS “interferiert” mit physiologischen Prozessen. Vgl. alle sonstigen hier besprochenen Verfahren: Sie messen physiologische Prozesse Was sollen wir also messen in TMS-Experimenten? Wir messen den Einfluß / die Interferenz / die Auswirkung der TMS. Verhalten: Reaktionszeiten; Fehlerraten; Verschiebungen von psychometrischen Kurven eventuell auch ( “TMS und Bildgebung”) Physiologische Signale (peripher, zB. Elektromyogramm, EMG) ! Physiologische Signale (zentralnervös, zB. EEG, fMRT) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Echte Läsionen • Defizite führen mit der Zeit zu einer Reorganisation / Kompensation • Können nur bei Tieren gezielt angebracht werden, beim Menschen ist man auf Verletzungen / Erkrankungen angewiesen. • Können mittels Bildgebung genau lokalisiert werden. • Zeigen oft sehr deutliche Beeinträchtigung des Verhaltens. → Nicht Ausfall sondern Kompensation wird gemessen Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Virtuelle Läsionen • Führen zu keiner Reorganisation / Kompensation ! • Können benutzt werden, um das Timing der Kognition zu untersuchen. • Können sehr präzise und fokussiert angebracht werden. • Können an einer Versuchsperson an unterschiedlichen Stellen angebracht werden. → Ausfall / Stimulation kann direkt gemessen und mit Kontrollbedingung verglichen werden. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Methodenübersicht TMS Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Methodenübersicht Walsh & Cowey (2000) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Geschichte und technische Grundlagen Seit Ende des 19. Jahrhunderts Versuche zur magnetischen Stimulation des Gehirns Phosphene (Lichtblitze) Schwindelattacken Magnusson y Stevens (1911) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Geschichte und technische Grundlagen • Magnetfeld von 140 mT mit 50 Hz → schwache, flackernde Leuchtreize → Magnetosphene (induktiv hervorgerufene Wirbelströme in der Netzhaut). Silvanus P. Thompson (1910) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Geschichte und technische Grundlagen Baker et al. 1985 stellt erstes TMS-Gerät vor Anthony T. Barker (1985) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Elektromagnetische Induktion Entstehen einer elektrischen Spannung entlang einer Leiterschleife durch die Änderung des magnetischen Flusses → Strom erzeugt Magnetfeld. → Magnetfeld erzeugt Strom. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS – Neuronale Grundlagen → Jede Bewegung von elektrischer Ladung ruft ein Magnetfeld hervor. → Jedes Magnetfeld ruft Bewegung elektrischer Ladung hervor. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS – Neuronale Grundlagen Bei einem Aktionspotential wird elektrische Ladung in der Zelle bewegt. Prinzip: Man möchte künstlich eine Potentialveränderung einer Nervenzelle erreichen. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS – Neuronale Grundlagen Vergleiche MEG: • Das Gehirn generiert auch schwache magnetische Felder, die von Detektoren gemessen werden können. • Magnetfeld breitet sich ohne Beeinflussung des Gewebes oder der Knochen bis an die Kopfoberfläche aus. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen → Reizspule (Coil) wird auf der Kopfhaut platziert, darüber wird kurzzeitig und impulsartig ein magnetisches Feld aufgebaut. → Dadurch werden elektrische Ströme im Gewebe unterhalb der Spule induziert. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Spulen • Früher: Rundspulen, Nachteil: Relativ grosse induzierte Magnetfelder. • Heute: Schmetterlingsspule („Figureof-8-coil“) mit 70mm Durchmesser • Bietet ein stärkeres und fokussierteres Magnetfeld als die Rundspulen • Stromfluss: ca. 5kA Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Stärke des Magnetfeldes • Durch TMS wird ein Strom im Gewebe induziert. • Stärke des Induktionsstroms hängt vom Gewebe und dessen Widerstand ab. • Stimulation bis zu einer Tiefe von 2 cm möglich. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Geräte (MPI CBS) Magstim „Rapid2“ 3,5 Tesla Peak: Wdh-Rate: bis 100Hz (30%) bis 25Hz (100%) Pulslänge: ca. 400µs Auflösung: ca. 5mm Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Magnetfeld und Nervenzellen • Änderungen eines Magnetfeldes induzieren Änderungen des Membranpotentials an den Neuronen (bevorzugt an den parallel zum induzierten Strom verlaufenden Axonen). → Auslösung von Aktionspotentialen (neuronales Rauschen). → Vor allem Neurone, deren Axone oder Dendriten parallel zur Hirnoberfläche verlaufen, werden depolarisiert. Wichtig: Bedenke dass erregte Neurone exzitatorische oder inhibitorische Eigenschaften haben können “Virtuelle Läsion“ durch TMS für ein exzitorisches Netzwerk Ergibt netto ein Weniger an Inhibition? Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Reizimpuls • Reizimpuls hat rasche Anstiegsflanke (< 10 μs) und fällt dann langsam ab (300500 μs). • Während der schnellen Anstiegsphase wird ein kurzer, das kortikale Gewebe erregender Induktionsstrom generiert. • Der induzierte Strom führt zu einer Veränderung des Magnetfeldes im Gewebe. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Technische Grundlagen – Reizimpuls • Die Änderung des Magnetfeldes induziert wiederum ein elektrisches Feld. → Aktionspotential oder Veränderung des Ruhepotentials. • Kann in Veränderung des Verhaltens einer Versuchsperson gemessen werden. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Video - Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Interferenz-Mechanismen ? • TMS induziert Rauschen („Noise“) in die neuronalen Prozesse. ! → Unwahrscheinlich, dass während einer neuronalen Aktivität und einem gegebenen TMS-Impuls genau das Muster der neuronalen Aktivität induziert wird. → TMS induziert eher Unordnung als Ordnung. → TMS kann damit ähnliche Defizite herbeiführen, die man sonst bei neuropsychologischen Patienten (z.B. durch Läsionen) feststellt. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten – Einzelpuls-TMS • Standarddiagnostikverfahren um Funktion des motorischen Kortex zu überprüfen. • TMS-Impuls über motorischem Kortex appliziert. → magnetisch/motorisch evoziertes Potential (MEP) an Hand gemessen. → EMG-Elektroden messen Amplitude, Latenz, Vorhandensein eines Potentials und lassen Rückschlüsse auf Intaktheit des Systems zu. • Einzelimpulse über dem somatosensorischen Kortex führen zu Parästhesien. • Einzelimpulse über Okzipitalkortex resultieren in Phosphenen (kurze Lichtblitze). Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) MEP – Amplitude und Latenz Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten – Einzelpuls-TMS → Typischer Fingermuskel • M. abductor pollicis brevis (APB) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Video - MEP Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten – Einzelpuls-TMS → Impulsschwelle • Bei Untersuchungen am motorischen Kortex kann die Stimulation als MEP gemessen werden. • • Aus Gründen der Vergleichbarkeit muss jeweils die individuelle Reizschwelle bestimmt werden. Schwellenwert (Psychophysik): Geringste Reizintensität, die notwendig ist, um bei 50 % der Stimulationen Reizantworten mit mindestens 50 μV in einem Fingermuskel zu evozieren. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Impulsarten – repetitive TMS • Wiederholte Stimulation mit einer Frequenz von bis zu 60 Hz. • Längere rTMS mit niedriger Frequenz (ca. 1 -2 Hz) führen zu einer Art virtueller oder transienter Läsion der stimulierten Hirngebiete. → Funktion des Gebietes kann gehemmt werden. → „long term depression“ → bleibt für ca. 15 Minuten bestehen. • Höherfrequente Stimulationen (> 4 Hz) haben dagegen einen faszilierenden Effekt auf die stimulierten Hirngebiete. → Erhöhung der Effizienz/Bahnung von exzitatorischen Synapsen → „long term potentiation“ → bleibt für mehrere Minuten bestehen. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Anwendungen Neurophysiologie (Bestimmung der Nervenfunktion) → Auslösung magnetisch evozierter Potentiale (MEPs). → Unterscheidung z.B. zwischen demyelinisierenden und axonalen Erkrankungen „experimentell-klinisch“ → M. Parkinson (Koch et al., Neurology 2005) → endogene Depressionen (Isenberg et al.,Ann Clin Psychiatry 2005) → Zwangsstörungen, Gilles de la Tourette (Mantovani et al., Int J Neuropsychopharmacol 2006) → Schizophrenie (Brunelin et al., Schizophr Res 2006) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Anwendungen Kognitive Neurowissenschaften ! Stimulation kann zu einer (undramatischen, aber messbaren)Veränderung der Leistungsfähigkeit in einer engumschriebenen Aufgabe führen “Interferenz” Zeigt die Relevanz eines Gehirnbereiches für einen bestimmten kognitiven Prozess. Zum Vergleich: fMRT zeigt nur die Gleichzeitigkeit (“Korrelation”) zwischen Aufgaben-Ausführung/kognitivem Prozess und Durchblutungsveränderungen in umschriebenen Hirnbereichen Methoden der kognitiven Neurowissenschaften TMS Praktische und Psychologische Erwägungen Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen – Online • TMS wird während des Experimentes gegeben. • Gleichzeitige Aktivierung grösserer Nervenverbände für wenige Millisekunden. • Kann sich sowohl förderlich als auch hinderlich auf Leistung auswirken (abhängig von dem Zeitpunkt der Stimulation). ! Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen – Offline • TMS wird vor dem Experiment z.B. über 10 Minuten hinweg gegeben. • Noch über wenige Minuten ist die Kommunikation des stimulierten Hirnbereiches mit dem Rest des Gehirns verändert. • Kann sich sowohl förderlich als auch hinderlich auf Leistung auswirken (abhängig von Dauer und Frequenz der Stimulation). ! Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen – “Condition and Perturb” 1. TMS wird vor dem Experiment z.B. über 10 Minuten hinweg gegeben, um Areal A tonisch zu beeinträchtigen (“offline”, “to condition area A” ) 2. TMS wird während der Aufgabe in Einzelpulsen gegeben, um Areal B phasisch zu beeinträchtigen (“online”, “to perturb area B”) Guter Ansatz um Netzwerk-Zusammenhänge zwischen Arealen zu studieren. ! Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Platzierung der Spulen – Iterative Suche • Grundproblem: Korrektes Platzieren der Spulen auf Schädeloberfläche. • Vorgehen bei Diagnostik des motorischen Kortex: → → → → • Mittelinie auf Schädelkalotte identifizieren. Position des Motorkortex abschätzen Spule tangential über Motorkortex anbringen und Impuls generieren. Überprüfen ob ein MEP am Finger ableitbar ist und evtl. korrigieren. Wenn die richtige Position gefunden wurde, kann diese markiert werden und für weitere Anwendungen verwendet werden. → Iterative Suche → Problematisch bei Regionen die weniger klar abgrenzbar sind. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Platzierung der Spulen – 10-20-System • 10-20-System ist anerkanntes System mittels dessen man EEG-Elektroden auf der Schädeloberfläche platziert. • Es gibtArbeiten, die anhand von normalisierten Gehirnen die unter den Elektrodenpositionen lokalisierten Hirngebiete kartieren. • Landmarken haben zwar Spannbreiten von bis zu 2 cm, diese liegen aber innerhalb des Ungenauigkeitsbereichs einer TMS-Stimulation. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Platzierung der Spulen – Neuronavigation • • Mittels normalisiertem Standardgehirn oder MRT-Bild und einem Analysesystem kann TMS-Spule an die richtige Position navigiert werden. Sehr präzise, noch relativ teuer. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften TMS Paradigmen – Online: Timing (Beckers & Zeki, 1995) • Stimulation über V5 (MT): Effekt auf Erkennen von Bewegungsrichtung bei einem Zeitfenster von -20 bis 10 ms. • Stimulation über Region zwischen V5 und V1: Kein Effekt auf Erkennen von Bewegungsrichtung. • Stimulation über V1: Effekt auf Erkennen von Bewegungsrichtung bei einem Zeitfenster von 60 bis 70 ms nach Target-Präsentation. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Paradigmen – Online: Timing (Beckers & Zeki, 1995) • Bislang wurde davon ausgegangen, dass alle visuelle Information via V1 in weitere visuelle Areale weitergeleitet wird. • Dann müsste eine Stimulation über V1 einen früheren Effekt zeigen als eine Stimulation über V5. • Hier ist es aber umgekehrt → Autoren stellen die Hypothese auf, dass V5 Informationen über mindestens zwei Routen bekommen kann. → V1 → Direkt über Korpus geniculatum laterale. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften … Ein Video noch (Wieder Vincent Walsh!) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Kombinationen mit anderen Methoden z.B. fMRI, PET, EEG Zeitpunkt: vorher, nacher, simultan Art: offline, online, Localizer Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) TMS und Bildgebung • Bildgebung (fMRT, PET, u.U. MEG) kann anatomischen Ort einer Funktion kartieren. Unbeantwortet bleibt dann aber die Frage, welche Funktion genau das kartierte Neuronenensemble für die entsprechende Aufgabe hat. → hemmend? → stimulierend? • Die Veränderungen des Verhaltens nach einer TMS-Intervention erlauben Rückschlüsse auf die funktionale Bedeutung der entsprechenden Struktur. ! Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Nebenwirkungen, Gefahren Epileptische Anfälle → 8 Fälle wurden in derAnfangsphase (bis 1996) berichtet → International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996“ (Wassermann, Electroencephal Clin Neurophys 1997):Ausschlusskriterien, Stimulationsmaxima. → seither keineAnfälle mehr berichtet → Paradox: TMS bei Epilepsiepatienten zeigt eher eine Reduktion epileptiformer Aktivität im EEG (Fregni et al., Epilepsy Behav 2005) Zucken der Kopfhaut und der Kaumuskulatur, Spannungskopfschmerz; → keine Langzeitnebenwirkungen! Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Literatur der heutigen Veranstaltung Walsh, V., & Cowey,A. (2000). Transcranial magnetic stimulation and cognitive neurscience. Nature Reviews Neuroscience, 1, 73-79. Siebner, H. R., Willoch, F., Peller, M.,Auer, C., Boecker, H., Conrad, B., & Bartenstein, P. (1998). Imaging brain activation induced by long trains of repetitive transcranial magnetic stimulation. NeuroReport, 9, 943-948. Beckers, G., & Zeki, S. (1995). The consequences of inactivating areas V1 and V5 on visual motion perception. Brain, 118, 49-60. Methoden der kognitiven Neurowissenschaften
