Hoofdstuk 1: Inleiding

Transcriptie

1 1. BEGINSELEN VAN DE NEUROANATOMIE Hersenschors: Occipitale kwab: Mediale zijde: - sulcus calcarinus (primaire visuele cortex) - sulcus parieto-occipitalis Ventrale zijde: - gyrus lingualis - gyrus fusiformis (meer anterieur) - sulcus collateralis over ventrale zijde - sulcus occipitotemporalis loopt parallel en lateraal van s.c. Laterale zijde Temporale kwab: Sulcus temporalis superior Sulcus temporalis inferior verdelen de laterale zijde in: o Gyrus temporalis superior o Gyrus temporalis medius o Gyrus temporalis inferior Gyrus angularis: rond het achterste uiteinde van sulcus temporalis superior dat naar boven loopt Planum temporale: wanneer we de Sylvische fissuur open plooien Gyri van Heschl (primaire auditieve cortex): achterste deel van planum temporale. Pariëtale kwab: Sulcus intraparietalis verdeeld de laterale zijde in: o Lobulus parietalis superior o Lobulus parietalis inferior: - gyrus angularis - gyrus supramarginalis: rond achterste uiteinde van de Sylvische fissuur Frontale kwab: Sulcus frontalis inferior 1

2 Sulcus frontalis superior verdelen de laterale zijde in: o Gyrus frontalis superior o Gyrus frontalis medius o Gyrus frontalis inferior Sulcus centralis (PMC): begrenst de frontale kwab aan de achterzijde Sulcus precentralis: voor en parallel met sulcus centralis Premotorische cortex: in en rond de sulcus precentralis 2. COGNITIEVE MODELLEN Specificeren uit welke deelprocessen een bepaalde functie bestaat en hoe de deelprocessen elkaar beïnvloeden Modulair model Deelprocessen serieel geschakeld Output van een (beëindigd) deelproces wordt input ander deelproces 2.2. Interactionistisch model Deelprocessen parallel geschakeld Nog voor het ene proces beëindigd is en output gegenereerd heeft ander proces dat gebruik maakt van output van het ene proces en tegelijkertijd de output van dat proces beïnvloedt. 3. FUNCTIONEEL-ANATOMISCHE MODELLEN 3.1. Korte historiek Vroeger Men dacht dat hersenfuncties gelokaliseerd waren in de hersenventrikels en niet in de hersenschors. Swedenborg & Gall: belang van hersenschors Corticale sulci verlopen volgens een consistent patroon Verschillende hersengebieden vervullen verschillende functies 2

3 Paul Broca: bevestigde hypothese van Gall Patiënt Lebrogne kon t.g.v. beroerte enkel Tan uitbrengen en een aantal stereotype uitdrukkingen. focaal letsel in gyrus frontalis inferior links aangetoond dat taal berust op welomschreven hersengebieden i.p.v. diffuus door de hersenen op hun geheel wordt verwerkt Localisationisme versus gedistribueerde netwerken Localisationisme Eenvoudige 1 1 correspondentie tussen bepaalde functie en een bepaald gebied Broca-gebied (= gyrus frontalis inferior) staat in voor spraakproductie Wernicke-gebied (= achterste van gyrus temporalis medius) staat in voor spraakbegrip NADEEL: vereenvoudigt klinische realiteit: Broca-gebied ook begripsstoornissen voor moeilijkere grammaticale constructies Wernicke-gebied ook woordproductie Ook letsels buiten klassieke taalgebieden kunnen de taal verstoren. Gedistribueerd model Elke taalfunctie berust op de coöperatie van een gedistribueerd netwerk van gebieden (= hersencircuit). Verschillende gebieden zijn op afstand van elkaar gelegen en onderling anatomisch verbonden. Elk gebied vervult een deel van het werk Interactie met de andere gebieden Een gebied kan deel uitmaken van verschillende netwerken naargelang taak. 4. DE TECHNIEK Elke techniek vereist een vergelijking tussen 2 metingen (verschillende condities). Verschil tussen 2 metingen verschil tussen 2 condities. mogen enkel verschillen in die opzichten die het onderwerp van de studie uitmaken. 3

4 4.1. De elektrofysiologische methodes Neurale populatie meer actief veranderingen in elektrisch potentiaal en magnetische dipool. Elektrische veranderingen worden bepaald door piramidale neuronen (= specifieke groep van neuronen die ordelijk gealigneerd zijn langs het corticale oppervlak) Liggen aan de basis van geëvokeerde potentialen (EP) en magnetoëncephalografie (MEG) Geëvokeerde potentialen (EP) Het beste wanneer piramidale neuronen perpendiculair gericht zijn t.o.v. hersenoppervlak. Men meet hoe de elektrische activiteit die door de hersenen gegenereerd wordt, verandert van milliseconde tot milliseconde vanaf een specifiek moment. Tijdsresolutie: in de orde van grootte van milliseconden Ruimtelijke resolutie: veel slechter dan bij PET of fmri Ook voor klinische doeleinden: VEP (visueel), BAEP (auditief) en SSEP (somatosensorieel). Magnetoëncephalografie Magnetisch dipool; kan het beste wanneer piramidale neuronen parallel verlopen met het hersenoppervlak neuronen in de wanden van corticale sulci verlopen tangentieel met hersenoppervlak potentiaal door deze neuronen kan niet opgepikt worden. Tijdsresolutie: vergelijkbaar met EP Transcraniële magnetische stimulatie Magnetisch veld op de schedel dat doordringt tot in beperkt deel van onderliggende hersenschors. Doel: hersenactiviteit beïnvloeden in onderliggend deel (inhiberend of stimulerend) 2 manieren: Single- of dual-pulse: gedurende enkele ms werking van onderliggend deel kortdurend verstoord Repetitieve TMS: trein van impulsen gedurende enkele minuten langduriger effect. NADEEL: moeilijk precies af te lijnen welk deel van hersenschors door TMS beïnvloed is. kan min of meer uitgebreid zijn en gebieden op afstand kunnen ook beïnvloed zijn. Daarom: combinatie TMS met fmri. 4

5 Corticale oppervlakteregistratie Rechtstreeks op het corticale oppervlak elektrische activiteit meten in bepaalde regio s om gebieden functioneel te identificeren. Bij epilepsiepatiënten: deel van cortex reseceren waar epilepsie start, waarbij men zo weinig mogelijk van omliggende cortex wil wegsnijden die instaat voor bvb. taal patiënten wakker laten en stuk voor stuk stimuleren rond het letsel om te voorspellen of het om stukken gaat met een belangrijke functie. In zeldzame experimenten: gebruiken om elektrische respons te meten op een aantal passief aangeboden stimuli. Ruimtelijk resolutie: zeer hoog Single neuron electrode recording Met één of meerdere elektroden neuronale activiteit meten van een enkelvoudig neuron Meest rechtstreekse manier om activiteit van neuronen te meten Tijdsresolutie: in orde van grootte van ms en => uitstekend Belangrijke principes definiëren van de relatie cognitieve functies neuronale activiteit. NADEEL: slechts beperkt aantal neuronen klassiek onderzoek: 100-tal neuronen in eenzelfde gebied. Multi-electrode arrays: - men gebruikt verschillende elektroden tegelijk OF - metingen waarbij men in verschillende gebieden tegelijk meet Ethische kwesties Proefdieren kunnen geen vrijwillige informed consent geven Woonomstandigheden van proefdieren optimaliseren Op een diervriendelijke manier omgaan met proefdieren Minimale pijn berokkenen (bvb. bij plaatsen van elektroden) Geen gebruik van proefdieren die in het wild gevangen zijn, maar die in gevangenschap geboren zijn De hemodynamische methodes Neuronale populatie meer actief bevloeiing van populatie neemt toe lokale vasodilatatie (vaatverwijding). Vasodilatatie treedt op ter compensatie voor het hoger metabool verbruik: 5

6 het laat toe dat er meer metabool substraat geleverd wordt in actief hersengebied. Vasodilatatie is meer uitgesproken dan wat vereist is ter compensatie van verhoogd metabolisme. Hemodynamische respons: de lokale vasodilatatie in respons op verhoogde activiteit. ligt aan de basis van PET en fmri. Positron-emissie tomografie Injectie van 15 O-gelabelled H 2 O (= een radioïsotoop) In de cyclotron (deeltjesversneller): productie zuurstofatoom met massagetal 15 i.p.v. 14 zuurstofatoom instabiel vervalt met een halfwaardetijd van 123s Tijdens verval: een proton getransformeerd in: - neutron + partikel - neutrino + partikel wordt uitgestoten resterend atoom is 15 7N i.p.v. 15 8O + partikel botst met een elektron annihilatie van de twee massapartikels emissie van 2 fotonen (= hoog-energetisch pakket van 511 kev). De fotonen hebben 2 precies tegengestelde richtingen met een hoek van Energie is zo hoog dat ze niet rechtstreeks opgemeten worden, maar eerst moeten afgestopt worden door een bismuth germanium oxide kristal. Botsing geeft aanleiding tot een foto-elektrisch effect gebruikt om beelden op te nemen o.b.v. simultane coïncidenties van fotonen met diametraal tegenovergestelde richting wordt er een beeld van de hersenen gereconstrueerd. Lage dosis radioïsotoop volstaat 6 12 opnames in 3u persoon moet stilliggen; na elke injectie: 40s-90s in conditie waarbij de hersenen volledig gescand worden; meting: de integraal van alles wat er in die tijdspanne gebeurt; vervolgens 8-10min interval Bovengrens van dosis: 5 millisievert. Tijdsresolutie: >40s Ruimtelijke resolutie: 10-15mm 6

7 Functionele magnetische resonantie (fmri) Gebruik van een endogeen contrastmiddel => geen injectie nodig fmri-signaal wordt bepaald door de verhouding OH/DOH 1 Neuronale populatie meer actief meer zuurstofverbruik verhouding OH/DOH (zeer kortstondig effect van 100 en millisec.) vasodilatatie OH/DOH (doordat vasodilatatie meer uitgesproken is dan wat er vereist wordt ter compensatie van verhoogde metabole activiteit) Toename OH/DOH bereikt piek 6-10s na toename van neuronale activiteit Keert vervolgens terug naar basislijn over verloop van 5-tal sec. Blood Oxygenation Level Dependent-signaal (BOLD) = fmri-signaal. fmri laat toe om een lange reeks van opeenvolgende kortdurende beelden op te nemen van hersenen. Toepasbaar op 2 manieren: Epoch-based fmri: - gedurende 30-40s trials van een vergelijkbaar type aanbieden - pp voert gedurende 30s taak uit en voortdurend opnames van hersenvolumes - onmiddellijk nadien: andere taak gedurende 30s en opnieuw hersenvolumes in de analyse: nagaan hoe de integraal van het signaal van de ene conditie verschilt van het signaal van de andere conditie. Event-related fmri: - meten hoe BOLD-signaal van sec. tot sec. verandert volgend op een experimentele gebeurenis ( event ) - VOORDEEL: men kan events van verschillende types doorheen mengen. Tijdsresolutie: orde van grootte van enkele sec. Ruimtelijke resolutie: 5-10mm. Analyse van functionele beeldvormingsdata Opnames vergelijken tijdens verschillende condities Gemeten waarden verklaard door: - conditie-afhankelijke component - pp-afhankelijke component - ruisfactor parameterschatting voor elke component 1 OH en DOH: resp. oxyhemoglobine en deoxyhemoglobine 7

8 Statistische inferentie: bepalen waar de parameterschatting significant verschilt tussen condities; voor elke voxel 2 binnen hersenvolume kan men significantie bepalen. Z-map: de kaart van de voxels en hun statistische significanties; Z drukt statistisch uit hoe sterk een bepaalde waarde afwijkt van wat men onder de nulhypothese zou verwachten. 4. LETSELMETHODE BIJ PATÏENTEN Enkelvoudige dissociatie: wanneer er patiënten bestaan waarbij A aangetast is en er geen patiënten zijn waarbij B aangetast is. laten niet toe te concluderen dat A en B verschillende locaties hebben, want enkelvoudig associatie kan ook op andere manieren verklaard worden. Dubbele dissociatie: wanneer aan 2 criteria voldaan is: Bij sommige letsels is proces A beschadigd en proces B gespaard Bij andere letsels is proces B beschadigd en A intact dan kunnen we zeggen dat A en B verschillen van lokatie. Lesie-subtractiemethode: Indeling van patiënten in groepen o.b.v. klinisch beeld Dan berekening bij hoeveel patiënten met X elke voxel beschadigd is en bij hoeveel patiënten zonder X. Vergelijking van aantallen geeft dan een subtractiebeeld Voxelgebaseerde letsel-symptoom-mapping: Men meet bij elke patiënt een bepaalde parameter (niet vooraf in groepen indelen). Nagaan voor elke voxel in de hersenen welke waarde die parameter had bij patiënten waarbij de voxel wel beschadigd is. Met een Student-t-test nagaan voor elke voxel of er een verschil is in de waarde van de parameter tussen patiënten waarbij die voxel wel beschadigd is en patiënten waarbij die niet beschadigd is. VOORDEEL: noodzakelijke complement t.o.v. hemodynamische en elektrofysiologische methodes, want ze kunnen nagaan of de effecten een essentiële bijdrage weerspiegelen van een specifiek gebied (de andere 2 methodes geven enkel plaats van effect aan). NADELEN: De uitgebreidheid van letsels wordt niet bepaald door functionele afgrenzing tussen gebieden, maar door bvb. het bevloeiingspatroon van de hersenen in geval een beroerte of door toeval. 2 Voxel: een grafische eenheid om een punt in de drie-dimensionale ruimte weer te geven. 8

9 Hersenen zijn in staat tot functionele reorganisatie: structureel beschadigde gebieden kunnen overgenomen worden door andere gebieden die structureel intact zijn. Hersenletsels zijn zelden beperkt tot de hersencortex; vaak zijn ook de wittestofbanen die hersengebieden met elkaar verbinden, beschadigd. Gebied maakt deel uit van hersencircuit uitval van gebied repercussies op functie van gebieden die ook in dit netwerk zitten. Niet enkel structureel beschadigde gebieden. 9