Kognitiv Neurovidenskab og dens Metoder

Præsentationer af emnet: "Kognitiv Neurovidenskab og dens Metoder"— Præsentationens transcript:

1 Kognitiv Neurovidenskab og dens Metoder
Søren Kyllingbæk

2 Den tidslige opløsning og størrelsen af måleområdet i hjernen er angivet i denne figur.
Som I kan se varierer de forskellige målemetoder meget i deres tidslige opløsning, såvel som hvor store områder metoden dækker.

3 Transkraniel Magnetisk Stimulation
Vi starter med Transkraniel magnetisk stimulation

4 TMS Med denne metoder påvirker man hjernebarken kortvarigt ved at inducere en strøm med et kraftigt magnetfelt. Man holder en 8-tals-formet spole over et område på ca. 1 cm2.

5 Her set en figur over, hvorledes magnet påvirker et lille område af hjernebarken.
Når området i hjernebarken påvirkes sættes det ud af kraft. Med andre ord laver man en kortvarig midlertidig hjerneskade.

6 TMS K Her ses, hvorledes teknikken kan bruges til at se, hvornår visuelle områder i hjernen registrere et bogstav. Som det ses sker der et dyk i evnen til at se bogstavet ca. 100 millisekunder efter bogstavet præsenteres. Det første dyk inden bogstavpræsentation skyldes at forsøgspersonerne kan komme til at blinke ved stimulationen. Tid

7 Neurofysiologiske Målinger
Den elektriske aktivitet i hjernen kan også måles direkte fra neuronerne.

8 Neurofysiologiske Målinger
Denne teknik bruges oftest i dyreforsøg. Her er vist en illustration fra et forsøg, hvor en abe kigger på en skærm, mens aktiviteten fra en enkelt nervecelle måles i et visuelt område bagtil i hjernen.

9 Neurofysiologiske Målinger
Her er vist resultaterne fra målinger i det forreste område af tindingelappen. Nerveceller i dette områder reagerer særligt kraftigt, når aben ser på ansigter.

10 Moran and Desimone (1985) Preferred Non-preferred
To be more specific, remember the classic study of Moran and Desimone! They recorded In the IT cortex where cells have large RFs. Moran and Desimone investigated the response of cells in this area and found that the cells responded strongly to some stimuli and only weakly to others. They named the two stimuli preferred and non-preferred. Preferred Non-preferred

11 Moran and Desimone (1985) Preferred Non-preferred Attention Attention
Because of the large RFs, Moran and Desimone were able to fit both a preferred and a non-preferred stimulus into the RF of the neuron. They then asked the monkey in the experiment to attend to either the preferred or the non-preferred stimulus. Preferred Non-preferred

12 Moran and Desimone (1985) Preferred Non-preferred Attention Attention
Surprisingly, they found that the neuron responded as if only the attended stimulus was present in the RF of the neuron. In other words, the neuron behaved just as the whole organism - paying attention to the relevant stimulus. Preferred Non-preferred

13 A Neural Theory of Visual Attention Bundesen, Habekost, & Kyllingsbæk (2005)
Bridging the gap between cognition and neurophysiology. A unified mathematical approach Neural network model How can the effect of spatial separation in whole report be modelled. In 2005 Claus Bundesen, Thomas Habekost, and I published a Neural Theory of Visual Attention, where attentional mechanisms are grounded in competition between stimuli within the RFs of neurons in visual cortex.

14 Neural Theory of Visual Attention (Bundesen, Habekost, Kyllingsbæk, 2005)

15 Elektroencephalografi (EEG) Event Related Potentials (ERP)
Den næste metode måler elektrisk aktivitet store grupper af nerveceller

16 EEG/ERP Aktiviteten kan måles på ydersiden af hoved ved hjælp af et net af elektroder.

17 EEG/ERP Metoden kan som det ses af billedet også anvendes på børn

18 EEG/ERP -100 til +100 μV 0 til 40 Hz Epoch (låst i tid til stimulus)
=> Event Related Potential (ERP) Der måles i området mellem +/- 100 mikro volt Og ved 0-40 Hz. EEG Signalet låses i forhold til tidsvinduer kaldet epochs Resultatet kaldes ERP

19 EEG/ERP Kilde: elektrisk felt omkring population af neuroner
Stor population Synkron fyring Post synaptisk aktivitet Konfiguration som åbent dipol felt ”Usynlig” aktivitet: lukket, svagt, asynkron felt For at signalet kan måles skal der flere betingelser være opfyldt…

20 EEG/ERP Åbent / lukket felt Eksempler på åbne og lukkede felter

21 Elektrodeopsætning 10-20 systemet
Der er standard systemer for påsætningen af elektroderne. 10-20 systemet

22 Elektrodeopsætning 10-20 systemet
Reference elektroder - linked mastoid Ud fra gentagende målinger og forstærkning kan man finder måle den elektriske aktivet over tid.

23 Signalet i de Enkelte Elektroder
Her er et eksempel på signalet i de enkelte elektroder

24 ERP Ud fra disse kan man generere kort over den elektriske aktivitet over hele overfladen, som det ses af billederne. Begrænsningen ved metoden, er at den elektriske aktivitet fra neuronerne kan spredes sig langt væk fra udgangspunktet, hvorfor det er svært at lokalisere kilden til aktiviteten nøjagtig.

25 ERP Hvis der også optages et MR-skanning af forsøgspersonen, kan dette ko-registreres med EEG målingerne ved hjælpe af en 3D-stereotaktisk digitizer.

26 ERP Herefter kan ERP signalet overføres til en model af hjernen og dipol-kilder kan lokaliseres bedre.

27 ERP - frekvensfiltrering
For at opnå bedre signal-støj forhold anvender man ofte bortfiltrering af uønskede frekvenser.

28 ERP Artefakter Øjenbevægelser Blink
Fastholdt fiksation => sekundær aktivitet Bortsortering af data => manglende data Estimation og bortfiltrering Der er mange muligheder for fejlkilder i ERP målinger forårsaget af muskelaktivitet. De vigtigste er øjenbevægelser og blink.

29 ERP Signal behandling Problemer: bimodal fordeling
EEG -/+ 100 μV (støj) ERP -/+ 5 μV (signal) => Midling Problemer: bimodal fordeling Amplityde Latenstid I de enkelte målinger er ERP signalet ikke stærkt nok i forhold til det bagvedliggende EEG. Derfor midler man over målinger. Dette giver problemer, hvis der fx er tale om bimodale fordelinger, hvor summen giver en ændring i amplityde eller latenstid.

30 ERP - midling Her er vist et diagram over, hvorledes en ERP måling og efterbehandling foregår.

31 ERP komponenter Definition Tidslig relation Anatomisk Psykologisk
Event-preceding Event-following ERP komponenter kan defineres på to forskellige måder: anatomisk eller psykologisk. Ydermere kan man se på events, som enten kommer før en begivenhed eller efter.

32 ERP – readiness potential
Beredskabs potentialet opstår før, at forsøgspersonen forberede sig på en bevægelse.

33 ERP- Contingent Negative Variation (CNV)
Betinget negativt potentiale før at den følgende stimulus fremkommer. Særligt stærkt, når forsøgspersonen forberede sig på at stoppe den følgende stimulus.

34 ERP (O+E wave) 2 rather than 1 component
Forberedende negativitet til signaleret stimulus. First negative O-wave followed by negative E-wave shift

35 ERP – Nd/processing negativity
Opmærksomhed til enten venstre eller højre øre. Lyd i højre eller venstre øre => Større negativitet for stimulus, som fp er opmærksom på.

36 N2 and Mismatch Negativity - automatic processing?!
Forskelle mellem usandsynlig og sandsynlig stimulus For både attended (solid) og unattende (dottet) er der en N2 komponent, hvilket tyder på automatisk/ufrivillig processering (Efterfølges af P300 difference wave)

37 ERP – P300, P3, P3a, & P3b Two stimuli – S1 signals S2.
Certain or uncertain conditions on what S2 (visual or auditory) was given S1 P3 – measure of uncertainty. Odd ball paradigm – responder til sjældne begivenheder.

38 ERP – N400 Semantisk komponent.
Når det sidste ord ikke passer i sætningen.

39

40 Forskel I ERP component, som reflekterer hukommelseskomponenten i den kontralaterale side.

41 Størrelsen af forskellen for ERP komponenten reflektere antallet af indkodede stimuli.

42 Forskellen korrelere med antallet af indkodede elementer.

43

44

45

46 Magnetoencephalografi
Når en gruppe af nerveceller er aktive laver de ikke kun et elektrisk felt, men også et magnetisk felt omkring sig.

47 MEG Dette udnyttes i Magnetoencephalografi.

48 MEG Her måles magnetfeltet ved hjælp af superledende spoler, som er placeres omkring forsøgspersonen hoved.

49 MEG I modsætning til elektriske potentialer, spreder magnetfeltet sig ikke fra udgangspunktet. Derfor er man mere sikker på, hvor aktiviteten i hjernen finder sted.

50 MEG I denne lille filmsekvens illustreres aktiviteten efter præsentationen af en tone. Forsøgspersonens næse peger ned af på billedet.