Posts Tagged ‘fMRI’

Wie kent ze niet… fMRI en EEG

Posted on: November 9th, 2016 by Tom de Graaf No Comments

Niet iedereen weet waar ze voor staan, maar bijna iedereen heeft ze wel eens gehoord: de afkortingen ‘fMRI’ en ‘EEG’. Waarschijnlijk de twee belangrijkste methoden om in het menselijk brein te turen. Waarom zijn ze zo bekend?

First things first. EEG staat voor electroencephalography, fMRI staat voor functional magnetic resonance imaging. Zo… dat is geregeld. EEG meet minieme elektrische signalen, de hersengolven, die veroorzaakt worden door synchrone activiteit van hele populaties neuronen in de hersenschors. Na wat omzwervingen reizen deze stroompjes door de schedel om opgepikt te worden door elektroden op de huid. FMRI meet de hoeveelheid zuurstof in het bloed. Dat is een indirecte maar toch vrij betrouwbare maat van neuronale activiteit. Dat komt omdat het ‘neurovasculaire systeem’ in ons brein reageert op actieve neuronen door ze van extra zuurstof te voorzien. Stofjes (hemoglobine) die zuurstof vervoeren hebben andere magnetische eigenschappen dan stofjes zonder zuurstof en die magnetische eigenschappen worden (wederom indirect) opgepikt door de MRI scanner.

Maar waarom ken je ze?
Het is toch ongebruikelijk in de wetenschap dat dergelijke ingewikkelde methoden bij zo’n breed publiek bekend zijn. Daar zijn verschillende redenen voor te bedenken. Zo heeft onderzoek met fMRI en EEG de afgelopen jaren fantastische resultaten opgeleverd. Ze leverden doorbraken op in verschillende onderzoeksgebieden, van waarneming tot psychiatrie tot bewustzijn. Voor voorbeelden kun je gewoon terugbladeren naar eerder geplaatste artikelen op deze website!
Een tweede mogelijke reden is in feite de raison d’etre van onze site: die resultaten zijn vrij goed uit te leggen. Er zijn vast minstens zo spannende ontwikkelingen in de celbiologie, kwantummechanica, of endocrinologie, maar die ken ik niet, want ga daar maar eens aanstaan! Nog een reden zou kunnen zijn dat we een speciale verbinding voelen met het onderwerp; tenslotte hebben we allemaal een brein. Maar… er is nog een mogelijk reden voor de algemene bekendheid van fMRI en EEG: volume!

Zo… veel… onderzoek…
Ik zocht naar artikelen op keyword ‘fMRI’ of ‘EEG’ op de vooraanstaande database PubMed, en kreeg aantallen publicaties over de jaren heen, zoals ik die heb weergegeven in deze grafieken*. Hij begint bij 1990, te verdedigen als het geboortejaar van fMRI onderzoek, en is te volgen tot 2015, waarvoor PubMed me 30.092 artikelen gaf! Daarmee vergeleken is EEG een beetje zielig, met ‘slechts’ 6092 publicaties. Maar vind maar eens een EEG onderzoeker die vorig jaar 6092 artikelen heeft gelezen – die bestaat niet hoor!

PastedGraphic-1.pdf

Publicaties over de jaren heen.
Interessant is wel dat EEG een soort renaissance heeft doorgemaakt. Het is de oudere methode, maar in de afgelopen decennia lijkt ze wel herboren. Arbitrair natuurlijk, maar als je kijkt naar de afgelopen 15 jaar en het aantal publicaties per jaar deelt door  het aantal publicaties in het jaar 2000, dan krijg je een weergave van de groei voor beide methoden sinds toen. Die verschilt niet eens zo erg tussen EEG en fMRI!
Wederom speculatie, maar dat heeft mogelijk te maken met de populariteit van hersenonderzoek in het algemeen, alsof EEG onderzoek mee glijdt in de slipstream van de bulderende fMRI trein. Het heeft echter bijna zeker te maken met het feit dat snellere computers en nieuwe analysemethoden het makkelijk hebben gemaakt om dezelfde EEG data op spannendere manieren te bekijken. Tot slot is het mijn eigen overtuiging dat steeds duidelijker begint te worden dat we de hersenen alleen zullen begrijpen als we ook kijken naar de dynamiek van hersengolven. En laat EEG daar nou veel geschikter voor zijn dan fMRI.

Pareltjes
We zijn er nog lang niet, want ondanks dat verbazingwekkende volume staan de neurowetenschappen nog altijd pas in de kinderschoenen. En het is ontegenzeggelijk waar dat er uit al dat onderzoek met grote regelmaat echte pareltjes komen rollen. Resultaten die fundamentele nieuwe inzichten bieden, direct relevant zijn voor het begrip en het behandelen van stoornissen, en voor iedereen begrijpelijk zijn. Dus… kom op collega’s! Zet jullie tienduizenden beste beentjes voor!

De inspiratie voor deze post kwam van deze Engelstalige blog.

*De aantallen publicaties moeten met een korrel zout worden genomen en slechts gezien als indicatie voor de groei; slechts een beperkt deel van de publicaties die worden teruggegeven door PubMed zijn daadwerkelijk volledige experimenten/studies zoals we die hier vaak rapporteren.

Informatie volgen in het brein met millisecondenprecisie

Posted on: February 12th, 2014 by Daan Schetselaar No Comments

Hersenonderzoekers hebben een groot probleem. Ze kunnen met steeds krachtigere scanners steeds nauwkeuriger vaststellen waar hersenprocessen zich afspelen. En met uiterst gevoelige sensoren kunnen ze ook het verloop in de tijd vaak precies bepalen. Maar een exacte meting van tijd en plaats tegelijk; dat is nog altijd schier onmogelijk. Onderzoekers van MIT in Cambridge bedachten een slimme truc en brachten met ongekende precisie in beeld waar en wanneer visuele waarnemingen in het brein worden verwerkt.

De gereedschapkist van neurowetenschappers is de afgelopen decennia flink uitgebreid met indrukwekkende apparaten als MRI- en MEG-scanners. De eerste leveren de bekende kleurige plaatjes op van hersenactiviteit. Die worden steeds nauwkeuriger; een resolutie van driedimensionale fMRI-beelden van 1 bij 1 bij 1 millimeter is geen uitzondering meer. Maar zo’n scan is een beetje als een foto genomen met een heel lange sluitertijd. Het fMRI-signaal is namelijk afhankelijk van voldoende toevoer van zuurstofrijk bloed naar de actieve hersendelen, en dat duurt een paar seconden. En in de hersenen, waar in enkele tientallen milliseconden (een milliseconde is één duizendste seconde) vaak al een hoop gebeurt, is dat erg lang.

Schedeloppervlak

Wil je precies weten hoe snel een hersenproces op gang komt of hoe lang het duurt? Dan gebruiken hersenonderzoekers meestal EEG of MEG; technieken die op millisecondenschaal  minuscule variaties in elektrische spanning tussen groepen neuronen oppikken. Maar omdat de meting plaatsvindt aan het schedeloppervlak, weet je nooit zeker waar in het brein die spanningsverschillen precies vandaan komen.

Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) bedachten een list. Ze lieten proefpersonen plaatjes zien van 92 verschillende objecten, waaronder gezichten, lichaamsdelen, dieren, fruit en gereedschappen. Ondertussen maten ze hersenactiviteit met MEG. Die metingen leveren voor elk plaatje een reeks golven op; verschillen in magnetische veldsterkte over tijd. Maar de wetenschappers keken niet naar de golven zelf, maar alleen naar hoe sterk de golfpatronen die de verschillende plaatjes opleverden van elkaar verschilden. Plaatjes die veel op elkaar leken (bijvoorbeeld twee gezichten) leverden vergelijkbare golfpatronen op terwijl plaatjes die niet op elkaar leken juist heel verschillende golfpatronen opleverden.

Eerst object, dan categorie

Door te kijken op welk moment tijdens de meting de verschillen tussen golfpatronen zichtbaar werden, konden de wetenschappers exact achterhalen wanneer de hersenen onderscheid maken tussen verschillende plaatjes. Zo zagen ze dat na het zien van een object het brein eerst het object zelf onderscheidt en daarna pas vaststelt tot welke categorie het behoort, zoals ‘natuurlijk’ of ‘kunstmatig’.

Op de vraag waar dat in het brein gebeurt, hadden de onderzoekers daarmee nog geen antwoord. Daarom lieten ze dezelfde plaatjes zien aan proefpersonen in een MRI-scanner waardoor zichtbaar werd welke hersengebieden daarbij actief waren. Ook nu waren ze niet geïnteresseerd in de scans zelf, maar in de mate waarin de scans verschillen bij het zien van verschillende plaatjes. Net als bij de MEG-metingen leken de fMRI-data meer op elkaar bij het zien van gelijksoortige plaatjes dan bij heel verschillende plaatjes. Bovendien kwam het verschil tussen de scans overeen met het verschil in de MEG-golfpatronen voor dezelfde plaatjescombinaties.

Beperkingen omzeilen

De truc zit ‘m in het exacte moment waarop die overeenkomst tussen MEG en fMRI het grootst was. Dat bleek anders te zijn voor verschillende hersengebieden. Zo konden de onderzoekers achterhalen dat in de primaire visuele cortex (helemaal achter in het hoofd) informatie over de objecten binnenkomt zo’n 100 milliseconden nadat het plaatje wordt getoond. Een ander hersendeel, de inferieure temporale cortex (grofweg gelegen achter de slapen) herkent de objecten zo’n 30 milliseconde later.

Hoewel MEG en fMRI een heel ander soort data opleveren, laat dit onderzoek zien dat je ze toch met elkaar kunt combineren. Door niet naar de data zelf te kijken, maar naar de verschillen bij het tonen van verschillende stimuli. Zo kunnen onderzoekers de beperkingen van beide methoden omzeilen en in beeld brengen hoe razendsnelle processen zich in het brein ontvouwen.

 

Het onderzoek werd op 26 januari gepubliceerd in Nature Neuroscience.

Zoeken verandert interne kaart van categorieën in het brein

Posted on: July 12th, 2013 by Job van den Hurk No Comments

We zoeken wat af in ons dagelijks leven. Je parkeert bijvoorbeeld je fiets ´s morgens vroeg in een vrijwel lege fietsenstalling bij het station, maar ´s avonds staan er honderden fietsen omheen. Toch ben je meestal in staat om tussen al die op elkaar lijkende fietsen je eigen exemplaar terug te vinden. Een recente studie heeft nu aangetoond dat je hersenen zichzelf gevoeliger maken voor de categorie waar je naar op zoek bent, door de manier waarop categorieën gerepresenteerd zijn in de hersenen een beetje aan te passen.

De wereld om ons heen bestaat uit talloze categorieën van objecten. Om deze categorieën te kunnen herkennen, bevatten onze hersenen een representatie van al deze categorieën. Het herkennen van een object of een categorie gaat meestal gepaard met een wijdverbreide activiteit in het brein. Ondanks het feit dat alle categorieën dus vrij complex vertegenwoordigd zijn, is er toch een bepaalde organisatie te ontdekken. Zo lijken de patronen van hersenactiviteit van twee verwante categorieën (mensen en ledematen) sterk op elkaar, terwijl twee verschillende categorieën (mensen en voertuigen) juist verschillende patronen van activiteit laten zien.

Semantische representaties

Je zou de categorieën mensen, ledematen en voertuigen in een diagram kunnen plaatsen. Dan kun je het verschil in hersenactiviteit dat met de categorieën gepaard gaat weergeven als de onderlinge afstand tussen de categorieën in dat diagram. In dat diagram zouden de categorieën mensen en ledematen dichtbij elkaar staan, terwijl voertuigen een eindje verderop te vinden is (zie afbeelding). Dus alhoewel de patronen van hersenactiviteit heel lastig te interpreteren zijn, is inmiddels bekend dat deze zogeheten ‘semantische representaties’ van categorieën in ons hoofd een zekere organisatie hebben, waarin aan elkaar gerelateerde categorieën dichter bij elkaar zitten.

 

Een voorbeeld van de semantische representatie van categorieën in het brein. Opvallend is dat categorieën die met elkaar in verband staan, zoals voertuigen en wegen, dicht bij elkaar staan.

Filmpjes

Hersenwetenschappers van de Universiteit van Californië vroegen zich af wat er met die semantische representatie gebeurt als je op zoek bent naar een bepaalde categorie in een situatie waar nog veel meer andere categorieën te zien zijn.

Proefpersonen kregen filmpjes te zien van natuurlijke scenes waarop verschillende categorieën zichtbaar waren. Terwijl hun hersenactiviteit gemeten werd met fMRI, kregen zij de opdracht om op zoek te gaan naar een bepaalde categorie, bijvoorbeeld mensen of voertuigen.

Uit analyse van de hersendata bleek dat er iets bijzonders gebeurde met die interne semantische kaart van categorieën, zodra de proefpersonen hun aandacht richtten op een bepaalde categorie. De patronen van hersenactiviteit veranderden zodanig, dat de categorie waarnaar gezocht werd verder af kwam te staan van categorieën die eraan verwant zijn. Dus waar mensen en ledematen in eerste instantie dicht bij elkaar staan in de semantische representatie, werd deze afstand groter als de proefpersoon naar mensen ging zoeken in het filmpje. Tegelijkertijd kwamen categorieën waaraan geen aandacht werd geschonken veel dichterbij elkaar te staan. Het onderstaande plaatje illustreert deze verandering:

De verandering van de semantische representatie in het brein. A. laat zien hoe verschillende categorieën zich tot elkaar verhouden op het moment dat proefpersonen passief naar de filmpjes keken. B. Op het moment dat de proefpersoon op zoek gaat naar mensen in het filmpje, vergroot de representatie voor mensen en categorieën die daar mee te maken hebben. De overige categorieën verkleinen juist in hun representatie. C. Het omgekeerde gebeurt wanneer proefpersonen op zoek gaan naar voertuigen. Het brein past dus de gevoeligheid aan voor semantische categorieën waar het naar op zoek is.

Onderscheiden

De onderzoekers concluderen dat dit mechanisme ons van dienst is tijdens het zoeken naar een bepaald object of categorie. Omdat het in het dagelijks leven lastiger is om dat object te onderscheiden van objecten die er veel mee te maken hebben, zorgt deze verandering in de representatie er voor dat onze hersenen als het ware gevoeliger worden voor de dingen waar we naar op zoek zijn: door het zoeken naar je fiets bij het station gaan de patronen van hersenactiviteit die met een fiets te maken hebben een beetje meer verschillen van de patronen die met andere voertuigen geassocieerd zijn. Deze studie toont maar weer eens aan hoe ons brein in staat is dit soort complexe taken uit te voeren in een visuele wereld die continu verandert.

 

Dit artikel werd in juli gepubliceerd in Nature Neuroscience.

Dromen aflezen uit hersenactiviteit

Posted on: April 17th, 2013 by Bart Aben No Comments

Psychologen en neurowetenschappers willen exact weten wat er in het brein omgaat. Niet alleen als we wakker zijn, maar ook als we slapen. Japanse onderzoekers hebben een knap onderzoek verricht waarin ze geslaagd zijn de inhoud van dromen af te lezen uit hersenscans. Betekent dit dat zelfs onze dromen niet meer veilig zijn?

In het onderzoek nam de proefpersoon plaats in de MRI-scanner en werd vervolgens gewacht totdat hij of zij in slaap viel. Tegelijkertijd werden er EEG opnamen gemaakt, die aangaven in welk stadium van slaap de proefpersoon zich bevond. Iedere keer dat de persoon in een droomstadium kwam werden er fMRI-scans van de visuele cortex gemaakt. Na een korte tijd werd de scanner gestopt en de proefpersoon wakker gemaakt. Vervolgens werd de participant gevraagd de inhoud van de droom te vertellen. De onderwerpen die het meest genoemd werden, bijvoorbeeld “huis”, “eten” of “vrouw”, werden genoteerd. Op basis van die termen werd een andere fMRI-meting gedaan. Dit keer kregen de proefpersonen afbeeldingen van de meest genoemde droomonderwerpen te zien, terwijl opnieuw hun hersenactiviteit werd gemeten.

Om nu te kunnen begrijpen hoe de onderzoekers met deze gegevens de visuele inhoud van dromen kunnen bepalen, moeten we eerst de term machinaal leren introduceren. Dit houdt in dat een computer bepaalde patronen van hersenactiviteit leert herkennen. De computer is dus getraind om de hersenactiviteit te herkennen die optrad bij het zien van bijvoorbeeld de afbeelding van een huis. Vervolgens zijn de fMRI-metingen die gedaan zijn tijdens het dromen in de getrainde computer ingevoerd en heeft de computer in deze data dezelfde patronen ontdekt die het eerder geleerd heeft. Zo kon de computer dus bijvoorbeeld het patroon herkennen dat bij “huis” hoort. Uit de rapportages van de proefpersonen bleek dan dat de persoon inderdaad over een huis had gedroomd.

Betekent dit nu dat MRI-scanners en computers onze gedachten kunnen lezen? Niet echt. Het betekent dat op een heel basaal niveau en na een lange, complexe machinale training het mogelijk is bepaalde objecten in dromen te herkennen. Het is niet mogelijk om dit zomaar bij een willekeurig persoon te doen. Er zal dan eerst weer een complexe machinale training plaats moeten vinden. Het onderzoek toont echter een ander interessant punt aan, namelijk dat wat mensen zien in hun dromen dezelfde neurale kenmerken blijkt te hebben als wat mensen waarnemen als ze wakker zijn.

Dit razendknappe onderzoek heeft overigens niet alleen het uiterste gevraagd van de onderzoekers en de computer, maar is ook enorm intensief geweest voor de proefpersonen. De drie proefpersonen werden telkens enkele minuten nadat ze in slaap vielen gewekt en deze procedure werd maar liefst 200 keer herhaald. En dat in een MRI scanner die doorgaans behoorlijk wat herrie maakt.

 

Dit onderzoek is op gepubliceerd in Science. Ga naar de website voor o.a. een podcast interview met één van de onderzoekers.

 

Please wait... loading