INTELIGENCJA I RÓśNICE INDYWIDUALNE W BADANIACH PSYCHOFIZJOLOGICZNYCH METODY POMIARU AKTYWOŚCI MÓZGU ELEKTROFIZJOLOGIA METODY NEUROOBRAZOWANIA

Transkrypt

1 INTELIGENCJA I RÓśNICE INDYWIDUALNE W BADANIACH PSYCHOFIZJOLOGICZNYCH METODY POMIARU AKTYWOŚCI MÓZGU ELEKTROFIZJOLOGIA METODY NEUROOBRAZOWANIA Zapis aktywności mózgu zarejestrowany w laboratorium Hansa Bergera WROCŁAW - przełom lat 20 i 30-tych XX wieku. 1

2 CZĘSTOTLIWOŚCI RYTMÓW KOROWYCH rytm beta (13-30 Hz) charakterystyczny dla stanu czuwania (aktywny mózg przetwarzanie informacji) rytm alfa (8-13 Hz) kojarzony ze spadkiem aktywności lub jej brakiem (?) rejestrowany np. przy zamkniętych oczach (okolice potyliczne i czołowe rytmy theta (4-8 Hz) rytm systemu limbicznego (hipokamp) rytm delta (0-4 Hz) głęboki sen, coma wrzeciona senne, zespoły K korelaty procesów zachodzących w czasie snu rytm gamma (30- Hz) -?? 2

3 Model układu otwartego pola - charakterystyczny równoległy układ włókien, typowy dla obszarów korowych pomiar moŝliwy tylko gdy duŝe grupy komórek odbierają impulsy w sposób zsynchronizowany Model układu zamkniętego pola - układ typowy dla struktur podkorowych z reguły brak sygnału lub sygnał bardzo słabo wyraŝony w zapisie EEG 3

4 Schematyczny model powstawania pól o róŝnym potencjale elektrycznym na powierzchni czaszki 4

5 system rejestracji EEG

6 OD EEG DO ERP wielokrotna rejestracja aktywności elektrycznej mózgu w powtarzalnych warunkach w zapisie EEG rejestrujemy równieŝ charakterystyczne zmiany związane z przetwarzaniem informacji (często niewidoczne gołym okiem) arytmetyczne uśrednienie uzyskanych zapisów zmiany niezwiązane z przetwarzaniem informacji ulegają wyzerowaniu istotne jest to co pozostaje, czyli ERP Podział potencjałów ERP na egzogenne i endogenne 6

7 Näätänen, Simpson & Lake (1982) Stimulus deviance and evoked potentials. Biological Psychology, 14, Podział funkcjonalny P1 - korowy potencjał sensoryczny N1 - proces detekcji zdarzenia P2 - proces analizy sensorycznej Generator fizjologiczny rejon pierwszorzędowej kory słuchowej rejon pierwszorzędowej kory słuchowej rejon drugorzędowej kory słuchowej N2a (MMN) klasyfikacja sensoryczna rejon drugorzędowej kory słuchowej (?) N2 - automatyczna analiza bodźca kora ciemieniowa (?) P3a - uwaga egzogenna (proces orientacyjny) P3b - uwaga endogenna (obróbka znaczenia bodźca) P600 - detekcja błędów gramatycznych/ reprocessing N400 - rozpoznawanie anomalii semantycznych CNV - oczekiwanie na bodziec gotowość reakcyjna ERN - endogenna reakcja na popełniony błąd kora przedczołowa styk płatów ciemieniowego i skroniowego TPJ tylne rejony mózgu styk płatów ciemieniowego i skroniowego TPJ grzbietowo boczna kora przedczołowa DLPFC przednia część zakrętu obręczy 7

8 8

9 WARUNEK IGNORUJ WARUNEKLICZ P3b Electroda Fz Electroda Cz Electroda Pz Komponent P300 uzyskany poprzez odejmowanie zapisu dla jednego warunku (badany był pasywny) od zapisu dla drugiego warunku (badany wykonywał zadanie mentalne) 9

10 BODZIEC standard BODZIEC target P3b BODZIECnontarget Electroda Fz Electroda Cz Electroda Pz * * * * MMN * * * * MMN uzyskany przez odjęcie ERP bodźca standard (1 khz) od ERP bodźca deviant (1,1 khz) 10

11 Event-related potentials ERP INVERSE PROBLEM (1) modele zwierzęce techniki inwazyjne (lezje, lezje farmakologiczne, recording podczaszkowy) (2) Populacje pacjentów z lezjami (neurochirurgia, recording podczaszkowy) (3) EEG + MEG (4) Mapowanie topograficzne CSD, LORETA (5) Modelowanie dipoli, ICA 11

12 Modele zwierzęce recording podczaszkowy Modele zwierzęce rejestracja aktywności poszczególnych neuronów Metoda rejestracji aktywności elektrycznej z głębokich struktur mózgu Rejestracja dotyczy wybranych grup neuronów i umoŝliwia obserwację rzeczywistej aktywności danego rejonu mózgu z bardzo duŝą dokładnością Wadą metody jest ograniczone zastosowanie oraz ograniczenia lokalizacyjne (wnioskowanie moŝliwe tylko w stosunku do małego wycinka układu nerwowego) 12

13 Recording podczaszkowy u pacjentów Recording podczaszkowy u pacjentów 13

14 Recording podczaszkowy u pacjentów Recording podczaszkowy u pacjentów 14

15 Efekty lezji określonych struktur układu nerwowego Magnetoencefalografia (MEG) 15

16 Magnetoencefalografia (MEG) Magneto evoked field (MEF) event-related field (ERF) magnetyczny analog EEG i ERP Zaletą tej metody jest moŝliwość dokładniejszej rejestracji pól generowanych w głębokich strukturach mózgu oraz relatywnie dokładne rozróŝnienie składowych rejestrowanych zmian Current source density analysis (CSD) miara stosowana do analizy wielkości zmian w przepływie prądu w określonych rejonach kory F3 Fz F4 T3 C3 Cz C4 T4 P3 Pz P4 16

17 LORETA oparta na CSD pozwala na określenie (z dokładnością do 1 mm) prawdopodobnego źródła aktywności P7 P8 P1 N170 PO7 PO8 NEUTRAL FACES EMOTIONAL FACES Event-related potentials ERP Zalety: Relatywnie niskie koszty badań Bardzo wysoka rozdzielczość czasowa (obecnie standardem jest 1 ms) Wysoka czułość metody mała zmiana w warunkach eksperymentalnych duŝa zmiana w ERP MoŜliwe zastosowanie w populacjach trudnych (chorzy, dzieci, niemowlęta) MoŜliwość wielokrotnego pomiaru Dostępność metod analizy Wady: Relatywnie słaba rozdzielczość przestrzenna Brak moŝliwości dokładnej rejestracji struktur podkorowych Metoda czuła na artefakty pojawiające się w postaci pól elektrycznych np. artefakty motoryczne 17

18 POZYTRONOWA TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA Positron Emission Tomography - PET Metoda ta opiera się na załoŝeniu, iŝ zwiększona aktywność neuronalna pociąga za sobą wzrost przepływu krwi w obrębie struktur w nią zaangaŝowanych lub/oraz zwiększoną absorbcję glukozy koniecznej przy podwyŝszonym metabolizmie Pomiar dokonywany jest w odniesieniu do wielkości zmian przepływu krwi przez określone struktury mózgu (regional cerebral blood flow - rcbf) lub wielkości zmian w poziomie metabolizmu glukozy. W obu przypadkach rejestracja dotyczy ilości znakowanych substancji sztucznie wprowadzanych do organizmu - znakowanej radioaktywnie wody lub analogu glukozy. POZYTRONOWA TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA Positron Emission Tomography - PET Koniecznym (i wielce kosztownym) etapem przygotowań do badań jest wytworzenie substancji radioaktywnej o krótkim połowicznym czasie rozpadu radioaktywnego i wprowadzenie tej substancji do krwiobiegu osoby badanej. Do najczęściej stosowanych substancji naleŝą radioizotopy: Tlenu 15O (czas rozpadu około 2 minut) radioaktywna woda Azotu 13N (czas rozpadu około 10 minut) Węgla 11C (czas rozpadu około 20 minut) Fluoru 18F (czas rozpadu około 110 minut) analog glukozy F-fluorodeoksyglukoza Zastosowanie wybranej substancji zaleŝne jest od moŝliwości sprzętowych i procedury eksperymentalnej. 18

19 Procesem fizycznym jest anihilacja pozytonów oraz elektronów, w wyniku której powstaje para fotonów o energii 511 kev (promieniowanie gamma), rozchodzących się w dwie róŝne strony w tej samej płaszczyźnie. Fotony te są wychwytywane przez specjalnie zbudowane detektory, przetwarzające informację o rejestracji fotonu na impulsy elektryczne. 19

20 20

21 POZYTRONOWA TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA - PET substancja radioaktywna kumuluje się w mózgu proporcjonalnie do zwiększonego przepływu krwi (nieznany jest do końca mechanizm podstawowy patrz takŝe fmri). poprzez zastosowanie duŝej ilości detektorów umieszczonych wokół głowy osoby badanej uzyskujemy moŝliwość określenia miejsca gdzie zaszła anihilacja radioaktywny tlen ma krótki czas rozpadu połowicznego (2 minuty) co pociąga za sobą ograniczenia w czasie trwania badania (około 10 minut), w przypadku radioaktywnego analogu glukozy czas ten wydłuŝa się do około 110 minut (istnieje wówczas ograniczenie minimalne czasu trwania badania ok minut) maksymalna rozdzielczość przestrzenna 3 mm (średnio 5-10 mm) maksymalna rozdzielczość czasowa - 30 sec (średnio 1 min) Sygnał uzyskiwany poprzez podanie przed samym badaniem radioaktywnego izotopu np. 15O 21

22 BODŹCE SŁUCHOWE BODŹCE WZROKOWE FUNKCJONALNY REZONANS MAGNETYCZNY functional Magnetic Resonanse Imaging - fmri Wykorzystuje się w nim zjawisko magnetyzowania się jąder wodoru [posiadają niezerowy spin] w sytuacji gdy tkanka znajduje się w bardzo silnym polu magnetycznym [1,5 do 3 T cewka gradientowa]. Zjawisko precesji czyli specyficznego ruchu obrotowego z częstotliwością Larmora [w zakresie fal radiowych - cewka RF] wysłanie krótkiego impulsu elektromagnetycznego powoduje przejściowe zmiany w namagnetyzowaniu - efekt rezonansu magnetycznego [analogia do rezonansu akustycznego] - tkanka absorbuje energię impulsu, a następnie, po jego ustaniu, oddaje ją w postaci fal radiowych czyli sygnału MRI w zaleŝności od gęstości jąder wodoru [rodzaju tkanki] rejestruje się róŝne czasy relaksacji co jest podstawą obrazu tomograficznego. 22

23 23

24 Rozdzielczość czasowa klasycznego MRI - maksimum kilka sekund (średnio 1 min) rozdzielczość przestrzenna - maksimum 1 mm (średnio 3 mm) W badaniach funkcjonalnych najczęściej wykorzystuje się sygnał BOLD - blood oxygentaion level dependent signal - czyli zjawisko róŝnic w namagnetyzowaniu natlenowanych i nienatlenowanych cząstek hemoglobiny - podstawa metody funkcjonalnej oraz szybkie metody skanowania [EPI - echo plannar imaging] Pozwala to zwiększyć rozdzielczość czasową do 200 ms Problemem pozostaje podłoŝe zjawiska BOLD 24

25 PodłoŜe zjawiska BOLD AKTYWNOŚĆ NEURONALNA SPRZĘśENIE NERWOWO-NACZYNIOWE REAKCJA HEMODYNAMICZNA ZMIANY W NATLENOWANIU KRWI I JEJ PRZEPŁYWIE DETEKCJA SYGNAŁU BOLD W SKANERZE MRI 25

26 RADIOAKTYWNOŚĆ ROZDZIELCZOŚĆ CZASOWA ROZDZIELCZOŚĆ PRZESTRZENNA OBRAZOWANIE MÓZGU ŹRÓDŁO SYGNAŁU BOLD fmri Brak 4-8 sec (200 msec) 3 mm (1 mm) problemy z korą czołową częściowo poznane PET sec 8-15 mm (3 mm) + dobrze poznane PLANY EXPERYMENTALNE STATE-RELATED EVENT-RELATED REPEATED STUDIES SINGLE-SUBJECT (w teorii) + (ogólnie stosowane) + brak moŝliwości moŝliwe (limitowane dawką) moŝliwe, rzadko stosowane ARTEFAKTY MOTORYCZNE ECG RESPIRACJA duŝy problem usuwalne usuwalne częściowo kontrolowane nieistotne nieistotne INNE POMIARY W TRAKCIE SESJI EEG/ERP EOG EMG ECG SCR/SCL pomiędzy skanami pomiędzy skanami pomiędzy skanami POZYTRONOWA TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA FUNKCJONALNY REZONANS MAGNETYCZNY Procedury eksperymentalne: Schemat blokowy (schemat zadań blokowych, metoda subtrakcyjna) oparty jest na załoŝeniu Dondersa, zgodnie z którym badanie procesów umysłowych moŝna oprzeć na arytmetyce. Dwa proste zadania zareaguj na błysk oraz zareaguj na odpowiedni kolor błysku róŝnią się procesem lub procesami, które decydują o wydłuŝeniu czasu reakcji w drugim przypadku. fmri zadanie kontrolne to proste zadanie trwające zwykle 30 sekund; drugie zadanie to zadanie eksperymentalne, bardziej złoŝone, zawierające lub wywołujące proces psychiczny, którego nerwowy korelat badamy. ZałoŜenie o czystej insercji dodanie jeszcze jednego procesu poznawczego, jak to ma miejsce w zadaniu eksperymentalnym, nie zmienia natury procesów, do których zostało ono dodane. 26

27 Schemat blokowy eksperymentu z uŝyciem techniki fmri 27

28 Event-related fmri 28