Hoe kan hersenactiviteit bij mensen worden gemeten

De hersenen zijn moeilijk te bestuderen, niet alleen vanwege de inherente complexiteit ervan; de miljarden neuronen, de honderden of duizenden soorten neuronen, de triljoenen verbindingen. De hersenen werken ook op een aantal verschillende schalen, zowel in fysische zin als in de tijd.

Om de elektrische activiteit van de hersenen op deze schalen te begrijpen, is geen enkele technologie voldoende. Dientengevolge hebben neurowetenschappers een reeks instrumenten tot hun beschikking. Sommige daarvan, zoals fMRI en EEG, kunnen bij mensen worden gebruikt omdat ze niet-invasief zijn; ze werken door in de schedel te kijken.

Maar deze instrumenten lijden aan een gebrek aan detail. Om een meer microscopisch beeld van de neuronactiviteit te krijgen, wenden onderzoekers zich tot diermodellen. Hiermee kan het gedrag van individuele neuronen, of kleine groepen neuronen, veel gedetailleerder worden geanalyseerd.

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)

Functional magnetic resonance imaging, of fMRI, is misschien wel de bekendste technologie voor het registreren van neurale activiteit, maar de activiteit van neuronen wordt hierbij niet geregistreerd – in plaats daarvan geven de veelkleurige beelden die u ziet van bepaalde hersengebieden die oplichten de bloedstroom in de hersenen weer. Meer precies weerspiegelt het signaal dat je ziet de relatieve aanwezigheid van zuurstofrijk versus zuurstofarm bloed; actieve regio’s hebben meer zuurstofrijk bloed nodig, en dus stelt fMRI, ondanks dat het indirect is, wetenschappers in staat om activiteitspatronen van neuronen af te leiden.

fMRI is een hoofdbestanddeel van modern neurowetenschappelijk onderzoek geworden, omdat het de mogelijkheid biedt om de anatomie van de hersenen (verkregen uit een structurele, in plaats van functionele, MRI-scan) en de functie bij mensen te correleren. Maar het heeft beperkingen. Zowel de ruimtelijke (~ 1 mm3, met betrekking tot locatie) en temporele (~ 1-2 sec, met betrekking tot tijd) resoluties zijn slecht in vergelijking met wat we zouden willen; een kubieke millimeter bevat ongeveer 60.000 neuronen – genoeg om het hele leven van een fruitvlieg of kreeft te onderhouden – en complexe perceptuele beslissingen nemen slechts honderden milliseconden in beslag, maar fMRI biedt geen toegang tot deze informatie.

Niettemin biedt fMRI een ongeëvenaarde kijk op waar en in welke mate verschillende functies in de menselijke hersenen kunnen worden gelokaliseerd, en onderzoekers blijven manieren bedenken om de ruimtelijke en temporele resolutie te verbeteren, bijvoorbeeld door de techniek gevoelig te maken voor neuronale veranderingen in plaats van veranderingen in de bloedstroom. Geen van de huidige technieken evenaart fMRI wat betreft zijn vermogen om de cognitieve functie in de menselijke hersenen “in kaart te brengen” of de waarschijnlijke bron ervan te bepalen.

Electro-encefalografie (EEG)

Electro-encefalografie, of EEG, is waarschijnlijk de op één na bekendste techniek om neurale activiteit te registreren. Terwijl fMRI de bloedstroom registreert, een benadering van neuronactivering, registreert EEG rechtstreeks de elektrische activiteit van de hersenen via elektroden die op de hoofdhuid van de proefpersoon zijn geplaatst.

EEG registreert echter geen actiepotentialen, de elektrische gebeurtenissen die neuronen gebruiken om met elkaar te communiceren. In plaats daarvan wordt de totale activiteit van honderdduizenden of miljoenen neuronen gemeten in de vorm van oscillerende activiteit. In tegenstelling tot actiepotentialen is niet bekend welke informatie deze oscillaties eigenlijk dragen, maar verschillende frequenties van oscillatie correleren wel met verschillende gedragstoestanden.

EEG heeft een ’temporele resolutie’ die veel beter is dan die van fMRI (~1 ms vs. 1 sec). Hierdoor kan EEG worden gebruikt om de neurale dynamiek in wakkere mensen nauwkeuriger te volgen, en wordt het vaak gebruikt om de elektrische reactie van de hersenen op een stimulus of toestand te bepalen.

De belangrijkste beperking van EEG is de slechte ruimtelijke resolutie, veel slechter dan bij fMRI. Hoewel bekend is dat EEG-signalen alleen afkomstig zijn van de hersenschors, blijft het uiterst moeilijk om precies te weten waar in de cortex signalen ontstaan.

Daarnaast betekent de corticale bias dat we het niet kunnen gebruiken om te meten wat er gebeurt in de hippocampus, waar veel herinneringen worden gemaakt en opgeslagen, of in de substantia nigra of het striatum, regio’s die zijn aangetast door de ziekte van Parkinson. Dus in tegenstelling tot fMRI is het in kaart brengen van de activiteit niet echt mogelijk met EEG.

Electrocorticografie (ECoG)

Electrocorticografie is vergelijkbaar met EEG in die zin dat het de gecombineerde activiteit van miljoenen neuronen meet, vaak in de vorm van oscillerende golven. Maar er zijn twee grote verschillen. Ten eerste vereist ECoG het inbrengen van de elektrodeset onder de hoofdhuid, en vereist dus chirurgie. Daarom is ECoG alleen geschikt voor patiënten die al een medische operatie hebben ondergaan waarbij de hoofdhuid wordt opengemaakt.

Ten tweede maakt ECoG een aanzienlijk betere lokalisatie van de activiteitsbron mogelijk, evenals de registratie van elektrische activiteit met een hogere frequentie. Beide eigenschappen helpen bij epilepsiechirurgie, maar voor zuivere onderzoeksdoeleinden is de techniek te invasief om te worden gebruikt bij mensen die nog geen hersenoperatie behoeven.

Samenvatting

Neurowetenschappers zijn terecht beperkt in het soort benaderingen dat zij kunnen gebruiken om menselijke hersenactiviteit te bestuderen. Tot nu toe bestaat er echter geen technologie waarmee gedetailleerde neuronactiviteit door de menselijke schedel kan worden geregistreerd, hetgeen betekent dat de metingen die we kunnen doen tamelijk grove informatie geven over de manier waarop onze hersenen werken. Deze beperkingen van de ruimtelijke en temporele resolutie zullen in de nabije toekomst ongetwijfeld worden verbeterd, waardoor preciezere metingen en een beter inzicht in de menselijke hersenactiviteit mogelijk worden. Bovendien zullen aanvullende benaderingen die de tijdelijke verstoring van neuronale verwerking mogelijk maken, ons helpen te begrijpen welke soorten regionale hersendisfunctie zouden kunnen leiden tot de cognitieve tekorten die in verband worden gebracht met psychische stoornissen.

QBI Laboratoria met behulp van fMRI

• Professor Jason Mattingley
• Associate Professor Ross Cunnington
• Professor Tianzi Jiang

QBI Laboratories using EEG

• Professor Jason Mattingley
• Associate Professor Ross Cunnington