Wie weit messen zwei verschiedene Wie weit messen zwei verschiedene neurologische Messverfahren die neurologische Messverfahren die gleiche Hirnaktivität beim Lesen?gleiche Hirnaktivität beim Lesen?

14.12.2004, 17h

Deborah Vitacco (deborah.vitacco@phz.ch)

ATWI 03 (SR03) - WS 2004/05

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LiteraturLiteratur

Zeitschriftenartikel zum Vortrag

Correspondence of Event-Related Potential Tomography and Functional Magnetic Resonance Imaging During Language Processing (Vitacco D, Brandeis D, Pascual-Marqui R & Martin E, Human Brain Mapping, 17:4-12, 2002)

Redaktioneller Kommentar zum Zeitschriftenartikel

How Can EEG/MEG and fMRI/PET Data Be Combined? (Horwitz B & Poeppel D, Human Brain Mapping, 17:1-3, 2002)

Dokumente können als PDF heruntergeladen werden via http://homepage.swissonline.ch/vitacco/ATWI03.html

Kurze Einführung in die Messverfahren (in English)Evozierte PotentialeFunktionelle Magnetresonanz

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z.B. Wie lernt unser Gehirn? => Erkenntnisse über optimale Lernprozesse

Neu Gelernt Neu

Verb generieren (nach Raichle et al., Cerebral Cortex 4: 8–26, 1994)

Bleistift

„schreiben“

Relevanz / Anwendungsgebiete der Hirnforschung für die PädagogikRelevanz / Anwendungsgebiete der Hirnforschung für die Pädagogik

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Relevanz / Anwendungsgebiete der Hirnforschung für die PädagogikRelevanz / Anwendungsgebiete der Hirnforschung für die Pädagogik

z.B. Lernstörungen => Modelle / Therapie für die Sonderpädagogik

nach Temple E, Proceedings of the National Academy of Sciences, 100(5): 2860–2865, 2003 (siehe Literaturangaben)

Phonologisches Training

28 Tage - 1.6 Std/Tag

Haus

„Maus“

Bessere Leseleistung

Dyslexiker (N=20)

Kinder ohne Lesestörung (N=12)

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Problem: Statische Aktivierungsmuster gemittelt über einen längeren Zeitraum

Um kognitive Vorgänge wie Denk- oder Lernprozesse besser verstehen zu können, müssen wir mehr über die einzelnen seriell und parallel ablaufenden Informationsverarbeitungsschritte dieser Prozesse wissen (z.B. visuelle, phonologische, semantische und syntaktische Prozesse beim Lesen), und zwar mit möglichst hoher zeitlicher (wann?) und räumlicher (wo?) Auflösung („real time Verarbeitung“)

AusgangslageAusgangslage

130 ms 260 ms 390 ms 520 ms

Zeit

Haus

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Problem: Es gibt jedoch keine Messmethode mit gleichzeitiger hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung.

Daher bietet sich eine Kombination der Daten zweier (oder mehrere) Messmethoden an, zum Beispiel eine Kombination der Messdaten von der funktionellen Magnetresonanz (fMRI; Messung von lokalem Sauerstoffgehalt im Blut; hohe räumliche, schlechte zeitliche Auflösung) und elektrische Hirnströme (ERP; Messung von summierte Aktivität von grossen Nervenzell-Verbänden, schlechte räumliche, hohe zeitliche Auflösung).

Voraussetzung für eine Kombination beider Messmethoden ist, dass sie die gleichen kognitiven bzw. neurologischen Prozesse messen.

AusgangslageAusgangslage

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Zeitliche AuflösungZeitliche Auflösung

fMRI

ERP

ERP: Hirnelektrische Antwort auf Stimulus im Millisekundenbereich

fMRI: Hemodynamische Antwort auf Stimulus im Sekundenbereich

Sek

Sek

8

Räumliche AuflösungRäumliche Auflösung

ERP: Hirnelektrische Antwort auf Stimulus im Zentimeterbereich

fMRI: Hemodynamische Antwort auf Stimulus im Millimeterbereich

fMRIERP

9

Messen beide Messverfahren (fMRI & ERP) die gleichen kognitiven bzw. neurologischen Prozesse?

FragestellungFragestellung

Methoden sind kombinierbar => Messdaten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung

Kombination der Messdaten beider Methoden nicht sinnvoll

JAJA

NEINNEIN

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OperationalisierungOperationalisierung

Statistische Korrespondenz der Aktivitätsmuster beider Messverfahren im gleichen Messvolumen (räumliche Angleichung beider Messdaten) und über die gleiche Zeit (zeitliche Angleichung beider Messdaten)

Aufgabe: Semantische Verarbeitung von WörternMessverfahren: ERP & fMRI in 10 Versuchspersonen

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MessmethodenMessmethoden

Funktionelle Magnetresonanz Evozierte Potentiale

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METHODE:METHODE: Versuchspersonen Versuchspersonen

Versuchsperson Alter Händigkeit Geschlecht Reihenfolge 

1 27 r M MRI-EEG

2 23 r M EEG - MRI

3 25 r W MRI-EEG

4 27 r M EEG - MRI

5 41 r W MRI-EEG

6 21 r M EEG - MRI

7 22 r M MRI-EEG

8 27 r M EEG - MRI

9 27 l M MRI-EEG

10 28 r M MRI-EEG

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METHODE:METHODE: Stimuli Stimuli

Hauptaufgabe: Stilles Lesen von Wörtern

Nebenaufgabe: Drücken der Maustaste bei Nahrungsmittel (semantische Verarbeitung von Wörtern)

Stimulusliste:61 schweizerdeutsche Wörter (36% sind Nahrungsmittel). Wörter wurde randomiziert präsentiert.

Wichtig! Verhaltensdaten erfassen um zu kontrollieren ob die Versuchsperson die Aufgabe wirklich löst (und z.B. nicht einfach im MR-Gerät döst)

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RESULTATE:RESULTATE: Verhaltensdaten Verhaltensdaten

Der Anteil der korrekten Antworten waren für beide Versuchspersonen über 90% (Kontrolle, dass die Aufgabe von allen Versuchspersonen gemacht wurde)

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RESULTATE:RESULTATE: ERP (gemittelt über alle Versuchspersonen) ERP (gemittelt über alle Versuchspersonen)

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RESULTATE:RESULTATE: fMRI (gemittelt über alle Versuchspersonen) fMRI (gemittelt über alle Versuchspersonen)

4646

66

99

1010

88

46464545

77

3939

22222121

+ 13+ 13

1818

4040

2424

1818

77

1717

LR

linksrechtsbeidseitig

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RESULTATE:RESULTATE: Statistische Korrespondenz beider Messmethoden Statistische Korrespondenz beider Messmethoden

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RESULTATE:RESULTATE: Statistische Korrespondenz beider Messmethoden Statistische Korrespondenz beider Messmethoden

Bootstrapping Methode (siehe Zeitschriftenartikel)

P < .048

Beide Messverfahren (fMRI & ERP) messen die gleichen kognitiven bzw.neurologischen Prozesse. Die Kombination beider Messverfahren ist sinnvoll.

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Nächster SchrittNächster Schritt

Entwicklung eines Analyseverfahrens um beide Methoden sinnvoll zu kombinieren