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Neuroimaging19.06.2006
Seminar Visuelle Neurowissenschaften
Wandell, B. A. (1999). Computational Neuroimaging of human visual cortex. Annual Review of Neuroscience, 22:145-173.
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1992: erste fMRT Messungen vom menschlichen Cortex(Kwong, et. al, 1992; Ogawa et. al., 1992)
Kwong, Bellibeau, Chesler, Goldberg, Weisskoff (1992). Proc Natl Acad Sci U S A. 1992 June 15; 89(12): 5675–5679.
M1 Aktivation, während contra-lateralem Hand drücken
V1 Aktivation, während photischerStimulation
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Ruhezustand:
Aktivierter Zustand, z.B. um 30% erhöhter arterieller Transport von Sauerstoff
fMRT als indirektes Mass neuronaler Aktivität:Messung des lokalen BOLD-Signals Sauerstoff beladenes Blut (HbO2): diamagnetisch, bewirkt lokale Magnetfeldänderungen
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fMRT als indirektes Mass neuronaler Aktivität:Messung des lokalen BOLD-Signals
Stimulus
Pix
el In
tens
ität
Signal eines einzelnen Pixels in V1:
Stimulus (alternierenderKontrast, 8 Hz):
Boyton, Engel, Glover, Heeger. (1996). J. Neurosc., 16, 4207-4221
Neuronaler Response in V1 bei variierendem Kontrast:
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fMRT als indirektes Mass neuronaler Aktivität:Messung des lokalen BOLD-Signals
Stimulus fMRTSignal
Analyse des fMRT-Signals mittels “linear transform model”:
Boyton, Engel, Glover, Heeger. (1996). J. Neurosc., 16, 4207-4221
neuronaleAktivität
Noise
g (Kontrast)* f(Stimulusdauer, t)
V1 Hämodynamik MRT-Scanner
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fMRT als indirektes Mass neuronaler Aktivität:Messung des lokalen BOLD-Signals
Analyse des fMRT-Signals mittels “linear transform model”:
Boyton, Engel, Glover, Heeger. (1996). J. Neurosc., 16, 4207-4221
τ: Zeitkonstante,zeitlicher Filter(neuronale Adaption)n: Phasen-Delayaufgrund von Noise
p: Exponent, contrast-responsefunction
δ: Delay zw. Stimulusonsetund fMRT-Signal
σ: contrast gain at full contrast
a: Verhältnis Peak zuSteady-state
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fMRT als indirektes Mass neuronaler Aktivität:Messung des lokalen BOLD-Signals
Räumliche Auflösung: ~ 1.5 mm (Kortex)~ 1.1 cycles / cm
Zeitliche Auflösung: ~ sec.
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Retinotopie in V1:
CalcarineSulcus
Linker Occipitallappen Rechter Occipitallappen
Ekzentrizität:
Winkel:
lateralmedial
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Identifikation visueller Areale V1, V2, V3:
Rechter Occipitallappen:
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“contracting-ring stimulus” signals in V1:
ln E = 0.63 D + 2.303
Zusammenhang von kortikalem Abstand Dund Exzentrizität E:
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Bewegung, Areal MT+:
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Bewegung:
• Stärkstes fMRT-Signal in MT+ und V1• Aktivität in MT+ saturiert bei sehr niedrigem Kontrast:
Kontrast für Berechnung von Bewegung unwichtig• Farbe: Kurzwellige Reize (S-cone) benötigen höheren
Kontrast für gleiches Aktivitätsniveau im Vergleich zu (L,M) cone Stimuli:
V1
MT+
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Bewegung und Segmentierung:
Objektbewegung: lokale Bildveränderungen / Gradientenvs.Eigenbewegung: Veränderungen über gesamtes Gesichtsfeld
Untersuchung durch motion-defined Boundaries und optic flow Fields: keine großen Unterschiede im Vergleichzu gleichförmiger Bewegung in MT+
Ungelöstes Problem !
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Farbe:
Gibt es ein spezifisches Areal für Farbwahrnehmung ? (V4?)
Hohe Korrelation zwischen fMRT-Aktivität in V1 und V4 / VO:
Colored checkerboard-Stimuli mitidentischer fMRT-Aktivität
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Orientierung: Voxel-Aktivität für V1, V2, V3, MT+:
Kamitani, Tong, Nat. Neurosc., 8, 5.679-685
• Orientierungsselektivität nimmt von V1 zu V4 ab.
• MT+ nicht orientierungsselektiv.• Idiosynkratische Orientierungskarten
für verschiedene Versuchspersonen
Orientierungskarten für zwei Versuchspersonen:
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Dyslexie, Geschwindigkeitswahrnehmung und MT+:
• Dyslexie: phonologische und multi-sensorische Defizite• Visuelle Defizite bei transienten Reizen (“magnocellular pathway
deficit hypothesis”)• Magnozelluläres System: hohe zeitliche Auflösung, sensitiv für
niedigen Kontrast und niedrige Frequenzen, Bewegung
fMRT-Aktivität bei Dyslexie:
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Grenzen und zukünftige Anwendungen:
Subtraktions-Methode / traditionelles Design:• Vergleich der fMRT-Aktivität von zwei
experimentellen Bedingungen, die sich hinsichtlicheines einzelnen kognitiven / perzeptuellen Prozessesunterscheiden.
• Geringes Signal-to-Noise-Verhältnis von Vorteil• Methode gut geeignet zur Identifikation von Arealen
mit starker fMRT-Aktivität.
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Grenzen und zukünftige Anwendungen:
fMRT-Experimente in Verbindung mit Computational Methoden:
Kamitani, Tong, Nat. Neurosc., 8, 5.679-685
gemittelte Voxel-Aktivität:
dekodierte Voxel-Aktivität:
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Zusammenfassung:
• fMRT als non-invasives Verfahren zur Untersuchungmenschlicher Informationsverarbeitung.
• Identifizierung einzelner, visueller Areale mitRetinotopie und Bewegungssensitivität.
• fMRT-Aktivität bei Manipulation von Kontrast-, Farb-und Bewegungsinformation erlaubt Rückschlüsse auf Informationsverarbeitungsprozesse.