Deborah Vitacco (deborah.vitacco@phz.ch) ATWI 03 (SR03) - WS 2004/05 Wie weit messen zwei verschiedene neurologische Messverfahren die gleiche Hirnaktivität beim Lesen? 14.12.2004, 17h Deborah Vitacco (deborah.vitacco@phz.ch)

Literatur 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) Kurze Einführung in die Messverfahren (in English) Evozierte Potentiale Funktionelle Magnetresonanz Dokumente können als PDF heruntergeladen werden via http://homepage.swissonline.ch/vitacco/ATWI03.html

Relevanz / Anwendungsgebiete der Hirnforschung für die Pädagogik z.B. Wie lernt unser Gehirn? => Erkenntnisse über optimale Lernprozesse „schreiben“ Bleistift Neu Gelernt Neu Verb generieren (nach Raichle et al., Cerebral Cortex 4: 8–26, 1994)

Phonologisches Training Relevanz / Anwendungsgebiete der Hirnforschung für die Pädagogik z.B. Lernstörungen => Modelle / Therapie für die Sonderpädagogik Kinder ohne Lesestörung (N=12) „Maus“ Haus Phonologisches Training 28 Tage - 1.6 Std/Tag Bessere Leseleistung Dyslexiker (N=20) nach Temple E, Proceedings of the National Academy of Sciences, 100(5): 2860–2865, 2003 (siehe Literaturangaben)

Ausgangslage 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“) 130 ms 260 ms 390 ms 520 ms Haus Zeit

Ausgangslage 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.

Zeitliche Auflösung ERP: Hirnelektrische Antwort auf Stimulus im Millisekundenbereich fMRI: Hemodynamische Antwort auf Stimulus im Sekundenbereich ERP Sek fMRI Sek

Räumliche Auflösung ERP: Hirnelektrische Antwort auf Stimulus im Zentimeterbereich fMRI: Hemodynamische Antwort auf Stimulus im Millimeterbereich ERP fMRI

Fragestellung Messen beide Messverfahren (fMRI & ERP) die gleichen kognitiven bzw. neurologischen Prozesse? Methoden sind kombinierbar => Messdaten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung JA NEIN Kombination der Messdaten beider Methoden nicht sinnvoll

Operationalisierung 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 Wörtern Messverfahren: ERP & fMRI in 10 Versuchspersonen

Messmethoden Funktionelle Magnetresonanz Evozierte Potentiale

METHODE: Versuchspersonen Alter Händigkeit Geschlecht Reihenfolge   1 27 r M MRI-EEG 2 23 EEG - MRI 3 25 W 4 5 41 6 21 7 22 8 9 l 10 28

METHODE: 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)

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

RESULTATE: ERP (gemittelt über alle Versuchspersonen)

RESULTATE: fMRI (gemittelt über alle Versuchspersonen) links rechts beidseitig

RESULTATE: Statistische Korrespondenz beider Messmethoden

Bootstrapping Methode (siehe Zeitschriftenartikel) RESULTATE: 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.

Nächster Schritt Entwicklung eines Analyseverfahrens um beide Methoden sinnvoll zu kombinieren