dc.contributor.author
Ritter, Petra
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:05:53Z
dc.date.available
2010-04-27T07:10:12.963Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/7388
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-11587
dc.description.abstract
Räumlich und zeitlich koordinierte Aktivitäten großer Neuronenpopulationen im
Gehirn bilden die Voraussetzung für das Entstehen von Kognition und Verhalten.
Die resultierenden Summenaktivitäten treten als dynamische makroskopische
„large-scale“ Signale in Erscheinung, die mit nichtinvasiven Methoden wie der
Elektroenzephalographie (EEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie
(fMRT) am Menschen gemessen werden können. Die Kenntnis der dynamischen
Eigenschaften von neuronalen large-scale Signalen gibt - in Kombination mit
theoretischen Modellen - Aufschluss über allgemeine Prinzipien der
Hirnfunktion. In dieser Habilitationsschrift werden sieben Originalarbeiten
vorgestellt, die sich mit der räumlich-zeitlichen Dynamik von spontanen und
evozierten large-scale Signalen im Gehirn befassen. Publikation 1 „Evaluating
gradient artifact correction of EEG data acquired simultaneously with fMRI“
beschreibt die Problematik von Interferenzen beim gleichzeitigen Erfassen von
EEG und fMRT Daten. Simultanes EEG-fMRT erfasst unterschiedliche Dimensionen
neuronaler Aktivität und bietet gleichzeitig eine hohe zeitliche und räumliche
Auflösung der gemessenen large-scale Signale. Die Kombination beider Methoden
führt jedoch zu schwerwiegenden Artefakten im EEG-Signal. In der Publikation
werden vorhandene und selbst entwickelte Algorithmen zur Entfernung von „fMRT-
Artefakten“ vorgestellt und bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit evaluiert. In
Publikation 2 „High frequency (600Hz) population spikes in human EEG delineate
thalamic and cortical fMRI activation sites“ lokalisieren wir fMRT Korrelate
innerhalb weniger Millisekunden nacheinander ablaufender ultraschneller
Potentiale entlang der thalamo-kortikalen Bahn in den (vermuteten)
Generatorstrukturen. In Publikation 3 „Ultrahigh-frequency EEG during fMRI:
Pushing the limits of imaging-artifact correction“ demonstrieren wir, wie
diese ultraschnellen EEG-Korrelate von Summenaktionspotentialen gleichzeitig
und kontinuierlich mit fMRT und dem klassischen niedrigfrequenten
(postsynaptisch generierten) EEG erfasst werden können. Koordinierte neuronale
large-scale Aktivität wird im EEG in Form von Oszillationen bzw. Rhythmen
sichtbar. Diese treten nicht nur als Antwort auf äußere Reize oder Aufgaben
auf, sondern werden kontinuierlich - scheinbar spontan – vom Gehirn generiert.
Publikationen 4 „Correlates of alpha rhythm in functional magnetic resonance
imaging and near infrared spectroscopy “ und 5 „Rolandic Alpha and Beta EEG
Rhythms’ Strengths are Inversely Related to fMRI-BOLD Signal in Primary
Somatosensory and Motor Cortex“ zeigen, dass spontane Amplitudenfluktuationen
des klassischen Alpha- und der subtilen Rolandischen Rhythmen negativ zum
blutogygenierungsabhängigen (BOLD) fMRT Signal korreliert sind – und zwar
spezifisch in den Kortexarealen, die den Rhythmus jeweils generieren. Das sind
im Fall des klassischen Alpha-Rhythmus visuelle und für die Rolandischen
Rhythmen sensomotorische Regionen. Die negativen Korrelationen deuten drauf
hin, dass bei stark ausgeprägten Rhythmen, also in Phasen hoher Synchronizität
innerhalb der Neuronenpopulation, die entsprechenden Generatorareale weniger
Energie verbrauchen. Letzteres ist ein Indiz für verminderte neuronale
Aktivität in diesen Arealen und unterstützt die Theorie, dass
Hintergrundrhythmen von inhibierten Kortexarealen generiert werden.
Publikationen 6 „Influence of Ongoing Alpha Rhythm on the Visual Evoked
Potential“ und 7 „Oscillatory brain states interact with late cognitive
components of the somatosensory evoked potential“ beleuchten die Bedeutung von
Hintergrundrhythmen für die Generierung von evozierten Potentialen (EPs). In
der ersten Arbeit haben wir mit selbst entwickelten theoretischen Modellen
Vorhersagen für konkurrierende Theorien getroffen und mit experimentellen
Daten verglichen. So konnten wir nachweisen, dass die Beziehung des Alpha
Rhythmus zu frühen Anteilen des visuellen EPs (VEP) im Einklang steht mit der
so genannten „Evoked Theory“. Diese besagt, dass Rhythmus und EP unabhängig
voneinander generiert werden und sich linear summieren. Die ebenfalls populäre
„Phase-Reset Theory“ wurde durch unsere Daten nicht bestätigt. Laut dieser
Theorie entsteht das EP durch die Ausrichtung der Phase des zuvor spontanen
Hintergrundrhythmus zum Stimulus. Wir konnten außerdem zeigen, dass der Alpha-
Rhythmus mit der späten kognitiven Komponente des VEPs interagiert. In der
zweiten Arbeit, in der wir die Beziehung zwischen Rolandischem Rhythmus und
somatosensorischem EP (SEP) untersuchten, fanden wir ein grundsätzlich mit der
visuellen Modalität übereinstimmendes Verhalten. Unsere Ergebnisse deuten auf
eine funktionelle Bedeutung von Hintergrundrhythmen für die höhere kognitive
Verarbeitung von Reizen hin. Wir konnten mit den sieben vorgestellten Arbeiten
zeigen, dass mit den von uns optimierten Verfahren die multimodale Erfassung
von large-scale Signalen des Gehirns möglich ist. Funktionelle MRT,
klassisches EEG sowie ultraschnelle EEG-Korrelate von Summenaktionspotentialen
können gleichzeitig nichtinvasiv am Menschen gemessen werden. Das zeitliche
und räumliche Verhalten dieser Signaturen gibt Aufschluss über die der
Hirnfunktion zugrunde liegenden Prinzipien und Mechanismen.
de
dc.description.abstract
Spatially and temporally coordinated activities of large neuronal populations
in the brain constitute the foundation for the emergence of cognition and
behavior. Resulting population activities can be assessed in terms of large-
scale signals by noninvasive methods such as electroencephalography (EEG) and
functional magnetic resonance imaging (fMRI) noninvasively in humans. The
present habilitation thesis presents seven original works that investigate
spatiotemporal dynamics of spontaneous and evoked large-scale signals in the
human brain. In Publication-1 “Evaluating gradient artifact correction of EEG
data acquired simultaneously with fMRI“, we describe technical challenges
posed by simultaneous EEG-fMRI acquisitions in terms of emerging artefacts in
the EEG signal caused by electromagnetic interferences between the two
methods. We present different approaches of artefact removal and evaluate
their performance. Publication-2 “High frequency (600Hz) population spikes in
human EEG delineate thalamic and cortical fMRI activation sites“ we localize
the putative generator structures of two bursts of ultrafast neuronal
oscillations succeeding within a few milliseconds along thalamocortical
structures. In publication-3 “Ultrahigh-frequency EEG during fMRI: Pushing the
limits of imaging-artifact correction“ we demonstrate how these ultrafast EEG
correlates of population spikes can be assessed simultaneously and
continuously along with fMRI and with the classical low-frequency EEG
spectrum. Publication-4 “Correlates of alpha rhythm in functional magnetic
resonance imaging and near infrared spectroscopy“ and Publication-5 “Rolandic
Alpha and Beta EEG Rhythms’ Strengths are Inversely Related to fMRI-BOLD
Signal in Primary Somatosensory and Motor Cortex“ demonstrate that spontaneous
amplitude fluctuations of the prominent posterior alpha rhythm and of the more
subtle Rolandic my-rhythm are correlated negatively with the blood oxygenation
level dependent (BOLD) fMRI signal in areas where the respective rhythm is
generated. These findings are in line with the theory that background rhythms
such as alpha and mu rhythms are generated by inhibited cortical areas.
Publication-6 “Influence of Ongoing Alpha Rhythm on the Visual Evoked
Potential“ and Publication-7 “Oscillatory brain states interact with late
cognitive components of the somatosensory evoked potential“ illuminate the
role of background rhythms for the generation of evoked potentials (EPs). Our
results indicate that background rhythms are of functional relevance
specifically for the higher cognitive processing of stimuli. Taken together,
we have demonstrated that with our optimized methodological approach of
simultaneous EEG-fMRI acquisition and analysis a wide spectrum of large-scale
signals of the human brain can be assessed noninvasively. The spatiotemporal
behavior of these signals provides insight into the principles and mechanisms
that underlie human brain function.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
large-scale brain signals
dc.subject
neuronal dynamics
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit
dc.title
Räumlich-zeitliche Dynamik spontaner und evozierter „large-scale“ Signale im
Gehirn des Menschen
dc.contributor.contact
petra.ritter@charite.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Andreas Kleinschmidt
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Gereon R. Fink
dc.date.accepted
2010-01-29
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000017134-3
dc.title.translated
Spatiotemporal dynamics of spontaneous and evoked large-scale signals in the
human brain
en
refubium.affiliation
Charité - Universitätsmedizin Berlin
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000017134
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000007497
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access