Les1_Neurowetenschappelijke methoden -MRI_fMRI_resting-state_DTI_EEG_TMS-2025-2026.pdf

# Neuroscientific methods for studying the brain This section provides an overview of various non-invasive techniques used to measure brain activity and structure, detailing their equipment, neurophysiological basis, and applications [8](#page=8). ### 1.1 Magnetic Resonance Imaging (MRI) Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a technique primarily used to visualize brain anatomy. Its historical development spans from the early 20th century with the discovery of nuclear spin and magnetic moments, leading to the Nobel Prizes for Rabi, Purcell, and Bloch in physics. Key milestones include patenting by Damadian for NMR scanners, Singer measuring blood flow, Lauterbur and Mansfield developing imaging methods, Ernst improving it with Fourier transforms, and Ogawa creating functional images using blood-oxygenation contrast, with Biswal later measuring functional connectivity in resting brains. MRI scanners became clinically prevalent in the 1980s and 1990s [18](#page=18) [19](#page=19) [32](#page=32). #### 1.1.1 Equipment for MRI The core equipment for MRI includes a giant magnet, which is always on and generates the primary magnetic field ($B_0$), and a head coil, also known as a radiofrequency coil, which emits radiofrequency pulses and is controlled by a computer [17](#page=17) [24](#page=24). #### 1.1.2 Biological basis of MRI The biological basis of MRI relies on the properties of protons found in water and fat tissues. Protons possess a positive charge and a spin, creating a small, measurable magnetic field. When placed in the strong magnetic field ($B_0$) of the scanner, the majority of these protons align parallel to the field, defining the net magnetization of the protons along the $Z$-axis. A radiofrequency pulse emitted by the head coil excites these protons, causing their net magnetization to flip into the $X$-$Y$ plane, placing them in an 'excitation state'. As protons return to their 'relaxation state', they emit radiofrequency signals. The time it takes for a proton to relax to 63% of its initial state along the $Z$-axis is defined as T1 relaxation time. Different tissues exhibit different relaxation rates: protons in fat (white matter) relax faster than protons in liquid (cerebrospinal fluid). This differential relaxation is exploited to create T1-weighted images, where fat appears bright and liquid appears dark due to the energy emitted during relaxation. MRI can produce images in coronal, transverse, and sagittal slices [20](#page=20) [21](#page=21) [23](#page=23) [25](#page=25) [26](#page=26) [27](#page=27) [28](#page=28) [29](#page=29). #### 1.1.3 Applications of MRI MRI is extensively used in clinical settings for neurological disorders such as stroke monitoring, multiple sclerosis (identifying white matter lesions), epilepsy (lesion focus localization and surgical planning), and dementia (observing atrophy patterns and hippocampal volume). In neuro-oncology, it aids in tumor detection and pre- and post-operative assessments. An example of its application is in the anatomical scanning of neonatal strokes to correlate lesion localization with the development of cerebral palsy [30](#page=30) [31](#page=31). ### 1.2 Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is an indirect measure of brain activity. The historical concept of localizing brain function dates back to Franz Joseph Gall and Johann Spurzheim. It's important to note that fMRI is not "bumpology" or mind-reading and it is non-invasive. Angelo Mosso's early experiments in 1890 suggested a link between intellectual activity and changes in blood distribution [12](#page=12) [13](#page=13) [14](#page=14) [15](#page=15) [18](#page=18) [32](#page=32) [33](#page=33) [34](#page=34). #### 1.2.1 Biological basis of fMRI fMRI operates on a similar principle to MRI, creating contrasts in brain images based on magnetic relaxation measurements, but it focuses on hemoglobin in the blood rather than protons. Oxyhemoglobin is diamagnetic (similar to tissue), while deoxyhemoglobin is paramagnetic and interacts with the MRI scanner's magnetic signal. When a brain region is active, it increases oxygen metabolism and blood flow. fMRI measures the Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) signal, which reflects these changes in oxygenation. An increase in oxygen metabolism leads to more oxygenated hemoglobin (oxyHb) and less deoxygenated hemoglobin (deoxyHb), resulting in a change in the BOLD signal. This hemodynamic response has a delay of approximately 5.3 seconds after neural activity. fMRI offers high spatial resolution, with voxels as small as 1x1x1 mm [35](#page=35) [36](#page=36) [37](#page=37) [38](#page=38) [39](#page=39) [40](#page=40) [43](#page=43). #### 1.2.2 Applications of fMRI fMRI is primarily used in research for structure-function mapping and understanding the neural correlates of neurological disorders, serving as diagnostic and prognostic factors, and markers for disease progression. Its clinical applications are limited but include pre-surgical mapping in epilepsy [47](#page=47). An example study investigated underconnectivity of the superior temporal sulcus predicting emotion recognition deficits in autism. The study explored the mirror system, which activates parts of the motor system during movement observation and is implicated in action recognition, understanding, imitation, and empathy. Individuals with autism often have difficulties interpreting behavior and imitating actions, suggesting a link to the mirror system. The research question was whether individuals with autism activate mirror system regions to the same extent as controls when observing biological motion. Using a block design with a baseline (black screen with a white cross) and an experimental condition (biological motion), the study found that while core fronto-parietal regions of the human mirror system are largely intact in autism, activity in the visual input region (superior temporal sulcus) was reduced [48](#page=48) [49](#page=49) [50](#page=50) [51](#page=51) [52](#page=52) [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55) [56](#page=56) [57](#page=57). fMRI has also led to serendipitous discoveries, such as the 'Default Mode Network' (DMN), a 'task-negative network' or 'default mode network' that is active during mind-wandering and introspection. Key nodes of the DMN include the posterior cingulate cortex (PCC), medial prefrontal cortex (MPFC), and bilateral angular gyri [58](#page=58) [59](#page=59). ### 1.3 Functional Connectivity MRI (fcMRI) Functional Connectivity MRI (fcMRI) measures fluctuations in the BOLD response during periods of 'rest'. The assumption is that voxels exhibiting similar spontaneous fluctuations are functionally connected or communicate functionally. An early study by Biswal et al. in 1995 demonstrated functional connectivity in the motor cortex of the resting human brain using echo-planar MRI, showing strong correlations in spontaneous fluctuations between regions of the motor system, which were highly synchronized. fcMRI allows for the identification of distinct functional networks during the resting state [61](#page=61) [62](#page=62) [63](#page=63) [64](#page=64) [65](#page=65). #### 1.3.1 Applications of fcMRI fcMRI is primarily used in research for structure-function mapping and understanding the neural correlates of neurological disorders. It serves as diagnostic and prognostic factors, and markers for disease progression. A key advantage of resting-state scanning is its accessibility to broader populations, including older individuals, patient groups, and young children, as well as its high reliability and potential for creating large data repositories [66](#page=66). ### 1.4 Summary of MRI, fMRI, and fcMRI In summary, MRI visualizes brain anatomy, fMRI measures brain activations, and fcMRI assesses functional connectivity. These techniques share several advantages: they are non-invasive, easy to apply, provide objective data, have high spatial resolution (down to 1x1x1 mm voxels), and can measure deep brain structures. However, they have disadvantages including relatively low temporal resolution compared to EEG, high cost (approximately 300 euros per hour), susceptibility to head motion artifacts, and fMRI/fcMRI provide only an indirect measure of brain activity (BOLD response) [67](#page=67) [79](#page=79). ### 1.5 Diffusion Magnetic Resonance Imaging (dMRI) Diffusion Magnetic Resonance Imaging (dMRI) measures 'anatomical' or 'structural' connectivity by assessing the diffusion of water molecules [69](#page=69). #### 1.5.1 Equipment for dMRI dMRI utilizes the same scanner as MRI [69](#page=69). #### 1.5.2 Biological basis of dMRI dMRI is based on the principle of anisotropy, which describes whether diffusion is equal in all directions ('isotropic diffusion') or not ('anisotropic diffusion'). Diffusion-weighted imaging measures the diffusion of water molecules within voxels. Fractional Anisotropy (FA) quantifies the degree of anisotropy, with FA=0 indicating isotropic diffusion and FA=1 indicating maximal anisotropy. Diffusion Tensor Imaging (DTI) is a specific type of dMRI that measures diffusion within voxels, allowing for the identification of fiber tract pathways by connecting neighboring ellipsoids. The direction of diffusion can be visualized through color-coding (anterior-posterior, left-right, inferior-superior), and the degree of anisotropy is represented by brightness [69](#page=69) [70](#page=70) [71](#page=71) [72](#page=72) [73](#page=73). #### 1.5.3 Applications of dMRI dMRI is mainly used in research for structure-function mapping and understanding the neural correlates of neurological disorders. It can serve as diagnostic and prognostic factors, and markers for disease progression. Clinical applications of DTI include pre-surgical planning for brain tumor resection using tractography diagnosis and monitoring of multiple sclerosis and demyelinating diseases, assessment of stroke and prediction of motor recovery and monitoring disease progression in neurodegenerative disorders. DTI can detect early disintegration of axonal structures, which might not yet be visible with conventional MRI, providing important prognostic information, as seen in stroke assessment [76](#page=76) [77](#page=77) [78](#page=78). ### 1.6 Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) Functional Near-infrared Spectroscopy (fNIRS) is an indirect measure of brain activity based on hemodynamic responses associated with neural activity, similar to fMRI [81](#page=81). #### 1.6.1 Equipment for fNIRS fNIRS equipment consists of a cap fitted with near-infrared (NIR) emitters and detectors [82](#page=82). #### 1.6.2 Biological basis of fNIRS The biological basis of fNIRS relies on the fact that skin, tissue, and bone are largely transparent to NIR light in the 700-900 nm spectrum. Hemoglobin (Hb) and deoxygenated hemoglobin (deoxy-Hb) strongly absorb this light, but they exhibit differential absorption spectra. These differences allow for the measurement of relative changes in hemoglobin concentration, reflecting hemodynamic changes associated with brain activity [81](#page=81). #### 1.6.3 Applications of fNIRS fNIRS is often used with infants and young children, despite having a lower spatial resolution than fMRI. An example study evaluated cortical plasticity in children with cerebral palsy undergoing constraint-induced movement therapy (CIMT), using fNIRS to assess the 'laterality index', where a higher index indicates better hemispheric specialization [82](#page=82) [83](#page=83). #### 1.6.4 Summary of fNIRS fNIRS measures brain activations. Its advantages include being non-invasive, easy to apply, more objective than questionnaires, not too expensive, allowing for more head motion than fMRI (ideal for children), being mobile, and not requiring a magnetic field (suitable for patients with metal implants). Disadvantages include being an indirect measure of brain activity and having lower spatial resolution compared to fMRI [84](#page=84). ### 1.7 Electro-EncephaloGraphy (EEG) Electro-EncephaloGraphy (EEG) measures electrical activity on the scalp with high temporal resolution but low spatial resolution [86](#page=86). #### 1.7.1 History of EEG The history of EEG dates back to Richard Caton in 1875, who reported feeble currents passing through the brain's surface. Adolf Beck observed spontaneous electrical activity in response to light in 1890, followed by Vladimir Vladimirovich Pravdich-Neminsky's first animal EEG study in 1912. Napoleon Cybulski and Jelenska-Macieszyna photographed EEG recordings of experimentally induced seizures in 1914 [87](#page=87). #### 1.7.2 Equipment for EEG EEG equipment consists of an EEG cap with electrodes placed on the scalp, typically with 21 to 128 channels. The voltage is measured in microvolts ($\mu V$), representing the potential for current to move between two points. EEG reflects the voltage difference between two electrodes, often using a reference montage where the signal is the difference between an 'active' electrode and a 'reference' electrode. The 10/20 system is a standardized method for electrode placement [88](#page=88) [89](#page=89) [91](#page=91). #### 1.7.3 Neurophysiological basis of EEG The main sources of electrical activity in the brain are action potentials and post-synaptic potentials (PSPs). Action potentials, being rapid and transient (1 ms duration), are too short to create a detectable 'long-lasting dipole' and are therefore not directly measured by EEG. Instead, EEG primarily reflects PSPs. PSPs, such as Excitatory Post-synaptic Potentials (EPSPs) resulting from influx of positive ions, create a dipole that can last hundreds of milliseconds and is detectable by EEG. Inhibitory Post-Synaptic Potentials (IPSPs) are also measured. A single neural event is too small to be detected; EEG relies on the summation of multiple dipoles, primarily originating from cortical pyramidal cells. Electrical activity from deeper brain structures is less straightforward to measure due to dispersion and attenuation by volume conduction effects [92](#page=92) [93](#page=93) [94](#page=94) [95](#page=95) [96](#page=96) [98](#page=98) [99](#page=99). #### 1.7.4 Interpretation and Analysis of EEG EEG analysis includes time-domain analysis, focusing on Event-Related Potentials (ERPs), where 'N' denotes a negative component and 'P' a positive component relative to the baseline. ERPs highlight the brain's response to stimuli and demonstrate EEG's excellent temporal resolution in the millisecond range. Frequency-domain analysis, or spectral analysis, decomposes EEG signals into different frequency bands, visualized as a frequency spectrum with band power on the Y-axis. The alpha rhythm (8-12 Hz) is prominent in relaxed wakefulness, especially with closed eyes and low attention demands, often called the brain's idling rhythm; alpha suppression (desynchronization) occurs with visual input, attention, or task engagement and plays a role in gating sensory information. Over the sensorimotor strip, alpha is termed the MU rhythm and can be used to measure mirror system activity. Spatial analysis involves creating 'heat maps' to visualize where on the scalp changes are detected, but EEG has relatively low spatial resolution, making source localization inside the brain a difficult 'inverse problem' [100](#page=100) . #### 1.7.5 Applications of EEG EEG has significant clinical applications in diagnosing and monitoring epilepsy, sleep disorders (polysomnography), coma patients (brain death), and depth of anesthesia. Research applications focus on ERPs to study sensory responses, aging, disease, learning, and rehabilitation, as well as frequency-domain analysis to examine predominant frequencies and their coupling affected by similar factors . #### 1.7.6 Summary of EEG EEG provides a direct measurement of brain activity. Its advantages include being non-invasive, objective, relatively inexpensive, allowing for more head motion than fMRI, possessing high temporal resolution (milliseconds), measuring direct neuronal activity, being mobile, and not requiring a magnetic field. Disadvantages include low spatial resolution, poor recording of deep brain structures, lengthy preparation time, and a poor signal-to-noise ratio requiring sophisticated analysis and numerous trials/subjects . ### 1.8 Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non-invasive technique for focal brain stimulation . #### 1.8.1 Equipment for TMS TMS equipment comprises a capacitor and a coil. A primary electric current in the coil induces a magnetic field, which in turn induces a secondary electric current in the underlying brain tissue when the coil is held over the brain . #### 1.8.2 Neurophysiological basis of TMS When used as a measurement tool, TMS can be applied over the primary motor cortex (M1), which has a somatotopic organization. Stimulation of pyramidal cells in M1 activates the corticospinal tract and $\alpha$-motorneurons in the spinal tract, leading to measurable muscle activity, a 'muscle twitch', in the contralateral muscle known as a Motor Evoked Potential (MEP). The MEP is a measurement of 'cortico-motor' excitability, characterized by its amplitude and area under the curve, with a latency time of approximately 20 milliseconds . #### 1.8.3 Applications of TMS TMS is predominantly used in research but also has some clinical diagnostic applications. These include motor cortex mapping for pre-surgical planning assessing corticospinal tract integrity, differentiating central versus peripheral motor pathway lesions (in conjunction with peripheral nerve stimulation), predicting recovery potential post-stroke based on MEP presence/absence, and monitoring disease progression in stroke or multiple sclerosis . An example study evaluated cortical plasticity in chronic stroke patients undergoing constraint-induced movement therapy (CIMT) by mapping intact MEPs to identify functionally preserved motor areas. Another study evaluated mirror system responses and cortico-motor excitability of M1 during action observation. TMS can also be used to explore causal relationships between behavior and specific brain regions; for example, repetitive TMS (rTMS) can disrupt language regions like Broca's area . #### 1.8.4 Summary of TMS TMS offers several advantages: it is non-invasive, relatively easy to apply, more objective than questionnaires, has high temporal resolution, and high spatial resolution (though limited to the cortex). rTMS specifically allows for inferring a causal link between structure and function. The primary disadvantage is that it cannot stimulate deep brain structures. Safety considerations include minor headaches with single-pulse TMS and the risk of seizures with repetitive TMS, primarily in individuals with a history of seizures; strict guidelines are in place for TMS application . --- # Magnetic Resonance Imaging (MRI) and its variants Magnetic Resonance Imaging (MRI) en de gerelateerde technieken zoals Functionele MRI (fMRI), Functionele Connectiviteit MRI (fcMRI) en Diffusie MRI (dMRI) zijn krachtige, niet-invasieve methoden om de anatomie, activiteit en structurele connectiviteit van de hersenen te onderzoeken [10](#page=10) [18](#page=18) [32](#page=32) [60](#page=60) [79](#page=79). ### 2.1 Magnetic Resonance Imaging (MRI) MRI is een techniek die wordt gebruikt voor het visualiseren van de hersenstructuur [18](#page=18) [32](#page=32). #### 2.1.1 Historische ontwikkeling De basis van MRI ligt in de ontdekkingen rond kernspin en magnetische resonantie in de vroege tot midden 20e eeuw. Belangrijke mijlpalen zijn onder meer de suggestie van Pauli over kernspin in 1924, de meting van het magnetisch moment van de kern door Rabi in 1937 (die ook de term 'magnetic resonance' muntte), en de Nobelprijzen voor Rabi en Purcell en Bloch voor hun werk aan de absorptie van energie en nucleaire precessie. De patentering van een NMR-scanner voor het detecteren van maligne weefsel door Damadian in 1972 en de publicatie van methoden voor het genereren van beelden met NMR-gradiënten door Lauterbur en Mansfield in 1973 markeerden de overgang naar Magnetic Resonance Imaging (MRI). Verdere ontwikkelingen, zoals de 2D-Fourier transform door Ernst in 1975, leidden tot de klinische prevalentie van MRI-scanners [19](#page=19). #### 2.1.2 Neurofysiologische basis van MRI De neurofysiologische basis van MRI berust op de eigenschappen van protonen, de kernen van waterstofatomen, die overvloedig aanwezig zijn in biologisch weefsel, met name in water en vet [20](#page=20). * **Protonen:** Positief geladen deeltjes die een spin hebben, waardoor ze een klein, meetbaar magnetisch veld genereren. Een enkel watermolecuul (H$_2$O) bevat tien protonen [20](#page=20) [21](#page=21). * **Magnetisch veld (B$_0$):** In afwezigheid van een extern magnetisch veld zijn de spins van de protonen willekeurig georiënteerd. Wanneer een patiënt in de MRI-scanner wordt geplaatst, ervaart deze een sterk extern magnetisch veld (B$_0$). Dit veld zorgt ervoor dat een meerderheid van de protonen zich parallel aan dit veld uitlijnt, wat resulteert in een netto magnetisatie in de richting van B$_0$. De MRI-scanner bestaat uit een gigantische magneet die altijd aanstaat en de B$_0$-veld genereert, en een hoofdspoel (ook wel radiofrequentie-spoel genoemd) die radiofrequente pulsen uitzendt en signalen detecteert [17](#page=17) [23](#page=23) [24](#page=24). * **Radiofrequente (RF) puls:** De hoofdspoel zendt een RF-puls uit die de netto magnetisatie van de protonen 'flip'. De protonen raken hierdoor in een 'excitatietoestand', waarbij hun netto magnetisatie niet langer parallel aan de Z-as (de richting van B$_0$) is, maar in het XY-vlak is [25](#page=25). * **Relaxatie:** Na het uitzetten van de RF-puls keren de protonen terug naar hun oorspronkelijke uitlijning met B$_0$ in een proces dat 'relaxatie' wordt genoemd. Tijdens deze relaxatie zenden de protonen radiofrequente energie uit, die door de hoofdspoel wordt gedetecteerd [26](#page=26). * **T1-relaxatie:** De tijd die een proton nodig heeft om te ontspannen tot 63% van zijn initiële toestand langs de Z-as wordt de T1-tijd genoemd [27](#page=27). * **T1-gewogen beelden:** De snelheid van T1-relaxatie verschilt tussen verschillende weefsels. Vetweefsel (zoals in witte stof) ontspant sneller (korte T1-tijd), terwijl vloeistoffen (zoals hersenvocht) langzamer ontspannen (lange T1-tijd). In T1-gewogen beelden verschijnt vet daarom helder (meer geëmitteerde energie) en vloeistof donker (minder geëmitteerde energie). Dit principe maakt MRI geschikt voor het visualiseren van hersenweefsel en het identificeren van structurele afwijkingen [28](#page=28) [29](#page=29) [30](#page=30) [31](#page=31). #### 2.1.3 Toepassingen van MRI MRI wordt veelvuldig toegepast in de klinische praktijk voor het diagnosticeren en monitoren van diverse neurologische aandoeningen, waaronder beroertes, multiple sclerose, epilepsie en dementie, evenals voor neuro-oncologische doeleinden zoals tumordetectie en pre- en postoperatieve beoordelingen [31](#page=31). ### 2.2 Functioneel Magnetic Resonance Imaging (fMRI) fMRI is een techniek die een indirecte maat van hersenactiviteit levert door veranderingen in de bloedoxygenatie te meten [18](#page=18) [32](#page=32) [33](#page=33). #### 2.2.1 Historische context Het concept om veranderingen in bloedtoevoer te relateren aan mentale activiteit dateert van Angelo Mosso in de late 19e eeuw, die observeerde dat het gewicht van het hoofd van proefpersonen veranderde bij intellectuele activiteit als gevolg van bloedverdeling. De huidige fMRI-techniek is echter pas veel later ontwikkeld, met de publicatie van Ogawa en collega's in 1990 over functionele beelden met behulp van bloed-oxygenatie contrast [19](#page=19) [34](#page=34). #### 2.2.2 Biologische basis van fMRI fMRI maakt gebruik van hetzelfde basisprincipe als MRI (meting van magnetische relaxatie), maar richt zich niet primair op protonen in weefsel, maar op hemoglobine in het bloed [35](#page=35). * **Hemoglobine en magnetisme:** Hemoglobine, de zuurstoftransporteiwit in rode bloedcellen, heeft verschillende magnetische eigenschappen afhankelijk van de zuurstofbinding. Oxyhemoglobine (zuurstofrijk) is diamagnetisch (vergelijkbaar met weefsel), terwijl deoxyhemoglobine (zuurstofarm) paramagnetisch is en dus interactie vertoont met het magnetische signaal van de MRI-scanner [36](#page=36). * **Bloed Oxygen Level Dependent (BOLD) signaal:** Wanneer een hersengebied actief wordt, neemt het zuurstofmetabolisme toe, wat leidt tot een verhoogde bloedtoevoer. Aanvankelijk is de toename van zuurstofverbruik groter dan de toename van bloedtoevoer, wat resulteert in een verhoogde concentratie deoxyhemoglobine. Echter, het lichaam compenseert dit door de bloedtoevoer sterker te verhogen dan het zuurstofverbruik, waardoor de concentratie oxyhemoglobine stijgt en de concentratie deoxyhemoglobine daalt. De fMRI meet deze verandering in de relatieve concentratie van deoxyhemoglobine, het zogenaamde Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) signaal. Een afname van deoxyhemoglobine leidt tot een sterkere MRI-signaal, wat wordt geïnterpreteerd als hersenactiviteit [37](#page=37) [38](#page=38) [39](#page=39). * **Tijdelijke en ruimtelijke resolutie:** De BOLD-respons heeft een relatief trage hemodynamische reactie, met een piek die ongeveer 5,3 seconden na de neurale activiteit optreedt. fMRI heeft daarentegen een hoge ruimtelijke resolutie, met voxels (3D-pixels) zo klein als 1x1x1 millimeter, wat gedetailleerde lokalisatie van activiteit mogelijk maakt [40](#page=40) [43](#page=43). #### 2.2.3 Experimentele ontwerpen en toepassingen van fMRI fMRI-experimenten vereisen een vergelijking tussen een activatieconditie en een baselineconditie om veranderingen in het BOLD-signaal te meten [46](#page=46). * **Block design:** Een veelgebruikt ontwerp waarbij experimentele condities gedurende langere perioden (blokken) worden afgewisseld met baselinecondities. De resultaten worden vaak gevisualiseerd als 'heatmap' over de hersenstructuur [45](#page=45) [46](#page=46). * **Toepassingen:** fMRI is voornamelijk onderzoeksgericht, gebruikt voor het in kaart brengen van functie-structuurrelaties, het begrijpen van neurale correlaten van neurologische stoornissen, en als diagnostische en prognostische factoren. Klinische toepassingen zijn beperkter, zoals pre-chirurgische mapping bij epilepsie. Een voorbeeldstudie onderzocht de onderconnectiviteit van de sulcus temporalis superior en voorspelde tekorten in emotieherkenning bij autisme door de activatie van het spiegelnetwerk te onderzoeken. fMRI-onderzoek heeft ook geleid tot de serendipieuze ontdekking van het 'default mode network' (DMN), een netwerk dat actief is tijdens rust en betrokken is bij introspectie en gedachtenwandelen [47](#page=47) [48](#page=48) [49](#page=49) [58](#page=58) [59](#page=59). ### 2.3 Functionele Connectiviteit MRI (fcMRI) fcMRI, ook bekend als Resting-State fMRI (rs-fMRI), meet de spontane fluctuaties in het BOLD-signaal tijdens rust om functionele connectiviteit te bestuderen [60](#page=60) [61](#page=61). #### 2.3.1 Principe en basis De aanname achter fcMRI is dat hersengebieden (voxels) die vergelijkbare patronen van spontane fluctuaties in hun BOLD-signaal vertonen, functioneel met elkaar verbonden zijn of communiceren. Dit verschilt van taakgerelateerde fMRI die activatie tijdens specifieke taken meet. Een van de eerste studies toonde aan dat delen van het motorische systeem sterke correlaties vertonen in spontane fluctuaties tijdens rust [62](#page=62) [63](#page=63) [64](#page=64). #### 2.3.2 Toepassingen van fcMRI fcMRI is voornamelijk onderzoeksgericht en wordt gebruikt voor structuur-functie mapping en het begrijpen van neurale correlaten van neurologische stoornissen [66](#page=66). * **Voordelen:** Een belangrijk voordeel van rust-state scanning is dat het toegankelijk is voor bredere populaties, waaronder ouderen, patiënten en jonge kinderen, en een hoge betrouwbaarheid kent. Het maakt ook de creatie van grote, deelbare datasets mogelijk [66](#page=66). * **Netwerkidentificatie:** fcMRI heeft geholpen bij het identificeren van verschillende functionele netwerken in de hersenen tijdens rust [65](#page=65). ### 2.4 Diffusie Magnetic Resonance Imaging (dMRI) dMRI meet 'anatomische' of 'structurele' connectiviteit door de diffusie van watermoleculen in het hersenweefsel te kwantificeren [68](#page=68) [69](#page=69). #### 2.4.1 Biologische basis en principe dMRI is gebaseerd op het principe van anisotropie, wat betekent dat de diffusie van watermoleculen niet in alle richtingen gelijk is [70](#page=70). * **Isotrope versus anisotrope diffusie:** In vrije diffusie is de diffusie (D) in alle richtingen gelijk (isotroop). In 'belemmerde' diffusie is de diffusie niet gelijk in alle richtingen (anisotroop). Dit wordt gemeten met behulp van 'diffusie-gewogen' beeldvorming [69](#page=69) [70](#page=70). * **Fractionele Anisotropie (FA):** Een maat die de mate van anisotropie kwantificeert, waarbij een FA van 0 duidt op isotrope diffusie en een FA van 1 op maximale anisotropie [70](#page=70). * **Diffusion Tensor Imaging (DTI):** Een specifieke dMRI-techniek die de richting en mate van waterdiffusie in elk voxel beschrijft. DTI maakt het mogelijk om de vorm en oriëntatie van weefselstructuren, zoals zenuwvezels, te reconstrueren [71](#page=71) [72](#page=72). #### 2.4.2 Vezeltractografie en toepassingen Met DTI kan vezeltractografie worden uitgevoerd, waarbij de verbindingen tussen naburige voxels worden geïdentificeerd om vezelbanen te volgen [73](#page=73) [74](#page=74) [75](#page=75). * **Toepassingen:** dMRI wordt veel gebruikt in onderzoek voor structuur-functie mapping en het begrijpen van neurologische stoornissen. Klinische toepassingen omvatten pre-chirurgische planning voor de resectie van hersentumoren (tractografie) diagnose en monitoring van multiple sclerose en demyeliniserende ziekten, beoordeling van beroertes en voorspelling van motorisch herstel. dMRI kan vroege detectie van beschadiging van axionale structuren mogelijk maken, zelfs voordat deze zichtbaar zijn met conventionele MRI, wat cruciaal is voor prognose [76](#page=76) [77](#page=77) [78](#page=78). ### 2.5 Samenvatting van MRI en varianten | Techniek | Primaire functie | Methode | | :------- | :------------------------------- | :------------------------------------------------------------------- | | MRI | Hersenen anatomie | Meting van T1- en T2-relaxatietijden van protonen in water en vet | | fMRI | Hersenen activiteit | Meting van BOLD-signaal (verandering in bloedoxygenatie) | | fcMRI | Functionele connectiviteit | Correlatie van spontane BOLD-fluctuaties tijdens rust | | dMRI | Anatomische connectiviteit | Meting van watermolecuul diffusie (anisotropie van vezelbanen) | **Algemene voordelen van MRI, fMRI en fcMRI:** * Niet-invasief (geen straling) [67](#page=67). * Eenvoudig toe te passen [67](#page=67). * Objectiever dan psychologische evaluaties [67](#page=67). * Hoge ruimtelijke resolutie (tot 1x1x1 mm) [67](#page=67). * Kan diepe hersenstructuren meten [67](#page=67). **Algemene nadelen van MRI, fMRI en fcMRI:** * Lagere temporele resolutie vergeleken met EEG [67](#page=67). * Duur [67](#page=67). * Gevoelig voor bewegingsartefacten; patiënten moeten stil kunnen liggen [67](#page=67). * fMRI en fcMRI meten een indirecte maat van hersenactiviteit (BOLD-respons) [67](#page=67). **Specifieke nadelen van dMRI:** * Deelt dezelfde algemene voordelen/nadelen als (f)(c)MRI [79](#page=79). --- # Electro-Encephalography (EEG) and Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) Dit studiemateriaal biedt een gedetailleerd overzicht van Electro-Encephalografie (EEG) en Transcraniële Magnetische Stimulatie (TMS), twee fundamentele neurocognitieve methoden voor het bestuderen van hersenactiviteit. ## 3. Elektro-encefalografie (EEG) en transcraniële magnetische stimulatie (TMS) ### 3.1 Elektro-encefalografie (EEG) EEG meet elektrische activiteit op de hoofdhuid met een hoge temporele resolutie, maar een lage ruimtelijke resolutie [86](#page=86). #### 3.1.1 Geschiedenis van EEG De basis voor EEG werd gelegd in 1875 door Richard Caton, die kleine elektrische stromen op de hersenoppervlakte rapporteerde. Adolf Beck identificeerde in 1890 spontane elektrische activiteit als reactie op licht bij dieren. Vladimir Vladimirovich Pravdich-Neminsky publiceerde in 1912 de eerste dierlijke EEG-studie naar opgewekte potentialen en Napoleon Cybulski fotografeerde in 1914 EEG-opnamen van experimenteel geïnduceerde epileptische aanvallen [87](#page=87). #### 3.1.2 Apparatuur voor EEG De standaarduitrusting voor EEG omvat een EEG-kap met elektroden die op de hoofdhuid worden geplaatst. Deze kappen kunnen variëren van 21 tot wel 128 kanalen. EEG meet spanningsverschillen, uitgedrukt in microvolt (µV), die een maat zijn voor het potentieel voor stroomoverdracht tussen twee punten [88](#page=88). > **Tip:** EEG meet de *potentiaal* voor stroomverplaatsing tussen twee elektroden, niet de absolute spanning op één punt [89](#page=89). De meest gebruikte methode is de 'reference montage', waarbij het spanningsverschil wordt gemeten tussen 'actieve' elektroden en een 'referentie'-elektrode. De referentie-elektrode kan op diverse locaties worden geplaatst, zoals de oren, mastoïden, neuspunt of zelfs een teen. De geregistreerde EEG-golfvorm is het verschil tussen de signalen van twee elektroden, versterkt en gepresenteerd als functie van de tijd (#page=89, 90). Het 10/20 systeem wordt gebruikt voor een gestandaardiseerde plaatsing van elektroden op de hoofdhuid [89](#page=89) [90](#page=90) [91](#page=91). #### 3.1.3 Neurofysiologische basis van EEG De elektrische activiteit in de hersenen is afkomstig van twee hoofdoorzaken: actiepotentialen en postsynaptische potentialen [92](#page=92). * **Actiepotentialen:** Dit zijn snelle, voorbijgaande, 'alles-of-niets' signalen van ongeveer 100 mV met een duur van 1 ms. Ze zijn te kort van duur om een 'langdurig dipool' te creëren en worden daarom niet direct door EEG gedetecteerd [93](#page=93). * **Postsynaptische potentialen (PSP's):** Neuronen in rust hebben een rustpotentiaal van ongeveer -70 mV. Bij excitatie door synapsen met andere neuronen depolariseert de celmembraan door de influx van positieve ionen (zoals Na+), waardoor de potentiaal stijgt (bijv. van -70 mV naar -60 mV). Dit resulteert in een Excitatoire Postsynaptische Potentiaal (EPSP) [94](#page=94) [95](#page=95). * Het potentiaalverschil langs het cellichaam van het neuron genereert een 'primaire stroom' [96](#page=96). * Deze primaire stroom induceert 'terugkerende stromen' of 'secundaire stromen' in het omringende weefsel, wat bekend staat als volumetrische geleiding [97](#page=97). * Een EPSP creëert een 'dipool' die honderden milliseconden kan duren en dus met EEG kan worden gedetecteerd [98](#page=98). * Inhibitoire Postsynaptische Potentialen (IPSP's), gebaseerd op de influx van negatieve ionen (zoals Cl-), zijn ook meetbaar [98](#page=98). EEG meet dus *direct* PSP's in de hersenen. Een enkele neuronale gebeurtenis is te klein om te detecteren; EEG is gebaseerd op de sommatie van vele dipolen, voornamelijk afkomstig van corticale piramidale cellen. Activiteit van diepere hersenstructuren is moeilijker te meten door spreiding en verzwakking door volumetrische geleiding [98](#page=98) [99](#page=99). #### 3.1.4 Analyse van EEG Er zijn twee primaire methoden voor EEG-analyse: tijdsdomein en frequentiedomein analyse. ##### 3.1.4.1 Tijdsdomein analyse: Event-Related Potentials (ERP's) ERP's zijn kleine, tijdgebonden veranderingen in het EEG-signaal die consistent optreden als reactie op specifieke stimuli of gebeurtenissen (#page=100, 102) [100](#page=100) . * 'N' duidt op een negatieve component (spanning onder de baseline) en 'P' op een positieve component (spanning boven de baseline) . * ERP-analyse vereist herhaalde presentatie van stimuli en levert een zeer goede temporele resolutie op, in de orde van milliseconden . ##### 3.1.4.2 Frequentiedomein analyse: Spectrale analyse Deze methode ontleedt het EEG-signaal in verschillende frequentiebanden . * Het resultaat wordt gevisualiseerd als een frequentiespectrum, waarbij de Y-as de bandvermogen (area under the curve) weergeeft . * **Alpha-ritme:** Dit ritme bestaat uit oscillaties in het bereik van 8-12 Hz en is het meest prominent bij ontspannen wakkerheid, vooral over de occipitale/parietale regio's. Het is het sterkst bij gesloten ogen en lage aandachtseisen en wordt beschouwd als het 'idling'-ritme van de hersenen . * Alpha-onderdrukking (desynchronisatie) treedt op bij visuele input, aandacht of taakuitvoering en speelt een rol bij het 'gaten' van sensorische informatie . * **MU-ritme:** Over de sensorimotorische cortex wordt alpha ook wel het MU-ritme genoemd en kan het worden gebruikt om activiteit van het spiegelneuronen-systeem te meten . ##### 3.1.4.3 Ruimtelijk domein analyse Deze analyse onderzoekt *waar* op de hoofdhuid de veranderingen plaatsvinden, zowel voor ERP's als voor frequentiebandvermogen. Er worden 'heatmaps' gecreëerd om de locaties met de sterkste signalen te visualiseren. EEG heeft echter een relatief lage ruimtelijke resolutie : * Hersensignalen worden vaak door meerdere elektroden gedetecteerd . * Er is slechts 2D-lokalisatie op de schedel mogelijk, niet binnenin de hersenen (#page=108, 109) . * Het bepalen van de precieze oorsprong van het signaal binnen de hersenen is zeer moeilijk en wordt het 'inverse probleem' genoemd (#page=109, 110) . #### 3.1.5 Toepassingen van EEG EEG kent zowel klinische als onderzoeksmatige toepassingen : * **Klinische toepassingen:** Diagnose en monitoring van epilepsie, slaapstoornissen (polysomnografie), coma/hersendood, en diepte van anesthesie . * **Onderzoeksmatige toepassingen:** * **Tijdsdomein (ERP's):** Onderzoeken hoe de hersenen reageren op stimuli, en hoe deze reacties worden beïnvloed door veroudering, ziekte, leren of revalidatie . * **Frequentiedomein:** Analyseren van dominante frequenties en hoe het frequentiespectrum/koppeling verandert onder invloed van veroudering, ziekte, leren of revalidatie . #### 3.1.6 Samenvatting EEG **Voordelen:** * Niet-invasief . * Objectiever dan subjectieve evaluaties . * Relatief goedkoop vergeleken met fMRI . * Toelaat meer hoofdbewegingen dan fMRI, ideaal voor jonge kinderen . * Hoge temporele resolutie (orde van milliseconden) . * Meet *directe* neuronale activiteit . * Apparatuur is mobiel en kan naar patiënten worden gebracht . * Geen magnetisch veld, dus geschikt voor patiënten met metalen implantaten . **Nadelen:** * Lage ruimtelijke resolutie vergeleken met fMRI . * Slechte registratie van neurale activiteit in diepe hersenstructuren (vooral corticale sites) . * EEG-voorbereiding kost veel tijd . * Slechte signaal-ruisverhouding, vereist geavanceerde data-analyse en veel proefpersonen/trials . ### 3.2 Transcraniële Magnetische Stimulatie (TMS) TMS is een niet-invasieve, focale methode voor hersenstimulatie (#page=113, 114) . #### 3.2.1 Apparatuur voor TMS De apparatuur voor TMS bestaat uit een condensator en een spoel. Een primaire elektrische stroom door de spoel induceert een magnetisch veld. Wanneer de spoel boven de hersenen wordt gehouden, induceert dit magnetisch veld een secundaire elektrische stroom in het onderliggende hersenweefsel . #### 3.2.2 Neurofysiologische basis van TMS TMS kan als meetinstrument worden gebruikt door stimulatie toe te passen over specifieke hersengebieden, zoals de 'primaire motorische cortex' (M1). M1 heeft een somatotopische organisatie . * Stimulatie van M1 activeert het corticospinale tractus door pyrimidale cellen te stimuleren . * Dit leidt tot activering van α-motorneuronen in het ruggenmerg, wat resulteert in meetbare spieractiviteit, een 'spiertrekking', in de contralaterale spier. Dit wordt een Motor Evoked Potential (MEP) genoemd (#page=116, 117) . * Een MEP is een meting van de 'cortico-motorische' prikkelbaarheid. De meting omvat de latentietijd (ongeveer 20 ms), de MEP-amplitude en het MEP-oppervlak onder de curve . #### 3.2.3 Toepassingen van TMS TMS wordt voornamelijk in onderzoek gebruikt, maar heeft ook klinische diagnostische toepassingen : * **Motorische cortex mapping:** Identificeren van gebieden die specifieke spieren aansturen (pre-chirurgische planning) . * **Beoordelen van corticospinale tractus integriteit:** Meting van latentie en amplitude . * **Neurologische diagnostiek:** Onderscheiden van centrale versus perifere motorische padletsels (in combinatie met perifere zenuwstimulatie) . * **Voorspellen van herstelpotentieel:** Bijvoorbeeld post-stroke motorisch herstel, gebaseerd op de aanwezigheid of afwezigheid van MEP's . * **Monitoren van ziekteprogressie:** Bijvoorbeeld bij beroertes of multiple sclerose . > **Voorbeeld studie - TMS:** Onderzoek naar motorische plasticiteit bij beroertepatiënten tijdens constraint-induced movement therapy (CIMT) toonde mapping van intacte MEP's om functioneel bewaarde motorische gebieden te identificeren. Een ander voorbeeld evalueerde de spiegelneuronen responsen en cortico-motorische prikkelbaarheid van M1 tijdens actieobservatie . Repetitieve TMS (rTMS) kan worden gebruikt om causale verbanden tussen gedrag en hersengebieden te onderzoeken. Bijvoorbeeld, door de taalregio (Broca's gebied) te verstoren . #### 3.2.4 Samenvatting TMS **Voordelen:** * Niet-invasief . * Relatief eenvoudig toe te passen . * Objectiever dan subjectieve evaluaties . * Hoge temporele resolutie . * Hoge ruimtelijke resolutie (zij het alleen cortical) . * rTMS: Maakt het mogelijk om een causaal verband tussen structuur en functie af te leiden . **Nadelen:** * Kan geen diepe hersenstructuren stimuleren . **Veiligheid:** * Single-pulse TMS heeft geen gerapporteerde schadelijke bijwerkingen getoond over de afgelopen 20 jaar (soms lichte hoofdpijn) . * Repetitieve TMS kan epileptische aanvallen veroorzaken, maar dit is voornamelijk gemeld bij individuen met een voorgeschiedenis van aanvallen. Strikte richtlijnen voor inclusie/exclusie criteria gelden voor de toepassing van TMS, vergelijkbaar met fMRI-onderzoek . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Plasticiteit (Neuroplasticiteit) | Het vermogen van de hersenen om te veranderen en zich aan te passen door nieuwe neurale verbindingen te vormen of bestaande te reorganiseren, vaak als reactie op ervaring, leren of letsel. | | Motorisch leren | Het proces waarbij motorische vaardigheden worden verworven en verfijnd door herhaalde oefening, wat leidt tot verbeterde prestaties en efficiëntie van bewegingen. | | Neurale reorganisatie | Een proces waarbij de hersenen hun structuur en functie aanpassen, bijvoorbeeld na een hersenbeschadiging, om verloren functies te herstellen of te compenseren. | | Compenserende mechanismen | Strategieën die het brein of lichaam gebruikt om te functioneren ondanks een stoornis of letsel, vaak door andere, intacte functies te benutten. | | Niet-invasieve neurostimulatie | Technieken zoals Transcraniële Magnetische Stimulatie (TMS) of Transcraniële Gelijkstroomstimulatie (tDCS) die het brein stimuleren zonder de schedel binnen te dringen, vaak gebruikt voor onderzoek en therapie. | | Magnetische Resonantie Beeldvorming (MRI) | Een medische beeldvormingstechniek die gebruik maakt van sterke magnetische velden en radiogolven om gedetailleerde beelden te maken van organen en weefsels in het lichaam, met name het brein. | | Functionele MRI (fMRI) | Een MRI-techniek die hersenactiviteit meet door veranderingen in bloedtoevoer en zuurstofgehalte te detecteren, wat een indirecte indicatie geeft van waar de hersenen actief zijn. | | Bloedzuurstofniveau-afhankelijke (BOLD) signaal | Het signaal dat door fMRI wordt gemeten, gebaseerd op de magnetische eigenschappen van hemoglobine die veranderen afhankelijk van hun zuurstofverzadiging, wat correleert met hersenactiviteit. | | Functionele Connectiviteit MRI (fcMRI) | Een MRI-techniek die de functionele interactie tussen verschillende hersengebieden meet door de correlatie te analyseren van spontane BOLD-signaalfluctuaties tijdens rust. | | Diffusie Magnetische Resonantie Beeldvorming (dMRI) | Een MRI-techniek die de diffusie van watermoleculen in de hersenen meet om de structurele connectiviteit, met name de witte stof banen, in kaart te brengen. | | Diffusie Tensor Beeldvorming (DTI) | Een specifieke vorm van dMRI die de richting en mate van waterdiffusie kwantificeert om de integriteit en oriëntatie van zenuwvezelbundels te bepalen. | | Functionele Near-infrared Spectroscopy (FNIRS) | Een niet-invasieve techniek die nabij-infrarood licht gebruikt om veranderingen in zuurstofrijk en zuurstofarm hemoglobine in de hersenschors te meten, wat een indicatie geeft van hersenactiviteit. | | Elektro-EncefaloGrafie (EEG) | Een techniek die de elektrische activiteit van de hersenen meet via elektroden geplaatst op de hoofdhuid, gekenmerkt door een hoge temporele resolutie. | | Postsynaptische Potentialen (PSP) | Veranderingen in het membraanpotentieel van een neuron die worden veroorzaakt door de binding van neurotransmitters aan receptoren, wat leidt tot excitatie (EPSP) of inhibitie (IPSP). | | Actiepotentialen | Snelle, kortstondige elektrische pulsen die elektrische signalen door de axonen van neuronen geleiden, te kort om direct door standaard EEG gemeten te worden. | | Event-Related Potentials (ERP) | Gemiddelde EEG-signalen die in de tijd zijn uitgelijnd met een specifiek stimulus of gebeurtenis, om subtiele hersenreacties te detecteren. | | Frequentiedomein analyse | Een methode om EEG-signalen te ontleden in hun componentfrequenties (bijv. alfa, bèta, theta golven), die geassocieerd worden met verschillende hersenstatussen en cognitieve processen. | | Alfa-ritme | Een EEG-ritme dat voornamelijk voorkomt in de frequentieband van 8-12 Hz, kenmerkend voor ontspannen waakzaamheid en sterker aanwezig bij gesloten ogen. | | Transcraniële Magnetische Stimulatie (TMS) | Een niet-invasieve techniek die een geconcentreerd magnetisch veld gebruikt om de activiteit van specifieke hersengebieden te stimuleren of te remmen, wat kan worden gebruikt om causale verbanden tussen hersenstructuren en gedrag te onderzoeken. | | Motorisch Evoked Potential (MEP) | Een meetbare elektrische reactie in een spier die wordt opgewekt door TMS over de primaire motorische cortex, gebruikt om de cortico-spinale excitabiliteit te beoordelen. |