Welke methoden worden gebruikt in de sociale neurowetenschap? - Chapter 2

Welke soorten methoden zijn er in de neurowetenschap?

Social neuroscience maakt gebruik van methoden die afkomstig zijn uit andere velden, zoals sociale en cognitieve psychologie en cognitieve neurowetenschap. De belangrijkste methoden van de cognitieve neurowetenschap kunnen gecategoriseerd worden aan de hand van verschillende eigenschappen.

• Temporele resolutie verwijst naar de accuraatheid waarmee gemeten kan worden wanneer een gebeurtenis zich voordoet

• spatiële resolutie verwijst naar de accuraatheid waarmee gemeten kan worden waar een gebeurtenis zich voordoet

• Invasiviteit verwijst naar de lokalisatie van de apparatuur (intern of extern)

Tabel 1. Verschillende cognitief-neurowetenschappelijke methoden

Hoe worden gedrag en cognitie gemeten?

Er zijn drie soorten metingen die gebruikt worden om gedrag en cognitie te meten: prestatie-gebaseerde metingen, observaties en eerste persoons-gebaseerde metingen.

Prestatie-gebaseerde metingen

Mentale chronometrie is de studie van het tijdsverloop van informatieverwerking in het menselijke zenuwstelsel. Dit houdt in dat veranderingen in de natuur of efficiëntie van informatieverwerking zich zullen openbaren in de tijd die nodig is om een taak uit te voeren. Zulke verschillen in reactietijden kunnen zich bijvoorbeeld voordoen tijdens het verifiëren van bepaalde rekensommen (makkelijk vs. moeilijk) of tijdens het identificeren van gezichten (met of zonder emotionele expressie). Een andere prestatie-gebaseerde meting is accuraatheid. Dit kan gemeten worden in termen van error rates, percentage correct of percentielen. Accuraatheid is met name gerelateerd aan kennis, terwijl reactietijden vooral in verband gebracht worden met verwerkingsefficiëntie. In sommige gevallen zijn accuraatheid en efficiëntie echter gerelateerd: zo worden mensen minder accuraat als ze een taak sneller uit moeten voeren (speed - accuracy trade-off).

+ Prestatie-gebaseerde metingen reflecteren echt gedrag

+ Prestatie-gebaseerde metingen zijn eenvoudig te analyseren en interpreteren

- Het is moeilijk om prestatie-gebaseerde metingen te linken aan neurale substraten

- Er bestaat niet altijd een duidelijke relatie tussen laboratoriumtaken en ‘real-world’ gedragingen

Observaties

Observaties kunnen gebruikt worden wanneer het onmogelijk of ongepast is om instructies aan een participant te geven. Ze worden echter wel geassocieerd met scoring gedrag (kan worden tegengegaan met blind scoring) en observation bias (kan verminderd worden door de interbeoordelaarsbetrouwbaarheid te berekenen). Bij preferential looking wordt gekeken hoe lang een kind naar een bepaalde stimulus kijkt. Bij habituatie is er sprake van een vermindering in aandacht voor een stimulus na herhaalde blootstelling.

Masking

Masking is de presentatie van visueel materiaal om de persistentie van een visuele afbeelding te elimineren.

Eerste-persoonsgebaseerde metingen: surveys

Vragenlijsten kunnen in verschillende situaties gebruikt worden waarbij een experimentele manipulatie niet noodzakelijk of gewenst is. Ze meten gedachten en gevoelens in plaats van gedrag. Bij een vragenlijst is het belangrijk om de betrouwbaarheid na te gaan, wat bereikt kan worden met behulp van factoranalyse. Vragenlijsten hebben een lagere externe validiteit dan observaties. Ook moet rekening gehouden worden met type I en II fouten wanneer bevindingen uit vragenlijsten gecorreleerd worden met andere methoden zoals fMRI. De zelfrapportages reflecteren wellicht niet het daadwerkelijke gedrag.

Hoe worden lichaamsreacties gemeten?

Het perifere zenuwstelsel bestaat uit het somatische zenuwstelsel (spieractiviteit) en het autonome zenuwstelsel. Het autonome zenuwstelsel, een set zenuwen die de activiteit van de interne organen controleert, kan worden opgedeeld in een sympathisch (verhoogde arousal) en parasympatische deel (rusteffect). De huidgeleidingsrespons (‘skin conductance response’, SCR) meet de activiteit van het somatische zenuwstelsel. Electromyografie (EMG) is een methode waarbij elektrische activiteit die geassocieerd is aan spieractiviteit wordt gemeten. Dit wordt ook gebruikt om de 'eyeblink startle reflex' te meten, een motorische reactie die zich gewoonlijk voordoet door een hard onverwacht geluid, maar gemoduleerd wordt door de emotionele staat van een persoon. Lichaamsreacties treden soms op terwijl mensen zich niet bewust zijn van bepaalde stimuli of in de afwezigheid van een bepaalde taak. Ze zijn bovendien eenvoudig vast te leggen en te analyseren. Het is echter niet makkelijk om lichaamsreacties aan hersenen en cognitie te verbinden.

Welke elektrofysiologische metingen zijn er?

Single-cell recording

‘Single-cell recording’ is een vorm van een elektrofysiologische meting waarbij de elektronische activiteit van neuronen gemeten wordt. Rate coding houdt in dat een bepaalde stimulus of gebeurtenis geassocieerd is met een toename in de hoeveelheid neuraal vuren. Temporaal coderen houdt in dat een bepaalde stimulus of gebeurtenis wordt gerelateerd aan een grotere synchronisatie van vuren bij verschillende neuronen. Deze meting is direct gerelateerd aan neurale activiteit en heeft goede spatiële en temporale resoluties. Het is echter zo’n invasieve methode dat het bijna nooit op mensen uitgevoerd wordt.

EEG & ERP’s

Elektro-encefalografie ('Electroencephalography’ (EEG)) meet elektronische signalen die door het brein gegenereerd worden, via elektroden die op de hoofdhuid geplaatst worden. ‘Event related potentials’ (ERP’s): een gemiddelde set van EEG opnames die qua tijd vastzitten aan een bepaalde gebeurtenis. De N170 is een ERP die gerelateerd is aan gezichtswaarneming. Deze methode heeft een goede temporale resolutie en is een directe meting van neurale activiteit. Het heeft echter een slechte spatiële resolutie en het is onmogelijk om hiermee bepaalde subcorticale hersengebieden te onderzoeken.

Wat zijn hemodynamische methoden?

Hemodynamische methoden, zoals PET en fMRI, meten bloedstroom of de oxygenatie van bloed. Deze methoden hebben een goede spatiële resolutie. Voxels zijn driedimensionale versies van een pixel, en de hersenen worden in tienduizenden voxels verdeeld tijdens functional imaging. Een BOLD respons is een verandering in de oxygenatie van bloed die samengaat met neurale activiteit. Een verandering in de BOLD reactie over tijd wordt de hemodynamische respons functie (HRF) genoemd. De HRF bestaat uit drie fases: initiële dip, overcompensatie en undershoot.

Beperkingen van experimentele designs

De manieren waarop verschillende soorten trials gegroepeerd zijn kunnen geclassificeerd worden in event-related designs (alle trials worden random tussengevoegd tijdens de stimuluspresentatie maar samengevoegd tijdens de analyse) en Block designs ( trials die bij elkaar horen worden samen gegroepeerd tijdens de stimuluspresentatie). Block designs kunnen alleen gebruikt worden bij PET studies en hebben meer statistische power; fMRI kan allebei de manieren gebruiken. Voor een goed experiment is het belangrijk om een goede selectie van controlecondities te maken.

Analyse van fMRI data

De analyse van fMRI data houdt in dat er vastgesteld moet worden of er sprake is van een statistisch significante relatie tussen de veranderingen in een BOLD signaal door de tijd heen, gebaseerd op de verwachtingen van het onderzoeksdesign. Dit wordt voor elke voxel gedaan. Voordat de ruwe data geanalyseerd kan worden moet er eerst voorverwerking plaatsvinden:

1. De hersenafbeeldingen worden verbonden aan de timing van de stimuluspresentatie

2. Corrigeren voor hoofdbewegingen

3. Stereotactische normalisatie, de procedure waarbij de voxels van het individuele brein worden afgebeeld op de equivalente gebieden in een standaardbrein. Dit is noodzakelijk als er verschillende hersenen gebruikt worden, om te kunnen corrigeren voor verschillen in hersenvorm en – grootte. Hiervoor wordt vaak de MNI template gebruikt, een ‘standaardbrein’ dat gebaseerd is op 305 samengevoegde hersenen die aangeboden werden door het Montreal Neurologisch instituut. Een ander template dat soms gebruikt wordt ook wel de talairach coördinaten genoemd.

4. Smoothing, het verhogen van de spatiële hoeveelheid activiteit in voxels. Dit wordt gedaan om om te gaan met individuele verschillen op het gebied van hersenactiviteit. Ook verbetert dit de signa-to-noise ratio.

Na het voorverwerken moet er een statistische analyse uitgevoerd worden. Een family wise error (FWE) is een statistische grens die gebruikt wordt bij functionele imaging, gebaseerd op de assumptie van spatiële gladheid. Een alternatieve methode is het gebruik van een false discovery rate (FDR), een statistische grens die gebruikt wordt bij functionele imaging, gebaseerd op permutaties van de data. De FWE methode houdt alleen rekening met de hoeveelheid testen die uitgevoerd zijn, terwijl de FDR ook rekening houdt met de hoeveelheid positieve resultaten. De fMRI heeft over het algemeen een goede spatiële resolutie, is over het algemeen veilig en niet-invasief. Het heeft daarentegen een slechte temporale resolutie en is geen directe meting van neurale activiteit.

Wat houden laesies & TMS in?

Neuropsychologie is de studie van de effecten van hersenschade op cognitie. Er zijn verschillende vormen van hersenschade, waaronder beroertes, hoofdbeschadigingen, tumoren, neuro-operaties, virale infecties en neuro-degeneratieve stoornissen. Dankzij functionele specialisatie zal gelokaliseerde schade aan de hersenen sommige maar niet alle cognitieve functies zal beperken, wat ook wel dissociaties genoemd worden. Een dubbele dissociatie is een complementair profiel van twee of meer patiënten tussen intacte en beschadigde vermogens. Methodes die met laesies te maken hebben maken het mogelijk om oorzaak-gevolg relaties tussen hersenen en gedrag te onderzoeken. Er is echter geen experimentele controle over laesies.

Experimentele laesies bij dieren

Bij dieren kunnen veel specifiekere laesies aangebracht worden en bovendien kunnen de dieren hun eigen controlepersoon vormen door het gedrag voor en na de laesie te vergelijken. Er zijn verschillende manieren om laesies bij dieren te veroorzaken: aspiratie, transectie, neurochemische en omkeerbare laesies. Deze methode maakt het mogelijk om oorzaak-gevolgrelaties tussen brein en gedrag te onderzoeken, op een hele precieze manier. De hoeveelheid gedragingen die bestudeerd kunnen worden zijn beperkt ten opzichte van die van mensen en er zijn zorgen om dierenwelzijn.

Transcraniale magnetische stimulatie (TMS)

TMS veroorzaakt gelokaliseerde neurologische interferentie door kort een magnetisch veld te creëren dat tijdelijk de prestatie onderbreekt. Deze methode kan gebruikt worden om de timing en locatie van cognitie te meten en maakt bovendien binnen-proefpersoon vergelijkingen mogelijk. TMS kan echter maar een aantal gebieden stimuleren en het is lastig om te voorspellen hoe TMS het functioneren van verdere gebieden beïnvloedt.

Stampvragen

1. Categoriseer de methoden van sociale neurowetenschap aan de hand van drie bekende eigenschappen.

2. Geef drie voorbeelden van metingen die gedrag en cognitie meten.

3. Geef een voorbeeld van een prestatie-gebaseerde meting en licht deze kort toe. Wat zijn de voor- en nadelen van deze methode?

4. Geef een voorbeeld van een elektrofysiologische meting en licht deze kort toe. Wat zijn de voor- en nadelen van deze methode?

5. Wat zijn hemodynamische metingen? Geef een voorbeeld. Wat zijn de voor- en nadelen van deze meting?