Waarom is het niet mogelijk een enkele neuron te onderscheiden in een EEG?

[vardarac]

Waar ligt op dit moment de limitatie om een EEG te maken van een brein die snel genoeg sampled met voldoende resolutie dat de oorsprong van de signaal componenten herleidt kan worden tot een enkele neuron/axom? 

[Benm]

Je zou dan proberen met een paar dozijn electroden een beeld te krijgen van 1 cel uit miljarden. Gevoelsmatig gaat dat al niet werken, en dat er nog een schedel tussen zit werkt ook niet mee.

Zelfs met een FMRI kom je niet in de buurt van de resolutie die nodig is om een enkel neuron te kunnen zien. Zelfs met een statische MRI kom je niet veel verder. De allerbeste hebben een resolutie van pakweg 0.1 mm3 of meer, zo grof dat nog steeds duizenden neuronen in 1 pixel verdwijnen.

[vardarac]

Je zou dan proberen met een paar dozijn electroden een beeld te krijgen van 1 cel uit miljarden. Gevoelsmatig gaat dat al niet werken, en dat er nog een schedel tussen zit werkt ook niet mee.

Zelfs met een FMRI kom je niet in de buurt van de resolutie die nodig is om een enkel neuron te kunnen zien. Zelfs met een statische MRI kom je niet veel verder. De allerbeste hebben een resolutie van pakweg 0.1 mm3 of meer, zo grof dat nog steeds duizenden neuronen in 1 pixel verdwijnen.

Gevoelsmatig?

[317070]

Gevoelsmatig?

Wil je 1 parameter meten, heb je 1 meting nodig.
Wil je 21 parameters meten, heb je 21 metingen nodig.
Voor 100 miljard parameters, heb je 100 miljard metingen nodig.
 
Waarom? Een lineair stelsel met n variabelen, heeft voor een unieke oplossing ook minstens n vergelijkingen nodig. En voor iedere vergelijking heb je ook een meting nodig.
 
De moderne EEG's hebben in de grootte-orde van 21 elektrodes, ruim onvoldoende om het signaal dat 100 miljard neuronen genereren te ontcijferen. Zelfs MRI's doen niet genoeg metingen.
 
Om je een idee te geven, om 100 miljard metingen op te slaan, zou je 400 gigabyte nodig hebben. Als je de neuronen wil samplen aan 2kHz, dan genereer je 800 terabyte data per seconde. Ik denk dat je niet kunt spreken van dé limitatie om te doen wat je vraagt. Op alle vlak is onze technologie nog niet ver genoeg gevorderd. Het record momenteel is bijvoorbeeld 43 terabyte per seconde om data te transporteren. Je kunt je metingen momenteel dus niet eens snel genoeg verplaatsen.
 
De limitaties die ik nu kan bedenken:
 
1) 100 miljard elektronische metingen uitvoeren zonder crosstalk
2) die metingen parallel uitvoeren op een oppervlakte van een A4
3) de warmteproductie die uit de metingen komt afvoeren
4) de data die uit de metingen komt afvoeren naar een opslag
5) de data verwerken zonder millennia op de uitkomst te moeten wachten

[anusthesist]

Afgezien van de fysieke limitaties, zie ik de klinische relevantie ook niet in.

[vardarac]

1) 100 miljard elektronische metingen uitvoeren zonder crosstalk
De crosstalk probleem kan misschien opgelost worden door op de sensor een ADC het signaal om te zetten?
 
2) die metingen parallel uitvoeren op een oppervlakte van een A4
Dus wat je hier aangeeft is dat op dit moment de techniek nog niet klein genoeg is om zoveel sensoren op deze oppervlak te laten passen.
 
3) de warmteproductie die uit de metingen komt afvoeren
Is dat al een probleem bij conventionele EEG metingen?
 
4) de data die uit de metingen komt afvoeren naar een opslag
CERN's LHC geeft mij te kennen dat dit in iedere geval engineer-technisch haalbaar is.
 
5) de data verwerken zonder millennia op de uitkomst te moeten wachten

Dat, is een eis die ik hier nog niet wil maken. Laten we dit punt terzeide leggen voor nu.
 
Misschien een rare vraag, maar waarom proberen we niet het electrisch veld van de brein, een laserstraal te laten manipuleren?
Heel dom uitgedrukt, zoek een materiaal dat gevoelig is voor een electrisch veld, en laat er een laser straal doorheen gaan, of er tegen aan kaatsen, en meet de verandering die heeft plaatsgevonden in de eigenschappen van de laserstraal.
 
Minder hitte, minder crosstalk, geen uitgebreide circuits dus het kan kleiner en dus meer sensoren.
 
Ik heb hier geen verstand van, dus wanneer ik google op "can I measure an electric field using laser?" vind ik dit en dit maar ik heb natuurlijk geen idee of dit toepasbaar is voor dit idee.
Maar los van dit google resultaat, blijft mijn vraag staan, is het mogeijk om EEG metingen uit te voeren door licht door of tegen een medium te laten gaan dat de eigenschap van het licht veranderd gerelateerd aan een zwak electrisch veld waaraan het medium wordt blootgesteld?

[317070]

Maar los van dit google resultaat, blijft mijn vraag staan, is het mogeijk om EEG metingen uit te voeren door licht door of tegen een medium te laten gaan dat de eigenschap van het licht veranderd gerelateerd aan een zwak electrisch veld waaraan het medium wordt blootgesteld?

Ik zie geen principiële reden waarom het onmogelijk zou zijn, behalve dat de noodzakelijke technologie gewoon nog niet bestaat.
 
Moest je geïnteresseerd zijn, bij ons op het lab wordt onderzoek gedaan naar neurale netwerken (in het kader van het human brain project). Wij werken nog vooral met EEG's ('t is te zeggen, een paar collega's, ik doe onderzoek naar embodiment eerder dan neurale netwerken) De meest beloftevolle richting die men nu uitgaat om neuronen te meten, is om individuele neuronen genetisch te manipuleren, zodat ze licht aan een specifieke golflengte uitzenden waaruit hun potentiaal kan worden afgeleid: https://en.wikipedia.org/wiki/Optogenetics
Er is nog een hoop onderzoek dat moet gebeuren, maar er zijn onderzoekers binnen het human brain project die verwachten dat de technologie binnen een paar decennia in staat gaat zijn om te bieden waar je in je beginpost om vraagt.

Afgezien van de fysieke limitaties, zie ik de klinische relevantie ook niet in.

Het zou een fantastisch instrument zijn om te begrijpen hoe onze hersens (en bij uitbreiding alle natuurlijke netwerken) precies werken.
Een dergelijke technologie zou de heilige graal voor psychologie, sociologie en misschien zelfs economie kunnen zijn. Het kan antwoorden op openstaande vragen als het slaapprobleem, het nature vs nurture probleem, enz.

[Benm]

Interessant zou het zeker zijn om de mogelijkheid te hebben, zeker als je meerdere neuronen tegelijk kunt bekijken en daarmee wellicht meer kunt zien over de details van signaalpropagatie in het brein.

Overigens brengt dat wel een interessant onderscheid in beeld voor wat je nodig hebt voor zulk soort metingen:

- 1 (of enkele) neuronen per stuk bestuderen, dit vereist geen extreme dataverkeer of opslagcapaciteit. Probleem is wel dit signaal in vivo en niet-invasief te isoleren, wat voor zover ik weet nog niet mogelijk is.

- alle neuronen tegelijk monitoren, waarbij je wel extreme hoeveelheden data krijgt met alle problemen van dien. Dit klinkt vooralsnog als compleet onhaalbaar.

In zekere zin zijn het sowieso strijdige problemen: als je realtime inzicht wilt hebben werk je meestal met een lagere resolutie om dat mogelijk te maken (fmri), terwijl je meer detail kunt krijgen over structuur zonder rekening te houden met dynamica door langer te analyseren (mri).

[anusthesist]

Interresant is het zeker, maar ik vraag me af wat de meerwaarde is aangezien neuronen niet separaat werken maar in netwerken die simultaan actief zijn. De heilige graal lijkt me nogal overdreven, want 1 neuron geeft zelfs minder informatie dan de op gang komende nieuwere EEG's, resting state MRI's e.d.

Het brein werkt niet door middel van 1 neuron maar door verschillende netwerken die elkaar integreren. Leuk om te weten wat 1 neuron binnen zo'n netwerk doet, maar klinisch relevante info zal het denk ik niet opleveren.

Veel interessanter naar mijn mening is dus alle netwerken in kaart brengen en deze linken aan bepaalde aandoeningen. 1 neuron maakt het verschil niet.

[vardarac]

Ik zie geen principiële reden waarom het onmogelijk zou zijn, behalve dat de noodzakelijke technologie gewoon nog niet bestaat.

De twee artikellen die ik gelinkt had zijn dus niet relevant. Jammer.

[317070]

Het brein werkt niet door middel van 1 neuron maar door verschillende netwerken die elkaar integreren. Leuk om te weten wat 1 neuron binnen zo'n netwerk doet, maar klinisch relevante info zal het denk ik niet opleveren.

Veel interessanter naar mijn mening is dus alle netwerken in kaart brengen en deze linken aan bepaalde aandoeningen. 1 neuron maakt het verschil niet.

Klinische info niet, maar hopelijk stelt het ons wel in staat om eens een nauwkeurig model van onze neuronen te maken en te bestuderen hoe ze functioneren binnen het netwerk. Hoe ontstaat emergent gedrag als beeldherkenning of spraakherkenning uit een hoopje neuronen? Niemand die het weet.
 
Volgens mij zie je het doel van dit onderzoek op te korte termijn. Het doel is niet om de geneesheer op korte termijn de hersens volledig te laten uitlezen om een of andere ziekte bij de patient te kunnen diagnosticeren. Het doel is om op lange termijn te begrijpen hoe onze hersenen werken en een antwoord te kunnen geven op open vragen in de geneeskunde en psychologie.
 
Onze hersenmodellen zijn voorlopig alleen nog maar in staat om ruis te produceren, ruis die heel erg lijkt op de ruis van onze hersenen, maar nog steeds ruis. We missen dus nog iets.

[Benm]

Ik denk inderdaad dat het veel fundamenteler is dan toepasbare geneeskunde. Als je kunt zien wat individuele neuronen in een levend brein doen heeft dat mogelijk ook toepassing in kunstmatige intelligentie, simulaties en dergelijke.

[anusthesist]

Maar alleen de toepasbare geneeskunde geldt uiteindelijk als je in het ZKH komt. Heb je aan een onderzoek iets en draagt het bij aan een diagnose? Dat is vanuit artsperspectief het meest relevant; 1 neuron boeit me dus niets, want daar vang je geen epilepsie mee (behalve als je 2 miljoen neuronen hetzelfde ziet doen).

Interessant is het zeker, maar in de geneeskunde voorlopig niet toepasbaar. We weten namelijk al hoe neuronen functioneren op schaal van 1 neuron. Dat is al honderden keren onderzocht. En nu -in plaats van 1 neuron te isoleren en de voltages te meten- doe je dat middels een plakkertje op het hoofd. Nou, baanbrekend zeg.

Ik denk dat 1 neuron dus niet de heilige graal is, maar dat we meer in netwerken moeten denken, het grotere plaatje zien ipv het kleinere plaatje.

[317070]

Maar alleen de toepasbare geneeskunde geldt uiteindelijk als je in het ZKH komt.

 
Euhm, maar ik kom helemaal niet in het ziekenhuis? Ik bouw machines.  Ik zie vanuit dat perspectief al veel meerwaarde in het nauwkeurig mappen van alle neuronen in onze hersenen. De enige die hier veronderstelt dat er een medisch nut zou moeten zijn, ben jij.
 

We weten namelijk al hoe neuronen functioneren op schaal van 1 neuron.

Ik moet je dan teleurstellen, want onze beste modellen van 1 neuron blijken op netwerkniveau geen antwoorden te kunnen geven. We kunnen veel emergent gedrag van een hoopje neuronen bij elkaar gewoon nog niet verklaren. We kunnen een hoog-niveau beschrijving geven van hoe een netwerkje zich gedraagt, en een laag-niveau beschrijving van hoe een neuron zich gedraagt. Maar uit de laag-niveau kunnen we nog niet het hoog-niveau afleiden of verklaren.

[Benm]

Klopt, maar waar haal je vandaan dat deze vraag in een klinische context gesteld wordt?

Het staat onder natuurkunde (zou m.i. beter biologie kunnen zijn).