E-services: operating strategy

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Anwendungsgebiete der EEG Simulation Computation
ale Neurowissenschaften Kognitionswissenschaften S
imulation schwer messbarer Prozesse Simulation
der Aufnahme von Medikamenten Überprüfung von
Hypothesen Unterstützung von Vorhersagen Tests
von Algorithmen
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Probleme detailliertes Modell des gesamten
Gehirns nicht möglich Angabe der Nähe zum
biologischen Vorbild ev. schwierig High-Level
Systems Approach TopDown Black
Box-Methoden Low-Level Systems Approach
Bottom-Up Realistic Modelling Zellkörper,
Axon, Dendriten, Synapse und Rezeptortypen,
Membrankanäle, Aktionspotentiale ... -gt
Bausteine für die Simulation, Tests von Hypothesen
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Gesucht Modell für die Weiterleitung des
Aktionspotentials
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Datengewinnung Anatomische Modelle
bildgebende Verfahren PET, MRI und EEG
Tracer-Methoden Messung der Aktivität von
Ionenkanälen Voltage Clamp (Cole, 1949)
Kompensationsstrom wirkt Änderungen des Membran-
Potentials entgegen Blockieren von Typen von
Ionenkanälen durch Gifte zb. TTX
(Thetrodotoxin) zur Blockierung von Na-Kanälen
dann wird der Stromfluss gemessen
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Patch-Clamp (1976, Erwin Neher und Bert Sakman)
sehr kleine Pipette isoliert Stück der Membran
(Patch) Spannung wird angelegt und der Strom
gemessen (Clamp)
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Patch-Clamp-Arbeitsplatz, Erzeugung der
Messpipette
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Das Modell von Hodgkin und Huxley (1952)
Erforschung des Tintenfisch-Axons Verwendung
der Voltage-Clamp Technik -gt Isolierung der
Kanalströme für Na und K Entwicklung eines
Modells für die AP-Entstehung
Alan Hodgkin
Andrew Huxley
Cm Kapazität der Zellmembran, GNa, GK
spannungsabhängige Leitwerte der Kanäle ENa, Ek
Gleichgewichtspotential von Na bzw. K Gm
Leitwert der passiven Kanäle, Vrest
Ruhemembranpotential
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Änderung der Spannung an der Membran ist
proportional zum Gesamtstrom der in bzw. aus dem
Kompartment fließt
Der spannungsabhängige Leitwert eines Ionenkanals
bestimmt den Strom durch die zugehörigen Ionen
Schwierigkeit Bestimmung der spannungsabhängigen
Leitfähigkeiten, da empirisch Kurvenverläufe
dritter bzw. vierter Potenz gemessen wurden -gt
Einführung fiktiver Aktivierungspartikel
(gating-Partikel) Diese Partikel modellieren die
Wahrscheinlichkeiten des Öffnens oder Schließens
der Kanäle
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Modellierung des Kalium-Kanals
n Wahrscheinlichkeit Aktivierungspartikel
geöffnet (0ltnlt1, Wahrscheinlichkeit für den
geschlossenen Zustand ist 1-n). Die Öffnung ist
von 4 Aktivierungs-Partikeln abhängig, die alle
gleichzeitig geöffnet sein müssen. Gk maximale
Leitfähigkeit des Kalium-Kanals (36mS/cm2) Ek
Gleichgewichtspotential für Kalium


Alpha und Beta spannungsabhängige Änderungsraten
(in Hz), geben die Anzahl der Zustandsänderungen
in den geöffneten (Alpha) bzw. in den
geschlossenen Zustand (Beta) an
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Empirisch gefundene Werte für Alpha und Beta
(Kalium-Kanal)
Stromfluß durch den Natrium- Kanal schwieriger
zu modellieren, da dieser Kanal auch zeitlich
inaktiviert wird Öffnung Aktivierungspartikel m
(m-gate) Schließen Inaktivierungspartikel h
(h-gate)
GNa max. Leitfähigkeit des Na-Kanals ENa
Gleichgewichtspotential für Natrium m
Wahrscheinlichkeit Aktivierungspartikel aktiv h
Wahrscheinlichkeit Inaktivierungs-Partikel nicht
aktiv
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Modell und reale Messung

Leitwerte für Na (links) und K (rechts) bei
konkreten Aktivierungsniveausdie Linie zeigt die
Werte der Simulation, Kreise reale Messwerte
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vollständige Gleichung für die Änderung des
Membran-Potentials
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Simulink- und Matlab Modelle (Präsentation)
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Kopplung mehrerer Kompartimente
Cable Theory-Models
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Grenzen für Detailliertheit der Modelle
Rechenkapazität und Speicher -gt
Modellierung größerer Einheiten zB synaptische
Dichten, Aktivierungsgewinne an der Synapse, Grad
der Verbundenheit mit Interneuronen, Verhältnis
von exzitatorischen und inhibitorischen
Verbindungen, Eigenschaften von Makro-Columns,..
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mögliche Vereinfachung auf Makro-Ebene chaotisch
es System -gt (quasi-) lineares System Modellierung
der Systemwirkung zB. durch Signalgeneratoren
oder Neuronale Netze
Hopfield-Netze mit Mehrfachverbindungen
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Simulation pathologischer Signalformen Gründe
oft schwierige Messumstände, viele
Artefakte Vergleich verschiedener Algorithmen
durch Simulation einfacher
Beispiel Simulation eines Anfalls-EEGs bei
Epilepsie von Neugeborenen
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Simulierte und reale Signalformen
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3D- Kopfmodelle in der EEG-Simulation
Quellenlokalisation angenommener Dipole
realistische Modellierung von Ausbreitungsgeschwin
digkeiten in den verschiedenen
Gewebearten Beispiel 115 sagittale
MRI-Aufnahmen von je 256 x 256 Pixel zu einem
3d-Modell aufgebauen
Semi-automatischer Algorithmus zur
Gewebebestimmung Kopfhaut, Knochen,
Cerebrospinale Flüssigkeit, graue und weiße
Hirnsubstanz, Augengewebe und Hohlräume
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3d-Modell mit Informationen der
Gewebseigenschaften
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Simulation einer Signalquelle in tieferen
Hirnschichten und des gemessenen EEGs
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• High-Level Simulationssprachen für EEG und
  Neurale Netze
• - einfaches Hinzufügen und Löschen von
  funktionalen Elementen
• - Bibliotheken für Ionenkanal, Neuron,
  Zellverband, Synapse usw.
• eingebaute Tools und Graphikroutinen, Volt- und
  Amperemeter
• - Standards und Dokumentation, Austausch von
  Modellen
• - Support und große Wissensbasis für
  Applikationen wie Matlab

Beispiele GENESIS (GEneral NEural SImulation
System) Funktionen zB makeneuron
oder connect gute Dokumentation The
Book of GENESIS Exploring Realistic Neural
Models Native Linux (Windows-fähig
durch Verwendung von cygwin/xwin)
Freeware, Download unter http//www.genesis-sim.or
g/GENESIS NeuroML, CellML NEXUS Large-scale
biological simulations, parallelisierbare
Auswertung Matlab/Simulink Toolboxen SOM,
FastICA package, Netlab, EEGToolbox
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GENESIS Simulation des Geruchszentrums einer
Ratte
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Anwendungen aus der EEG-Biometrie -
Artefakterkennung und elimination (Lidschlag,
Bewegung, ) - Automatische Schlafstadienklassifik
ation - Erkennung bzw. Früherkennung von
epileptischen Anfällen - Vergleich und Analyse
pathologischer EEGs - Aufbau von und Suche in
Datenbanken
Bespiele für verwendete Techniken Fourier- oder
Wavelet-Transformation (-gt Zeit/Frequenzbereich) V
erschiedene Arten von Filtern (zB.
Bandpass-Filter) Kreuz- oder Autokorrelation Event
Related Potentials, ERPs Mittelung mehrere
Versuche (Trials) zur Verbesserung des
Signal-Rausch-Verhältnisses
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Brain Computer- Interfaces mu / beta ERD
SCP (CNV, slow waves) P300 ERP
VEP Elektroden Oberflächen- Subdural-
invasive bzw. Grid-Elektroden
Berlin-BCI, Bewegungsvorstellung
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ERD im Mu / Beta-Frequenzband bei Vorstellung
einer Bewegung
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Das Open EEG Projekt ModularEEG designed by
Jörg Hansmann
1 Digital- und 13 Analog-Boards Verbindung mit
Flachbandkabel Kit wird bei Olimex gefertigt,
Preis ca. 200 Euro für 4 Kanal Version
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MonolithEEG von Reiner Münch SMD (double
sided) USB (FTDI 232-chip, 1MBaud) USB-powered 2
Chn, 1kHz 10 bit sampling Expansion-port
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Eine Aufnahme mit dem Modular-EEG
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BrainBay openEEG Software
brainbay, screenshot design und session-windows
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Danke für die Aufmerksamkeit !