Versuch D: Psyschophysik, Reflexe und Sensomotorik

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1 Versuch D: Psyschophysik, Reflexe und Sensomotorik Datum der Durchführung: Mittwoch, 20. März 2004 Gruppe A2d Suayib Üstün Alexander Gitter Nicole Fostenhäusler Luica Spangenberg

2 Versuchsteil I Bestimmung der absoluten Hörschwelle des Menschen Einleitung Physikalische Grundlagen Schallwellen als Träger der akustischen Information lassen sich in ihren Eigenschaften als Welle mit bestimmter Frequenz und Amplitude beschreiben. Die Frequenz bestimmt hier die Höhe eines Tons hohe Frequenz bedeutet hoher Ton. Die Amplitude als Maximum einer Welle gibt den Schalldruck an. Bei Untersuchungen am menschlichen Ohr verwendet man jedoch den Schalldruckpegel mit der logarithmischen Einheit Dezibel (db), hier db SPL (Sound Pressure Level) als Bezug auf den Schalldruck. Aufgrund der Zusammensetzung aus Schallwellen lassen sich drei Schallereignisse unterscheiden: Als akustisches Grundelement ist der Ton eine reine Sinusschwingung mit konstanter Frequenz. Die Überlagerung mehrerer Sinusschwingungen zu einem Klang besteht aus einem Grundton und mehreren Obertönen, deren Frequenzen ganzzahlige vielfache des Grundtones sind. Ein nichtperiodisches Ereignis asu vielen wechselnden Frequezen mit anschwellender und abklingender Amplitude heißt Geräusch. Physiologische Grundlagen Der Hörsinn ist mit dem Sinnesorgan Ohr verbunden, welches Schall als adäquaten Reiz aufnimmt. Die Ohrmuschel sammelt dabei mit ihrer spezialisierten Form effektiv aus einem großen Gebiet die Schallwellen, welche durch den äußeren Gehörgang zum Trommelfell gelangen. Hier wird durch die Verbindung mit dem Hammer, über Amboss und Steigbügel, die Schwingung zum ovalen Fenster ein Bestandteil der Schnecke (Cochlea) geleitet und verstärkt. 2

3 Die Cochlea als Bestandteil des Innenohrs unterteilt sich in die drei Kanäle Scala vestibuli, Scala tympani und Scala media. Scala vestibuli und Scala tympani sind an der Schneckenspitze durch das Helicotrema verbunden. Am anderen Ende der Scala tympani befindet sich eine durch eine Membran verschlossene Öffnung das runde Fenster, welches zum Druckausgleich dient. Die Sinneszellen befinden sich auf der als Basilarmembran bezeichneten Wand zwischen Scala tympani und Scala medium. Darauf sitzt das cortische Organ mit äußeren und inneren Haarsinneszellen welche bei entsprechender Reizung synaptisch Signale an tieferliegende Nervenzellen leiten. Die Schwingung in welche die Perilymphe der Cochlea mit dem ovalen Fenster in versetzt wird durchdringt nun je nach Frequenz verschiedene Bereiche der Basilarmembran. Diese wird dort in Bewegung versetzt und reizt damit meschanisch die Haarbüschel von Haarsinneszellen die mit der Membran verbungen sind. So werden in der Nähe des ovalen Fensters hohe Frequenzen und in der Nähe des Helicotremas tiefe Frequenzen abgelbildet. Durchführung In drei Versuchsreihen wurde das linke, das rechte, sowie beide Ohren gleichzeitig getestet. Einem Probanden sind über Kopfhörer verschiedene Töne mit festegelegten Frequenzen vorgegeben worden. Dann wurde der Schalldruckpegel ermittelt bei welchem der Proband den Ton gerade noch wahrnehmen konnte. Weiterhin sind die obere und untere Frequenzschwelle ermittelt worden. Verwendet wurden hierbei ein Funktionsgenerator um die Töne mit den Frequenzen 20 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz, 500 Hz, 1 khz, 2 khz und 10 khz zu erzeugen. Über einen Abschwächer wurde der Lautstärkepegel nach einem staircase-verfahren ermittelt. Dabei wurde der Pegel zunächst so eingestellt dass der Ton gut hörbar war, dann verringert und sobald der Ton nicht mehr wahrgenommen werden konnte wieder leicht erhöht um letztendlich einen Wert zu erhalten bei dem der Ton bei schon circa 0,5 db Differenz nicht mehr wahrgenommen wurde. 3

4 Ergebnis Frequenz [Hz] Schwellen [db SPL] rechts & links links rechts 20 47,0 51,0 46, ,5 40,0 42, ,5 21,5 22, ,5 23,0 23, ,5 7,5 4, ,0 4,0-4, ,5 4,5-1, ,0-3,5-4, ,0 14,0 8,0 Abbildung 1: Schwellenwerte der vorgegebenen Frequenzen Abbildung 2: Schalldruckpegel gegen Frequenz in ein Diagramm übertragen Obere Schwelle: Hz Untere Schwelle: 15 Hz 4

5 Diskussion Schaut man die Werte des Probanden grob an so lässt sich Verlauf der in der literatur gefundenen Kurve ungefähr nachvollziehen. Auch die obere sowie die untere Schwelle liegen im Bereich der gefundenen Werte. Die zum Teil jedoch großen Abweichungen von der Durchschnittskurve sind wohl vor allem auf die nicht optimalen Vorraussetzungen der Gerätschaft und Umgebung zurückzuführen. So wurde z.b. zum letzten Drittel des Versuches deutlich hörbar mit der Nachbesprechung im Nachbarraum begonnen. Die jedoch relativ grobe Rasterung der Frequenzwerte lässt nur bedingt Schlüsse über etwaige Fehleinflüsse zu. 5

6 Versuchsteil II Akustische Richtungslokalisation beim Menschen Einleitung Der Mensch ist aufgrund verschiedener Eigenschaft des Schalls dazu in der Lage die Herkunft von Schallwellen im Raum zu bestimmen. Zunächst legen die Ohrmuschel mit ihrer Form und Anordnung sowie der Abstand beider Ohren die Richtungsempfindlichkeit des Ohrs fest. Außerdem trifft ein Signal früher und stärker an dem der Quelle zugewandten Ohr ein. 1. Bestimmung der binauralen Zeitdifferenzschwelle Durchführung Über Kopfhörer wurden einem Probanden mit einem Reizgerät Klickreize zugeführt. Dabei wurde sowohl eine Zeitverzögerung von 1000 µs und der Schalldruckpegel für das rechte Ohr festgelegt. Für das linke Ohr sind zunächst Werte gesucht worden bei denen die Herkunft des Reizes eindeutig reproduziert werden konnte. Im Bereich dieser Werte wählte man nun eine Abstufung von 20 µs und bot dem Probanden bei jedem Wert ein Geräusch an. Dieser sollte die Quelle der Geräusche nach dem forced-choice Prinzip mit links oder rechts benennen. 6

7 Ergebnisse Abbildung 3: Kurve zur Auswertung der Zeitdifferenzschwelle 7

8 Diskussion Aus Diagramm (Abb. 3) lässt sich die subjektive Mitte des Probanden bei 8 µs entnehmen. Eine Abweichung von der tatsächlichen Mitte lässt sich durch den unsymmetrischen Bau bzw. nicht vollkommen gleicher Eigenschaften des Hörsystems begründen. Die Laufzeitunterschiede werden mit s = t * v berechnet. Der Schwellenwinkel ergibt sich mit sin = s * d -1. Dabei ist: d Ohrenabstand des Menschen (ca. 20 cm) v Schallgeschwindigkeit in der Luft (330 m * s -1 ) t durchschnittliche Zeitdifferenz bei 75 % (28 µs) Daraus folgt für s = 0,924 cm und = arcsin(0,924 cm / 20 cm) = 2, Die relative Bedeutung von Schalldruck- und Laufzeitunterschieden für das Richtungshören beim Menschen ( trading - Messung) Durchführung Bei der trading-messung wählte man zunächst fünf verschiedene Verzögerungswerte. Für jeden dieser Werte wurde nun die Amplitude soweit nach unten bzw. oben verändert, dass der Proband die Quelle des Geräuschs als in der Hörfeldmitte befindlich empfand. Der Mittelwert von jeweils fünf Durchgängen wurde notiert und zur Auswertung genutzt. Ergebnisse Verzögerung Durchgänge Mittelwert , , ,5-1, , , , ,5 +1,5 +0, , , ,6 Abbildung 4: Trading- Messung 8

9 Abbildung 5: Diagramm der Trading- Messung Diskussion Der Versuch hat gezeigt dass sich die Zeitverzögerung und der Schallpegel als Faktoren der Lokalisation einer Schallquelle ausgleichen können Wird ein Faktor variiert, so kann der andere entsprechend gewählt werden um die Wahrnehmung einer mittigen Quelle zu erzeugen. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, besteht ein linearer Zusammenhang, wo für die Herkunftsbestimmung 1 db Amplitudenunterschied einer Verzögerung von ca. 35 µs entspricht. 9

10 Versuchsteil III Reflexe motorische Reaktionen auf Sinneseindrücke Einleitung Der Patellarsehnenreflex (Kniesehnenreflex) dient zur Verhinderung des Umfallens beim Stolpern. Die Grundlage dafür bilden Muskelspindeln des Streckmuskels. Werden diese gedehnt, so wird ein Aktionspotenzial über 1a-afferente Fasern ins Rückenmark geleitet. Hier wird das Potenzial über eine Synapse direkt an ein - Motoneuron zum Streckmuskel übertragen, welcher daraufhin kontrahiert. Der Beuger dehnt sich aufgrund eines inhibitorischen Interneurons zwischen Motoneuron und 1a-afferenter Faser. Abgesehen vom Beuger liegt ein monosynaptischer Reflexbogen vor. Die Patellarsehne unterhalb der Kniescheibe lässt sich mit Hilfe eines Hammers leicht dehnen, womit auch der Muskel und die Muskelspindeln gedehnt werden. So lässt sich von außen der Reflex auslösen. Durchführung Mit einem Hammer wurde durch einen leichten Schlag auf die Patellarsehne bei eunem Probanden der Kniesehnenreflex ausgelöst. Der Hammer und die Ferse im entspannten Zustand des Beines waren durch Kontakte entsprechend mit einem Timer verbunden, sodass die Latenzzeit zwischen Berührung mit dem Hammer und Bewegung des Beines gemessen werden konnte. Dabei war in drei Versuchsreihen die Ausgangssituation variiert: - entspannter Körper - angespannter Oberkörper - nur leichte Berührung mit dem Hammer, woraufhin der Proband schnellstmöglich willkürlich das Bein strecken sollte 10

11 Ergebnisse Durchgänge Reaktionszeit [ms] entspannt angespan willentlich Mittelwert 159,3 94,2 392,3 Abbildung 6: Latenzzeiten des Patellarsehnenreflex Diskussion Durch die aufgeführten Ergebnisse wird deutlich, dass die willkürliche Reaktion eine sehr viel größere Latenzzeit benötigt. Dieser Sachverhalt beruht darauf, dass die Berührung zunächst über Druckrezeptoren in der Haut aufgenommen wird, zum Gehirn geleitet und verarbeitet wird. Nun kann ein Aktionspotenzial zu den Muskeln geleitet werden die dann kontrahiert bzw. gestreckt werden. Dem gegenüber wird der Reflex wie oben beschrieben auf sehr direktem Weg und damit sehr schnell ausgelöst. Wird der Oberkörper angespannt, so führt dies zur allgemein leichteren Erregbarkeit der motorischen Einheiten, womit die noch kürzere Latenzzeit der zweiten Versuchsreihe erklärt ist. 11

12 Versuchsteil IV Sensomotorische Integration Einleitung Auf der Fovea, dem Ort des schärfsten Sehens im Auge, wird nur ein kleiner Teil des gesamten Sehfeldes abgebildet. Deshalb machen die Augen ruckartige Bewegungen (Sakkaden) z.b. beim Lesen eines Textes. Eine andere Art der Augenbewegung sind die glatten Folgebewegungen, welche vor allem dann ausgeführt werden wenn sich ein Objekt gleichmäßig bewegt. Dann werden die Augen so bewegt dass die Fovea dem Objekt folgt. Über ein Infrarot-Messystem konnten die horizontalen Augebewegungen eines Probanden aufgenommen werden. Dabei wird infrarotes Licht an zwei verschiedene Punkte des Auges gebracht und mit einem Sensor kann man aus den Reflexionen die Position des Auges bestimmen. 1. Linearität der IR-Okulographie Durchführung Hierbei wurden dem Probanden Punkte in verschiedener Entfernung vim Mittelpunkt des Bildschirmes gezeigt. Die Punkte mussten fixiert werden, wobei eine Messung der Augenposition stattfand. 12

13 Ergebnisse Abbildung 6: Linearität der IR-Okulographie Diskussion Wie zu erkennen ist gibt es zwei große Sprünge im Diagramm. Der Sprung von zwischen -2 und 0 legt die Vermutung nahe dass der Proband zwischen den beiden Messungen seinen Kopf bewegt haben könnte oder dass die Nullstellung des IRSI-Systems verstellt wurde. Dem Sprung gleich zu Beginn könnte die selbe Ursache oder die mangelnde Aufmerksamkeit des Probanden zugrunde liegen. 2. Glatte Augenfolgebewegungen Durchführung Zunächst wurde dem Probanden über einen Bildschirm ein sich gleichmäßig periodisch bewegendes Ziel gezeigt, welchem er mit den Augen folgen sollte. Nachdem die Daten aufgezeichnet waren, wurde der Bildschirm ausgeschaltet und der Proband gebeten die gleiche Bewegung nun nocheinmal aus dem Gedächtnis nachzuvollziehen. 13

14 Ergebnisse Abbildung 7: Augenfolgebewegung mit Ziel / ohne Hintergrund Abbildung 8: Augenfolgebewegung ohne Ziel / ohne Hintergrund 14

15 Abbildung 9: Augenfolgebewegung mit Ziel / strukturierter Hintergrund Diskussion Deutlich erkennbar ist die am Anfang benötigte Latenzzeit der Augenbewegung in Abb. 7 und Abb. 9 um sich auf den Reiz einzustellen. Danach kann der Proband dem Verlauf des bewegten Punktes jedoch relativ gleichmäßig folgen, vereinzelte Sakkaden in Abb. 7 lassen darauf schließen dass der Proband zu diesem Zeitpunkt kurzzeitig abgelenkt war und sofort wieder versucht hat den Punkt zu fixieren. Abbildung 8 zeigt den Versuch die gelichmäßige Augenbewegung ohne Bezugspunkt durchzuführen. Wohl aufgrund des nicht vorhandenen Bezuges ist es nicht möglich eine glatte Augenbewegung durchzuführen, sondern mehrere Einzelbewegungen die sich in ihrer Amplitude stark unterscheiden, wobei dabei ein Fixationspunkt länger anfixiert bleibt. In Abbildung 9 wieder relativ gleichmäßig lassen sich jedoch kleine ruckrtige Bewegungen erkennen die darauf schließen lassen dass zwischenzeitlich Punkte in der Struktur des Hintergrundes fixiert werden. Auffällig ist auch dass die Augenbewegung zu einer Seite (negativer Bereich der Y-Achse) nie vollständig bis zum Ende geführt werden. Denkbar wäre hier eine bestimmte Struktur welche die Aufmerksamkeit in dieser Richtung auf sich lenkt. 15

16 3. Sakkaden Abbildung 10: Sakkaden Abbildung 10 zeigt die ruckartige Bewegung der Augen bei der fixierung eines plötzlich auftretenden Ziels. Wie zu erkennen ist, gibt es eine Latenzzeit von ca. 180 ms zwischen Erscheinen des Zielpunktes und Augenbewegung. (siehe Abb. 11) 16

17 Abbildung 11: Ausschnitt der Latenzzeiten von Versuch 3 17

18 4. Augenbewegungen beim Lesen eines Textes Abbildung 12: einfacher Text 18

19 Abbildung 13: schwieriger Text In beiden Abbildungen schön zu erkennen sind sowohl die kleinen Sakkadenbewegungen beim lesen einer Zeile und die bliztartige lange Bewegung zum Anfang der nächsten Zeile. In Abbildung 13 sieht man dass zum Teil die Amplituden der Sakkaden sehr groß sind. Wörter (zum Teil auch mehr als eines) werden als ganzes fixiert und dann zum nächsten gesprungen. Im schwierigen Text sind die Amplituden deutlich geringer. Der Proband fixiert hier die einzelnen Teile des Textes genauer um ihn richtig lesen zu können. Weiterhin lassen sich Bewegungen entgegen der Leserichtung erkennen die daraus resultieren können dass die Textstellen für den Probanden unklar geschrieben (evtl. unbekannte Worte) bzw. gedanklich schwierig sind. 19