Biologische Psychologie I

Transkript

1 Biologische Psychologie I Kapitel 5 Forschungsmethoden der Biopsychologie Uta Sailer / Peter Walla

2 Biopsychologische Methoden Hautleitfähigkeit EMG Schreckreflex EKG (Elektrokardiogramm): Herzfrequenz /-rate Neuroimaging: strukturelle und funktionelle Verfahren

3 Bildgebende Verfahren

4 Methoden zur Untersuchung des NS 1) Röntgenkontrastuntersuchung: Eine herkömmliche Röntgenaufnahme eines Gehirns liefert keine gehaltvollen Bilder, da die verschiedenen neuronalen Strukturen nur gering unterschiedlich Röntgenstrahlen absorbieren. Kontrastmittel in gehirnversorgende Arterie injizieren, dann Röntgenaufnahme Mit dieser Methode werden so genannte cerebrale Angiogramme erstellt. Damit können vaskuläre Schäden im Gehirn entdeckt und lokalisiert werden. Bei sichtbaren Verschiebungen von Blutgefäßen kann auch die Lage eines eventuellen Tumors angezeigt werden.

5 Cerebrale Angiographie Aneurysma Meningiom

6 Methoden zur Untersuchung des NS 2) Computertomographie (CT): Die CT ist ein computergestütztes Röntgenverfahren zur Visualisierung innerer Strukturen. In einem Zylinder befinden sich eine Röntgenröhre und ein gegenüberliegender Röntgenstrahldetektor. Dazwischen liegt der Kopf einer Testperson. Die Röntgenröhre und der Detektor rotieren auf jeweils einer bestimmten Ebene um den Kopf und erstellen so mehrere Aufnahmen aus verschiedenen Richtungen. Dieser Vorgang wird für mehrere Ebenen durchgeführt. mit Hilfe bestimmter Software kann dann ein dreidimensionales Bild eines Gehirns rekonstruiert werden.

7 Methoden zur Untersuchung des NS :: Beispiel eines CT-scans :: keine sehr gute Auflösung!

8 Methoden zur Untersuchung des NS 3) Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT):.. auch: MRI (engl: Magnetic Resonance Imaging) Protonen = Kerne von Wasserstoffatomen, die sich in verschiedener Zahl in verschiedenen Geweben befinden, werden durch starkes Magnetfeld (Hauptmagnet im Scanner) parallel angeordnet.

9 MRT - Funktionsweise Wird jetzt ein oszillierendes Magnetfeld (Radiofrequenzfeld) angewandt, absorbieren die Protonen Energie und werden angeregt. nach Anregung kehren einige Nuclei in den niedrigen Energiezustand zurück, indem sie wieder Energie abgeben Geschwindigkeit ist je nach Gewebe unterschiedlich Diese elektromagnetische Energie wird aufgezeichnet

10 MRT - Bilder relativ hohe räumliche Auflösung sagittal (axial) horizontal frontal (coronal)

11 Methoden zur Untersuchung des NS Auch dreidimensionale Rekonstruktionen sind möglich

12 Methoden zur Untersuchung des NS Bislang nur strukturelle Methoden der Bildgebung! hat wenig mit Psychologie zu tun Wie erfährt man etwas über Funktionen?

13 Lokalisierung von Hirnfunktionen aus Nichols und Newsome (1999)

14 Funktionelle Bedeutung von Hirngebieten Beschreibung allgemeiner Strukturprinzipien Zuordnung einer Struktur zu einer oder mehreren Funktion bedeutet nicht, dass diese Struktur ausschließlich diese Funktion hätte und/oder dass diese Funktion ausschließlich von der zugeordneten Gehirnstruktur beeinflusst wird Verschaltungen des Gehirns sind vielfältig Funktionen und Gehirnstrukturen können selten eins zu eins einander zugeordnet werden lediglich: Dominanz bestimmter Gehirnstrukturen für einige Funktionen

15 Methoden zur Untersuchung des NS 4.) Positronen-Emissions-Tomographie (PET): misst Zusammenhänge zwischen Aktivitätszustand des Nervengewebes und dem lokal erhöhten Stoffwechsel von Neurotransmittern, O 2, oder Glukose bei Aktivierung Anstieg der zellulären Aufnahme von O 2 anschliessend Erhöhung des regionalen cerebralen Blutflusses radioaktive Chemikalie (Tracer), z.b. radioaktive Form von Glucose, wird in Blutkreislauf injiziert wird von aktiven Neuronen aufgenommen und reichert sich in ihnen an Detektoren messen den Grad der Radioaktivität in unterschiedlichen Teilen des Gehirns Halbwertszeit ca Minuten

16 PET Vorteile: lokal erhöhter Verbrauch nahezu jeder Substanz kann gemessen werden (Glucose, O2, Neurotransmitter) kaum Geräuschentwicklung Nachteile: invasiv SEHR teuer mässige räumliche und schlechte zeitliche Auflösung nur Blockdesigns möglich (Halbwertszeit des verwendeten Tracers)

17 PET-Scans

18 Subtraktionstechnik

19 Beispiel: Studie von Koepp et al Videospiel: Panzer steuern lernen Anreiz: Geld Injektion von Racloprid: bindet an Dopamin- Rezeptoren steigt der DA-Spiegel, sind weniger Rezeptoren für Racloprid frei DA wirkt motivierend/belohnend geringere Bindung von Racloprid im Nucleus Accumbens Grund: erhöhte Ausschüttung und Bindung von DA je besser die Leistung, umso geringer die Bindung

20 Beispiel: Studie von Tillfors et al Sozialphobiker und Kontrollgruppe halten einen Vortrag im PET-Scanner erhöhter cerebraler Blutfluss in der Amygdala bei Phobikern als bei Kontrollen erniedrigter cerebraler Blutfluss im frontalen Cortex bei Phobikern Interpretation: erhöhte Aktivierung phyologenetisch alter Gefahr-Erkennungs- Systeme (Amygdala), reduzierter Einfluss kognitiver Beurteilungen

21 Methoden zur Untersuchung des NS 5) Funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie (fmrt; oder fmri): Dieses Verfahren stellt eine Erweiterung der MRT dar. Es wurde erst Anfang der 90er Jahre entwickelt und wird seither intensiv im Rahmen der Kognitiven Neurowissenschaften eingesetzt. Die fmrt liefert Information über Hirnaktivität durch Messung des lokalen Sauerstoffgehalts im Blut.

22 fmri funktionelle MRT Hirnareale, die durch eine bestimmte Aufgabe aktiviert sind, verbrauchen mehr Sauerstoff Aktivierung: Oxyhämoglobin, Deoxyhämoglobin lokaler Sauerstoffmangel wird sofort ausgeglichen durch erhöhten Blutfluss sauerstoffreichen Bluts in das aktive Gebiet, wodurch Deoxyhämoglobin weggespült wird

23 fmri funktionelle MRT Oxyhämoglobin verändert das Magnetfeld nicht, aber Deoxxyhämoglobin Veränderungen in der Menge an Deoxyhämoglobin verändern das MR-Signal mit diesen lokalisierten BOLD-Veränderungen (blood oxygenation level dependent) kann neuronale Aktivität gemessen werden

24 fmri Vorteile: nicht invasiv sehr gute räumliche Auflösung (< 1mm) strukturelle und funktionelle Information Nachteile: BOLD-Effekt dauert einige Sekunden zeitliche Auflösung nicht so toll, wird aber immer besser sehr laut teuer und aufwendig sehr sensitiv gegenüber Bewegungen

25 Eigene fmri-studie (Sailer et al. 2007) Aufgabe: Lernen einer Abfolge richtiger Antworten, System muss selbst herausgefunden werden Frage: Sind nach dem Lernen andere Strukturen aktiv, oder dieselben in geringeren Ausmass? Pre-SMA (BA 6) Posterior medial frontal cortex (BA 8) DLPFC (BA 46) Ergebnis: Durch Lernen geringere Aktivierung in denselben Strukturen

26 Methoden zur Untersuchung des NS 6) Elektroenzephalographie (EEG) Die EEG zeichnet elektrische Spannungsschwankungen (mv) auf, die im Zuge neuronaler Aktivität entstehen. Die Spannungsschwankungen beruhen auf postsynaptischen Potentialen. Das so genannte Spontan-EEG befasst sich hauptsächlich mit rhythmischen Hirnaktivitäten. So genannte Ereigniskorrelierte Potentiale (EKPs) erlauben eine Untersuchung kurzer abgrenzbarer Reaktionen, z.b. Gedächtnisprozesse im Zusammenhang mit bestimmten Reizpräsentationen.

27 Entstehung von EKPs postsynaptische Potentiale corticaler Pyramidenzellen Ausschüttung exitatorischen Neurotransmitters an Präsynapse Einstrom positiver Ladungen Zelläusseres im Bereich der apikalen Dendriten negativ geladen Strom fliesst durch Zelle hindurch und aus Zellkörper und basalen Dendriten heraus Negativität an apikalen Dendriten und Positivität am Zellkörper Dipol

28 Messung von EKPs synchrones Feuern einer grossen Anzahl von Neuronen elektrische Potentiale summieren sich und können an der Schädeloberfläche abgeleitet werden das EEG misst direkt neuronale Aktivität (im Unterschied dazu PET und FMRI: nur indirekt über Stoffwechsel)

29 Beispielexperiment klassisches Oddball-Paradigma Vp sieht Folge von Stimuli: 80% Xe und 20% Os Aufgabe: eine Taste für Xe drücken, eine andere für Os

30 Beispielexperiment - Oddball (2)

31 Beispielexperiment Oddball (3)

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33 Error-Related-Negativity (ERN) msc nach EMG-Aktivierung bei falscher Antwort bei Fehlern und Konflikten (gleichzeitiger Aktivierung inkompatibler Reaktionstendenzen) grösser, wenn Fehlervermeidung für Vp wichtiger z.b. Genauigkeit wichtiger als Schnelligkeit unter Beobachtung Reaktion auf emotionale / motivationale Bedeutung eines Ereignisses

34 EEG / EKP Vorteile: sehr gute zeitliche Auflösung billig nicht invasiv Nachteile: schlechte räumliche Auflösung viele Durchgänge erforderlich ungeeignet für bestimmte Experimente (z.b. Szenarien)

35 Methoden zur Untersuchung des NS 7.) Transkranielle Magnetstimulation (TMS) kurzzeitige Applikation von starkem Magnetfeld über Cortex Störung (virtuelle Läsion) oder Förderung neuronaler Kommunikation single pulse oder repetitive TMS reversibel Vorteil: kausal, nicht nur korrelativ Nachteil: inexakte Lokalisation

36 Beispiel für TMS-Studie Hintergrund: PET-Studie von Sadato et al. (1996): Bei Blinden, die Braille-Schrift lesen, war der visuelle Cortex aktiviert! Cohen et al. 1997: TMS über dem visuellen Cortex stört Braille-Lesen bei Blinden, aber nicht bei Sehenden Bestätigung für cross-modale Plastizität

37 Vergleich der Methoden EEG PET fmri TMS Invasivität Räumliche Auflösung Zeitliche Auflösung Kosten