Auf vielfachen Wunsch verändert!

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1 Prüfungstermine! Änderung!!! Auf vielfachen Wunsch verändert! Freitag, um 17 Uhr! HS U 10 im Juridicum (350 Plätze) Bitte pünktlich kommen! ist Startzeit! Zusatztermin: Donnerstag,14.1, 11:30 bis 13:30, im HS 1 im NIG 1

2 Biologische Psychologie I Kapitel 5 Die Forschungsmethoden der Biopsychologie 2

3 Zur Einführung: Größenverhältnisse (Birbaumer) Jedoch muss dank bildgebender Verfahren das Gehirn nicht immer gleich entnommen werden. 3

4 Forschungsmethoden der Biopsychologie Gliederung der Vorlesung: Methoden zur Visualisierung und Stimulation des Gehirns Die Aufzeichnung psychophysiologischer Aktivität Invasive physiologische Forschungsmethoden 4

5 Methoden zur Visualisierung und Stimulation des Gehirns Röntgenkontrastuntersuchung Computertomographie Positronen-Emissions-Tomographie Magnet-Resonanztomographie funtionell Magnetresonanztomographie Magnetencephalographie Transkranielle Magnetstimulation 5

6 Die Aufzeichnung psychophysiolog. Aktivität Elektroencephalographie EEG und EKPs (Ereigniskorrelierte Potentiale) Muskelspannung Augenbewegung Hautleitfähigkeit 6

7 Röntgenkontrastuntersuchung Eine herkömmliche Röntgenaufnahme eines Gehirns liefert keine gehaltvollen Bilder, da die verschiedenen neuronalen Strukturen nur gering unterschiedlich Röntgenstrahlen absorbieren! eine gewinnbringende Möglichkeit ist, ein Kontrastmittel in eine gehirnversorgende Arterie zu injizieren und dann eine Röntgenaufnahme zu machen! 7

8 Röntgenkontrastuntersuchung Mit dieser Methode werden 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! 8

9 Ein cerebrales Angiogramm 9

10 Tomographie: Tomo: griechisch, Schnitt,...graphie = Schreiben., es werden also Schnitte oder Schichten erzeugt und dargestellt. Computertomographie (CT): ein computergestütztes Röntgenverfahren zur Visualisierung innerer Strukturen In einem Zylinder befinden sich eine Röntgenröhre und ein gegenüberliegender Röntgenstrahldetektor. Dazwischen liegt (der Kopf) einer Testperson 10

11 Computertomographie (CT): 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 dargestellt werden 11

12 Computertomographie 12

13 Computertomographie (CT): Knochen ist hell, CSF ist dunkel, Hirngewebe dazwischen. Beispiel einer CT-Aufnahme; Auflösung ist gut, aber nicht brilliant recht preiswerte Methode für Diagnostik oft vorteilhaft Radioaktivität für Biopsychologen eher langweilig, da es keine Funktionen darstellt. 13

14 Positronen-Emissions-Tomographie (PET): 14

15 Positronen-Emissions-Tomographie (PET): eine radioaktiv markierte Substanz wird in die Halsarterie injiziert, diese verteilt sich im Gehirn. Die Verteilung der Substanz kann mit Hilfe bestimmter Detektoren festgestellt werden. 15

16 Positronen-Emissions-Tomographie (PET): Bilder der Aktivität, nicht der Struktur, da Substanzen verwendet werden, die an bestimmte Rezeptoren binden oder 2-Desoxyglukose injiziert wird, welche von aktiven Neuronen aufgenommen wird! Bereiche mit erhöhter Aktivität zeigen stärkere Radioaktivität! 16

17 Positronen-Emissions-Tomographie (PET): So können aktive Bereiche im Gehirn im Zusammenhang mit gestellten Aufgaben, die kurz nach Injektion gestellt werden, sichtbar gemacht werden! 17

18 Positronen-Emissions-Tomographie (PET): Designs müssen kurze Halbwertszeiten berücksichtigen (Z.b. 15 O (15 Neutronen) = 2 Minuten) Invasiv Wichtig vor allem Anfang der 80er bis Mitte 90er Jahre; heute zumeist von fmrt ersetzt. Anwendung heute: Erfassung kortikaler Aktivierung bei auditiver Wahrnehmung (Musik, Töne, Sprache) kortikale Lokalisation von Neurotransmittern und ihrer Rezeptoren 18

19 Subtraktionsmethode 19

20 Widner et al., 1992 PET zeigt Aufnahme von radioaktivem L- DOPA in den Basalganglien bei einem Patienten mit Parkinson-Symptomatik. Ausgangsbefund 13 Monate nach Implantation von fötalen dopaminergen Neuronen 20

21 Magnetresonanzmethoden: Magnetresonanztomographie (Kernspintomographie) funktionelle Magnetresonanztomographie Diffusions-Tensor-Imaging (DTI) 21

22 Magnetic Resonance Imaging (MRI) auch: Kernspintomographie Magnet Hochfrequenzsender Hochfrequenzempfänger Computer 22

23 Medizin-Nobelpreis für zwei Pioniere der Kernspintomografie (2003) 23

24 MRI, die Technik: Patient Röhre Radioimpuls Energieabgabe Konstruktion des Bildes 24

25 Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT): auch als MRI bezeichnet (engl: Magnet Resonance Imaging) Wasserstoffatome, die sich in verschiedener Zahl in verschiedenen Geweben befinden, werden über Radiowellen in einem starken Magnetfeld erregt. Durch das starke Magnetfeld werden die Atome von ihrer jeweiligen Position weg verschieden ausgelenkt und geben während der Rückkehr in ihre Ausgangsposition spezifisch Radiowellen ab. Diese Signale werden gemessen und letztlich in ein Bildformat umgerechnet! 25

26 Der Dauermagnet richtet die Protonen (H +, Kerne des Wasserstoffatoms) gleichmäßig aus. Ein Hochfrequenzimpuls lenkt die Protonen kurzfristig aus ihrer Ruhelage aus. Der Rücksprung der Protonen in die Ruhelage emittiert einen Hochfrequenzimpuls, der gemessen wird. Stärke der gemessenen Hochfrequenzimpulse hängt von der Menge der Protonen in einem Gewebebereich ab. Diese variiert mit der Art des Gewebes (unterschiedlicher Wassergehalt). 26

27 Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT): recht hohe Auflösung! keine Röntgenstrahlung (oft) kein Kontrastmittel Dafür sehr starkes Magnetfeld (1.5 bis 7 Tesla) ca mal so stark wie Erdmagnetfeld bei 1 Tesla! laut, dunkel, eng Gehörschutz! Platzangst? Kaum bewegen? 27

28 (f) MRI 28

29 Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT): Anatomische Bilder (MRI) Zeigen Unterschiede im Gewebe hohe räumliche Auflösung (ca. 1 mm³, es geht aber auch mehr!) jedoch keinerlei Aktivitätsmuster erkennbar. dennoch interessant für Biopsychologen, da z.b. Morphometrie möglich ist.» Ist eine Krankheit oder eine spezielle Begabung mit anatomischen Veränderungen im Gehirn verbunden?» Anatomische Bilder auch für weitere Methoden verwendbar (Verbesserung der Quellenlokalisation bei EEG...) 29

30 Funktionelle Kernspintomographie Beispielbilder aus eigener Forschung 31

31 Funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie (fmrt; oder fmri; i = imaging): = funktionelle Kernspintomographie Dieses Verfahren stellt eine Erweiterung der MRT dar. Es wurde erst Anfang der 90er Jahre entwickelt seither intensiv in der Kognitiven Neurowissenschaft eingesetzt! Aufnahmen werden meist vor oder nach der strukturellen Aufnahme im gleichen Gerät gemacht. 32

32 funktionelle Kernspintomographie: Funktionelle Bilder (fmri) Zeigen zu ganz geringen Teil Unterschiede in der Sauerstoffsättigung des Blutes, BOLD-Signal BOLD = Blood oxigene level dependent! 33

33 Beispiel eines funktionellen Bildes dieses wurde in 2.5 Sekunden erstellt! Während des Experimentes wurden einige hundert funkt. Bilder gemacht. Diese unterscheiden sich ganz leicht im Grauwert der Aufnahme!... ein ganz kleiner Teil davon hängt mit dem Sauerstoffgehalt des Blutes zusammen. 34

34 funktionelle Kernspintomographie: funktionelle Scans haben eine geringere Auflösung als Strukturelle, dafür Information über Stoffwechselveränderungen (Sauerstoffsättigung) Aktive Areale verbrauchen mehr Sauerstoff als inaktive Areale. Dieses beeinflusst somit das Signal. 35

35 funktionelle Kernspintomographie: Das BOLD-Signal das Protein zum Sauerstofftransport ändert leicht die magnetischen Eigenschaften, je nachdem, ob es Sauerstoff gebunden hat oder nicht! es ist daher ein natürliches Kontrastmittel! 36

36 eine Reihe funktioneller Bilder... ein gesamtes Gehirn z.b in 2 Sekunden gemessen 37

37 eine Reihe funktioneller Bilder... Die Stimulationen des Experimentes werden anschließend den einzelnen Hirnaufnahmen zugeordnet Veränderungen im Blutfluss werden statistisch ermittelt. 38

38 Strukturelle und funktionelle Aufnahmen werden kombiniert, um Auflösung zu verbessern. 39

39 recht hohe räumliche Auflösung, jedoch... Effekte der Nachbearbeitung Einfluss der Probandenbewegung und der Bewegungskorrektur Glättung der Daten, um Einfluss von Extremwerten zu verringern Übertragung aller Gehirne auf ein Standardgehirn Basierend auf diesen Änderungen im Blutfluss wird auf Gehirnaktivität geschlossen! 40

40 recht niedrige zeitliche Auflösung da es einige Sekunden dauert, bis sich infolge neuronaler Aktivität der Blutfluss ändert. Die BOLD-Response ist träge Daher ist es schwierig, aufeinanderfolgende Kognitive Prozesse zu trennen. Es gibt aber einige technische Fortschritte, die den Nachteil der zeitlichen Auflösung verringern. 41

41 fmri, Auswertung jedoch recht schlechtes Signal-Rausch- Verhältnis massive multiple Vergleiche werden gerechnet; dieses muss korrigiert werden. Statistische Kennwerte, meist die Gruppenstatistik, werden farbcodiert auf dem anatomischen Bild dargestellt. 42

42 Farbe ist kein Blut, sondern statistische Kennwerte (meist t- oder F-Werte!) 43

43 Beispiel aus eigener Forschung: 44

44 Diffusions-Tensor-Imaging (DTI) Fibre Tracking Letztenendes wird gemessen, wie sich Wasser entlang der Axone bewegt. Die Bewegung ist nicht rein zufällig, da die Neurone eine Richtung haben. Aus dieser Information wird der Faserverlauf im Gehirn rekonstruiert. Welche Areale sind mit welchen verbunden? 45

45 Diffusions-Tensor-Imaging (DTI) 46

46 Diffusions-Tensor-Imaging (DTI) fibersdaniel.exe tensorsdaniel.exe Danke an Pim Pullens from BrainInnovation Maastricht für Erstellung der Videos! 47

47 MRT- basierte Methoden:!!!Sicherheitsmaßnahmen!!!! sehr starkes Magnetfeld, deshalb Sicherheit ganz elementar. Tatoos, Piercing, Herzschrittmacher, Splitter... Feuerlöscher, Krankenbetten, Werkzeug... Auch wenn nicht gemessen wird, der Magnet ist (fast) immer angeschalten! Klassiker: Feuerwehrmann/Reinigungspersonal vom Magneten gefangen 48

48 Sicherheitsmaßnahmen: 49

49 Sicherheitsmaßnahmen: 50

50 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Es wird mit Hilfe einer Spule ein Magnetfeld erzeugt, welches an verschiedenen Stellen über der Kopfoberfläche positioniert wird. Das erzeugte Magnetfeld stört dann am jeweiligen Kortex-Areal die Informationsverarbeitung. Kurzfristige Läsion Auf diese Weise kann also kontrolliert die Funktion eines bestimmten Areals unterbrochen werden, während entsprechende kognitive Einbußen getestet werden können! 51

51 Transkranielle Magnetstimulation 52

52 Transkranielle Magnetstimulation (TMS) Kausalzusammenhänge zwischen Gehirnaktivität und Erleben/Verhalten! Probleme: Positionierung oft schwierig Recht geringe Tiefe der Stimulation. Würden Sie daran teilnehmen 53

53 Die Aufzeichnung psychophysiologischer Aktivität die Elektroencephalographie Magnet-Encephalographie Muskelspannung Augenbewegung Hautleitfähigkeit 54

54 Hans Berger aus Jena, ( ) 55

55 Elektroenzephalographie (EEG) Die EEG zeichnet elektrische Spannungsschwankungen (mv) auf, die im Zuge neuronaler Aktivität entstehen. Die Spannungsschwankungen beruhen auf APs und PSP und auf Störungen (Muskeln, Herz, Augen etc.) Das Spontan-EEG befasst sich hauptsächlich mit rhythmischen Hirnaktivitäten! Das EEG ist also ein Maß der elektrischen Gesamtaktivität des Gehirns! 56

56 Elektroenzephalographie (EEG) Elektroden werden auf der Kopfhaut befestigt Bestimmte Systeme, z.b System (Jasper, 1958) 57

57 Elektroenzephalographie (EEG) das System FP1 FPZ FP2 F7 F3 FZ F4 F8 FC5 FC1 FC2 FC6 T7 C3 CZ C4 T8 Cp5 CP1 CP2 Cp6 P7 P3 PZ P4 P8 PO3 PO4 O1 OZ O2 58

58 eine EEG-Untersuchung 59

59 Elektroenzephalographie (EEG) Zusammenhang von EEG-Wellen und Bewußtseinszustände! Beschreibung einer Welle, Frequenz und Amplitude. Bsp: Alpha-Wellen, hohe Amplitude, 8 bis 12 Hz (Schwingungen pro Sekunde), mit entspannter Wachheit verbunden. 60

60 Alpha-Rhythmus (8 13 Hz), vor allem okzipitoparietal. bei visueller Konzentration oder Aufmerksamkeit: alpha wird blockiert (Alpha-Blockade) und geht bei den meisten, aber nicht allen Personen, in höherfrequenten Beta-Rhythmus (13 30 Hz) über. Gamma-Wellen: Frequenz > 30 Hz; extrem kleine Amplituden, Synchron feuernde Nervennetze und Zellensembles Theta-Wellen (4-8Hz) und Delta-Wellen (< 4 Hz): mit Schlaf oder pathologischen Änderungen assoziiert, Beispiel: Schlaf, Theta und Delta -Wellen 61

61 62

62 EEG individuell stark variabel Jede Zahl stellt eine andere Versuchsperson dar. (Birbaumer) 63

63 EEG individuell stark variabel Jede Zahl stellt eine andere Versuchsperson dar. (Birbaumer) 64

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65 vom EEG zu den EKPs Ereigniskorrelierte Potentiale (EKPs) erlauben eine Untersuchung kurzer abgrenzbarer Funktionen. Ein EEG beinhaltet sowohl Hintergrundaktivität (Rauschen) als auch die physiologische Antwort auf den Reiz selbst (Signal)! Das Signal ist jedoch recht klein im Vergleich zum Rauschen 66

66 vom EEG zu den EKPs Wie kann das Signal, welches im Rauschen verborgen ist, sichtbar und analysierbar gemacht werden? durch Signalmittelung! Das bedeutet, es werden viele gleiche Reize präsentiert während simultan EEG aufgezeichnet wird. Bezugnehmend auf den Reizbeginn werden dann alle Messungen gemittelt, sodass sich das Signal, welches an den Reizbeginn gekoppelt ist, deutlich aus dem Rauschen hervorhebt. Die Rauschaktivität (Hintergrundaktivität) ist zeitlich nicht an den Reizbeginn gekoppelt und mittelt sich deshalb heraus! 67

67 vom EEG zu den EKPs 68

68 Ereigniskorrelierte Potentiale Ereigniskorrelierte Hirnpotenziale zeigen eine Abfolge charakteristischer Komponenten, die unterschiedliche Phasen der Informationsverarbeitung darstellen. Beschreibung der Komponenten(oft) anhand der Latenz (Zeit seit Reizbeginn) Polarität Bsp: P300: eine Positivierung ca. 300 ms nach Stimulusbeginn Topographie = Verteilung auf dem Kopf (bsp: okzipital? Frontal?) 69

69 Ereigniskorrelierte Potentiale Exogene und endogene Komponenten Exogene Komponenten: von physischen Reizeigenschaften abhängig, primär der Reizintensität, sehr früh (<100 ms) Endogen: nicht allein von Reizbedingungen abhängig, sondern von psychologischen Prozessen. Später als exogene Komponenten. 70

70 Ein EKP (in diesem Fall akustisch evoziert!) exogene und endogene Komponenten 71

71 eine EEG- Auswertung in 10 Minuten... das Experiment: Flanker-Aufgabe: 72

72 eine EEG- Auswertung in 10 Minuten... Fragestellung: Wird die Fehlernegativität (ERN) durch emotionale/ motivationale Prozesse beeinflusst? 2 Gruppen von Versuchspersonen eine erhielt nur positive Rückmeldung die andere nur negative Rückmeldung. 73

73 eine EEG- Auswertung in 10 Minuten... Das Experiment, Gruppe mit negat. Rückmeldung: 74

74 eine EEG- Auswertung in 10 Minuten... Auswertung mit BESA, Achtet auf folgende Dinge: Artefakte (z.b. Blinzeln), wie geht man damit um» Korrektur vs. Zurückweisung Trigger = Markierungen im EEG (Zahlen), die anzeigen, wann welche Stimulation gegeben wurde. Diese werden von der Software des Experiment-Steuerungs-Rechners gesetzt. 75

75 eine EEG- Auswertung in 10 Minuten... Das Experiment, Ergebnisse 76

76 EEG-basierte Methoden (EEG, EKPs) Vorteile: recht einfach, relativ preiswert sehr hohe zeitliche Auflösung (meist 250 bis 500 Messungen pro Sekunde, weitaus mehr möglich) Dadurch können kognitive Prozesse in ihre Komponenten und zeitliche Abläufe zerlegt werden. 77

77 EEG-basierte Methoden (EEG, EKPs) Nachteil: recht schlechte räumliche Aufösung Inverse Problem!» Die Frage, wo genau der Verursacher der Spannungsunterschiede liegt, ist nicht leicht zu beantworten.» Verzerrungen der Signalrichtung durch CSF, Hirnhäute, Knochen... 78

78 Extrakraniell gemessenes elektrische Veränderung? Intrakraniale Quelle Inverses Problem 79

79 EEG-basierte Methoden (EEG, EKPs) Inverse Problem! Die Frage, wo genau der Verursacher der Spannungsunterschiede liegt, ist nicht leicht zu beantworten. Es gibt unendlich viele Lösungen dieser Gleichung Bsp: Amplitude 5µV: Bedeutet dieses, dass es eine Quelle gibt mit 5 µv? Oder 2 Quellen? Eine davon mit 1,7 µv, die andere mit 3,3???? Verbesserung der räumlichen Auflösung durch Kombination mit MRI-Aufnahmen und bessere mathematische Modelle. 80

80 Kombination von EEG und fmri möglich!... aber aufwendig und schwierig! Experimente unterscheiden sich oft, da EEG recht schnelle Stimulusabfolgen erlaubt, fmri aber (oft) langsamere Stimuluspräsentationen erfordert. 81

81 Magnetoenzephalographie (MEG) ein MEG misst Magnetfeldschwankungen, die durch neuronale Aktivität auftreten. MEG gehört zu den elektrophysiologischen Methode Extrem empfindliche und sehr teure Methode Hauptvorteil gegenüber fmri viel bessere zeitliche Auflösung (Wann passiert etwas)? Hauptvorteil gegenüber EEG: viel bessere räumliche Auflösung (Wo passiert etwas?), da die gemessenen Magnetfelder sich nicht durch Knochen, CSF usw. ablenken lassen! 82

82 83

83 Muskelspannung Kontrahierende Muskeln sind von Spannungsänderungen (mv) begleitet Die so genannte Elektromyographie (EMG) misst solche Spannungsänderungen, die aufgrund von Muskelaktivitäten auftreten! Angespannt sein ist mit Hilfe der EMG messbar, da Angespanntheit mit einem höheren Muskeltonus verbunden ist verglichen mit einer Phase der Lockerheit! 84

84 Muskelspannung eine Zunahme der Muskelkontraktion resultiert in der Zunahme der Amplitude des EMG-Rohsignals. Das EMG-Rohsignal spiegelt die Zahl der Muskelfasern wider, die sich zu einem gegebenen Zeitpunkt kontrahieren. 85

85 Muskelspannung 86

86 Augenbewegungen: Retina eines Auges ist negativ geladen Cornea (Hornhaut) ist positiv Deshalb gibt es über den gesamten Augapfel eine Potentialdifferenz,... die bei Bewegung des Augapfels zu Spannungsänderungen führen. diese können gemessen werden! Elektrookulogramm (EOG) ist auch für EEG wichtig. 87

87 Hautleitfähigkeit: Beruht auf der Tatsache, dass eine emotionale Erregung die SCR (skin conductance response) verändert! Dies passiert wahrscheinlich durch erhöhte Schweissdrüsenaktivität! Kardiovaskuläre Aktivität: Beruht auf der Tatsache, dass emotionale Erregung einen Einfluss auf die Herzrate (EKG), den Blutdruck (Systolen und Diastolen) und das Blutvolumen hat (Plethysmographie)! 88

88 Vergleich der wichtigsten Methoden zeitlich hoch auflösend EEG MEG messen direkt neuronale Aktivität! örtlich hoch auflösend PET fmri messen indirekt neuronale Aktivität! 89

89 Vergleich der wichtigsten Methoden 90

90 Vergleich der wichtigsten Methoden Methode PET fmrt EEG MEG Räumliche Auflösung Durchblutung und Stoffwechselaktivität mäßig, 3D hoch, 3D Elektrische/elektromagnetische Aktivität mittel, 2D (3D geschätzt) mittel, 2D (3D geschätzt) Zeitliche Auflösung gering, > 20s mittel, > 2s; efmri > 500ms hoch, > 1ms hoch, > 1ms 91

91 Invasive physiologische Forschungsmethoden Stereotaktische Chirurgie Läsionsmethoden (Elektrische Stimulation) 92

92 Stereotaxie: (stereo = starr, fest) Stereotaktische Apparate ermöglichen ortsgenaue punktförmige Eingriffe oder Registrierungen aus der Tiefe des Gehirns. 93

93 Stereotaxie (Birbaumer) 94

94 Läsionsmethoden: Ausschaltung/Entfernung einiger Hirnbereiche Aspiration (Absaugung) Radiofrequenzmethode Hochfrequenzstrom an Spitze einer Elektrode zerstört das Gebiet Transsektion (Durchtrennung) Nerv oder Trakt abgetrennt Kryogene Blockade Kryosonde kühlt das Gebiet, reversible Methode 95

95 Danke für die Aufmerksamkeit! Schönes (Rest-) Wochenende! 96