Methoden der kognitiven Neurowissenschaften

Transkript

1 Methoden der kognitiven Neurowissenschaften Dr. István Tiringer Institut für Verhaltenswissenschaften

2 Methodische Konzepte in der NP Am Anfang anekdotische Beschreibung von Einzelfällen keine standardisierte Verfahren; individuelle Interpretation der Befunde Nach dem II. Weltkrieg objektievere Methoden aber sehr begrenzte Aussagen Wieder Einzelfallstudien (kognitive, linguistische Methoden) pathologische Veränderungen von Prozessen im Detail analysiert begrenzte Vergleichbarkeit

3 Forschungsstrategien in den Neurowissenschaften (Biopsychologie) Unabhängige Var. Manipulation des Substrates Zerstörung einer Hirnregion Elektrische Reizung einer Hirnregion Gabe eines Pharmakons Abhängige Variable Verhalten Reiz erkennen Fluchtverhalten Such(t)verhalten

4 Forschungsstrategien in den Neurowissenschaften (Psychophysiologie) Abhängige Variable Änderung des Substrates Formveränderung der Nervenzellen Elektrische Hirnaktivität Neurotransmitter erniedrigt Unabhängige Var. Manipulation des Verhaltens Training Reizdarbietung Such(t)verhalten induziert

5 Forschungsstrategien in den Neurowissenschaften (Korrelative Strategie) Änderung des Substrates Formveränderung der Nervenzellen Elektrische Hirnaktivität Neurotransmitterspiegel Verhalten Lernleistung Traumberichte Such(t)verhalten

6 Forschungsstrategien in den Neurowissenschaften (Interaktive Strategie) Manipulierung des Verhaltens Neuronales Substrat Verhalten Manipulierung des Substrates

7 Untersuchensmethoden der Biopsychologie und Neuropsychologie Neuroanatomische und neurochemische Methoden Läsion (Stereotaxie) und (elektrische und magnetische) Reizung Elektro- und Magnetenkephalogramm Ereigniskorrelierte Hirnpotenziale und Magnetfelder Bildgebende Verfahren (CT, MRT, PET, fmrt) Neuropsychologische Testmethoden

8 Orts- und Zeitauflösung einiger wichtigen Methoden der Biopsychologie und Neuropsychologie

9 TI1 Bildgebende Verfahren: Die Positronenemissionstomographie (PET)

10 9. dia TI1 PET - vermisst das gesamte Gehirn. Rascher radioaktiver Zerfall von Positronen in Radioisotopen. Kollision, Verschmelzung mit einem Elektron. Entgegengesetzte Richtung Gammastrahlen. Signal bei Koinzidenzschaltung - Überstzuing in ein Bild nach 1 Minute nach Inj. Nicht nur saurstoff sondern auch Fluor, Kohlenstoff, Stickstoff und Neurotransmitter. Örtliche 4 mm, zeitliche Sekunden bis Minuten Auflösung. Zyklotron-Bedürfniss - sehr kurze Halbwertszeit. Tiringer István;

11 PET-Scans des tätigen Gehirns

12 TI4 Bildgebende Verfahren: Magnetresonanztechnik

13 11. dia TI4 Der P. ist von Elektromagneten umgeben. Die Feldimpulse führen zur Auslenkung der Wasserstoffatome, die besonders die in gut durchblutetem Gewebe vorhanden sind. Die Protonen sind normalerweise in alle Richtungen ausgerichtet, das Magnetfeld lenkt sie in parallele Richtungen b,. Starke Hochfrequenzradioimpulse treffen auf die Protonen, wodurch sie um ihre Achse zu rotieren beginnen (Präzession) c,. In wenigen Sekunden kehren die Protonen in die Ausgangslage zurück und geben dabei radiowellen ab. Tiringer István;

14 TI5 Grundlagen der Magnetresonanztomographie

15 12. dia TI5 Verhalten von Protonen im magnetischen Feld und bei Auslenkung durch RF-Impulse. 1, chaotische Ausrichtung und Rotation 2, parallele Ausrichtung im Magnetfeld (Alignment) 3, ein Radiofrequenzpuls bringt die Protonen zur Rotation (Präzession) 4. MR misst vertikale und horizontale Komponente der Auslenkung B T1 (horizontale) und T2 (vertikale Quer-) Relaxationszeiten Tiringer István;

16 TI7 Läsionsanalysen Überlappung von individuellen Lokalisationen

17 13. dia TI7 Korrekte Lokalisation des prim. visuellen Kortexes - Vergleich des Überlagerungsbildes der Kontrollgr. von Patienten mit keiner Hemianopsie. Anzahl von Patienten die in einem Voxel eine Hirnschädigung aufweisen (violett n=1, rot= max.). Tiringer István;

18 Methoden der Analyse von Lokalisation TI6

19 14. dia TI6 Häufigkeit (Prozent) der berlappendne läsionen nach Substraktion - farbkodiert. Das Farbspektrum der Überlappung representiert für jedes Voxel die Häfigkeit der Läsion dieses Voxels in der einen Gruppe nach Substr. der Häufigkeit in der anderen Gruppe. Statistischer Vergleich: Voxel die statist. signifikant zwischen den beiden Gruppen unterscheiden (Visueller Kortex und afferente Projektion) Tiringer István;

20 Zur Lokalisation von Hirnfunktionen Funktonsbeeinträchtigungen lassen sich nicht aus der Lokalisation von Läsionen erschließen. Dies hat die folgende Gründe: Läsionen ohne nachweisbare Funktionsbeeinträchtigungen Funktionsbeeinträchtigungen ohne nachweisbare Läsion Funktionen sind individuell organisiert Funktionen sind distribuiert organisiert Plastizität des Gehirnes Funktionsbeeinträchtigungen bis zu einem gewissen Grad kompensiert Kognitive Ströungen auch ohne nachweisbare morphologische Schädigung Genaue Lokalisation von Funktionen ist individuell verschieden. Vergleich von zwei indentischen Schädigungen Nicht alle kognitiven Funktionen lassen sich klar lokalisieren. Inputnahe Prozesse

21 Funktionelle Magnetresonanztomographie (fmrt) Aktivierung von Nervenzellen Veränderungen des zerebralen Blutflusses lokale Sauerstoff, paramagnetische Eigenschaften Langsamere T2 Relax.zeit Kontrast zur Umgebung BOLD-Effekt blood oxygenation levele dependent aktive Hirnareale hervorhebt TI2

22 16. dia TI2 fmrt Schnittbild. Zunahme der Aktivität - links Männer, rechts Frauen beurteilen, daß Wortpaare sich reimen. Tiringer István;

23 Magnetenzephalographie (MEG) TI3 Das Gehirn generiert schwache magnetische Felder, die mit SQUIDs (superconducting quantuminterference device) gemessen werden Kombination mit EEG: EEG misst Aktivität der Gyri, MEG der Fluchen

24 17. dia TI3 Ganzkopf-MEG mit 150 Aufnahmekanälen. a, MEG-Aufnehmer (dewar - kettős falú edény) b, Queschnitt durch den dewar. SQUIDs nur in extrem tiefen Temperaturen aufnahmefähig sind e, abgeleitete Magnetfelder nach der Darbietung eines taktilen Reizes am Finger der linken Hand. Jede einzelne Linie stellt das Magnetfeld in den Registrierspulen 80 ms nach Darbietung des Reizes dar. Rechts tiritt das Magnetfeld aus dem Kopf aus (rot), links wieder ein. Die Quelle liegt genau dazwischen. f, Lokalisation des Ursprungs des Magnetfeldes im Gyrus postcentralis Tiringer István;

25 Messung von kognitiven Funktionen Teilfunktionen oder Interaktion von Funktionen Rey Osterreith Complex Figure Test (Rey, 1959) Zunächst abgezeichnet und nach einer kurzen Pause aus dem Gedächtnis reproduziert Schwierigkeiten beim Kopieren Gute Kopie, schlechte Reproduktion Gedächtnisstörung (auch räumlich-konstruktive Leistung)

26 Probleme bei der Bestimmung des kognitiven Status GemessenwirdselteneinekognitiveVariableallein. Vielmehr wird bei der Testung einzelner Funktionsbereiche die Interaktion mehrerer kognitiver Variablen erfasst. Emotionale und motivationale Einflussgrößen stellen eine bedeutende Varianzquelle dar. Die traditionelle modulare Sichtweise versperrt den Blick für höhere kognitive Leistungen, wie Problemlösen, kreatives Denken, soziale Intelligenz. Es fehlt zur Zeit an theorethischer Präzision als auch an einem geeigneten Methodeninventar zur diagnostischen Anhebung Integration durch Verhaltensbeobachtung