2. Methoden der Biologischen Psychologie Flashcards
CT =
Computer Tomography - nichtinvasiv, Röntgenstrahlung
- Bild verbessert seit 70er
- Summationsmethode
→ Backprojection (Bilder rekombiniert → höchste Dichte) Beispiele: Ödem, Blutung, Gliom, Kalkablagerung
SPECT =
Single Photon Emission Computed Tomopgraphy
- radioaktive Substanzen
- 40er: Arbeit mit radioaktiven Substanzen
- 1977 Kamera f. Feststellen d. Richtung d. Stärke → Stoffwechselprozesse erkennbar
- zentrales Element d. Gamma-Kamera → Collimatar
- Detektorkristalle erzeugen sichtbares Licht → Strom
- Vorteil: kostengünstiger als PET
Gehirn und Verhalten als unabhängige und abhängige Variablen
Je nach methodischem Zugang konzentriert sich die Biologische Psychologie mehr auf die anatomischen Orte (Hirnstrukturen) oder auf die Dynamik von Hirnprozessen.
- Biolog. Ps. + Neurops: physiologisches Substrat als UV, Verhalten als AV
z.B. Läsion/Stimulation d. Nervengewebes im Tierversuch
- Psychophysiologie: physiolog. Substrat als AV, Verhalten als UV
z.B. Registrierung hirnelektrischer/magnetischer Prozesse bei Verhalten im
Humanversuch
- Neuropsychologie steht zw. Methoden : Verhaltens-, Denkstörungen nach Läsionen
Forschungsstrategien der Biologischen Psychologie
● Die Herstellung kausaler Beziehungen zwischen Gehirn, Körper und Verhalten erfordert die simultane Erfassung und Beeinflussung von physiologischen und psychologischen Variablen.
Elektro- und Magnetoenzephalogramm
Oszillationen des Gehirns
● EEG und MEG wozu?
erlauben präzise Zeitmessung mentaler Prozesse. Wenn von der Schädeloberfläche abgeleitet, ist ihre örtliche Auflösung weniger gut als bildgebende Verfahren. Von der Hirnoberfläche abgeleitet, ergibt sich eine bessere Orts- und Zeitauflösung neuroelektrischer Vorgänge.
EEG und MEG Eigenschaften
- extrem hohe zeitl. Auflösung bei limitierter räuml. Auflösung
- kein Strom, kein Magnet, nur registriert
- Elektroden werden nach Schema gesetzt
- Legierungen z. Abschirmen externer Magneten
- MEG: zum Runterkühlen d. Sensoren → Helium
EEG erfasst vor allem?
extrazelluläre Volumenströme
→ als Folge intrazellulärer Massenaktivität von Neuronenpopulationen)
→ Hauptanteil d. EEG-Signals: simultane Aktivität tausender Dendritenbäume
→ Volumenströme als Folge intrazellulärer Massenaktivitität v. Neuronenpopulationen MEG erfasst v.a. tangential z. Kopfoberfläche orientierte intrazelluläre Stromflüsse
Das EEG weist Oszillationen von …. bis ca. ….Hz auf, die ?
Das EEG weist Oszillationen von 0 bis ca. 100 Hz auf, die im Allgemeinen mit zunehmender Wachheit schneller werden.
EEG und MEG
Alpha und Beta Rhythmus
Alpha-Rhythmus (8-13Hz): sinusförmig, im Wachzustand geringer visueller Aufmerksamkeit (okzipitoparietal)
→ bei visueller Konzentration wird er blockiert (Alpha-Block) und geht meistens in Beta-
EEG und MEG
Theta, Delta und Gammawellen
Tiefschlaf o. pathologische Veränderungen → Theta-(4-8 Hz)/Delta-Wellen (<4 Hz)
- Gamma-Wellen: Frequenzen ü. 30 Hz, extrem kleine Amplituden
Elektrokortikogramm
● Das ECoG weist 3- bis 10-mal höhere Amplituden auf als das EEG → Makroelektroden
Physiologische Grundlagen von Hirnoszillationen
● Die elektrische Aktivität des Gehirns oszilliert in unterschiedlich großen neuronalen Netzen. Die Geordnetheit der Oszillationen im EEG z. B. resultiert aus ihren synchronen (gleichzeitigen) Feuereigenschaften.
→ hohe Frequenzen = räuml. wenig ausgedehnte Oszillatoren
→ langsame = weit ausgedehnte
● Oszillatoren sollen neuronale Plastizität & Gedächtnis garantieren
● Das EEG entsteht v. a. aus exzitatorischen postsynaptischen Potenzialen. Der Ort der EEG-
und MEG-Entstehung ist in den apikalen Dendriten von Schicht 1 und 2 zu suchen, wo die
meisten unspezifischen Afferenzen und intrakortikalen Fasern enden.
● Die Hirnrinde kann elektrisch als Dipol beschrieben werden mit umgekehrter Polarisierung
zwischen oberen und unteren Schichten. Der negative Pol wird als Senke, der positive als
Quelle bezeichnet.
● Viele benachbarte kortikale Dipole müssen sich summieren, um im EEG sichtbar zu werden.
Kugelförmige Zellorientierungen erzeugen keine registrierbaren Potenziale.
Magnetoenzephalographie
● Das MEG misst radiale Dipole, das bedeutet, dass v. a. elektrische Aktivität aus den Furchen
(Sulci) des Kortex widerstandslos registriert werden.
- jede Bewegung elektrischer Ladungen ruft Magnetfeld hervor → messen mit
SQUIDS (superconducting quantum interference device)
- hauptsächlich horizontal und radial z. Schädeldecke gelegene elektrische Ströme
(tangentiale Dipole)
- EEG entspringt dagegen meist aus vertikalen kortikalen Säulen
- EEG v.a. Gyri, EG v.a. Sulci
- MEG als nichtinvasives Verfahren höchste örtl. & zeitl. Auflösung!
● Durch Überlagerung von Kernspintomographie und MEG-Aktivitätsquellen können die Entstehungsorte eines MEG-Feldes millimetergenau angegeben werden.
Rhythmen und Synchronisation
● Der Thalamus synchronisiert die kortikalen Oszillationen in den unteren Frequenzbereichen (bis ca. 30 Hz) und bewirkt damit die Summation von vielen postsynaptischen Potenzialen
● Langsame Frequenzen des EEG/MEG werden durch postinhibitorische Entladungen thalamokortikaler Neuronen erzeugt.
Auswertung und Interpretation von EEG/MEG
● Nach der Filterung und Digitalisierung des EEG-/MEG-Signals wird eine Fourier-Analyse zur Bestimmung des Frequenzspektrums durchgeführt.
→ Analyse führt zu Leistungsspektren (power spectrum) des EEGs
● Mit Hilfe nicht-linearer Auswertungsverfahren lässt sich das EEG/MEG auch als Abfolge unterschiedlich komplexer Hirnzustände darstellen → z.B. durch Chaos-Hirnkarten (intelligente Personen höhere Komplexität d. hirnelektrischen Vorgänge)
● Die Geordnetheit (Komplexität) st ein wichtiger quantitativer Kennwert des EEG, der auch in der klinischen Diagnostik zur Vorhersage von epileptischen Anfällen genutzt wird.
- Aufgaben des EEG: Diagnose v. Anfallsleiden (!), Bestimmung d. zerebralen Todes, Abschätzung v. Vergiftungen auf Hirntätigkeit, in Anästhesie z. Einschätzung d. Narkosetiefe
- weniger: Diagnose v. neurologischen Ausfällen nach Läsionen, Lokalisation v. Tumoren (dafür bildgebende Verfahren)
Ereigniskorrelierte Hirnpotenziale und Magnetfelder
Messmethodik von ereigniskorrelierten Hirnpotenzialen
● Ereigniskorrelierte Hirnpotenziale oder Magnetfelder werden durch zeitsynchrone Mittelung aus dem Hintergrundrauschen gefiltert.
- EKP = alle elektrokortikalen Potenziale/Magnetfelder, die vor, während und nach sensorischen, motorischen & psychischen Ereignis im EEG messbar
- EKP viel kleinere Amplituden als Spontan-EEG, weil stärkere örtl. Lokalisation in verschiedenen Kortextarealen
● Ereigniskorrelierte Hirnpotenziale zeigen eine Abfolge charakteristischer Komponenten, die unterschiedliche Phasen und Komponenten informationsverarbeitender Prozesse darstellen
Ereigniskorrelierte Hirnpotenziale und Magnetfelder
● Methoden zur Bestimmung unabhängiger Komponenten:
→ Bestimmung d. Amplituden 2 aufeinanderfolgender Potenzialgipfel
(Gipfel-zu-Gipfel-Analysen)
→ Principal-component-Analyse (PCA) (ähnlich wie Faktorenanalyse)
● Frühe exogene Komponenten ereigniskorrelierter Potenziale spiegeln die physikalischen Reizeigenschaften, späte (endogene) Komponenten psychologische Prozesse wider.
→ Fehlen, Reduktion,Überschießen v. Amplituden erlauben Aussagen über Funktions-
zustand d. Nervengewebes (Amplitude korreliert mit Anzahl funktionstüchtiger Neurone) → exogene Komponenten treten bis zu 100 ms nach sensorischem Reiz auf
→ Wellen bis 10 ms = Hirnstammpotenziale (far-field-potentials)
Entstehung langsamer Hirnpotenziale und Magnetfelder
● Langsame kortikale Hirnpotenziale (LP oder SCP, »slow cortical potentials«) treten in Vorbereitungs- und Planungssituationen auf. → wichtig für Psychologie
● Negativierung von LP mobilisiert die kortikalen Zellen an den apikalen Dendriten, Positivierung reduziert die Erregbarkeit.
● LP sind Ausdruck der Tätigkeit eines kortiko-subkortikalen Netzwerkes, das die Erregbarkeit des Kortex innerhalb bestimmter Grenzen hält.
- LP + EKP = lokale Verschiebungen synchroner postsynaptischer Potenziale der oberen Rindenschicht
- steigt Erregungsschwelle ü. gewisses Ausmaß an → Gegenregulation → mittleres Erregungsniveau (Bsp.: bei epileptischem Anfall versagt Gegenregulation → Erregungsschwelle sinkt unkontrolliert (Negativierung) → extreme Feuerraten d. Pyramidenzellen → Anfall)
● für Verteilung d. Erregungsschwellen sind Intaktheit d. präfrontalen Kortex, vorderen Gyrus Voraussetzung
Psychophysiologie langsamer Hirnpotenziale
● Langsame Hirnpotenziale können willentlich über Biofeedback gesteuert werden. Damit hat die Person einen gewissen Einfluss auf die Erregbarkeit ihrer Hirnrinde.
- Biofeedback = biologische Konditionierungs-Versuche
- Verhaltensweisen + Denkprozesse während Negativierung effizienter, während
Positivierung fehleranfälliger
● Bewusste Informationsverarbeitung wird erst in den späten, endogenen EKP und LP
sichtbar und erfordert synchrone Aktivierung ausgedehnter neuronaler Netze.
- bewusste Infoverarbeitung erst ab 300 ms
Bildgebende Verfahren
20.6.1 Messung der Hirndurchblutung und Positronenemissionstomographie
Regionale Hirndurchblutung
→ Zur Messung der regionalen Hirndurchblutung werden unschädliche radioaktive Substanzen oder Gase (z.B. Xenon) eingespritzt, die sich bevorzugt in gut durchbluteten, d. h. aktiven Hirnarealen ausbreiten.
→ misst nur Kortex, liegt direkt an Schädeldecke und Detektoren
● Das ruhende Gehirn hat einen hohen Stoffwechsel, der sich bei Zunahme der
Neuronenaktivität weiter steigert; die vermehrt anfallenden Metaboliten erweitern die lokalen Arteriolen und bewirken dadurch eine erhöhte Durchblutung.
→ Gehirn nutzt 20% Sauerstoff (50ml/min) für Stoffwechsel seiner Neurone
Bildgebende Verfahren
20.6.1 Messung der Hirndurchblutung und Positronenemissionstomographie
PET - radioaktive Substanzen
● Injizierte oder eingeatmete Positronen von Radioisotopen verschmelzen mit den Elektronen derselben Moleküle und senden Gammastrahlung aus dem Kopf.
→ gesamtes Gehirn wird vermessen (nicht wie bei Hirndurchblutungsmessung)
→ PET basiert auf raschem Zerfall von Positronen in Radioisotopen
→ PET-Kamera besteht aus vielen Strahlungsdetektoren, die in Form eines Ringes um Kopf angebracht sind
→ dort, wo die meisten Moleküle der jeweiligen Substanz (z.B. Sauerstoff, Wasser, Kohlenstoff) vorhanden sind, entstehen Gammastrahlen
● Die Positronenemissionstomographie (PET) erlaubt die Messung verschiedener Stoffwechselprodukte im lebenden Gehirn des Menschen.
→ Positronen kollidieren m. Elektronen = Gammaquanten
Bildgebende Verfahren
20.6.1 Messung der Hirndurchblutung und Positronenemissionstomographie
Magnetresonanztomographie
● Die Magnetresonanztomographie benützt die Auslenkung und Relaxation von Protonen in starken Magnetfeldern als Messprinzip.
○ basiert auf kernmagnetischer Resonanz (nuclear magnetic resonance - NMR) → NMR erfasst Dichte + Relaxationszeiten magnetisch erregter
Wasserstoffatomkerne (Protonen)
→ NMR basiert auf Grundprinzip des Drehimpulses (Spin) geladener Teilchen, Kern
besitzt größtes magnetisches Moment
○ Magnetfeld bringt die Protonen in eine Richtung (sonst ungeordnete Rotation)
○ zusätzliches externes starkes Magnetfeld führt zu Resonanzbedingung
→ Protonen rotieren lenken aus, danach kehren sie in Ausgangsposition zurück
→ dabei geben sie schwache elektrische Ströme ab
Bildgebende Verfahren
20.6.1 Messung der Hirndurchblutung und Positronenemissionstomographie
Gepulste Kernresonanz
● Wenn das Magnetfeld über dem Messvolumen (Kopf) variiert, so bewirkt dies systematisch unterschiedliche Anregungen (Spins) und Relaxationszeiten, aus denen man den Ort der jeweiligen Änderung rekonstruieren kann.
→ durch gepulste Kernresonanz stört man Ausrichtung der Protonen in bestimmten
zeitlichen Abständen durch Hochfrequenzpuls
● Abklingzeiten T1 & T2 von ausgelenkten Protonen sind für versch. Gewebe unterschiedlich.
Für graue und weiße Substanz ergeben sich dadurch unterschiedliche Kontraste. → T2 = Verlauf der Rückkehrkurve d. Protonen bei Relaxation = Querrelaxation
(von horizontaler Richtung wieder in vertikale Ausgangsrichtung) → T1 = Längsrelaxation
Bildgebende Verfahren
20.6.1 Messung der Hirndurchblutung und Positronenemissionstomographie
Gradientenschaltung
● Durch räumlich variierende Magnetfeld- und Radiofrequenzgradienten kann mit Fourier- Transformation die Quelle der Aktivität identifiziert werden → Gewebe in “slices” zerlegt
Bildgebende Verfahren
20.6.1 Messung der Hirndurchblutung und Positronenemissionstomographie
Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)
- Protonen rotieren mit sich selbst → spinnen, wenn ungerades Verhältnis → analog zu Strom
- wo Strom entsteht, entstehen auch Magnetfelder
- Erdmagnet 0,5 → sehr niedrig
- Protonen richten sich an Magnetfeld aus (kreiseln um Vektor d. Hauptmagnetfelds, manche
richten sich entgegengesetzt aus → Differenz ergibt Resonanz) - Nebenmagnet schubst Protonen aus Hauptmagnetfeld raus, pendeln sich unterschiedlich
schnell wieder ein → dadurch Unterschied erkennbar
Der BOLD-Effekt
● Der BOLD-Effekt (blood oxygenation level dependent) beruht auf der Tatsache, dass sauerstoffreiches Blut eine langsamere Relaxationszeit T2 aufweist und damit aktive Hirnareale hervorgehoben werden.
→ wenn Hämoglobin mit O2 angereichert wird, ist es weniger paramagnetisch → dadurch
entstehen deutliche Differenzen d. Feldstärken im Vergleich z. Umgebung
Die funktionelle Magnetresonanztomographie (Kernspintomographie) mit Echo-Planar-
Imaging (EPI)
Die funktionelle Magnetresonanztomographie (Kernspintomographie) mit Echo-Planar-
Imaging (EPI) stellt ein örtlich besonders gut auflösendes bildgebendes Verfahren dar. Blutflussänderungen können nach 3 s mit Millimetergenauigkeit im gesamten Gehirn erfasst werden.
Magnetresonanzspektroskopie
Mit Magnetresonanzspektroskopie lässt sich die Dichte einzelner neurochemischer Substanzen im Nervengewebe lokal bestimmen.
○ Weiterentwicklung des MRT
○ Vorteil: chemische Zusammensetzung v. Gewebe kann berücksichtigt werden
(metabolische Veränderungen sichtbar)
○ Nachteil: nur große Mengen v. Metaboliten erfasst (z.B. Glutamat, Cholin)
Optische Bildgebung
● Lambert-Beer-Gesetz
→ jedes Gewebe wechselt mit Änderung seines funktionellen Zustandes auch seine optischen Eigenschaften(z.B. bleiche Hautfarbe = Anämie, gelbe Farbe = zu viel Bilirubin durch Leberversagen)
● Durch Messung der Lichtabsorption im durchbluteten Hirngewebe lassen sich stark von schwach durchbluteten Arealen trennen; dies wird Nah-Infrarotspektroskopie genannt.
● Optische Bildgebung (»optical imaging«) erlaubt die nichtinvasive Messung physiologischer Veränderungen der Hirnaktivität durch photographische Erfassung der Reflexion und Absorption von Licht aus dem Hirngewebe.
→ große Bedeutung f. Psychologie + Medizin, da billig und unschädlich
→ Licht wird durch Schädeldecke gesendet und man kann sich frei mit Sendern + Empfängern bewegen
