Methoden der Biologischen Psychologie

1. Methoden der Biologischen Psychologie Vorlesung Christian Kaernbach

2. Mikroskopische Methoden • Lichtmikroskopie • Fixierung in Formaldehyd, Einbettung in Parafin, Schnitte von 100-300 µm • Färbung • Golgi (Silbersalze): Soma, Axon, Dendriten werden schwarz. Nur wenige Zellen pro Schnitt färben sich an. • Nissl (Toluidinblau): RNA/DNA = Nuclei/Ribosomen = Soma. Zellzählungen. • Fluoreszenz-Farbstoffe binden an bestimmte Moleküle, z.B. Transmitter.Verschiedene Farben im selben Bild für verschiedene Zelltypen/Bestandteile. • Auflösungen bis 0,25 µm • Elektronenmikroskopie • Bedampfen des Präparats mit Metallen • Auflösung 0,1 – 10 nm • Tracer (Rückwärtsverfolgung axonaler Verbindungen) • Meerrettichperoxidase (horseradish peroxidase, HRP)wird vom präsynaptischen Axonende aufgenommen,wandert innerhalb eines Tages Richtung Soma.

3. EEG • Dipol • Orientierung je nach Eingang in die kortikale Schicht • II: kortiko-kortikal • IV: thalamokortikal • und nach Erregungsart (exzitatorisch/inhibitorisch) • Standardschema der Elektrodenpositionen • 10-20-System • 100% = • Distanz Nasion – Inion • Distanz zwischen präaurikulären Punkten • jeweils unterteilt in 10-20-20-20-20-10. • Elektrodennamen: • Fp = frontopolar, F = frontal, C = zentral, P = parietal, T = temporal, O = okzipital • Ungerade Elektroden links, gerade Elektroden rechts, z = zentral

4. Spontanaktivität • Frequenzbänder • Delta: 0,5-4 Hz 20-200 µV Tiefschlaf • Theta: 5-7 Hz 5-100 µV Übergang zum Einschlafen • Alpha: 8-13 Hz 5-100 µV entspannter Wachzustand • Beta: 14-30 Hz 2-20 µV Aktivität, Belastung • Gamma: 30-100 Hz 2-10 µV Wahrnehmungsvorgänge

5. negativ positiv Ereigniskorrelierte/Evozierte Potentiale (EKP) • Voraussetzung: Ein Ereignis evoziert zuverlässig eine Synchronisation größerer Zellverbände (>1000). • Durch Mittelung wird neuronales Rauschen eliminiert. • Kortex: >100 Stimuli, Hirnstamm: >1000 Stimuli • Negative (N) und positive (P) Komponenten • Exzitatorische kortiko-kortikale radiale Aktivität: • N = Vorderpol, P = Hinterpol • Numerierung durchlaufend (N1, N2...) oder nach Zeit (N100, P300) • frühe Komponenten „exogen“ • < 200 ms: stimulusgetrieben • späte Komponenten (z.B. P300) „endogen“ • Bedeutung des Reizes • Zeitzusammenhang unschärfer => Komponenten breiter • Differenzbildung zur Isolation bedingungsabhängiger Aktivierungen

6. Quellenlokalisation von EKP im EEG • Voraussetzung • Hohe Elektrodenzahl, 64 oder 128 Elektroden • genaue Kenntnis der Elektrodenposition (vermessen) • Problem • „Vorwärtsproblem“ eindeutig lösbar • gegeben die Quellen, wie sieht die Potentialverteilung am Skalp aus? • inverses Problem nicht eindeutig lösbar • gegeben die Potentialverteilung am Skalp,wie viele Dipol-Quellen waren wo wie stark aktiviert? • gesucht: Lösung mit geringster Zahl von Quellen(aber oft: symmetrische Quellen unterstellt) • Software zur Lösung des inversen Problems • z. B. BESA (Brain Electrical Source Analysis)

7. Registrierung magnetischer Dipole am Skalp äußerst schwaches Signal MRT: 3 Tesla [T] Hufeisenmagnet 4 mT Erdmagnetfeld 40 µT Weltraum 0.1 - 10 nT Gehirn ~1 fT = 0.000001 nT empfindliche Sensoren: SQUID (Supraleitung) aufwendige Abschirmung Hohe Zeit- und Ortsauflösung, auch bis in den Hirnstamm 3D Quellenlokalisation einfacher Keine radialen Quellenabbildbar MEG

8. Gammaband (EEG/MEG) • Bedeutung für Wahrnehmungsprozesse • Einzelzellableitungen im visuellen Kortex der Katze • Synchrone 40-Hz Oszillationen kodieren Objektzugehörigkeit • Gammaband erhöht bei bekannten Objekten / Gesichtern • Evozierte Aktivität • Zeitnah zum Stimulus, exogen, Phase/Latenz stabil • Zeigt sich in gemittelten Daten • Induzierte Aktivität • Oft endogen, Phase/Latenz variabel • Zeigt sich in der Mittelung von Spektren

9. MRT • Protonenspins richten sich an starkem Magnetfeld aus. • Solange eine Hochfrequenz (UKW-Bereich) in der korrekten Resonanzfrequenz eingeschaltet ist, erfolgt Drehung des Spins um die Feldrichtung (Präzession). • Zusätzliche Gradientenfelder beschränken die Gültigkeit der Resonanzfrequenz auf räumlich eingeschränkte Areale (Voxel). • Beim Abschalten erfolgt Relaxation (Ausrichtungam Feld), unter Abstrahlung von Energie. • Aus der Dynamik der Relaxation (in zwei Richtungen: longitudinal und transversal) kann auf den Gewebetyp geschlossen werden. • Strukturaufnahmen des menschlichen Gehirns,Auflösung ca. 1 mm

10. fMRT • funktionelle MRT • Messung des Sauerstoffgehalts • Blood-Oxygen-Level-Dependency(BOLD-Signal) • Ortsauflösung wie MRT (1mm) • Zeitauflösung im Sekundenbereich • technisch bedingt • BOLD ist nicht schneller • Voraussetzung: Proband bewegt sich nicht • laut (schlecht geeignet für auditive Untersuchungen)

11. Positronenemissionstomographie (PET) • Einsatz von Radionukliden • Zyklotron zur Erzeugung der Radionuklide muß in der Nähe sein • Hirndurchblutung: 15O[H2O], 15O[O2] (Halbwertszeit 2 Minuten) • Stoffwechsel: 18F-Desoxyglukose (Halbwertszeit 110 Minuten) • Zerfall unter Aussendung eines Positrons (-Strahlung) • Positron trifft Elektron  Annihilation • es entstehen zwei Photonen mit entgegengesetzter Richtung • Orts/Zeitauflösung vergleichbar fMRT • leise • Ethik

12. Transkranielle Magnetstimulation (TMS) • starke außen angelegte Magnetfelder setzen eine temporäre Läsion • „Chaotische“ Stimulation = Störung • visueller Kortex: Phosphene • motorischer Kortex: Zuckungen • Rundspulen und Doppelspulen • Geringe Eindringtiefe (nicht in Sulci), Zielgebiet 1 cm². • Es werden nur Kortexareale der korrekten Orientierung gestört. • kombiniert mit MRT-Bildern und stereotaktischer Positionierung • Einzelpulse oder repetitive TMS (rTMS) • Funktionsuntersuchung von kortikalen Arealen

13. Zentrale / periphere Maße • Emotion ist die Kognition des Körpers

14. Herz-Kreislauf • Herzfrequenz • Innervation: Sympathikus und Parasympathikus • steigt bei Schmerz, Angst, ... • sinkt bei Entspannung, Orientierungsreaktion, Aufmerksamkeit • Messung: Blutvolumenpuls (BVP), Elektrokardiogramm (EKG), ... • Herzratenvariabilität • Anpassung an Anforderungen • wichtigster Beitrag: Respiratorische Sinusarrhythmie (Atemgurt!) • Beschleunigung beim Einatmen, Verlangsamung beim Ausatmen • RSA wichtiger Indikator parasympathischer Einflüsse auf das Herz • sinkt bei Streß (Dauerhoch) • PEP (pre-ejection period): Zeit R-Zacke (EKG) bis Blutdruckanstieg (BVP) • Maß für Sympathikuseinfluß • T-Wellen-Amplitude • Maß für Sympathikuseinfluß

15. Elektromyografie (EMG) • Neurologie: konzentrische Nadelelektroden • Funktionsweise einzelner motorischer Einheiten • Myopathien, Neuropathien • Psychologie: Oberflächenelektroden • Aktivität ganzer Muskeln • Entspannung • Gesichtsmuskulatur • Musculus corrugator supercilii: Stirn runzeln • Musculus orbicularis oculi: Anspannung der Augenmuskulatur • Musculus levator palpebrae: Augen aufreißen • Musculus zygomaticus major: Lächeln • ...

16. Hautleitwert • Erregungsmaß, Aktivität palmarer / plantarer Schweißdrüsen (und jetzt wird wieder in die Hände gespuckt) • Schweißdrüsen sympathisch innerviert • 2. sympathisches Neuron cholinerg (Ausnahme) • skin conductance level (SCL): überlagerte SCRs • skin conductance response (SCR): isolierte Einzelereignisse mit variabler Latenz • Mittelungsverfahren problematisch • SCR-Form: Bateman-Funktion (biexponentiell)plus (gelegentlich) Overshoot (poral valve, Edelberg 1993) • Analyse: • klassisch: Minimum – Maximum • Kiel: Zerlegung (decomposition)

17. Gänsehaut und Schauer • Erregungsmaß • bei besonders tiefen Erregungen (Ehrfurcht, Horror, ...) • Gänsehaut = Piloarrektion: Musculus arrector pili • Innervation: Sympathikus • subjektive Rückmeldung unzuverlässig • „Gänsehautgefühl“ ohne Gänsehaut: Schauer • Differenzierung? • Kiel: objektive Messung • GooseCam Webcam/Digicam, stabile Kameraposition, Schräglicht, Marker • GooseLab Raumfrequenzanalyse mittels zweidimensionaler Fouriertransformation

18. Pupillenweite • Registrierung mit Videokamera • Anzeichen sympathischer Aktivierung