Methoden der Biologischen Psychologie Vorlesung Christian Kaernbach.

Methoden der Biologischen Psychologie

Vorlesung

Christian Kaernbach

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.

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

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

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

negativ

positiv

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)

MEG

• 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

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

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

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)

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

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

Zentrale / periphere Maße

• Emotion ist die Kognition des Körpers

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

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

• ...

• 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)

Hautleitwert

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

Pupillenweite

• Registrierung mit Videokamera• Anzeichen sympathischer Aktivierung