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Methoden der Biologischen Psychologie
VorlesungChristian 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 Quellen
abbildbar
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