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Peter Walla Biologische Psychologie I Kapitel 5 Die Forschungsmethoden der Biopsychologie Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS 1) Röntgenkontrastuntersuchung: Eine herkömmliche Röntgenaufnahme eines Gehirns liefert keine gehaltvollen Bilder, da die verschiedenen neuronalen Strukturen nur gering unterschiedlich Röntgenstrahlen absorbieren! eine gewinnbringende Möglichkeit ist, ein Kontrastmittel in eine gehirnversorgende Arterie zu injizieren und dann eine Röntgenaufnahme zu machen! Mit dieser Methode werden so genannte cerebrale Angiogramme erstellt! Damit können vaskuläre Schäden im Gehirn entdeckt und lokalisiert werden. Bei sichtbaren Verschiebungen von Blutgefäßen kann auch die Lage eines eventuellen Tumors angezeigt werden! Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS 2) Computertomographie (CT): Die CT ist ein computergestütztes Röntgenverfahren zur Visualisierung innerer Strukturen! In einem Zylinder befinden sich eine Röntgenröhre und ein gegenüberliegender Röntgenstrahldetektor. Dazwischen liegt der Kopf einer Testperson! Die Röntgenröhre und der Detektor rotieren auf jeweils einer bestimmten Ebene um den Kopf und erstellen so mehrere Aufnahmen aus verschiedenen Richtungen! Dieser Vorgang wird für mehrere Ebenen durchgeführt! mit Hilfe bestimmter Software kann dann ein dreidimensionales Bild eines Gehirns dargestellt werden! Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS :: Beispiel eines CT-scans :: keine sehr gute Auflösung! Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS 3) Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT): ..in der Literatur oft auch als MRI bezeichnet (engl: Magnet Resonance Imaging) Wasserstoffatome, die sich in verschiedener Zahl in verschiedenen Geweben befinden, werden über Radiowellen in einem starken Magnetfeld erregt. Durch das starke Magnetfeld werden die Atome von ihrer jeweiligen Position weg verschieden ausgelenkt und geben während der Rückkehr in ihre Ausgangsposition spezifisch Radiowellen ab. Diese Signale werden gemessen und letztlich in ein Bildformat umgerechnet! Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS Weitere Beispiele von strukturellen MRT-Resultaten zeigen, dass eine relativ hohe räumliche Auflösung möglich ist! sagittal (axial) horizontal frontal (coronal) Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS Selbst dreidimensionale Rekronstruktionen sind möglich! Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS 4) Positronen-Emissions-Tomographie (PET): Bei der PET wird eine radioaktiv markierte Substanz in die Halsarterie injiziert, sodass diese dann im Gehirn verteilt wird und deren Lokalisation in weiterer Folge mit Hilfe bestimmter Detektoren festgestellt werden kann! Entscheidenderweise bindet die Substanz an bestimmte Rezeptoren, die so sichtbar gemacht werden können, oder es wird als Substanz 2-Desoxyglukose injiziert, welche von aktiven Neuronen aufgenommen wird! So können aktive Bereiche im Gehirn im Zusammenhang mit gestellten Aufgaben, die kurz nach Injektion gestellt werden, sichtbar gemacht werden! Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS 5) Funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie (fMRT; oder fMRI): Dieses Verfahren stellt eine Erweiterung der MRT dar. Es wurde erst Anfang der 90er Jahre entwickelt und wird seither intensiv im Rahmen der Kognitiven Neurowissenschaften eingesetzt! Bei der fMRT werden Veränderungen in der Sauerstoffsättigung des Blutes gemessen (BOLD-Effekt; Blood Oxygen Level Dependency-Effekt!)! Aktive Areale verbrauchen mehr Sauerstoff als inaktive Areale! Beispiele Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS 6) Elektroenzephalographie (EEG) Die EEG zeichnet elektrische Spannungsschwankungen (mV) auf, die im Zuge neuronaler Aktivität entstehen. Die Spannungsschwankungen beruhen auf APen und PSPen (apikale Dendriten)! Die so genannte „Spontan-EEG“ befasst sich hauptsächlich mit rhythmischen Hirnaktivitäten! So genannte „Ereigniskorrelierte Potentiale“ (EKPe) erlauben eine Untersuchung kurzer abgrenzbarer Funktionen, wie etwa Gedächtnisprozesse im Zusammenhang mit bestimmten „Reizpräsentationen“! (z.B. visuelle Wortpräsentationen!) Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS Ein EEG eines sensorischen Reizes beinhaltet sowohl Hintergrundaktivität (Rauschen) als auch die physiologische Antwort auf den Reiz selbst (Signal)! Wie kann das Signal, welches im Rauschen verborgen ist, sichtbar und analysierbar gemacht werden? durch Signalmittelung! Das bedeutet, es werden viele gleiche Reize präsentiert während simultan EEG aufgezeichnet wird. Bezugnehmend auf den Reizbeginn werden dann alle Messungen gemittelt, sodass sich das Signal, welches an den Reizbeginn gekoppelt ist, deutlich aus dem Rauschen hervorhebt. http://www.uniklinik-freiburg.de Die Rauschaktivität (Hintergrundaktivität) ist ja zeitlich nicht an den Reizbeginn gekoppelt und mittelt sich deshalb statistisch weg! Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS Ein EKP (in diesem Fall akustisch evoziert!) Exogene und endogene Komponenten! Peter Walla Beispiel einer eigenen EKP-Studie Die EEG-Daten wurden ursprünglich gesammelt, um neurophysiologische Unterschiede zwischen explizitem und implizitem Gedächtnis zu erforschen. Definitionen: Implizit Gedächtnis“ steht hier für Information, die nach ihrem Abruf „Implizites nicht bewusst wird (und dennoch Verhalten beeinflussen kann)! Abrufen „Explizites Explizit Gedächtnis“ steht hier für Information, die nach ihrem Abruf bewusst wird! (siehe z.B. Graf, 1994; Badgaiyan und Posner, 1997; Markowitsch, 1999) „Intentionales Intentional Lernen“ steht hier für den beabsichtigten Versuch, sich Information anzueignen! Lernen Inzidentell Lernen“ steht hier für beiläufiges Lernen (ohne bewusste „Inzidentelles Absicht)! Peter Walla Beispiel einer eigenen EKP-Studie EKP-Studie Untersuchungsdesign: Studierphase: Inzidentelles Lernen von Wörtern während einer einfachen alphabetischen Aufgabe ! Instruktion: Sind der erste und der letzte Buchstabe jeweils in alphabetischer Reihenfolge? Ja oder Ampel Wiege Geröll Leiter Nein Peter Walla Beispiel einer eigenen EKP-Studie Testphase: Wiedererkennen der Wörter aus der Studierphase, die vermischt mit der gleichen Zahl neuer Wörter erneut gezeigt wurden ! Instruktion: Haben Sie das jeweilige Wort vorher gesehen? Ja oder Ampel Anker Mantel Wiege Nein Peter Walla Beispiel einer eigenen EKP-Studie Entscheidende Bedingungen: Tatsache alt alt neu neu Tatsache + Antwortgenauigkeit Hits Misses Correct rejections False alarms (richtig als alt klassifizierte Wörter) (falsch als neu klassifizierte Wörter) (richtig als neu klassifizierte Wörter) (falsch als alt klassifizierte Wörter) Basierend auf diesen 4 Bedingungen wurden die EEG-Daten gemittelt und einer weiteren Analyse unterzogen! Letztlich wurden die Bedingungen Hits, Misses und Correct rejctions miteinander verglichen. Besonders interessant ist die Gegenüberstellung von Misses und Correct rejections, da die Antwort in beiden Fällen lautete: „nein, nicht gesehen!“ Peter Walla Beispiel einer eigenen EKP-Studie Ergebnis: frontal EEG spiegelt bewusstes Verhalten wider! EEG spiegelt tatsächliche Natur der Wörter wider! parietal nicht bewusste Gedächtnisspur zw. 300ms und 500ms!! Correct rejection Rugg, M.D., Mark, R.E., Walla, P., Schloerscheidt, A.M., Birch, C.S., and Allan, K. (1998). Dissociation of the neural correlates of explicit and implicit memory. Nature, 392: 595-598. Peter Walla Beispiel einer eigenen EKP-Studie Zweite EKP-Studie Untersuchungsdesign: Studierphase: Inzidentelles Lernen von Wörtern während einer einfachen alphabetischen Aufgabe und einer semantischen Aufgabe ! Instruktion: Wenn vor dem jeweiligen Wort ein X zu sehen ist, dann lautet die Frage „sind der erste und der letzte Buchstabe jeweils in alphabetischer Reihenfolge?“ und wenn ein + zu sehen ist, dann lautet die Frage „ist die Bedeutung lebendig?“ Ja oder Ampel Igel Wiege Geröll X + Nein Peter Walla Beispiel einer eigenen EKP-Studie Testphase: Wiedererkennen der Wörter aus der Studierphase, die vermischt mit der gleichen Zahl neuer Wörter erneut gezeigt wurden ! Instruktion: Haben Sie das jeweilige Wort vorher gesehen? Ja oder Reiher Anker Mantel Wiege Nein Peter Walla Beispiel einer eigenen EKP-Studie Entscheidende Bedingungen: Tatsache alt alt alt alt neu neu Tatsache + Antwortgenauigkeit Deep Hits Shallow Hits Deep Misses Shallow Misses Correct rejections False alarms (vorher semantisch verarbeitet) (vorher alphabetisch verarbeitet) (vorher semantisch verarbeitet) (vorher alphabetisch verarbeitet) (richtig als neu klassifizierte Wörter) (falsch als alt klassifizierte Wörter) Basierend auf diesen 6 Bedingungen wurden die EEG-Daten gemittelt und einer weiteren Analyse unterzogen! Letztlich wurden die Bedingungen Deep Hits, Shallow Hits und Correct rejections miteinander verglichen. Peter Walla Beispiel einer eigenen EKP-Studie Ergebnis: CORRECT REJECTION Rugg, M.D., Walla, P., Schloerscheidt, A.M., Fletcher, P.C., Frith, C.D., Dolan, R.J. (1998). Neural correlates of depth of processing effects on recollection: evidence from brain potentials and PET. Experimental Brain Research, 123: 18-23. Peter Walla Methoden zur Untersuchung des NS 7) Magnetoenzephalographie (MEG) Die MEG mißt Magnetfeldschwankungen, die durch neuronale Aktivität auftreten (Intrazelluläre Stromflüsse?)! Die MEG ist so wie die EEG eine so genannte elektrophysiologische Methode! Rechte Hand-Daumenregel! Peter Walla Beispiel einer eigenen MEG-Studie MEG-Studie Untersuchungsdesign Semantische Wortverarbeitung, wobei bei manchen Wörtern zeitgleich ein Duft präsentiert wurde! Basierend auf einer anschließenden Befragung wurden die Testpersonen in „bewusste Riecher“ und in „unbewusste Riecher“ eingeteilt! Entscheidende Bedingungen Studierwörter Bewusstes Riechen und Wörter + Duft Bewusstes Riechen und Wörter ohne Duft Nicht bewusstes Riechen und Wörter + Duft Nicht bewusstes Riechen und Wörter ohne Duft Letztlich wurde die Differenzaktivität „Wort mit Duft“ minus „Wort ohne Duft“ für beide Gruppen ermittelt. Peter Walla Beispiel einer eigenen MEG-Studie Ergebnis Zwischen 200ms und 500ms gibt es vergleichbare duftinduzierte Aktivitäten, während zwischen 600ms und 900ms nur bei bewusstem Riechen signifikante Aktivität zu verzeichnen ist! Walla et al. (2002). Evidence of conscious and subconscious olfactory information processing during word encoding: a MEG study. Cognitive Brain Research, 14: 309-316. Bewusstes Riechen Nicht bewusstes Riechen
