Methoden

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:
Theta:
Alpha:
Beta:
Gamma:
0,5-4 Hz
5-7 Hz
8-13 Hz
14-30 Hz
30-100 Hz
20-200 µV
5-100 µV
5-100 µV
2-20 µV
2-10 µV
Tiefschlaf
Übergang zum Einschlafen
entspannter Wachzustand
Aktivität, Belastung
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 (Ausrichtung
am 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
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•
•
Musculus orbicularis oculi: Anspannung der Augenmuskulatur
Musculus levator palpebrae: Augen aufreißen
Musculus zygomaticus major: Lächeln
...
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)
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