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 Standardschema der Elektrodenpositionen 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 Die Epilepsien  Von Gerhard Bauer, Walter Fröscher, Fröscher, Walter / Vassella, Franco / Hufnagel, Andreas (Hrsg.), Fröscher-Vasella-Hufnagel, Andreas Hufnagel S. 367 Abb 7.4-29

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 Herzratenvariabilität 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

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 ...

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