Vorlesung Methoden 5 - WiSe

- entwickelt von Hans Berger 1924 in Jena

- Die Elektroenzephalographie misst die summierte elektrische Aktivität des Gehirn, indem sie die Sapnnungsschwankungen an der Kopfoberfläche misst 

- sehr geringe räumliche Auflösung --> besser ist das Elektrokortikogramm = dasselbe direkt auf Hirnrinde bei geöffnetem Schädel (< 1cm)

- Das Elektroenzephalogramm ist die grafische Darstellung dieser Schwankungen 

- man misst zum Beispiel über die 10-20-Methode

- es misst Spannungen im 5-100 Mikro-Volt Bereich --> Verstärker nötig 

- Fourier-Transformation: Amplitude als Funktion der Frequenz (statt Zeit) --> unterschiedliche Frequenzbänder (Delta, Theta, Alpha, Beta, Gamma) 

- EEG-Daten --> kognitive Prozesse --> Analyse von ereignisskorrelierten Potenzialen 

- Wie entsteht das Signal? --> Ionenströme Richtung Schädeldecke durch elektrochemische Aktivität der Neurone

P3/P300 (= 3. Positivierung / Positivierung nach 300 ms)
- nicht gebunden an ein Sinnessystem
- tritt auf, wenn subjektive Erwartung nicht erfüllt wird
- kann recht lange dauern (bis zu 1 Sekunde)

N100
- durch auditorische Stimuli ausgelöst
- sensitiv bzgl. Stimulus-Vorhersagbarkeit

N1
- Visuelle Onsets, Offsets, Veränderungen
- moduliert durch Aufmerksamkeitsprozesse

ERN (Error-related negativity, “oh shit”-Response)
- 80-150 ms nach Beginn einer falschen Reaktion
- evtl. verwandt: FRN, 250-300 ms nach feedback (feedback-related negativity, worse/different than expected)

PET

- Moleküle werden mit einem radioaktiven Element „markiert“ (z.B. 11C, 13N, l5O, or 18F) z.B. Glucose

- Markierte Moleküle verteilen sich in spezifischen Arealen

- Positron wird von markiertem Molekül abgegeben

- Kollidiert (meist innerhalb von 1 mm) mit einem freien Elektron
-> Energie-Materietransformation

- Gamma Strahlung wird im Winkel von 180° abgegeben

Unterschied zum fMRT: v.a. invasive Methode 

Vorteil: Messung des „Verbrauchs“ bestimmter psychologisch interessanter Moleküle im Gehirn (sowie Verteilung bestimmter Rezeptorsysteme)!

fMRT

0. Wasserstoffatome im Körper haben Dipol-Charakter und drehen sich (normalerweise) zufällig im Raum (Spin)
1. Ein starkes Magnetfeld richtet die Spins der Wasserstoffatome entlang einer Achse aus
2. Ein radiofrequenter Puls (RF-Puls) beeinflusst die Spinaktivität: Er „kippt“ die Protone (den Spin des Atomkerns) und bewirkt, dass alle phasengleich rotieren
3. Mit dem Ende des RF-Pulses „kippen“ die Atome zurück (T1-Signal) und rotieren wieder in individueller Phase (T2 bzw. T2*-Signal, dephasing) --> Geschwindigkeit, mit der T2*-Prozess abläuft, sagt etwas über den Sauerstoffgehalt des Blutes aus --> gemessenes Signal

- grundsätzlich würde  ich fMRT immer vorziehen, weil es keine invasive Methode ist, wenn aber bestimmte Rezeptorsysteme oder Moleküle interessant sind, die man tracen kann, dann eher PET

- externes Magnetfeld B0 führt zu paralleler Ausrichtung der Wasserstoffatome

--> Protonenspins rotieren um die Längsachse des Magnetfelds = Präzession 

--> Frequenz der Präzession = LARMOR Frequenz (y[H] = 42,5 MHz/T)

--> Lamorfrequenz ist proportional zur Feldstärke des externen Magnetfeldes BO 

- externes, horizontales Magnetfeld (RF-Pulse) 

--> Wird im rechten Winkel zum vertikalen Magnetfeld angebracht und von Hochfrequenzspule ausgesendet
--> Die vom linken Magnetfeld parallel ausgerichteten Atome werden über einen kurzen Radiowellen-Puls (RF-Pulse) bzw. Hochfrequenzpuls (HF-Pulse) blitzartig bewegt (kurz „angetippt“): gepulste Kernresonanz

--> Durch RF-Puls kippen die Protonen aus ihrer vertikalen (longitudinalen) Lage

--> RF-Puls führt bei den Atomen zur synchronen Präzession
(= Schwingen in Phase)

--> Nach Ende des RF-Pulses (nach dem „Antippen“) kippt der Kernspin wieder zurück in die (durch das vertikale Magnetfeld aufgezwungene) gleichförmige vertikale Ausrichtung

T1-Relaxation = longitudinale Relaxation --> Rückkehr der Protonenspins in vertikale (longitudinale) Ausgangslage
= Wiederaufbau der Längsmagnetisierung

- T1 = Zeitpunkt, an dem 63% der Längsmagnetisierung wieder erreicht ist

T2-Relaxation (spin spin-Relaxation) = transversale Relaxation

--> Nach RF-Puls verlieren die Protonen auch die Synchronizität der Präzession, d.h. sie gehen „außer Phase“ (dephasing)

--> Messbar als Reduktion der transversalen Magnetisierung

--> die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Blut spiegel sich als Unterschied in der T2 Relaxionszeit wider

- Block-Design = Zuordnung von experimentellen Bedingungen zu distinkten Blöcken, so dass jede Bedingung für längere Zeitperioden dargeboten wird 

- eine als optimal erachtete Blocklänge etwa bei motorischen Paradigmen, liegt bei uns bei 10 bis 20 Sekunden 

Vorteile: 

• die Effektivität (d.h. Detek1erbarkeit von Unterschieden) ist optimal

• Aufbau der Experimente sowie Auswertung und Interpretation der Ergebnisse sind recht einfach

• die Auswertung ist recht robust gegenüber Ungenauigkeiten in den angenommen Signalverläufen

• die Experimente sind relativ unempfindlich gegen Zeitungenauigkeiten bei der Messung

Nachteile: 

• sehr unsensibel gegenüber der Form der hämodynamischen Reaktion

• die Paradigmenwahl ist sehr eingeschränkt (viele Prozesse können gar nicht untersucht werden)

• Reihenfolge‐ und Wiederholungseffekte können nur eingeschränkt kontrolliert werden

Alternative: Event-Related-Design

• Darbietung von diskreten, kurz dauernden Ereignissen, deren Timing und Reihenfolge randomisiert werden kann.

• Ermöglicht die Korrelation mit individuellem Verhalten bei bestimmten Aufgaben (Reaktionszeiten, richtige/ falsche Reaktion, subjektive Einschätzungen von Valenz oder Erregung)

Vorteile 

• Auswahl von Paradigmen nahezu unbegrenzt • Reihenfolge der Stimuli und Bedingungen kann randomisiert werden • bessere zeitliche Auflösung (Schätzung der HDR) • Veränderung von der Baseline können festgestellt werden • post‐hoc Trial Sorting möglich • bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit anderen psychophysiologischen Befunden

Nachteile

• erheblich geringere Signalstärke • komplizierte Auswertung • Auswertung hängt stark von den Annahmen über die Form der hämodynamischen Reak1on ab • Planung und Aufbau der Experimente ist viel schwieriger und die Aktivierung weniger gut vorhersagbar

- mithilfe einer TMS: 

--> Applikation eines kurzen starken Magnetpulses
--> Induziert elektrischen Stromfluss im Gehirn
--> Führt je nach Stimulationsfrequenz zur Exzitation oder Inhibition entsprechender Neuronenpopulationen

- overte Aufmerksamkeit: Organismus (z.B. Kopf) oder sein Rezeptorsystem (z.B. durch sakkadische Blickbewegung) richtet sich entsprechend aus 

- coverte Aufmerksamkeit: Individuum kann Objekt "verdeckt aufduchen", indem es bei fixiertem Blick seinen Aufmerksamkeitfokus in die Peripherie verlagert

- passive vision: Sinn-Denken-Handeln, die klassische Sichtweise der Kognition: Die Welt wird über die Sinne wahrgenommen und die Informationen werden vom Gehirn verarbeitet, was zu einer Handlung führt. In dieser Sichtweise ist das Sehen die passive Verarbeitung der Informationen, die auf die Netzhaut fallen.

- active vision: In den meisten natürlichen Systemen ist das Sehen jedoch sehr aktiv, wie die Tatsache zeigt, dass das menschliche Auge über Photorezeptoren verfügt, die die Welt wahrnehmen, aber auch über extraokulare Muskeln, die die Orientierung des Auges steuern. Basierend auf den sensorischen Informationen und dem Top-Down-Wissen steuert und strukturiert das Gehirn aktiv den visuellen Input. Aus dem Fühlen resultiert nicht nur das Handeln, sondern auch das Fühlen.

- Augenbewegungen lassen sich unterteilen in konjugierte Augenbewegungen und Konvergenzbewegungen (Konvergenz/Divergenz der Sehachse)

- konjugierte Augenbewegungen lassen sich unterteilen in langsame und schnelle Blickbewegungen 

- langsame Blickbewegungen: 

1) kleine Blickbewegnungen: 

Driftbewegungen bei Fixationen
Amplitude 5-15 % der Sakkadenlänge
Dauer > 200 ms
Geschwindigkeit bis etwa 1 grad/sec
große individuelle Variabilität

2) Große Blickbewegungen

Blickfolgebewegungen
• Kompensation von Kopfbewegungen
• Folgebewegungen i. e. Sinne (bis etwa 50 grad/sek.)

- schnelle Blickbewegungen: 

1) Kleine Blickbewegungen: 

Fixationstremor, Mikrotremor,
physiologischer Nystagmus
Amplitude: 5-45 sec (Schober),
1-3 min (Schmidt), Frequenz: 20-150 Hz

Mikrosakkaden
= unregelmäßige schnelle Blicksprünge zur Korrektur von Driftbewegungen (?)

2) Große Blickbewegungen

(Makro-)Sakkaden
Amplitude max. 20 Grad (Ausnahmen selten)
Geschwindigkeit bis 600 grad/sek.
Sakkade wird von motorischem Programm ausgelöst, nach Start keine Korrekturen möglich, während Sakkade keine Informationsaufnahme
(mit Einschränkungen)

= Optokinetischer Nystagmus (z.B. aus dem fahrenden Zug schauen)

Die am weitesten verbreiteten aktuellen Designs sind videobasierte Eye-Tracker. Eine Kamera fokussiert auf ein oder beide Augen und zeichnet die Augenbewegungen auf, wenn der Betrachter auf eine Art von Stimulus schaut. Die meisten modernen Eye-Tracker verwenden das Zentrum der Pupille und nicht kollimiertes Infrarot/Nahinfrarot-Licht, um Hornhautreflexionen (CR) zu erzeugen. Der Vektor zwischen dem Pupillenzentrum und den Hornhautreflexionen kann verwendet werden, um den Betrachtungspunkt auf der Oberfläche oder die Blickrichtung zu berechnen.
Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)

- limbus tracking: Limbus-Tracking ist die optische Registrierung des Überganges zwischen Iris und Bindehaut (Sklera). Durch den hohen Helligkeitsunterschied zwischen der hellen Sklera und der Iris ist ein gutes Unterscheidungsmerkmal gegeben. Jedoch ist die äußere Randfläche der Iris nicht sehr scharf, so dass die Merkmalsselektion  dort besonders wichtig ist. Vertikale Augenbewegungen sind mit dieser Methode jedoch nicht zu erfassen, da die Iris zu einem großen Teil vom Augenlid bedeckt ist.

- pupil tracking: optische Registrierung des Übergangs zwischen Iris und Pupille 

- dual purkinje images: Diese Methode nutzt die unterschiedlichen Reflektionen des Lichtes, z.B. InfrarotLeuchtdioden, auf den verschiedenen optischen Grenzflächen des Auges aus. Diese als Purkinjebilder bezeichneten Reflexionen treten in verschiedenen Tiefen des Auges auf. Das erste Purkinjebild ist die Hornhautreflexion, das vierte tritt auf der Schnittstelle der Linse mit dem Glaskörper auf. Die Relation zwischen den beiden Bildern verändert sich  während Bewegungen der Augen.

- electro-oculography: Augenbewegungen erzeugen zwischen Hornhaut und Netzhaut elektrische Potenzialdifferenz. Durch Aufbringen von Hautelektroden nahe der Augen kann dieses Potenzial aufgezeichnet werden. Die Größe des Gleichstroms kann zur Messung der Augenposition und die des Wechselstroms zur Messung der Augenbewegung herangezogen werden

- contact lens search coils: mithilfe von speziellen Kontaktlinsen ist es möglich, sehr genau Aufzeichnungen der Augenbewegungen zu machen; search coil = kleine Spulen sind in Kontaktlinse eingebettet und genaue Positionierung der Linse erfolgt über Induktion hochfrequenter elektromagnetischer Felder eines Käfigs 

eine Samplingrate >200 Hz

- nicht perfekt, aber fast

Zeitliche Parameter

- Initiale Fixationsdauer: Dauer der ersten Fixation im Objekt, unabhängig davon, ob weitere folgen 

- Refixationsdauer: Dauer von Fixationen, die unmittelbar auf die initiale Fixation folgen vor dem ersten Verlassen des Objekts

- Blickzeit: summierte Dauer aller Fixationen innerhalb des ersten Blickes, d.h. von der initialen Fixation bis zum ersten Verlassen des Objekts

- Gesamtblickzeit: summierte Dauer aller Fixationen auf dem Objekt (inklusive Fixationen nach Interobjekt-Regressionen)

Räumliche Parameter: 

- Fixationswahrscheinlichkeit: relative Häufigkeit, mit der ein Objekt mindestens einmal fixiert wird; inverses Maß: relative Häufigkeit für das „Überspringen“ eines Objektes

- Sakkadenamplitude: Distanz zwischen der mittleren Position zweier aufeinanderfolgender Fixationen

- Fixationsposition: Innerhalb eines Objektes fixierte Position

- Fixationshäufigkeit: mittlere absolute Häufigkeit von Fixationen im Objekt, meist auf den ersten Blick bezogen (vgl. Blickzeit)

- Refixationshäufigkeit: relative Häufigkeit mindestens einer auf die initiale Fixation folgenden erneuten Fixation im Objekt

Regressionen: Rückwärtssprünge der Augen zu einem vorhergehenden Fixationspunkt oder Objekt

Refixation: erneute Fixation auf initiale Fixation folgend

Fixationspositionen, die unsystematisch und systematisch vom selektierten Ziel abweichen 

Invisible boundary-technique/preview benefit effect: wenn vor Fixation eines Wortes dasselbe nicht (oder nicht vollständig) dargeboten wurde, ist die nachfolgende Verarbeitung verzögert --> Spricht dafür, dass oft auch rechts von der aktuellen Fixation beim Lesen bereits Information verarbeitet wird

Spillover-Effekte: Lesen eines Wortes hat Auswirkungen auf das Lesen anderer Wörter

- 

- reflexiv-automatisches Niveau
- automatisierte Routinen, erlernte visuelle Strategien
- kognitive („willentliche“) Steuerung

zum Beispiel beim Autofokus "per Blick" in die Kamera (bereits seit den 90ern)

- Aufmerksamkeitsforschung

- Entscheidungsforschung (z.B. werden Optionen für die ich mich entscheide anders fixiert) 

- Entwicklungspsychologie (z.B. Fixation als Maß für Aufmerksamkeit bei Säuglingen)

- Psycholinguistik (z.B. Leseforschung)

- Verkehrspsychologie (z.B. Wie muss ein Schild designt sein, damit ich es möglichst zuverlässig erfasse?)

- Handlungskontrolle

Soziale Präsenz beeinflusst Steuerung unserer Aufmerksamkeitsressourcen (Wühr & Huestegge, 2010)

Wahrgenommene Blickrichtung als Hinweisreiz zur Aufmerksamkeitssteuerung (Frischen et al., 2007)

Blickzuwendung kann automatische Aufmerksamkeits-zuwendung bewirken (Senju et al., 2005)

Blickzuwendung als Indikator potentieller Aggression bzw. Zuneigung (Mason et al., 2005; Nichols & Champness, 1971)

Blickabwendung und Blickvermeidung als Indikatoren sozialer Submission (Terburg et al., 2012)

Blickinteraktion als Indikator von sozialem Status (Foulsham et al., 2010)