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WS25/26 Biopsychologie

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M. M.
Lernen
M. M.
Diese Lernkarten vermitteln grundlegende und fortgeschrittene Konzepte der Biopsychologie mit Fokus auf Gehirnstrukturen, -funktionen und -prozesse. Sie behandeln Themen wie neuronale Aktivität, Schlafregulation, Sprachverarbeitung in spezifischen Hirnregionen (z. B. Cortex, Thalamus, Hypothalamus) sowie Methoden zur Messung und Stimulation dieser Prozesse. Ideal für Studierende der Psychologie oder Neurowissenschaften, um neurobiologische Grundlagen und klinische Anwendungen zu verstehen.
Karten
389
Lernende
2
Sprache
Deutsch
Kategorie
Psychologie
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
28.04.2025 / 22.07.2026
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Lernkarten

Neurovaskuläre Kopplung

  • Ruheverbrauch Sauerstoff: 250ml/ min, Gehirn 20% davon
  • Zusätzl. Aktivität in bestimmter Hirnregion führt zu erhöhtem Sauerstoffverbrauch (CMRO^2), & vermehrt Stoffwechselmetabolite
  • Erweiterung lokale Arteriolen -> erhöhung lokale Durchblutung (is btw. erstma zu hoch -> zunahme oxygeniertes hämoglobin in der region)
  • Aktivität bestimmter Hirnregion -> erhöhung sauerstoffverbrauch -> erhöhung durchblutung

PET

 

  • positronen-emissions-tomographie
  • funktioniert grob mit dieser neurovaskulären kopplung
  • untersuchung stoffwechselprozesse (typisch glukosemetabolismus)
  • e.g. tumor - zu viel energieverbrauch in glioblastomen, demenz - zu wenig energie in manchen arealen, dopain d2/d3 rezeptorendichte

PET – physikalische grundlagen

 

  • Nachteil: nicht beliebig häufig mögl. -> radionuklide (instabil, radioaktiv <- e.g. 15O)
  • Aktomkerne zerfallen unter emission eines positrons  (halbwertszeit 15 O ca. 2 min)
  • Verschmelzung/ Annhilation  Positron & Elektron -> freisetzung annhilationsphotone -> entfernung in gegengesetzte richtung
  • Detekroring reakgiert mit koinzidenzschaltung, zwei genau gleichzeitig an verschiedenen stellen: annhilation irgendwo auf dieser linie (ganz viele linien: bereich des gehirns)

 

PET – Radiopharmaka/ tracer

 

= mit Radionuklid markierte Substanzen, die an gewöhnl. Stoffwechsel teilnehmen

  • Zur Messung nötige müssen kurz vor Messung hergestllt werden
  • herstellung meist mit zyklotron, dann makierung trägermolekül damit (kurzlebiges radioaktives isotop) (e.g. fluor-18)
  • Standardsubstanzen erlauben Messung Glukose-Metabolismus
  • Soezif. Radionuklide selektive Bindung an bestimmte Rezeptoren/ Enzyme -> erlauben tiefere Einblicke in funktionelle Neuroanatomie

 

Subtraksktionsverfahren

 

  • Ruhestoffwechsel überlagerung induzierte Aktivität -> Differnezbildung zwischen Bedingungen (bspw. Stimulation vs. Ruhe)
  • Verschiedene Gehirne unterscheiden sich anatomisch (Gyri, Sulci, Ventrikel)

= > Anatomische Standardisierung/ Normalisierung nötig

 

PET Vorteile vs. nachteile

 

Vorteile:

  • Pet erlabut erfassung aktivitäsinduzierter veränderungen des regionales blutflusses & charakterisierung endogener neurotransmission

Nachteile

  • Technisch anspruchsvoll, aufwendig, teuer
  • Asusetzung patient ionisierende strahlung -> wiederholungsmessung problematisch
  • Zeitl. Auflösung relativ. Niedrig
  • Anatomische referenzaufnahmen werden benötigt (MRT, CT) weil man muss struktur kennen

Magnetresonanztomographie

  • Entwickelt in den 1970er Jahren (Paul C. Lauterbur & Sir Peter Mansfield, 2003 Nobelpreis für Medizin)
  • Beruht auf dem Prinzip der Kernspinresonanz (NMR)
  • Keine ionisierende Strahlung
  • Strukturelle (Abbildung von Fett, Knochen, Ventrikeln, grauer und weißer Substanz) und funktionelle Messtechniken (neuronal induzierte Durch blutungsveränderungen) möglich

MRT – physikalische Grundlage

 

  • Wie groß kann der Mensch sein? Größere magnetfelder bei kleinem
  • Statisches Magnetfeld, Hochfrequenzsender, Empfänger von Hochfrequenzen

 

MRT - Wie funktioniert die Messung:

  • Protone (wasserstoffkerne) haben pos. Ladung, Spin -> magnetisches Dipol
  • Starkes äußeres Magnetfeld, parallelt/ antiparallel anordnung Protone
  • Zusätzlich horizontales Magnetfeld (Radiofrequenzpuls) -> lenkt Achse Protone -> „kegeln“ Larmorpräzession
  • Abschalten zusätzl./ horizontales Magnetfeld -> pendeln Protone zurück in ursprüngl. Ausrichtung & emittieren elektromagnetische Wellen
  •  Relaxationssignale werden von Hochfrequenzdetektoren gemessen (Bewegungskomponente: Längsmagnetisierung, Quermagnetisierung)
    • Aufbau Längsmagnetisierung (Spin-Gitter-Relaxation, spins zu umgebung), Zeitkonstante: T1
    • Racher zerfall Quermagnetisierung (Spin-Spin-Relaxation, spin zu spin), Zeitkonstante: T2

MRT – räuml. Zuordnung

  • Räuml. Zuordnung MR-Signal zu Voxeln (spezif. Orte)

Ortkodierungen (unabhängig)

  • Magnetische Schichtauswahl
  • Phasen-Enkodierung
  • Frequenz-Enkodierung
  1. Schicht wählen
  2. Zustäzl. Gradient erzeugt durch hochfrequenzpuls
  3. Phasenversatz? =>  nein: punkt klar, ja: punkt unklar

Aufgezeichnetes HF-Signal -> A/D Konvertierung -> K-Raum -> Fourier Transformation -> endprodukt

BOLD signal

(=blood oxygen level dependent)

  • unterschiedl. magn. verhalten oxy-  vs. desoxygeniertes hämoglobin
  • Oxygeniertes Hämoglobin wird in desoxygeniertes Hämoglobin umgebaut -> konstantes Verhältnis (normalerw. & Ruhezustand)
  • Neuronale Aktivität -> mehr oxygeniertes Hämoglobin antransportiert als gebraucht
  • oxy: diamagnetisch, kaum beeinflussung, mehr davon = höheres signal fmrt
  • desoxy: paramagnetisch, verursacht lokale inhomogenität im magnetfeld

= > Verhältnis oxygeniertes/ desoxygeniertes Hämoglobin verändert sich -> hämodynamische Reaktion

MRT – Datenverarbeitung

  • Vorverarbeitung
  • Einzelpersonen Analyes (1st. Level Statistics)
  • Gruppen Analyse (2nd Level Statistics)

Slice timing & realignment -> normalization & smoothing -> statistical analysis -> thresholding SPM, correction for multiple comperasions

 

MRT Vorteile

  • Nicht-invasive, indirekte Darstellung von neuronaler Aktivität im gesamten Gehirn (auch in subkortikalen Strukturen)
  • Hohe räumliche Auflösung (typische Voxelgröße 2-3 mm aber auch höhere Auflösungen möglich)
  • Relativ gute zeitliche Auflösung (im Sekundenbereich)
  • Keine Strahlenbelastung → Longitudinale Untersuchungen sind möglich

MRT Nachteile

 

  • Messungen sind anfällig für Artefakte
  •  Relativ hoher methodischer Aufwand
  • Viele Freiheitsgrade bei Vorverarbeitung und statistischer Analyse
  • Kontraindikationen: Metall im Körper

NIRS

  • Nahinfrarotspektroskopie
  • Misst auch Sauerstoffgehalt nur Bildlich/ hämodynamisch
  • Prinzip: Veränderung der optischen Eigenschaften von Gewebe je nach Hämoglobin-Sättigung des Bluts
  • Messung der Lichtabsorption mittels Detektoren erlaubt Trennung von stark und schwach durchbluteten Arealen

(veränderung blutfluss vermittelt durch u.a. nervenzellen, gliazellen, blutgefäßse)

NIRS Vorteile

  • Niedrigere technische Voraussetzungen im Vergleich zu anderen Bildgebungsverfahren
  • Mobile Messungen möglich
  • Hohe zeitliche Abtastung der hämodynamischen Reaktionen (> 10Hz)

NIRS Nachteile

  • Messungen sind anfällig für Artefakte
  • Auf kortikale Regionen begrenzt
  • Begrenzte räumliche Auflösung

Autonomes Nervensystem

Aufgaben: Konstanthaltung des inneren Milieus / Homöostase, weitgehend außerhalb bewusster Kontrolle

Sympathikus

  • Mobilisierung Energie
  • ergotrope Reaktionslage
  • thorako-lumbales System (seitenhorn rm, bereich brust, oberen lendenwirbelsäule)
  • Postganlionäre Neurone in Paraverebralganglien - Grenzstrang
  • prä: acetylcholin, post noradrenalin

Parasympathikus

  • Regeneration, Wiederherstellung Leistungsfähigkeit
  • trophotrope Reaktionslage
  • kranio-sakrales System/ sakrales rm, hirnstamm
  • Postganglionäre Neurone - bei Zielorganen
  • mainy acetylcholin (prä nikotinisch, post muskarinisch)

(+enterisches nervensysten - darmnervensystem)

= > funktioneller Synergismus

Peipherphysiologische Maße pro & contra

Vorteile

  • Vergleichsw. einfache Messung & Analyse
  • Zusatznutzen zu Verhaltensmaßen
  • Gruppenerhebung mögl.
  • Mobile Messungen (ambulantes Monitoring) mögl.

Nachteile

  • Teilweise anfällig für Habituation (Hautleitfähigkeitsreaktionen)
  • Realtiv niedrige zeitl. auflösung
  • Teilw. Konfundierung mit motorischen Reaktionen
  • Relativ hohe interindividuelle Variablilität

Elektormodale Aktivität - Anatomie

Ekkrine Schweißdrüsen

  • höchste Dichte an handflächen, fußsohlen
  • innervation rein sympathisch 
  • schweiß aufgrund hohen NaCl Gehalts gut leitfähig
  • acetylcholin (ungewöhnl., post - muskarinisch)

EDA - Messung

Bipolare, exosomatische Messung mit Ag/ AcCl-Elektroden

  • Napfelelektroden mit Elektrolytpaste
  • möglichst große Elektrodenflcähe 
  • mögliche positionen: mediale phalangen, distale phalangen, thenare/ hypothenare Erhebung der Handflächen 
  • langsames signal -> niedrige Aufzeichnungsraten ausreichend (ca.  10-20 Hz)
  • basierend auf ohm'schen Gesetz (R = U/I)
    • bei konstanhaltung stromstärke - messung hautwiderstand
    • kehrwertbildung: bei konstanthaltung spannung -> messung hautleitfähigkeit

EDA - Messgrößen

Tonische Maße

  • Hautleitfähigkeitslevel
  • Anzahl spontaner Fluktuationen (Non-specific responses, NSR)

Phasische Maße:

  • Hautleitfähigkeitsreaktionen auf konkrete Ereignisse

Wichtige Kenngrößen:

  • Latenz
  • Anstiegszeit
  • Gipfelzeit
  • Erholungszeit
  • Amplitudenhöhe (H)

Kardiovaskuläre Aktivität

smypathikus & parasympathikus innerviren das herz & modulieren autorhythmie

wirkung auf mehreren ebenen

  • chronotrop: einfluss auf herzscglagfrequenz
  • inotro: einfluss auf kontraktionsfähigkeit
  • dromotrop: einfluss auf erregungsleitung

sympathikus innerviert die peripheren blutgefäße & bewirkt vasokonstriktion

Elektrokardiodiagramm (EKG)

  •  Erste non-invasive Messungen durch Willem Einthoven (Nobelpreis für Medizin 1924)
  • Messung der elektrischen Aktivität des Herzens
  • Relativ starkes Signal, keine besonderen Anforderungen an Signalverstärker
  • Je nach Elektrodenposition Betonung unterschiedlicher Komponenten
  • Schnelle Signaländerungen erfordern hohe Aufzeichnungsraten (> 200 Hz

EKG - messung, signalkomponenten, messgrößen

  • einthoven dreieck (elektroden an Handgelenken & Fußgelenk)
  • Signalkomponente:
    • P-Welle: Vorhoferregung, Reizbildung sinusknoten
    • QRS-Komplex: kammererregung
    • T-Welle: Erregugnsrückbildung der Kammern
  • Messgrößen Herzschlagfrequenz
    • Tonische Maße:
      • Anzahl Herzschläge, übl. über R-Zacken identifiziert,
      •  Ausprägung bestimmter Frequenzbänder in Herztätigkeit
      •  Herzratenvariabilität
    • Phasische Maße:
      • Kurzfristige Verlangsamung/ Dezeleration oder Beschleunigung / Akzeleration Herzschlag
      • Bestimmung über gewichtete Mittelwerte 
      • Echtzeitskalierung 

Herzratenvariabilität

Autoryhtmie: fähigkeit selbst elektrische impulse - steuerung herzschlag - maßgebl. regulierung über sinusknoten (auch av/atrioventrikularknoten, langsamer, ersatz bei ausfall sinusknoten)

  • Oszillationen des Baroreflexes (LF)
  • Niederfrequentes Band: mischung sympathischer & parasympathischer Einflüsse
  • Höherfrequentes Band: Index parasympathischer Aktivität, zusammenhang herzschwankung & atemfrequenz (respiratorische sinusarhtymie) -> ausgeprägtes band is gut
  • variabilität is gesund

Periphere Durchblutung durch welche weiteren lokalen faktoren beeinflusst?

Messung

  • periphere blutgeäße an Hand liegen in/ direkt unterhalb Haut
  • erhöhung sympathikustonus führt zu Vasokonstriktion der Blutgefäße -> periphere Blutmenge nimmt ab
    • funktion: blut mainly für wichtige organe, minimieren wärmeverluste
  • durchblutung/ gefäßweite beeinflusst durch lokale faktoren (temp, sauerstoff, kohlendioxid, hormone) 
  • Photoplethysmographische Messung peripherer Durchblutung mittels Durchlichtmethode / Reflexionsmethode

Interpretation

  • resultierendes signal kann grundsätzl. zu Herratenbestimmung eingesetzt werden ABER puls-transit-zeit variiert mit blutdruck (höher = schneller)
  • quantifikation periphere durchblutung über bestimmung blutvolumen/ pulsvolumenamplitude
  • immer nur relative aussagen mögl.

Blutdruck

pos. korrel. Kontraktionskraft Herz & peripherer Wiederstand

arterieller Blutdruck

  • Bestimmt durch: Auswurfleistung Herz (symp/ parasymp einflüsse), peripherer Widerstand (symp. Einflüsse)
  • Systole: druckmaximum (erzeugt durch Auswurfkraft Herzens)
  • Druckminimum: Diastole (dauerdruck im arteriellen Gefäßsystem) 

Werte: (angegeben in hoch systolische, niedrig diastolisch)

  • Optimal: 120 - 80
  • normal: 130- 85
  • hochnormal: 130-139 - 85 - 89
  • hypertonie: ü. 140 - ü. 90

Blutdruck Messung

Riva-Rocci: oberarmmanschetter, nicht geeignet für kontinuierliche Messungen

Nikolai Sergejewitsch Korotkow: erweitertes Verfahren, klopfgeräusche systolischer Wert, keine geräusche diastolischer Wert

Penaz-Prinzip: kontinueirliche nichtinvasive Messungen, kleine Fingermanschette, etnspricht arteriellen blutdruck, blutvolumenfluss

Maßeinheit: millimeter quecksilbersäule (mmHg)

Muskuläre Aktivität

Anatomie

  • jede Muskelfaser nur von einem Motoneuron innerviert
  • ein motoneuron kann viele muskelfasern innervieren (feinmotorik 1:1, grobmotorik 1:1000)
  • ausschüttung acetylcholin an motorischer endplatte löst in musklefaser eine wandernde depolarisation aus (5-6 ms) -> muskel kontrahiert
  • depolarisation muskelfaser bewirkt lokale negativierung -> wanderende potentiale pflanzen sich zur hautoberfläche fort -> werden durch bipoalr angebrachte Nadel/ Oberflächenelektroden registriert (EMG, elektromyogramm)

 

 

Muskuläre Aktivität  Schritte für interpretierbarkeit rohsignal

Signalcharakteristika

  • biphasisch (pos./ neg.)
  • bretier frequenzbereich (50-500 Hz)

Messung

  • Elektrodenplatzierung: je nach Foschungsfragestellung (bspw. messung mimischer reaktion)
  • schritte für interpretierbarkeit von rohsignal: 
    • rektifikation (gleichrichtung bi-monophasisch, durch betragsbildung)
    • geglättet (gleitender mittelwert, low pass filter) - reduziert schwankugnen
    • integration (gesamktak. pro zeitintervall/ stimuli quantifizierne)

 

Startle Reflex

Schreckreflex

  • Messung über EMG der Orbicularis Oculi
  • bidriektionale Modulation des schreckreflexes -> Valenzindikator

Auslösung

  • akustisch
  • visuell
  • kutan (elektroreiz)
  • luftstoß

wofür sind Verfahren der neurostimulation relevant?

kausale Zusammenhänge

Kriterien für Kausalschlüsse

  • Stimulationseffekt
  • Effekt der Stimulationsstärke
  • Spezififätt
  • Experimentelle Kontrolle
  • Kohärenz über Methoden 
  • Umkehrbarkeit

Transkranielle Magnetstimulation

TMS, Methode Neurostimulation

Stimulationsprinzip

  • elektromagnetische induktion durch extrem kurze & starke Magnet felder (100-600 ms, bis zu 3t)
  • unterschiedl. spulenformen resultieren in unterschiedl starker Ausprägung & Verteiltung Effekte 
  • oft Doppelspulen (figure-of-eight), ermögl. sehr fokale Stimualtion, präzise positionierung relevant (überlappung) => Neuronavigiertes TMS
  • Bewegungen Probanden müssen kontrolliert/ ggf. korrigiert werden -> automatische nachjustierung durch Roboterarme
  • Physiologie: depolariseriung neuronales gewebe, ggf. verstärkung EPSP/IPSP
  • Single Pulse/ Paired Pulse/ Repetitive Stimulation/ Theta-Burst-Stimulation - intermittierend o. kontinurielrich
  • Messung motorischer evozierter Potentiale für neuologische Funktionsidagnostik/ grundlagenwissenschaftl. Fragestellung

Repetitive Stimulation

rTMS, gehört zu transkranielle magnetstimulation, gehört zu Neurostimulation

  • effekte länger anhaltend, variieren je nach Stimulationsfrequenz
  • <= 1 HZ: inhibitorisch
  • >= 5HZ: Exzitatorisch
  • potentiell physiologischer mechanismus, langzeitdepression & potenzierung

Pro & Contra TMS

Pro:

  • räuml. sehr genaue Stimulation Hirngewebe
  • rTMS länger anhaltende Effekte

Contra:

  • Stimulation auf Cortexoberfläche begrenzt
  • nähe Gesicht (präfrontal)/ Nacken (visueller Cortex) kompliziert (wegen Muskulatur)
  • kann epileptische Anfälle auslösen

Trankranielle Gleichstromstimulation 

Neurostimulation, tDCS

  • auf kopfhaut angebrachte elektronen, geringe Ströme (e.g. 2 mA) gedämpft durch Hirnhäte/ Schädel etc. -> 50% der Ausgangsdichte
  • Anode & Kathode Schädeloberfläche Anode +, Kathode - 
  • Platzierung
    • F + C: Primärer motorcortex
    • F + F: dorsolateraler präfrontaler cortex
    • C + O: visueller cortex
  • Stromfluss verändert Ruhepotential, Anode potential rauf, katode potential runter -> erleichtert/ erschwert Auslösung AP

Transkranielle Gleichstromstimulation pro & contra

pro

  • tDCS weniger Nebenwirkungen als TMS
  • stimulation doppel-blind mögl.

contra

  • begrenzt auf cortexoberfläche
  • räuml. unspezifisch (da große teile cortexoberfläche durch stromfluss erreicht)
  • interpretation effekte schwierig -> immer 2 elektroden benötigt -> gegenteilige effekte an 2 unterschiedl. orten

Transkranielle Wechselstromstimulation 

Neurostimulatioon, tacs

  • stimulation über elektroden auf kopfhaut, ewchselstrom durch alternierende polaritäten der elektroden
  • set up katode, anode wie tDCS nur anderes appliziertes Signal
  • inverse beziehung zwischen Frequenz & Amplitude, Grenzen der Frequenzbänder oft uneinheitl.
  • Physiologie: Wechselstrom -> entrainment neuronale Aktivität -> kausaler zusammenhang zwischen neuronalen oszillationen & psychischen prozessen untersuchbar

Study