Biopsychologie - Forschungsmethoden

2- Desoxyglukose Technik:

• radioaktive 2- DG wird injiziert
• Versuchstier wird in eine Testsituation gebracht.
• Tötung des Tieres und Entnehmung des Gehirns.
• Teile die während des Tests aktiv waren haben viel 2- DG absorbiert.  nun erkennbar durch Autoradiographie

Cerebrale Dialyse:

• Messung extrazellulärer Konzentration bestimmter neurochemischer Substanzen mit Hilfe implatiertenRöhrchens mit semipermeabler Membran
• Analyse mittels Chromatographen

Immunocytochemie:

• Spezifische Radioaktiv markierte Antikörper binden an spezifische Enzyme welche zur Synthese eines spezifischen Neurotransmitters nötig sind
• Ansammlungen des Stoffs markieren dann die Lage des interessierenden Neuroproteins.

In-situ-Hybirdisierung:

• Hybrid-RNA Stränge mit Basensequenz komplementär zu mRNA, die die Synthese des Zielneuroproteins steuert.
• Markierung der Hybrid RNA Stränge mit radioaktivem Stoff  
• Aussetzung von Gehirnschnitten mit den markierten Hybrid RNA Strängen; binden an komplementäre mRNA Stränge und markieren so die Position von Neuronen, die Zielprotein freisetzen.

Gen- Knockout- Techniken:

• Organismenerzeugung, denen bestimmtes zu untersuchendes Gen fehlt.
• Problem: die meisten Verhaltensmerkmale werden von mehreren Genen beeinflusst
• Elimination eines Gens beeinflusst andere Gene und Erfahrung beeinflusst Expression von Genen

• Lösung: durch Antisense- Pharmaka können Lebewesen sich normal entwickeln, aber dann wird die Expression eines Gens gehemmt, in dem man in ihr Gehirn eingreift.

• Bsp: Knock-Out-Mäuse

• ein Gen kann ersetzt werden durch ein Gen das bis auf einige zusätzliche Basen identisch ist.

•  Gen kann in Reaktion auf bestimmte chem. Substanzen an und ausgeschaltet werden.

•  Untersuchung von „pathologischen Genen“ an transgenen Tieren möglich

GFP= grün floureszierendes Protein bei Anregung mit blauem Licht

• Strategie: Aktivierung in zu untersuchenden Zellen zu deren Visualisierung
• Einsetzung entweder nur in die Zielzellen oder in alle Zellen, aber nur in Zielzellen zur Expression gebracht
• kleine Veränderungen um GFP -> Synthese verschiedenfarbig floureszierender Proteine

"Brainbow"

• mutierte Gene für türkis/gelb/blau FP in Genom, sodass die Expression in alles Neuronen
• Axone verfolgbar, da jedes Neuron eine unterschiedliche Färbung hat

• ausgelegt um Vorhandensein einer Hirnschädigung festzustellen
• liegt eine strukturelle Hirnschädigung vor oder Probleme auf Grund funktioneller Veränderungen?
•  Ansatz nicht erfolgreich, nicht möglich einen einzigen Test zu entwickeln der gegenüber allen psychischen Symptomen sensitiv ist.

• standardisierte Gruppen von Tests anstatt eines einzelnen.
• Weit verbreitet: Halstead-Reitan-Testbatterie
• nur teilweise erfolgreich:
  • Unterscheidung zwischen neurologischen Patienten und hirngesunden möglich
  • nicht aber zwischen neurologischen und psychiatrischen Patienten.

Ziel: Identifizierung einer Hirnschädigung + deren Beschreibung 

• Zuerst Standard- Batterie von Tests
• je nach Ergebnis dann individuelle zusätzliche Tests, die einzelne Aspekte psychischer Funktionen erfassen

Intelligenztest

•  Z.B. WAIS (Wechsler Aduls Intelligence Scale)

Gedächtnistests

• Ermittlung Gedächtnisspanns mittels Zahlen nachsprechen (magical number 7)
• Wissenstests

Sprachtests

• Z.B. Token-Test: Plättchen unterschiedlicher Form, Farbe und Größe
  •  Aufforderung z.B. das „rote, große Quadrat  zu berühren

Test von Sprachlateralisierung

• Gewöhnlich linke Hemisphäre aber nicht immer
• Natrium-Amytal-Test (Wada-Test)
  • Betäubung einer Hemisphäre mittels Injkektion in ipsilaterale Karotisarterie
  • Wenn „Sprachhemisphäre“ P. für ca. 2 Minuten stumm
• dichotischer Hörtest
  • Auf beide Ohren gleichzeitig 2 unterschiedliche Folgen von 3 Ziffern
  •  Es können mehr Ziffern vom kontralateral zu Sprachhemisphäre gelegenem Ohr wiedergegeben werden

• Untersuchung des impliziten Gedächtnisses
• Ablauf: 1. Wortliste lesen  2. Wortfragmente vervollständigen
• Störung des expliziten Gedächtnisses bei intaktem impliziten Gedächtnis:
  • Fragmente können gleich gut ergänzt werden aber keine Erinnerung woher dieses Wissen kommt

• P. soll diese Karten auf Stapel sortieren
• Bekommt Feedback ob richtig oder falsch
• P. muss Regeländerungen anhand des Feedbacks erschließen
• P. mit Frontallapenschädigung zeigen häufig Perseverationen – sie schaffen es nicht einen Regelwechsel umzusetzen

• Allgemeiner Aktivität
• Anzahl Boli (Kotbällchen)
• Verhaltensweisen wie putzen und aufrichten
  •  Ängstliche Ratten produzieren viele Boli und sind thigmotaktisch (wenig putzen etc., hält sich an Wänden auf)

• Vierarmiges Labyrinth 50cm über dem Boden
• Offene und geschlossene Arme
• Begriff: anxiolytsche (angstlösende) Substanzen erhöhen Zeit in offenen Armen
• rel. Aufenthaltsdauer als Ängstlichkeitsmaß

Beim Männchen:

• Anzahl der Besteigungen bis Intromission erreicht wird
• Zahl der Intromissionen um Ejakulation zu erreichen
• Intervall zwischen Ejakulation und Wiederaufnahme des Besteigens.

Weibchen:

• Lordosequotient, Anteil der Besteigungen die eine Lordose auslösen.

• Ratten fressen unbekanntes Fressen
• Emetikum erzeugt Übelkeit
• Ratten meiden Futter

Besonderheiten:

• Zeitliche Kontiguität nicht so wichtig
• Prinzip der Äquipotentialität widerlegt da sich bestimmte Assoziationen besser lernen lassen

• Aufbau: 8 oder mehr Arme um sternförmige Startzone
• Z.B.: Ratten lernen, dass nur bestimmte Arme Futter enthalten

• Musterloses Becken mit milchigem Wasser
• Rettungsplattform knapp unter Wasser
• VT muss solange schwimmen, bis es Plattform erreicht
• VT lernt Plattform schneller zu erreichen

• durch einen einzigen aversiven Reiz zb ein Testobjekt an der Wand, der einen Schock, Luftstoß oder schmerzhaften Geruch auslöst, lernt die Ratte bei nur einem Durchgang, dass das Testobjekt eine Bedrohung ist und vergräbt dieses mit dem Streumaterial
• Angstreduzierende Pharmaka vermindern das Verhalten.

Computertomographie

• Patient liegt in Röntgenröhre, die Röntgenstrahl durch Kopf zu einem Röntgenstrahlendetektor projiziert.

• Viele einzelne Bilder auf einer Ebene des Gehirns werden erstellt.

• Informationen werden am Computer zusammengesetzt.

• für dreidimensionales Bild werden 8-9 Ebenen des Gehirns gewählt

• Nachteil: Strahlung

Magnet-Resonanz-Tomographie

• Messung von Wellen, die Wasserstoffatome ausstrahlen, wenn sie über Radiowellen in einem Magnetfeld erregt werden.

• hohe räumliche Auflösung, stellt Unterschiede in der räumlichen Lage dar,

• drei-oder zweidimensional, Einfärbung möglich

• keine Strahlenbelastung

Positronen-Emissions-Tomographie

• liefert Bilder der Gehirnaktivität (=funktionelle Bildgebung), nicht der Gehirnstruktur

• Injektion radioaktiver 2-Desoxyglukose (2-DG)  in die Karitosarterie

• Aufnahme durch aktiven Neuronen, da ähnlich zur Glucose, sammelt sich dort an bis sie allmählich zerfällt.

• PET Scan liefert farbdifferenziertes Abbild der Stärke der Radioaktivität

• KEINE echten Abbilder des Gehirns, eher farbige Karte der Radioaktivitätsstärke

  • wird über Gehirnbild gelegt, um Bereiche ausfindig zu machen

Funktionelle MRT

• Bilder, die die Veränderungen in der Sauerstoffsättigung des Blutes in aktiven Bereichen des Gehirns anzeigen.

  1. Aktive Gehirnregionen nehmen mehr oxygeniertes Blut auf als andere

  2. Oxygen beeinflusst die Wirkung von Magnetfeldern auf Eisen im Blut

  3. BOLD-Signal: blood-oxygen-level-dependent signal

• Vorteile:

  • nicht invasiv(keine Injektion notwendig)

  • liefert sowohl strukturelle als auch funktionelle Informationen

  • räumliche Auflösung ist besser

  • dreidimensionale Bilder der Aktivität des Gehirns erzeugbar

• Nachteil: für viele neuronale Aktivitäten zu langsam, Aufnahme dauert 2-3sec, AP: msec!

Magnetencephalographie

• Registrierung der Gehirnaktivität durch Messung der Veränderungen in den Magnetfeldern auf der Oberfläche der Kopfhaut ohne direkten Elektrodenkontakt

• sehr gute zeitliche und räumliche Auflösung; misst vorwiegend Aktivitäten in den Furchen

funktionelle Nah-Infrarot-Spektroskopie

• Messung von Sauerstoffgehaltveränderungen   im Blut & Blutflussveränderungen

• infrarotes Licht durchdringt biologisches Gewebe rel. gut,

• des- und oxygeniertes Blut: charakteristische Absorptionsspektren

  •  Rückschlüsse auf Aktivitäten, hauptsächlich für frontalen Kortex
•  vgl. fMRT: billiger, unschädlicher & weniger Bewegungseinschränkung  

aber : nur in oberflächennahen Gehirngebieten erfassbar, geringere Auflösung

• Sammlung von Rohdaten verschiedener Forschungen, damit andere Forscher ihre eigenen Befunde mit ähnlichen vergleichen oder kombinieren können.

• PET, fMRT und MEG -Schwäche:

  •  können Korrelation zwischen Gehirnaktivität und kognitiver Aktivität aufzeigen

  • nicht aber den Kausalzusammenhang

Transkranielle Magnet-Stimulation

• Unterbrechung der Aktivität in einem Bereich des Cortex  durch ERzeugung eines Magnetfelds neben dem Schädel

• Während ein Teil ausgeschaltet wurde kann dann die Auswirkung auf Verhalten und Kognition untersucht werden.

Elektroencephalographie

• misst elektrische Gesamtaktivität des Gehirns (hauptsächlich aus Windungsoberflächen)

•  Ausgangspunkte bestimmter Wellen ermittebar

• Assoziation bestimmter EEG- Wellen mit bestimmten Bewusstseinszuständen möglich

• Ereigniskorrelierte Potentiale (EKPs), Bsp.: sensorisch evozierten Potentiale(SEP), die durch kurzzeitige Präsentation einen sensorischen Reizes ausgelöst werden.

Problem: Hintergrundrauschen, das häufig sehr stark ist, sodass SEP maskiert werden.

• Signalmittelung. Aufzeichnung von sehr vielen (zB 1000) Spuren. Daraus wird Mittelwert berechnet zu Aufhebung des Einflusses des Rauschens -> gemittelte evozierte Potentiale (AEP)

P300-Welle: 300msec nach präsentiertem Reiz, wenn er bedeutsam ist für den Pbn

Hirnstammpotentiale: kleine Wellen wenige msec nach Präsentation, unbeeinflusst von Bedeutung

! Quelle von Signalen kann nur grob geschätzt werden, oft Methodenkombi, bsp. MRT.!

Elektromyographie (SNS)

• Zwei Elektroden an Hautoberfläche des Muskels
• Rohsignal = Anzahl kontrahierter Muskelfasern
• EMG-Ausschläge pro Zeiteinheit zur Auswertung
• Indikator für Arousal

• Schreckreaktion: Höhe der Amplitude des EMGs am musculus orbiscularis oculi

Elektrookulographie(SNS)

• häufig zum Erfassen visueller Aufmerksamkeitsprozesse
•  zwischen Vorder(+)- und Rückseite(-) des Augapfels besteht konstante Potentialdifferenz. Veränderung der Potentialdifferenz zeigen Augenbewegung an.
• Horizontal: Elektroden links und rechts, Vertikal: oben &unten

Emotionale Gedanken und Erlebnisse erhöhen die elektrische Hautleitfähigkeit. Elektrodermale Aktivität wird bestimmt über :

• skin conductance level (SCL) = Hintergrundniveau in bestimmten Situationen

• skin conductance reaction (SCR) = Maß für vorübergehende Veränderungen (Ereignisse)

• ANS!

besteht aus Aktivität der Blutgefäße & des Herz (ANS)

• System zur Verteilung von Sauerstoff und Nährstoffen, Entfernung von Abfallprodukten und Übertragung chemischer Botschaften.

• steht in Beziehung zu Emotionen

Elektrokardiogramm

• Messung der Herzrate über Elektroden auf Brustkorb 
• Durchschnittlicher Ruhepuls: 70bpm

Sphygmomanometer

• Messung des Blutdrucks

• wird im Verhältnis von Herzkontraktion (Systolen; Druckmaximum) und Entspannung (Diastolen, Druckminimum) in Millimetern Quecksilbersäule (mmHg) angegeben.

• Normal: ca. 130/70 mmHg

Plethysmographie

• Messung Blutvolumen mit Dehnungsmessstreifen oder Lichtdurchlässigkeit

1. Schaffung einer Baselinebedingung in welcher alles wie in der Taskbedingung ist bis auf das zu untersuchende Merkmal
2. Schaffung eines Differenzbildes durch abziehen der Baselinebedingung von der Taksbedingung
3. Viele Durchgänge erlauben eine Signalmittelung

• experimentelle Vorrichtungen werden präzise innerhalb des Gehirns positioniert.

• Wichtig: Atlas(als Wegbeschreibung) und ein Instrument um dorthin zu gelangen

• da Gehirn dreidimensional ist, wird Gehirn„scheibchenweise“ betrachtet in Schnitten

• es werden alle Entfernungen zu einem bestimmten Bezugspunkt (Bregma) angegeben.

• Stereotaktischer Apparat = Kopfhalterung & Elektrodenhalterung, hält einzuführendes Gerät

• mit bipolarer Elektrode werden neuronale Strukturen stimuliert.

• kann Verhaltenssequenzen wie essen, trinken, angreifen, kopulieren und schlafen auslösen.

Teil des Gehirns wird entfernt, beschädigt oder zerstört um die Funktionen dieses Teils zu bestimmen. 4 Typen

• Aspirationsläsionen: Aspiration = Absaugung des kortikalen Gewebes

• Radiofrequenzläsionen: Radiofrequenzstrom  durch Zielgewebe geleitet. Hitze zerstört dann dieses Gewebe. Größe und Form abhängig von Dauer, Intensität und Elektrodenspitze

• Transsektionen: (Durchtrennung) wird verwendet um Weiterleitung in einem Nerv oder Trakt auszuschalten, Einführung stereotaktischer Apparate, dadurch kleines Messer o.ä.

• Kryogene Blockade: Kühlflüssigkeit kühlt Neuronen ab, bis sie ihr Feuern einstellen. Dabei entstehen keine strukturelle Schäden. Bei Erwärmung kehrt neuronale Aktivität zurück. Reversible Läsionen, auch Lokalanästhetika verwendbar

• Interpretation von Läsionen schwierig, da oft benachbarte Strukturen mitbeschädigt werden

  • bilateral: Läsionen betreffen beide Gehirnhälften

  • unilateral: Läsionen betreffen nur eine Seite

Intrazelluläre Zellableitung:

• kontinuierliche Aufzeichnung im Membranpotential eines einzelnen Neurons (zb Aufzeichnung eines Aktionspotentials),
• an chemisch bewegungsunfähigen Tieren untersucht

Extrazelluläre Zellableitung:

• wenn Neuron feuert wird ein leuchtender Punkt auf dem Oszilloskop registriert, da el. Störung auftritt und Elektrodenspitze ein Knacken registriert
•  keine Info über Membranpotential, heutzutage an 100 Neuronen parallel → Korrelationen

Summenableitungen:

• größere Mikroelektrode registriert viele Signale von mehreren Neuronen.
• Signale werden aufsummiert. Summe der Aktionspotentiale/Zeiteinheit

Invasive EEG- Ableitung:

• EEG Signale über große, implantierte Elektroden (keine Oberflächenelektroden)

• normalerweise an Labortieren
• Läsionsmethoden
• Stereotaktische Chirurgie
• elektrische Stimulation
• invasive Ableitungsmethoden