03411 1. Biologische Grundlagen V. Erfassungsmethoden der Biologischen Psychologie

Nicht-Invasive Verfahren

• keine körperliche Verletzung
• werden in der Forschung in der Regel verwendet

Invasive Verfahren

• bereits kleinste Verletzung bei Blutabnahme
• Einsatz muss aus ethischen Gründen bestens überlegt sein, möglicher Einsatz nicht-invasiver Verfahren intensiv prüfen
• Arzt ist zu beteiligen
• Betroffene Person muss zustimmen und entsprechend informiert worden sein
• Im Forschungskontext: Zustimmung von Ethikkommission muss eingeholt werden wenn invasive Verfahren bei Mensch oder Tier

Röntgenbild

• liefert erste Aufschlüsse über Form und Struktur des Gehirns
• Röntgenstrahlen durchdringen Gehirn -> werden unterschiedlich stark absorbiert -> zweidimensionales Abbild ergibt sich
• Verschiedene Aufnahmewinkel lassen Rückschlüsse auf dreidimensionale Struktur zu
• Relativ hohe Strahlenbelastung
• Kontrastarme Aufnahmen
• Wird vor allem in Klinik zur Darstellung von Verletzungen genutzt

Computertomographie (CT)

• Weiterentwicklung der Röntgentechnik
• Röntgenröhre fährt 360° um Kopf, erstellt Schnittbilder im Abstand 1-10mm
• Kontrastreiches, räumliches Bild der Gehirnstrukturen entsteht
• Strahlenbelastung
• Vor allem Verwendung in medizinischer Klinik z.B. Darstellung degenerativer Prozesse des Gehirns die Demenz

Elektroenzephalogramm (EEG)

• zeichnet hirnelektrische Vorgänge auf
• Elektroden werden auf Schädeloberfläche aufgesetzt, zeichnen Potentialschwankungen (Spannungsschwankungen) auf
• Schwankungen entstehen durch exzitatorische oder inhibitorische Prozesse an den Neuronen des Kortex ->laufen in relativ großen Neuronenpopulationen synchron und gleichartig ab -> um die Neuronen aufgebaute elektrische Felder ändern sich aufgrund der Dipoleigenschaften -> wird durch Elektroden erfasst werden -> kann auf Zeitstrahl abgebildet werden
•  Eine Elektrode erfasst Spannungsänderungen die von 100.000 bis 1.000.000 Neuronen verursacht werden
• In der Regel werden Standardableitungen genutzt -> Festlegungen wo die Elektroden am Schädel zu platzieren sind

Spontan-EEG

• zeigt dauernd bestehende Grundaktivität des Gehirns, wird ohne spezielle Reizung abgeleitet
• zeigt rhythmische Potenzialänderungen mit Frequenzen zwischen 0,5 und 50 Hz, die Amplituden der Potentiale liegen zwischen 1 und 200 μV

Frequenzbänder (Frequenzbereiche)

• bestimmte treten häufiger miteinander auf -> lassen sich verschiedenen Aktivierungszuständen zuordnen
• Kinder und Hirnerkrankungen haben andere Muster als Erwachsene

Alpha-Wellen (α-Wellen)

• synchronisierte Wach-EEG, entspannter Wachzustand
• Frequenzbereich von 8 bis 13 Hz, Amplitude zwischen 5 und 100 μV
• entstehen durch Schrittmacherfunktion des Thalamus ->  wird seinerseits von der Formatio retikularis beeinflusst 

Beta-Wellen (β-Wellen)

• Frequenzbereich von 14 bis 30 Hz, Amplituden zwischen 2 und 20 μV
•  bei mentaler und körperlicher Aktivität.
• werden auf intrakortikale Neuronennetzwerke zurückgeführt

Gamma-Wellen (γ-Wellen)

• 30 bis 100 Hz, 2 bis 10 μV
• zeigen anscheinend vor allem neuronale Aktivität bei der Repräsentation und Analyse von Wahrnehmungsobjekten an.
• bilden exzitatorische und inhibitorische Verschaltungen im Kortex ab

Delta-Wellen (δ- Wellen)

• 0,5 bis 4 Hz, 20-200 μV
• Schlafstadien 3 und 4
• beruhen auf der maximalen Synchronisation großer Neuronenpopulationen

Theta-Wellen (θ-Wellen)

• 5 bis 7 Hz, 5 bis 100 μV
• Entspannungsphase vor dem Einschlafen, aber auch bei Konzentration
• Werden auf die Tätigkeit neuronaler Netzwerke mit Hippocampus-Anteilen zurückgeführt

Frequenzanalyse

• Spontan-EEG kann durch verschiedene Frequenzanalysen ausgewertet werden
• Frequenzverteilung im Spontan-EEG ist intraindividuell stabile Größe
• werden genutzt, um Aussagen über die kortikale Aktiviertheit von Personen zu machen -> desynchronisiertes EEG spricht für höhere Aktiviertheit.
•  Schlafforschung: EEG wird verwendet, um Aussagen über die Schlaftiefe beziehungsweise die verschiedenen Schlafphasen zu machen.

Frequenzhistogramm

• die prozentuale Häufigkeit des Auftretens der verschiedenen Frequenzbänder wird aufgetragen

Powerspektrum

• beruht auf der Amplitude der EEG-Frequenzen
• macht Aussagen über die Verteilung der Amplitudenhöhen („power“ in Watt pro Hz) pro Frequenz oder Frequenzband

Null-Linien-EEG

• EEG-Ableitung zeigt keine Aktivität
• Hirntod
• Kriterium für Tod eines Menschen

Bereitschaftspotential

• Verschiebung zu negativen Werten
• entsteht ungefähr eine Sekunde vor der motorischen Aktivität über motorischen Kortexarealen und zeigt die Bewegungsplanung an

kontingente negative Variation (contingent negative variation = CNV)

• langsame Potentialverschiebung zu negativen Werten
• wird in der Zeit beobachtet, wenn ein erster Reiz einen zweiten Reiz angekündigt hat, auf den eine Reaktion (nicht unbedingt motorischer Art) erfolgen soll
• wird als „Vorbereitung“ interpretiert -> Depolarisation begünstigt Auslösung von Aktionspotentialen

ereigniskorrelierte oder evozierte Potentiale

• typische Potentialverläufe, tretenin Folge von äußeren Ereignissen oder Reizen auf
• erste Positivierung (P1) im EEG ca.100 ms nach der Reizapplikation, gefolgt von einer ersten Negativierung (N1), danach je eine weitere Positivierung und Negativierung (P2 und N2), schließlich die dritte und größte positive Auslenkung (P3 oder P300, da sie ungefähr 300 ms nach dem Reiz auftritt)
• Amplituden sind im Vergleich zum Spontan-EEG sehr gering -> Mittelungsverfahren wird zur Darstellung  verwendet -> dabei wird der Reiz mehrfach appliziert und die jeweils entstehenden Potentialverläufe rechnerisch übereinandergelegt
• werden abgeleitet, um die Funktionsfähigkeit sensorischer Systeme zu überprüfen
• Bedeutung von Reizen spiegelt sich in Verlauf und Amplitude der ereigniskorrelierten Potentiale wieder: die ersten Komponenten reflektieren exogen determinierte Eigenschaften des Reizes wie dessen Intensität, die späteren Komponenten (insbesondere die P300) reflektieren endogen bestimmte Eigenschaften wie die emotionale Bewertung oder die zugeschriebene Bedeutung 

Brain-Mapping

• Darstellungsmethode,
• Aktivität des Gehirns wird in Bilder übersetzt
• Z.B.: die Amplituden abgeleiteter Potentiale von allen Elektroden werden zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasst und auf eine Schema-Zeichnung eines Gehirns übertragen -> Verbindung von Werten gleicher Höhe (ähnlich wie bei den Höhenlinien einer Landkarte oder den Isobaren einer Wetterkarte) und Einfärbung ähnlich aktivierter Bereiche -> Bild der verschiedenen Aktivierungsstufen des Kortex entsteht (z.B. bei einer Denkaufgabe)

Magnetenzephalographie (MEG)

• Erfassung neuronaler Gehirnaktivitäten durch die Erfassung elektromagnetischer Feldlinien, entstehen durch Aktivität kortikaler Neuronen
• Erfassung kann präziser als im EEG erfolgen -> Ausbreitung von Magnetfeldern wird nicht durch die unterschiedlichen Gewebsarten des Gehirns beeinträchtigt & Sensoren nicht auf Kopfhaut sondern von 10 bis 15 mm davon befinden.
• ermöglicht räumliche Lokalisation aktiver Neuronengruppen mit einer Genauigkeit von 1 bis 2 mm
•  zeitliche Auflösung entspricht derjenigen des EEG
• elektromagnetische Signal sehr schwach -> muss zur Erfassung hoch verstärkt, Umgebung optimal gegenüber magnetischen Einflüssen abgeschirmt werden
• wird verwendet: klinischen Einsatzbereichen um die Verarbeitung somatosensorischer Reize zu studieren, Aktivität des Gehirns bei kognitiven Prozessen (Denken, Lernen, Aufmerksamkeit), Plastizität des Gehirns kann erfasst werden

Positronenemissiontomographie (PET)

• erste bildgebende Verfahren, mit dem sich die Stoffwechselaktivität im Gehirn darstellen ließ
• „Bildgebend“ ähnlich wie beim Brainmapping -> dass Gehirnaktivitätsunterschiede werden inHirndarstellung mit unterschiedlichen Farben werden -> keine fotografischer Abbildung von Hirnaktivitäten!
• Erlaubt räumliche Darstellung der Hirnaktivität hinsichtlich Durchblutung und neurochemischer Prozesse, also der Aktivität der beteiligten Neurotransmitter und Rezeptoren
• beruht auf der Erfassung der Energieemissionen beim Zerfall von Positronen, den Betaplusteilchen
• zu Positronen zerfallende, radioaktive Substanzen werden in Körper gebracht      -> ausgestrahlte Positron verbindet sich im Körper sofort mit den vorhandenen Elektronen und zerstrahlt in Form von zwei Gammaquanten, die in genau entgegengesetzte Richtungen emittiert werden (als Vernichtungsstrahlen bzeichnete Gammastrahlung) -> wird von ringförmig um den Kopf angebrachten Detektoren registriert, wenn zwei sich direkt gegenüberliegende Detektoren zur gleichen Zeit von Gammastrahlen getroffen werden -> Hochleistungsprogramm errechnet Ort des Zerfalls und ermöglicht die Berechnung eines Querschnittbilde
• PET-Studien sind mit Strahlenbelastung verbunden
• PET Anwendung: Dichte bestimmter Rezeptorentypen in verschiedenen Hirnarealen werden bestimmt, Folgen von Erkrankungen (vor allem von Demenz oder Epilepsien) auf die Funktionen des Gehirns werden abgebildet, erfasst Durchblutungsveränderungen verschiedener Hirnareale im Zusammenhang mit Sprechen, Gedächtnisleistungen und anderen psychischen Funktionen wie Wahrnehmung oder Aufmerksamkeit 

Single-Photon-Emissions-Computer-Tomographie (SPECT)

• funktioniert ähnlich wie ÜET
• handelsübliche und daher günstigere Markierungssubstanzen können verwendet werden
• regionale Hirndurchblutung bei kognitiven und psychischen Prozessen kann abgebildet werden

Magnetresonanztomographie (MRT) / Kernspintomographie

• ohne Strahlenbelastung
• bildet Gehirnstrukturen in frei wählbaren Schnittebenen und in hoher Auflösung ab
• starke Geräusche und untersuchende Person befindet sich in einer Röhre
• beruht auf der Erscheinung der kernmagnetischen Resonanz (nuclear magnetic resonance, NMR)
• statisch, funktionelle Hirnänderungen können nicht erfasst werden

Wie funktioniert MRT?

• beruht auf Erscheinung der kernmagnetischen Resonanz (nuclear magnetic resonance, NMR)
• Dichte und die Relaxationszeiten magnetisch aktivierter Wasserstoffkerne (Proto-nen) im menschlichen Körper werden erfasst -> Parameter lassen sich als Funktion des Ortes darstellen
• magnetischen Momente bestimmter Atomkerne (des Kernspins, des Drehimpulses, genutzt wird der Wasserstoffkern H+) sind Grundlage
• starkes elektromagnetisches Feld anlegen-> Ausrichtung der Felder von H+ ändert sich > Abweichung von der Feldachse heißt Präzession (ähnlich wie bei einem Kreisel, der von seiner Drehachse abweicht) -> Ausrichtung der Protonen wird durch Hochfrequenzimpulse gestört (gepulste Kernresonanz)-> Klingt die angeregte Auslenkung ab, „kippen“ die Protonen in ihre Feldachse zurück, was man als „Relaxation“ bezeichnet -> Hochfrequenzimpulse werden zurück gestrahlt -> wird mit Kernresonanzmesser erfasst
• Relaxationszeiten hängen von Moleküldichte ab und in bestimmten Messvolumen lassen sich einzelne Punkte mit hoher Präzessionsfrequenz (Häufigkeit des „Hin- und Herschwingens“ um die Feldachse) erzeugen -> Aus tausenden solcher Punkte in definiertem Volumen (Voxel = Volumetric picture element) lassen sich mit Algorithmen „Bilder“ zusammensetzen

funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT)

• Ziel: Gehirnaktivität „bei der Arbeit“ zu erfassen, möglichst synchron zu bestimmten Arten psychischer Aktivität
• Nutzt Tatsache, dass Sauerstoff- und Glukosebedarf in aktivierten Hirnregionen steigt -> Neurone werden aktiver, benötigen mehr Sauerstoff -> auf höhere Blutzufuhr angewiesen
• Veränderung der Durchblutung (Hämodynamik) in lokal begrenzten Bereichen des Gehirns wird gemessen
• Grundlage dafür: Chemie des Hämoglobins (transportiert den Sauerstoff)
• kommt in zwei Formen vor: mit Sauerstoff -> Oxyhämoglobin ; nach Abgabe des Sauerstoffs -> Desoxyhämoglobin; beide besitzen unterschiedliche magnetische Eigenschaften, so dass sie nach Menge und Ort voneinander unterschieden werden können
• Bei zunehmender Gehirnaktivität: Konzentration des Desoxyhämoglobins in Gefäßen geht zurück -> Konzentrationsabfall ist das, was mit fMRT gemessen wird -> führt zu einer leichten Erhöhung des MR-Signals
• Dieses Signal ist also abhängig vom Niveau der Blutsauerstoffkonzentration und wird als BOLD-Signal (= Blood-Oxygene-Level-Dependent-Signal) bezeichnet; BOLD ermöglicht: gute räumliche und zeitliche Auflösungen; räumliche Auflösung im Bereich von wenigen Millimetern, die zeitliche hängt von der Durchblutungsänderung ab, die bei ca. 2-5 s liegt

Event-related fMRT

• ermöglicht die Latenz zweier Aktivierungen im Bereich von 100 – 200 ms zu differenzieren
• nach einem Trigger wird, z. B. durch einen akustischen Reiz, mittels wiederholter Messungen der genaue Anstieg des Signals bestimmt (vgl. Abb. V.7)
• abwechselnde BOLD-Messungen der interessierenden Hirnregion während einer Experimental- und einer Kontrollbedingung (z. B. Stimulation vs. Ruhe) -> man erhält den Effekt der experimentellen Bedingung durch Subtraktion der Aktivierungmuster der Kontrollbedingung von demjenigen der Experimentalbedingung
• signifikanten Differenzaktivierungen werden in ein Standardgehirn farbkodiert eingezeichnet
• Signalerhöhungen sind meist sehr schwach -> müssen mit relativ komplexen Filterungsverfahren aus dem Hintergrundrauschen herausgerechnet werden.
• Statistisch gesehen hat man das Problem, aus der Aktivitätsverteilung des Blutsauerstoffs eines Gehirns signifikante Teil-Verteilungen zu identifizieren
• Problem: wie man die Hämodynamik in einem Gehirn statistisch modellieren soll? Standardmäßig werden multivariate statistische Verfahren angewandt, wobei die theoretischen Annahmen, die dem multiplen abhängigen Testen zugrunde liegen, selten klar expliziert werden.

Vorteile fMRT

• man kann auch komplexere mentale Prozesse neuronalen Aktivierungen zuordnen, z. B. Arbeitsgedächtnis, Raumgedächtnis, sprachliche Prozesse usw.
• Gegenüber PET: keine schädliche Wirkung durch Magnetfeld -> Messung kann recht oft wiederholt werden; Lokalisationsgenauigkeit (1-3mm) ist höher; höhere zeitliche Auflösung

Nachteil fMRT

• Herzschrittmacher oder Metallimplantate verhindern Untersuchung
• Enge Geräte -> klaustrophobische Wirkung
• Untersuchungsbedingungen in Röhre ermöglichen nicht die Arbeit mit komplexeren Paradigmen als welche die nur Knopfdrücken erforderlich machen

transkraniellen Magnetstimulation (TMS)

• beeinflusst die kortikale Funktion durch ein von außen angelegtes Magnetfeld
• 1 ms dauernde, erregende oder hemmende Stimulation ->  die zugeordneten Funktionen können hervorgerufen oder verhindert werden.
• Damit kann die Lokalisation und Funktion auch kleinster Hirnareale beschrieben werden

Elektrokardiogramm (EKG)

• zeichnet Spannungsveränderungen auf -> ergeben sich durch die Aktivität der Herzkammern ergeben, werden durch Elektroden erfasst
• Elektroden werden auf die Haut aufgesetzt (nach standardisierten Aufsatzorten)
• abgeleiteten Spannungsänderungen zeigen einen typischen Verlauf; Berge, Spitzen und Täler mit den Buchstaben P bis U bezeichnet werden
• R-Zacke: besonders gut zu identifizieren, wird zur Bestimmung der Herzfrequenz herangezogen -> Dauer des RR-Intervalls in die für die Herzfrequenz übliche Einheit „Schläge pro Minute“ umgerechnet

Herzfrequenzvariabilität

• gutes Maß für länger dauernde (tonische) Aktivierungen

phasische Herzfrequenzänderungen

• Herzfrequenzänderungen die in Folge eines Reizes auftreten
•  Bestimmt durch: Differenz der Herzfrequenz nach einem Reiz zu einer vorher erfassten Basisfrequenz
• Herzfrequenzänderung bei nahezu allen psychischen und physischen Anforderungen -> nimmt bei Schmerz- oder Angstreizen zu, bei Entspannung, der Orientierung auf nicht-aversive Reize oder Aufmerksamkeit nimmt sie ab

respiratorische Sinusarrhythmie (RSA)

• systematische Veränderung der Herzfrequenz
•  beim Einatmen schlägt das Herz schneller, beim Ausatmen reduziert sich die Herzfrequenz
• Um RSA Einfluss auf die Herzfrequenz zu kontrollieren, muss parallel zum EKG auch die Atemfrequenz zu erfassen
• RSA wird durch den Nervus vagus verursacht: je stärker dieser aktiv ist, desto höher ist die Amplitude dieser Veränderung -> im Schlaf oder bei tiefer Entspannung stark ausgeprägt, bei hoher Anspannung wenig