Biopsych

Exogen < 200ms (bis)

• frühe Komponente
• eher fokussierte Aktivierung
• werden mit Eigenschaften des Stimulus und der frühen Evaluation in Verbindung gebracht
• Primär sensorische Reize, aber auch durch Aufmerksamkeit erzeugt
• z.B. Reaktion auf einen Ton

Endogen ab 200ms

• späte Komponente
• eher diffuse und wertverteilte Herkunft des Signals
• mit Eigenschaften des Individuums wie Kognition, Emotionen etc. verbunden
• Abbildung innerer Prozesse (Verarbeitung und Zustand des Individuums)
• z.b. Entscheidungsvorgang

• Amplitude (in uV):
  • Von der Baseline (Abweichung von der Grundlinie)= baseline to peak
  • Zwischen lokalen Extrema = peak to peak
• Latenz:
  • Abstand (in ms) des Gipfel/Tals vom Reizeinsatzpunkt (R) aus (siehe Abb.)
  • Dauer bis die Komponente nach dem Reiz auftritt
• Lokalisation der Elektrode:
  • z.B. frontal oder parietal

• Psychologie/Neurowissenschaften
  • Sensorische Verarbeitung & Kategorisierung
  • Kognitions- und Emotionsforschung
  • Exekutive Funktionen
  • Stimulusbezogene (Bottom-up) Aufmerksamkeit
  • Informationsverarbeitung
• Neurologie
  • Diagnostik von Sinnesleistungen bei bewusstlosen oder sprachunfähigen Individuen (z.B. Testen des Hörvermögens bei Babys)
  • Reizweiterleitungsprozesse (z.B. kann bei Patienten mit multipler Skelerose eine verlangsamte Reizweiterleitung = Latenz der Reizweiterleitung beobachtet werden)

• Aktionspotentiale sind schon nach kurzer Entfernung vom Axon nicht mehr nachweisbar, da sie kurz und so strikt lokalisiert auftreten
• Was wird denn dann gemessen?
  • EPSPs à also exzitatorische postsynaptische Signale
  • Sind verhältnismäßig träge und können sich summieren/überlagern
  • Teilweise auch IPSP (inhibitorische postsynaptische Potenziale), diese tragen aber weitaus weniger zur Genese des EEG bei als EPSPs

• Negatives Potential = EPSP an Cortexoberfläche oder IPSP in der Tiefe
  • Entsteht durch ein oberflächennahes EPSP (z.B. wie auf rechter Seite des Bildes: durch Reiz aus hochgelegenem Axon der kontralateralen Seite) oder ein tieferliegendes IPSP
  • Positivierung am Soma und Negativierung an den Dendriten an der Kortexoberfläche
• Positives Potenzial= IPSP an der Cortexoberfläche oder EPSP in der Tiefe
  • Enstehung durch oberflächennahes IPSP (z.B. wie auf linker Seite des Bildes durch Reiz aus einem Axon des Thalamus) oder tiefergelegenes EPSP
  • Beispiel: im Falle der Auslösung eines EPSPs kommt es zu einer lokalen Depolarisation im Soma à Dipol entsteht à Negativierung am Soma und Positivierung an den Dendriten an der Kortexoberfläche

--> am Ende kann nicht mehr festgestellt werden ob das EEG-Signal auf oberflächennahe oder tieferliegende Signale zurückzuführen ist

• Ein Signal an der Kopfoberfläche kann nur gemessen werden, wenn sich zahlreiche (>=10000) Dipole synchron bilden.
• summierte exzitatorische postsynaptische Signale

• Alpha Rhythmus:
  • Thalamische Schrittmacherzellen à Kortikale Rhythmik richtet sich nach Thalamus
  • Gegenspieler: interferierender Aktivität in Formatio reticularis à führt zu erhöhter Aufmerksamkeit à Unterbrechung Alpha-Rhythmus
• Beta- und Gamma-Rhythmus:
  • Intrakortikale oszillatorische Netzwerke

Ergebnis: Synchronisiertes Schwingen von Netzwerken, was Informationsaustausch dieser Netzwerke ermöglicht

• EEG
  • misst elektrische Aktivität
  • Messung v.a. der Gyri
  • niedrige räumliche Auflösung
  • Vorteil: verhältnismäßig günstig
  • Nachteile: Verzerrungen durch Volumenleitung des Schädels möglich, weniger genau
• MEG (Magnet-Enzephalographie)
  • misst magnetische Aktivität, die durch Bewegung elektrischer Ladung entsteht
  • Messung v.a. der Sulci
  • hohe räumliche Auflösung
  • Vorteile: gute räumliche und zeitliche Auflösung, tieferliegende Aktivität messbar
  • Nachteile: sehr aufwändig, weniger transportabel, teuer

• Elektrophysilogie (EEG,MEG)
  • räumlich schlechte Auflösung (v.a. EEG) --> keine Aussage über strukturell-anatomische Korrelate möglich
  • relativ direkte Messung
  • günstig
  • nicht ortsgebunden
  • CT=Computertomographie
  • PET=Positronenemissionstomographie
  • (f)MRT/MRI = (funktionelle) Magnetresonanztomographie= Kernspintomographie
  • NIRS=Nahinfrarotspektroskopie
• Bildgebung
  • zeitlich schlechte Auflösung (s bis h)
  • räumlich genaue Auflösung-->genaue Lokalisation
  • indirekte Messung neuronaler Aktivirung
  • (Messung der Veränderung des Blutdruchfluss etc.)

• Neurovaskulär → Nerven und Blutgefäße betreffend
• Aktivierung einer bestimmten Hirnregion führt zu erhöhtem Sauerstoffverbrauch (CMRO2= cerebral metabolic rate of oxygen)
• Folge:
  • Erweiterung der lokalen Arteriolen
  • →Erhöhung der lokalen Durchblutung(CBF)
  • →Sauerstoffversorgung verbessert sich
  • →Anteil an desoxygeniertem (sauerstoffarmen) Hämoglobin sinkt

• Moleküle im Blut mit Radionukliden(radioaktiven Substanzen) markieren, sodass sie leicht radioaktiv werden
• Radionuklide sind instabil und zerfallen unter Emission von Positron (Beta-plus-Strahlung)
• Positron kollidiert mit Elektron und verschmilzt mit diesem (Annihilation)
• Verschmelzung setzt 2 Annihilationsphotone frei
• Annihilationsphotone entfernen sich mit Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzte Winkel (180°) voneinander (Gammastrahlung)
• Koinzidenzschaltung: registriert immer dann Signal wenn die 2 gegenüberliegende Gammadetektoren gleichzeitig durch die Photone aktiviert werden

Besteht aus 2 Teilen!

Idee:

• Substanzen des Körpers werden mit Radionuklid verbunden (z.B. Glucose)
• Radioaktiv markierte Substanzen werden genauso verstoffwechselt wie unmarkierte
• Weg von Substanzen im Körper kann nachvollzogen werden bis hin zu z.B. Rezeptorprozessen bei Dopamin)
• Meist markieren von Glucose, da das Gehirn besonders viel Glucose an momentan aktive Hirnregionen liefert und somit die Gehrinaktivität mit Hilfe des Glucosemetabolismus gemessen werden kann, da dort sehr viel Glucose zerfällt

• Mithilfe eines sog. Zyklotrons (=Teilchenbeschleuniger)
• Ziel: Auslösungen von Kernprozessen die zur Erstellung von Radionukliden führen

• Ziel: Bestimmung der Gehirnaktivität bei Stimulation
• Problem 1: neuronale Aktivität in Bezug auf Stimulation (Bilder etc.) ist überlagert von Grundaktivität des Gehirns!
• Lösung: Herausrechnen der Grundaktivität mittels Subtraktionsmethode
• Subtraktionsmethode: Die verschiedenen neuralen Reaktionen werden voneinander abgezogen. Zurück bleiben die Unterschiede in neuraler Aktivierung. (Gehirnaktivität bei Stimulation minus Ruheaktivität)
• Problem 2: Da Gehirne unterschiedlich aufgebaut sind (Größe, Sulci, Gyri, im Schnitt größere Köpfe bei Männern etc.)
• Lösung: mathematische Verfahren zur Vereinheitlichung: Anatomische Normalisierung/Standardisierung nötig

1 Messung dopaminerger Aktivität nach Blockierung des Dopamintransporters mit Kokain im Vergleich zu Kontrollen

2 Aufzeigen von Unterschieden in dopaminerger Aktiverung bestimmter Hirnregionen bei verschiedenen Substanzen (Cocain/Methylamphetamin)

3 Messung von Glucoseverbrauch von Gesunden im Vergleich zu Menschen mit großflächigen (sub)cortikalen Läsionen (z.B. nach Schlaganfall)

4 Längsschnittuntersuchung mit radioaktiven Tracern für Amyloidplagues in der Alzheimerforschung. 

• Funktionelle Bildgebung
  • Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) Abbildung von neuronal induzierten Durchblutungsveränderungen
  • Positronen-EmissionsTomographie (PET) 
  • Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS)
• Strukturelle Bildgebung 
  • Magnet Resonanztomographie (MRT) Auch mit fMRT möglich Abbildung von Fett, Knochen, Ventrikel, Substanz
  • Voxel Based Morphometry (VBM)
  • Diffusions-Tensor-Imaging (DTI)
  • Computer Tomographie (CT)

• Beruht auf Kernspinresonanz (NMR)
• 60% unseres Körpers bestehen aus Wasser
• Wasserstoffkerne (Protone) haben positive Ladung und Spin (Kreisen wie um Kegel) → Dipol
• Wasserstoffteile ordnen sich entlang eines externen Magnetfeldes an und beginnen durch zusätzliches Magentfeld (RF-Puls) zu kreiseln (Larmorpräzession), da ihre Achsen ausgelenkt werden → Induktion von Energie
• Nach Abschalten des zusätzlichen Magentfelds kippen gehen Atome in ursprüngliche Ausrichtung zurück → Abgabe der Energie (Emission von elektromagnetischen Wellen)
  • Relaxationssignale der Zurückpendelnden Protone werden gemessen = Magnetresonanz
  • Je nach Gewebsstruktur unterschiedliche Relaxationszeiten

• T1 : Wiederaufbau der Längsmagnetisierung → kippen zurück in vertikales Magnetfeld
• Vor allem für anatomische Abbildung nötig

Kurze t-1 Zeit → hell: weiße Substanz → Fett

Lange t-1 Zeit → dunkel: dunkel: graue Substanz

Fett hat kurze t1, Wasser langes → Liquor dunkel

• T2= Zerfall der Quermagnetisierung → Atome routieren wieder individuell
• Unterscheidung von sauerstoffarmen und sauerstoffreichem Blut möglich

Kurze t-2- zeit → dunkel: weiße Substanz

Lange t-2- Zeit → hell: graue Substanz, Liquor

Fett hat kurze t2, Wasser hat lange → Liquor hell abgebildet

• Bild durch unterschiedlich starke Magnetfelder in Spalten und Zeilen aufteilen → Positionsfeststellung der Teilchen → bestimmen von Voxel=Punkt im Würfel (wie ein Pixel)
• X- Gradient: nicht nur eine Einzelfrequenz detektiert, sondern ein Frequenzspektrum von links nach rechts was zu unterschiedlich schneller Präzession führt → Frequenz-Enkodierung
• Z- Gradient: Unterschiedlich starkes Magnetfeld entlang der Länge der Person, je nach Stärke des Feldes in einer Schicht reagiert diese nur auf eine bestimmte Frequenz (Schichtselektionsgradient) →Schichtauswahl
• y- Gradient : Spin in jeder Schicht von oben nach unten unterschiedlich schnell durch dephasierte Frequenzen →Phasen-Enkodierung 

= BOLD response→„blood oxygen level dependent response“

• Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht: Oxygeniertes Hämoglobin wird für den Ruheverbrauch in Desoxygeniertes umgewandelt
• Bei neuronaler Aktivität wird oxygeniertes Hämoglobin antransportiert → Überschuss → Änderung des Verhältnisses von okygeniertem und desoxygniertem Blut → hämodynamische Reaktion

•  Prinzip: oxygeniertes Blut hat andere (magnetische) Eigenschaften als desoxygeniertes Blut
• Desoxyhämoglobin ist paramagnetisch was bedeutet, dass das Magnetfeld innerhalb des Moleküls stärker ist, als außerhalb, da es einen eigenen Dipol aufbaut → Absorbiert mehr Energie aus dem elektromagnetischen Feld → senkt die Feldhomogenität → das MR- Signal wird schwächer
• Oxygeniertes Blut ist diamagnetisch, was bedeutet, dass das Magnetfeld innen genauso stark wie außen ist → mehr Aktivität → mehr oxygeniertes Blut → schächere Störung des magnetischen Feldes als bei desoxygeniertem Blut → MR-Signal wird stärker

• Vorverarbeitung
• individuelle Statistik 1st Level
• Gruppenstatistik 2nd Level

• Herzschrittmacher enthalten ferromagnetische Metalle (z.B. Eisen). Diese haben starke Wechselwirkungen mit Magnetfeldern mit 3 möglichen Konsequenzen:
  • starke Erwärmung
  • Beschleunigung eisenhaltiger Komponenten
  • Schrotten eisenhaltiger elektronischer Bauteile → Funktionsverlust

1) Bestimmte Dinge lassen sich nicht untersuchen, z.B.:

• Designs, die Bewegungen nötig machen (viele Motorikstudien)

2) Bestimmte Vorkehrungen sind zu treffen:

• Probanden mit Platzangst ausschließen
• Kinder/Tiere betäuben/sedieren

3) Beachte:

• Leistungen im Scanner sind nicht unbedingt vergleichbar mit Leistungen außerhalb (es ist nervig laut etc.) → Generalisierbarkeit auf Alltagssituationen?

• „Hirnaktivierung“ meint ja Aktivierungsunterschied zwischen „Angstbedingung“ und Kontrollbedingung
  • →Subtraktionsverfahren
• Wünschenswert: Die Unterschiede sind wirklich auf den „Grad an Angstauslösung“ zurückzuführen und nicht auf irgend etwas anderes.
  • →Lösung: Stimuli müssen ähnliche Bildeigenschaften (Farbe, Helligkeit usw.) und ähnliche Objektanordnung im Bild aufweisen 

•  oxygeniertes Blut (hell) hat andere Absorptionsspektren als desoxygeniertes Blut (dunkel)
• Laserstrahl wird durch den Knochen ins Gehirn geschickt
• Je nach Absorption werden unterschiedliche Lichtspektren absorbiert und andere nicht absorbierte Spektren an anderer Stelle am Kopf gemessen, die dort wieder austreten
• Viel neurale Aktivität → viel oxygeniertes Blut →andere Absorptionsspektren 

• Ist deutlich billiger, niedrigere technische Voraussetzungen
• Proband bleibt mobil
• höhere zeitliche Auflösung
• Abtastrate ist besser 

• Gefahr der Überinterpretation: „the new phrenology“ ▪
• Fehlende Spezifität
  • Zulässiger Schluss: Forward interference: z.B. Schmerz zeigt Aktivierung in Gehirnareal XY
  • Unzulässiger Umkehrschluss: Reverse Interference: Aktivität in Gehirnareal XY zeigt, dass der Proband Schmerz spürt
  • → Von Aktivität in Hirnregion lässt sich nicht auf psychischen Vorgang schließen
• Wissenschaftliche Ergebnisse als überzeugender angesehen, wenn sie mit Gehirnbildern präsentiert werden 

• Überführung von Zeit- in Frequenzdomäne
• Das EEG wird nicht mehr gegen die Zeit (t) abgetragen, sondern gegen die Frequenz (1/t).
• Zerlegung des Gesamtsignals (rote Kurve) in verschiedene Sinus- und Cosinus-Funktionen
• Folge: Zeigt den prozentualen Anteil eines bestimmten Frequenzbandes am Gesamt-EEG, also wie dominant bestimmte Frequenzen im gemessenen Signal vorhanden sind

• Spektralanalyse:
  • Bestimmung des prozentualen Anteils verschiedener Frequenzbänder in bestimmtem Zeitintervall durch FourierAnalyse
  • Abbildung dieser Spaktralanalyse nennt sich „Frequenzhistogramm“
• Power Spektren:
  • Amplitude der jeweiligen Frequenzen wird quadriert
  • Verdeutlicht zeitlich variierende Dominanz bestimmter Frequenzen in einer EEG-Messung
• Man kann immer lediglich einen Mix aus verschiedenen Frequenzbändern messen und nur eine relative Dominanz bestimmter Bänder in bestimmten Zuständen durch die beiden Verfahren deutlich machen
• Es kommt vor, dass an bestimmten Elektroden manche Bänder stärker ausgeprägt sind als an anderen Elektroden

Parasympathikus und Sympathikus

• Autonom → Teil des Nervensystems der weitgehend außerhalb Kontrolle 

Funktion Parasympathicus: längerfristige Anpassung des Organismus im Sinne einer Regenerationsleistung (trophotrop)

Funktion Sympathicus: kurzfristige Bereitstellung von Energie zur Bewältigung von Anforderungen (ergotrop)

• Sympathikus
  • Thorako- lumbal
  • Organisation: postganglionäre Neurone im Grenzstrang
• Parasympathikus
  • Lokalisation: kranial& sakral
  • Organisation: postganglionäre Neurone in oder nahe bei den Zielorganen

• präganglionär: 
  • Sympathicus: Neurone liegen im Rückenmark, Neurotransmitter ist Acetylcholin
  • Parasympathicus: Neurone liegen im Rückenmark, Neurotransmitter ist Acetylcholin
• postganglionär:
  • Sympathicus:Neurone liegen im Grenzstrangganglion. Transmitter ist meist Noradrenalin
  • Parasympathicus: Neurone liegen am Effektororgan. Der Neurotransmitter ist Acetylcholin

Vorteile:

• Vergleichsweise einfache Messung und Analyse
• Zusatznutzen zu Verhaltensmaßen
• Gruppenerhebung möglich
• Mobile Messung (ambulantes Monitoring) möglich

Nachteile:

• teilweise anfällig für Habituation (z.B. Hautleitfähigkeitsreaktionen)
• relativ nidrige zeitliche Auflösung
• teilweise Konfundierung mit motorischen Reaktionen
• relativ hohe interindividuelle Variabilität