Bio (Fach) / 9-10 Vorlesung (Lektion)

Methoden der Biopsychologie

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• Methoden der Biopsychologie Bildgebende Verfahren Läsionsstudien Elektrophysiologische Verfahren Psychophysiologische messungen
• Übersicht Bildgebende Verfahren Strukturelle Bildgebung Statisches Bild - Messung bestimmter Aspekte der Anatomie Wichtig zur Feststellung von Ort und Umfang einer Schädigung bei Läsionen Arten: Computertomographie CT Magnetresonanztomographie MRT Funktionelle Bildgebung Dynamische Zeitreihe von Bildern - Messung bestimmter Aspekte der Gehirnfunktion Indirekte Messung neuronaler Aktivität während kognitiver Aufgaben Arten: Positronen-Emissions-Tomographie PET Funktionelle Magnetresonanztomographie FMRT
• Computertomographie CT Basiert auf Röntgenstrahlung Differentielle Absorption von Strahlung durch verschiedene Gewebetypen  Cormack und Hounsfield
• Vorteile vom MRT gegenüber CT Keine Strahlung und Kontrastmittel nötig Bessere räumliche Auflösung Faltung des Kortex gut sichtbar Bessere Unterscheidung von grauer und weißer Subsstanz Ermöglicht auch funktionelle Messungen
• MRT-das Grundprinzip Grundlage der MR-Strahlung ist ein Kernspin des Wasserstoffatoms  H H besteht aus einem Proton und einem Elektron Elektrisch neutral Das Proton (Kern) Rotiert um die eigene achse - Spin 1. Routierende Masse - Drehimpuls 2. Routierende elektrische Ladung - magnetisches Moment# J = Richtung des Drehimpule h = magnetisches Moment Protonen richten sich entlang des Magnetfelde des Scanners aus. Ein elektromagnnetischer Hochfrequenzpuls klappt die Protonen zur Seite. Wird der Puls wieder abgeschaltet, klappen die Protonen zurück. Hierbei wird Energie frei, die das gemessene Signal darstellt. Das gemessene MRT-Signal hängt von der Gewebeeigenschaft ab. Unterschiedliche Signalstärke für weiße und graue Substanz Unterschiedliche Sequenzen zur Messung unterschiedlicher Aspekte der Anatomie
• Weiße Substanz Axone
• graue Substanz Neurone
• MRT-Sicherheit Vorsicht mit Metallen Kontraindikationen: Metallteile im Körper Herzschrittmacher Klaustrophobie
• Läsionsstudien als Reverse Engineering Region wird gestört - Auswirkung auf restliches System werden Untersucht
• Ursachen für Hirnläsionen Natürliche Ursachen - Tumor... Willentlich herbeigeführt - tiere Temporäre störung der Verarbeitung durch elektromagnetischeStimulation
• Läsionen Einzelfallstudien Identifikation der Läsionslokalisation durch visuelle Inspektion des Bildmaterials üblich
• Strukturelle Bildgebung für Läsionsstudien 1. Ausgangspunkt: Vorhandene Strukturelle Bilder 2. Läsion wird manuelle makiert - In anatomischen raum jedes Patienten - Direkt auf anatomischem Standardgehirn (fehleranfällig) 3. Läsionsbild wird als Binäres Bild gespeichert  Läsion = 1 rest = C
• Läsionsüberlappung in patientengruppen Gehirnbilder werden in einen Raum gebracht Passung auf ein standardgehirn
• Läsionsbefunde bei Neglect Schädigung des Parietalcortex (besonders rechts)
• Läsionsbefund Patient H-M Bilaterale Schädigungen des Hippocampus Unfähigkeit neue episodische Gedächnisinhalte zu bilden Milner und Scoville
• Läsionsbefund Phineas Gage Schädigung des präfrontalen Kortex Störungen im zielgerichteten Verhalten unangemessen, impulsiv, unorganisiert
• Kernkonzept der Klassischen neuropsychologie Dissoziationen Einfache Dissotiaionen Läsion A = Funktion A gestört Funktion B nicht betroffen   Doppelte Dissoziation Läsion A - Funktion A gestört - B nicht beeinträchtigt Läsion B - Funktion B gestört - A nicht beeinträchtigt (A und B sind zumindest teilweise unabhängig)
• Brocas Beobachtung Monsieur Tan Unfähigkeit zu Sprechen Broca-Aphasie Einfache Dissoziation
• Wernickes Beobachtungen Gestörtes Sprachverständnis Wernicke-Areal Einfache Dissoziation
• Beispiel Doppelte Dissoziation Wernicke-Aphasie + Brocaaphasie
• Was können wir aus einer einfachen Dissoziation schließen? Läsion A = aufgabe A, nicht B entweder: Aufgabe A und B nutzen unterschiedlcihe kognitive Prozesse oder: Beide Prozesse nutzen die gleichen Ressorcen, aber A benötigt mehr dieser Ressorcen A ist schwieriger
• Was können wir aus einer doppelten Dissoziation lernen? Kein Aufgaben-Ressorcen-Artefakt A und B sind zumindest teilweise voneinander unabhängig da sie unabhängig vvoneinander gestört sein können
• Grundidee funktionelle bildgebender Verfahren Neuronale Aktivität = erhöhter Suerstoff- und Glucoseverbrauch PRT misst den Blutfluss in einer Region fMRT misst die Sauerstoffsättigung des Blutes Reaktionen haben langsame Latenz (mehrere Sekunden) Schlechte zeitliche aber gute räumliche Auflösung
• Positronen Emissions Tomographie PET Grundprinip Isotop mit kurzer Halbwertszeit (Radionuklid) wird als Tracer an Molekül gehängt, z.B. Glucose (Kann aber auch ein Ligand für einen bestimmten Rezeptor sein) Tracer wird injiziert Radionuklid gibt Positronen ab (Positronenemission) Positronen kollidieren mit Elektronen Freisetzung 2. Gammastrahlen im winkel von 180° Die Strahlung kann gemessen werden und ein Rückschluss auf die Verteilung des Tracers ist rechnerisch möglich Da, wo der Tracer sich anreichert ist ein verstärkter radioaktiver Zerfall messbar
• PET Allgemein Weitgehend durch fMRT ersetzt Hauptnutzung heute nicht mehr kognitive Aktivierung  sondern Messung betimmmter Transmitter oder Rezeptoren - Tracer bindet an bestimmte rezeptoren - Rezeptordichte
• fMRT Grundidee Paulig und Coryell Desoxyhämoglobin und Oxyhemoglobin haben unterschiedliche magnetische Eigenschaften Sauerstoffsättigung des Blutes als natürliches Kontrastmittel   Ogawa et al. Blood-Oxygenation-Level-Dependent-Effekt  (BOLD-Effect) Stärkeres fMRT Signal bei geringerer Verfügbarkeit von Desoxyhämoglobin   Ablauf: 1. Neuronale Aktivität steigt an - Sauerstoffverbrauch steigt 2. Zunächst: Anstieg in Desoxyhämoglobin 3. Dann: Mehr sauerstoffreiches Blut fließt in Hirnareal - überkompensation - Anstieg in Oxyhämoglobin
• Neurovaskuläre Kopplung Kopplung neuronaler Aktivität an Regulation der Blutgefäße 1. Neuronale Aktivität proximaler Neurone führt zu Ca2+Signal in Astrozyten, Ca2+ breitet sich über Gap-Junctions im lokalen Astrozytennetzwerk aus.  2. Ca2+ führt in Astrozyten zur freisetzung von Stickstoffmonoxid  - Vasodileratation der angrenzenden Blutgefäße
• Ca2+Wellen in Astrozyten Astrozyten reagieren auf Aktivität von proximalen Synapsen durch Ca2+Einstrom Aktivierung von AMPA-Rezeptoren durch Glutamat Aktivierung von metabotropen Glutamatrezeptoren
• Die hämodynamische Antwortfunktion Charakteristische Vertärkung des gemessenen BOLDSignals nach neuronaler Aktivität
• Die HRF Hämodynamische Antwortfunktion Über die Form der HRF können wir Erwartungen über das gemessene BOLD-Signal in Abhängigkeit unseres experimentellen Designs erstellen. Je nach ITI/ISI überlagern sich aufeinanderfolgende HRFs Dekorrelation verschiedener experimenteller Bedingungen von größerer Wichtigkeit
• Experimentelles Design für fMRT Studie Block-Design: Reize werden in Blöcken (Zeit) repräsentiert Event-related Design: Reize werden einzeln präsentiert
• Beispiel: fMRT Block Design Epstein et al Probanden werden visuelle Stimuli in Blöcken präsentiert Parahippocampal-Place-Area:  - Stärkeres BOLD-Signal bei Verarbeitung räumlicher Szenen im vergleich zu Gesichtern, objekten
• fMRT event-related-Design Wagner et al. fMRT während Probanden Worte verarbbeiten Drück linkt bei absstraktem und rechts bei konkretem Wort Gedächnistest 20 min. Später Aktivität im medialen Temporallappen und präfrontelem Cortex geht mit erfolgreicher Enkodierung einher.
• Das EEG-Signal negative und positive EEG-Ausschläge spiegeln die Orientierung von Dipolen im Gehirn wieder. Polarität des Signals lässt keine rückschlüsse auf zelluläre Prozesse zu.  Signal nur messbar, wenn viele Zellen synchon aktiviert werden   Depolarisation der Zelle am Apikaldendriten extrazellulär Anhäufing negativer Ladungen Neuron wird zum elektrischen Dipol
• EEG Hauptanwendungsfelder Ereignis-korrelierte Potenziale EKPS Analyse Oszillatorischer Aktivität
• EEG - Ereignis korrelierte Potenziale EKPS Gemesssen wird ein hirnelektrisches Potenzial.  Jedes hat einen Anteil Spontan-EEG und einen Anteil akustisch-evoziertes-Potenzial Aus den berechneten Durchschnittswerten für den Zeitpunkt wird die durchschnittliche "Average" zusammengesetzt Der Beitrag des Spontan-EEGs geht gegen 0, da er relativ zum Reiz zufällig variiert.  Das reizsynchone evozierte Potenzial bleibt erhalten.    1. Mitteln über Durchgänge für jede VP 2. Mitteln der Averages aller VPs = Grand Average
• EKPS Rekognition Beispiel Aufgabe: Wörter als bekannt oder unbekannt zuordnen Frage: Ist Rekognition ein einzelner Prozess oder gibt es 2? 1. Rekollektion  = erkennen und wissen woher 2. Familiarität = kommt mir bekannt vor (butcher on the bus)  
• Vor-und-Nachteile des EEG Vorteile Direkte messung neuronaler Aktivität  - im Gegensatz zu z..B. fMRT Sehr gute zeitliche Auflösung   Nachteile Räumliche Auflösung schlechter als beim fMRT Signale tieferliegender Regionen werden schlecht erfasst
• EEG Analyse Oszilatorischer Aktivität Herzfrequenz  Je niedriger desto geringer die Aktivität 
• Non-invasive Stimmulationsverfahren Transcranial Magnetic Stimmulation TMS Transcraniel direct curent Stimmulation tDCS
• TMS was ist das? Transkranielle Magnetstimulation Nicht inversiv Kurzfristige Aktivierung und Hemmung kortikaler Areale reversibel virtuelle Läsionen
• TMS Funktionsweise Transkranielle magnetstimulation Basiert auf Prinzip der Magnetischen induction Schnelle Stromänderung in der Spule erzeugt Magnetfeld, dass Haut und Schädeldecke durchdringen kann.  Magnetfeld = Elektrisches Feld, dass den Ionenfluss in Ne uronen beeinflusst und APs auslösen kann.  Inferenzen Einfluss auf Kortikale Informationsverarbeitung bis ca. 2cm Tiefe
• TMS Sicherheit sehr sicher evtl eleptischer Anfall Epilepsie ist Ausschlusskriterium
• TMS Stimulationsprotokolle Beispiele:   Single PulseTMS  Stimulation mit einzelnen Pulsen   Repetitive TMS: Länger andauernde Stimulation mit bestimmter Intensität und frequenz  Effekte überdauern die Stimulationsdauer Je nach Protokoll kann die Erregbarkeit eines Areals erhöht oder reduziert werden. 
• Virtuelle Läsionen TMS vs. organische Läsionen Pro vietuwll: Keine Reorganisation / Kompensation Zeitliche Komponente kognitiver Prozesse kann untersucht werden. Fokale Läsion Läsion kann innerhalb des gleichen Probanden bewegt werden.    pro organisch: Subkortikale Regionen können untersucht werden. Läsionen können mit struktureller Bildgebung lokalisiert werden deutlichere Effekte auf kognition und verhalten
• Was ist TDCS? Transkranielle direkte Kurente stimulation Plazierung 2er großer Elektroden auf der Kopfhaut (Anode+, Kathode -) Deutlich längere wirkung als Stimulation

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