Untersuchungsmethoden der Biopsychologie

1 Gliederung

2 Einleitung

3 Teil 1: Methoden zur Erforschung des Nervensystems

4 Methoden zur Visualisierung des lebende menschlichen Gehirns
4.1 Röntgenkontrasttechniken
BRAIN-IMAGING-TECHNIKEN
4.2 Computertomographie (CT)
4.3 Kernspintomographie (NMR-Tomographie)
4.4 Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
4.5 Funktionelle Kernspintomographie (fMR-Tomographie)

5 Nichtinvasive Messung psychophysiologischer Aktivität
5.1 Electroencephalographie (EEG)
5.2 Elektromyographie
5.3 Elektrooculographie
5.4 Elektrodermale Aktivität
5.5 Kardiovaskuläre Aktivität

6 Invasive physiologische und pharmakologische Untersuchungsmethoden
6.1 Stereotaktischen Chirurgie
6.2 Die Läsionsmethode
6.3 Elektrische Stimulation
6.4 Invasive Ableitungsmethoden

7 Psychopharmakologische Methoden
7.1 Arten der Applikation
7.2 Selektive chemische Läsionen
7.3 Messung der chemischen Aktivität des Gehirns
7.5 Lokalisation von Neurotransmittern und Rezeptoren im Gehirn

8 Teil 2: Verhaltensstudien in der Biopsychologie Ein methodischer Ansatz, der zur Erforschung eines bestimmten Verhaltensphänomen entwickelt wurde, nennt man Verhaltensparadigma

9 Neuropsychologische Testverfahren
9.1 Test für allgemeine Intelligenz
9.2 Tests zur Sprachlateralität
9.3 Gedächtnistests
9.5 Sprachtests
9.6 Tests der sensomotorischen Funktion

10 Verhaltensbiologische Methoden in den kognitiven Neurowissenschaften

11 Biopsychologische Paradigmen des Verhaltens von Tieren
11.1 Paradigmen für die Bewertung von artspezifischen Verhaltensweisen
11.2 Traditionelle Konditionierungsparadigmen
11.3 Seminatürliche Lernparadigmen bei Tierexperimenten

12 Schluss

13 Literaturangaben

2 Einleitung

Um zunächst zu verstehen, an welchen Stellen im Gehirn eine bestimmte Aktivität stattfindet, muss man sich das Gehirn erst einmal genauer anschauen. Ich werde mich darauf beschränken, die wichtigsten Strukturen des Gehirns zu beschreiben. Das menschliche Gehirn besteht grob aus Myencephalon (Nachhirn), Metencephalon (Hinterhirn), Mesencephalon (Mittelhirn), Diencephalon (Zwischenhirn) und Telencephalon (Endhirn). Das Myencephalon stellt die Verlängerung des Rückenmarks dar und somit die Verbindung zwischen Gehirn und dem übrigen Körper, und hier beginnt das komplizierte Geflecht der Formatio reticularis, die für Funktionen, wie Schlaf, Aufmerksamkeit, Bewegung, Erhalt des Muskeltonus und verschiedene Herz-, Kreislauf- und Atemreflexe zuständig ist. An des Myencephalon schließt sich das Metencephalon an, das ebenfalls die Formatio reticularis enthält. Außerdem befinden sich in ihm die Pons, eines der Hauptabschnitte des Metencephalon und das Cerebellum oder Kleinhirn, das eine wichtige Rolle im sensomotorischen System spielt. Eine Schädigungs des Cerebellum beeinträchtigt die Fähigkeit zur präzisen Bewegungskontrolle und zur motorischen Anpassung an wechselnde Bedingungen. An das Metencephalon schließt sich das Mesencephalon an, das ebenfalls aus zwei Teilen besteht, dem Tectum und dem Tegmentum. Das Tectum enthält Colliculi (Beulen), die für die Hörfunktion und die Sehfunktion zuständig sind. Das Tegmentum enthält eine Substanz, die Substantia grisea centralis (zentrales Höhlengrau), die eine wichtige Rolle bei der Übermittlung analgetischer (schmerzreduzierender) Wirkungen von Opiaten spielt. Eine weitere wichtige Substanz, die Sustantia nigra (schwarz Substanz) und der Nucleus ruber (roter Kern) sind wichtige Bestandteile des sensomotorischen Systems. Das sich anschließende Diencephalon umfasst zwei Strukturen: Den Thalamus und den Hypothalamus. Der Thalamus enthält Kerne, die als sensorische Schaltstationen für bestimmte sensorichen Systeme dienen. Wichtige Schaltstationen im visuellen, auditorischen und somatosensorischen System sind beispielsweise der Corpus geniculatum laterale (seitlicher Kniehöcler), das Corpus geniculatum mediale und der Nucleus ventralis posterior.

Der Hypothalamus steuert verschiedene motivationale Zustände, und wird teilweise durch Hormone aus der Hypophyse reguliert. Auf der Unterseite des Hypothalamus befinden sich noch der Chiasma opticum, das ist der Punkt, an dem beide Sehnerven aufeinandertreffen und die Mamillarköper, die bei einer Schädigung (durch Alkohol) schwerwiegende Amnesien auslösen können. Das folgende Telecephalon bildet den größten Abschnitt im Gehirn und ist für die komplexesten Funktionen zuständig. Es löst Willkürbewegungen aus, analysiert den sensorischen Input und steuert komplexe kognitive Prozesse, wie Lernen, Sprechen und Problemlösen.

Das Telecephalon besteht aus zwei Großhirnhemsiphären, dem Cerebralen Cortex. Der Cortex ist durchzogen von Fissuren (Spalten) und Windungen. Beide Großhirnhemisphären sind durch eine tiefe Längsfurche , Fissura longitudinalis cerebri, voneinander getrennt, allerdings durch Nervenfaserverbindungen miteinander verbunden. Auf jeder der Hemisphären befinden sich weitere typische Furchen, die als Orientierungspunkte dienen, um die Hemisphären in vier Lappen aufzuteilen, den Stirn- oder Frontallappen, den Scheitel- oder Parietallappen, den Schläfen- oder Temporallappen und den Hinterhaupts- oder Occiotallappen. Die Windungen, Gyri, haben ebenfalls wichtige Funktionen: Der Gyros praecentralis hat motorischen Funktione, der Gyros postcentralis somtosensorische und der Gyros temporalis superior weitgehen auditive Funktion. 90 Prozent des menschlichen Großhirns sind vom Neocortex eingenommen, dem evolutionsbiologisch jüngsten Teil des Gehirns. Innerhalb dieses Hirnabschnittes sind die Neurone in bestimmte vertikalen Säulen oder Kolumnen angeordnet, die einen „Miniaturschaltkreis“ bilden, der eine einzige Funktion ausübt. Diese Anordnung wird als die säulenartige Organisation des Neocortex bezeichnet. Innerhalb des subcorticalen Telenephalons sitzt das limbische System und die Basalganglien. Das limbische System ist vermutlich bei der Steuerung von Emotionen und Motivationen beteiligt. Verhaltensweisen wie Flucht, Fressen, Kampf und Sexualverhalten werden hier ausgelöst. Die Basalganglien spielen eine wichtige Rolle bei der Ausführung von Willkürbewegungen.^[1]

Ich konnte in dieser kurzen Zusammenfassung nicht alle Strukturen des Gehirns aufzählen, aber ich hoffe, dass ich die Wichtigsten genannt habe, um sich einen Überblick verschaffen zu können.

3 Teil 1: Methoden zur Erforschung des Nervensystems

4 Methoden zur Visualisierung des lebende menschlichen Gehirns

4.1 Röntgenkontrasttechniken

Röntgenaufnahmen sind an für sich ungeeignet, um das lebende menschliche Gehirn bildlich darzustellen. Bei Röntgenaufnahmen tritt die Röntgenstrahlung durch das aufgenommene Objekt und wird je nach dessen Struktur unterschiedlich stark absorbiert. Die nicht-absorbierte Strahlung wird auf eine photographische Platte fokussiert und wie eine Photoaufnahme entwickelt. Strukturen, die sich in ihrem Absorptionsvermögen stark von ihrer Umgebung abheben, wie zum Beispiel ein Knochen in der Muskulatur oder auch den Verlauf einer Schädelfraktur, können so gut sichtbar gemacht werden. Die zahlreichen ineinander überlappenden Strukturen des Gehirns allerdings unterscheiden sich kaum in ihrem Absorptionsvermögen. Eine entwickelte Röntgenaufnahme wäre zu kontrastarm, um einzelne Strukturen erkennen zu können.

„Wenn die konventionelle Röntgenphotographie für die Darstellung des Gehirns auch ungeeignet ist, so hat man sie doch lange Zeit dazu eingesetzt, zwei flüssigkeitsgefüllte Systeme im Gehirn abzubilden, die Hirnventrikel und das Kreislaufsystem des Gehirns“.^[2] Diese Methode wird mit Hilfe von Röntgenkontrasttechniken ausgeführt, wobei man ein Kontrastmittel in das zu untersuchende System einbringt. Die markierten Strukturen heben sich nun deutlich von ihrer Umgebung ab, weil die Röntgenstrahlen unterschiedlich stark absorbiert werden.

Ein Verfahren der Röntgenkontrastdarstellung, die Pneumencephalographie, wird eingesetzt, um Ventrikel und Fissuren sichtbar zu machen. Dabei wird ein Teil der Cerebrospinalflüssigkeit zeitweilig durch Luft ersetzt, da Luft Röntgenstrahlung bedeutend weniger absorbiert. Mit diesem Verfahren können Tumore oder beispielsweise eine Hirnatrophie (Degeneration) erkannt werden. Ein weiteres Verfahren, das entwickelt wurde, um das cerebrale Gefäßsystem sichtbar zu machen, ist die Angiographie. Während der Röntgenaufnahme wird durch eine Hirnarterie ein Kontrastmittel infundiert, das die Blutgefäße in der Aufnahme sichtbar machen soll. Diese Methode hilft bei der Lokalisierung von Gefäßschäden und Tumoren.

BRAIN-IMAGING-TECHNIKEN

Eine Revolution stellte sich Anfang der 70er Jahre ein, als die sogenannten Brain-Imaging-Techniken eingeführt wurden. Mit Hilfe von computergestützten Techniken liefern sie ein dreidimensionales Bild des lebenden menschlichen Gehirns.

4.2 Computertomographie (CT)

Die CT liefert mit Hilfe eines computergestützten Röntgenverfahrens eine dreidimen­sionale Darstellung des Gehirns oder auch anderer Organe im menschlichen Körper.

Bei der CT liegt der Patient mit seinem Kopf im zylindrischen Innenraum das Tomographen^[3]. Auf der einen Seite des Zylinders befindet sich eine Röntgenröhre, deren Strahlung durch den Schädel das Patienten dringt und auf der anderen Seite von einem Röntgendetektor aufgefangen wird. Dabei drehen sich Röntgenröhre und Detektor in einer bestimmten Ebene um den Kopf des Patienten, um die Absorption zu messen. Dies geschieht mehrmals auf unterschiedlichen Gehirnebenen, so dass die Messergebnisse im Computer zu einem differenzierten Bild, dem sogenannten CT-Scan, verrechnet werden. Röntgenröhre und Detektor werden so entlang der Körperlängsachse auf anderen Ebenen parallel verschoben, um weitere Aufnahmen zu machen.

„Gewöhnlich werden bei jedem Patienten acht oder neun horizontale Schnittbilder aufgenommen; miteinander kombiniert liefern sie eine dreidimensionale Darstellung des Gehirns.“^[4]

4.3 Kernspintomographie (NMR-Tomographie)

Diese verbesserte Methode der Computertomographie bietet eine höhere Auflösung als die CT. Anders als bei der Röntgentomographie, die auf der Absorption von Strahlung beruht, funktioniert die NMR-Tomographie (nuclear magnetic resonance) auf der Basis einer Strahlungsemission durch angeregte Wasserstoffkerne (Protonen, H+) im Gewebe. Dadurch dass sich die Protonenkonzentrationen in verschiednen neuronalen Strukturen stark unterscheiden, wird mit diesem Verfahren ein hohes Auflösungsvermögen erreicht.

4.4 Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Dieses Verfahren wird in der Forschung eingesetzt um, anders als bei der Computer- oder Kernspintomographie, Informationen über die Aktivität statt über die Struktur des Gehirns zu bekommen. Um eine PET-Aufnahme zu erhalten, wird dem Patienten radioaktiv markierte 2-Desoxyglucose (2-DG) in die Halsschlagader (Arteria carotis) injiziert. 2-DG wird wegen ihrer Ähnlichkeit mit Glucose, die die wichtigste Energiequelle des Gehirns darstellt, von aktiven (energieverbrauchenden) Neuronen schnell aufgenommen. Anders als Glucose wird 2-DG nicht sofort in den Stoffwechselprozess eingebunden (metabolisch umgewandelt), sondern verbleibt einige Zeit in den aktiven Neuronen, bis sie allmählich abgebaut und wieder freigesetzt wird. PET-Scans geben Aufschluss über das Radioaktivitätsniveau in verschiedenen Gehirnbereichen. Ein Patient, dem eine 2-DG-Injektion verabreicht wurde, wird beispielsweise eine visuelle Aufgabe gestellt, während bei ihm eine etwa 1-minütige PET-Aufnahme gemacht wird. Der PET-Scan zeigt dann an, welche Bereiche im Gehirn bei dieser bestimmten Tätigkeit die höchste Stoffwechselaktivität aufweisen.

„Ein weiteres PET-Verfahren nutzt die Tatsache, dass es in den aktiven Hirnbereichen zu einer Durchblutungszunahme kommt, denn aktive Neurone setzen oft Stickoxid frei, das gefäßerweiternd wirkt.“^[5] Wenn nun dem Patienten radioaktiv markiertes Wasser in das Kreislaufsystem des Gehirns injiziert wird, während er geistig aktiv ist, zeigt der PET-Scan die Bereiche an, in denen es während der Hirnaktivität zu einer Durchblutungszunahme gekommen ist.

4.5 Funktionelle Kernspintomographie (fMR-Tomographie)

Die funktionelle Kernspin- oder fMR-Tomographie (functional magnetic resonance) macht die erhöhte Sauerstoffversorgung infolge gesteigerter Durchblutung der aktiven Gehirngebiete sichtbar. Im Vergleich zum PET- Verfahren liegen hier vier Vorteile auf der Hand. Dem Patienten muss nichts injiziert werden, das fMR-Tomographie-Bild liefert gleichzeitig sowohl strukturelle als auch funktionelle Informationen, die räumliche Auflösung ist besser und sie kann Veränderungen in Echtzeit registrieren, weil sie nicht mehr, wie die PET-Tomographie, rund eine Minute für eine einzige Messung benötigt.

5 Nichtinvasive Messung psychophysiologischer Aktivität

Psychophysiologische Untersuchungen dienen dazu, physiologische Indikatoren an der Körperoberfläche eines Patienten zu messen.

5.1 Electroencephalographie (EEG)

Das EEG prüft die elektrische Aktivität des Gehirns, die mit einem Encephalographen oder auch EEG-Gerät gemessen wird. Bei diesem Verfahren werden die Hirnstromkurven der Patienten gemessen. Die Ableitung der elektrischen Aktivität erfolgt über zwei scheibenförmige Elektroden aus einer Silberlegierung, die auf der Kopfhaut angebracht werden. Hierbei gibt es zwei Grundvarianten:

Die monopolare und die bipolare Ableitung.

Bei der monopolaren Ableitung wird eine Elektrode, die aktive, am Zielort auf dem Schädel platziert, die andere Elektrode, die indifferente, wird an eine Stelle relativer elektrischer Inaktivität, beispielsweise dem Ohrläppchen, gesetzt. Die bipolare Ableitung funktioniert in der Art und Weise, dass zwei aktive Elektroden auf dem Schädel platziert werden, also an Stellen hoher elektrischer Aktivität.

Eine EEG gibt die Summer aller elektrischer Ereignisse im Kopf zusammen wieder. Das sind sowohl Aktionspotentiale (EPSPs) und postsynaptische Signale (IPSPs), als auch elektrische Signale von Haut, Muskeln, Blut und Augen. Aus diesem Grund liefert das EEG kein klares Bild der neuronalen Aktivität. „Sein Wert als Forschungs- und Diagnoseinstrument beruht vielmehr darauf, dass einige EEG-Wellenmuster mit bestimmten Bewusstseinszuständen oder mit bestimmten Formen hirnpathologischer Zustände in Verbindung gebracht werden können.“^[6] Eines dieser Wellenmuster, die Alpha - Wellen, sind typisch für den entspannten Wachzustand. Das sind Wellen mit einer Frequenz von 8-10 Herz und einer großen Amplitude. Die Amplitude von EEG-Signalen nimmt mit zunehmender Entfernung von der Quelle ab. Vergleicht man nun Signale, die an verschiedenen Orten abgeleitet werden, kann man den Ursprung bestimmter Wellen ermitteln. Aus diesem Grund wird ein EEG von mehreren Stellen gleichzeitig abgeleitet .

Das eigentliche Interesse der Psychophysiologen liegt in den meisten Fällen darin, die EEG-Wellen zu messen, die mit bestimmten psychologischen Ereignissen einhergehen und weniger für die Hintergrundsignale des EEG’s. Diese Wellen werden allgemein ereigniskorrelierte Potentiale (EKP’s), oder englisch ERP’s (event-related potentials), genannt. Eines dieser Potentiale wird das evozierte Potential genannt. Es drückt die Veränderung des EEG-Signals aus, die als Antwort auf eine bestimmten sensorischen Stimulus über einen der betreffenden Reizmodalität zugeordneten Cortexareal abgeleitet werden kann. Das EEG zeigt als Antwort auf einen sensorischen Reiz zwei Komponenten: Die Antwort auf den Stimulus (Signal) und die ständig vorhandenen Hintergrundaktivität des EEG (Rauschen). Interessant ist in diesem Fall nur das Signal, das allerdings schwer herauzufiltern ist. Darin besteht das Problem bei der Ableitung evozierter Potentiale: Ihre Signalkomponente verschwindet fast vollständig im Hintergrundrauschen. Somit ist eine solche Messung fast genauso schwierig, wie eine Flüstern während eines Rockkonzertes aufzunehmen . Um das Hintergrundrauschen zu verringern, wird die Methode der Signalmittelung eingesetzt. Hierzu wird bei einem Probanden oder Versuchstier die Reaktion auf eine Stimulus, beispielsweise ein Klickgeräusch, viele Male- zum Beispiel 1000 Mal- registriert. Ein Computer ermittelt den Millivolt-Wert jeder der 1000 EEG-Kurven an ihrem Startpunkt, dem „Klick“, und berechnet den Mittelwert aus diesen 1000 Daten. Anschließend berechnet der Computer den Millivolt-Wert von allen 1000 Kurven, beispielsweise eine Millisekunde (ms) nach ihrem Start, und berechnet erneut den Mittelwert. Genauso verfährt der Computer zwei ms nach dem Start, drei ms danach usw. Alle Mittelwerte aufgezeichnet ergeben zusammen die mittlere Antwort, die durch den Klick ausgelöst wird. Das Hintergrundrauschen fällt durch die Mittelung heraus. Um die gemittelten evozierten Potentiale zu analysieren, werden die Peaks (Spitzen) oder Wellen im gemittelten Signal ausgewertet. Dabei hat jede Welle eine bestimmte Richtung, positiv oder negativ, und eine charakteristische Dauer. Positiv bedeutet in diesem Fall eine Abweichung nach unten (negative up) und negativ entgegengesetzt. Die P-300-Welle ist eine positive Welle, sie tritt etwa 300 ms nach einem bestimmten Stimulus auf, wenn er für den Probanden von besonderer Bedeutung ist. In diesem Fall ist der Hörreiz für den Probanden von Bedeutung.

„Dagegen werden die kleine Wellen, die in den ersten Millisekunden nach einem Reiz registriert werden, von der Bedeutung des Reizes nicht beeinflusst; man nennt sie Hirnstammpotentiale (far-field potentials), denn obwohl sie von der Kopfhaut abgeleitet werden, stammen sie aus den sensorischen Kernen des Hirnstammes.“^[7]

5.2 Elektromyographie

Die Elektromyographie ist ein Verfahren mit dem die Muskelspannung gemessen werden kann.

Ein Skelettmuskel ist aus Millionen fadenartigen Muskelfasern aufgebaut. Diese Muskelfasern werden von Motoneuronen innerviert. Wird nun diese Musekelfaser vom Motoneuron aktiviert, zieht sie sich –nach-dem-Alles-oder-Nichts-Prinzip- zusammen. In einem Muskel sind normalerweise immer einige Muskeln kontrahiert, auch wenn der Muskel passiv ist. Auf diese Weise wird der allgemein Spannungszustand der Muskels aufrechterhalten. Wird ein Muskel bewegt, werden viele dieser Muskelfasern gleichzeitig bewegt. Die Muskelspannung, oder auch Muskeltonus gennant, ist ein Maß zur Messung des allgemeinen psychischen Erregungszustand eines Menschen. Um nun eine Elektromyogramm (EMG) zu erstellen, das die Muskelspannung misst, werden zwei Elektroden auf der Hautoberfläche über dem interessierenden Muskel angebracht. Das Ergebnis ist ein EMG-Signal, das eine Amplitude zeigt, die bei zunehmender Muskelkontraktion zunimmt. Die Amplitude des EMG spiegelt auf die Weise zu jedem Zeitpunkt die Anzahl der kontrahierten Muskelfasern wieder.

Die EMG-Signale sind in dieser „rohen“ Form für die meisten Psychophysiologen unbrauchbar. Aus diesem Grund werden die Signale mit einem Verfahren zur Signalintegration in eine besser zu bearbeitende Form um. Das EMG-Signal wird in einen Computer eingegeben, der die Gesamtsumme der EMG-Spikes (Spitzen) pro Zeiteinheit schrittweise berechnet –zum Beispiel in 0,1-Sekunden-Intervallen. Danach wird die Gesamt-EMG-Aktivität pro Zeiteinheit ausgegeben. Heraus kommt ein Diagramm, das ein einfaches, kontinuierliches Maß für die Stärke der Muskelkontraktion in Abhängigkeit von der Zeit darstellt^[8].

[...]

^[1] vgl. Pinel, John P.J., “Biopsychologie, eine Einführung”, Heidelberg, 1997, S. 68fff.

^[2] s. Pinel, John P.J., “Biopsychologie, eine Einführung”, Heidelberg, 1997, S. 111

^[3] vgl. Pinel, John P.J., “Biopsychologie, eine Einführung”, Heidelberg, 1997, S. 112

^[4] s. Pinel, John P.J., “Biopsychologie, eine Einführung”, Heidelberg, 1997, S. 111

^[5] s. Pinel, John P.J., “Biopsychologie, eine Einführung”, Heidelberg, 1997. S. 113

^[6] s. Pinel, John P.J., “Biopsychologie, eine Einführung”, Heidelberg, 1997, S. 114

^[7] s. Pinel, John P.J., “Biopsychologie, eine Einführung”, Heidelberg, 1997, S. 116

^[8] s. Pinel, John P.J., „Biopsychologie, eine Einführung“, Heidelberg, 1997, S. 116