Methoden der kognitiven Neurowissenschaft

Experimentelle Manipulation VS. biologische Manipulation

Messverfahren = experimentelle Manipulation

• Messverfahren messen Veränderungen der Gehirnfunktion, während ein Versuchsteilnehmer (Mensch oder Tier) eine kognitive Aktivität ausführt.

• werden oft als "korrelational" bezeichnet -> zeigen z.B. dass Signale aus einer Hirnregion mit einer Funktion von Interesse einhergehen, aber sie können nicht zeigen, dass eine Region für diese Funktion notwendig ist.

Manipulationsverfahren = biologische Manipulation

Manipulationsverfahren untersuchen wie Störungen der Gehirnfunktion die kognitiven Funktionen oder das Verhalten verändern.

• entweder durch eine vorübergehende Veränderung der neuronalen Feuerungsraten/ Neurotransmitterwerte oder durch eine dauerhafte Schädigung des Gewebes (bei Tieren)

Werden manchmal auch als kausale Ansätze bezeichnet.

zeitliche Auflösung, räumliche Auflösung und Invasivität

Die zeitliche Häufigkeit, mit der Messungen oder Manipulationen vorgenommen werden können.

Techniken, die die neuronale Aktivität direkt mit elektrophysiologischen Mitteln aufzeichnen, haben in der Regel eine sehr gute zeitliche Auflösung (z.B. Präzision im Millisekundenbereich);

Techniken, die indirekte metabolische Korrelate der neuronalen Aktivität messen, haben in der Regel eine mittlere zeitliche Auflösung (z.B. Sekunden bis Minuten)

Techniken, die die Hirnfunktion durch medikamentöse Wirkungen oder Hirnläsionen manipulieren, haben in der Regel die schlechteste zeitliche Auflösung (z.B. Minuten bis Tage).

die Fähigkeit, benachbarte Gehirnregionen, die sich in ihrer Funktion unterscheiden, zu unterscheiden.

Techniken, die Elektrodensensoren direkt im Gehirn positionieren, haben die höchste räumliche Auflösung (z.B. einzelne Neuronen oder besser);

Techniken des funktionellen Neuroimaging haben eine mittlere räumliche Auflösung (z.B. Millimeter bis Zentimeter)

Techniken, die elektrische Signale messen, die sich diffus ausbreiten, haben tendenziell die niedrigste räumliche Auflösung (z.B. Zentimeter bis zum gesamten Gehirn).

Invasivität

Die neurowissenschaftlichen Techniken unterscheiden sich darin, ob sie Messungen durchführen können, ohne das Gehirn (oder anderes Körpergewebe) zu beschädigen oder zu stören.

• Nicht-invasive Techniken zeichnen körpereigene Gehirnsignale mit Sensoren außerhalb des Körpers auf. Daher können diese Techniken wiederholt an freiwilligen menschlichen Teilnehmern durchgeführt werden, ohne dass ein nennenswertes Risiko besteht.

• Bei invasiven Techniken wird eine Chemikalie oder ein Aufzeichnungsgerät in den Körper eingeführt. Während einige dieser Techniken an freiwilligen menschlichen Probanden angewendet werden können (wenn auch unter besonderer Berücksichtigung der Sicherheit der Teilnehmer), können andere invasive Techniken nur bei menschlichen Patienten (z.B. vor neurochirurgischen Eingriffen) und/oder nicht-menschlichen Tieren eingesetzt werden.

z.B. PET Scan

Ziel von Experimenten:

• Daten zu gewinnen, um zwischen konkurrierenden Hypothesen über ein bestimmtes Phänomen zu unterscheiden.

Die Daten eines Experiments erfüllen diese Funktion nur in dem Maße, in dem der Prozess zur Erzeugung dieser Daten zuverlässig war und die Behauptungen, die auf der Grundlage dieser Daten aufgestellt wurden, gültig sind.

Experimente in den kognitiven Neurowissenschaften kombinieren die Verwendung von

• experimentellen Paradigmen/kognitiven Aufgaben der kognitiven Psychologie mit

• Computermodellen, Neuroimaging und elektrophysiologischen Techniken.

Art der Antwort

• Verbal (z.B. Benennen eines Objekts)

• Nonverbal (z.B. Drücken einer Taste)

Messung

• Die Reaktionszeit (Verzögerung nach einem Stimulus) und/oder

• Die Genauigkeit (Anteil der richtigen Antworten)

Anwendungen

• Die Aufgabenanalyse untersucht das Verhalten von Versuchspersonen, die an experimentellen Aufgaben

• Die Läsionsanalyse untersucht die Verhaltensfolgen von zufälligen oder therapeutischen Hirnläsionen bei Menschen und experimentellen Hirnläsionen bei Tieren

Beispiele von Aufgaben/Paradigma

• Sternberg Paradigma

• Stroop Paradigma

• Ist ein beschriebenes und angewandtes Verfahren zur Messung der indiv.Interferenzneigung

• Die Fähigkeit zur Kontrolle kognitiver Interferenz wird in der Regel durch Aufgaben geprüft, bei denen mindestens zwei Informationsverarbeitungswege miteinander konkurrieren.

• Die Aufgabe besteht jeweils darin, den weniger dominanten Weg der Informationsverarbeitung zu nutzen, während der dominante Weg interferiert.

Dieser Ansatz wurde von dem niederländischen Experimentalpsychologen F.C. Donders im 19. Jahrhundert erfunden.

Die Grundannahme der Subtraktionsmethode ist, dass, wenn wir alle möglichen Variablen konstant halten, mit Ausnahme einer, die wir manipulieren (z.B. die Lautstärke des Tons), der Unterschied in unserer abhängigen Messung (sei es die Reaktionszeit oder die Gehirnaktivierung oder was auch immer) den Effekt der experimentellen Manipulation darstellt

Die Subtraktionsmethode beruht auf der Annahme der reinen Insertion

• Die Einfügung des zusätzlichen kognitiven Prozesses (oder allgemeiner gesagt, die experimentelle Manipulation) verändert keine anderen Aspekte der Art und Weise, wie die Person die Aufgabe ausführt

z.B. bei einem Experiment zur Wahrnehmung von Gesichtern

Man könnte die Hirnaktivierung bei der Betrachtung von Gesichtern mit einer Kontrollbedingung vergleichen, bei der unscharfe oder anderweitig verworrene Bilder von Gesichtern präsentiert wurden - um die Aktivierung zu kontrollieren, die mit der visuellen Wahrnehmung im Allgemeinen und nicht mit Gesichtern im Besonderen verbunden ist.

Da Gesichter von Natur aus interessanter sind als unscharfe, verworrene Kleckse, könnten die Menschen den Gesichtern mehr Aufmerksamkeit schenken, was zu einer Verletzung der reinen Einfügung führen würde - denn die Kontrollbedingung unterscheidet sich von der Zielbedingung sowohl in Bezug auf die visuellen Merkmale als auch in Bezug auf die Menge an Aufmerksamkeit, die die Bilder erregen.

bezeichnet das Phänomen, in Dingen und Mustern vermeintliche Gesichter und vertraute Wesen oder Gegenstände zu erkennen. Allgemeiner bezeichnet Pareidolie das Phänomen, ein in einem Bild erkanntes Muster auch auf andere Bilder so anwenden zu können, dass diese dem Muster nach ähnlich erscheinen.

Mehrere Bedingungen, bei denen die interessierenden Variablen systematisch manipuliert werden.

In einer der ersten nicht-invasiven Neuroimaging-Studien, die jemals veröffentlicht wurde, haben Steve Petersen, Mike Posner und Kollegen (Petersen et al., 1988) zum Beispiel additive Faktoren verwendet, um Gehirnareale zu untersuchen, die am Lesen von Wörtern beteiligt sind

Dabei wurde die PET-Bildgebung verwendet, um das Aktivierungsniveau in bestimmten Teilen des Gehirns mit radioaktiv markiertem Sauerstoff zu messen.

Das Interesse galt zwar den Hirnarealen, die am Lesen von Wörtern beteiligt sind, aber es stellte sich heraus, dass das Lesen von Wörtern mehrere kognitive Prozesse umfasst

• visuelle Wahrnehmung

• Buchstabenerkennung

• Erkennung ganzer Wörter

• Zuordnung von Buchstaben und Lauten

• Bedeutung

So würde die einfache Gegenüberstellung von Wörtern und einem schwarzen Bildschirm in einem subtraktiven Design zwar Hirnareale aufdecken, die an der Worterkennung beteiligt sind, aber es wäre unmöglich, Areale, die speziell an der Erkennung von Wortbedeutungen beteiligt sind, von Arealen zu unterscheiden, die an der visuellen Wahrnehmung im Allgemeinen beteiligt sind, oder von Arealen, die auf die Buchstabenerkennung oder die Zuordnung von Buchstaben zu Lauten spezialisiert sind.

Die Studie von Petersen und Kollegen umfasste daher mehrere Bedingungen, die darauf abzielten, schrittweise verschiedene Leseprozesse in Gang zu setzen, und zwar auf der Grundlage sorgfältiger Überlegungen, was diese Prozesse sein könnten.

• Auditiv vs. visuell

• passiv vs. laut

• Nachsprechen vs. Generierung

1. Gruppierung nach Syndrom

   Die Patienten werden einer bestimmten Gruppe zugeordnet, weil sie ein Muster von verschiedenen Symptomen aufweisen.

   Derzeit wird versucht sicherzustellen, dass diese diagnostischen Kategorien den neuesten Erkenntnissen der Neurobiologie und des Verhaltens entsprechen (Cuthbert & Insel, 2013).

2. Gruppierung nach kognitivem Symptom

   Die Patienten werden einer bestimmten Gruppe zugeordnet, weil sie ein bestimmtes Symptom aufweisen (z.B. auditive Halluzinationen; Schwierigkeiten beim Lesen von Nicht- Wörtern).

   Sie können auch andere Symptome aufweisen, aber wenn man davon ausgeht, dass sich die anderen Symptome von Fall zu Fall unterscheiden, sollte die Methode für das untersuchte Symptom empfindlich sein.

3. Gruppierung nach anatomischer Läsion

   Die Patienten werden auf der Grundlage einer Läsion in einer bestimmten anatomischen Region ausgewählt.

   Diese Region kann durch frühere funktionelle Bildgebungsstudien als interessant identifiziert worden sein. Bei dieser Methode ist es nicht erforderlich, dass die Patienten ausschließlich in der interessierenden Region geschädigt sind. Die Patienten können auch an anderen Stellen geschädigt sein, aber wenn man davon ausgeht, dass sich die anderen Läsionen von Fall zu Fall unterscheiden, sollte die Methode für die betreffende Region empfindlich sein.

Es gibt keinen richtigen oder falschen Weg, um zu entscheiden, wie Patienten gruppiert werden sollen

Dies hängt bis zu einem gewissen Grad von der genauen Fragestellung ab.

Gruppierung nach Syndromen:

• eine gröbere Analyseebene; möglicherweise besser geeignet, um die neuronalen Korrelate einer bestimmten Krankheitspathologie zu verstehen

Gruppierung nach Symptomen:

• feinere Analyseebene; häufig in MRT-Studien

Gruppierung nach anatomischer Läsion:

• um eine bestimmte Vorhersage darüber zu testen, wofür die Region entscheidend ist (z. B. wenn die Region in Studien zur funktionellen Bildgebung untersucht wurde).

Bei jeder Studie im Bereich der experimentellen Psychologie oder der kognitiven Wissenschaften ist eine sorgfältige Kontrolle der Versuchsbedingungen - wie z.B. der verwendeten Stimuli, der den Teilnehmern erteilten Anweisungen usw. - von entscheidender Bedeutung, damit die Daten interpretierbar sind

Ebenso müssen experimentelle Manipulationen - wie die Faktoren, die die verschiedenen Versuchsbedingungen definieren - systematisch und sorgfältig gemessen und kontrolliert werden.

In den kognitiven Neurowissenschaften ist oft eine noch strengere Kontrolle erforderlich.

Das Gehirn reagiert empfindlich auf viele Dinge , z.B. der physikalischen Eigenschaften von Reizen, die das Verhaltensergebnis eines Experiments möglicherweise nicht beeinflussen.

Beispiel: Lebendigkeitsurteil

Es kann sein, dass die gesprochenen Wörter nicht alle zur gleichen Zeit aufgenommen wurden und vielleicht sind die Wörter für belebte Objekte in dem Experiment im Durchschnitt lauter als die für unbelebte Objekte.

Solange alle Wörter hörbar waren, würde sich dies wahrscheinlich nicht auf die Fähigkeit der Menschen auswirken, zwischen belebten und unbelebten Wörtern zu unterscheiden.

Daher könnte einer systematische Unterschied zwischen den Reizkategorien - obwohl er nicht optimal ist - in einer Verhaltensstudie keinen signifikanten Grund zur Sorge darstellen (obwohl man auch dort spekulieren könnte, dass die Reaktionszeiten für lautere Reize schneller sein könnten).

In einer fMRT-Studie könnte dieser systematische Unterschied in der Lautstärke jedoch viel größere Auswirkungen haben, da Bereiche des auditorischen Kortex stärker auf intensivere Töne reagieren.

Die in diesem Experiment aufgezeichnete Hirnaktivität würde sich also wahrscheinlich zwischen den belebten und unbelebten Stimulusbedingungen unterscheiden. Es wäre jedoch schwierig herauszufinden, welche Hirnareale aufgrund der beabsichtigtenexperimentellen Manipulation (Lebendigkeit) und desunbeabsichtigten physikalischen Unterschieds zwischen den Stimuli (Lautstärke) Unterschiede aufwiesen.

Man könnte zwar vorschlagen, dass etwaige Unterschiede im auditorischen Kortex auf die Unterschiede in der Lautstärke zurückzuführen sind, während die Unterschiede in anderen Hirnregionen auf die experimentelle Manipulation zurückzuführen sind, aber das wäre bestenfalls ein wackeliger Boden.

Denn die Lautstärke könnte die Gehirnaktivität in anderen Bereichen beeinflussen, und umgekehrt ist es theoretisch möglich, dass die Lebendigkeit die Aktivität des auditorischen Kortex beeinflusst. Außerdem können wir bei einigen Techniken, wie z.B. dem EEG, die genauen Hirnregionen, die die aufgezeichnete Aktivität erzeugen, nicht einfach oder zuverlässig ermitteln, so dass wir diese Argumentation nicht einmal anwenden könnten.

Stellen Sie sich zum Beispiel ein Experiment vor, bei dem die Teilnehmer die Namen verschiedener Objekte hören (z.B. Fisch, Stein) und für jedes Wort bestimmen müssen, ob das Objekt lebendig ist oder nicht (allgemein als "Lebendigkeitsurteil" bezeichnet).