Untersuchung der Gehirnaktivität außerhalb des Labors

Quelle: James E. Crum II

Irgendwann haben wir alle gesehen, wie jemand in der Öffentlichkeit etwas getan hat, sei es dumm oder brilliant, und sich gefragt hat: Was passiert gerade im Kopf dieser Person? Oder, wenn es um einige Leute geht, können wir darüber nachdenken, ob überhaupt etwas unter ihren Schädeln vorkommt. Obwohl es beispielsweise nicht schwierig ist, sich die sozialen Vorteile vorzustellen, von denen man profitieren könnte, wenn man die inneren Abläufe anderer verstehen könnte, ist es klar, dass uns diese Fähigkeit fehlt; Die Wissenschaft muss dies jedoch nicht tun.

Wenn die Öffentlichkeit gefragt wurde, ob es möglich ist, neuronale Aktivität in den Gehirnen von Menschen zu betrachten, während sie verschiedene Aufgaben in einem Labor durchführen, würde es einen Konsens geben, dass ja Neurowissenschaftler dies bereits tun können. In der Tat verwenden Neurowissenschaftler seit über drei Jahrzehnten funktionelle Neurobildgebung, um zu untersuchen, wie das menschliche Gehirn auf eine Vielzahl von Reizen reagiert.

Neuroimaging-Verfahren umfassen typischerweise Positronenemissionstomographie (PET), funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI), Elektroenzephalographie (EEG), Magnetoenzephalographie (MEG) und funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) und, relativ zueinander, jede dieser Techniken hat einzigartige räumliche und zeitliche Vor- und Nachteile. Allerdings sind alle außer einer dieser Methoden durch ihre Fähigkeit beschränkt, die neuralen Grundlagen kognitiver Prozesse in naturalistischen, realen Situationen zu untersuchen: fNIRS ist die Ausnahme, und sie wird außerordentlich.

fNIRS ist eine sichere, nichtinvasive optische Bildgebungstechnik. Es verwendet keine Isotope wie PET, Kontaktmittel wie EEG oder Magnetfelder wie fMRI; es ist vielmehr ein relativ kleines Kopfgerät, ähnlich einem Fahrradhelm, den die Teilnehmer am Kopf tragen. Ähnlich wie bei der fMRT misst fNIRS Veränderungen der Blutoxygenation, um die neurale Aktivität im Gehirn zu bestimmen. FNIRS verwendet jedoch Nah-Infrarot-Licht anstelle eines Magnetfeldes, um diese Änderungen zu beobachten.

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Insbesondere sind menschliches Gewebe und Knochen für Nahinfrarotlicht weitgehend durchlässig, und so wird diese Form von Licht durch Quellen ins Gehirn geglänzt und von Detektoren gesammelt; Eine Quelle und ein Detektor bilden einen Kanal, und fNIRS ist typischerweise ein Mehrkanalsystem (Bakker, Smith, Ainslie & Smith, 2012). Wenn dieses Licht in das Gehirn geschickt wird, wird einiges davon absorbiert und gestreut, und einige davon werden ungehindert durch das Gehirn fortgesetzt. Die Intensität des Lichts, das es zu den Detektoren zurückführt, wird verwendet, um Veränderungen der Konzentrationen von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin zu berechnen. Es ist jedoch erwähnenswert, dass fNIRS dadurch eingeschränkt ist, dass dieses Licht nicht tiefer als etwa 4 cm in das Gehirn eindringen kann. fNIRS kann daher die Aktivierung in subkortikalen Regionen nicht untersuchen (Lloyd-Fox, Blasi, Elwell, 2010).

Die Einführung der Nahinfrarotspektroskopie zur Beurteilung der funktionellen Aktivierung im menschlichen Gehirn erfolgte vor 25 Jahren, und von Anfang an gab es bei FNIRS-Systemen erhebliche technologische Fortschritte (Ferrari & Quaresima, 2012). Von besonderer Bedeutung ist die jüngste Entwicklung von fiberlosen, batteriebetriebenen fNIRS-Geräten. Diese Systeme ermöglichen es den Teilnehmern, Aufgaben ohne die Einschränkungen anderer bildgebender Verfahren frei auszuführen, was eine noch nie dagewesene Möglichkeit bietet, Kognition auf eine Weise zu untersuchen, die ökologischer ist – also außerhalb des Labors.

Wireless fNIRS ist in der Lage, Situationen zu untersuchen, die in einer Laborumgebung schwierig zu realisieren sind, nämlich neuartige, offene Aufgaben, und ist daher eine geeignete Technik, um die kognitiven Prozesse zu erforschen, die durch solche Situationen rekrutiert werden. Forscher des University College London (UCL) haben kürzlich gezeigt, dass drahtlose fNIRS die neuralen Grundlagen alltäglicher Aufgaben beurteilen können. Zum Beispiel wurde eine Studie mit dem Titel "Verwendung von fiberlosen, tragbaren fNIRS zur Überwachung der Gehirnaktivität bei kognitiven Aufgaben in der realen Welt" in einer naturalistischen Umgebung – Queen Square Gardens in London – durchgeführt und verlangte von den Teilnehmern, dass sie in bestimmten Situationen darauf reagierten auf soziale und nicht-soziale Hinweise gestoßen (Pinti et al., 2015). Insbesondere, wenn sie auf einen Verbündeten stießen (ein weiterer Experimentator, der an verschiedenen Orten positioniert war), wurden sie gebeten, sich daran zu erinnern, die Person mit einem Fauststoß zu begrüßen; Sie stießen die Postfächer für den nicht-sozialen Zustand.

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Prospektive Erinnerung bezieht sich auf unsere Fähigkeit, sich daran zu erinnern, zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zukunft eine Absicht auszuführen oder wenn ein bestimmtes Ereignis eintritt (McDaniel & Einstein, 2007). So wird die prospektive Erinnerung rekrutiert, wenn man sich daran erinnert, jemanden oder eine Mailbox bei einer Begegnung zu begrüßen. Darüber hinaus ist das Abrufen einer zukünftigen Intention größtenteils selbst initiiert, weil wir entscheiden müssen, wann es angemessen ist, unsere gegenwärtigen Aktivitäten zu stoppen, um die Absicht zu realisieren.

Um dies in der realen Welt zu erfassen, wurden die Teilnehmer in der Studie gebeten, sich in der Zeit zwischen der Absicht, etwas zu grüßen und diese Absicht zu realisieren, in einer fortlaufenden Aufgabe zu engagieren. Zum Beispiel mussten die Teilnehmer die Anzahl der ungehinderten Treppen der Queen Square Gebäude zählen, während sie gingen. Das drahtlose fNIRS-System konnte Unterschiede in der präfrontalen Aktivierung zwischen den sozialen und nicht-sozialen Bedingungen beobachten. Insbesondere wurden Unterschiede nicht nur beim Abruf einer Intention festgestellt, sondern auch bei der Aufrechterhaltung der Intention während der laufenden Aufgaben. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass kognitive Prozesse wie das prospektive Gedächtnis außerhalb der Grenzen eines Labors untersucht werden können und dass fiberlose fNIRS eine brauchbare bildgebende Methode ist.

Ist also fiberlos die Zukunft der kognitiven Neurowissenschaften? In mancher Hinsicht, nein, aber in anderen, ja: Diese Systeme sind hinsichtlich des in Frage stehenden wissenschaftlichen Problems begrenzt, da sie beispielsweise für Fragen zu subkortikalen Hirnregionen nicht geeignet sind; faserfreies fNIRS bietet jedoch einen einzigartigen und vielleicht sensibleren Ansatz zur Untersuchung der Prozesse, die alltäglichen Aktivitäten in realen Umgebungen zugrunde liegen. Wie Professor Paul Burgess, einer der leitenden Forscher der oben erwähnten UCL-Studie, auf der Jahrestagung der British Neuropsychological Society am 17. März 2017 erklärte: "Wenn Sie solche Prozesse untersuchen, ist [fNIRS] ziemlich viel maßgeschneidert."

Die zukünftigen Anwendungen von fiberlosen fNIRS sind umfangreich. Ingenieure werden die fNIRS-Ausrüstung weiter verbessern und verfeinern, und diese technologischen Fortschritte werden es den Forschern ermöglichen, das Gehirn in verschiedenen Kontexten in der natürlichen Welt zu untersuchen. Stellen Sie sich vor, Sie möchten herausfinden, was im Hirn eines Gehirnchirurgen passiert, während Sie eine Gehirnoperation machen. Soziale Interaktionen zwischen Personengruppen könnten untersucht werden – Situationen, in denen mehrere fNIRS-Geräte an Teilnehmern verwendet werden. Die Aussichten, neurale Aktivität bei Sportlern, Piloten, Astronauten und so weiter zu untersuchen, sind ebenfalls vielversprechend. Darüber hinaus ist die klinische Wissenschaft vielleicht das Feld, in dem die Teilnehmer am meisten von fNIRS profitieren werden, und zwar könnten Neuropsychologen diese Methode verwenden, um die Wirksamkeit von Neurorehabilitationsmaßnahmen zu untersuchen.

Daher werden zukünftige Studien dazu beitragen, drahtlose fNIRS als eine gültige Methode zur Erforschung komplexer kognitiver Prozesse in der natürlichen Welt weiter zu etablieren. Wir sind in der Tat einen Schritt weiter, um zu verstehen, was in den Köpfen der Menschen so vor sich geht, und es scheint, dass es endlich eine Antwort auf den Ruf nach einer ökologischen Psychologie geben kann (Neisser, 1976).