3 Methode

↓80

Im folgenden Kapitel werden alle Untersuchungs- und Auswertungsmethoden der vorliegenden Arbeit dargestellt.

3.1  Stichprobe

↓81

An den Experimenten nahmen zwölf gesunde Personen (4 Männer und 8 Frauen) im Alter von 19 bis 35 Jahren teil (Mittelwert (M) = 25.9 Jahre, Standardabweichung (SD) = 3.8 Jahre). Zehn der zwölf Personen durchliefen die gesamte Messreihe, die aus Messung 1, den Lernsitzungen 1 und 2 und Messung 2 bestand. Zwei Personen nahmen nur an Messung 1 teil, so daß die Stichprobe sich für die beiden Lernsitzungen und Messung 2 auf 10 Personen (6 Frauen, 4 Männer, Alter: M = 26.3 Jahre, SD = 3.9 Jahre) reduzierte. Die Händigkeit der Personen wurde mündlich erfragt. Dabei gaben alle Personen an, Rechtshänder zu sein. Für die Teilnahme an den Experimenten wurden Aufwandsentschädigungen von jeweils 25 Euro für Messung 1 und 2, 10 Euro für jede der Lernsitzungen und 25 Euro für die magnetresonanztomographische Aufnahme (MRT) gezahlt. Das Studiendesign wurde von der Ethikkommission der Charité genehmigt.

3.2 Stimuli und experimentelle Aufgabe

Die Stimuli wurden aus einem digitalisierten Archiv mit schwarz-weiß Fotografien von Gesichtern unbekannter Personen zufällig ausgewählt (Fotograf: Walter Endl). Die Personen auf den Fotografien sind in Frontalansicht aufgenommen und tragen weder Bart noch Brille oder andere Accessoires. Aus der Datenbank wurden 300 Gesichter von Männern und Frauen im Alter von 20 bis 35 Jahren und 80 Gesichter von Jungen und Mädchen im Grundschulalter ausgesucht. Das Geschlecht der Gesichter variierte nicht systematisch. Die Gesichter wurden am Computer so nachbearbeitet, daß die Frisuren auf den Fotos möglichst nicht mehr zu sehen waren. Beispiele für die Erwachsenen und Kindergesichter werden in Abbildung 4.1 gezeigt.

Primingprozesse werden in Aufgaben, die keine bewussten Gedächtnisprozesse experimentell evozieren, untersucht. Deshalb wurde für die Versuchspersonen keine Aufgabe, in der die Gesichter bewusst eingeprägt oder wiedererkannt werden mussten, konstruiert, sondern es wurde eine Aufgabe gewählt, die eine genaue Betrachtung der Gesichter unabhängig von ihrer bewussten Gedächtnisverarbeitung erforderte. Diese Aufgabe war die Entscheidung, ob ein Gesicht von einem Kind oder einem Erwachsenen war. Die Versuchspersonen sollten nach getroffener Entscheidung so schnell wie möglich eine von zwei Reaktionstasten drücken, die den beiden Entscheidungen zugeordnet waren (zur Messanordnung der Tastenreaktionen siehe Kapitel 3.6.5).

3.3 Versuchsplanung

↓82

Das im folgenden dargestellte Versuchsdesign bezieht sich auf das Gesichterpimingexperiment, das in Messung 1 und Messung 2 identisch wiederholt wurde.

3.3.1  Unabhängige Variablen (Faktoren)

Im Gesichterprimingparadigma wurden die unabhängigen Variablen ‚Wiederholung’ und ‚Lag’ variiert. Jedes der 300 Erwachsenengesichter wurde viermal identisch dargeboten. Um den Effekt der Gesichterwiederholungen auf die abhängigen Variablen zu untersuchen, wurde jede der vier Präsentationen (1., 2., 3., 4. Präsentation) als eine Stufe des Faktors ‚Wiederholung’ definiert.

↓83

Der Zeitabstand (Lag) zwischen den viermaligen Wiederholungen desselben Gesichts wurde in zwei Ausprägungen variiert: 150 Erwachsenengesichter wurden immer nach 3 anderen (intervenierenden) Gesichtern wiederholt. Dieser Abstand entspricht sechs Sekunden zwischen Wiederholungen und stellt die Bedingung ‚kurzes Lag‘ dar. Für die anderen 150 Erwachsenengesichter betrug der Abstand 90 intervenierende Gesichter oder 180 Sekunden. Diese Bedingung wird ‚langes Lag‘ genannt.

Für die Gesichterpräsentationen mit langem Lag vergingen von erster bis zu vierter Darbietung 9 Minuten. Dieser Zeitabstand war zu lang, um alle viermaligen Darbietungen mit langem Lag ohne Pause realisieren zu können. Aus diesem Grund fanden die Gesichterwiederholungen mit langem Lag entweder nach 90 intervenierenden Gesichtern oder, wenn die Pausen zwischen den Wiederholungen lagen, nach 180 Sekunden Zeitabstand statt. Dabei wurden 91% der Gesichter einmal im Experiment mit zeitlicher Pause (statt nur intervenierender Gesichter) wiederholt, und 9% der Gesichter wurden insgesamt zweimal in ihren Wiederholungen von einer zeitlichen Pause unterbrochen. Für jedes der 300 Erwachsenengesichter war der durchschnittliche Abstand zwischen allen vier Darbietungen derselbe. Um jedoch einen identischen Abstand für alle Wiederholungen eines bestimmten Gesichts zu verhindern - dadurch wäre die Reihenfolge der Gesichterpräsentationen für die Versuchspersonen vorhersagbar geworden - wurde für beide Lags eine Variation von +/-1 Gesicht um das durchschnittliche Lag eingeführt. Ein Beispiel für diese Variation wird für die viermalige Darbietung eines Gesichts mit kurzem Lag in Abbildung 3.1 gegeben.

Für die Wiederholungen wurden alle möglichen Reihenfolgen der Anzahl intervenierender Gesichter gleichhäufig realisiert (z. B. für das kurze Lag: Gesicht A – 2 intervenierende Gesichter – A – 3 intervenierende – A – 4 intervenierende – A; eine weitere mögliche Reihenfolge der Anzahl intervenierender Gesichter ist: A – 3 intervenierende – A – 4 intervenierende – A – 2 intervenierende Gesichter). Die zwei Variationen des Lags wurden zudem gleichmäßig über das Experiment verteilt.

↓84

Abbildung 3.1: Wiederholung eines Gesichts mit kurzem Lag.

Die unabhängige Variable ‚Messung’ wurde eingeführt, um Unterschiede im Einfluß von ‚Wiederholung‘ und ‚Lag‘ auf die abhängigen Variablen in Abhängigkeit von der Bekanntheit der Gesichter zu untersuchen. Das Gesichterprimingexperiment wurde dazu zweimal identisch wiederholt (Messung 1 und 2). In Messung 1 waren die Gesichter den Versuchspersonen völlig unbekannt, während sie in Messung 2 durch die Präsentationen in Messung 1 und in den Lernsitzungen 1 und 2 bekannt waren. Jede der beiden Messungen stellt eine Stufe der unabhängigen Variable ‚Messung‘ dar.

Bei der Auswertung der EEG-Daten wurde die Frage untersucht, ob sich der Einfluß der experimentellen Manipulation an verschiedenen Ableitungsorten über dem Kortex differentiell zeigte. Deshalb wurden nebeneinander liegende Elektroden zu Elektrodengruppen zusammengefaßt und die verschiedenen Elektrodengruppen als einzelne Faktorstufen in die EEG-Auswertung einbezogen. Die einzelnen Elektrodengruppen sind in Kapitel 4.3 genannt.

3.3.2 Versuchsplan

↓85

Die Faktoren ‚Wiederholung‘ (4 Stufen) und ‚Lag‘ (2 Stufen) sind beide meßwiederholt. Sie wurden vollständig miteinander kombiniert, so daß sich für das Gesichterprimingexperiment 4 * 2 = 8 Bedingungskombinationen ergaben. Da beide Variablen meßwiederholt waren und die Stichprobe in Messung 1 N = 12 Personen (N: Anzahl der insgesamt teilnehmenden Versuchspersonen) umfasste, befinden sich in jeder der Bedingungskombinationen ebenfalls n = 12 Personen (n: Anzahl der Personen pro Bedingung). Der Versuchsplan wird in Abbildung 3.2 gezeigt.

Abbildung 3.2: Versuchsplan für das Primingexperiment in Messung 1.

Der Versuchsplan für Messung 2 unterscheidet sich zum Plan für Messung 1 nur in der Zellbesetzung (n), die aufgrund der Verringerung der untersuchten Stichprobe von 12 auf 10 Personen (N = 10) jeweils ein n von 10 hat.

3.3.3 Abhängige Variablen

↓86

Während der Messungen 1 und 2 wurden simultan Elektroenzephalogramm (EEG), Magnetenzephalogramm (MEG) und Tastendruckreaktionen gemessen.

3.3.3.1  Ereigniskorrelierte Potentiale (ERP)

Durch stimulusbezogene Mittelung des EEG wurden ereigniskorrelierte Potentiale gebildet. An EEG-Elektroden über linker und rechter Hemisphäre zeigten sich charakteristische zeitliche ERP-Verläufe, die von 100 ms bis 250 ms nach Beginn der Gesichtsdarbietung steil ansteigende und abfallende Negativierungen und Positivierungen (Peaks) hatten. Nach diesen Peaks traten länger andauernde Positivierungen und Negativierungen auf, die sich über mehrere hundert Millisekunden erstreckten. Die folgenden ERP-Komponenten wurden im Hinblick auf Unterschiede in Peakamplituden zwischen den experimentellen Bedingungen untersucht:

P100: Als P100 wurde der Peak im Zeitbereich zwischen 80 ms und 120 ms nach Beginn der Gesichtsdarbietung definiert. Dieser Peak hat an posterioren (occipitalen, parietalen und occipitotemporalen) Elektroden eine positive Polarität und ist am stärksten ausgeprägt an occipitalen Elektroden.

↓87

N170: Als N170 wurde der an posterioren Elektroden negative und an anterioren Elektroden positive Peak zwischen 130 ms und 190 ms definiert. Die Amplitude der N170 ist an occipitotemporalen Elektroden am größten.

P200: Als P200 wurde der an posterioren Elektroden positive und an anterioren Elektroden negative Peak im Zeitbereich von 190 ms bis 230 ms ermittelt, dessen Amplitude wie die der N170 an occipitotemporalen Elektroden am größten ist.

ERP ab 300 ms: Da sich ab etwa 300 ms in den ERP keine klaren Peaks mehr zeigten, sondern Positivierungen oder Negativierungen mit einer Dauer von bis zu mehreren 100 ms vorherrschten, wurden Amplitudenmittelwerte über längere Zeitbereiche gebildet. Dabei wurde von 300 ms bis 1000 ms über Zeitfenster von 100 ms oder mehreren hundert Millisekunden Breite gemittelt. Die genauen Zeitbereiche der Untersuchung wurden aufgrund der visuellen Betrachtung der ERP-Kurven ermittelt und sind im ERP-Ergebnisteil der vorliegenden Arbeit genannt.

↓88

Die Polarität aller untersuchten ERP-Komponenten kehrt sich an zentralen, frontozentralen, temporofrontalen und frontalen Elektroden im Vergleich zu den occipitalen, occipitotemporalen und parietalen Elektroden um. Um trotzdem einen Vergleich der Peaks über alle Elektroden durchführen zu können, wurden für den statistischen Vergleich die Peakamplituden frontaler und zentraler Elektroden mit -1 multipliziert.

3.3.3.2 Ereigniskorrelierte Felder (ERF)

Aus dem kontinuierlich aufgezeichneten MEG wurden durch stimulusbezogene Mittelungen ereigniskorrelierte Felder gebildet. Diese Felder waren den ereigniskorrelierten Potentialen in Latenz und Ort, an dem sie am Kopf gemessen werden, relativ ähnlich. Sie traten an links- und rechtshemisphärischen posterioren MEG-Sensoren auf. Die folgenden ereigniskorrelierten Felder wurden untersucht:

M100: Die M100 zeigte sich zwischen 90 ms und 120 ms an Sensoren über der rechten und linken Hemisphäre.

↓89

M170: Die M170 war das ereigniskorrelierte Feld, das auf die M100 folgte (in manchen Fällen zeigte sich im MEG allerdings ein weiteres Feld mit 120 ms bis 130 ms Latenz). Die Latenz der M170 lag zwischen 130 ms und 190 ms.

M200: Die M200 war das Feldmuster, das auf die M170 folgte. Die Latenz der M200 lag zwischen 190 ms und 250 ms.

Für M100, M170 und M200 wurden Peakamplituden als Maße der Feldstärke ausgewertet.

↓90

ERF ab 300 ms: Für die Auswertung späterer Zeitbereiche wurden zwischen 300 ms und 1000 ms nach Beginn der Gesichterdarbietung wie auch im EEG Amplitudenmittelwerte über Zeitfenster von 100 ms und mehreren hundert Millisekunden berechnet, da sich in diesen Zeitbereichen keine klaren Aktivierungspeaks mehr zeigten, sondern länger anhaltende Veränderungen des Magnetfeldes auftraten.Wie im EEG wurde in der MEG-Auswertung für alle untersuchten Komponenten die Polarität zwecks Vergleichbarkeit angepasst.

3.3.3.3 Reaktionszeiten

Aus den Tastenreaktionen der Versuchspersonen, die auf die Darbietungen der Erwachsenengesichter hin erfolgten, wurde auf Stimulusbeginn bezogen für jede der experimentellen Bedingungen die mittlere Reaktionszeit berechnet. In die Reaktionszeitberechung wurden alle Antworten, die zwischen 200 ms und 190 ms nach Stimulusbeginn gegeben wurden, einbezogen.

3.3.3.4 Fehler

In der Auswertung der Fehler wurde die Übereinstimmung zwischen der Entscheidung der Versuchspersonen über Erwachsenen- oder Kindergesicht (zur experimentellen Aufgabe siehe Kapitel 2.2 und 2.4) und der wirklichen Zugehörigkeit des Gesichts zu einer von beiden Kategorien betrachtet. Dabei wurden sowohl Entscheidungen der Personen für die Kategorie Kindergesicht, wenn das Gesicht in Wirklichkeit zur Kategorie Erwachsener gehörte, als auch Entscheidungen für die Kategorie Erwachsenengesicht, wenn das Gesicht zur Kategorie Kindergesicht gehörte, in die Auswertung einbezogen. Die Anzahl der richtigen Antworten wurde von der Gesamtzahl gültiger Antworten - dies waren alle Antworten, die zwischen 200 ms und 1900 ms nach Gesichterdarbietung gegeben wurden - abgezogen. Schließlich wurde der Prozentsatz der richtigen an den insgesamt gültigen Antworten berechnet.

3.4 Aufbau des Gesichterprimingexperiments

↓91

Jedes von 300 Erwachsenengesichtern wurde im jeder Messung des Primingexperiments viermal dargeboten, so daß insgesamt in jeder der beiden Durchführungen des Primingparadigmas 1200 Darbietungen von Erwachsenengesichtern stattfanden. Zusätzlich zu den Erwachsenengesichtern wurden 80 Kindergesichter gezeigt. Die Kindergesichter wurden wie auch die Erwachsenengesichter wiederholt, der Abstand zwischen ihren Wiederholungen wurde jedoch nicht systematisch variiert. Sie wurden stattdessen als Füllitems auf von Erwachsenengesichtern unbesetzte Bildpositionen im Experiment gesetzt. Diese entstanden dadurch, daß die Abstände zwischen den Wiederholungen der Erwachsenengesichter genau festgelegt waren. Insgesamt fanden im Experiment 294 Präsentationen von Kindergesichtern statt. Jedes der 80 Kindergesichter wurde etwa 3 bis 4 mal gezeigt. Bei der Platzierung der Kindergesichter wurde darauf geachtet, daß sie in ähnlichen Abständen wie die Erwachsenengesichter wiederholt wurden, um nicht eine Unterscheidung Kinder- oder Erwachsenengesicht allein aufgrund des Wiederholungsabstandes im Experiment treffen zu können, auch wenn eine Entscheidung aufgrund der Wiederholungshäufigkeit, die für die Erwachsenengesichter größer war, nicht ausgeschlossen werden konnte. Bei gleich großer Anzahl von Erwachsenen- und Kindergesichtern hätte sich die Länge des Experimentes jedoch nahezu verdoppelt.

Jedes Gesicht wurde für 1200 ms gezeigt, und zwischen den Gesichterdarbietungen erschien für durchschnittlich 800 ms (randomisiert zwischen 300 ms und 1000 ms) ein schwarzes Fixationskreuz auf hellgrauem Hintergrund. Das Fixationskreuz, das die Personen anschauen sollten, war dort platziert, wo das nächste Gesicht gezeigt werden würde und diente dazu, die Augenbewegungen der Versuchspersonen zu verringern. Die Gesamtdauer aller Gesichterdarbietungen betrug inklusive der Darbietungen des Fixationskreuzes etwa 49 Minuten.

Da diese Zeit zu lang war, um alle Stimuli ohne Pause zeigen zu können, wurden Pausen eingeführt, die so lagen, daß trotzdem die festen Zeitabstände (Lagvariation) für die Gesichterwiederholungen eingehalten wurden. Die Gesamtheit der Gesichterpräsentationen wurde dazu zunächst in zwei Hälften aufgeteilt. In jeder der beiden Hälften wurden 75 Erwachsenengesichter mit kurzem Lag und 75 Erwachsenengesichter mit langem Lag mit allen ihren vier Wiederholungen gezeigt. Zwischen den beiden Experimenthälften wurde eine längere Pause gemacht, deren Dauer die Versuchspersonen bestimmen konnten. Jede der beiden Hälften bestand aus 5 Blöcken, in denen die Gesichter in Folge gezeigt wurden. Die einzelnen Blöcke waren durch Pausen von 90 Sekunden voneinander getrennt. Das Experiment bestand insgesamt somit aus 10 Blöcken. Jeder Block umfasste die Darbietung von circa 150 Gesichtern (Block 1, 2, 6 und 7: 150 Gesichter, Block 3 und 8: 146, Block 4 und 9: 152, Block 5 und 10: 149) und dauerte 5 Minuten.

3.5 Aufbau der Lernsitzungen für die Gesichter

↓92

In Messung 1 und 2 sollten neben den reinen Wiederholungseffekten im Primingexperiment auch Unterschiede in der Stärke von Priming für Gesichter untersucht werden, die aus einem unterschiedlichen Grad der Bekanntheit der Gesichter resultierten. Die Gesichter waren bei ihrer Präsentation in Messung 1 völlig unbekannt. In Messung 2 sollten sie den Versuchspersonen vertraut sein. Um diese Vertrautheit herzustellen, wurden zwischen Messung 1 und Messung 2 die Gesichter in zwei Lernsitzungen gezeigt. In diesen Sitzungen wurden keine semantischen Informationen wie etwa Name oder Beruf für die Gesichter gegeben, sondern die Gesichter sollten besonders intensiv visuell verarbeitet werden. Dazu wurden mehrere Aufgaben konstruiert, in denen alle Gesichter unter verschiedenen Aufgabenstellungen betrachtet werden sollten.

In der ersten Lernsitzung wurde eine sogenannte One-Back-Aufgabe für die Gesichter gestellt. In einer solchen Aufgabe soll für den jeweils gezeigten Stimulus entschieden werden, ob er mit dem direkt vorher gezeigten Stimulus identisch ist. Die Personen sollten diese Entscheidung für jedes Gesicht so schnell wie möglich treffen und dann eine von zwei Reaktionstasten, die mit linkem und rechtem Zeigefinger bedient wurden, drücken. Jedes Gesicht wurde für 1000 ms gezeigt, und zwischen den Gesichterdarbietungen wurde für 600 ms ein Fixationskreuz dargeboten. In dieser Aufgabe wurde jedes der 300 Gesichter viermal gezeigt. Die Aufgabe war in Blöcke geteilt, die durch kurze Pausen voneinander getrennt waren. In der zweiten Lernsitzung sollte eine Alt-Neu-Entscheidung für die Gesichter getroffen werden. Dabei sollte für jedes Gesicht entschieden werden, ob es irgendwann während der Alt-Neu-Aufgabe (also nicht in den vorherigen experimentellen Sitzungen) schon einmal gesehen worden war. Auch hier wurde jedes Gesicht viermal für jeweils 1000 ms gezeigt und zwischen den Gesichterdarbietungen das Fixationskreuz für 600 ms dargeboten.

Nach der Alt-Neu-Entscheidung wurde jedes Gesicht ein weiteres Mal für die Dauer von 1600 ms gezeigt, und die Personen sollten für jedes Gesicht beurteilen, ob es ihnen eher sympathisch oder weniger sympathisch war. Zwischen den Bilddarbietungen wurde das Fixationskreuz für 600 ms gezeigt. Am Tag von Messung 2 wurden zu Beginn nochmals die Gesichter in derselben Weise wie in der Sympathieentscheidung gezeigt, die Versuchspersonen sollten diesmal aber ihre Attraktivität beurteilen.

↓93

So hatten die Versuchspersonen vor Beginn des Primingexperiments von Messung 2 jedes der 300 Erwachsenengesichter insgesamt vierzehnmal gesehen. Abbildung 3.3 zeigt schematisch den Ablauf der gesamten Experimentreihe. Messung 1 war von den übrigen Experimentteilen durch drei Monate Zeit getrennt. Die anderen Teile (Lernsitzungen 1 und 2, Messung 2) fanden an aufeinanderfolgenden Tagen statt.

Abbildung 3.3: Aufbau der Experimentreihe und Dauer der einzelnen Experimentteile.

3.6 Messung der abhängigen Variablen

Als abhängige Variablen wurden im Experiment EEG, MEG und Tastenreaktionen gemessen.

3.6.1  Elektroenzephalogramm (EEG)

↓94

Es wurde ein 27-Elektroden-EEG mit ringförmigen Ag/AgCl-Sinterelektroden, die an einer Haube (EasyCap) befestigt wurden, abgeleitet. Die EEG-Elektroden lagen über den Kopf verteilt an folgenden Positionen des 10-20-Systems: O1, O2, PO9, PO10, T5, T6, P3, P4, PZ, CP5, CP6, CZ, C3, C4, T3, T4, T1, T2, FC1, FC2, FC5, FC6, FZ, F3, F4, F7, F8. Die Positionen der EEG-Elektroden sind in zweidimensionaler und dreidimensionaler Kopfansicht in Abbildung 3.4 gezeigt.

Die EEG-Referenzelektrode wurde auf dem Nasenbein befestigt. Die EEG-Haube wurde so aufgesetzt, daß die Elektrodenposition CZ über der Kopfmitte lag. An den Elektrodenöffnungen wurde die Kopfhaut mit Alkohol aufgeraut. Dann wurden die Elektroden an der Haube befestigt und die Öffnungen mit Elektrodengel (Abralyt 2000) gefüllt. Aufgrund sehr geringer Störeinflüsse von außen durch die Ableitung des EEG in einer magnetisch abgeschirmten MEG-Meßkammer (siehe Kapitel 3.6.2) wurden die tolerierbaren Impedanzwerte für die EEG-Elektroden auf < 50 kOhm festgelegt.

Abbildung 3.4: EEG-Elektrodenpositionen in zwei- und dreidimensionaler Kopfansicht.

3.6.2 Magnetoenzephalogramm (MEG)

↓95

Simultan zum Elektroenzephalogramm wurde ein Ganzkopf-Magnetoenzephalogramm (MEG-System der Marke Eagle Technology, Japan) gemessen. Das MEG-System hat 93 SQUID (Superconducting Quantum Intereference Device)-Meßkanäle (axiale Gradiometer) mit einer Baseline von 5 cm. SQUIDs sind Spulen, in denen durch Magnetfelder elektrische Ströme entstehen. Die Magnetfelder, die durch Gehirnaktivität entstehen, sind extrem schwach (circa 100 Femtotesla (fT), 1fT = 10 –15 Tesla; das Magnetfeld der Erde zum Beispiel ist etwa hundert Millionen mal größer als die Magnetfelder, die durch neuronale Aktivität entstehen). Ihre Messung ist nur möglich durch die supraleitenden Eigenschaften der SQUIDs. Supraleitung ist die widerstandsfreie Leitung elektrischen Stroms, die notwendig ist, um den Strom messen zu können, der durch solch kleine Magnetfelder entsteht. Die Widerstände normal leitender Spulen wären zu stark, um einen Strom so geringer Größe messen zu können. Die Supraleitung wird möglich, weil die SQUIDs durch flüssiges Helium auf eine Temperatur von -269 Grad Celsius gekühlt werden. Das Helium befindet sich in einem speziell isolierten Gefäß, dem sogenannten Dewar, der die SQUIDs umschließt. Die SQUIDs sind in gleichmäßigen Abständen über die Rückwand eines Helms verteilt. Abbildung 4.5 zeigt den Helm (Sensor holder) und seine Lage im Dewar.

Abbildung 3.5: Helm mit SQUID-Sensoren und Lage des Helms im Dewar.

Für die MEG-Messung legt sich die Person auf eine Liege und platziert ihren Kopf im Helm. Der Helm ist so geformt, daß der Kopf der Person an ihm anliegt und die Meßkanäle bei guter Postitionierung im MEG-Gerät, die jedoch auch von der Kopfgröße abhängt, fast alle Bereiche des Kopfes, unter denen sich das Gehirn befindet, abdecken. Die experimentellen Stimuli werden über einen Videobeamer und mehrere Spiegel auf eine Milchglasscheibe projiziert, so daß die liegende Versuchsperson die Stimuli bequem sehen kann. Abbildung 3.6 zeigt die Lage der Versuchsperson während der MEG-Messung und die Verteilung der MEG-Sensoren über den Kopf. Bei der rechten der beiden abgebildeten Personen ist auch die Projektion der Stimuli auf die Milchglasscheibe zu erkennen.

↓96

Das MEG-Gerät steht in einer Messkammer, die das Erdmagnetfeld und andere Magnetfelder von außen so weit wie möglich abschirmt, da diese Felder Störquellen für die MEG-Messung sind. Zusätzlich zur magnetischen Abschirmung bestand in der Messkammer eine akustische Abschirmung. Die Messkammer wird vor Beginn der Messung von außen verschlossen, kann jedoch jederzeit von außen oder innen geöffnet werden. Die Kommunikation mit der Versuchsperson in der Messkammer geschieht während der Messung über eine Gegensprechanlage.

Abbildung 3.6: Lage der Versuchspersonen im MEG-Gerät und Positionen der MEG-Sensoren am Kopf.

3.6.3 Elektrookulogramm (EOG)

Zur Eliminierung von Meßartefakten, die im MEG und EEG durch Augenbewegungen entstehen, wurden Bewegungen des rechten Auges mit zwei Ag/AgCl-Sinterelektroden (EasyCap) gemessen. Eine Elektrode wurde direkt über der rechten Augenbraue und die andere wurde rechts neben dem Auge befestigt. Für die EOG-Elektroden wurden Impedanzwerte von < 50 kOhm festgelegt. Jede der EOG-Elektroden wurde an einen Kanal des EEG-Verstärkers angeschlossen. Das EOG wurde simultan zu MEG und EEG aufgezeichnet.

3.6.4  Filterung und Digitalisierung von EEG, MEG und EOG

↓97

EEG, MEG und EOG wurden mit einem Hochpassfilter von 0.1 Hertz (Hz), einem Tiefpassfilter von 200 Hz und einer Digitalisierungsrate von 500 Hz gemessen und vom Programm ‚Meg Laboratory’ aufgezeichnet.

3.6.5  Messung von Reaktionszeiten und Fehlern

Reaktionszeiten und Fehler wurden anhand von Tastendruck des linken und rechten Zeigefingers gemessen. Hierzu wurde rechts und links neben die auf der Liege im MEG-Gerät liegende Versuchsperson ein Tastenpad gelegt. In Abbildung 4.6 ist die Position der Tastenpads in der Messanordnung zu erkennen. Die Anordnung der vorliegenden Messung entspricht der Person in der linken Abbildung, die eine Taste mit rechtem und eine Taste mit linkem Zeigefinger bediente. Für die Dauer des Tastendrucks wurde ein Rechtecksignal erzeugt, das von jeweils einem Messkanal für linke und rechte Taste aufgezeichnet wurde. Die Tastenzuordnung zu den Antwortkategorien wurde nach der ersten Hälfte des Experiments ausgetauscht, und die Reihenfolge der Tastenzuordnung war über die Versuchspersonen ausbalanciert.

3.7 Instruktionen für Messung 1 und 2

Die folgenden Instruktionen wurden den Versuchspersonen gegeben: „In der folgenden Aufgabe soll untersucht werden, wie gut Personen Erwachsenen- und Kindergesichter voneinander unterscheiden können und welche Prozesse die Wahrnehmung dieser Gesichter im Gehirn auslöst. Dir werden gleich auf einem Bildschirm Schwarz-Weiß-Fotos von Gesichtern gezeigt. Es erscheint jeweils ein Gesicht in der Mitte des Bildschirms für etwa eine Sekunde. Nach jedem Gesicht wird ein Kreuz in der Mitte des Bildschirms gezeigt. Wenn dieses Kreuz erscheint, solltest Du darauf schauen. Das Kreuz dient dazu, Bewegungen Deiner Augen, die Störsignale erzeugen, zu vermindern. Das Kreuz erscheint dort, wo Du später das nächste Gesicht sehen wirst. Die Gesichter, die Du sehen wirst, sind von einerseits von jungen Erwachsenen zwischen 20 und 30 Jahren und andererseits von Kindern im Grundschulalter. Deine Aufgabe ist, jedes Gesicht anzuschauen und zu entscheiden, ob es von einem Erwachsenen oder einem Kind ist. Wenn das Gesicht Deiner Meinung nach von einem Erwachsenen ist, dann drückst Du die .... Taste. Wenn Du meinst, daß es von einem Kind ist, drückst Du die .... Taste. Du solltest die Entscheidung so schnell wie möglich treffen und dann sofort die entsprechende Taste drücken. Deine Entscheidung sollte aber auch möglichst richtig sein, so daß es wichtig ist, jedes Gesicht genau anzuschauen. Die Gesichter werden in kurzem Abstand gezeigt. Es kann passieren, daß mehrere Gesichter sich wiederholen. Du sollst trotzdem für jede Präsentation eines Gesichts entscheiden, ob es ein Erwachsenen- oder Kindergesicht ist. Die Aufgabe ist in 10 Blöcke geteilt. Jeder Block dauert ungefähr 5 Minuten und zwischen den Blöcken sind eineinhalb Minuten Pause, in der Du Dich entspannen kannst. Nach fünf Blöcken machen wir eine längere Pause. Du solltest Dich möglichst während der Aufgabe nicht bewegen. In den längeren Pausen zwischen den Blöcken kannst Du Arme und Beine bewegen, aber den Kopf solltest Du ruhig halten. Ganz wichtig ist, daß Du nicht blinzelst, wenn gerade ein Gesicht gezeigt wird, sondern blinzle möglichst nur zwischen den Gesichterdarbietungen.“ In Messung 2 wurde die Instruktion aus Messung 1 wiederholt.

3.8 Datenerhebung für die Dipollokalisation

↓98

Für die Dipollokalisation der ereigniskorrelierten Potentiale im EEG und der ereigniskorrelierten Felder im MEG wurden bei jeder Versuchsperson folgende Daten erfaßt: 1. Die Position des Kopfes im MEG-Gerät wurde anhand von magnetischen Spulenmessungen bestimmt (Kapitel 3.8.1), 2. die Positionen der EEG-Elektroden und der magnetischen Spulen am Kopf wurden in einer Ultraschallmessung erfasst (Kapitel 3.8.2). 3. Strukturelle magnetresonanztomographische Aufnahmen (MRT) des Gehirns wurden aufgenommen (Kapitel 3.8.3).

3.8.1  Messung der Kopfposition im MEG-Gerät

Für die Durchführung der Spulenmessungen wurden insgesamt fünf Spulen auf der Stirn und neben den Ohren befestigt. Die Spulen wurden in der MEG-Meßkammer an ein Gerät angeschlossen, das während einer Spulenmessung sehr geringe elektrische Ströme an die Spulen sendet. Diese Ströme erzeugen ein Magnetfeld, das von denjenigen Meßkanälen des MEG registriert wird, die sich in der Nähe der Spulen befinden. Aus der Lage dieser Meßkanäle kann dann die Position der Spulen im Vergleich zu allen MEG-Sensoren bestimmt werden. Jede Spulenmessung dauerte circa 2 Minuten. Über die spätere Bestimmung der Spulenposition am Kopf der Versuchsperson (siehe Kapitel 3.8.2) konnte so für jeden MEG-Sensor modelliert werden, über welcher Stelle des Kopfes er sich befand. Diese Information wurde in die Dipollokalisation einbezogen.

3.8.2 Messung der Positionen von Spulen und EEG-Elektroden am Kopf

Nach Beendigung der MEG- und EEG-Messung wurden die Positionen der magnetischen Spulen am Kopf und die Positionen der EEG-Elektroden mit einem Ultraschallmeßsystem (Meßsystem zur 3D-Bewegungsanalye der Firma zebris) gemessen. Das System benötigte zunächst drei anatomische Referenzpunkte, aus denen ein dreidimensionales Koordinatensystem mit x-, y- und z-Dimension aufgespannt wurde. Diese Punkte waren die anatomisch definierten Orte Nasion und die präauriculären Punkte links und rechts. Nach Erfassung dieser Punkte wurden in dem dreidimensionalen Koordinatensystem die Positionen aller EEG-Elektroden und magnetischen Spulen am Kopf erfasst. Dazu wurde mit einem Stift jede zu messende Position am Kopf berührt und durch Druck auf einen Knopf am Stift Ultraschallwellen an einen Sensor ausgesendet. Der Sensor ortete jede Position im 3-dimensionalen Raum und digitalisierte jeden Punkt in den drei räumlichen Koordinaten. Die digitalisierten Punkte wurden in einer Textdatei gespeichert und später im Lokalisationsprogramm zur Bestimmung der Positionen von EEG-Elektroden und MEG-Sensoren am Kopf eingesetzt.

3.8.3 Magnetresonanztomographische Aufnahme (MRT) des Gehirns

↓99

Für 10 der 12 Versuchspersonen wurden mit einem MRT-Gerät jeweils 148 T1-gewichtete Bilder vom Gehirn aufgenommen. Vor der MRT-Messung wurden die Personen über das gesundheitliche Risiko der Messung aufgeklärt und unterschrieben eine Einverständniserklärung für die Teilnahme an der Messung. Die Voxelgröße der aufgenommenen MRT-Schichten betrug 1.4 mm * 0.9 mm * 0.9 mm. Die Aufnahmen wurden in das Programm Brain Voyager (Version 2000) eingelesen und zu Schichten von 1.0 mm * 1.0 mm * 1.0 mm Voxelgröße umgeformt. Die Gehirnaufnahmen wurden dann in Brain Voyager auf Talairachformat standardisiert.

Das Talairachformat wurde von Talairach und Tournaux (1988) eingeführt, um Aufnahmen verschiedener Gehirne, die sich zwischen Menschen stark voneinander unterscheiden können, miteinander vergleichbar zu machen. Im Talairachformat wird jeder Punkt im Gehirn in einem dreidimensionalen Koordinatensystem eingeordnet, das als Nullpunkt der drei Koordinatenachsen die anteriore Kommissur hat. Das Koordinatensystem ist in Abbildung 3.7 dargestellt.

Bei der Standardisierung eines Gehirns auf das Talairachformat werden zunächst anteriore und posteriore Kommissur in den Aufnahmen markiert und das Gehirn so rotiert, daß beide Punkte in einer planaren Ebene liegen. Dann werden hinterster, vorderster, höchster, niedrigster, am weitesten rechts und am weitesten links gelegener Punkt des Gehirns gesucht und ebenfalls markiert. Aus diesen Punkten wird bei der letztendlichen Talairachtransformation, die Brain Voyager durchführt, das Talairachkoordinatensystem in seinem Mittelpunkt und seiner Ausdehnung auf das individuelle Gehirn angewandt. Bei der Angabe von Talairachkoordinaten für einen Ort in einem individuellen MRT-Bild ist ein Abgleich des Punktes mit einen Talairachatlas möglich, in dem die Namen der zu jedem Punkt gehörigen Gehirnstruktur bekannt sind. Die Talairachstandardisierung wurde in der vorliegenden Arbeit für die MRT-Aufnahmen aller Versuchspersonen durchgeführt.

↓100

Abbildung 3.7: Talairachkoordinatensystem mit den drei Achsen, durch die der dreidimensionale Koordinatenraum aufgespannt wird.

3.9 Experimentablauf

Im Folgenden wird der Gesamtablauf der Messreihe mit Messung 1, den Lernsitzungen und Messung 2 dargestellt.

3.9.1  Experimentsteuerung mit ERTS

Alle Stimulusdarbietungen wurden vom Programm Experimental Run Time System (ERTS, BeriSoft) gesteuert. Mittels dieses Programms laufen Experimente durch Aufruf von Dateien ab, in denen Auswahl, Abfolge und Darbietungszeit aller Stimuli programmiert sind. Die Reihenfolge der Stimulusdarbietung konnte aufgrund der festen zeitlichen Abstände zwischen den Wiederholungen nicht in ERST programmiert werden, sondern die Reihenfolge aller Gesichterdarbietungen wurde manuell bestimmt. Die einzelnen Gesichterstimuli wurden jedoch zufällig den Präsentationen zugeordnet.

↓101

Über ERTS wurde auch die Zugehörigkeit der Gesichterstimuli zu den verschiedenen experimentellen Bedingungen kodiert. Dazu wurde programmiert, daß nach jeder Gesichterdarbietung im Experiment ein Rechtecksignal (Trigger) erzeugt werden sollte, das simultan zu EEG und MEG von einem Triggerkanal aufgezeichnet wurde. Die Rechtecksignale waren für jeden der 10 Präsentationsblöcke, in die die Gesichterdarbietungen aufgeteilt waren, von verschiedener Dauer. Da die Präsentationsabfolge für alle Gesichter festgelegt war, konnten so nach dem Ende des Experiments alle Triggersignale den einzelnen Gesichterdarbietungen zugeordnet werden. Für jede der acht experimentellen Bedingungen (K1 bis K4 und L1 bis L4, siehe Versuchsplan in Kapitel 3.3.2) wurde dann eine neue Triggerkodierung (von 1 bis 8) festgelegt, die ein Gesicht erhielt, wenn es zu dieser Bedingung gehörte. Über das triggerbezogene Mitteln in BESA wurden später die ereigniskorrelierten Potentiale und ereigniskorrelierten Felder aus MEG und EEG berechnet (siehe Kapitel 3.10).

3.9.2 Ablauf von Messung 1

Alle Messungen fanden im Berliner Institut der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt statt, wo das 93-Kanal Ganzkopf-MEG-Gerät steht. Zu Beginn von Messung 1 wurde der Versuchsperson die EEG-Haube aufgesetzt und EEG-, EOG-Elektroden und magnetische Spulen am Kopf befestigt. Nach Impedanzüberprüfung der EEG- und EOG-Elektroden wurden die Instruktionen für das Gesichterexperiment gegeben. Die Person legte sich dann mit der kompletten EEG-Haube auf die Liege in der MEG-Meßkammer und der Kopf wurde im MEG-Gerät positioniert. Die EEG- und EOG-Elektroden wurden an den EEG-Verstärker und die magnetischen Spulen an das Spulenmeßgerät angeschlossen. Die Reaktionstasten wurden unter rechtem und linkem Zeigefinger platziert.

Zur Übung der experimentellen Aufgabe wurde ein Trainingsdurchlauf von etwa 2 Minuten Länge durchgeführt. Dann wurde die MEG-Kammer verschlossen und die erste magnetische Spulenmessung sowie der erste Teil des Gesichterparadigmas mit MEG-, EEG- und EOG-Messung durchlaufen. Dieser erste Experimentteil dauerte insgesamt etwa 30 Minuten und wurde mit der zweiten magnetischen Spulenmessung beendet. Vor Beginn der zweiten Experimenthälfte konnten die Versuchspersonen eine längere Pause machen, blieben aber währenddessen im MEG-Gerät liegen, so daß sich ihre Kopfposition nicht veränderte. Der dann folgende zweite Teil des Gesichterparadigmas wurde mit einer dritten Spulenmessung begonnen und dauerte ebenfalls 30 Minuten. Nach dem Ende des zweiten Experimentteils wurden die Spulenpositionen im MEG ein letztes Mal gemessen. Die Ultraschallmessung der EEG-Elektroden- und Spulenpositionen am Kopf wurde außerhalb der MEG-Meßkammer durchgeführt. Messung 1 dauerte insgesamt 3,5 bis 4 Stunden.

3.9.3 Ablauf der Lernsitzungen 1 und 2

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Drei Monate nach Messung 1 wurden an zwei aufeinanderfolgenden Tagen die beiden Lernsitzungen durchgeführt. Bei den Lernsitzungen wurden die Gesichter, die in Messung 1 gezeigt worden waren, am Computer dargeboten. Die Versuchspersonen bearbeiteten die gestellten Aufgaben mittels Tastenreaktionen mit linken und rechtem Zeigefinger. Jede der beiden Lernsitzungen dauerte eine Stunde.

3.9.4 Ablauf von Messung 2 und MRT-Aufnahme

Am Tag nach Lernsitzung 2 wurden vor Beginn von Messung 2 die Gesichter nochmals am Computer gezeigt und die Attraktivität jedes Gesichts sollte beurteilt werden. Die etwa 2 Stunden später folgende MEG- und EEG-Messung war in ihrem Aufbau völlig identisch zu Messung 1 (siehe Kapitel 3.9.2). Die Versuchspersonen erhielten in keiner der Messungen die Information, daß die Gesichter, die gezeigt wurden, immer dieselben waren. Sie wurden nach Beendigung aller Experimente darüber aufgeklärt. Die MRT-Messungen fanden an einem separaten Termin in der Radiologie der Charité, Campus Benjamin Franklin, statt.

3.10 Auswertungsmethoden

EOG-, EEG- und MEG-Daten wurden vor der Bildung von ERP und ERF auf eine Samplingrate von 250 Hz reduziert und mit einem Hochpassfilter von 0.5 Hz und einem Tiefpassfilter von 40 Hz nachgefiltert. Die Daten wurden dann in das Programm Brain Electrical Source Analysis (BESA 2000, MEGIS Software) eingelesen, mit dem die ERP- und ERF-Mittelung mitsamt der Augenartefaktkorrekturen durchgeführt wurden.

3.10.1  EOG-Auswertung und Korrektur von Augenartefakten

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Die Augenbewegungen wurden in BESA anhand von Ausschlägen der beiden EOG-Kanäle ermittelt. Die EOG-Ausschläge wurden für jeden Probanden einzeln bestimmt und für jeden registrierten Ausschlag in BESA eine Markierung (Trigger) gesetzt. Bei der Mittelung der ereigniskorrelierten Potentiale und Felder wurden alle Epochen, in denen zwischen 200 ms vor und 1200 ms nach Stimulusbeginn ein EOG-Trigger das Vorhandensein einer Augenbewegung markierte, aus der Mittelung ausgeschlossen. Die EOG-Amplituden wurde für Zeitbereiche, in denen sich in MEG und EEG Effekte der experimentellen Manipulation ergeben hatte, auf solche Effekte hin ebenfalls untersucht.

3.10.2 Berechnung von ereigniskorrelierten Potentialen (ERP) und ereigniskorrelierten Feldern (ERF)

In BESA wurde eine Artefaktermittlung (im Modul ‚Artifact Scan’) durchgeführt, in der für MEG und EEG aufgrund von Gradient (erste Ableitung der Daten), Amplitude und niedrigem Signal artefaktbehaftete Epochen sowie Meßkanäle ohne Signal aus der Auswertung ausgeschlossen wurden. Um ERP und ERF auf Beginn der Gesichterdarbietung bezogen mitteln zu können, wurden die Triggerkodierungen, die mittels ERTS für die Gesichterdarbietungen erzeugt worden waren (siehe Kapitel 4.9.1), in BESA eingelesen. Ein Trigger markierte immer das Ende einer Gesichtsdarbietung. Da alle Gesichter für 1200 ms gezeigt wurden, konnte so aus den Triggern der Beginn der Gesichterdarbietung errechnet werden.

ERP und ERF wurden über die Gesamtdauer der Gesichtsdarbietung von 1200 ms mit einer Baseline von 200 ms vor Stimulusbeginn berechnet. In die Mittelung gingen alle Gesichterdarbietungen unabhängig von der Richtigkeit der Verhaltensantworten ein, und es wurde über beide Experimenthälften gemittelt, so daß für jede experimentelle Bedingung über eine Epochenzahl von etwa 150 Darbietungen gemittelt wurde (abzüglich der mit EOG-Artefakten behafteten Epochen, deren Zahl im Mittel bei etwa 20% lag). Die Weiterverarbeitung von ERP und ERF geschah separat.

3.10.3 Auswertung der ereigniskorrelierten Potentiale und Felder

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Die Interpretation von EEG-Daten, die mit einer speziellen Referenzelektrode gemessen werden, ist problematisch, weil die Aktivität, die von der Referenzelektrode gemessen wird, die Aktivierung an allen anderen Elektroden beeinflusst. Zur Korrektur dieser Verzerrung wurde in BESA eine Durchschnittsreferenz berechnet. Hierbei wurde von jeder einzelnen Elektrode der über alle Elektroden gerechnete Mittelwert subtrahiert. ERP-Kurven für die Gesamtgruppe der Versuchspersonen wurden gebildet, indem für jede Elektrode der Mittelwert über alle Einzelpersonen gebildet wurde. Für die statistische Überprüfung der Hypothesen im Bezug auf die Amplitudenwerte einzelner ERP-Komponenten und -Zeitbereiche wurden für jede Person die Werte der interessierenden Amplituden an allen Elektroden bestimmt.

Aufgrund der fokaleren Messfähigkeit des MEG im Vergleich zum EEG und der unterschiedlichen Lage des Kopfes jeder Versuchsperson im MEG-Gerät ist die Varianz ereigniskorrelierter Felder zwischen den Versuchspersonen größer als die von ereigniskorrelierten Potentialen. MEG-Sensoren, die für einige Personen etwa eine klare M170 zeigen, bilden dieses Feld bei anderen Personen überhaupt nicht ab. Deshalb ist der Ansatz der ERP-Auswertung, der in der Mittelung derselben EEG-Elektroden über alle Versuchspersonen besteht, für die Auswertung des MEG nicht geeignet.

In der Auswertung der vorliegenden Daten zeigten sich die stärksten Feldmuster an MEG-Sensoren des Hinterkopfes. Da die M170-Aktivität bei den meisten Versuchspersonen die stärkste Aktivität im gesamten Zeitablauf der ERF darstellte, wurde das Feldmuster der M170 deshalb als Anhaltspunkt für die Auswertung des MEG genommen. Dieses Feldmuster wurde durch visuelle Inspektion der räumlichen Feldkarte jeder Versuchsperson identifiziert. Dann wurden diejenigen Messkanäle herausgesucht, in denen das M170-Feldmuster am stärksten abgebildet wurde. Die ausgewählten Kanäle unterschieden sich somit zwischen Personen, hatten aber alle die Eigenschaft, das interessierende ereigniskorrelierte Feld abzubilden. Ereigniskorrelierte Felder zeigten sich an MEG-Sensoren über der rechten und linken Hemisphäre. Bei jeder Versuchsperson wurden daher für jede der beiden Hemisphären bis zu fünf Kanäle ausgewählt, in denen die Amplitude des Feldes am größten war. Über die ausgewählten Kanäle wurde getrennt für beide Hemisphären gemittelt. Die statistische Überprüfung der Hypothesen geschah für die Daten aus diesen Meßkanalmittelungen.

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Unterschiede zwischen experimentellen Bedingungen sollten nicht nur für klar bestehende Peaks in den ERF wie die M100 oder die M170 untersucht werden, sondern auch für spätere Zeitbereiche, in denen längere Positivierungen und Negativierungen auftreten. Auch in diesen Zeitbereichen waren in der vorliegenden Messung die ereigniskorrelierten Felder am stärksten an Sensoren über dem Hinterkopf, während an weiter frontal gelegenen Sensoren nur sehr schwache Aktivität messbar war. Deshalb wurden die Zeitbereiche später Aktivierung ebenfalls für die Kanäle der M170-Auswahl untersucht.

3.10.4 Auswertung von Reaktionszeiten und Fehlern

Die Reaktionszeiten wurden aus den Rechtecksignalen der beiden Reaktionstastenkanäle errechnet. In die Mittelungen gingen alle Reaktionen ein, die im Zeitbereich von 200 ms nach Beginn der Gesichtsdarbietung bis 100 ms vor der Präsentation des nächsten Gesichts stattgefunden hatten. Die Fehleranzahl wurde als Differenz zwischen Gesamtreaktionen und richtigen Reaktionen berechnet und an der Zahl gesamt gültiger Antworten standardisiert.

3.10.5 Statistische Verfahren zur Hypothesentestung

Die Hypothesentestung für Reaktionszeiten, Fehler, ERP und ERF wurde mittels Varianzanalysen mit Messwiederholung durchgeführt. Bei Verletzung der Sphärizität wurde für die Freiheitsgrade die Huynh-Feldt-Korrektur durchgeführt, dann werden in den Ergebnissen die korrigierten Freiheitsgrade und Signifikanzwerte berichtet. Post-hoc-Einzelvergleiche wurden mittels orthogonaler Kontraste gerechnet. Die Vergleiche einzelner experimenteller Bedingungen wurden mittels gepaarter t-Tests gerechnet, die die Messwiederholung in den Daten berücksichtigen.

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Das Alpha-Fehler-Niveau wurde für alle Tests auf α < .05 festgelegt. Beim Vergleich derselben experimentellen Bedingungen für verschiedene Zeitfenster in späten Zeitbereichen wurde eine Korrektur des Alpha-Fehler-Niveaus nach Bonferroni durchgeführt. Hierbei wurde α < .05 durch die Anzahl der jeweiligen durchgeführten Tests geteilt. Als Maß der Effektstärke wurde in den signifikanten Effekten der Varianzanalysen Eta²-Quadrat errechnet. Eta² gibt den Anteil der Varianz in der abhängigen Variable, der dem Einfluß des jeweiligen Faktors zugeschrieben werden kann, an.

3.10.6 Dipollokalisation

Die neuronalen Entstehungsorte von N170 und M170 wurden anhand von Dipollokalisationen modelliert. Hierbei wurden die Programme BESA 2000 und Brain Voyager 2000 verwendet.

3.10.6.1  Dipollokalisation für die Einzelpersonen

Die Dipollokalisationen wurden separat für alle Komponenten und für die einzelnen Versuchspersonen in BESA durchgeführt. Zunächst wurden alle MEG-Kanäle und EEG-Elektroden in die Dipollokalisationen einbezogen. Der erste Schritt in der Lokalisation bestand in der Suche nach den zu lokalisierenden Feldmustern in den MEG- und EEG-Daten der Einzelpersonen. M170 und N170 wurden als Felder mit maximaler Stärke an hinteren (posterioren) Messsensoren im Zeitbereich von 120 ms bis 200 ms definiert. N400 und M400 wurden als Felder in Zeitbereichen von 300 ms bis 700 ms an posterioren Sensoren definiert. Dabei wurde das Feldmuster zur Lokalisation ausgewählt, das im späten Zeitbereich die längste zeitliche Stabilität besaß. Die Zeitintervalle für die Dipollokalisation wurden für jede Person individuell und getrennt für MEG und EEG so bestimmt, daß sie das Maximum der jeweiligen Aktivität und ein kleines Zeitfenster um den Peak umfassten. Sie unterschieden sich demnach zwischen Personen und beiden Meßmethoden, da Latenz und Breite der Komponenten variieren. Die Breite der gewählten Lokalisationsfenster wird bei der Darstellung der Lokalisationsergebnisse für jeden Probanden aufgeführt.

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Für die Dipollokalisation im EEG wurde ein ellipsoides Kopfmodell mit vier Schichten verschiedener Leitfähigkeit (Gehirn, cerebrospinale Flüssigkeit, Schädelknochen und Kopfhaut), für die MEG-Lokalisation ein sphärisches Kopfmodell gewählt, in dem der Kopf als Kugel modelliert wurde. Da die Leitfähigkeit der verschiedenen Schichten das magnetische Feld nicht beeinflusst, wurden diese im Kopfmodell des MEG nicht modelliert.

Jede Komponente wurde durch jeweils zwei Quellen modelliert. Dem Dipolfit wurde eine Symmetriebeschränkung zugrundegelegt: die Orte beider Dipole sollten symmetrisch zueinander in linker und rechter Hemisphäre liegen. Die Symmetriebeschränkung wurde nach einigen Überlegungen gewählt, da eine zunächst erprobte Dipollokalisation ohne Symmetriebeschränkung bei vielen Personen keine physiologisch sinnvollen Orte, die in rechter und linker Hemisphäre in temporalen oder occipitalen Arealen liegen sollten, ergeben hatte. Zwei weitere Lokalisationsstudien der N170 (Schweinberger et al., 2002a, Rossion et al., 2003) setzten ebenfalls eine Symmetriebeschränkung ein. Der Dipollokalisation wurden keine weiteren Beschränkungen zugrundegelegt.

Die beiden Dipole wurden zu Beginn der Lokalisationsprozedur an zufällig ausgewählte Positionen im BESA-Kopfmodell gesetzt, um eine Startlösung für den Dipolalgorithmus festzulegen. Die Dipollösungen, in denen die vom Lokalisationsalgorithmus in BESA berechneten Dipolorte und -orientierungen angezeigt wurden, enthielten die folgenden Informationen: der Goodness of Fit (GOF) zeigte den Prozentsatz des Signals über alle Kanäle an, der für einen bestimmten Zeitpunkt oder ein Zeitintervall durch die gefundenen Dipolorte und Dipolorientierungen erklärt wurde. Die Dipolorte wurden in Talairachkoordinaten (Talairach und Tournaux, 1988) für x-, y,- und z-Koordinate in Millimeter (mm) angegeben. Die x-Koordinate bezeichnet den Ort des Dipols in medial-lateraler Dimension, die y-Koordinate in anterior-posteriorer und die z-Koordinate in superior-inferiorer Dimension. Die Orientierung der Dipole wurde ebenfalls in x-, y- und z-Koordinaten angegeben und variierte von –1 (maximal medial, posterior, inferior) bis +1 (maximal lateral, anterior, superior). Die Quellkurven zeigten den Verlauf der Dipolstärke über die Zeit in Nanoamperemeter (nAm).

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Die Ergebnisse der Dipollokalisationen wurden auf die individuellen MRT-Gehirnaufnahmen projiziert. Dies geschah, indem im Programm Brain Voyager aus den zuvor eingelesenen Gehirnaufnahmen zunächst ein Kopf modelliert wurde. An diesem Kopf wurden dreidimensionale Punkte für die anatomischen Orte Nasion und die präauriculären Punkte durch manuelle Markierung der entsprechenden Punkte am Kopfmodell definiert. Die Ergebnisse aus der Ultraschallpositionsbestimmung von MEG-Kanälen und EEG-Elektroden am Kopf wurden auf das Brain Voyager-Kopfmodell projiziert, indem die mittels Ultraschall gemessenen Punkte in BESA in einer Datei gespeichert wurden und diese in Brain Voyager importiert wurde. Die Punkte wurden dann an das Kopfmodell aus Brain Voyager angepasst. Die in BESA modellierten Dipolorte wurden schließlich an Brain Voyager gesendet, wo die Lage der Dipole im Gehirn durch Punkte markiert wurde.

Die genauen hirnanatomischen Orte der Dipole in den MRT-Aufnahmen wurden mit Hilfe eines Gehirnatlasses (Duvernoy, 1999) bestimmt. Für die zwei Versuchspersonen, für die kein individuelles MRT-Bild aufgenommen werden konnte (Person 5 und 10), wurde ein standardisiertes MRT des Montreal Neurological Institute (Mittel von 27 T1-gewichteten Bildern einer Person, Quelle: www.bic.mni.mcgill.ca/cgi/icbm_view) eingesetzt. Dieses Standardgehirn hat im Gegensatz zu Standardgehirnen, die über viele Personen gemittelt wurden (auch zu finden auf der oben genannten Webseite des Montreal Neurological Institute) den Vorteil, daß die einzelnen Hirnstrukturen deutlich zu erkennen sind.

3.10.6.2 Bestimmung der mittleren Dipolorte und Vergleich zwischen Orten einzelner Komponenten

Die x-, y- und z-Koordinaten der Dipolorte wurden über die Einzelpersonen gemittelt. Die mittleren Dipolkoordinaten wurden auf ein Standardgehirn (Mittel von 27 T1-gewichteten Bildern einer Person, Quelle: www.bic.mni.mcgill.ca/cgi/icbm_view) projiziert. Wilcoxontests mit Rangbindung wurden zum statistischen Vergleich der Dipolorte und Quellkurven eingesetzt, da die Stichprobe relativ klein war und die Daten zumeist nicht normalverteilt waren. Die Normalverteilung der Daten wurde anhand von Kolmogorov-Smirnoff-Tests mit Lilleforskorrektur ermittelt. Das zweiseitige Signifikanzniveau für alle Tests war α < .05.

3.10.6.3 Bestimmung der Dipolstärke

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Die Zeitkurven der Dipolstärke wurden für jede Person einzeln aus der jeweiligen Dipollösung bestimmt. Sie zeigen die Stärke des Stromflusses in Nanoamperemeter (nAm). Zum Vergleich der Dipolstärken der M170 und N170 zwischen Hemisphären, MEG und EEG und den beiden Messungen wurden die Amplituden der N / M170 als Peakwert zwischen 120 und 190 ms und die Latenzwerte der Peaks berechnet und mittels Wilcoxontests statistisch miteinander verglichen. Für die Bestimmung der Dipolstärken von N / M400 wurde der Zeitpunkt, an dem der GOF-Wert seine maximale Ausprägung hatte, als Mittelpunkt genommen und die mittlere Amplitude im Zeitfenster von ± 25 ms, als insgesamt von 50 ms Breite ermittelt. Der Vergleich von Dipolstärken wurde ebenfalls mittels Wilcoxontests durchgeführt, da sich in der Ansicht der Dipolstärken eine enorme Varianz zwischen den Einzelpersonen zeigte. Die Dipolstärken einiger Personen waren etwa 50 mal größer als die Dipolstärken anderer Personen.

3.10.6.4 Berechnung der ICA zur Artefaktkorrektur in den MEG-Daten

Zur Eliminierung von Datenartefakten, die im MEG vor allem durch das vom Herzen erzeugte starke Magnetfeld entstehen können und ein charakteristisches Muster im MEG zeigen (Sander, Wübbeler, Lueschow, Curio, Trahms, 2002), wurden die MEG-Daten vor der Mittelung einer Independent Component Analysis (ICA) unterzogen, die von Dr. Till Sander durchgeführt wurde.


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19.10.2006