VL5 Biopsychologie 2

Auf was registriert das Vestibularorgan?

NUR Beschleunigungen

Was ist nicht mehr möglich, wenn eine Schädigung oder Störung des Vestibularorgans vorliegt?

bspw. während Körperbewegungen zu lesen, da das Bild auf der Retina nicht mehr lange genug konstant gehalten werden kann

Weshalb ist der Gleichgewichtssinn für die Psychologie besonders interessant?

da er nicht nur eine grundlegende Voraussetzung für Bewegung und Orientierung darstellt, sondern auch in engem Zusammenhang mit unserer Wahrnehmung, unserem Verhalten und sogar unserer emotionalen Verfassung steht

Auf was ist das Aufrechterhalten des Gleichgewichts angewiesen?

multisensorische Leistung, die auf der korrekten Integration von Informationen aus dem vestibulären, visuellen, auditorischen, taktilen und propriozeptiven System angewiesen ist

Was ist die Hauptfunktion des vestibulären Systems?

den Körper in Balance zu halten und durch die schnelle Positionierung der Augen eine stabile visuelle Wahrnehmung zu ermöglichen

Was nutzt es dazu?

sowohl die Beschleunigungen des Kopfes als auch seine Lage relativ zum Gravitationsvektor --> Hierfür verfügt es über beidseitig im Innenohr gelegene sogenannte periphere Vestibularorgane, die auf die Detektion von Beschleunigungen spezialisiert sind. Diese Vestibularorgane registrieren sowohl Rotationen als auch Translationen des Kopfes. Dabei handelt es sich um Bewegungen, die entweder eine Drehung um eine Achse (Rotation) oder eine Verschiebung entlang einer Achse ohne Drehung (Translation) darstellen

Erkläre Gravitationsvektor

zeigt in Richtung des Erdmittelpunktes und erlaubt es einem Organismus festzustellen, wo "unten" ist

Menschen haben im Gegensatz zu anderen Lebewesen (z.B. Fischen) die Möglichkeit ihren Kopf um alle drei Hauptachsen zu drehen. Worüber werden diese Bewegungen überwiegend wahrgenommen?

über die Bogengänge (messen Rotation)

--> Zudem können durch die Maculaorgane Translationen entlang aller drei Hauptachsen wahrgenommen werden (erfassen die Beschleunigungen in Translationen und die Ausrichtung relativ zur Schwerkraft)

Was sind die Freiheitsgrade?

1. Translationen entlang der Hauptachsen:

- vorwärts/rückwärts

- links/rechts

- hoch/runter

2. Rotationen um diese Achsen

- Nickbewegungen

- Kopfschüttelbewegungen

- Wiegebewegungen

--> Bild Text S. 8

Was erfassen die fünf Komponenten des Vestibularorgans (3 Bogengänge und 2 Maculaorgane)? Wo findet das statt?

erfassen simultan unterschiedliche Beschleunigungskomponenten

--> Alle Komponenten werden vom Gehirn gemeinsam interpretiert, um eine präzise Bestimmung der aktuellen Kopfbeschleunigungen zu ermitteln

--> Interpretation findet jedoch nicht in der Peripherie, hier im Innenohr, statt, sondern ist eine Leistung des zentralen Nervensystems (Gehirn)

Weshalb ist die Integration der verschiedenen Beschleunigungskomponenten wichtig?

da wir im Alltag fast nie "reine" Bewegungen, also beispielsweise eine isolierte Yaw Rotation, erleben --> Vielmehr, verursachen die von uns selbst verursachten, aktiven Bewegungen (Kopfdrehungen, Gehen, Tanzen,...) wie auch die passiv erlebten Bewegungen (Beschleunigung des Zuges, Rolltreppe,...) komplexe Bewegungsprofile, welche mehrere oder gar alle Komponenten des Vestibularorgans gleichzeitig stimulieren

--> Um einen nützlichen Bewegungseindruck (z.B. in welche Richtung bewege ich mich) zu erhalten, ist daher die gemeinsame Interpretation aller Teilsignale und deren Eigenschaften (Intensität, Dauer, usw.) erforderlich

Was spielt im Überleben von Organismen eine wichtige Rolle?

- die relativ selten auftretenden Extrembeschleunigungen

- korrekte Wahrnehmung kleiner Beschleunigungen

- Neigungswinkel

--> Menschen müssen zum Beispiel kleine Körperschwankungen zuverlässig erkennen, um das Stehen und Gehen auf zwei Beinen zu ermöglichen und Stürze zu vermeiden

Was hat einen Einfluss auf die Sensitivität der Bewegungswahrnehmung?

- Bewegungsrichtung

- Alter

- Frequenz der Bewegung

Was hat einen grossen Einfluss auf die Wahrnehmung von Beschleunigungen?

- Informationen aus den Vestibularorganen

- andere Sinnesorgane --> Sehen, Somatosensorik, Propriozeption --> Signale aus völlig anderen Sinnessystemen

--> Multi-Sensorische Integration

Was spielt eine grosse Rolle in der Bewegungswahrnehmung?

- sensorische Information

- Erwartungen

- das Wissen um eigene Willkürbewegungen (Efferenzkopie)

Aus was besteht das Innenohr?

aus dem Vestibularorgan und der Hörschnecke (Cochlea)

Worüber ist das Vestibular- und Hörorgan mit dem zentralen Nervensystem verbunden?

über einen gemeinsamen Hirnnerv (Nervus vestibulocochlearis, achter Hirnnerv) --> wobei sich dieser in unmittelbarer Nähe des Innenohrs in einen Hör- und einen Vestibularnerv aufteilt. Der Nerv besteht sowohl aus afferenten (Information vom Organ zum Gehirn) als auch aus efferenten (Information vom Gehirn zum Organ) Anteilen und innerviert die drei Bogengänge und beiden Makulaorgane

Was kann durch die annähernd orthogonale Anordnung der Bogengänge registriert werden?

dadurch können Kopfrotationen, wie etwa Nickbewegungen (Pitch), Kopfschütteln (Yaw) oder Wiegebewegungen (Roll) unterschiedlich stark registriert werden, wodurch resultierende Beschleunigungsrichtungen erkannt werden können

Wie liegt der seitliche (auch horizontale) Bogengang bei neutraler Kopfhaltung? Warum ist diese Lage sinnvoll?

um etwa 30° nach hinten gekippt --> kann also durch eine leichte Kopfneigung nach unten in eine Ebene parallel zum Boden gebracht werden --> sinnvoll, da der Kopf mit den Augen durch den zweibeinigen, aufrechten Gang des Menschen relativ weit vom Boden entfernt ist. Während des Gehens ist der Kopf daher üblicherweise nach unten geneigt, um den unmittelbar vor den Füssen befindlichen Raum gut sehen zu können

Wie stehen die beiden anderen Bogengänge?

nicht innerhalb der Hauptebenen (Sagittal- Frontal-, Transversal-Ebene) des menschlichen Körpers, sondern jeweils etwa in einem 45° Winkel zur Sagittalebene

Was findet man an der Basis jedes Bogengangs? Wofür ist es?

eine Verdickung, die sogenannte Ampulle. Diese enthält jeweils eine aus einer gallertartigen Masse bestehende Struktur, die Cupula genannt wird. In der Cupula stehen Haarzellen (Zilien), welche die eigentlichen Sinneszellen darstellen

Was machen die Haarzellen?

sie generieren kontinuierlich, auch in Ruhe, Aktionspotentiale, welche über ein Axon (8. Hirnnerv) an das Gehirn gesendet werden

Wann ändert die Feuerrate der Haarzelle?

wenn auf diese aufgrund von Beschleunigungen Scherkräfte wirken, wodurch diese ausgelenkt (abgeknickt) werden --> Je nach Richtung dieser Auslenkung erhöht oder verringert sich die Feuerrate der Sinneszelle, wodurch sowohl die Beschleunigungsrichtung (unterschiedliche Komponente des Vestibularorgans), als auch die Intensität (Stärke der Feuerrate), kodiert werden

Aus was bestehen die Makulaorgane (Otolithenorgane)? Wo liegen sie?

aus Sakkulus und Utrikulus sind deutlich kleinere, zwischen den Bogengängen und der Cochlea gelegenen, sackartige Strukturen

Was machen die Makulaorgane?

dienen überwiegend der Detektion von Translations-/Linearbeschleunigungen --> registrieren also beispielsweise das Anfahren eines Zuges, oder die Beschleunigung einer Rakete

Aufgrund von was registrieren die Makulaorgane unterschiedliche Beschleunigungsrichtungen? Wofür ist der Utrikulus zuständig, wofür der Sakkulus?

- Aufgrund ihrer Orientierung

- Utrikulus bildet überwiegend Beschleunigungen in der Horizontalebene an

- Sakkulus bildet Beschleunigungen entlang der vertikalen ab

Wie sind die Otolithenorgane aufgebaut?

Beide Otolithenorgane sind ähnlich aufgebaut und enthalten wie die Bogengänge ebenfalls Haarzellen, die in einer gallertartingen Masse eingebettet sind --> Auf dieser Masse befinden sich zudem winzige Kristalle aus Kalziumkarbonat, die sogenannten Otolithen. Diese Kalziumkarbonatkristalle haben eine verhältnismässig grosse Masse und erhöhen damit die Trägheit der Struktur innerhalb des jeweiligen Makulaorgans. Die Kristalle sind somit eine Art "Testmasse" für die Beschleunigung des Kopfes. --> Kommt es zu einer Translationsbeschleunigung, wie beispielsweise beim Abbremsen eines Zuges, wird der Kopf in Fahrtrichtung verlangsamt. Aufgrund der Trägheit verbleiben die Otolithen relativ zu den weniger trägen Haarzellen etwas länger an ihrer ursprünglichen Position und sorgen für eine Auslenkung (Abscherung) der Haarzellen. Durch das Auslenken der Haarzellen, kommt es, analog zu den Bogengängen, zur Modulation der Feuerrate.

--> Alle fünf Komponenten des Vestibularorgans schicken Informationen über den Nervus vestibu locochlearis (8. Hirnnerv) an die vestibulären Kerngebiete im Hirnstamm

Weshalb sind die Organe antagonistisch verschaltet? Was heisst das genau?

Um die "Empfindlichkeit" (= Sensitivität) des vestibulären Systems zu erhöhen, also beispielsweise um kleinere Beschleunigungen detektieren zu können --> Das heisst, dass die Feuerraten der Nervenzellen für die Bogengänge auf der linken Seite permanent mit der Feuerraten der Nervenzellen der recht Seite verglichen wird. Der Vergleich lässt Unterschiede besser erkennen, das Signal-Rausch-Verhältnis wird besser --> Es wird, beispiel sweise für die horizontale Kopfrotation, nicht die absolute Feuerrate eines Bogengangs alleine zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit des Kopfes benutzt, sondern die Feuerraten beider Seiten verglichen. Beide Seiten haben z.B. anfangs eine Feuerrate nahe 100 Spikes/s. Wenn der Kopf gedreht wird, erhöht sich die Feuerrate auf der einen Seite auf 110 Spikes/s während sich zeitgleich die Feuerrate auf der anderen Seite auf 90 Spikes/s reduziert. Wenn beide Seiten verglichen werden, dann ist die Änderung 20 Spikes/s, statt nur 10 Spikes/s Veränderung, welche auf einer Seite feststellbar ist

Welche besondere Bedeutung kommt der relativen Orientierung der Bogengänge und den durch diese definierten Ebenen (RALP, LARP) zu?

--> Bild Text S. 12

Durch diese Ausrichtung nimmt jeweils ein Bogengang des linken und ein Bogengang des rechten Vestibu larorgans die gleiche Bewegungskomponente wahr. Aufgrund der antagonistischen Orientierung führt jedoch die Beschleunigung auf einer Seite zu einer Erhöhung, auf der anderen zeitgleich zu einer Verringerung der Feuerrate, wodurch die Differenz zwischen links und rechtsseitiger Feuerrate sich besser vom Grundrauschen, also den Fluktuationen in Ruhe, abhebt.

Warum braucht der Mensch/Tiere ein System, das beschreibt, wie sich der Kopf bewegt? --> Welche Art von Tieren braucht das nicht?

- Grundsätzlich brauchen alle Tiere, die Sehvermögen haben und in der Lage sind, sich selbst zu bewegen dieses System --> brauchen eine Möglichkeit um wahrzunehmen, wie stark ihre eigene Bewegung ist --> Augen können das nicht, da sie die Umgebung wahrnehmen müssen

- Hauptaufgaben des Gleichgewichtorgans --> Augen stabil halten, wenn wir uns im Raum bewegen/bewegt werden, Gleichgewichtsaspekte (aufrechter Gang)

Was ist notwendig, um eine hinreichend gute Stabilisierung der Augen zu ermöglichen?

dass die detektierten Kopfbeschleunigungen (= afferente Signale) mit möglichst geringer Latenz (= Verzögerung) in efferente Signale überführt werden, die die Augenmuskeln steuern

Was und wie ermöglich der vestibulookulärer Reflex (VOR)? Wodurch wird er implementiert?

- Vestibularorgane sind nur über drei Neuronen mit den Augenmuskeln verbunden --> dieser Reflexbogen implementiert den vestibulookulärer Reflex (VOR)

- VOR ermöglicht es, auch während einer Bewegung ein scharfes Bild auf der Retina abzubilden --> Hierzu werden die vom Vestibularorgan detektierten Signale genutzt, um ohne den Kortex ausgleichende Augenbewe gungen zu erzeugen, die dazu führen, dass das Bild auf der Retina konstant bleibt. Dieser Reflex ist einer der schnellsten Reflexe im menschlichen Körper, mit einer Latenz von ca. 10 ms

Was für Pfade gibt es?

- auf Geschwindigkeit optimierter VOR-Pfad, der nur eine Umschaltstation im Hirnstamm hat und den Kortex nicht erreicht

- "langsame" Pfad, der das Grosshirn mit vestibulärer Information versorgt

Was legen Diffusionsbildgebungsstudien nahe?

dass es nicht nur einen, sondern fünf unterschiedliche Pfade vom Vestibularorgan in das Grosshirn gibt

Erläutere diese Pfade

Zwei dieser Pfade verlaufen streng ipsi-lateral, also auf derselben Körperseite, während die übrigen drei an unterschiedlichen Punkten auf die kontralaterale Seite kreuzen. Die Kreuzungspunkte sind demnach auf der Ebene der Vestibulariskerne, auf der pontinen Ebene über den Vestibulariskernen und auf der mesencephalen Ebene --> Die Topologie dieses Netzwerks, mit seinen verschiedenen Pfaden, ist mit einer Strickleiter vergleichbar --> Dieser spezielle Auf bau mit scheinbar redundanten Signalverläufen könnte der Grund dafür sein, dass das zentrale vestibuläre System recht robust gegen Hirnverletzungen ist

Was endet im Grosshirn? Welchem Netzwerk wird diese Region zugerechnet?

Im Grosshirn enden viele vestibulären Afferenzen im hinteren Inselgebiet bzw. dem parietalen Operkulum. Diese Region wird aufgrund von Bildgebungs- und EEG-Studien schon seit längerem dem kortikalen vestibulären Netzwerk zugerechnet

Was legen, die in EEG-Studien im Menschen beobachtete Zunahme der kortikal generierten Amplituden mit stärkeren Reizen sowie leichte Unterschiede in den Zeitverläufen je nach Bewe gungstyp (Rotation, Translation), nahe?

dass sowohl Intensitäten als auch Richtungs- bzw. Trajektorieninformation den Kortex erreichen und das diese in Kopfkoordinaten kodiert sind

Weshalb funktioniert fMRI nicht so wirklich?

man kann den Kopf dabei nicht drehen, muss man aber, um das vestibulare System zu untersuchen

Wo ist ein gut funktionierendes Vestibularorgan wichtig?

in der Luftfahrt

Erkläre Friedhofsspirale, wie kommt dies zustande?

einen vom Piloten nicht wahrgenommenen, zunehmend abwärts orientierten Kurvenflug --> Damit solch eine Flugbewegung zustande kommt, müssen verschiedene Faktoren zusammentreffen, z. B. eine unzureichende visuelle Referenz (Sicht auf den wahren Horizont) und eine Rotation unterhalb der Wahrnehmungsschwelle. Ein zunehmend abwärts orientierter Kurvenflug führt in seiner Folge zu verschiedenen Sinneseindrücken; wenn ein Pilot darauf ohne ausreichende visuelle Referenz reagiert, tendieren seine „Korrekturen" dazu, die falsch interpretierte Flugbewegung zu verstärken, anstatt das Flugzeug in den gewünschten geradlinigen Horizontalflug zu überführen

Erkläre Friedhofsstrudel, wie kommt dies zustande?

das unwillentliche Fortsetzen eines Trudelmanövers --> wird verursacht, wenn eine Pilotin absichtlich oder unabsichtlich ins Trudeln gerät. Anfangs registrieren die Bogengänge die Winkelbewegung, doch bei längerem Trudeln lässt dieses Gefühl zunehmend nach. Wenn die Pilotin das entsprechende Ruder betätigt, um das Trudeln zu stoppen, kann sie das Gefühl haben, in die entgegengesetzte Richtung zu trudeln. Dies führt zu einem Konflikt zwischen dem, was die Pilotin fühlt, und dem, was auf den Fluginstrumenten angezeigt wird. Vertraut die Pilotin ihrem Körper, trudelt sie weiter und verliert an Höhe

Erkläre Nose-up Illusion

________ tritt immer dann auf, wenn man ein Flugzeug extrem schnell beschleunigt --> durch die starke Beschleunigung werden die Otolithen so stark beschleunigt, dass man das Gefühl hat, dass man zu stark steigt --> versuchen dagegen anzukämpfen, indem sie Richtung Boden steuert --> stürzt ab --> Phänomen hält bis zu 4 / 5 Minuten an

Was ist auf Informationen aus dem Gleichgewichtsorgan angewiesen? Erläutere das Experiment, welches das gezeigt hat

verschiedene kognitive Prozesse --> z.B. räumliche Navigation --> Dies konnte eindrücklich an Patienten mit einer beidseitig pathologisch reduzieren Gleichgewichtsfunktion (Bilaterale vestibulopathie) gezeigt werden --> Patienten und gesund Kontrollpersonen liefen zunächst eine geführte Route innerhalb eines Gebäudes ab. Auf dieser Route wurden ihnen verschiedene Symbole an den Wänden gezeigt und sie wurden gebeten sich deren Position einzuprägen. Im zweiten Teil des Experiments hatten die Teilnehmenden die Aufgabe, den Versuchsleiter zu vorgegebenen Punkten zu führen. Einige der Punkte waren über eine Abkürzung erreichbar, die den Versuchspersonen jedoch nie explizit gezeigt wurde. Es zeigte sich, dass signifikant weniger Patient:innen in der Lage waren aufgrund der mentalen Karte die Abkürzung zu erkennen und entsprechend kürzere Wege zu laufen. Zudem korrelierte die Wahrscheinlichkeit, dass eine Person eine Abkürzung nehmen würde, negativ mit der Stärke des Gleichgewichtsausfalls.

Was für einen Zusammenhang zeigen andere Befunde auf?

Zusammenhang zwischen vestibulärer Funktion und räumlichen Gedächtnis, Vorstellung (mental imagery) oder mentaler Rotation

Was wird kontrovers diskutiert?

die Rolle vestibulärer Information in der Körperwahrnehmung und der Einfluss auf Risikoverhalten

Weshalb passieren beim navigieren in der vertikalen Ebene viele Fehler?

weil wir biologisch nicht dafür ausgelegt sind, dort zu navigieren

Nenne empirische Studien, die den Zusammenhang zwischen Bewegung, also der Stimulation des Gleichgewichtsorgans, und dem emotionalen Zu stand belegen

- Winter und Kollegen zeigten, dass passive Bewegungen Einfluss auf den Stimmungszustand junger gesunder Erwachsener haben können --> Eine EEG-Studie untersuchte den Einfluss passiver Bewegungen auf die Verarbeitung emotionaler Inhalte und belegte eine modulierende Wirkung --> Versuchspersonen betrachteten Bilder mit positiven, neutralen und negativen In halten, während sie entweder stillstanden oder passiv bewegt wurden. Ein spezifischer Effekt trat insbesondere bei negativen Bildinhalten auf, was sich in einem mit Erregung (engl. arousal) in Verbindung stehenden EEG-Potential zeigte, dessen Amplitude deutlich reduziert war, wenn die Versuchspersonen während der Präsentation des Bildes bewegt wurden

Was zeigen Patienten mit vestibulären Erkrankungen überdurchschnittlich häufig?

komorbide psychiatrische Störungen, insbesondere Angststörungen und Depressionen

Welche Verbindung ist nicht unmittelbar ersichtlich?

Die Verbindung zwischen dem vestibulären Netzwerk und emotionsverarbeitenden Strukturen, insbesondere der Amygdala