Methoden und Labore

Moderne Methoden der Hirnbildgebung und Hirnstimulation ermöglichen es uns, die Rolle von einzelnen Gehirnarealen und Netzwerken bei den von uns erforschten Prozessen und Erkrankungen zu beleuchten.

Mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) untersuchen wir die Aktivität und Konnektivität von Gehirnarealen unter Ruhebedingungen (Resting State fMRT) sowie die Reaktionen auf experimentelle Reize, die von neutralen Bildern oder Tönen bis hin zu angenehmen Berührungen und unangenehmen Schmerzreizen reichen. Zudem können wir mit der quantitativen Magnetresonanzspektroskopie (q-MRS) auch die Konzentration spezifischer Neurotransmitter bestimmen, die für die Aktivität und Kommunikation der Gehirnareale von besonderer Bedeutung sind. Daneben liefert uns die voxelbasierte Morphometrie (VBM) wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Struktur des Gehirns, beispielsweise der Größe einzelner Hirnregionen. Die Diffusions-Tensor-Bildgebung (Diffusion Tensor Imaging, DTI) erlaubt es uns, die Faserverbindungen zwischen Gehirnregionen zu untersuchen.

Die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) ist eine nicht-invasive bildgebende Methode, welche die Änderungen im Blutfluss im Gehirn misst. Sie nutzt die speziellen Eigenschaften von nahem Infrarotlicht, um die Konzentration von Sauerstoff im Blut und damit indirekt die Aktivität von Nervenzellen zu bestimmen. fNIRS ist eine moderne Methode in den Neurowissenschaften, um die Aktivität von kortikalen, d.h. oberflächlich gelegenen Gehirnregionen zu messen. Im Vergleich zum fMRT ist das fNIRS mobiler und erlaubt seinen Einsatz in einer Vielzahl von natürlichen Situationen und sogar die Testung von mehreren Personen gleichzeitig, um die Synchronisierung der Gehirnaktivität zwischen Menschen zu messen.

Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) und die transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) sind nicht-invasive neuromodulatorische Techniken, bei denen elektrische Ströme auf die Kopfhaut angelegt werden, um die Aktivität des Gehirns zu modulieren. Bei tDCS wird ein konstanter, niedriger Strom verwendet, während bei tACS ein oszillierender Strom verwendet wird. tDCS und tACS werden bei klinischen Anwendungen und in der Grundlagenforschung eingesetzt, um die kausale Rolle von kortikalen Gehirnregionen zu untersuchen. Beispielsweise kann der präfrontale Kortex stimuliert werden, um zu überprüfen, ob dieser eine bedeutende Rolle in der Emotionsregulation spielt.

Ausstattung:

MRT-Messungen werden an zwei Forschungs-MRT (Siemens Magnetom Prisma, 3 Tesla mit 64-Kanal-Spule) des Research Department of Neuroscience (RDN) der RUB in Bochum sowie des Leibniz-Instituts für Arbeitsforschung an der TU Dortmund (IfADo) realisiert. Zusätzlich besteht über Kooperationen i.R. laufender Studien der Professuren Elsenbruch und Icenhour Zugang zu 3-Tesla MR-Scannern am Universitätsklinikum Knappschaftskrankenhaus Bochum sowie am Universitätsklinikum Essen.

Zwei fNIRS Geräte (NIRSport 2 Wireless) sowie ein Stimulator mit 4 Kanälen (Neurocare) sind in den Räumlichkeiten der Abteilung für Soziale Neurowissenschaften (Prof. Dirk Scheele) im Einsatz.

In unseren experimentellen Untersuchungen erheben wir unterschiedliche psychophysiologische Maße, die Aufschluss über die Aktivität des autonomen (vegetativen) Nervensystems und mögliche Veränderungen durch emotionale und kognitive Prozesse geben.

Die elektrodermale Aktivität (EDA) als Indikator für die Aktivität des sympathischen Nervensystems kann beispielsweise genutzt werden, um emotionale Erregungsmuster zu untersuchen, wie sie u.a. im Rahmen der Konditionierung von Furcht charakteristisch sind. Veränderungen der mittels Elektrokardiographie (EKG) gemessenen Herzfrequenz / Herzratenvariabilität, sowie des Blutdrucks und der Atmung bieten Einblicke in das komplexe Zusammenspiel zwischen mentalen Vorgängen und physiologischen Reaktionen, wie sie besonders ausgeprägt in Zusammenhang mit psychischem Stress auftreten können. Auch die elektrische Aktivität des Magens ist autonom reguliert und kann nicht-invasiv mittels Elektrogastrographie (EGG) gemessen werden, was insbesondere im Kontext von Magendarmsymptomen und veränderter Essregulation interessant ist.

Zudem kommen Eyetracking und Pupillometrie zum Einsatz, um Augenbewegungen und Veränderungen der Pupillengröße bei der Verarbeitung emotionaler Informationen und im Rahmen kognitiver Prozesse abzubilden. Schließlich ermöglicht uns die transkutane Vagusnervstimulation (tVNS) eine gezielte und nicht-invasive Modulation eines der zentralen Kommunikationswege des autonomen Nervensystems, der sowohl Funktionen innerer Organe als auch unsere Wachheit und Stimmung beeinflussen kann. Insgesamt setzen wir diese verschiedenen Verfahren in unseren Studien ein, um die physiologischen Körperreaktionen zu entschlüsseln, die für ein besseres Verständnis von chronischen stress-assoziierten körperlichen und psychischen Erkrankungen entscheidend sind.   

Ergänzt werden diese physiologischen Messparameter durch die Bestimmung von Stresshormonen oder Entzündungsmediatoren aus Speichel- bzw. Blutproben, welche wir im Rahmen von Kooperationen mit dem Institut für Medizinische Psychologie und Verhaltensimmunbiologie am Universitätsklinikum Essen analysieren. Diese endokrinen und immunologischen Parameter sind insbesondere bei der Erforschung von chronischen Schmerzen bei chronisch-entzündlichen Erkrankungen von großer Bedeutung.

Ausstattung:

Am Forschungs-MRT sowie in den Räumlichkeiten aller Abteilungen sind psychophysiologische Messungen mittels Biopac-Systemen (Biopac Systems Inc.) implementiert. Darüber hinaus gehören ein MR-kompatibles Eye-Tracking System (Eye-Link 1000Plus, SR-Research), ein transkutaner Vagusnervstimulator (tVNS Technologies) sowie ein SOMNOmedics System (SOMNOtouch NIBP) zur gemeinsamen Ausstattung der Professuren Elsenbruch und Icenhour.

In unserer Schmerzforschung kommen unterschiedliche experimentelle Modelle zum Einsatz. So verfügen wir über die Ausstattung und Expertise zum Einsatz von thermischen Reizen (Hitzereizen) für den Oberflächenschmerz sowie von Druckreizen für den tieferen Muskelschmerz und den interozeptiven Viszeralschmerz. Diese kommen einzeln, im direkten Vergleich miteinander oder mit anderen unangenehmen Reizen wie lauten Tönen und teilweise auch kombiniert mit emotionalen Stimuli zur Anwendung. Daneben sind wir insbesondere an Effekten angenehmer sozialer Berührung interessiert, die wir beispielsweise mit Pinseln applizieren. Zur Erfassung der Reaktionen auf diese experimentellen Reize bei gesunden Teilnehmenden und verschiedenen Patientengruppen einschließlich chronischer Schmerzpatienten kombinieren wir Messparameter aus der Verhaltensforschung (z.B. Psychometrie), der Psychophysiologie, der Hirnbildgebung sowie der Psychoneuroendokrinologie und Psychoneuroimmunologie.

Ausstattung:

In den Räumlichkeiten der Abteilungen für Medizinische Psychologie und Affektive Neurowissenschaften stehen verschiedene hochwertige Schmerzstimulationssysteme zur Verfügung, einschließlich MR-kompatibler Thermoden (PATHWAY model, Medoc, Advanced Medical Systems) und Barostat-Systeme (ISOBAR 3 device, G & J Electronics). Zudem verfügen wir über die Ausstattung zur quantitativen sensorischen Testung (QST). Für Studien zur Schmerzmodulation durch emotionale akustische Reize stehen uns mehrere MR-kompatible Audiostimulationssysteme zur Verfügung (Amplifier mkll+S/N 2016-2-2-03, MR confon GmbH).