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Neuroscience Chapter 5

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PSYC 2410
Stephen Lewis

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Chapter Five – The research methods of biopsychology Methods of visualizing and stimulating the living human brain • X­rays are close to useless when trying to scan the brain, by the time an x­ray  beam has passed through the numerous structures of the brain, it carries little  information about the structures through which it has passed • Contrast x­ray techniques involves injecting into one compartment of the body  a substance that absorbs x­rays either less than or more than the surrounding  tissue. The injected substance than heighten the contrast between the compartment  and the surrounding tissue during the x­ray • One contrast x­ray technique, cerebral angiography, uses the infusion of a radio­ opaque dye into a cerebral artery to visualize the cerebral circulatory system  during x­ray photography. They are helpful for localizing vascular damage and  indicating the location of a tumor  • Computed tomography (CT) is a computer­assisted x­ray procedure that can be  used to visualize the brain and other internal structures of the living body. The  information in each x­ray photograph is combined to generate a scan of one  horizontal section of the brain. Scans of 8­9 horizontal brain sections are typically  obtained from the patient and combined the provide a 3­D image of the brain • A magnetic resonance imaging (MRI) is a procedure in which high resolution  images are constructed from the measurement of waves that hydrogen atoms emit  when they are activated ny radio­frequency waves in a magnetic field. Provides a  clearer image than a CT • MRI’s provide relatively high spatial resolution which is the ability to detect and  represent differences in spatial location, as well as can produce images in 3­D • Positron emission tomography (PET) was the first brain imaging technique to  provide images of brain activity (functional brain images) rather than images of  brain structures (structural brain images). Each PET scan is an image of the levels  of radioactivity (indicated by colour coding) in various parts of one horizontal  level of the brain. Thus if a patient was reading a book during a scan, the scan will  indicate the areas at that brain level that were most active during reading • Functional MRI (fMRI) produces images representing the increase in oxygen  flow in the blood to active areas of the brain. Active areas of the brain take up  more oxygenated blood than they need for their energy requirements and thus  oxygenated blood accumulates in active areas of the brain. And oxygenated blood  has magnetic properties. The signal recorded by fMRI is called Bold signal  (blood­oxygen­level­dependent signal) • fMRI has 4 advantages over PET: o Nothing has to be injected into the subject o It provides both structural and functional information in the same image o Its spatial resolution is better o It can be used to produce 3­D images of activity over the entire brain • fMRI technology is too slow to capture many neural responses – it takes 2 or 3  seconds to create an fMRI image, and many neural responses such as action  potentials occur in milliseconds • These methods all have the same weakness: they can be used to show correlation  between brain activity and cognitive activity byt they can’t prove that the brain  activity caused the cognitive activity • Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a technique for affecting the  activity in an area of the cortex by creating a magnetic field under a coil  positioned next to the skull. The stimulation temporarily turns off part of the brain  while the effects of the disruption on cognition and behavior are assessed. Recording Human Psychophysiological Activity • Psychophysiological recording methods are the methods of recording  physiological activity from the surface of the human body • The electroencephalogram (EEG) is a measure of the gross electrical activity of  the brain. It is recorded through large electrodes by a device called an  electroencephalograph (EEG machine), and the technique is called  electroencephalography • The scalp EEG signal reflects the sum of electrical events throughout the head.  This includes action potentials and post synaptic potentials, as well as electrical  signals from the skin, muscles, blood and eyes. • Some EEG waves forms are associated with particular states of consciousness or  particular types of cerebral pathology. For example alpha waves are regular 8­ to  12­per­second, high amplitude waves that are associated with relaxed wakefulness • Psychophysiologists are often more interested in the EEg waves that accompany  certain psychological events than they are in the signal These accompanying EEG  waves are reffered to as event­related potenials (ERPs) • One commonly studied type of event­related potential is the sensory evoked  potential that chane in the cortical EEG signal that is eleicited by the momentary  presentation of  sensory stimulus. • The cortical EEG that follows a sensory stimulus has 2 components: o The response to the stimulus (the signal) o And the ongoing background EEG activity (the noise) • The signal is the part of any recording that is of intrest; the noise is the part that  isn’t • A signal averaging is a method of increasing the signal­to­noise ratio by reducing  background noise  • The analysis of average evoked potentials (AEPs) focuses on the various waves in  the averaged signal. Each wave is characterized by its direction, positive or  negative and by its latency  • Each skeletal muscle is composed of millions of threadlike muscle fibers, each  fiber contracts in an all­or­none fashion when activated by the motor neuron that  innervates it. At any given time, a few fibers in each resting muscle are likely to  be contracting, thus maintaining the overall tone (tension) of the muscle.  Movement results when a large number of fibers contract at the same time • Electromyography is the usual procedure for measuring muscle tension. The  resulting record is called an electromyogram (EMG). It is usually recorded  between 2 electrodes taped to the surface of the skin and over the muscle of  interest • The electrophysiological technique for recording eye movements is called  electrooculography, and the resulting record is called an electrooculogram  (EOG) • When the eyeball  moves a change in the electrical potential between electrodes  placed around the eye can be recorded  • Emotional thoughts and experiences are associated with increases in the ability of  the skin to conduct electricity. The two most commonly employed indexes of  Electrodermal activity are the skin conductance level (SCL) and the skin  conductance response (SCR) • The SCL is a measure of the background level of skin conductance that is  associated with a particular situation, whereas the SCR is a measure of the  transient changes in skin conductance that are associated with discrete  experiences  • Sweat glands tend to become active in emotional situations. Those of the hands,  feet, armpits and forehead are particularly responsive to emotional stimuli  • The cardiovascular system has 2 parts: o The blood vessels o And the heart • This system distributes oxygen and nutrients to the tissues of the body, removes  metobalic waste and transmits chemical messages • The heart rate is the electrical signal that is associated with each heartbeat and can  be recorded through electrodes placed over the chest. This is called an  electrocardiogram (ECG) • Blood pressure is measuring arterial blood pressure involves two independent  measurements: a measurement of the peak pressure during the periods of heart  contraction, the systoles, and a measurement of the minimum pressure during the  periods of relaxation, the diastoles. It is usually expressed as a ratio of systolic  over diastolic. A normal resting blood pressure is 130/70. A chronic blood  pressure of more than 140/90 is viewed as a serious health hazard and is called  h
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