Dokument: Modulating Gamma - The Influence of Attention and Disease on Oscillatory Gamma Band Brain Activity

Titel:Modulating Gamma - The Influence of Attention and Disease on Oscillatory Gamma Band Brain Activity
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20111116-100629-8
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Englisch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Kahlbrock, Nina [Autor]
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Dateien vom 15.11.2011 / geändert 15.11.2011
Beitragende:Prof. Dr. Schnitzler, Alfons [Gutachter]
Prof. Dr. Heil, Martin [Gutachter]
Prof. Dr. Groß, Joachim [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:100 Philosophie und Psychologie » 150 Psychologie
Beschreibungen:Attention, the ability to focus on certain aspects of the surrounding world, while ignoring others and oscillatory brain activity are tightly related. This thesis employed Magnetoencephalography (MEG) to extend previous works on attention and its associated oscillatory brain activity. Healthy participants and patients with hepatic encephalopathy (HE), known to have attention deficits, were studied while working on a bimodal task inducing graded levels of visual attention.
Processing advantages of modality specific attended stimuli compared to non-attended stimuli and capacity limitations when dividing attention between different modalities have been shown previously. Thus, graded levels of attention can be achieved by resource allocation between two modalities. Oscillations in the gamma frequency band (30-100 Hz) are related to attention. However, their modulation with attentional modulation has not been studied in a graded manner so far.
In a first study gradual modulation of visual attention was examined in healthy participants using an audiovisual attention design, concurrently recording brain activity using MEG.
Results showed gradual modulation of visual attention, which was reflected by reaction times on the behavioral level. Behavioral effects were closely related to the strength of gamma band oscillations in early visual areas indicating a gradual attentional modulation of oscillatory activity at early stages of visual processing.
Patients with HE show attention deficits which increase with disease severity. Previous works showed that cortico-muscular coupling is pathologically slowed in HE resulting in the commonly observed motor symptoms called (mini-)asterixis. In addition, this slowing correlated with a slowing of the critical flicker frequency (CFF), a parameter shown to be closely related to the severity of HE. Thus, slowed oscillatory activity is assumed to be a key mechanism in the pathophysiology of HE.
In a second study attentional performance of patients with HE was explored in a simplified paradigm, adapted from study 1. Again, brain activity was recorded using MEG. It was determined whether patients with HE show gamma band oscillations and modulation thereof performing the attention task. Relations between severity of HE and patients’ performance, their individual gamma band frequencies and their capacity to modulate gamma band oscillation strength were scrutinized.
The present work found that attentional performance and the concurrent modulation of gamma band oscillations are closely related to the severity of HE. The peak frequency of attention-related gamma band oscillations in visual areas was lower, with higher disease severity of HE, as measured by the CFF. Earlier results of slowed oscillatory processes in the motor and visual system of HE patients were thereby extended to the cognitive domain. Moreover, further support was added to the hypothesis that slowed oscillatory activity is a key mechanism in the pathophysiology of HE explaining the broad variety of symptoms. Additionally, the role of the CFF as a sensitive and fine-scaled indicator of HE severity was substantiated.
Taken together, findings of this work underline the relation between visual attention and gamma band oscillations. The close association between neurophysiological effects and actual behavioral measures substantiates the functional importance of gamma band oscillations. This relationship is further corroborated by distinct modulating effects of attention on gamma band oscillations in both, healthy subjects and patients with known attention deficits.

Aufmerksamkeit beschreibt die Fähigkeit, auf bestimmte Aspekte der Umwelt zu fokussieren, während andere, unwichtigere Aspekte ignoriert werden und wird mit oszillatorischer Gehirnaktivität in Zusammenhang gebracht. In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der Magnetenzephalographie (MEG) benutzt, um frühere Arbeiten zum Zusammenhang von Aufmerksamkeit und der zugehörigen Gehirnaktivität zu erweitern. Gesunde Probanden und Patienten mit Hepatischer Enzephalopathie (HE), die bekanntermaßen an Aufmerksamkeitsdefiziten leiden, wurden untersucht. Hierzu wurde eine bimodale Aufgabe, die graduelle Stadien visueller Aufmerksamkeit herbeiführte, verwandt.
Bekannt ist, dass beachtete Stimuli in einer Modalität effizienter verarbeitet werden, als nicht beachtete Stimuli in einer anderen Modalität. Außerdem konnten in früheren Studien beim Teilen von Aufmerksamkeit zwischen zwei Modalitäten Einschränkungen der Verarbeitungskapazität gezeigt werden. Daher können graduelle Stadien von Aufmerksamkeit erreicht werden, indem Ressourcen zwischen Modalitäten aufgeteilt werden. Oszillationen in einem Frequenzbereich von 30-100 Hz, die sogenannte Gammaband Oszillationen, werden mit Aufmerksamkeit in Verbindung gebracht. Die Modulation von Gammaband Oszillationen durch Aufmerksamkeit wurde bis jetzt noch nicht in gradueller Weise untersucht.
In der ersten Studie dieser Arbeit wurde in einer Stichprobe gesunder Probanden, Gehirnaktivität mittels MEG aufgezeichnet und das graduelle Aufmerksamkeitsniveau untersucht, während die Probanden eine audiovisuelle Aufmerksamkeitsaufgabe bearbeiteten.
Es zeigte sich, dass die visuelle Aufmerksamkeit der Probanden graduell moduliert wurde. Reaktionszeiten untermauerten auf Verhaltensebene drei Stufen visueller Aufmerksamkeit. Die Verhaltenseffekte spiegelten sich auf neurophysiologischer Ebene in der Stärke der Gammaband Oszillationen in frühen visuellen Arealen wider. Es konnte somit eine durch Aufmerksamkeit initiierte, graduelle Modulation oszillatorischer Aktivität in frühen visuellen Arealen gezeigt werden.
Patienten mit HE zeigen neben motorischen Symptomen Aufmerksamkeitsdefizite, die mit der Schwere der Erkrankung zunehmen. Vorangegangene Arbeiten fanden eine pathologisch verlangsamte kortiko-muskuläre Kopplung bei Patienten mit HE. Diese wurde mit den häufig auftretenden motorischen Defiziten in dieser Patientengruppe in Zusammenhang gebracht und korrelierte außerdem mit der kritischen Flimmer Frequenz (englisch: critical flicker frequency, CFF). Die CFF gibt eine Schätzung der Schwere der HE. Verlangsamte oszillatorische Aktivität wurde daher als Schlüsselmechanismus in der Pathophysiologie der HE vorgeschlagen.
In der zweiten Studie wurden, mit einer vereinfachten Version des Paradigmas aus Studie 1, Aufmerksamkeitsprozesse bei Patienten mit HE untersucht. Gehirnaktivität wurde wieder simultan mittels MEG aufgezeichnet und geprüft, ob Patienten mit HE Aufmerksamkeitsassoziierte Gammaband Oszillationen und deren Modulation zeigen. Des Weiteren wurde der Zusammenhang der Schwere der Erkrankung mit der Aufmerksamkeitsleistung, der individuellen Gammaband Frequenz und der Fähigkeit zur Modulation von Gammaband Oszillationen durch Aufmerksamkeit untersucht.
Es zeigte sich, dass Aufmerksamkeitsleistung und die gleichzeitige Modulation von Gammaband Oszillationen mit der Schwere der HE zusammenhängen. Die Frequenz der aufmerksamkeitsassoziierten Gammaband Oszillationen in visuellen Arealen sank mit zunehmender Schwere der HE, quantifiziert durch die CFF. Somit konnten frühere Studien, die verlangsamte Oszillationen im motorischen und visuellen System zeigten, um die kognitive Ebene erweitert werden. Die Annahme, dass verlangsamte Oszillationen einen Schlüsselmechanismus der HE darstellen, mit dem die unterschiedlichen Symptome der HE erklärt werden können, wurde somit untermauert. Zudem unterstützen diese Ergebnisse die Rolle der CFF als sensitiven Indikator der Schwere der HE.
Zusammenfassend unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit die wechselseitige Beziehung zwischen visueller Aufmerksamkeit und Gammaband Oszillationen. Der Zusammenhang neurophysiologischer Maße und des gezeigten Verhaltens betont die funktionelle Wichtigkeit der Gammaband Oszillationen. Diese Verbindung wird weiter unterstützt durch die differenzierbare Modulierbarkeit der Gammaband Oszillationen durch Aufmerksamkeit in gesunden Probanden und Patienten mit bekannten Aufmerksamkeitsdefiziten.
Fachbereich / Einrichtung:Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:16.11.2011
Dateien geändert am:16.11.2011
Promotionsantrag am:18.04.2011
Datum der Promotion:05.10.2011
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