Dokument: Modulierung zentraler Netzwerke der Bewegungssteuerung mithilfe der transkraniellen Wechselstromstimulation (tACS)

Titel:Modulierung zentraler Netzwerke der Bewegungssteuerung mithilfe der transkraniellen Wechselstromstimulation (tACS)
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20130806-144728-8
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Deutsch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Wach, Claudia [Autor]
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Dateien vom 27.07.2013 / geändert 27.07.2013
Beitragende:Prof. Dr. phil. Pollok, Bettina [Gutachter]
Prof. Dr. Pietrowsky, Reinhard [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:100 Philosophie und Psychologie » 150 Psychologie
Beschreibungen:Synchronisierte oszillatorische Aktivität stellt die Grundlage für die funktionelle Kommunikation innerhalb und zwischen Hirnarealen dar. Während das Leistungsspektrum (engl. power) Informationen über die synchronisierte oszillatorische Aktivität innerhalb lokaler Hirnareale liefert, ist die kortikomuskuläre Kohärenz (engl. corticomuscular coherence, CMC) ein etabliertes Maß zur Quantifizierung der funktionellen Interaktion zwischen Kortex und Muskel. Die Steuerung von Bewegungen basiert auf der synchronisierten oszillatorischen Aktivität insbesondere im Alpha- (8-12 Hz), Beta- (13-30 Hz) und Gamma- (> 30 Hz) Band innerhalb eines cerebello-thalamo-kortikalen Netzwerks. Die funktionelle Bedeutung der einzelnen Frequenzbänder ist noch nicht eindeutig geklärt. Pathologisch veränderte Synchronisationsmuster treten bei Bewegungsstörungen wie dem Morbus Parkinson (MP) auf. Der MP ist gekennzeichnet durch eine Symptomtrias aus Rigor, Tremor und Bewegungsverlangsamung (Bradykinese) bis hin zur Bewegungsarmut (Akinese). Außerdem zeigen sich bei MP-Patienten charakteristische neurophysiologische Veränderungen. In Bezug auf die motorkortikale Exzitabilität findet sich eine verkürzte kortikale Innervationsstille (engl. cortical silent period, CSP), die auf eine reduzierte Aktivität inhibitorischer Interneurone hinweist. Darüber hinaus ist der MP mit pathologisch verstärkter oszillatorischer Aktivität im Alpha- und Beta-Band, verringerter Gamma-Band-Aktivität sowie einer verringerten CMC im Beta- und Gamma-Band assoziiert. Zur Behandlung der MP-Symptomatik werden die pathologisch veränderten Oszilla-tionen mithilfe der Tiefenhirnstimulation (engl. deep brain stimulation, DBS) normalisiert. Obwohl gezeigt werden konnte, dass pathologisch verstärkte Oszillationen mit Bewegungsstörungen einhergehen, fehlen bislang eindeutige Hinweise dafür, dass diese oszillatorischen Veränderungen ursächlich für die Entstehung der Bewegungseinschränkungen sind. Eine Möglichkeit zur Überprüfung der Kausalitätsannahme ist die Modulation der Bewegungssteuerung und ihrer neuronalen Grundlagen mithilfe der transkraniellen Wechselstromstimulation (engl. transcranial alternating current stimulation, tACS). Die tACS erlaubt die frequenzspezifische Modulation oszillatorischer Aktivität. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten auf diese Weise Erkenntnisse über die funktionelle Bedeutung der Alpha- und Beta-Band-Aktivität für die physiologische Bewegungssteuerung und deren pathologische Veränderungen am Beispiel des MP gewonnen werden. Hierzu wurde die tACS sowohl bei gesunden Probanden als auch bei MP-Patienten mit einer Stimulationsfrequenz von 10 und 20 Hz über dem primären motorischen Areal (M1) appliziert. Zur Messung der oszillatorischen Hirnaktivität wurde die Methode der Magnetenzephalographie (MEG) verwendet.
In der ersten Studie wurde der Effekt der tACS auf die Bewegungsausführung und die motorkortikale Exzitabilität bei gesunden Probanden untersucht. In Abhängigkeit von der Stimulationsfrequenz ergaben sich differentielle Effekte: Die 10 Hz-tACS erhöhte insbesondere die Bewegungsvariabilität, während nach 20 Hz-tACS eine Bewegungsverlangsamung auftrat. Die 10 Hz-Effekte zeigten sich 30 Minuten nach Stimulationsende. Die 20 Hz-Effekte waren hingegen nur unmittelbar nach Beendigung der Stimulation nachzuweisen. Ausschließlich nach 10 Hz-tACS waren die Verhaltenseffekte signifikant mit der Dauer der CSP korreliert. Dies deutete auf eine Beeinflussung inhibitorischer Prozesse durch 10 Hz-tACS hin.
Um die neurophysiologischen Grundlagen dieser Befunde näher zu charakterisieren, wurde in der zweiten Studie der Effekt einer 10 und 20 Hz-tACS auf die oszillatorische Hirnaktivität anhand des motorkortikalen Leistungsspektrums und der CMC untersucht. Hinweise für eine frequenzspezifische Modulation der lokalen oszillatorischen Aktivität oder der CMC im Beta-Band ergaben sich nicht. Es fand sich jedoch eine Reduktion der CMC im niedrigen Gamma-Band nach 10 Hz-tACS. Erstmals zeigte sich damit, dass die tACS nicht notwendigerweise mit Effekten in der Stimulationsfrequenz assoziiert sein muss. Die Befunde weisen auf ein frequenzübergreifendes Zusammenspiel zwischen der Aktivität im Alpha- und niedrigem Gamma-Band hin, welches die funktionelle Interaktion zwischen Motorkortex und Muskel moduliert.
Als Fazit der ersten beiden Studien ist festzuhalten, dass sich bei den gesunden Probanden nach tACS mit Bewegungsverlangsamung, verringerter CSP-Dauer und reduzierter Gamma-Band-CMC vorübergehende behaviorale und neurophysiologische Veränderungen einstellten, welche mit bekannten Veränderungen bei MP-Patienten vergleichbar waren.
In der dritten und vierten Studie wurde die pathologisch verstärkte oszillatorische Aktivität des motorischen Systems und ihre Modulierung durch tACS am Beispiel des MP untersucht. Vorausgehende Arbeiten befassten sich überwiegend mit Patienten in fortgeschrittenen Krankheitsstadien. Tierexperimentelle Befunde deuten aber darauf hin, dass die oszillatorische Aktivität im Rahmen des MP dynamisch ist und sich die Muster oszillatorischer Aktivität im Krankheitsverlauf verändern. Daher widmete sich die dritte Studie der Charakterisierung der Veränderungen oszillatorischer Aktivität im Frühstadium des MP. Während sich die CMC als Maß für die Integrität des pyramidalen motorischen Systems im Frühstadium des MP nicht beeinträchtigt zeigte, fand sich eine Zunahme der Beta-Band-Oszillationen in M1. Mit fortschreitendem Krankheitsverlauf bildete sich eine Asymmetrie motorkortikaler Oszillationen, die durch eine verstärkte Beta-Band-Aktivität kontralateral zur Bewegung gekennzeichnet war. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass sich das Muster synchronisierter oszillatorischer Aktivität mit der Schwere der Erkrankung verändert und das pyramidale System im Frühstadium der MP-Erkrankung noch nicht betroffen ist.
In der vierten Studie wurde der Frage nachgegangen, ob eine Modulation der bereits pathologisch veränderten Muster oszillatorischer Aktivität bei mäßig betroffenen MP-Patienten die MP-Symptomatik verstärkt. Während eine 10 Hz-tACS keine signifikanten Effekte hervorrief, führte eine 20 Hz-tACS bei MP-Patienten zu einer Abnahme der CMC im Beta-Band während einer isometrischen Kontraktion und zu einer verminderten Amplitudenvariabilität bei einer dynamischen Bewegungsaufgabe. In der gesunden Kontrollgruppe fanden sich keine signifikanten Effekte. Diese Befunde unterstützen die Annahme, dass verstärkte Beta-Band-Oszillationen innerhalb kortiko-subkortikaler Netzwerke zumindest bei mäßig betroffenen MP-Patienten in einer Kausalbeziehung zum Auftreten von Bradykinese und Rigidität stehen.
Zusammenfassend zeigten sich in Abhängigkeit von der Stimulationsfrequenz differentielle Effekte der tACS auf Bewegungsausführung, motorkortikale Exzitabilität und CMC. Diese Befunde stehen im Einklang mit der Hypothese, dass Oszillationen im Alpha- und Beta-Frequenzband differentielle Beiträge zur Bewegungssteuerung leisten. Während eine 20 Hz-tACS mit einer Bewegungsverlangsamung assoziiert ist, erhöht eine tACS mit 10 Hz eher die Bewegungsvariabilität. Darüber hinaus legen die signifikanten Korrelationen zwischen der erhöhten Bewegungsvariabilität und der Verminderung der kortikalen Inhibition die Vermutung nahe, dass die Verhaltenseffekte auf einer verminderten kortikalen Hemmung durch die 10 Hz-tACS beruhen. Ferner ergaben sich Hinweise für eine frequenzübergreifende Interaktion der Aktivität im Alpha- und Gamma-Band bei der statischen Bewegungskontrolle. Außerdem konnte gezeigt werden, dass eine 20 Hz-tACS die MP-Symptomatik bei mäßig betroffenen MP-Patienten weitergehend verschlechtert.
Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnenen Ergebnisse erweitern somit das Verständnis der funktionellen Bedeutung von Alpha- und Beta-Band-Aktivität für die physiologische Bewegungssteuerung und deren pathologische Veränderungen bei MP. Langfristig könnten diese Befunde zur Entwicklung gezielter therapeutischer Ansätze zur Behandlung pathologisch veränderter oszillatorischer Muster beitragen – wie z.B. einer non-invasiven Stimulationsalternative zur DBS.

Synchronous oscillatory activity represents a basic mechanism for the functional communication between and within brain areas. While spectral power yields information on synchronized oscillatory brain activity within local brain areas, corticomuscular coherence (CMC) represents an established measure of functional interaction between cortex and muscle. Alpha (8-12 Hz), beta (13-30 Hz), and gamma (> 30 Hz) band activity plays a key role in a cerebello-thalamo-cortical network subserving motor control. However, the functional relevance of these frequencies is not entirely understood yet. Pathologically increased oscillatory activity has been associated with movement disorders such as Parkinson’s disease (PD). PD is characterized by rigidity, tremor, and bradykinesia/akinesia. Moreover, PD patients display neurophysiological changes. Regarding motor cortical excitability a shortening of the cortical silent period (CSP) was observed, reflecting reduced intracortical inhibitory interneuron activity. Besides, PD is associated with pathologically increased oscillatory alpha and beta band activity, decreased gamma band activity, as well as reduced beta and gamma band CMC. PD motor symptoms can be treated by deep brain stimulation (DBS), normalizing pathologically altered oscillations.
Although an increase of pathologically synchronized oscillatory brain activity has been shown in PD, clear evidence for a causal relationship between oscillatory changes and motor impairment is still missing. In order to test this assumption of causality motor control and its underlying neural mechanisms can be investigated through transcranial alternating current stimulation (tACS). TACS allows the modulation of ongoing oscillatory activity in a frequency-specific way. Hence the present thesis aimed at elucidating the functional relevance of alpha and beta band activity for physiological motor control and its pathological alterations in PD. To this end, tACS was applied with a stimulation frequency of 10 and 20 Hz over the primary motor cortex (M1) in healthy subjects as well as in PD patients. Oscillatory activity was measured by means of magnetoencephalograpy (MEG).
The first study investigated the effect of 10 and 20 Hz tACS on motor functions and motor cortical excitability in healthy subjects. Depending on stimulation frequency differential effects were found. While 10 Hz tACS increased motor variability, 20 Hz tACS led to movement slowing. 10 Hz tACS effects were obtained 30 minutes after stimulation cessation, whereas 20 Hz effects were discernible immediately after stimulation, only. Solely after 10 Hz tACS behavioural effects were significantly correlated with CSP duration, indicating interference with inhibitory pathways.
In order to clarify the neurophysiological correlates of these findings, the second study analyzed the effect of 10 and 20 Hz tACS on local power and CMC. No frequency-specific modulation of local oscillatory activity or beta band CMC was found. However, low gamma band CMC was reduced during isometric contraction after 10 Hz tACS. Thus, it was shown that tACS effects are not necessarily limited to stimulation frequency. The finding rather points to a cross-frequency interplay between alpha and low gamma band activity, modulating functional interaction between motor cortex and muscle.
A synopsis of the first two studies suggests that healthy subjects displayed a pattern of transient behavioural and neurophysiological alterations after 10 and 20 Hz tACS comparable to findings in PD patients, consisting of movement slowing, reduced CSP duration and gamma band CMC.
The third and fourth study aimed at investigating pathological motor cortical oscillatory activity and its modulation through tACS in PD patients. Previous studies investigating PD motor symptoms mainly focused on advanced PD. Yet, animal studies point to the dynamic nature of oscillatory activity in PD, suggesting that the patterns of oscillatory activity might be subject to change during the course of the illness. Therefore, oscillatory activity at the earliest stages of PD was characterized by the third study. CMC as a measure of the pyramidal systems’s integrity was not affected in early PD, whereas beta band activity over M1 was already enhanced. An asymmetry of motor cortical oscillations emerged during the course of the illness which was characterized by increased beta band activity contralateral to isometric contraction. These findings support the hypothesis that the pattern of synchronized oscillatory activity changes with disease severity, while the pyramidal system remains unaffected in early PD. The fourth study addressed the question whether a modulation of altered patterns of oscillatory activity might lead to an aggravation of PD symptoms in moderately impaired PD patients. 10 Hz tACS did not yield any significant effects, while 20 Hz tACS reduced beta band CMC during isometric contraction and decreased amplitude variability in a fast finger tapping task. No significant effects were found in the healthy control group. These findings suggest that at least in moderately impaired PD patients increased beta band activity within cortico-subcortical networks might play a causal role in eliciting bradykinesia and rigidity.
All in all, differential tACS effects on motor functions, motor cortical excitability and CMC were found depending on stimulation frequency. These findings are consistent with the hypothesis that alpha and beta band oscillations contribute differentially to motor control. 20 Hz tACS was associated with movement slowing, whereas 10 Hz tACS increased motor variability. Besides, significant correlations between increased behavioural variability and reduced cortical inhibition suggest that the behavioural effects following 10 Hz tACS might be due to reduced intracortical inhibition. Furthermore, the present findings point to a cross-frequency interaction between alpha and gamma band activity in steady-state motor control. Additionally, it could be shown that 20 Hz tACS aggravated motor symptoms in moderately impaired PD patients. Taken together, the findings obtained in the present thesis extend the understanding of the functional relevance of alpha and beta band activity for physiological motor control and its pathological alterations in PD. In the long run the findings might contribute to the development of specific treatment approaches for the amelioration of pathologically altered oscillatory activity – such as a non-invasive stimulation alternative to DBS.
Fachbereich / Einrichtung:Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Psychologie
Dokument erstellt am:06.08.2013
Dateien geändert am:06.08.2013
Promotionsantrag am:22.02.2013
Datum der Promotion:01.07.2013
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